1. GENERACIN DE SEALES ELCTRICAS

1.1. Introduccin

Los sistemas modernos de comunicaciones electrnicas tienen muchas aplicaciones que requieren formas de onda estables y repetitivas, tanto senoidales como no senoidales. En muchas de esas aplicaciones se requiere ms de una frecuencia, y a menudo esas frecuencias se deben sincronizar entre s. Por lo anterior, las partes esenciales de un sistema electrnico de comunicaciones son generacin de seal, sincronizacin de frecuencia y sntesis de frecuencia.

1.2. Osciladores

Oscilar es vibrar o cambiar, y oscilacin es el acto de fluctuar de uno a otro estado. Un oscilador es un dispositivo que produce oscilaciones, es decir, genera una forma de onda repetitiva. Una oscilacin elctrica es un cambio repetitivo de voltaje o de corriente en una forma de onda. Si un oscilador es autosostenido, los cambios en la forma de onda son continuos y repetitivos; suceden con rapidez peridica. Los osciladores no autosostenidos requieren una seal externa de entrada para producir un cambio en la forma de onda de salida.

1.2.1. Osciladores Retroalimentados

Un oscilador retroalimentado es un amplificador con un lazo de retroalimentacin, es decir, con un paso para que la energa se propague desde la salida y regrese a la entrada. Los osciladores autosostenidos son osciladores retroalimentados. Una vez encendido, un oscilador retroalimentado genera una seal de salida de ca, de la cual se regresa una pequea parte a la entrada, donde se amplifica.

De acuerdo con el criterio de Barkhausen, para que un circuito retroalimentado sostenga oscilaciones, la ganancia neta de voltaje en torno al lazo de retroalimentacin debe ser igual o mayor que la unidad, y el desplazamiento neto de fase en torno al lazo debe ser un mltiplo entero positivo de 360.

Hay cuatro requisitos para que trabaje un oscilador retroalimentado:

a). Amplificacin. Un circuito oscilador debe tener cuando menos un dispositivo activo, y debe ser capaz de amplificar voltaje.

b). Retroalimentacin positiva: Un circuito oscilador debe tener una trayectoria completa para que la seal de salida regrese a la entrada. La seal de retroalimentacin debe ser regenerativa o positiva, y eso quiere decir que debe tener la fase correcta y la amplitud necesaria para sostener las oscilaciones. La retroalimentacin degenerativa se llama retroalimentacin negativa, y proporciona una seal de retroalimentacin que inhibe la produccin de oscilaciones.

c). Componentes que determinan la frecuencia: Un oscilador debe tener componentes que determinen la frecuencia, como por ejemplo resistores, capacitores, inductores o cristales que permitan ajustar o cambiar la frecuencia de operacin.

d). Fuente de poder. Un oscilador debe tener una fuente de energa elctrica, que puede ser una fuente de cd.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

La figura muestra un modelo elctrico de un circuito oscilador retroalimentado.

V1=voltaje de entrada externaV2=voltaje de entrada al amplificadorV3=voltaje de salidaV4=voltaje de retroalimentacinAol= ganancia de voltaje de lazo abiertoB=relacin de retroalimentacin del lazo de retroalimentacin

1.2.2. Osciladores No Sintonizados

El oscilador de puente de Wien es un oscilador RC no sintonizado de corrimiento de fase, que usa retroalimentacin tanto positiva como negativa. Es un circuito oscilador relativamente estable, de baja frecuencia, que se sintoniza con facilidad, y se suele usar en generadores de seal para producir frecuencias de 5 Hz a 1 MHz.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

La figura muestra un oscilador con puente de Wien. La red de adelanto-atraso y el divisor resistivo de voltaje forman un puente de Wien (de donde procede el nombre de oscilador con puente de Wien). Cuando est balanceado el puente, la diferencia de voltaje es igual a cero. El divisor de voltaje proporciona una retroalimentacin negativa o degenerativa, que compensa la retroalimentacin positiva o regenerativa de la red de adelanto-atraso. La relacin de los resistores en el divisor de voltaje es 2:1, y eso establece la ganancia de voltaje no inversor del amplificador A1, que es igual a (Rf /Ri )+1=3.

1.2.3. Osciladores Sintonizados

Los osciladores LC son circuitos osciladores que usan circuitos tanque LC para establecer la frecuencia. El funcionamiento de un circuito tanque implica intercambio de energa entre cintica y potencial.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

La figura ilustra el funcionamiento de un circuito tanque LC. Como se ve en la figura, una vez que se inyecta corriente en el circuito (momento t1), se intercambia energa entre el inductor y el capacitor, y se produce un voltaje correspondiente de salida (tiempos t2 a t4). La frecuencia de funcionamiento de un circuito tanque LC no es ms que la frecuencia de resonancia de la red LC en paralelo, y el ancho de banda es una funcin de la Q del circuito. La frecuencia de resonancia de un circuito tanque LC con Q >10 se aproxima bastante con la ecuacin

1.2.4. Estabilidad De Frecuencia

La estabilidad de frecuencia es la capacidad de un oscilador para permanecer en una frecuencia fija, y es de primordial importancia en los sistemas de comunicaciones. Con frecuencia, se especifica la estabilidad de frecuencia como de corto o de largo plazo. La estabilidad a corto plazo se afecta principalmente debido a fluctuaciones en los voltajes de operacin de cd, mientras que la estabilidad a largo plazo es una funcin del envejecimiento de los componentes y de cambios en la temperatura y la humedad del ambiente.

Son varios los factores que afectan la estabilidad de un oscilador. Los ms obvios son los que afectan en forma directa el valor de los componentes que determinan la frecuencia. Se incluyen los cambios de inductancia, capacitancia y resistencia causados por variaciones ambientales de temperatura y humedad, y cambios en el punto de reposo de los transistores normales y de efecto de campo. Tambin las fluctuaciones de las fuentes de poder de cd afectan la estabilidad. La estabilidad de la frecuencia de los osciladores de RC o de LC se puede mejorar mucho regulando el suministro de cd y minimizando las variaciones ambientales.

1.2.5. Osciladores De Cristal

Los osciladores de cristal son circuitos osciladores de retroalimentacin en los que se sustituye el circuito tanque LC con un cristal, como componente para determinar la frecuencia. El cristal funciona en forma parecida al tanque LC, pero tiene varias ventajas inherentes. A veces, a los cristales se les llama resonadores de cristal, y pueden producir frecuencias precisas y estables para contadores de frecuencia, sistemas de navegacin electrnica, radiotransmisores y radiorreceptores, televisiones, grabadoras de video (VCR), relojes para sistemas de cmputo y muchas otras aplicaciones.

1.3. Osciladores En Gran Escala De Integracin

En los ltimos aos ha aumentado con una rapidez asombrosa el uso de los circuitos con integracin a gran escala (LSI, de large scale integration) para generar frecuencias y formas de onda, porque los osciladores de circuito integrado tienen una excelente estabilidad de frecuencia y un amplio margen de sintona, y por ser fciles de usar. Los generadores de forma de onda y los generadores de funciones se usan en forma extensa en equipos de comunicaciones y de telemetra, as como en laboratorios, para equipos de prueba y calibracin.

Los generadores LSI (con integracin en gran escala) que se consiguen hoy incluyen generadores de funciones, temporizadores, relojes programables, osciladores controlados por voltaje, osciladores de precisin y generadores de forma de onda.

Generacin de forma de onda con circuito integrado

En su forma ms simple, un generador de forma de onda es un circuito oscilador que genera formas de onda bien definidas y estables, que se pueden modular o barrer externamente sobre un intervalo determinado de frecuencia. Un generador de onda tpico est formado por cuatro secciones bsicas: 1) un oscilador, que genera la forma de onda peridica bsica, 2) un conformador de onda, 3) un modulador opcional de AM y 4) un amplificador separador de salida para aislar el oscilador de la carga y proporcionar la corriente necesaria.

La figura muestra un diagrama simplificado de bloques de un circuito generador de forma de onda con circuito integrado que muestra la relacin entre las cuatro secciones. La seccin del oscilador genera la frecuencia bsica de oscilacin, y elcircuito conformador de onda convierte la salida del oscilador en una forma de onda senoidal, cuadrada, triangular o en rampa. El modulador, cuando se usa, permite que el circuito produzca seales de amplitud modulada, y el amplificador separador asla al oscilador de su carga y permite contar con un lugar cmodo para sumar valores de cd a la forma de onda en la salida. La salida de sincronizacin se puede usar como fuente de onda cuadrada o como pulso de sincronizacin para los circuitos externos de temporizacin.Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

2. LAZOS DE FASE CERRADA (PLL)

2.1. Intervalos De Enganche Y De Captura

El lazo de fase cerrada (PLL, de phase-locked loop) o lazo amarrado por fase se usa en forma extensa en las comunicaciones electrnicas para modulacin, demodulacin, generacin de frecuencia y sntesis de frecuencia. Los PLL se usan tanto en los transmisores como en los receptores, modulacin analgica o digital, y con la transmisin de pulsos digitales.

En esencia, un PLL es un sistema de control retroalimentado de lazo cerrado en el que la frecuencia de la seal de voltaje retroalimentada es el parmetro de inters, y no slo el voltaje. El PLL proporciona una sintona selectiva y filtrado de frecuencia, sin necesidad de bobinas o de inductores. El circuito bsico de fase cerrada se ve en la siguiente figura y consiste en cuatro bloques primarios:un comparador (mezclador) de fase, un filtro pasabajas, un amplificador de baja ganancia (amplificador operacional) y un oscilador controlado por voltaje (VCO).

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

2.1. Intervalos De Enganche y De Captura

Los dos parmetros de los PLL que indican su intervalo de frecuencia til son el intervalo de enganche y el intervalo de captura.

Intervalo de enganche: Se define al intervalo de enganche como el margen de frecuencias cercanas a la frecuencia natural del VCO, fn, dentro del cual el PLL puede mantener la sincronizacin con una seal de entrada. Intervalo de captura: El intervalo de captura se define como la banda de frecuencias cercanas a fn donde el PLL puede establecer o adquirir enganche con una seal de entrada. El intervalo de captura est, en general, entre 1.1 y 1.7 por la frecuencia natural del VCO.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

2.2. Oscilador Controlado Por Voltaje

Un oscilador controlado por voltaje (VCO, de voltage-controlled oscillator) es un oscilador (en forma ms especfica, un multivibrador de funcionamiento autnomo) con una frecuencia estable de oscilacin, que depende de un voltaje de polarizacin externo. La salida de un VCO es una frecuencia, y su entrada es una seal de polarizacin o de control, que puede ser un voltaje de cd o de ca. Cuando se aplica un voltaje de cd o de ca de variacin lenta en la entrada del VCO, la frecuencia de salida cambia, o se desva, en forma proporcional.

en la que Ko= funcin de transferencia de entrada-salida (hertz por volt).V= cambio de voltaje de control en la entrada (volts).f= cambio en la frecuencia de salida (hertz).2.3. Comparador De Fases

Un comparador de fases, que a veces se le dice detector de fase, es un dispositivo no lineal con dos seales de entrada: una frecuencia generada externamente ( fi) y la frecuencia de salida del VCO (fo). La salida de un comparador de fase es el producto de las dos seales con frecuencias fi y fo y, por consiguiente, contiene sus frecuencias de suma y de diferencia ( fi + fo).

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

La figura a) muestra el diagrama de un comparador de fases sencillo. El voltaje vo se aplica al mismo tiempo a las dos mitades del transformador T1 de entrada. Los componentes D1, R1 y C1 forman un rectificador de media onda, al igual que D2, R2 y C2. Ntese que C1 =C2, y que R1 =R2. Durante la parte positiva de vo, D1 y D2 se polarizan directamente y estn activos o encendidos, cargando a C1 y a C2 con valores iguales, pero con polaridades opuestas. Por lo anterior, el voltaje promedio de salida es Vsal= VC1+ (-VC2) =0 V. Esto se ve en la figura b). Durante el medio ciclo negativo de vo, D1 y D2 tienen polarizacin inversa y estn apagados. Por consiguiente, C1 y C2 se descargan por igual a travs de R1 y R2, respectivamente, manteniendo el voltaje de salida igual a 0 V. Esto se ve en la figura c). Los dos rectificadores de media onda producen voltajes de salida de igual magnitud y polaridad inversa. As, el voltaje de salida debido a vo es constante e igual a 0 V. Las formas de onda correspondientes en la entrada y la salida, para una seal de onda cuadrada del VCO, se ven en la figura d).

2.4. Funcionamiento Del Lazo

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

Captura del lazo: Una seal externa de entrada [(Vi sen(2fit+i)] entra al comparador de fases y se mezcla con la seal de salida del VCO, que es una onda cuadrada con frecuencia fundamental fo. Al principio, las dos frecuencias no son iguales ( fo fi), y el lazo est desincronizado. Como el comparador de fases es un dispositivo no lineal, las seales del VCO y de entrada se mezclan, y generan frecuencias de producto cruzado (es decir, suma de frecuencias y diferencia de frecuencias). As, las frecuencias primarias de salida del comparador de fases son la frecuencia de la entrada externa, fi, la frecuencia de salida del VCO, fo, y su suma ( fi + fo) y su diferencia ( fi - fo). El filtro pasabajas (LPF) bloquea las dos frecuencias originales de entrada, y la frecuencia de suma; as, la entrada al amplificador es slo la diferencia de frecuencias, fi - fo. La diferencia de frecuencias se amplifica, para aplicarla a la entrada del oscilador controlado por voltaje, el cual desva una cantidad proporcional a su polaridad y amplitud. Al cambiar la frecuencia de salida del VCO, la amplitud y la frecuencia de la diferencia de frecuencias cambian en forma proporcional.

2.5. Circuito Integrado Para Un Lazo De Fase Cerrada De Precisin

El XR-215 es un sistema de lazo de fase cerrada, monoltico, diseado por EXAR Corporation, para una gran variedad de aplicaciones en sistemas de comunicaciones, tanto analgicos como digitales. Se adapta en especial para demodulacin FM o FSK, sntesis de frecuencia y aplicaciones de filtro de rastreo. Puede operar dentro de un margen relativamente amplio de frecuencias, de 0.5 Hz a 35 MHz, y puede manejar voltajes analgicos de entrada de 300 _V a 3 V. El XR- 215 se puede conectar con las familias lgicas DTL, TTL y ECL.

El diagrama de bloques del XR-215 se ve en la siguiente figura, y consiste en tres secciones principales: un comparador balanceado de fases, un oscilador controlado por voltaje (VCO) muy estable, y un amplificador operacional de alta velocidad. Las salidas del comparador de fases se conectan internamente con las entradas al VCO, y al amplificador no inversor del amplificador operacional.

Se forma un sistema incorporado de PLL tan slo acoplando en ca la salida delVCO a cualquiera de las entradas del comparador de fases y agregando un filtro pasabajas a las terminales de salida del comparador. La seccin del VCO tiene barrido de frecuencia, modulacin por encendido y apagado, sincronizaciny posibilidades de programacin digital. Su frecuencia es muy estable, y est determinada por un solo capacitor externo. El amplificador operacional se puede usar para preamplificacin de audio en aplicaciones de detector de FM, o como amplificador sensor (o comparador) de alta velocidad en demodulacin FSK.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

3. Sintetizadores De Frecuencia

Un sintetizador de frecuencias se usa para generar muchas frecuencias de salida agregando, restando, multiplicando y dividiendo una cantidad menor de frecuencias fijas. Dicho en modo sencillo, un sintetizador de frecuencias es un generador de frecuencia variable controlado por cristal. El objetivo de un sintetizador de frecuencias es doble. Debe producir tantas frecuencias como sea posible con una cantidad mnima de fuentes, y cada frecuencia producida debe ser tan exacta y estable como las dems.

3.1. Sintetizadores De Frecuencia Directos

Sintetizador de frecuencias de cristal mltiple

La fig. 2-38 muestra un diagrama de bloques de un sintetizador de frecuencias de cristal mltiple que usa mezclado no lineal (heterodinaje) y filtrado, para producir 128 frecuencias distintas con 20 cristales y dos mdulos de oscilador. Para los valores indicados de los cristales se sintetiza un intervalo de frecuencias de 510 kHz a 1790 kHz, en incrementos de 10 kHz. Un sintetizador como ste se puede usar para generar las frecuencias de portadora para las 106 estaciones de emisin de AM (de 540 kHz a 1600 kHz).

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

Sintetizador de frecuencia de un solo cristal.

La siguiente figura muestra un diagrama de bloques de un sintetizador de frecuencia de un cristal que de nuevo usa la suma, resta, multiplicaciny divisin de frecuencias para generar frecuencias de 1 Hz a 999,999 Hz, en incrementos de 1 Hz. Un cristal de 100 kHz es la fuente del oscilador maestro, del que se derivan todas las frecuencias.

La frecuencia del oscilador maestro es una frecuencia base que se divide repetidamente entre 10, para generar cinco frecuencias subbase (10 kHz, 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz y 1 Hz). Cada frecuencia subbase se alimenta a un generador separado de armnicas (multiplicador de frecuencias), que consiste en un amplificador no lineal con un filtro sintonizable. El filtro se puede sintonizarcon cada una de las primeras nueve armnicas de su frecuencia base. En consecuencia, las frecuencias de salida posibles del generador de armnicas 1 son 0 a 900 kHz en incrementos de 100 kHz; para el generador de armnicas 2, de 10 a 90 kHz en incrementos de 10 kHz, etctera.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

3.2. Sintetizadores Indirectos De Frecuencia

Sintetizadores de frecuencias con lazo de fase cerrada

En aos recientes, los sintetizadores de frecuencias con PLL se han vuelto rpidamente el mtodo ms popularizado para sntesis de frecuencias. La fig. 2-40 muestra un diagrama de bloques para un sintetizador PLL de frecuencias de lazo sencillo. La referencia estable de frecuencia es un oscilador controlado porcristal. El intervalo de frecuencias generadas, y la resolucin, dependen de la red divisora y de la ganancia de lazo abierto.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

Sintonizador de frecuencias preescalado

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un sintetizador de frecuencias que usa un lazo de fase cerrada y un preescalador, para obtener divisin fraccionaria. Tambin es necesario el preescalado para generar frecuencias mayores que 100 MHz, porque no se dispone de contadores programables que funcionen con eficiencia a esas altas frecuencias. El sintetizador de la figura usa un preescalador mdulo dos. Tiene dos modos de operacin. Un modo proporciona una frecuencia de salida por cada pulso P de entrada, y el otro modo proporciona una salida por cada pulso P+ 1 de entrada.

Fuente: TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin

GLOSARIO

Comparador de fases: Es un dispositivo no lineal con dos seales de entrada. Cristalografa: Es el estudio de la forma, estructura, propiedades y clasificaciones de los cristales.

Efecto piezoelctrico: Se presenta cuando se aplican esfuerzos mecnicos oscilatorios a travs de una estructura de red cristalina, y generan oscilaciones elctricas, y viceversa.

Estabilidad de frecuencia: Es la capacidad de un oscilador para permanecer en una frecuencia fija.

LC: Circuito formado por inductor y capacitor.LIC (linear integrated circuits): Circuitos integrados lineales.LSI(de large scale integration):integracin a gran escala.Oscilar: Es fluctuar entre dos estados o condiciones.Oscilador retroalimentado: Es un amplificador con un lazo de retroalimentacin, es decir, con un paso para que la energa se propague desde la salida y regrese a la entrada.

PLL(de phase-locked loop): Lazo de fase cerrada.RC: Circuito formado por resistor y capacitor.RFC (radio-frequency choke): Bobina de radiofrecuencia.RL: Circuito formado por resistor e inductor.RLC: Circuito formado por resistor, inductor y capacitor.Sintetizar: Quiere decir formar una entidad combinando partes o elementos.VCO (voltage-controlled oscillator): Oscilador controlado por voltaje.

BIBLIOGRAFA

TOMASI, Wayne, Sisemas de Comunicaciones Electrnicas, cuarta edicin, 2003CARLSON, A. Sistemas de comunicacin. Editorial Mc Graw ill, cuarta edicin, 2002120