Electronica_de_comunicaciones

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Electrónica
de Comunicaciones
Fernández
Manuel Sierra Pérez • Belén Galocha Iragüen
José Luis Fernández Jambrina • Manuel Sierra Castañer
Electrónica de Comunicaciones
Electrónica de Comunicaciones
Manuel Sierra Pérez
Belén Galocha Iragüen
José Luis Fernández Jambrina
Manuel Sierra Castañer
Universidad Politécnica de Madrid
Madrid México Santafé de Bogotá Buenos Aires Caracas Lima Montevideo San Juan
San José Santiago São Paulo White Plains
Datos de catalogaciÜn bibliogrØfica
SIERRA PÉREZ, M.; GALOCHA IRAGÜEN, B.;
FERNÁNDEZ JAMBRINA, J. L. y SIERRA CASTAÑER, M.
Electrónica de Comunicaciones
PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2003
Materia: Electrónica 621.3
Formato 195 # 250 Páginas: 416
Todos los derechos reservados.
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5 2003 por PEARSON EDUCACIÓN, S.A.
Ribera del Loira, 28
28042 MADRID
SIERRA PÉREZ, M.; GALOCHA IRAGÜEN, B.;
FERNÁNDEZ JAMBRINA, J. L. y SIERRA CASTAÑER, M.
Electrónica de Comunicaciones
ISBN: 84-205-3674-1
Depósito legal: M.
PRENTICE HALL es un sello editorial autorizado de PEARSON EDUCACIÓN, S.A.
Equipo editorial:
Editora: Isabel Capella
Técnico editorial: Marta Caicoya
Equipo de producción:
Dirección: José Antonio Clares
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Diseño de cubierta: Equipo de diseño de PEARSON EDUCACIÓN, S.A.
Composición: COPIBOOK, S.L.
Impreso por:
IMPRESO EN ESPAÑA - PRINTED IN SPAIN
Este libro ha sido impreso con papel y tintas ecológicos
ISBN eBook : 978-84-832-2981-1
A M.a Jesús, Ángel, Teresa y Charo
a
Contenido
PRÓLOGO ............................................................................................................................................... xiii
CAPÍTULO 1. Introducción a los sistemas de radiofrecuencia ...................................................... 1
1.1. Modulación de portadoras ............................................................................... 2
1.2. Diagrama de un sistema de radiofrecuencia ................................................... 3
1.3. Parámetros de diseño ....................................................................................... 5
El espectro radioeléctrico ................................................................................ 5
Potencia de emisión ......................................................................................... 6
Sensibilidad ...................................................................................................... 7
Distorsión e interferencias ............................................................................... 7
1.4. Sistemas analógicos y sistemas digitales ........................................................ 8
1.5. El entorno docente de la electrónica de RF ................................................... 9
1.6. Organización del libro ..................................................................................... 10
1.7. Bibliografía ....................................................................................................... 11
CAPÍTULO 2. Procesos de distorsión y ruido en RF ...................................................................... 15
2.1. Características de la distorsión ........................................................................ 16
2.2. Distorsión lineal ............................................................................................... 17
Distorsión de amplitud ..................................................................................... 18
Linealidad de fase. Medios dispersivos .......................................................... 19
Ecos y reflexiones múltiples ............................................................................ 20
2.3. Distorsión no lineal. Modelo polinómico ....................................................... 22
Saturación y distorsión armónica .................................................................... 23
Intermodulación de tercer orden con dos tonos .............................................. 25
Procesos no lineales en cascada ...................................................................... 29
Intermodulación de tercer orden con N tonos ................................................ 34
2.4. Distorsión no lineal en señales moduladas ..................................................... 35
Transmodulación .............................................................................................. 36
Conversión AM-PM ......................................................................................... 37
2.5. Ruido ................................................................................................................ 37
Ruido generado por un dipolo ......................................................................... 37
Ruido en un cuadripolo ................................................................................... 39
Ruido equivalente de una cadena de cuadripolos ........................................... 41
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 42
CAPÍTULO 3. Osciladores .................................................................................................................. 47
3.1. Principio de funcionamiento de un oscilador ................................................. 48
3.2. Parámetros característicos de un oscilador ..................................................... 50
Frecuencia. Margen y forma de sintonía ........................................................ 50
Estabilidad de un oscilador .............................................................................. 51
Potencia, rendimiento y nivel de armónicos ................................................... 52
Pulling .............................................................................................................. 52
Pushing ............................................................................................................. 53
Deriva de frecuencia con la temperatura ........................................................ 53
Espectro de ruido. Estabilidad a corto plazo .................................................. 53
Estabilidad a largo plazo ................................................................................. 56
3.3. Ruido de fase de un oscilador. Modelo de Leeson ........................................ 57
3.4. Tipos de osciladores ......................................................................................... 60
Osciladores LC ................................................................................................. 62
Osciladores de cristal de cuarzo ...................................................................... 62
Oscilador de resonancia serie .......................................................................... 64
Oscilador de resonancia paralelo ..................................................................... 64
3.5. Osciladores controlados por tensión (VCO) ................................................... 65
Oscilador controlado por varactor ................................................................... 65
Apéndice 3.1. Especificaciones del diodo varactor MV104 .................................... 69
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 72
CAPÍTULO 4. Lazos enganchados en fase (PLL) ............................................................................ 77
4.1. Introducción ...................................................................................................... 78
Aplicaciones .....................................................................................................78
Frecuencia y fase instantáneas ........................................................................ 78
4.2. Estudio de un PLL ideal .................................................................................. 79
Detector de fase ideal ...................................................................................... 80
Filtro del bucle ................................................................................................. 80
VCO ideal ......................................................................................................... 80
Funciones de transferencia del lazo ................................................................ 80
4.3. Especificaciones ............................................................................................... 83
Procesos de enganche ...................................................................................... 83
Respuesta en régimen permanente .................................................................. 84
Respuestas transitorias ..................................................................................... 86
Filtrado del ruido de fase ................................................................................. 86
4.4. Influencia del filtro .......................................................................................... 89
PLL de orden 1 ................................................................................................ 89
PLL de orden 2 tipo 1 ..................................................................................... 91
PLL de orden 2 tipo 2 ..................................................................................... 92
4.5. Detectores de fase ............................................................................................ 99
Multiplicador analógico ................................................................................... 99
Detector digital de onda cuadrada ................................................................... 101
viii Contenido
Detector digital biestable ................................................................................. 101
Detector digital de fase frecuencia .................................................................. 102
Bomba de carga ............................................................................................... 104
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 105
CAPÍTULO 5. Sintetizadores de frecuencia con PLL ..................................................................... 109
5.1. Definiciones ...................................................................................................... 110
5.2. Sintetizador básico ........................................................................................... 110
5.3. Configuraciones de sintetizadores ................................................................... 112
Sintetizador con divisor programable .............................................................. 112
Sintetizador con divisores fijo y programable ................................................ 113
Sintetizador con divisor de doble módulo ...................................................... 114
Sintetizador con mezclador .............................................................................. 116
5.4. Ruido de fase en sintetizadores ....................................................................... 116
5.5. Filtrado de la frecuencia de referencia ........................................................... 121
5.6. Circuitos integrados sintetizadores .................................................................. 122
5.7. Otros sintetizadores .......................................................................................... 123
Apéndice 5.1. Especificaciones de los sintetizadores LMX2315/LMX2320/
LMX2325 ........................................................................................ 124
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 126
CAPÍTULO 6. Mezcla y conversión de frecuencia .......................................................................... 131
6.1. El mezclador básico ......................................................................................... 132
6.2. Especificaciones de un mezclador ................................................................... 134
Frecuencia de funcionamiento ......................................................................... 134
Pérdidas de conversión .................................................................................... 134
Impedancias nominales y adaptación .............................................................. 135
Aislamiento ....................................................................................................... 135
Mezclas espurias .............................................................................................. 137
Ruido de un mezclador .................................................................................... 138
6.3. Dispositivos utilizados como mezcladores ...................................................... 139
Diodos de barrera Schottky ............................................................................. 139
Diodos varactores ............................................................................................. 139
Transistores bipolares ....................................................................................... 140
Transistores de efecto de campo ..................................................................... 140
Circuitos integrados ......................................................................................... 140
6.4. Circuitos mezcladores ...................................................................................... 140
Mezclador simple ............................................................................................. 140
Mezclador equilibrado ..................................................................................... 142
Mezclador doblemente equilibrado ................................................................. 145
Mezclador con rechazo de imagen .................................................................. 146
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 147
CAPÍTULO 7. Amplificadores de RF ................................................................................................ 151
7.1. Parámetros de un amplificador de RF ............................................................ 152
Función de transferencia .................................................................................. 153
Impedancias nominales. Reflexión .................................................................. 156
Banda de trabajo .............................................................................................. 158
Temperatura de ruido. Figura de ruido ........................................................... 159
Contenido ix
Banda de ruido ................................................................................................. 160
Estabilidad ........................................................................................................ 160
Respuesta no lineal de un amplificador .......................................................... 161
7.2. Amplificadores sintonizados ............................................................................ 161
Circuito de sintonía simple .............................................................................. 161
7.3. Amplificadores multietapa de sintonía simple ................................................ 165
Amplificadores de sintonía fija ....................................................................... 166
Amplificadores de sintonía escalonada ...........................................................167
7.4. Amplificadores de banda ancha ...................................................................... 169
Amplificadores realimentados ......................................................................... 169
Amplificadores distribuidos ............................................................................. 170
7.5. Amplificadores de potencia ............................................................................. 171
7.6. Amplificadores de potencia lineales ................................................................ 172
Amplificadores clase A .................................................................................... 172
Amplificadores clase B .................................................................................... 176
7.7. Amplificadores no lineales .............................................................................. 179
Amplificadores clase C .................................................................................... 179
Amplificadores clase C saturados ................................................................... 182
Amplificadores de alto rendimiento ................................................................ 183
Amplificadores clase D .................................................................................... 183
Amplificadores clase E .................................................................................... 184
Apéndice 7.1. Ecuaciones de la ganancia de un amplificador .............................. 186
Apéndice 7.2. Circuitos de adaptación ................................................................... 187
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 189
CAPÍTULO 8. Filtros pasivos de RF ................................................................................................. 193
8.1. Tipos de filtro. Respuesta en frecuencia ......................................................... 194
8.2. Transformación de frecuencia ......................................................................... 197
8.3. Filtros de cavidades ......................................................................................... 199
Diseño de filtros de cavidades ......................................................................... 199
Cavidades más utilizadas ................................................................................. 200
8.4. Efectos de las pérdidas en el filtrado .............................................................. 203
Apéndice 8.1. Funciones de atenuación en filtros paso bajo ................................ 205
Apéndice 8.2. Ecuaciones de diseño de filtros de cavidades ................................ 209
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 210
CAPÍTULO 9. Modulación y demodulación lineal ........................................................................... 215
9.1. Modulación de Amplitud (AM) ....................................................................... 216
Modulación AM por mezcla ............................................................................ 216
Modulación AM con amplificadores de ganancia variable ............................ 218
9.2. Modulación en Doble Banda Lateral (DBL) .................................................. 221
9.3. Modulación en Banda Lateral Única (BLU) .................................................. 222
Modulación en BLU por desfasaje .................................................................. 222
Modulación en BLU por filtrado ..................................................................... 224
9.4. Modulación I&Q .............................................................................................. 226
9.5. Modulación con señales digitales .................................................................... 227
Modulación ASK .............................................................................................. 228
Modulación QAM ............................................................................................ 228
x Contenido
9.6. Detección AM .................................................................................................. 230
Detección de envolvente .................................................................................. 230
Detección coherente de AM ............................................................................ 234
9.7. Detección DBL ................................................................................................. 236
9.8. Detección BLU ................................................................................................. 237
9.9. Detección I&Q ................................................................................................. 239
9.10. Detección de señales digitales ......................................................................... 239
Detección ASK con detector de envolvente ................................................... 239
Detección ASK con detector coherente .......................................................... 240
Detección QAM ............................................................................................... 240
9.11. Recuperación de reloj ...................................................................................... 240
Apéndice 9.1. Especificaciones de moduladores y demoduladores I&Q .................. 242
Ejercicios propuestos ................................................................................................... 244
CAPÍTULO 10. Modulación y demodulación de fase y frecuencia ............................................... 249
10.1. Procesos de modulación no lineal ................................................................. 250
10.2. Modulación de fase ........................................................................................ 253
Modulación con varactor ............................................................................... 253
Modulador Armstrong .................................................................................... 255
Distorsión en modulación de fase ................................................................. 256
Modulación de fase con PLL ........................................................................ 257
10.3. Modulación de frecuencia .............................................................................. 259
Modulación indirecta de frecuencia .............................................................. 259
Modulación con VCO .................................................................................... 262
Estabilización con PLL .................................................................................. 264
10.4. Modulación PSK ............................................................................................ 267
Modulación BPSK .......................................................................................... 267
Codificación BPSK diferencial ...................................................................... 268
Modulación QPSK ......................................................................................... 269
10.5. Modulación FSK ............................................................................................ 269
Moduladores FSK lineales ............................................................................. 270
Moduladores FSK digitales ........................................................................... 270
10.6. Demodulación FM ......................................................................................... 271
Detección FM por discriminador ................................................................... 271
Circuitos limitadores ................................................................................ 271
Discriminadores de FM ...........................................................................273
Detector de FM de cuadratura ....................................................................... 276
Desfasadores con células RLC ................................................................ 276
Desfasador con línea de retardo .............................................................. 279
Demodulación FM con PLL .......................................................................... 279
10.7. Demodulación PM con PLL .......................................................................... 282
10.8. Demodulación FSK ........................................................................................ 282
Detector FSK no coherente ........................................................................... 283
Detector FSK coherente ................................................................................. 284
10.9. Demodulación PSK ........................................................................................ 284
Demodulador para PSK diferencial ............................................................... 284
Bucle elevador al cuadrado ........................................................................... 285
Bucle de Costas para demodulación PSK ..................................................... 286
Bucle de Costas para demodulación QPSK .................................................. 288
Contenido xi
Apéndice 10.1. Modulador FM BH1414 ROHM .................................................... 289
Ejercicios propuestos ................................................................................................... 291
CAPÍTULO 11. Transmisores ............................................................................................................. 297
11.1. Tipos de transmisores .................................................................................... 298
Transmisores homodinos o de modulación directa ...................................... 298
Transmisores heterodinos ............................................................................... 299
11.2. Parámetros característicos .............................................................................. 300
Frecuencia de transmisión ............................................................................. 300
Señal en banda base ....................................................................................... 303
Tipo y profundidad de modulación ............................................................... 304
Ancho de banda ............................................................................................. 304
Emisiones no deseadas ................................................................................... 306
Potencia de emisión ....................................................................................... 307
Rendimiento ................................................................................................... 308
Fidelidad ......................................................................................................... 309
11.3. Niveles de potencia en el transmisor. Control automático de ganancia ...... 310
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 311
CAPÍTULO 12. Receptores ................................................................................................................. 319
12.1. Tipos de receptores ........................................................................................ 320
Receptor homodino ........................................................................................ 321
Receptor superheterodino ............................................................................... 323
Receptor de doble conversión de frecuencia ................................................ 324
12.2. Frecuencias interferentes ................................................................................ 326
12.3. Elección de la frecuencia intermedia ............................................................ 330
12.4. Selectividad de un receptor ........................................................................... 333
12.5. Ruido en un receptor ..................................................................................... 337
12.6. Sensibilidad de un receptor ........................................................................... 340
12.7. Margen dinámico de un receptor .................................................................. 344
12.8. Control automático de ganancia .................................................................... 345
Circuitos para control de polarización .......................................................... 348
Atenuadores a diodo ...................................................................................... 349
Apéndice 12.1. Transceptor de radioaficionados MARK-V (YAESU) ................ 351
Apéndice 12.2. Transceptor superheterodino W-CDMA ....................................... 355
Ejercicios propuestos ................................................................................................. 357
EJERCICIOS ........................................................................................................................................... 361
1. Sintetizador de frecuencias ................................................................................... 362
2. Modulación lineal .................................................................................................. 368
3. Detector de FM ..................................................................................................... 372
4. Transmisor ............................................................................................................. 375
5. Receptor 1 ............................................................................................................. 379
6. Receptor 2 ............................................................................................................. 382
7. Diseño del sistema de televisión digital por satélite DVB-S .............................. 386
SOLUCIONES A LAS PREGUNTAS DE TEST ................................................................................ 391
ACRÓNIMOS .......................................................................................................................................... 395
ÍNDICE ..................................................................................................................................................... 399
xii Contenido
Prólogo
Estamos en una época de cambios muy rápidos en las prestaciones de los componentes, el uso
de nuevos materiales y en la integración de circuitos dentro de la electrónica de radiofrecuencia
y microondas. Todo esto hace que sea cada vez más necesario un punto de vista de sistema
añadido a la Electrónica de Comunicaciones, por lo que en este libro se ha incluido una fuerte
componente de sistema al estudio de los circuitos clásicos de radiofrecuencia. Es seguro que en
unos pocos años las técnicas de diseño cambiarán de forma muy importante, por lo que tendre-
mos también que cambiar nuestras técnicas docentes y los contenidos del libro. Pero esa es una
tarea que intentaremos ver cuando llegue el momento.
Este libro nace como la etapa final de una serie de apuntes y notas de cátedra que inició el
profesor Mercader en los años ochenta, al hacerse cargo de la asignatura del mismo nombre, en
la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica
de Madrid. Desde aquella época, las cosas han cambiado mucho en la Electrónica de Comunica-
ciones, no sólo por la generalización de los procesos digitales en los sistemas de comunicacio-
nes, sino por la aparición constante de nuevos componentes, destacando entre ellos los circuitos
integrados de radiofrecuencia y microondas. Estos cambios nos han obligado a un proceso con-
tinuo de actualización de la asignatura que,claramente, no termina con este libro y que habrá
que continuar en el futuro.
El libro está dedicado a los alumnos de Ingeniería de Telecomunicación, ajustándose bastan-
te al programa de la asignatura que actualmente se imparte en la Universidad Politécnica de
Madrid y que coincide en gran parte con los programas establecidos en otras universidades, tan-
to nacionales como de otros países. Ésta es la razón de que se incluya en el texto un gran núme-
ro de ejercicios y preguntas dirigidos a ayudar a los estudiantes en su proceso de preparación y
asimilación de la asignatura. Se incluye también un primer capítulo que introduce al temario
posterior, delimita la materia en el amplio campo de las comunicaciones y presenta una larga
lista bibliográfica para los más comprometidos en el tema.
Los autores agradecemos el esfuerzo dedicado a esta asignatura por los profesores que nos
precedieron y de los que hemos tomado muchas ideas para la elaboración del libro. En particu-
lar nuestro agradecimiento a D. Luis Mercader, precursor del actual programa de Electrónica
de Comunicaciones y a los profesores que han contribuido a darle forma: D. José Manuel Riera,
D. Juan de la Calle, D. Félix García y Dña. Raquel Pérez.
Nuestro agradecimiento también a las diferentes firmas comerciales que nos han permitido
utilizar su documentación como parte del libro.
Los autores
Introducción a los sistemas
de radiofrecuencia
1.1. Modulación de portadoras
1.2. Diagrama de un sistema de radiofrecuencia
1.3. Parámetros de diseño
1.4. Sistemas analógicos y sistemas digitales
1.5. El entorno docente de la electrónica de RF
1.6. Organización del libro
1.7. Bibliografía
En los últimos años se ha producido un fuerte desarrollo de las aplicaciones basadas en radioco-
municaciones. Este desarrollo ha estado generado por importantes avances de miniaturización
de los circuitos de radiofrecuencia y de los sistemas digitales, aprovechando la unión de ambas
tecnologías. La amplia difusión de aplicaciones de gran mercado, sobre todo la telefonía móvil
y las comunicaciones por satélite, han permitido a su vez un desarrollo más rápido y con pro-
ductos cada vez más baratos.
Por otro lado, la limitación del espectro de radio obliga a emisiones cada vez más controla-
das, extendiéndose a bandas de frecuencia más altas y con procesos de modulación más eficien-
tes y más protegidos contra distorsiones o interferencias. La inclusión de inteligencia en los sis-
temas de comunicaciones es cada día más importante, al permitir unir servicios diferentes
dentro de varios estándares de comunicaciones que operan en varias bandas de frecuencia, de
forma que el usuario considera el sistema como un elemento único. Así se empiezan a ver siste-
mas de comunicaciones que combinan telefonía móvil con transmisión de datos e imágenes, in-
cluyendo sistemas de radiolocalización o de identificación. La tendencia a corto plazo será obte-
ner un sistema único de servicios de comunicaciones personales, que opere con muchos sistemas
de forma simultánea o consecutiva y que utilice la radio como canal principal de transmisión.
1.1. Modulación de portadoras
Los sistemas de comunicaciones trabajan con información en forma de señales electrónicas que
ocupan una banda limitada del espectro, por la naturaleza de la señal y por el filtrado previo a la
transmisión. La transmisión de estas señales se puede realizar en banda base o modulando una
portadora. La elección entre una u otra forma de transmisión dependerá del canal disponible y la
necesidad de compartir dicho canal con otros sistemas de comunicaciones o con otras señales.
La transmisión en banda base se realiza casi siempre sobre canales formados por líneas de
transmisión, y sigue ofreciendo una forma adecuada de transmisión en muchos sistemas, tanto
analógicos como digitales. Los sistemas más actuales en este tipo de transmisión son las redes
de área local para sistemas informáticos.
Cuando se utiliza el canal radioeléctrico, es muy difícil la transmisión de señales en banda
base. Primero porque el tamaño de las antenas debe ser, al menos, del orden de un cuarto de
longitud de onda (j/4 donde j % c/f con c % 3 · 108 m/s) para que su eficiencia sea alta. Esta
condición elimina la posibilidad de transmitir señales de frecuencia baja que aparecen en la ban-
da base de muchos sistemas. Por otra parte, la banda relativa que puede transmitirse en un siste-
ma dado suele ser pequeña (B/f aa 1), limitando la banda en las portadoras de frecuencia más
baja. En estas condiciones se hace imprescindible trasladar la información a otra zona del es-
pectro diferente de la banda base, a través de los diversos tipos de modulación que se suponen
ya conocidos por los lectores.
Cuando se desea conseguir una mayor eficiencia del medio de transmisión y transmitir va-
rias señales de forma simultánea, se puede trabajar con varias portadoras de forma simultánea
en lo que se denomina acceso múltiple por división en frecuencia (FDMA). Es indudable que en
estos casos se hace necesaria la conversión de las señales de banda base a diferentes bandas de
frecuencia más alta.
El objetivo primordial de un sistema de comunicaciones es el de reproducir, en el punto de
recepción, la señal original lo más fielmente posible al coste mínimo. En todos aquellos siste-
mas de comunicaciones que comparten el medio de transmisión con otras señales o sistemas, es
importante minimizar la banda ocupada por cada canal y limitar la potencia transmitida para
evitar la interferencia en otros sistemas. El coste en estos sistemas se mide entonces en la forma
de banda ocupada, además del coste real de los equipos e instalaciones.
2 Electrónica de comunicaciones