DistorsiónObjetivo  •   El alumno entenderá cuales son las condiciones de un medio para transmisión sin distorsión  •   El...
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1.   La salida es una réplica de la entrada.                                                   ‫ݕ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ‫ݔ‬ሺ‫ݐ‬ሻ        ...
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Distorsión armónicaCuando una señal senoidal excita un circuito no lineal, en la salida aparecen armónicas de esa señal, m...
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Ejemplos de distorsión armónicaPrimer ejemplo:La curva característica de transferencia de un amplificador es:             ...
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Bibliografía[Malvino]   Malvino; Albert, "Principios de eletrónica" McGraw Hill, 7a edición
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  1. 1. DistorsiónObjetivo • El alumno entenderá cuales son las condiciones de un medio para transmisión sin distorsión • El alumno aprenderá a clasificar y medir la distorsión.Contenido • Distorsión • Transmisión sin distorsión • Clasificación de la distorsión • Distorsión armónica • Distorsión por intermodulación
  2. 2. Sistemas de Comunicaciones 2 Capítulo 4. DistorsiónDistorsiónDefinición 1. Distorsión. Es cualquier cambio en una señal que altera su forma de onda básica (en el dominiodel tiempo) o bien, altera la relación entre sus componentes espectrales (domino de la frecuencia). Ladistorsión puede ser del tipo lineal o del tipo no linealDefinición 2. Distorsión lineal. Es la alteración de la forma de onda de la señal transmitida y se debe a larespuesta en frecuencia no plana del medio de transmisión, que trabaja como filtro y tiende a atenuar o aresaltar algunas frecuencias del mensaje. El efecto en telefonía es que a veces se no reconocemos la voz delque nos habla porque se modifica su timbre.Definición 3. Distorsión alineal. Es un tipo de distorsión no lineal y ocurre cuando un sistema, debido a suganancia no línea, genera nuevas componentes espectrales en frecuencias múltiplo de las frecuencias yapresente (armónicas) o bien, genera nuevas componentes espectrales en frecuencias suma y diferencia delas frecuencias ya presentes en la señal (intermodulación). Auditivamente, se escucha como un ruidointermitente.Transmisión sin distorsiónEl estudio de un sistema que transmite sin distorsión, una señal, se realiza en el dominio del tiempo y en eldominio de la frecuencia. Para este estudio considere el sistema de la figura 1 en el cual la señal de salida‫ݕ‬ሺ‫ݐ‬ሻ se calcula como la convolución de la señal de entrada ‫ݔ‬ሺ‫ݐ‬ሻ con la respuesta a impulso del sistema ݄ሺ‫ݐ‬ሻ,es decir: ‫ݕ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ݄ሺ‫ݐ‬ሻ ∗ ‫ݔ‬ሺ‫ݐ‬ሻ (1) Figura 1. Diagrama a bloque de un sistema genérico. Tal sistema se usará para explicar la transmisión sin distorsión de las señales.Estudio en el dominio del tiempoEn el dominio del tiempo, la señal que entrega un sistema que transmite sin distorsión deben satisfacer lassiguientes condiciones:MI. Mario Alfredo Ibarra Carrillo [Escribir texto] Año 2011
  3. 3. 1. La salida es una réplica de la entrada. ‫ݕ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ‫ݔ‬ሺ‫ݐ‬ሻ (2) 2. La salida puede estar amplificada o atenuada respecto de la entrada. ‫ݕ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ݇‫ݔ‬ሺ‫ݐ‬ሻ (3) 3. La salida puede estar retrasada en tiempo respecto de la entrada. ‫ݕ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ݇‫ݔ‬ሺ‫߬ − ݐ‬ሻ (4)Estudio en el dominio de la frecuenciaSe busca conocer la respuesta en frecuencia del sistema que transmite sin distorsión. Para tal fin, iguale lasecuaciones (1) y (4): ݄ሺ‫ݐ‬ሻ ∗ ‫ݔ‬ሺ‫ݐ‬ሻ = ݇‫ݔ‬ሺ‫߬ − ݐ‬ሻ (5)Se aplica ahora la transformada de Fourier a la ecuación (5). ‫ܪ‬ሺ߱ሻܺሺ߱ሻ = ‫ܺܭ‬ሺ߱ሻ݁ ି௝ఠఛ (6)Si ahora se retira la señal de entrada, la cual es común a ambos lados del signo igual, se logra (7) ‫ܪ‬ሺ߱ሻ = ‫ି ݁ܭ‬௝ఠఛLa ecuación (7) representa la respuesta en frecuencia de un sistema que transmite sin distorsión una señal.A este respecto, dado que la ecuación de respuesta en frecuencia es un complejo, se hace necesario unestudio en magnitud y faseLa ecuación (8) es la magnitud de la respuesta en frecuencia: ‖‫ܪ‬ሺ߱ሻ‖ = ‫ܭ‬ (8)La gráfica de la ecuación (8) puede verse en la figura 2.a. De esta figura puede notarse lo siguiente:
  4. 4. Sistemas de Comunicaciones 4 Capítulo 4. Distorsión • La magnitud de la respuesta en frecuencia es independiente de la frecuencia • El ancho de banda del sistema que transmite sin distorsión es infinitoLa ecuación (9) es la fase de la respuesta en frecuencia. ݂ܽ‫݁ݏ‬ሼ‫ܪ‬ሺ߱ሻሽ = −߬߱ (9)La gráfica de la ecuación (9) puede verse en la figura 2.9. De esta figura puede notarse que el desfasamientoque provoca el sistema en una señal que lo atraviesa es proporcional a la frecuencia. Figura 2. Curvas de magnitud (a) y fase (b) de la respuesta en frecuencia de un sistema que transmite sin distorsión.Clasificación de la distorsiónLa figura 3 exhibe la clasificación general de la distorsión que será tratada Figura 3. Clasificación de la distorsión.MI. Mario Alfredo Ibarra Carrillo [Escribir texto] Año 2011
  5. 5. Distorsión armónicaCuando una señal senoidal excita un circuito no lineal, en la salida aparecen armónicas de esa señal, mismasque provocan que tal señal, a la salida del circuito, aparezca deformada.Definición 4. La distorsión armónica es la alteración de la forma de onda de una señal debido a que laganancia no lineal del sistema genera nuevas componentes espectrales en frecuencias que son múltiplo(armónicas) de las frecuencias de otras componentes espectrales ya presentes en la señal.La ecuación temporal que describe la distorsión alinealConsidere la curva de ganancia lineal de la figura 4.a. Esta curva puede ser descrita por la ecuación siguiente ‫ݒ‬௦௔௟ = ‫ݒܣ‬௘௡௧ (10)Considere ahora la curva de ganancia no lineal de la figura 4.b. Esta curva puede ser descrita por la siguienteecuación ଶ ଷ ‫ݒ‬௦௔௟ = ‫ݒܣ‬௘௡௧ ൅ ‫ݒܤ‬௘௡௧ ൅ ‫ݒܥ‬௘௡௧ ൅ ⋯ (11)Donde los términos de la ecuación 11 tienen los siguientes significados: • ‫ݒܣ‬௘௡௧ : Es el término lineal, la señal de entrada es amplificada por un factor ‫.ܣ‬ ଶ • ‫ݒܤ‬௘௡௧ : Es el término cuadrático, responsable de la distorsión por segunda armónica. ଷ • ‫ݒܥ‬௘௡௧ : Es el término cúbico, responsable de la distorsión por tercera armónica. • Y así sucesivamente. Figura 4. (a) Curva de ganancia lineal. (b) Curva de ganancia no lineal.
  6. 6. Sistemas de Comunicaciones 6 Capítulo 4. DistorsiónEn la ecuación 11, los términos de potencias superiores a la potencia tres tienen significados similares, eltérmino de la potencia cuarta produce la distorsión por cuarta armónica, el término de la quinta potenciaproduce la distorsión por quinta armónica, y así sucesivamente.Comportamiento temporal de un sistema no linealLa figura 5.a ilustra la curva de ganancia de un sistema no lineal al cual se le alimenta un tono puro osenoide. La salida generada por el sistema puede verse como una senoide deformada.Comportamiento espectral de un sistema no linealCuando se alimenta un tono puro a un sistema no lineal, la señal de salida es el tono deformado. El espectrode ese tono puede verse en la figura 5.c.Demostración del comportamiento no lineal de un amplificador con JFETEl JFET es un semiconductor con comportamiento típicamente cuadrático. La figura 6 ilustra un amplificadorJFET con autopolarización. La ecuación que describe la salida en función de la entrada es: ଶ ‫ݒ‬௦௔௟ = ‫ݒܣ‬௘௡௧ ൅ ‫ݒܤ‬௘௡௧ (12) Figura 5. Respuesta temporal de un sistema con ganancia no lineal. Observe que luego de alimentar una senoide, el sistema entrega una senoide deforme.MI. Mario Alfredo Ibarra Carrillo [Escribir texto] Año 2011
  7. 7. VCC 5V VCC R1 1k 1 C2 Q1A 100nF C1 2 100nF 2N5454 R2 1k 0 0 Figura 6. Circuito amplificador con JFET. Este circuito provoca típicamente un curva de ganancia cuadrática.Si la señal de entrada es un tono puro descrito como: ‫ݒ‬௘௡௧ = ܸ௑ ‫݊݁ݏ‬ሺ߱௑ ‫ݐ‬ሻ (13)Sustituyamos ahora la ecuación de entrada (13) en la ecuación característica (12) y tendremos la siguienteseñal: ଶ ଶ ‫ܸܤ‬௑ ‫ܸܤ‬௑ ܸ௦௔௟ = ൅ ‫ܸܣ‬௑ ‫݊݁ݏ‬ሺ߱௑ ‫ݐ‬ሻ − ܿ‫ݏ݋‬ሺ2߱௑ ‫ݐ‬ሻ (14) 2 2Donde los términos de la señal que resulta significan: ଶ • ‫ܸܤ‬௑ ⁄2 es una componente de directa. • ‫ܸܣ‬௑ ‫݊݁ݏ‬ሺ߱௑ ‫ݐ‬ሻ es la componente fundamental a frecuencia ߱௑ . ଶ ሺ‫ܸܤ‬௑ ⁄2ሻܿ‫ݏ݋‬ሺ2߱௑ ‫ݐ‬ሻ es la componente por segunda armónica (a frecuencia 2߱௑ ). •Utilidad de la distorsión armónicaLos circuitos que producen distorsión armónica con todo propósito se emplean como: • Multiplicadores de frecuencia • Circuitos sintonizadores • Sintetizadores de frecuencias • Generadores de funciones de alta frecuencia
  8. 8. Sistemas de Comunicaciones 8 Capítulo 4. DistorsiónMedición de la distorsión por la n-ésima armónicaLa distorsión que provoca por la segunda armónica se puede cuantificar en porcentaje del voltaje de lacomponente fundamental de la forma que sigue: ܸଶ°ு %‫ °2ܦܪ‬ൌ × 100% ܸி (15)En donde • ܸଶ°ு es el voltaje de la segunda armónica. • ܸி es el voltaje de la componente fundamental.De forma semejante, la distorsión por tercer armónica puede cuantificarse también en un porcentaje delvoltaje de la componente fundamental como: ܸଷ°ு %‫= °3ܦܪ‬ × 100% (16) ܸிDe forma general se puede cuantificar la distorsión por la ݊ − é‫ ܽ݉݅ݏ‬armónica como la relación de suvoltaje al voltaje de la componente fundamental.Medición de la distorsión armónica totalLa distorsión generada por todo el contenido armónico se puede expresar a partir del teorema de Parsevalcomo: %ܶ‫ ܦܪ‬ൌ ඥሺ%‫°2ܦܪ‬ሻଶ + ሺ%‫°3ܦܪ‬ሻଶ + ⋯ (17)MI. Mario Alfredo Ibarra Carrillo [Escribir texto] Año 2011
  9. 9. Ejemplos de distorsión armónicaPrimer ejemplo:La curva característica de transferencia de un amplificador es: ଶ ‫ݒ‬௦௔௟ = 100 ൅ 50‫ݒ‬௘௡௧ ൅ ‫ݒ‬௘௡௧ (18)Si la señal de entrada es: ‫ݒ‬௘௡௧ = 5‫݊݁ݏ‬ሺ100‫ݐ‬ሻ (19)Calcule el %ܶ‫ܦܪ‬Sustituyendo la entrada en la ecuación de transferencia del amplificador resulta que salida es: ‫ݒ‬௦௔௟ = 112.5 + 250‫݊݁ݏ‬ሺ100‫ݐ‬ሻ − 12.5ܿ‫ݏ݋‬ሺ200‫ݐ‬ሻ (20)Entonces el %ܶ‫ ܦܪ‬se calcula como: 12.5 %ܶ‫ ܦܪ‬ൌ × 100% ൌ 5% (21) 250Segundo ejemploLa curva característica de salida de un amplificador es: ‫ݒ‬௦௔௟ ൌ 4 + 200ܿ‫ݏ݋‬ሺ100‫ݐ‬ሻ + 10ܿ‫ݏ݋‬ሺ150‫ݐ‬ሻ (22)Calcule el %ܶ‫ܦܪ‬Dado que la ecuación representa una señal con dos componentes espectrales cuyas frecuencias no somúltiplo una de la otra, resulta que %ܶ‫0 = ܦܪ‬Tercer ejemplo:La señal de salida de un amplificador ha sido cualificada mediante la siguiente ecuación ‫ݒ‬௦௔௟ ൌ 50 + 250ܿ‫ݏ݋‬ሺ100‫ݐ‬ሻ + 5ܿ‫ ݏ݋‬ଶ ሺ200‫ݐ‬ሻ + 2‫݊݁ݏ‬ሺ200‫ݐ‬ሻ (23)Calcule el %ܶ‫ܦܪ‬
  10. 10. Sistemas de Comunicaciones 10 Capítulo 4. DistorsiónPrimero se quita el cuadrado de la expresión trigonométrica, es decir, se aplica una identidad trigonométricay resulta que: ‫ݒ‬௦௔௟ = 50 ൅ 250ܿ‫ݏ݋‬ሺ100‫ݐ‬ሻ + 2.5 + 2.5ܿ‫ݏ݋‬ሺ200‫ݐ‬ሻ + 2‫݊݁ݏ‬ሺ200‫ݐ‬ሻ (24)Obsérvese que en la expresión anterior se tiene la suma ⋯ + 2.5ܿ‫ݏ݋‬ሺ200‫ݐ‬ሻ + 2‫݊݁ݏ‬ሺ200‫ݐ‬ሻ para resolveresta situación de dos componentes en cuadratura se emplea la siguiente identidad trigonométrica ܾ ܽܿ‫ ݔ݊݁ݏܾ + ܿݏ݋‬ൌ ඥܽଶ + ܾ ଶ ܿ‫ ݏ݋‬൬‫ ݃ݐܽ − ݔ‬൰ (25) ܽAplicando la ecuación (23) a la ecuación (22) se puede resolver de la forma que sigue 2 ‫ݒ‬௦௔௟ ൌ 52.5 + 25ܿ‫ݏ݋‬ሺ100‫ݐ‬ሻ + ඥ2.5ଶ + 2ଶ ܿ‫ ݏ݋‬൬200‫݃ݐܽ − ݐ‬ ൰ (26) 2.5Así que la distorsión armónica total se calcula como: √2.5ଶ + 2ଶ %ܶ‫ ܦܪ‬ൌ × 100% ൌ 12.806% 25 (27)IntermodulaciónCuando una señal excita un circuito no lineal, en la salida aparecen componentes espectrales nuevas que noson armónicas de esa señal. Estas nuevas componentes provocan que la señal, a la salida del circuito,aparezca deformada.Definición 5. La intermodulación es la alteración de la forma de onda de una señal debido a que la gananciano lineal del sistema genera nuevas componentes espectrales en frecuencias que son suma y resta de lasfrecuencias de las componentes espectrales ya presentes en la señal.Ecuaciones para el comportamiento no lineal y cuadrático de un amlificadorConsidere nuevamente el circuito amplificador con JFET de la figura 5. Tal amplificador tiene una curva deganancia característicamente cuadrática y que es modelada por la ecuación (12). Si ahora la entrada es lasuma de dos tonos puros, es decir:MI. Mario Alfredo Ibarra Carrillo [Escribir texto] Año 2011
  11. 11. ‫ݒ‬௘௡௧ = ‫ݒ‬௫ ൅ ‫ݒ‬௬ (28)Donde ‫ݒ‬௫ = ܸ ‫݊݁ݏ‬ሺ߱௫ ‫ݐ‬ሻ ௫ (29) ‫ݒ‬௬ = ܸ ‫݊݁ݏ‬൫߱௬ ‫ݐ‬൯ ௬Sustituyendo la ecuación 28 en la ecuación 12 se logra ଶ ‫ݒ‬௦௔௟ = ‫ܣ‬൫‫ݒ‬௫ ൅ ‫ݒ‬௬ ൯ ൅ ‫ܤ‬൫‫ݒ‬௫ ൅ ‫ݒ‬௬ ൯ (30)Desarrollando la ecuación (30) y agrupando términos se logra ‫ݒ‬௦௔௟ = ሺ‫ݒܣ‬௫ ൅ ‫ݒܤ‬௫ ሻ ൅ ൫‫ݒܣ‬௬ ൅ ‫ݒܤ‬௬ ൯ ൅ 2‫ݒܤ‬௫ ‫ݒ‬௬ ଶ ଶ (29)Donde • ሺ‫ݒܣ‬௫ + ‫ݒܤ‬௫ ሻ: es el termino correspondiente a la salida correspondiente a la entrada ‫ݒ‬௫ ଶ • ൫‫ݒܣ‬௬ + ‫ݒܤ‬௬ ൯: es el término correspondiente la salida correspondiente a la entrada ‫ݒ‬௬ ଶ • 2‫ݒܤ‬௫ ‫ݒ‬௬ : es término se conoce como producto cruzado.Los dos primeros términos de la ecuación (29) indican un comportamiento lineal ya que cada entrada generasu propia salida: el efecto de estos términos ya ha sido estudiado. El tercer término, conocido comoproducto cruzado, corresponde a un comportamiento no lineal y es el objeto de interés del presentesegmento.El producto cruzadoEs el producto cruzado que apareció en la ecuación 29 y corresponde a: ‫ ݋݀ܽݖݑݎܿ ݋ݐܿݑ݀݋ݎ݌‬ൌ ‫ݒ‬௫ ‫ݒ‬௬ (30)
  12. 12. Sistemas de Comunicaciones 12 Capítulo 4. DistorsiónSi se sustituyen la pareja de ecuaciones (29) en la ecuación (30) se logra ‫ ݋݀ܽݖݑݎܿ ݋ݐܿݑ݀݋ݎ݌‬ൌ ܸ ܸ cos൫߱௫ − ߱௬ ൯‫ ܸ ܸ − ݐ‬cos൫߱௫ + ߱௬ ൯‫ݐ‬ ௫ ௬ ௫ ௬ (31)Donde puede observarse que: • ܸ ܸ cos൫߱௫ − ߱௬ ൯‫ :ݐ‬es una componente espectral en frecuencia diferencia ௫ ௬ • ܸ ܸ cos൫߱௫ ൅ ߱௬ ൯‫ :ݐ‬es una componente espectral en frecuencia suma ௫ ௬Ejemplo:Si dos senoides de frecuencias 1ሾ‫ݖܪܭ‬ሿ y de 20ሾ‫ݖܪܭ‬ሿ ingresan a un amplificador de ganancia cuadrática,calcule cuantas componentes espectrales sale y a cuales frecuencias.Cada senoide de entrada genera una componente de directa, su propia frecuencia y una segunda armónica.Además, el producto cruzado genera dos componentes espectrales a frecuencias suma y diferencia. Así quea la salida del sistema se tienen 7 componentes espectrales en las siguientes frecuencias:Para la senoide de 1ሾ݇‫ݖܪ‬ሿ se tiene ‫ܦܥ‬ 1ሾ݇‫ݖܪ‬ሿ 2ሾ‫ݖܪܭ‬ሿLa senoide de 20ሾ݇‫ݖܪ‬ሿ genera (se repite la componente de directa) ‫ܦܥ‬ 20ሾ݇‫ݖܪ‬ሿ 40ሾ‫ݖܪܭ‬ሿEl producto cruzado genera 19ሾ݇‫ݖܪ‬ሿ 21ሾ݇‫ݖܪ‬ሿMI. Mario Alfredo Ibarra Carrillo [Escribir texto] Año 2011
  13. 13. Bibliografía[Malvino] Malvino; Albert, "Principios de eletrónica" McGraw Hill, 7a edición

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