El documento describe el diseño de un codificador y decodificador de audio. Se utilizará un multiplicador (MC1496) para mezclar la señal de audio con una señal sinusoidal de 12.8 kHz generada por un oscilador (MC14046). Se implementarán filtros y circuitos de ajuste de nivel. El sistema codificará y decodificará una señal de audio mediante la inversión de su banda de frecuencias a través de la mezcla y filtrado de la señal.

1. Preparación Práctica 2
Diseño práctico de un codificador/decodificador de audio
1.- OBJETIVOS
Los objetivos generales de esta práctica son:
a) Familiarizarse con el funcionamiento e implementación de los conversores
de frecuencia.
b) Profundizar en el diseño e implementación de filtros.
2.- DESCRIPCIÓN
La encriptación/desencriptación de la señal de audio en determinados canales de
televisión consiste simplemente en una inversión de la banda de frecuencias. El proceso
de encriptado/desencriptado se ha representado en la Figura 1, donde se ha considerado
que el ancho de banda de una señal genérica de audio en banda base, se extiende desde
los 300Hz hasta aproximadamente los 20kHz.
-20 kHz -300 Hz 300 Hz 20 kHz f
-20 kHz -300 Hz 300 Hz 20 kHz f
Figura 1.- Proceso de encriptado/desencriptado por inversión de la banda de frecuencias.
Para llevar a cabo la inversión de frecuencia, los sistemas de codificación
/decodificación realizan un mezclado de la señal a codificar/decodificar con una señal
sinusoidal del 12.8 kHz.
En esta práctica se utilizará el multiplicador (MC1496) para realizar el mezclado de
señales, un oscilador basado en el MC14046 diseñado en la práctica 1 para generar la
señal sinusoidal de 12.8 kHz, y los filtros y bloques de adaptación de niveles de tensión
que sean necesarios.
El subsistema que se implemente se utilizará para codificar y decodificar una señal de
audio sin encriptar y otra ya encriptada, respectivamente.

2. 3.- DIAGRAMA DE BLOQUES.
El diagrama de bloques del sistema a diseñar será el siguiente:
Adaptador Filtro Paso Filtro Paso
de nivel Bajo X Bajo
Figura 2.- Diagrama de bloques del sistema encriptador/desencriptador.
 El adaptador de nivel adecua la amplitud de la señal de entrada a los niveles de
trabajo del resto del circuito, que son del orden de 1Vpp.
 El primer Filtro Paso Bajo se encarga de limitar la banda de frecuencias de la
señal entrante a 12.8 kHz, de modo que las altas frecuencias de la señal de audio
son eliminadas para evitar efectos indeseados al realizar el mezclado.
 El multiplicador mezcla la señal de audio ya filtrada con el tono generado por el
oscilador. El resultado debe ser una señal modulada en DBL con portadora de
12.8 kHz.
 Finalmente el segundo Filtro Paso Bajo elimina la banda lateral superior de la
modulación generada, así como otras posibles bandas producidas por el
mezclado de la señal de audio con posibles armónicos que pueda generar el
oscilador.
En la Figura 3 se han dibujado los espectros de las señales más importantes del
diagrama de bloques anterior.
Espectro
señal cuadrada
oscilador
12.8 3 x 12.8 5 x 12.8 7 x 12.8
f (kHz)
Espectro señal
audio entrada
filtrada
12.8
f (kHz)
Espectro
señal mezclada
12.8 3 x 12.8 5 x 12.8 7 x 12.8
f (kHz)
Espectro señal
audio salida
filtrada
12.8 f (kHz)
Figura 3.- Espectros de las señales más importantes

3. 4.- MATERIALES EMPLEADOS
 MC1496
 MC14046B (PLL VCO)
 Amplificadores operacionales 747, 741
 Surtido de resistencias, bobinas y condensadores
5.- RESULTADOS DE LA PREPARACIÓN DE LA PRÁCTICA
Los resultados del trabajo previo a la preparación de la práctica serán los siguientes:
a) Dibujar el esquema de conexiones del CI MC1496 para que realice el
mezclado de la señal de audio con la que genera el oscilador. En dicho
esquema se deberán incluir los valores de todos los componentes que
aparecen en el mismo. Explicar el funcionamiento de este CI.
Partiendo de que la señal de audio está limitada en frecuencia a 12,8 kHz, en un
principio no es necesario insertar el filtro paso bajo previo, ya que los armónicos de la
señal cuadrada que generamos con el VCO se van a colocar cerca de nuestra señal
pero no nos van a provocar aliasing (se puede observar en la gráfica proporcionada),
aunque sí que sería recomendable para evitarnos posibles problemas hacer el filtrado
de la señal cuadrada y obtener una senoidal, que carecerá de los molestos armónicos.
Si que puede que fuera necesario si la señal de audio llevara un ruido aditivo blanco
Gaussiano para limitarlo y reducir así su potencia de ruido.
En cuanto al adaptador de nivel, en caso de tener que reducir o aumentar la tensión
que nos entrega la tarjeta de audio del PC para adaptar la señal a los niveles necesarios
para el correcto funcionamiento de los CI, lo podemos implementar colocando un filtro
con cierta ganancia o atenuación, haciendo el filtrado y el ajuste de nivel en un mismo
circuito, aprovechando que para la implementación del filtro se han elegido elementos
activos (A.O.)
Estos dos bloques se van a describir con más detalle posteriormente.
Mirando los pasos que hay que seguir en nuestro esquema de trabajo, vemos que
necesitamos una modulación DBL y luego un filtrado paso bajo, así hemos conseguido
la banda de frecuencias deseada (BLI).
En el catálogo del MC1496 nos aparece como aplicación:
APPLICATIONS INFORMATION
Double sideband suppressed carrier modulation is the
basic application of the MC1496. The suggested circuit for
this application is shown on the front page of this data sheet.
In some applications, it may be necessary to operate the
MC1496 with a single dc supply voltage instead of dual
supplies. Figure 25 shows a balanced modulator designed
for operation with a single 12 Vdc supply. Performance of
this circuit is similar to that of the dual supply modulator.

4. Doubly Balanced Mixer
The MC1496 may be used as a doubly balanced mixer
with either broadband or tuned narrow band input and output
networks.
The local oscillator signal is introduced at the carrier input
port with a recommended amplitude of 100 mVrms.
Figure 29 shows a mixer with a broadband input and a
tuned output.
La figura que nos proporcionan el fabricante es la siguiente (primer diseño que
hicimos):
Figura 4.- Esquema eléctrico del montaje inicial

5. Figura 5.- Esquema eléctrico del montaje final
Se pueden observar los niveles recomendados de tensión en cada entrada así como
elementos de desacoplo, ajuste y aislamiento.
Figura 6.- Armónicos
Aunque ya se nos proporciona el análisis de armónicos, vemos como de la gráfica del
catálogo también los podríamos calcular. A la salida tendríamos las dos bandas
laterales con una amplitud considerable, y mucho más atenuada la portadora y el
segundo armónico de las bandas laterales. Ésto se repite también para los armónicos
de la portadora.

6. Figura 7.- Espectro de la portadora suprimida adjuntado por el fabricante
El nivel de portadora se atenúa 65 dB a 500kHz según el catálogo, más que suficiente.
Figura8.- PINOUT del MC 1496 (Modulador/Demodulador balanceado)
Carrier Feedthrough
Carrier feedthrough is defined as the output voltage at
carrier frequency with only the carrier applied
(signal voltage = 0).
Carrier null is achieved by balancing the currents in the
differential amplifier by means of a bias trim potentiometer
(R1 of Figure 5).
Siguiendo en la misma línea y observando otra de las gráficas que nos facilita el
fabricante vemos que cuanto mayor sea el nivel de la tensión de portadora
introducido, mayor será el nivel de portadora a la salida aunque lo configuremos en
modo supresión de ésta, siempre quedará cierto nivel. El fabricante recomienda
aproximadamente 100mV eficaces de entrada (aunque ya hemos visto en la figura 7 va
a ser muy pequeño).
En nuestro diseño esta señal va a ser de 12,8 kHz, si dibujamos la curva quedaría por
debajo de la de 500 kHz, por lo que no puede llegar a influirnos en nuestro diseño por
la elevada atenuación que sufre.

7. Figura 9.- Nivel de portadora de salida según su nivel de entrada
También variará el nivel de supresión de los productos de intermodulación.
El fabricante nos entrega varias gráficas donde se pueden ver estos efectos en el test
que él mismo ha hecho para ciertas frecuencias y niveles de tensión (Como veremos
abajo, prácticamente no nos va a afectar tomando el nivel de entrada de 100 mV).
Figura 10.- Supresión de los armónicos en función de la tensión de entrada
Los valores son los propuestos por el fabricante en alimentación simétrica. (Recordar
que al final se ha elegido alimentación simple de +12V).
El circuito queda con los parámetros necesarios ajustado y polarizado.
Falta cambiar los valores de sintonizado de la salida, o simplemente eliminar esa etapa
y hacer nuestro propio diseño de filtrado.
También reemplazaría las bobinas RFC por dos resistencias de 3,9k
Atendiendo a las ecuaciones facilitadas por el fabricante en el pin 5 tiene que circular
una corriente recomendada de 1 mA que se consigue con una R = 6,8k

8. Figura 11.- Especificaciones de corriente de polarización
Los condensadores C1 y C2 tienen que ser adecuados para que a la frecuencia de la
portadora su reactancia sea menor que 5 ohm.
Dependiendo de la impedancia de la entrada de la señal de audio puede que sea
necesario filtrar para evitar oscilaciones. Para baja frecuencia como es nuestro caso
bastará colocando una resistencia de 1 kΩ en serie con la entrada.
El esquema simplificado queda al final de la siguiente manera:
Figura 12.- Esquema general
La resistencia Re que hemos añadido se emplea par ajustar la ganancia, y en
consecuencia, la amplitud máxima de la señal de entrada que vamos a obtener de la
salida de tarjeta del PC.

9. Figura13.- Especificaciones del fabricante
Si nos fijamos, para un nivel pequeño de alterna y para dos frecuencias (portadora y
señal de audio) obtendremos solamente la suma y resta de las f y con la ganancia
especificada en dicha casilla.
Si nos vamos a mayores niveles de alterna, habría que considerar mejor los productos
de intermodulación.
Figura 14.- Especificaciones del fabricante
Siguiendo los consejos del fabricante hemos colocado Re de 1kΩ, i la corriente I5 será
aproximadamente de 1 mA; por lo tanto la tensión máxima de la señal no debe superar
1 V.

10. En conclusión, la función de este circuito es multiplicar la señal procedente del VCO
por la señal de audio que obtenemos de la tarjeta de sonido del PC. Con ello
conseguiremos la señal suma y resta de sus frecuencias, y haciendo un filtrado paso
bajo para seleccionar la banda de interés, habremos conseguido darle la vuelta al
espectro y decodificar la señal pertinente.
b) Dibujar el esquema de conexiones del CI MC14046B para que genere la
señal de 12.8kHz. En dicho esquema se deberán incluir los valores de todos
los componentes que aparecen en el mismo.
Figura 15.- Esquema eléctrico con el integrado
R2 = 1 MΩ C1 = C2 = 68 pF
R1 = 680 kΩ
Tenemos un VCO del cual configuramos su frecuencia de oscilación natural a12,8 kHz
para obtener nuestra frecuencia de “oscilación local”.

11. Para no extender más la memoria de la práctica no hemos expuesto el desarrollo
teórico del MC14046B ya que es exactamente el mismo diseño realizado en una
actividad anterior de la misma asignatura.
c) Dibujar los esquemas de todos los subsistemas de filtrado y de adaptación de
niveles de tensión que sean necesarios, indicando los valores de todos los
componentes empleados. También se deberán incluir todas las
simulaciones que se hagan para comprobar el buen funcionamiento del
diseño.
Figura 16.- Bloques a implementar del diseño
El filtro que hemos elegido para nuestro diseño es uno del tipo SallenKey de orden 2,
cuya implementación ha sido muy sencilla gracias a haber indagar un poco en la web y
encontrar una aplicación online que resuelva nuestro problema.
Figura 17.- Filtro: http://beis.de/Elektronik/Filter/ActiveLPFilter.html#SallenKey
En la figura anterior mostramos el circuito que nos proporcionaba la aplicación y los
valores para una frecuencia de corte de 12.8Khz serán los siguientes.

12. Figura 18.- Valores de los componentes del filtro
Dado que estos valores no son normalizados, hemos elegido nosotros otros valores
muy similares y los cuales disponemos en el laboratorio, simulado con PSPICE de Orcad
para ver si realmente obtenemos el resultado deseado.
VCC
C1
1.5n V2
VCC 15
7
R1 R2 U1
3 5 V3
V+
+ OS2 15
8200 18k OUT 0
6
OUT
2 1
4
- OS1
V1
1Vac C2 uA741
V-
0Vdc 680p
VSS VSS
0 0
Figura 19.- Esquemático de PSpice
Por otra parte, si el valor del condensador C1 = 1.5nF obtenemos la siguiente función
de transferencia.
Figura 20.- Simulación 1
En la figura de la siguiente página se aprecia que la caída de 3 dB del filtro se encuentra
aproximadamente sobre 12,8 kHz. Si en la práctica se observa que sea necesario un
ajuste más fino, sería tan fácil como colocar una resistencia de un valor un poco
inferior y un potenciómetro para ir variando la frecuencia de corte.

13. Figura 21.- Simulación 2 (Zoom del resultado anterior)
Como conclusión final, hacemos un breve resumen del proceso a seguir:
Tenemos un VCO generándonos un pulso cuadrado de frecuencia 12,8 Khz
el cual vamos a multiplicar por la señal de audio que se obtiene de la tarjeta de
sonido tras pasar por un adaptador de nivel.
Finalmente realizaremos un filtrado paso bajo para quedarnos con la parte del
espectro que nos interesa para obtener la señal decodificada.
7.- PRUEBA DEL SISTEMA
Para probar el buen funcionamiento del sistema, se utilizará una grabación de audio
codificado y digitalizado incluida en un archivo WAV. Esta grabación se obtendrá
reproduciendo el archivo WAV y conectando la salida de la tarjeta de audio del PC al
circuito mediante un conector JACK macho de 3.5 mm y el correspondiente cableado.
Al mismo tiempo la salida del circuito se introducirá por la entrada de la tarjeta de audio
del PC, para ello se utilizará un conector JACK macho de 3.5 mm, y se grabará en un
archivo WAV que posteriormente será reproducido.
6.- METODOLOGÍA A SEGUIR PARA ABORDAR EL DISEÑO DEL SISTEMA
PROPUESTO.
Una vez que se dispone de las especificaciones técnicas precisas, se escogen los
componentes que se van a utilizar y se realizan los cálculos teóricos. Una forma de
comprobar que el diseño teórico es correcto es haciendo uso de herramientas de
simulación.
Un aspecto fundamental a la hora de realizar diseños y prototipos en un entorno cada
vez más cambiante es la posibilidad de recurrir a herramientas que el diseñador tiene a
su alcance. Tan importante como saber hacer un diseño manualmente y comprenderlo es
conocer qué herramientas tenemos a nuestra disposición para acelerar y hacer más
robusto el proceso de diseño, dedicando así el grueso del esfuerzo del diseñador a
aquellas partes realmente originales e innovadoras del sistema. En este sentido,
constituyen herramientas de apoyo muy importantes las notas de aplicación de los

14. fabricantes, que no son más esquemas que constituyen un buen punto de partida del
diseño; estas notas permiten ahorrar mucho tiempo y trabajar en la dirección correcta.
Esto es así, debido a que estos diseños han sido realizados por los mismos fabricantes
de los circuitos integrados teniendo en cuenta todas sus características y limitaciones.
En segundo lugar, hay que tener siempre en mente las nuevas posibilidades que ofrece
Internet en cuanto a ayudas al diseño. Una buena herramienta para abordar el diseño de
los filtros que aparecen en esta práctica es hacer uso del asistente interactivo de
generación de filtros que ofrece gratuitamente la compañía Texas Instruments y a la que
se puede acceder a través de la siguiente URL:
http://www-k.ext.ti.com/SRVS/Data/ti/KnowledgeBases/analog/document/faqs/fexpert.htm
No obstante es necesario tener la capacidad suficiente para poder analizar la validez de
las soluciones propuestas por los fabricantes, y si procede hacer las mejoras oportunas
que mejor se ajusten a nuestro problema.
CONCLUSIONES
Inicialmente habíamos preparado otro diseño atendiendo a las notas de aplicación que
nos ofrece el fabricante en el catálogo del CI que utilizamos como circuito
multiplicador, aunque al llegar a la sesión de montaje de la práctica, se nos recomendó
hacer otro tipo de diseño con una única tensión de alimentación, por lo que hemos
tenido que rediseñar algunas partes y tener algunas aspectos en consideración.
Ha sido necesario ajustar más fina la frecuencia del oscilador local con un
potenciómetro.
Tras medir el nivel de tensión entregado por la tarjeta de sonido del PC, y observar que
es del orden que necesita el CI que hace de multiplicador en nuestro decodificador, y
como en un principio se podía prescindir del filtro de entrada, hemos considerado
conectarlo directamente simplificándose así del todo la etapa de entrada de
acondicionamiento de la señal.
El filtro de salida corresponde con el diseño propuesto anteriormente no ha tenido
ninguna otra complicación, además de tener también un nivel adecuado para poder
conectar unos auriculares a su salida, o un cable hasta la entrada de micro de la tarjeta
de sonido del PC y poder escuchar o grabar el resultado.
Finalmente, comentar que el bloque que nos ha procurado algún problema ha sido el
ajuste del multiplicador. El resultado final ha sido “satisfactorio” ya que hemos podido
oír cómo decodificaba el audio, aunque con mucho ruido de por medio. Como ya
sabíamos, las aplicaciones de audio son muy delicadas en cuanto al tema del ruido, por
lo que a la hora de realizar un diseño más profesional en PCB y con el aislamiento
adecuado evitaríamos gran parte; además podríamos incluir el filtro de entrada para
reducir el ruido aditivo que se nos podría estar transmitiendo por el cable.