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.

300 Hz 20 kHz-300 Hz-20 kHz

300 Hz 20 kHz-300 Hz-20 kHz f

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.

3.- DIAGRAMA DE BLOQUES.

El diagrama de bloques del sistema a diseñar será el siguiente:

XAdaptador

de nivel

Filtro Paso

Bajo

Filtro Paso

BajoXAdaptador

de nivel

Filtro Paso

Bajo

Filtro Paso

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

Espectro señal

audio entrada

filtrada

Espectro

señal mezclada

Espectro señal

audio salida

filtrada

f (kHz)

f (kHz)

f (kHz)

f (kHz)

12.8 3 x 12.8 5 x 12.8 7 x 12.8

12.8

12.8 7 x 12.83 x 12.8 5 x 12.8

12.8

Figura 3.- Espectros de las señales más importantes

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

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”.

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.

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.

+3

-2

V+

7V

-4

OUT6

OS11

OS25

U1

uA741

R1

8200

R2

18k

C1

1.5n

C2

680p

V11Vac

0Vdc

0 0

OUT

V2

15

V3

15

VCC

VSS

0

VCC

VSS

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.

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

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.