Procesador de voz transistorizado, caso práctico

PROCESADOR DE VOZ A TRANSISTORES

En el post anterior se hizo un análisis general sobre el tema de los procesadores de voz, en este caso vamos a ver una solución práctica. De entre las soluciones posibles se ha seleccionado una lo más sencilla posible pero que cumpla con los requisitos que debe tener un procesador de voz para su uso en radio de HF o VHF/UHF. Además se han fijado otros objetivos que influyen de forma decisiva en la solución final.

Objetivos

·         Didáctico, está hecho con componentes discretos que permite hacer modificaciones y experimentos.

·         Componentes asequibles y por tanto fácilmente adquiribles, incluso de restos de otros proyectos. Resistencias, condensadores y transistores corrientes.

·         Montaje apto para todos, componentes de pinchar (PTH).

·         Útil, es un complemento ideal para TRX tipo PEREGRINO, ILER, etc, que no disponen de ningún medio de control de la modulación.

Se ha evitado usar circuitos integrados, incluso operacionales, por no ser estrictamente necesarios, y aunque se consiguen con facilidad en cualquier tienda del ramo. Los modelos más corrientes y asequibles presentan limitaciones de alimentación que obligan a trabajar con 12Vcc. Por el contrario los transistores permiten trabajar con tensiones de menos de 5Vcc si fuera el caso.

Diagrama de bloques

Fig 1: Diagrama de bloques del procesador de voz

No vamos a entrar en detalles sobre el porqué de cada módulo, ya se vio en el boletín 87. Si que vamos a exponer las razones de usar cada unos de los bloques.

El primer bloque que nos encontramos es un filtro pasoalto. Este filtro tiene por misión eliminar las frecuencias más bajas del espectro de voz que no son útiles para la inteligibilidad pero que en el proceso de limitación resultan muy molestas por la gran cantidad de armónicos que introducen en el espectro.

La señal de audio filtrada se pasa a un amplificador. Esta etapa tiene que disponer de una ganancia suficiente pero no excesiva. Por tanto un elemento de ajuste se hace indispensable. Para los micrófonos que entregan menos señal, dinámicos, se necesita bastante ganancia mientras que para los micrófonos de alta impedancia, electret y antiguos micrófonos de cristal con un nivel de salida muy alto, se necesita poca o ninguna ganancia en esta etapa.

La señal amplificada a un nivel adecuado se lleva al bloque limitador. Esta etapa tiene por misión eliminar los picos de audio, aunque si la ganancia previa es excesiva o se habla muy cerca del micrófono en lugar de picos se recortará toda la señal. Este procesador admite un margen de compresión de hasta 30dB sin que por ello se sacrifique en exceso la inteligibilidad. El margen de compresión es función de la salida del micrófono y ganancia de la etapa amplificadora. Esto es una solución de compromiso, por tanto hay que hacer ajustes para cada caso.

La salida del limitador no deja de ser una señal recortada y por tanto rica en armónicos. Las frecuencias que superan los 3KHz no tienen utilidad y por tanto se eliminan. La etapa de filtro pasobajo se encarga de esta función.

Hay que dejar claro que cualquier modificación de la relación de amplitud de una señal se traduce inevitablemente en distorsión. El filtrado, previo y posterior, reduce la distorsión eliminando las frecuencias que están fuera de banda, no así las que caen dentro de la banda de audio de voz. Por tanto, las frecuencias más bajas pero que deja pasar el filtro pasoalto, van a estar mucho más distorsionadas que las frecuencias más altas cuyos armónicos van a ser muy atenuados por el filtro pasobajo.

Por ejemplo, una frecuencia de 600Hz va a tener armónicos pares reducidos en 1200 y 2400 Hz, y armónicos fuertes en 1800 y 3000Hz. Todas estas frecuencias no van a quedar atenuadas y por tanto la señal de 600Hz a la salida del procesador tienen una forma recortada.

Por el contrario, una frecuencia de 1000Hz tendrá un armónico par de 2000Hz atenuado y uno impar poco atenuado de 3000Hz, los siguientes armónicos se atenúan por el filtro pasobajo de salida. La señal tendrá un aspecto algo picudo por efecto del tercer armónico.

Estas deformaciones son aceptables, si se mantienen dentro de unos límites y es aquí donde hay que ajustar la ganancia al tipo de micrófono a usar para conseguir el mejor efecto posible.

Gracias que la salida máxima del procesador es fija, no depende de cómo de fuerte se hable delante del micrófono, la señal de audio que se envía al modulador no va a saturar a éste haciendo que funcione mal y deje salir la portadora en exceso. Además si garantizamos que el nivel máximo de salida del modulador es suficiente para obtener toda la potencia del paso final, pero sin saturarlo, evitaremos espurreos en las frecuencias adyacentes. Estos espurreos son interferencias que generamos y potencia desperdiciada ya que ensanchamos el espectro con señales inútiles. El vatímetro nos dice la potencia total emitida, incluida la de los armónicos y el espurreo, pero no cuanta potencia útil emitimos en la frecuencia de trabajo.

Circuito

Fig 2: Procesador de voz transistorizado

En la figura adjunta está el circuito completo del procesador de voz. En la sección de variantes podremos ver qué valores cambian para cada caso y por esta razón se han eliminado del esquema.

Descripción del circuito

Como se puede ver en el esquema de la fig 2, el micrófono se conecta en J1. Dependiendo de cómo esté conectado JP1 tendremos alta impedancia o baja impedancia de entrada o polarización para un micro electret.

·         JP1 abierto, alta impedancia.

·         JP1-1 con JP1-2, baja impedancia. Depende del valor de R2. R2 se ha fijado en 330 ohmios pero se puede poner el valor que más nos interese según el tipo de micrófono que tengamos.

·         JP1-2 con JP1-3, polarización de micrófono electret. R1 se selecciona para el tipo de micrófono y alimentación disponible, normalmente 3K3 es adecuado, pero hay micros que necesitan 10K o más.

Q1 y Q2 forman un amplificador de ganancia unidad con una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. R3 y R8 polarizan la base y para mantener la alta impedancia se usan valores de más de 200KΩ. La ganancia de los transistores y el montaje en seguidor de emisor permite que la corriente de base sea extremadamente pequeña.  R10 carga la salida de emisor de Q1, aunque baja un poco la impedancia de entrada del éste. Esta resistencia tiene un valor bastante alto pero afecta a la respuesta del filtro y por tanto no se puede poner cualquier valor.

Q3 y Q4 forman el amplificador. Q3 es estrictamente el amplificador en emisor común y Q4 se encarga de reducir la impedancia de salida del circuito para conectarlo a la siguiente etapa. La tensión de emisor de Q4 se realimenta mediante R12 y R15 a la base de Q3. Si la tensión de emisor de Q4 sube por alguna razón, aumenta la corriente de base de Q3, aumentando la corriente de colector de Q3 que provoca una mayor caída en la tensión de base de Q4 y por tanto de emisor de Q4. Por la misma razón, si la tensión de emisor de Q4 baja, también baja la corriente de colector de Q3 compensando esta bajada. Esta realimentación estabiliza el punto de trabajo. La tensión en continua de emisor de Q4 depende del punto de ajuste de R12 y la ganancia del amplificador viene determinada por la relación que hay entre la resistencia de realimentación (R12 + R15) y la resistencia de entrada R9. Cuanto mayor sea esta relación mayor es la ganancia. C8 se encarga de bloquear el paso de la corriente continua, pero dependiendo de su valor podemos variar también la respuesta en frecuencia de esta etapa. Más adelante discutiéremos este punto en detalle.

Q7 y Q8 forman un amplificador diferencial y está polarizado para que se sature de igual forma el semiciclo positivo y el negativo. Es decir, esta etapa además de amplificar tiene por misión limitar la amplitud. Cuando la señal de alterna en la base de Q7 está en el semiciclo positivo, Q8 llega un momento en que no conduce y por tanto limita la amplitud de la señal por arriba. En el semiciclo negativo Q7 llega un momento que no conduce y Q8 queda polarizado a su máxima corriente que viene determinada por la resistencia de emisor, colector y polarización de base. Para que el punto de trabajo de este circuito no varíe con la amplitud de la señal de audio, C17 fija la tensión de base en el divisor R22 y R24. Este limitador no recorta en onda cuadrada sino que recorta de forma progresiva. De esta forma no se generan armónicos impares de forma abrupta aunque genera armónicos pares de menor amplitud que los impares.

La salida del limitador se lleva al filtro pasobajo acoplado en CC. Q5 y Q6 son el amplificador de salida y forman parte del filtro pasobajo. Este filtro es de alta impedancia y por eso se vuelve a usar el mismo montaje de amplificador de corriente que se empleó en el pasoalto. R18 carga al emisor de Q5 y afecta a la respuesta del filtro ya que modifica la impedancia de entrada de Q5.

La salida de este amplificador es de baja impedancia pero la amplitud de la señal limitada llega a más de 2Vpp sobre 1K. R20 permitirá ajustar el valor de salida de esta señal a un nivel adecuado para la siguiente etapa que puede ser un modulador de SSB.

Paca de circuito impreso

El tamaño elegido para la placa es el más pequeño posible para este tipo de montaje, 50x50mm. De haber usado componentes SMD se podría haber reducido en un 30% o más, no obstante este tipo de componentes presenta el inconveniente de no ser fácilmente manejable para los menos iniciados en el soldador y son difíciles de encontrar o hay que comprar unas cantidades mínimas que desaniman a su empleo. Para ahorrar algo de espacio se usa montaje vertical para todas las resistencias. En el caso de los potenciómetros de ajuste la decisión ha sido usar los de tamaño más grande para de esta forma poder montar cualquier tipo disponible.

El circuito está distribuido en la PCI formando una “S” invertida. Por tanto el plano de masa se ha cortado en un par de puntos para que las corrientes se distribuyan a lo largo de la masa sin formar circuitos cerrados entre la salida y la entrada. No obstante cuando la sensibilidad es alta tiene tendencia a oscilar si no se monta sobre un plano conductor (chasis) con 4 torretas de 5mm.

Las referencias de los componentes están ordenadas de arriba abajo y de izquierda a derecha, puesta la placa de forma que J3 quede abajo.

Fig 3: Vistas de serigrafía y pistas

El filo de la placa esta delimitado por un marco que es el que determina el tamaño de la placa. Si se usa esta imagen para reproducir la placa hay que ajustar la escala de la imagen (fotocopia, escáner, etc) hasta conseguir el tamaño 50x50.

Lista de materiales

REF	Valor	REF	Valor
C1, C6	470P	R1,R4	3.3K
C2,C3,C5,C18	10N	R2	330R
C4	100P	R3	270K
C7,C12	100N	R5,R13,R15	1K
C9,C11	100uF 6.5 mm	R6,R7,R18,R22	56K
C8, C10	220N	R8	220K
C13	100P	R9	2.2K
C14,C15	680P	R10,R21,R27,R28	10K
C16,C17	1U 5mm	R11	3.9K
J1,J2,J3	535-5181 (RS)	R14	2.7K
R12	100K ajuste	R17	100R
R20	1K ó 5K ajuste	R19,R26	8.2K
JP1	745-7068P (RS)	R23,R25,R29	120K
L1	10 uH	R24	33K
Q1..Q8	2N3904	R16	470
T1..T5	TERMINAL
Tabla 1: Lista de materiales estándar

J1, J2, J3 puede usarse espadines si se hacen conexiones soldadas o con contactos faston pequeños. Si se prefiere usar este tipo de conector el complementario para cable es 535-4958 de RS.

Los terminales de prueba pueden hacerse con un trozo de hilo de cobre de 0,8mm de diámetro o espadines.

Los transistores, se pueden usar otros modelos que tengan una ganancia nominal próxima a 100. El encapsulado es tipo TO92 y distribución de patillas como en la figura adjunta.

Fig 4: Patillas del 2N3904 TO92

Montaje

El circuito está pensado para ser montado sobre una placa conductora. De no poner esta placa debajo del circuito se producirán oscilaciones a máxima ganancia. Para montar sobre una chasis o ponerle una placa de blindaje por debajo se usan 4 torretas de 5mm.

Fig 5: PCB y montaje tipo.

El circuito no presenta ninguna dificultad de montaje. No obstante si que es conveniente preformar las resistencias de forma que se lean fácilmente una vez montadas. Para ello pondremos el lado de la banda de tolerancia lo más cerca de la placa de circuito impreso. De esta forma se lee el valor de arriba hacia abajo, una vez montado el componente. En el proceso de montaje se dan unas tensiones de prueba que son aproximadas. Dependiendo de la ganancia de los transistores puede variar un poco estas tensiones.

Se puede montar todo de una vez o hacerlo por fases.  Si se opta por esta última opción se puede ir probando cada parte antes de montar la siguiente. Ojo no montar T2.

• Montamos todo el circuito de alimentación, JP1, J2, R1, R16, R17, C7, C9, C11, C12. Podemos ahora alimentar en J2 con 9Vcc y comprobar que entre JP2-3 y masa hay la misma alimentación que en J2.
• Montamos el filtro de entrada, J1, L1, C6, C1, C4, C5, C2, C3, R2, R5, R6, R7, R3, R8, R10, R4, T1, Q1 y Q2. Ojo, T2 no se monta ya que cae debajo de R12, más adelante se explica la utilidad de T2. Alimentamos el circuito con 9Vcc y comprobamos que la tensión entre T1 y masa es de 2,6±0,5 Vcc.
• Montamos el amplificador, C8, R9, R12, R15, R11, R13, R14, T3, Q3 y Q4. Alimentamos con 9Vcc.
• Ajustar R12 totalmente en sentido antihorario, comprobar que la tensión entre T3 y masa es de 2,5±0,5 Vcc.
• Ajustar ahora R12 totalmente en sentido horario, comprobar que la tensión entre T3 y masa es de 3,8 ±0,5 Vcc aprox.
• Montamos el limitador, C10, C17, R19, R21, R22, R24, R26, T4, Q7 y Q8. Alimentar con 9Vcc y comprobar que la tensión entre T4 y masa es de 5±0,5 Vcc.
• Montamos el filtro de salida, R18, R20, R23, R26, R27, R28, R29, C18, C13, C14, C15, C16, T5, Q5 y Q6. R20 puede ser de 1K o 5K. Alimentar a 9Vcc y comprobar que entre T5 y masa hay 5,75±0,5 Vcc.

La corriente total depende del valor de R20 y por tanto las tensiones en los puntos de prueba también dependen de este valor. Vamos a dar los valores para cada caso. La medida que se obtenga debe estar en ±0,2Vcc.

Alimentación J2	R20	VT1	VT3 R12min	VT3 R12max	VT4	VT5
9Vcc	R20 1K	2,2	2,27	3,57	6,45	4,75
	R20 5K	2,44	2,27	3,73	6,85	5,25
5Vcc	R20 5K	0,87	2,14	2,57	4	2,6
	Tabla 2: Tensiones de prueba en función de la posición de R12, el valor de R20 y alimentación del circuito.

Variantes

Como se dijo al principio, este circuito permite hacer variaciones y con ello obtener resultados más adecuados a la necesidad que cada uno pueda tener. Vamos a desgranar algunas cosas que podemos hacer, aunque la imaginación de cada uno de seguro dará otras opciones no contempladas aquí.

Preenfasis

La inteligibilidad de la voz está concentrada en las frecuencias altas, las frecuencias bajas son las que más potencia concentran y por tanto también son las que mayor cantidad de armónicos tendrán dentro de la banda de paso, una vez la señal pase por el limitador. Para mejorar la inteligibilidad los micrófonos de comunicaciones son menos sensibles a las frecuencias bajas o presentan un pico de respuesta sobre los 2000Hz. Una forma de conseguir este efecto y de paso mejorar la presencia de armónicos de las frecuencias bajas, usando micrófonos de respuesta plana, es mediante un circuito de preenfasis.

C8 y R9 forman un circuito de preénfasis cuya frecuencia de corte podemos variar mediante C8. El valor de C8 se puede reducir hasta 10nF, para conseguir una respuesta de 6dB por octava. No obstante para cada caso, voz del operador y tipo de micrófono, puede ser necesario un valor distinto. Una posible solución es poner un conmutador de 6 posiciones para ir conmutando condensadores de distinto valor. Quitamos C8 del circuito o previamente no lo habremos montado y conectamos el siguiente circuito en su lugar.

Fig 6: Montaje para selección de C8.

Un corresponsal puede ir dándonos indicaciones de qué valor es el más adecuado y luego clocamos en lugar de C8 el valor que mejor nos haya salido. Cuanto menor sea el valor de C8 menor será la ganancia del amplificador por lo que hay que tener este efecto en cuenta. Puede ser necesario ir retocando la ganancia mediante R12.

Uso en recepción

Este circuito puede tener una buena aplicación en un receptor que no disponga de CAG, por ejemplo el PEREGRINO. Este tipo de RX presenta el problema de salida de audio a toda potencia cuando de repente entra una señal fuerte. Este procesador se puede usar como limitador de amplitud para reducir este efecto. El funcionamiento es simple, la ganancia de RF del RX debe ajustarse a un punto en el que los picos empiecen a ser recortados y la salida de audio del procesador se tiene que ajustar al punto de audición que nos interese. Si llegara una señal muy fuerte el limitador impide que la salida aumente mucho más de lo que ya está fijado. Desde luego que se oirá más fuerte y la señal sonará muy “arropada”, debido a la distorsión del limitador tremendamente saturado, pero no subirá la potencia desde unos pocos milivatios hasta 0,5 vatios en el caso del LM386 muy empleado en este tipo de RX. Además los picos de señal tipo QRM se recortarán también y los filtros de audio del procesador eliminarán algo de ruido.

Fig 7: Efecto como limitador de ruido. Arriba señal de entrada, abajo señal de salida. El pico de ruido queda notablemente recortado.

Pico de entrada 20dB sobre la señal de entrada. La salida mantiene una relación de amplitud entre interferencia y señal menor a 6dB. No obstante esto dependerá de lo ajustado que esté la señal nominal al punto de limitación.

Para poder seguir usando el circuito en TX habrá que añadir algunas cosas como un relé y unos ajustables externos en la línea de RX. No es posible cubrir aquí todas las opciones de montaje, pero daremos unas ideas generales que puedan ser de ayuda.

Fig 8: Aplicación en TX y RX, relé en posición RX.

El relé se activa al pasar a TX, dando masa a la conexión del lado de PTT. En TX ajustamos el procesador de acuerdo a las necesidades del micrófono/voz y modulador. Hecho esto, en RX ajustamos R1 para que el procesador no limite con las señales más bajas (ganancia de RF al máximo) y R2 puede ser el potenciómetro de volumen del amplificador de BF. Si la salida para el modulador es muy baja, entonces será necesario amplificar algo más en RX para que el amplificador de BF entregue toda su potencia. Esto es algo que en cada caso concreto habrá de resolverse y no se puede cubrir aquí.

Filtro de Cw

El procesador dispone de filtro pasoalto y filtro pasobajo, es decir es un filtro pasobanda. Modificando los valores de las frecuencias de corte de ambos filtros se puede estrechar para usarlo en un RX de CW. Este filtro no es extremadamente selectivo pero se consigue una atenuación de 20dB entre -300Hz y +750Hz respecto de la frecuencia e resonancia que es 700Hz. Los nuevos valores de los componentes son:

	700Hz
R6, R7	39K
C2,C3,C5	5.6nF
C14,C15	1.8nF
C18	33nF
C13	220p

Tabla 2: Alternativas para CW

Una característica importante es que la respuesta al impulso está suavemente amortiguada y por tanto no sufre del efecto campana que es muy desagradable.

 

Fig 9: Respuesta al impulso de un punto a 20WPM. Arriba entrada abrupta, abajo salida suavizada.

Alimentación de 10 a 14Vcc

El circuito a 9Vcc consume 8 mA aproximadamente. Por tanto por cada voltio que exceda la alimentación de 9Vcc se añaden 120 ohmios al valor de R17.

Valim	R17	Valim	R17
9	100	12	470
10	220	13	560
11	330	14	680
Tabla 3: R17 para distintas alimentaciones, montaje estándar.

Montaje en caja

Se puede montar todo en una caja, con una pila de 9Vcc, un interruptor de alimentación y un par de potenciómetros para controlar la ganancia y la salida.

T2 es un contacto a masa que permitirá sacar de la PCI las resistencias ajustables  R12 y R20 y poder substituirlas por un par de potenciómetros de panel del mismo valor. Conectaremos los potenciómetros con cable coaxial y la masa de los coaxiales se hará en T2. Al retirar R20, T2 queda accesible para esta misión.

Ni que decir tiene que la entrada y salida igualmente tiene que ir blindada. Incluso se puede enrollar unas vueltas el cable coaxial en un toroide FT50-43 o similar. Esto evitará corrientes de RF por la malla. Si el conector de entrada y salida está bien blindados y hace buena masa toda la caja con la PCI no será necesario el toroide, pero no estará de más. El cable coaxial deberá ser bastante fino para que por lo menos quepan 4 vueltas.

Características para la versión estándar y variantes

1.       Alimentación nominal: 9Vcc.

2.       Consumo:

• 9 mA montaje estándar. Alimentación 9Vcc.
• 5mA, R20 = 5K. Alimentación 9Vcc.
• 2,2mA, R20 =5K. Alimentación 5Vcc.

3.       Sensibilidad:

• Menos de 1mV eficaz para umbral del limitador, R12 totalmente en sentido horario.
• Menos de 30mV eficaces para umbral del limitador, R12 totalmente en sentido antihorario.

4.       Nivel de salida ajustable por R20:

• 900mV para una carga de 10K. Alimentación 9Vcc.
• 400mV para una carga de 10K. Alimentación 5Vcc.
• 800mV para una carga de 300 ohmios. Alimentación 9Vcc.
• 20mV a mínima salida tanto para 10K como para 300 ohmios.

5.       Linealidad: salida proporcional a la entrada hasta llegar al punto de compresión.

6.       Margen de compresión: 3dB para una variación de 20dB a la entrada, referido a una entrada de 1mVef y ajuste a máxima ganancia.

7.       Relación señal ruido 34dB para una entrada de 0,25mV. R12 totalmente en sentido horario.

8.       Respuesta en frecuencia (señal de entrada 10dB por debajo del punto de limitación, 0,3mV eficaces a máxima ganancia):

·         300Hz a 3200Hz para 3dB de caída respecto de la salida a 1000Hz.

·         350Hz a 3000Hz respecto del punto de máxima salida. Rizado de 3dB.

Fig 10: respuesta en frecuencia en función de C8.

Fig11: Respuesta de amplitud entrada/salida. Escalas en mV

NOTAS:

La placa de circuito impreso se puede conseguir en al tienda de EA QRP CLUB: eaqrp.com, el servicio es solo para socios.