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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NUEVA ESPARTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Línea de investigación: Diseño, simulación y desarrollo de aplicaciones para el tratamiento de señales dirigidas al sector de las Telecomunicaciones Tema: Sistemas inalámbricos. Título: Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo.
Tutor: Ing. Di Zonno Francisco C.I.: 8.066.232
Proyecto de grado Presentado por: Br. Andrade M Sergio D C.I.: 17.704.970 Para optar al Título de: Ingeniero Electrónico Junio, 2014 Caracas, Venezuela
Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo. by Andrade M, Sergio D is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional License.
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo. Aprobado por:
JURADO: _________________
JURADO: _________________
Nombre y apellido
Nombre y apellido
_________________
_________________
Cédula de identidad
Cédula de identidad
_________________
_________________
Firma
Firma Junio, 2014 Caracas Venezuela
I
DEDICATORIA
A mis padres, quienes me han apoyado infinitamente en todo lo posible para cumplir está meta de ser profesional, siempre recordándome que “Lo único que nos llevamos a la tumba y que nadie nos podrá arrebatar jamás son nuestros conocimientos”
A mis amigos y seres queridos, quienes día a día comparten conmigo esta lucha por alcanzar tantas metas de vida y tantos sueños, comprendiendo que la vida sería vacía sin la certeza de tener una buena compañía.
A mi Oriana, por todo el apoyo que me ha brindado a lo largo de mi etapa final en esta meta, recordándome siempre que sí se puede poco a poco pero se puede.
A mi mamá Cleo, quien me dio tanto en vida y me insistió constantemente que no dejara mis estudios por ningún problema personal, donde quiera que estés esto es para ti.
Sergio David Andrade Marrero
II
AGRADECIMIENTOS
Ante todo agradezco a Dios, porque sin él nada en lo absoluto se puede lograr, Dios es el principio y el fin de todas las cosas. A los profesores que me apoyaron incondicionalmente para el desarrollo de este proyecto de investigación y en la culminación de mi carrera. Entre ellos al Decano de ingeniería Ingmar Ramírez, a la directora de Electrónica Alejandra Fontana, a la gran Mónica, Erick Arguello, Nelly Meléndez, a la profe María Elena Sánchez. A mi tutor Francisco Di Zonno por su ayuda incondicional siempre que lo necesité, me atendió con su pasión por la electrónica y me explicaba cada detalle. A mis compañeros de estudio, por aguantar mis chistes y a veces mi mal humor, pese a que yo también me los aguantaba. A mi gran amiga Luisana Ocque “La Polaca” y a Leonte Ortega por su apoyo para la parte flamenca, siempre corriendo cuando los llamaba, gracias infinitas por todo el apoyo. A mi gran familia, sin ellos nada es posible, la familia lo es todo en la vida, gracias por todo el apoyo brindado, a mi viejita Mariela, a mi padre Sergio E, a mi tío Carlos, Ana y a mi bella Oriana, gracias por aguantarme y apoyarme.
III
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico
capaz de
amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo.
Autor: Br. Andrade Sergio Tutor: Ing. Di Zonno Francisco Fecha: Junio 2014 Palabras claves: Baile flamenco, Amplificadores inalámbricos, Audio Digital, micrófono, modulación, Arduino.
RESUMEN El propósito de la presente investigación será diseñar e implementar un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo. El estudio se consideró como diseño mixto dentro del marco proyectivo y se connota también como proyecto factible. Se tomó como población a un grupo específico de ejecutantes profesionales del baile flamenco que trabajaron en un periodo seleccionado en las instalaciones de El Jaleo. Después de la recolección de información se procedió al análisis de los resultados y se diseñó el dispositivo inalámbrico capaz de amplificar y ajustar los niveles de sonido necesarios en el calzado flamenco para que los ejecutantes del baile se lograran monitorear con respecto al fondo musical que generan los instrumentos ejecutados por los demás músicos y a su vez lograr establecer el orden correcto en la jerarquía de cada sonido en la pieza representada. El prototipo desarrollado consta de un pequeño transmisor inalámbrico colocado directamente en el calzado flamenco, este es capaz de transmitir un sonido digital a la consola de operación que se encarga de ajustar el volumen de cada instrumento y así permitir el equilibrio del producto final resultante.
IV
FACULTY OF ENGINEERING ELECTRONICS ENGINEERING SCHOOL
Design and implementation of a wireless device capable of amplifying the sound generated by the footwear used by professional flamenco dancing in the restaurant El Jaleo, El Hatillo municipality. Author: Br. Andrade Sergio Tutor: Ing. Di Zonno Francisco Date: Junio 2014 Keywords: Flamenco Dancing, Wireless Amplifiers, Digital Audio, microphone, modulation, Arduino.
SUMMARY The purpose of this research is to design and implement a wireless device that can amplify the sound generated by the footwear used by professional flamenco dancing in the restaurant El Jaleo, El Hatillo municipality. The study was considered as a mixed design within the projective frame and also connotes as doable project. Population was taken as a specific group of professional flamenco performers who worked in a selected period on the premises of El Jaleo. After data collection proceeded to analyze the results and the wireless device capable of amplifying and adjusting sound levels required in flamenco shoes for performers dancing were achieved monitor with respect to the background they generate designed the instruments executed by other musicians and in turn able to establish the correct order in the hierarchy of each sound in the piece represented. The developed prototype consists of a small wireless transmitter placed directly in flamenco shoes, this is capable of transmitting a digital sound console operation that is responsible for adjusting the volume of each instrument and allow the balance of the resulting final product.
V
ÍNDICE GENERAL Dedicatoria………………………………………………………………………..
II
Agradecimientos………………………………………………………………….
III
Resumen…………………………………………………………………………..
IV
Summary………………………………………………………………………….
V
Índice de Figuras………………………………………………………………
X
Índice de Tablas……………………………………………………………….
XIII
Índice de Fórmulas…………………………………………………………….
XIV
Índice de Gráficos……………………………………………………………..
XIV
Índice de Anexos………………………………………………………………
XIV
INTRODUCCIÓN………………………………………………….....……...
1
CAPÍTULO I MARCO PROBLEMÁTICO…………………........…..................................
4
1.1 Planteamiento del problema…………………………..…………..........
4
1.2 Formulación del problema………………………..……………...………
7
1.2.1 Interrogante general……………………...………………..……...
7
1.2.2 Interrogantes específicas……………………………………..………..
7
1.3 Objetivos……………………………………………………………………
7
1.3.1 Objetivo general…………………………….…………….…………….
7
1.3.2 Objetivos específicos………………….………………….…………….
8
1.4 Justificación…………………………………………….………………….
8
1.5 Delimitaciones de la investigación………………….……...……………
10
1.5.1 Geográfica……………………….………………….……...……………
10
1.5.2 Temporal…………………………………………….……...……………
10
1.5.3 Temática………………………….………………….……...…………..
11
1.5.4 Técnica……………………………..……………….……...……………
11
VI
1.6 Limitaciones………………………………………….………….…………
12
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO……………………..…..…………………………………
13
2.1 Antecedentes de la investigación…………….…………..……………..
13
2.2 Bases teóricas………………………………………………….………….
15
2.2.1 Amplificador...……………………………………………………………
15
2.2.2 Tipos de amplificador...…………………………………………..........
16
2.2.2.1 Amplificador operacional…………………………………..………..
16
2.2.2.2 Amplificador de potencia…………………………………..………..
27
2.2.2.2.1 Clases de amplificador de potencia……………………..….......
17
2.2.2.2.1.1 Amplificador clase A…………………………………………….
17
2.2.2.2.1.2 Amplificador clase B…………………………………………..
17
2.2.2.2.1.3 Amplificador clase C…………………………………………….
20
2.2.2.2.1.4 Amplificador clase AB………………………………….……….
21
2.2.2.2.1.5 Amplificador clase D…………………………………….………
22
2.2.3 Filtros…………………………………………………………..………..
24
2.2.4 Tipos de filtros………………………………………………………….
24
2.2.4.1 Filtro paso bajo……………………………………...……………….
25
2.2.4.2 Filtro paso alto………………………………………..………………
29
2.2.4.3 Filtro pasa banda……………………………………..………..........
32
2.2.4.4 Filtro rechaza banda………………………………….……………..
37
2.2.5 Modulación…………………………………………….………………..
39
2.2.6 Tipos de modulación………………………………..………………….
39
2.2.6.1 Modulación analógica…………………………..……………………
39
2.2.6.1.1 AM…………………………………………………………………
40
2.2.6.1.2 FM……………………………………………….……….………….
41
2.2.6.1.3 PM……………………………………………………..………….
41
2.2.6.2 Modulación digital………………………………..…….….…………
42
VII
2.2.6.2.1 ASK…………………………………………………….…………
43
2.2.6.2.2 FSK…………………………………………….….…..………….
44
2.2.6.2.3 PSK…………………………………………….…………………
45
2.2.7 Relación señal a ruido……………………………………...………….
46
2.2.8 Distorsión………………………………………………………………..
48
2.2.8.1 Distorsión debida a la realimentación……………………………..
49
2.2.9 Audio Digital……………………………………………………………..
51
2.2.10 Conversor Analógico Digital………….………………………………
52
2.2.11 Tipos de conversor analógico digital……………………………......
55
2.2.11.1 Conversor analógico digital Flash………………………………..
55
2.2.11.2 Conversor analógico digital Sigma Delta………………………..
56
2.2.11.3 Conversor analógico digital de Rampa…………………………..
56
2.2.11.4 Conversor analógico digital por Aproximación Sucesiva………
57
2.2.12 Micrófono…………………………………………………………........
58
2.2.12.1 Micrófono Electret………………………………………………….
59
2.2.13 Módulos Arduino………………………………………………………
61
2.2.13.1 Aplicaciones comunes con Arduino……………………………...
63
2.2.14 Baile flamenco…………………………………………………………
64
2.3 Bases legales……………………………………………………………...
67
2.4 Operacionalización de variables………………………………………..
69
2.5 Términos básicos…………………………………………….……………
70
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO…………………….……………………………
73
3.1 Tipo de investigación……………………….…………………………….
73
3.2 Diseño de investigación…………………………………………….........
74
3.3 Población y muestra………………………………………………..…….
76
3.4 Técnica e instrumentación de recolección de datos…………………..
77
3.5 Validez y confiabilidad de los instrumentos……………….……….......
78
VIII
3.6 Técnicas de procesamiento y análisis de resultados…………………
80
3.7 Análisis general de resultados………………………………………......
86
CAPÍTULO IV SISTEMA PROPUESTO...……………………………................................ 4.1 Diagnóstico de la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado flamenco utilizado por profesionales del área…………………… 4.2 Análisis de los métodos actuales utilizados para amplificar y transmitir el sonido generado por el calzado……………………………… 4.3 Diseño del diagrama de circuital del dispositivo inalámbrico que amplifique el sonido generado por el calzado flamenco………...................
87 87
88
89
4.3.1 Diseño del diagrama de bloques……………………….…………….
89
4.3.2 Diagrama circuital del dispositivo……………………………………
91
4.3.3 Descripción del diagrama de bloques……………………………….
92
4.3.3.1 Etapa de transmisión de audio…….……………………………….
92
4.3.3.2 Etapa de recepción de audio………………………………………..
100
4.4 Construcción del prototipo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco con ancho de banda específico………. 4.5 Evaluación del funcionamiento del prototipo amplificador……………. 4.6 Implementación del dispositivo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco en su ejecución…………………………. 4.6.1 Recursos Humanos……………………………………………………..
101 104 109 113
4.6.2 Recursos administrativos………………………………………………. 113 4.6.3 Recursos tecnológicos………………………………………………….
114
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………………
116
5.1 Conclusiones……………………………………………………………….
116
5.2 Recomendaciones…………………………………………………………
118
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………..……..
IX
128
REFERENCIAS ELECTRÓNICAS………………………………………...
128
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Amplificador operacional…………………………….……………...…
16
Figura 2 Línea de carga característica del Amplificador Clase A……………
18
Figura 3 Línea de carga característica del Amplificador Clase B……………
19
Figura 4 Línea de carga característica del Amplificador Clase C……………
20
Figura 5 Línea de carga característica del Amplificador Clase AB………….
21
Figura 6 de bloques del Amplificador Clase D…………………………………
23
Figura 7 Red de dos puertos general…………………………………………..
25
Figura 8 Filtro RC pasa bajo simple de 1er orden…………………………….
25
Figura 9 Función SINC normalizada……………………………………………
26
Figura 10 Diagrama de Bode de la respuesta en Frecuencia de un Filtro Pasa Bajo de 1er Orden………………………………………………………… Figura 11 Diagrama de Bode de la respuesta en Frecuencia de un Filtro Pasa Bajo de 2do Orden…………………………………………………………
27
28
Figura 12 Circuito básico de un Filtro Pasivo Paso Alto……………………..
30
Figura 13 Diagrama de Bode de un filtro paso alto de 1er Orden…………..
31
Figura 14 Diagrama de Bode de un filtro paso alto de 2do Orden…............
32
Figura 15 Circuito básico de un filtro pasa banda pasivo……………………
33
Figura 16 Definición de un Filtro Pasa Banda…………………………………
34
Figura 17 Diagrama de bode de un filtro pasa banda de 2do orden………..
35
Figura 18 Relación entre el punto “Q”, la frecuencia resonante y el ancho de banda…………………………………………………………………………...
36
Figura 19 Diagrama de bloques de un filtro rechaza banda…………………
37
Figura 20 Implementación sencilla de un filtro rechaza banda………………
38
X
Figura 21 Diagrama de bode de un filtro rechaza banda tipo “TwinT”……...
38
Figura 22 Modulación AM………………………………………………………..
40
Figura 23 Modulación FM………………………………………………………..
41
Figura 24 Modulación PM………………………………………………………..
42
Figura 25 Modulación ASK y FSK………………………………………………
43
Figura 26 Modulación PSK………………………………………………………
46
Figura 27 Nivel de sonido al nivel del oyente comparado con el ruido de fondo del ambiente……………………………………………………………….
47
Figura 28 Detección de distorsión en ruido……………………………………
48
Figura 29 Espectro de distorsión versus realimentación…………................
50
Figura 30 Comparación entre la onda de audio analógica y la onda de audio digital……………………………………………………………………….
51
Figura 31 Velocidad de muestreo………………………………………………
52
Figura 32 Símbolo esquemático de un ADC…………………………………..
53
Figura 33 Diagrama de bloques de la grabación de audio en un sistema digital………………………………………………………………
54
Figura 34 Muestreo en un conversor de 4 bits………………………………..
54
Figura 35 Conversor Flash………………………………………………………
55
Figura 36 Conversor Sigma Delta………………………………………………
56
Figura 37 Conversor tipo Rampa……………………………………………….
57
Figura 38 Conversor Aproximación Sucesiva…………………………………
58
Figura 39 Micrófono de condensador AKG C214……………………............
59
Figura 40 Micrófono Electret……………………………………………………
61
Figura 41 Módulos Arduinos…………………………………………………….
64
Figura 42 Bailadores de Flamenco……………………………………………..
65
Figura 43 Paco de Lucía, Guitarrista de flamenco español………………….
66
Figura 44 Diagrama de bloques del dispositivo amplificador inalámbrico………………………………………………………………………..
XI
90
Figura 45 Diagrama circuital……………………………………………………..
91
Figura 46 Batería GP23AE………………………………………………………
92
Figura 47 Micrófono electret……………………………………………………..
93
Figura 48 Micrófono conexión…………………………………………………..
93
Figura 49 Análisis espectral……………………………………………………..
94
Figura 50 Bloques de lectura Labview………………………………………….
95
Figura 51 Calculador de filtro paso bajo……………………………………….
95
Figura 52 Capacitor de 4.7 micros……………………………………………..
96
Figura 53 Circuito de Offset……………………………………………………..
96
Figura 54 Módulo Arduino Nano………………………………………………..
97
Figura 55 Tranceptor nRF24l01……………………………………………….
99
Figura 56 Conexión micrófono…………………………………………………
101
Figura 57 Conexión Arduino…………………………………………………….
102
Figura 58 Conexión nRF24l01…………………………………………………..
103
Figura 59 Prototipo inalámbrico…………………………………………………
103
Figura 60 Prototipo receptor……………………………………………………..
104
Figura 61 Paridad y funcionamiento……………………………………………
105
Figura 62 Señal transmitida…………………………………………………….
105
Figura 63 Señal sin Offset……………………………………………………….
106
Figura 64 Señal con Offset………………………………………………………
106
Figura 65 Señal recibida…………………………………………………………
107
Figura 66 Señal recibida en osciloscopio……………………………………..
107
Figura 67 Señal filtrada…………………………………………………………..
108
Figura 68 Señal atenuada……………………………………………………….
108
Figura 69 Señal entrada- Señal salida…………………………………………
109
Figura 70 Vista lateral…………………………………………………………….
109
Figura 71 Vista inferior…………………………………………………………..
110
Figura 72 Vista trasera…………………………………………………………
110
XII
Figura 73 Ensamblaje receptor…………………………………………………
111
Figura 74 Construcción total receptor………………………………………….
111
Figura 75 Encendido del receptor……………………………………………….
112
Figura 76 Indicador de recepción……………………………………………….
112
ÍNDICE DE TABLAS Tabla n°1 Comparación de valores en amplificadores………………………
24
Tabla n°2 Operacionalización de variables………………………….............
69
Tabla n°3 Validez de Instrumento de recolección de datos…..…………….
79
Tabla n°4 Pregunta N°1……………………. ………………………………….
80
Tabla n°5 Pregunta N°2…………………………………………………………
81
Tabla n°6 Pregunta N°3…………………………………………………………
82
Tabla n°7 Pregunta N°4…………………………………………………………
83
Tabla n°8 Pregunta N°5…………………………………………………………
84
Tabla n°9 Pregunta N°6………………………………………………………..
85
Tabla n°10 Características Nano……..………………………………………
98
Tabla n°11 Esquema de conexión……………………………………………
102
Tabla n°12 Recursos humanos………………………………………………..
113
Tabla n°13 Recursos administrativos…………………………………………
114
Tabla n°14 Recursos técnicos…………………………………………………
114
XIII
ÍNDICE DE FÓRMULAS
Fórmula J Función de Transferencia de un Filtro Pasa Bajo de 1er Orden…………………………………………………………………………….. Fórmula K Ecuación general de la función de transferencia para filtros de segundo orden. ……………………………………………………………..
28
29
Fórmula L Frecuencia de Corte……………………………………………….
30
Fórmula M Ecuación general de la Frecuencia Resonante………………..
36
Fórmula N Ecuación General señal a ruido………………………….. ……..
47
ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico A Frecuencia de ejecución profesional en El Jaleo……………….
80
Gráfico B Calidad del sonido del calzado en El Jaleo……………………..
81
Gráfico C Importancia del mejoramiento sonoro en El Jaleo……………..
82
Gráfico D Elementos del mejoramiento sonoro en El Jaleo……………….
83
Gráfico E Utilidad de modificación sonora en El Jaleo…………………….
84
Gráfico F Disposición de implementación en El Jaleo……………………..
85
ÍNDICE DE ANEXOS Anexo A Encuesta………………………………………………………….
119
Anexo B Validación encuesta técnico…………………………………..
122
Anexo C Validación Metodológica……………………………………….
123
Anexo D Validación Metodológica……………………………………….
124
Anexo E Programas Arduino……………………………………………...
125
Anexo F Manual de operaciones………………………………………….
127
XIV
INTRODUCCIÓN
La comunicación inalámbrica o sin cables es aquella en la que extremos de la comunicación (emisor/receptor) no se encuentran unidos por un medio de propagación físico, sino que se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas a través del espacio. En este sentido, los dispositivos físicos sólo están presentes en los emisores y receptores de la señal, entre los cuales encontramos: antenas, computadoras portátiles, teléfonos móviles, etc. La naturaleza humana envuelve al hombre en situaciones donde se requiere comunicación. Para ello, es necesario establecer medios para que esto se pueda realizar. Uno de los medios más discutidos es la capacidad de comunicar sonidos a través de sistemas inalámbricos. La comunicación inalámbrica, se realiza a través de ondas de radiofrecuencia, facilita la operación en lugares donde los micrófonos no se encuentran en una ubicación fija como: conciertos, auditorios, salas de ensayo, entre otros. Los micrófonos inalámbricos se utilizan de una manera general y accesible para todo el público, algunos están diseñados para instrumentos específicos, otros se utilizan a nivel general para cualquier instrumento que se desee amplificar. En la actualidad no existe un micrófono diseñado para amplificar y transmitir de manera inalámbrica el sonido generado en piezas de baile como el flamenco, por lo tanto, en el siguiente proyecto se propondrá el Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo.
1
La organización del trabajo de investigación se encuentra estructurada de la siguiente manera: Capítulo I: Se presenta el tema de estudio, en donde se define el problema de la investigación y los objetivos que se pretenden desarrollar en pro de la realización del diseño del dispositivo, la justificación del proyecto, las delimitaciones geográficas, cronológicas, temáticas y técnicas, así como las posibles limitaciones que se puedan presentar en el transcurso de su diseño y construcción. Capítulo II: En el segundo capítulo titulado “Marco teórico” incursiona en la teoría respectiva, señalándose los antecedentes de dicho desarrollo, basándose en aquellos trabajos previos relacionados con los objetivos de la investigación. Luego se exponen las bases teóricas para comprender y ampliar los conocimientos en cuanto a componentes y conexiones del dispositivo, las bases legales, definición de términos y sistemas variables que sustenten los principios teóricos de la investigación.
Capítulo III: Está relacionado con la metodología empleada, los datos técnicos,
procedimientos para recolectar datos y organizar la información,
con el propósito del diseño de la investigación, la construcción, los parámetros para la escogencia de la población y muestra de la investigación, las técnicas y herramientas para la recolección de datos, la validez por parte de los expertos de la técnica de recolección y por último las tablas y gráficas que sustentan los resultados de cada interrogante empleada para la obtención de los mismos en el proyecto investigativo.
2
Capítulo IV: El cuarto capítulo titulado "Sistema Propuesto" describe las partes que componen el prototipo, donde se presentan el diagrama de bloque del circuito utilizado, la explicación del mismo y se da respuesta a los objetivos planteados para lograr el diseño y desarrollo del sistema propuesto por los autores del proyecto investigativo.
Capítulo V: El quinto capítulo compuesto por las “Conclusiones y
Recomendaciones” expone esquemáticamente los resultados obtenidos en cada una de etapas que componen el desarrollo del trabajo de grado y las sugerencias para futuras investigaciones relacionadas con el mismo.
3
CAPÍTULO I MARCO PROBLEMÁTICO 1.1 Planteamiento del problema La microfonía inalámbrica se basa en dispositivos que captan sonidos y los transmiten por radiofrecuencias; pueden ser de solapa o de mano (tipo bastón). La microfonía inalámbrica no necesita cable porque está dotada de un pequeño transmisor de FM (también puede ser de AM, pero los de FM son más habituales). El transmisor de FM (frecuencia modulada puede estar dentro de la carcasa microfónica o ser una unidad independiente (del tamaño aproximado de una cajetilla de tabaco) conectada al micrófono. Cada micrófono está formado por dos partes: la pareja transmisor-receptor (rádiobase), que trabajan con la misma frecuencia. Es la salida de la base la que entra a la mesa de mezclas, altavoz, entre otros. En determinados modelos una sola base puede trabajar con varios micrófonos inalámbricos. Cada transmisor emitirá a una determinada frecuencia. Cuando se utilizan varios micrófonos, se establece una banda de seguridad mínima de 0,2 MHz entre las frecuencias asignadas a cada par base-micrófono, para evitar las interferencias. Dos micrófonos transmitiendo en frecuencias muy próximas pueden influirse mutuamente provocando reforzamientos, atenuaciones o, incluso, cancelaciones. La mayoría de micrófonos inalámbricos, como la mayoría de equipos de audio profesional, tienen un tono de prueba de 1 kHz para permitir los ajustes.
4
La principal ventaja de la microfonía inalámbrica es que proporciona gran movilidad. Su inconveniente que es muy sensible a las interferencias radioeléctricas. Además, los micrófonos inalámbricos son bastante costosos con respecto a los micrófonos alámbricos. Con todas las cosas siendo iguales en términos de lo que se escucha, mantenga en mente que las ventajas de los sistemas inalámbricos son tanto visuales como auditivas; el frente del escenario se ve mucho mejor sin todos los cables. Darle a sus vocalistas, conferencistas, etc. la libertad de moverse y concentrarse en su mensaje puede otorgarle un impacto significativo al servicio. En la actualidad se utilizan varios tipos de micrófonos inalámbricos y alámbricos para amplificar el sonido de los instrumentos utilizados en los shows de flamenco en El Jaleo (sala rociera ubicada en El Hatillo), debido a la cantidad de público asistente y al ruido que el mismo genera. Cada instrumento tiene su jerarquía al sonar, primero la guitarra, segundo el cante, tercero los pies del bailaor, cuarto las palmas y finalmente el cajón flamenco. De esta manera se logrará obtener la armonía entre los instrumentos de uno de los patrimonios culturales más importantes a nivel mundial llamado el flamenco. Los pies del bailaor o bailaora se catalogan en este arte como el director de la orquesta que conforman los músicos de flamenco. Para lograr amplificar el sonido generado por el calzado de los bailaores se pueden utilizar dos técnicas: la primera es colocar de 3 a 5 micrófonos arriba o debajo de la tarima los cuales van conectados de manera directa en la consola de sonido. Esta técnica es problemática debido a que siempre genera mucho ‘‘feedback’’ y frecuentemente los bailaores patean los micrófonos sin intención o si están debajo de la tarima les cuesta ubicar el radio específico que cubre el micrófono.
5
La segunda técnica para amplificar el sonido del calzado de los bailaores es colocando un módulo inalámbrico que va ubicado en la cintura de los bailaores y este va unido a un pequeño micrófono situado en el tacón a través de un cable que recorre toda la pierna donde se encuentre dicho módulo. Esta técnica es más eficiente que la anterior porque a diferencia de colocar el micrófono en el piso y que este abarque un radio específico, el módulo inalámbrico puede abarcar el 90% del sonido que se desea amplificar, de igual manera esta técnica es incómoda para los bailaores porque tener el cable pegado a toda la pierna y tener el módulo colocado en la cintura, no les permite ejecutar un baile totalmente fluido y se limitan ciertos movimientos en el mismo. Por otra parte, esta técnica también genera ‘‘feedback’’ y ciertas vibraciones que producen ruido e interferencia en la ganancia de transmisión.
Debido a lo antes expuesto surge la necesidad de diseñar e implementar un
dispositivo inalámbrico
capaz de amplificar el sonido
generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo, y a su vez lograr erradicar el problema de incomodidad que representan las distintas técnicas de amplificación que limitan el baile fluido, generan ruidos molestos como el ‘‘feedback’’ y todo lo antes expuesto. Dicho dispositivo será capaz de reconocer y amplificar únicamente las frecuencias de un ancho de banda predeterminado para la transmisión al receptor. De esta manera también se logrará un sonido más limpio y armónico con respecto a la posición de los demás instrumentos utilizados en el flamenco.
6
1.2 Formulación del problema 1.2.1 Interrogante general ¿De qué manera se podrá amplificar inalámbricamente el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo? 1.2.2 Interrogantes específicas -
¿Cuál será la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado flamenco utilizado por profesionales del área?
-
¿Cuáles son los distintos métodos actuales empleados para amplificar y transmitir el sonido generado por el calzado?
-
¿Cómo se podría diseñar un diagrama circuital para elaborar un dispositivo inalámbrico amplificador de sonido?
-
¿Cómo se construiría un prototipo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco con un ancho de banda específico?
-
¿De qué manera se evaluaría el funcionamiento del prototipo amplificador inalámbrico?
-
¿De qué manera logrará elaborar e implementar el dispositivo final amplificador y transmisor del sonido generado por el calzado flamenco en su ejecución?
1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General Diseñar e implementar un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado
por el calzado utilizado por profesionales del baile
flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo.
7
1.3.2 Objetivos Específicos
Diagnosticar la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado flamenco utilizado por profesionales del área.
Analizar los distintos métodos actuales utilizados para amplificar y transmitir el sonido generado por el calzado.
Diseñar el diagrama circuital de un dispositivo inalámbrico que amplifique el sonido generado por el calzado flamenco.
Construir un prototipo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco con un ancho de banda específico.
Evaluar el funcionamiento del prototipo amplificador y transmisor.
Implementar el dispositivo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco en su ejecución.
1.4 Justificación En la práctica del flamenco profesional en Venezuela y gran parte del mundo se emplea por lo general un sistema de sonido para amplificar los tonos naturales emitidos por los instrumentos de los ejecutantes y músicos acompañantes del espectáculo flamenco. En este ámbito se considera una cantidad de volumen según un orden de jerarquía en cada instrumento de tal manera que los pies o el sonido que genera el calzado utilizado por un bailaor profesional de flamenco es a los músicos lo que es un director a una orquesta sinfónica, él director musical dirige, da comienzo a la pieza musical, prepara a los instrumentistas para la misma y la dirige mientras esta perdure, por ende desde hace 10 años se han implementado distintos tipos de microfonía para amplificar el sonido generado por el calzado de flamenco tales como: módulos
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inalámbricos de radio frecuencia colocados en la cintura y el calzado del bailaor o también se utiliza micrófonos alámbricos directamente colocados en la madera o tablao donde se realizará el baile. Estos dos métodos de microfonía no son apropiados para el bailaor flamenco ya que limitan muchos movimientos y expresiones del arte, generan ‘‘feedback’’ y muchos de ellos no son estéticamente visibles. Debido a lo antes expuesto, se propondrá diseñar e implementar un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurant El Jaleo, municipio El Hatillo. Es sumamente importante porque así el bailaor de flamenco tendrá mayor libertad de movimiento al momento de ejecutar el baile, se podrá monitorear continuamente en toda la pieza de baile, se realizará un diseño minimalista directamente en el calzado lo que permitirá contribuir a la estética del baile, se eliminará definitivo el ‘‘feedback’’ produciendo así un sonido más claro y limpio del tacón y también se logrará erradicar ciertos ruidos molestos como la distorsión e interferencia, debido a que se trabajará con frecuencias específicas en un determinado ancho de banda y una transmisión netamente digital para evitar pérdida de sonido. Esta investigación también permitirá que exista una mejor sincronía y precisión entre los movimientos del bailaor y los músicos que lo acompañen o en su defecto la pista musical, por lo que el público podrá apreciar un espectáculo de gran calidad y armonía musical. Por otra parte, este trabajo de investigación aportará al restaurante El Jaleo un sistema inalámbrico con tecnología de punta que mejorará notablemente la calidad de los espectáculos que normalmente se realizan en
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la sala, de esta manera, al subir la calidad auditiva de los bailes, posiblemente el público que asista al local se incrementará en corto tiempo. De igual manera, este trabajo de investigación servirá de antecedente para otras investigaciones que se orienten al desarrollo de dispositivos electrónicos aplicados a cualquier tipo de manifestación artística o cultural, y así estimular los valores estéticos a través de la rama electrónica. Por último se considera un producto final beneficioso para los autores, ya que una de las metas es patentar el dispositivo y comercializarlo posteriormente en el mercado venezolano e internacional. 1.5 Delimitaciones de la investigación 1.5.1 Geográfica: La investigación documental y las pruebas de sonido se realizaron en la sala rociera de Caracas, El Jaleo ubicada en el municipio El Hatillo. El estudio bibliográfico, el diseño del dispositivo, la construcción y las pruebas se realizaron en los diferentes laboratorios de la escuela de electrónica en la Universidad Nueva Esparta, ubicada en el Municipio El Hatillo, sector Los Naranjos, debido a que en sus instalaciones se encuentran los equipos y recursos necesarios para ello. 1.5.2 Temporal: El tiempo dedicado para la elaboración de la investigación comprendió desde el mes de julio de 2013 hasta el mes de abril de 2014 para un total de 9 meses, período en el cual se cursaron las materias correspondientes para la elaboración de proyecto de tesis, a su vez en este período se logró analizar
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los diferentes aspectos en cuanto a las frecuencias de sonido modulado, aspectos técnicos, estudios previos del arte flamenco, entre otros. 1.5.3 Temática: La presente investigación está contemplada en el área de ingeniería electrónica de la Universidad Nueva Esparta bajo la línea de investigación denominada “Diseño, simulación y desarrollo de aplicaciones para el tratamiento de señales dirigidas al sector de las Telecomunicaciones”. Basándose en la tecnología de sistemas inalámbricos que permitieron diseñar, construir e implementar el dispositivo 1.5.4 Técnica: El sistema transmisor inalámbrico está constituido por un emisor de radio frecuencia ubicado en el calzado flamenco, el mismo consta de una primera etapa de captación del sonido a través de un micrófono Electret de la marca Pyle unidireccional de 3.5 mm con rango de detección entre 20 Hz. Y 20 KHz. Colocado ángulo de 90 grados en la parte delantera del tacón del calzado flamenco. Para la obtención de la frecuencia de muestreo seleccionada se utilizó un filtro paso bajo elaborado con un capacitor de 4.7 micro Faradios y una resistencia de 10 ohmios los cuales proporcionaron un ancho de banda de 4KHz necesarios para captar el sonido deseado. Para la conversión analógica digital, control de la tarjeta para Transmisión y Recepción se utilizaron los módulos Arduino Nano con dispositivo ‘‘Flash’’ de 10 bits, los cuales proporcionaron la rapidez en el manejo de la señal enviada y el manejo adecuado de los datos procesados.
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Para la etapa de sistema Transmisor (Tx) y sistema Receptor (Rx) se utilizaron los módulos nRF24l01, los cuales trabajan bajo 2.4 GHz, son configurados por el sistema Arduino, de muy bajo consumo y un alcance de 100 metros de distancia entre ambos. Por último como sistema de alimentación se utilizó en el Transmisor una batería pequeña de 12 voltios y en el Receptor una fuente de tensión regulada de 12 voltios y 0,7 Ah. 1.5 Limitaciones Como primera limitante se considerará trabajar con un patrón de frecuencia de transmisión entre 2.4 Giga Hertz hasta 2.435 GHz debido a que el módulo adquirido fue diseñado para ello, por otra parte el rango de frecuencia seleccionado es bastante útil para el desarrollo del dispositivo. Se manejará un presupuesto económico para la elaboración de los circuitos debido a que la mayoría de las casas importadoras de componentes electrónicos trabajan con dólar paralelo y los precios de sus productos son costosos. Se realizó un solo dispositivo inalámbrico amplificador receptor y un emisor debido a que sería muy costoso construir varios del mismo modelo y con uno ajustado a la base es suficiente para estudiar el caso. Por otra parte, se tomó la muestra a un profesional para realizar las pruebas finales en la ejecución del baile debido a que no se puede disponer del tiempo del total de las muestras ya que son personas con diversos horarios y compromisos.
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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes de la investigación Suárez P, Álvarez J. (2005) realizaron en la Universidad Nueva Esparta un trabajo de grado titulado: “Prototipo de amplificador de sonido para instrumentos musicales con entrada inalámbrica, XLR y RCA, además con afinador digital” para optar por el título de ingenieros electrónicos, este trabajo consistió en el diseño y la construcción de un sistema amplificador de sonido para señales inalámbricas, estaba compuesto por amplificadores operacionales usados comúnmente en el proceso de amplificación de radiofrecuencias. El aporte de esta investigación es de vital importancia debido a que brindó conocimientos de los distintos modos de amplificar el sonido que se transmite de un emisor a un receptor de manera inalámbrica. Quintero Carlos, Oramas Diego (2007), realizaron en la Universidad Nueva Esparta un trabajo de grado titulado: “Diseño y desarrollo de prototipo de un sistema de transmisión inalámbrica de señal de audio y video de computadora a equipo de video y a receptor de audio con control remoto sobre el programa Windows Media Player Integrado” para optar por el título de ingenieros electrónicos. Se realizó un prototipo de un sistema de transmisión inalámbrica de las señales de audio y video de la computadora a un receptor que puede ser conectado a un sistema de video o puede ser colocado en cualquier lugar dentro de un rango específico para tener acceso al audio de la computadora, al cual adicionalmente se provee con
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un control remoto que permite controlar ciertas funciones de un programa que utiliza las características del reproductor de Windows, Windows Media Player. Esta
investigación
proporcionó
información
precisa
sobre
la
comunicación inalámbrica de sistemas de audio ya que este trabajo utilizó el estudio de un patrón de comunicación inalámbrica. Escudero José Joaquín (2010), realizó en la Universidad Carlos III de Madrid un trabajo de grado titulado: “Optimización de energía y eficiencia de transmisión con análisis de imparcialidad en comunicaciones inalámbricas adaptativas” para optar por el título de Doctor en telecomunicaciones.
En este trabajo de tesis propusieron esquemas
adaptativos de comunicación inalámbrica para mejorar las técnicas existentes, y la optimización de le eficiencia de transmisión de una estación base. Contribuyendo así en el desarrollo de técnicas de transmisión en redes inalámbricas para aumentar su eficiencia en energía y tasa de transmisión. Esta investigación ayudó en la comprensión de los sistemas de comunicación inalámbrica, orientó en el diseño del sistema que más conviene utilizar para mejorar la calidad de transmisión. Morao Alberto, Villamizar Alfredo (2011) realizaron en la Universidad Nueva Esparta un trabajo de grado titulado: “Desarrollo de un sistema prototipo de comunicación multicanal de audio y video inalámbrico para uso doméstico” para optar por el título de ingenieros electrónicos, trabajo que consistió en el desarrollo de un sistema electrónico innovador, capaz de transmitir inalámbricamente, señales de audio y video de alta calidad, en un rango de distancia acorde al tamaño de una vivienda doméstica, permitiendo así, una cómoda instalación de los diferentes dispositivos electrónicos
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El aporte de este trabajo de grado es muy importante ya que permitió conocer la importancia de los filtros utilizados para mejorar la calidad del sonido transmitido de manera inalámbrica. 2.2 Bases teóricas 2.2.1 Amplificador Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores, como los mecánicos, neumáticos, e hidráulicos, como los gatos mecánicos y los boosters usados en los frenos de potencia de los automóviles. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general sonido. También podría ser luz o magnetismo, etc. En términos particulares, "amplificador", es un aparato al que se le conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen. En música, se usan de manera obligada en las guitarras eléctricas y en los bajos, pues esas no tienen caja de resonancia, la señal se obtiene porque las cuerdas, metálicas y ferrosas, vibran sobre una cápsula electromagnética, y esa señal no es audible, pero al conectarse en un amplificador se escucha con un sonido característico. Mediante su interfaz se le puede agregar distintos efectos, como trémolo, distorsiones o rever entre otros. Las radios y los televisores tienen un amplificador incorporado, que se maneja con la perilla o tele comando del volumen y permite que varíe la intensidad sonora. Según Boylestad, R y Nashelsky (2003), las características que se toman en cuenta cuando se utilizan amplificadores de gran señal o de potencia son la eficiencia de potencia del circuito, la máxima cantidad de potencia que
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puede manejar el circuito y el acoplamiento de impedancia con el dispositivo de salida. 2.2.2 Tipos de amplificador 2.2.2.1 Amplificador operacional Un amplificador operacional (comúnmente abreviado OPAM) mostrado en la Figura N°1, es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia), el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741. Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre. El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero. (Boylestad, R y Nashelsky, 2003). Figura N°1. Amplificador operacional ideal
Fuente: Franco, S (2005) 16
2.2.2.2 Amplificador de potencia Una de las funciones más importantes de un transistor es la de amplificar señales. Según Franco S, (2005), los reguladores de potencia más sencillos son lineales. Existen dos tipos de circuitos integrados (CI) aptos para esta función: los amplificadores lineales y los reguladores de tensión lineales. Los transistores bipolares de potencia se pueden emplear tanto en aplicaciones lineales como en conmutación, aunque son más lentos y sensibles al fenómeno de la segunda ruptura, el cual es el resultado de una distribución no uniforme de la corriente en la unión base-colector (polarizada inversamente durante conducción) del transistor de salida, provocando un aumento de la temperatura en aquella zona que puede destruir el dispositivo; y que es distinto de la ruptura primaria por avalancha. Como la ganancia de corriente de los BJT es pequeña, normalmente se los emplea en configuración Darlington. El montaje más típico del transistor bipolar como amplificador de potencia, es el de emisor común (EC). 2.2.2.2.1 Clases de amplificador de potencia 2.2.2.2.1.1 Amplificador clase A Son amplificadores que consumen corrientes continuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un
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rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Su uso es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión. En la figura N°2 se muestra la línea de carga de un amplificador clase A Figura N°2 Línea de carga característica del Amplificador Clase A
Fuente: Circuits Today. (En Línea) (2014) Franco S, (2005), señala que posee una corriente de polarización en relación con la máxima corriente de salida que pueden entregar. Los amplificadores de clase A consisten en un solo transistor de salida, conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del positivo al
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negativo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil. 2.2.2.2.1.2 Amplificador clase B Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Ésta es la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio. Como se muestra en la figura N°3 Figura N°3 Línea de carga característica del amplificador Clase B
Fuente: Circuits Today. (En Línea) (2014) Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización nula. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de cruce por cero, porque sucede en el punto que la
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señal de salida cruza por su nivel de cero voltios C.A. y se debe justamente a la falta de polarización, ya que en ausencia de esta, mientras la señal no supere el nivel de umbral de conducción de los transistores estos no conducen. 2.2.2.2.1.3 Amplificador clase C Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se sitúa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga. Mostrado en la figura N°4. Figura N°4 Línea de carga característica del Amplificador Clase C
Fuente: Circuits Today. (En Línea) (2014) El amplificador clase "C" es exclusivo de "RF". Utiliza como "carga" un circuito tanque. La característica principal de este amplificador es que el
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elemento activo conduce menos de 180º, de una señal sinodal aplicada a su entrada. Es decir, que amplifica solo una porción de la señal. Su otra característica, no menos importante es la de su alto rendimiento en potencia. 2.2.2.2.1.4 Amplificador clase AB Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un amplificador clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B. Mostrado en la figura N°5 Figura N°5 Línea de carga característica del Amplificador Clase AB
Fuente: Circuits Today. (En Línea) (2014) Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una pequeña corriente de polarización fluyendo entre los
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terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al mínimo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción. 2.2.2.2.1.5 Amplificador clase D Se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento. Un interruptor binario ideal dejará pasar toda la corriente a través de él sin tensión a través de él cuando se encuentre encendido. Cuando apagado, toda la tensión se mantiene y no circulará corriente a través de él. Esto significa que no se perderá potencia a través del elemento de conmutación que realiza la amplificación. Esta señal conmutada puede ser generada de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Ésta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser superior al ancho de banda de la señal al menos 10 veces. Mostrado en la figura N°6
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Figura N°6 Diagrama de bloques del Amplificador Clase D
Fuente: Circuits Today. (En Línea) (2014)
Un amplificador de potencia de clase D típico consiste en un generador de forma de onda de diente de sierra, el comparador (basado en un amplificador operacional), circuito de conmutación, y un filtro de paso bajo. El generador de onda de diente de sierra genera una onda de alta frecuencia para el muestreo de la señal de audio de entrada. La frecuencia, por lo general se selecciona 10 veces la frecuencia máxima de interés en la señal de audio de entrada. Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95%, lo que reduce la superficie necesaria de los disipadores de calor, y por tanto el tamaño y peso general del circuito. Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de clase AB.
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Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten, y evitar así que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM. En la tabla N°1 se observa la comparación entre varios factores de los amplificadores de potencia. Tabla N°1 Comparación de valores en amplificadores. Amplificadores
A
B
C
AB
Ángulo de
360°
180°
90°
180° a
conducción
D 360°
360°
Eficiencia %
25 a 30
70 a 80
Más80%
30 a 70
95%
Distorsión
No
Pto.cruce
Alto
Poco
Poco
Fuente: El autor 2.2.3 Filtros Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. 2.2.4 Tipos de filtros Pueden clasificarse de diferentes maneras. Un filtro analógico es un filtro usado para procesar señales continuas en el tiempo, mientras que un filtro digital es usado para procesar señales discretas en el tiempo. También pueden ser clasificados según su función a realizar.
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2.2.4.1 Filtro paso bajo Malvino (2000) indica que “este tipo de filtro deja pasar todas las frecuencias desde hasta la frecuencia de corte y bloquea todas las frecuencias por encima de la misma”. El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, también denominada cuadripolar o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. Mostrado en la figura N°7 Figura N°7 Red de dos puertos general
Fuente: Microelectronics. (5ta Edición) Sedra, A. Smith,K. Oxford University Press (2014) Un filtro ideal de paso bajo elimina completamente todas las frecuencias superiores a la frecuencia de corte al pasar por debajo de los cambios; su respuesta de frecuencia es una función rectangular. La región de transición presente en filtros prácticos no existe en un filtro ideal. Mostrado figura N°8 Figura N°8 Filtro RC pasa bajo simple de 1er orden
Fuente: Google Images (En Línea) (2014)
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Un filtro ideal, puede ser realizado matemáticamente (teóricamente) por la multiplicación de una señal por la función rectangular en el dominio de la frecuencia o la convolución con su respuesta al impulso, una función sinc, en el dominio del tiempo. Mostrado en la figura N°9 Figura N° 9 Función SINC normalizada
Fuente: DSP Related (En Línea) (2014)
La respuesta de frecuencia de un filtro se representa generalmente mediante un diagrama de Bode, y el filtro se caracteriza por su frecuencia de corte y la velocidad de atenuación progresiva de frecuencias. En todos los casos, a la frecuencia de corte, el filtro atenúa la potencia de entrada por la mitad o 3 dB. Así que el orden del filtro determina la cantidad de atenuación adicional para frecuencias superiores a la frecuencia de corte. Mostrado en la figura N°10.
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Figura N°10 Diagrama de Bode de la respuesta en Frecuencia de un Filtro Pasa Bajo de 1er Orden
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) En un filtro de primer orden se reduce la amplitud de la señal por la mitad (por lo que potencia reduce por un factor de 4), o 6 dB, cada vez que se duplica la frecuencia (sube una octava); la atenuación de potencia se aproxima a 20 dB por década en el límite de alta frecuencia. El diagrama de Bode de un filtro de primer orden se ve como una línea horizontal debajo de la frecuencia de corte, y una línea diagonal por encima de la frecuencia de corte. También hay una "curva de la rodilla" (Knee Curve) en el límite entre los dos, que pasa de manera ordenada entre las dos regiones de líneas rectas. Si la función de transferencia de un filtro de paso bajo de primer orden tiene un cero, el diagrama de Bode se aplana de nuevo, en algún máxima atenuación de altas frecuencias.
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Fórmula J Función de Transferencia de un Filtro Pasa Bajo de 1er Orden
Fuente: Filtered Audio Demo. Kamenetsky, M. (En Línea) (2014) Un filtro de segundo orden atenúa las frecuencias altas de forma más pronunciada. El diagrama de Bode para este tipo de filtro se asemeja a la de un filtro de primer orden, a excepción de que se cae más rápidamente. Por ejemplo, un filtro de Butterworth de segundo orden reduce la amplitud de la señal a un cuarto de su nivel original cada vez que se duplica la frecuencia (por lo que las disminuciones potencia de 12 dB por octava, o 40 dB por década). Como se muestra en la figura N°11 con respecto al filtro paso bajo de segundo orden. Figura N°11 Diagrama de Bode de la respuesta en Frecuencia de un Filtro Pasa Bajo de 2do Orden
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014)
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Otros filtros de todos los polos de segundo orden pueden rodar fuera a diferentes velocidades inicialmente en función de su factor Q, pero acercarse a la misma tasa final de 12 dB por octava; Al igual que con los filtros de primer orden, los ceros en la función de transferencia pueden cambiar la asíntota de alta frecuencia. Fórmula K Ecuación general de la función de transferencia para filtros de segundo orden.
Fuente: Portland University. McNames, J. (En Línea) (2014)
2.2.4.2 Filtro paso alto Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación. Este tipo de filtro, es exactamente lo opuesto al filtro de paso bajo, ahora los dos componentes se han intercambiado con la señal de salida (Vout) está tomada desde el otro lado de la resistencia. Mostrado en la figura N°12
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Figura N°12 Circuito básico de un Filtro Pasivo Paso Alto
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) Ya que el filtro paso bajo sólo permite que las señales pasen por debajo de su punto de frecuencia de corte, ƒc, el circuito de filtro de paso alto pasivo, sólo permite el paso de señales por encima del punto de corte seleccionado, ƒc eliminando cualquier señal de baja frecuencia de la forma de onda. Fórmula L Frecuencia de Corte
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) El diagrama de Bode de un filtro de paso alto es exactamente lo opuesto a la de un filtro de paso bajo. La señal se atenúa a bajas frecuencias con la salida aumenta a 20 dB /década (6dB/octava) hasta que la frecuencia alcanza el punto de corte (ƒc) donde R=Xc. Tiene una curva de respuesta que se extiende hacia abajo desde el infinito hasta la frecuencia de corte. El ángulo de fase (Φ) de la señal de salida es igual a 45° en ƒc frecuencia de corte. La curva de respuesta de frecuencia de un filtro de paso alto implica que el filtro puede pasar todas las señales hasta el infinito. Sin
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embargo, en la práctica, la respuesta del filtro de paso alto no se extiende hasta el infinito, pero está limitada por las características eléctricas de los componentes utilizados. El punto de frecuencia de corte para un filtro de paso alto de primer orden se puede encontrar usando la misma ecuación que la del filtro de paso bajo, pero la ecuación para el desplazamiento de fase se modifica ligeramente para tener en cuenta el ángulo de fase positivo como se muestra a continuación. En la figura N°13 se muestra el diagrama de bode de un filtro paso alto de 1er orden. Figura N°13 Diagrama de Bode de un filtro paso alto de 1er Orden
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014)
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Con filtros de paso bajo, etapas de filtro de paso alto se pueden conectar en cascada para formar un filtro de segundo orden (bipolar). Dos filtros de paso alto de primer orden conectados en cascada o en conjunto, forman un segundo orden o de la red de filtro de dos polos. Un filtro de paso alto de primer orden se puede convertir en un tipo de segundo orden por el simple uso de una red RC adicional, el mismo que para el filtro de paso bajo de 2 º orden. El circuito de filtro de paso alto de segundo orden resultante tendrá una pendiente de -40dB/decade (-12dB/octave). Como se muestra en la figura N°14 Figura N°14 Diagrama de Bode de un filtro paso alto de 2do Orden
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) 2.2.4.3 Filtro pasa banda Un filtro paso banda (BPF) es un tipo de filtro electrónico que deja pasar un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto. Un uso simple para este tipo de filtros pasivos es en aplicaciones de amplificadores de audio o circuitos, como en los filtros de crossover de los
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altavoces o los controles de tono pre-amplificador. A veces es necesario pasar sólo un cierto rango de frecuencias que no comienzan en 0 Hz, (DC) o de fin en algún punto de la frecuencia alta, pero se encuentran dentro de unas determinadas bandas de frecuencias, pequeñas o grandes. Al conectar en cascada un solo circuito de filtro de paso bajo con un circuito de filtro de paso alto, podemos producir otro tipo de filtro RC pasivo que pasa a un rango seleccionado o "banda" de frecuencias que pueden ser pequeños o grandes, mientras que la atenuación de todos los que están fuera de este rango. Como se muestra en la figura N°15 Figura N°15 Circuito básico de un filtro pasa banda pasivo.
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) Para un filtro de paso bajo esta pasa banda se inicia desde 0 Hz ó DC y continúa hasta el punto de la frecuencia especificada de corte a -3 dB por debajo de la ganancia máxima de pasa banda. Igualmente, para un filtro de paso alto, pasa banda se inicia desde esta-3dB frecuencia de corte y continúa hasta el infinito o hasta la máxima ganancia en lazo abierto para un filtro activo. En cambio, un filtro activo pasa banda es ligeramente diferente ya que hace uso del circuito de un filtro selectivo de frecuencias para separar una
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señal de una frecuencia particular, o una serie de señales que se encuentran dentro de una cierta "banda" de frecuencias de las señales. Esta banda o rango de frecuencias se establece entre dos puntos de corte o frecuencia esquina etiqueta la "frecuencia inferior" (ƒL) y el "mayor frecuencia" (ƒH) mientras que atenúa las señales fuera de estos dos puntos. Como se muestra en la figura N°16 Figura N°16 Definición de un filtro pasa banda.
Fuente: National Instruments. (En Línea) (2014) El Filtro pasa banda ideal también se puede utilizar para aislar o filtrar ciertas frecuencias que se encuentran dentro de una banda particular de frecuencias, por ejemplo, de cancelación de ruido. Son conocidos generalmente como filtros de segundo orden, (bipolares) porque tienen dos componentes reactivos dentro de su diseño de circuitos. Un condensador en el circuito de paso bajo y otro condensador en el circuito de paso alto.
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Un filtro de paso de banda activo, puede ensamblar haciendo uso de amplificador operacional inversor. Así por la reordenación de las posiciones de las resistencias y condensadores de filtro dentro de la que podemos producir un mucho mejor circuito de filtro como se muestra a continuación. Para un filtro de paso de banda activa, el punto de corte de -3 dB inferior viene dado por ƒC2 mientras que el punto de corte de -3 dB superior está dada por ƒC1. Como se muestra en la figura N°17 Figura N°17 Diagrama de bode de un filtro pasa banda de 2do orden
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) La "resonancia" o "Centro de Frecuencia" (ƒr) es el punto de filtro pasa banda, donde la ganancia de salida está en su valor máximo o de pico. Este valor máximo no es la media aritmética de los puntos de corte superior e inferior-3dB como se podría esperar, pero es, de hecho, el valor "geométrico" o promedio.
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Fórmula M Ecuación general de la Frecuencia Resonante
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014) El ancho total del paso de banda real entre los puntos superior e inferior de la esquina-3dB del filtro determina el factor de calidad o Q-punto del circuito. Este factor Q es una medida selectiva del filtro hacia una propagación dada de frecuencias. Cuanto menor sea el valor del factor Q de la más amplia es el ancho de banda del filtro y por lo tanto cuanto mayor sea el factor Q más estrecho y más "selectivo" es el filtro. Mostrado en la figura N°18 Figura N°18 Relación entre el punto “Q”, la frecuencia resonante y el ancho de banda.
Fuente: Electronics Tutorials. (En Línea) (2014)
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2.2.4.4 Filtro rechaza banda El filtro suprime banda, también conocido como filtro elimina banda, filtro notch, filtro trampa o filtro de rechazo de banda que es un filtro electrónico que no permite el paso de señales cuyas frecuencias se encuentran comprendidas entre las frecuencias de corte superior e inferior. Como se muestra en la figura N°19 Figura N°19 Diagrama de bloques de un filtro rechaza banda
Fuente: All about circuits. (En Línea) (2014) Pueden implementarse de diversas formas. Una de ellas consiste en dos filtros, uno paso bajo cuya frecuencia de corte sea la inferior del filtro elimina banda y otro paso alto cuya frecuencia de corte sea la superior del filtro elimina banda. Como ambos son sistemas lineales e invariantes, la respuesta en frecuencia de un filtro banda eliminada se puede obtener como la suma de la respuesta paso bajo y la respuesta paso alto (hay que tener en cuenta que ambas respuestas no deben estar solapadas para que el filtro elimine la banda que interesa suprimir), ello se implementará mediante un sumador analógico, hecho habitualmente con un amplificador operacional.
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En la figura N°20 se muestra la implementación sencilla de un filtro rechaza banda Figura N°20 Implementación sencilla de un filtro rechaza banda
Fuente: All about circuits. (En Línea) (2014) Otra forma más sencilla, si bien presenta una respuesta en frecuencia menos selectiva, sería la de colocar lo que se conoce como «circuito trampa». En efecto, si unimos los dos bornes (la considerada activo y la considerada masa) con un dipolo resonante LC serie o paralelo, la respuesta global sería la de un filtro elimina banda (el mínimo de la respuesta estaría en la frecuencia de resonancia del dipolo resonante) Mostrado en la figura N°21 Figura N°21 Diagrama de bode de un filtro rechaza banda tipo “Twin T”
Fuente: All about circuits. (En Línea) (2014) 38
2.2.5 Modulación Morao (2011) define la modulación como “el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal”. Estas técnicas permiten una mejor adaptación del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. Según la American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso, o el resultado del proceso, de variar una característica de una portadora de acuerdo con una señal que transporta información. El propósito de la modulación es sobreponer señales en las ondas portadoras. La modulación implica dos formas de onda: una señal de modulación que representa el mensaje, y una onda portadora que se adapte a la aplicación particular. Un modulador altera sistemáticamente la onda portadora en correspondencia con las variaciones de la señal de modulación. La onda modulada resultante de ese modo "lleva" la información del mensaje. Generalmente, se requiere que la modulación puede ser una operación reversible, por lo que el mensaje puede ser recuperado por el proceso complementario de demodulación. 2.2.6 Tipos de modulación 2.2.6.1 Modulación analógica La modulación analógica se realiza a partir de señales analógicas de información, por ejemplo la voz humana, audio y video en su forma eléctrica.
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2.2.6.1.1 AM (Modulación por amplitud) Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud como se muestra en la figura N°22 Figura N°22 Modulación AM
Fuente: Answers (En Línea) (2014) En otras palabras, la modulación de amplitud (AM) es un tipo de modulación lineal que consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.
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2.2.6.1.2 FM (Modulación por frecuencia) Malvino (2000) indica que la modulación por frecuencia (FM) “es el proceso de codificar información, la cual puede estar tanto en forma digital como analógica, en una onda portadora mediante la variación de su frecuencia instantánea de acuerdo con la señal de entrada”. Mostrado en la figura N°23 Figura N°23 Modulación FM
Fuente: Your Dictionary (En Línea) (2014) En este caso la señal modulada mantendrá fija su amplitud y el parámetro de la señal portadora que variará es la frecuencia, y lo hace de acuerdo a como varíe la amplitud de la señal moduladora. 2.2.6.1.3 PM (Modulación por fase) Este también es un caso de modulación donde las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas y es un tipo de 41
modulación exponencial al igual que la modulación de frecuencia. En este caso el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo a señal moduladora es la fase. La modulación de fase (PM) no es muy utilizada principalmente porque se requiere de equipos de recepción más complejos que en FM y puede presentar problemas de ambigüedad para determinar por ejemplo si una señal tiene una fase de 0º o 180º. Mostrado en la figura N°24 Figura N°24 Modulación PM
Fuente: Data Communications (En Línea) (2014) 2.2.6.2 Modulación Digital Se lleva a cabo a partir de señales generadas por fuentes digitales, por ejemplo una computadora. Mostrado en la figura N°25
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Figura N°25 Modulación ASK y FSK
Fuente: My Best Notes, Electronics. (En Línea) (2014) 2.2.6.2.1 ASK (Modulación por desplazamiento de amplitud) La modulación por desplazamiento de amplitud, en inglés Amplitudeshift keying (ASK), es una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales como variaciones de amplitud de la onda portadora en función de los datos a enviar.
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La amplitud de una señal portadora análoga varía conforme a la corriente de bit (modulando la señal), manteniendo la frecuencia y la fase constante. El nivel de amplitud puede ser usado para representar los valores binarios 0s y 1s. Podemos pensar en la señal portadora como un interruptor ON/OFF. En la señal modulada, el valor lógico 0 es representado por la ausencia de una portadora, así que da ON/OFF la operación de pulsación y de ahí el nombre dado. Como la modulación AM, ASK es también lineal y sensible al ruido atmosférico, distorsiones, condiciones de propagación en rutas diferentes en la PSTN, entre otros factores. Esto requiere una amplitud de banda excesiva y es por lo tanto un gasto de energía. Tanto los procesos de modulación ASK como los procesos de demodulación son relativamente baratos. La técnica ASK también es usada comúnmente para transmitir datos digitales sobre la fibra óptica. Para los transmisores LED, el valor binario 1 es representado por un pulso corto de luz y el valor binario 0 por la ausencia de luz. Los transmisores de láser normalmente tienen una corriente "de tendencia" fija que hace que el dispositivo emita un nivel bajo de luz. Este nivel bajo representa el valor 0, mientras una onda luminosa de amplitud más alta representa el valor binario. 2.2.6.2.2 FSK (Modulación por desplazamiento de frecuencia) La Modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK, (Frequency Shift Keying) es una técnica de transmisión digital de información binaria (ceros y unos) utilizando dos frecuencias diferentes. La señal moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde un cero representa un "1" o "marca" y el otro representa el "0" o "espacio".
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En la modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del modulador se le llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo (bps). A la relación de cambio a la salida del modulador se le llama baud-rate. En esencia el baud-rate es la velocidad o cantidad de símbolos por segundo. En FSK, el bit rate = baud rate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2. 2.2.6.2.3 PSK (Modulación por desplazamiento de fase) La modulación por desplazamiento de fase o PSK (Phase Shift Keying) es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado.
La modulación PSK se caracteriza porque la fase de la señal portadora representa cada símbolo de información de la señal moduladora, con un valor angular que el modulador elige entre un conjunto discreto de "n" valores posibles. Mostrado en la figura N°26
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Figura N°26 Modulación PSK
Fuente: Technology UK. (En Línea) (2014) Un modulador PSK representa directamente la información mediante el valor absoluto de la fase de la señal modulada, valor que el demodulador obtiene al comparar la fase de esta con la fase de la portadora sin modular. 2.2.7 Relación señal a ruido La relación señal/ruido se define como el margen que hay entre la potencia de la señal que se transmite y la potencia del ruido que la corrompe. Este margen es medido en decibelios. Rango dinámico y relación señal/ruido para referirse a este margen que hay entre el ruido de fondo y nivel de
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referencia, pueden utilizarse como sinónimos. No ocurre lo mismo, cuando el rango dinámico indica la distancia entre el nivel de pico y el ruido de fondo. Fórmula N Ecuación general señal a ruido
Fuente: Radio Electronics. (En Línea) (2014) Que en las especificaciones técnicas de un equipo, aparezca la relación señal/ruido indicada en dB, no significa nada si no va acompañado por los puntos de referencia utilizado y las ponderaciones. Para indicar correctamente el margen dinámico, la medida en dB debe ir acompañada por:
La curva de ponderación.
El nivel de referencia.
Evidentemente, para poder comparar equipos en lo que se refiere a su respuesta en frecuencia, los equipos deben haber medido esta relación señal/ruido utilizando la misma curva de ponderación y nivel de referencia. Mostrado en la figura N°27 Figura N°27 Nivel de sonido al nivel del oyente comparado con el ruido de fondo del ambiente.
Fuente: Acoustical Surfaces. (En Línea) (2014)
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2.2.8 Distorsión Se entiende por distorsión la diferencia entre la señal que entra a un equipo o sistema y la señal que sale del mismo. Por tanto, puede definirse como la "deformación" que sufre una señal tras su paso por un sistema. La distorsión puede ser lineal o no lineal. Si la distorsión se da en un sistema óptico recibe el nombre de aberración. Sucede cuando en presencia de dos o más tonos sinodales en la entrada se obtienen, a la salida, los tonos originales más otros tonos que resultan de la suma y la diferencia de sus frecuencias. Este efecto ocurre cuando las señales originales están en diferentes partes de la curva de transferencia del elemento amplificador, generalmente por ser de diferentes amplitudes. Un tono cae en una parte más lineal y el otro en una parte no lineal de la curva de transferencia. Dicho resultado, es aprovechado en los receptores superheterodinos, en los que se sintoniza la frecuencia diferencia entre la señal de radio sintonizada y el oscilador local Mostrado en la figura N°28 Figura N°28 Detección de distorsión en ruido.
Fuente: Mathworks. (En Línea) (2014)
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2.2.8.1 Distorsión debida a la realimentación Todo amplificador tiene un tiempo de tránsito, que es el tiempo que demora en salir la señal desde que entra al amplificador. Cuando se aplica realimentación negativa, una porción de la señal de salida se introduce en la entrada de manera que se reste con la señal original. Pero los amplificadores de tránsito instantáneo no existen. Siempre hay una demora y la señal que se resta ya no coincide con la que está entrando. En las pruebas con ondas sinodales puras esto no se aprecia demasiado, ya que la salida sigue siendo sinoidal; además, la señal de entrada no varía, es un tono fijo. Sin embargo, la música es altamente dinámica y su aspecto en un osciloscopio es más parecido al registro de un terremoto en un sismógrafo que a una senoide. En estos casos de señales de mucha complejidad y frentes abruptos, un retraso apreciable resulta en la introducción de más distorsión. En los equipos realizados con válvulas termoiónicas, la realimentación negativa rara vez es superior al 10% y las válvulas son elementos gobernados por tensión. Son de respuesta mucho más rápida que los elementos de estado sólido, que dependen de la circulación de una corriente. Por esta razón es que los amplificadores valvulares "suenan mejor", con una distorsión armónica total típica del 0,1%, que equipos transistorizados con distorsiones armónicas totales menores en dos órdenes de magnitud. Al no tener transformador de salida,
los
equipos
de
estado
sólido
pueden
soportar
mayores
realimentaciones. Con señales de prueba senoidales no se aprecia el fenómeno, pero con otro tipo de señales de prueba como, por ejemplo, una onda cuadrada modulada en amplitud con una onda senoidal, se observa el "borrado" de parte 49
de la modulación o sobre impulsos. Mayores niveles de realimentación negativa
y
retrasos
considerables
hacen
la
diferencia
de
sonido;
especialmente en la música de cámara con cuerdas. Es posible lograr alguna mejora si los transistores de salida tienen mayor respuesta de frecuencias que los transistores amplificadores de tensión y usando fuentes separadas para las etapas de amplificación de tensión y de potencia. Con la utilización de fuentes diferentes se elimina la realimentación positiva que se usa para que el amplificador no recorte disimétricamente ("bootstrapping"). Esta distorsión que aparece con más intensidad en los amplificadores de estado sólido es debida al pobre ancho de banda en lazo abierto de la mayoría de estos equipos, cuya responsabilidad mayor recae en los transistores de salida. Se suele llamar "distorsión por intermodulación transitoria" (TIM: transient intermodulation distortion) o, también, "distorsión de slew rate" o "distorsión de intermodulación dinámica. Mostrado en la figura N°29 Figura N°29 Espectro de distorsión versus realimentación
Fuente: Pass Laboratories. (En Línea) (2014)
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2.2.9 Audio Digital Politustic (2014) dice que es la tecnología utilizada para registrar, almacenar, generar, manipular y reproducir el sonido utilizando señales de audio codificadas en forma digital. A raíz de los avances significativos en la tecnología de audio digital durante la década de 1970, que reemplazó rápidamente la tecnología de audio analógico en la mayoría de las áreas de producción de sonido, la ingeniería de sonido y telecomunicaciones. Las perturbaciones en un sistema digital no dan lugar a error a menos que la perturbación es tan grande como para dar lugar a un símbolo de ser mal interpretada como otra señal o alterar la secuencia de símbolos. Por lo tanto, en general es posible tener un sistema completamente libre de errores de audio digital en el que se introduce ningún ruido o distorsión entre la conversión a formato digital, y la conversión a señales analógicas. Una señal de audio digital puede ser codificada para la corrección de los errores que podrían ocurrir en el almacenamiento o la transmisión de la señal, pero esto no es estrictamente parte del proceso de audio digital. Mostrado en la figura N°30 Figura N°30 Comparación entre la onda de audio analógica y la onda de audio digital.
Fuente: Politusic. (En Línea) (2014)
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Un micrófono convierte el sonido en una señal eléctrica analógica, a continuación, un convertidor de analógico-digital (ADC) típicamente usando modulación por impulsos codificados-convierte la señal analógica en una señal digital. Un convertidor de digital a analógico realiza el proceso inverso, la conversión de una señal digital en una señal analógica, circuitos analógicos que amplifican y envían a un altavoz. Mostrado en la figura N°31 Figura N°31 Velocidad de Muestreo
Fuente: Hydrogen Audio. (En Línea) (2014) Los
sistemas
almacenamiento,
de
audio
procesamiento
digitales y
pueden
componentes
incluir de
compresión,
transmisión.
La
conversión a un formato digital permite la manipulación conveniente, el almacenamiento, la transmisión y la recuperación de una señal de audio. 2.2.10 Conversor Analógico Digital Un convertidor analógico-digital (ADC) es un componente electrónico ampliamente utilizado que convierte una señal eléctrica analógica (por lo general una tensión) en una representación digital. Los ADCs están en el frontend de cualquier circuito digital que necesita para procesar las señales que vienen del mundo exterior. Su símbolo viene dado por la Figura 30. Mostrado en la figura N°32
52
Figura N°32 Símbolo esquemático de un ADC
Fuente: On my PhD. (En Línea) (2014) La conversión implica la cuantificación de la entrada, por lo que introduce necesariamente una pequeña cantidad de error. En lugar de hacer una sola conversión, un ADC con frecuencia realiza las conversiones de forma periódica. El resultado es una secuencia de valores digitales que se han convertido de una señal analógica en tiempo continuo y continuo de amplitud a un tiempo discreto y la señal digital de amplitud discreta. Un ADC se define por su ancho de banda (El rango de frecuencias que puede medir) y su relación señal-ruido. El ancho de banda real de un ADC se caracteriza principalmente por su velocidad de muestreo, y en menor medida por la forma en que controla los errores tales como aliasing. El rango dinámico de un ADC está influenciada por muchos factores, incluyendo la resolución, linealidad y precisión (qué tan bien los niveles de cuantificación coinciden con la señal analógica true) y jitter (pequeños errores de tiempo que introducir ruido adicional). El rango dinámico de un ADC a menudo se resume en términos de su número efectivo de bits (ENOB), el número de bits de cada medida que vuelve, que no son ruido. Un ADC ideal tiene un ENOB igual a su resolución. ADC son elegidos para coincidir con el ancho de banda y la señal requerida a ruido de la señal a cuantificar. Si un ADC funciona a una velocidad de muestreo mayor que dos veces el ancho de banda de la señal, entonces la reconstrucción perfecta es posible dado un ADC ideal y descuidar error de cuantificación. Mostrado en la figura N°33
53
Figura N°33 Diagrama de bloques de la grabación de audio en un sistema digital.
Fuente: JISC, Digital Media. (En Línea) (2014) La presencia de error de cuantificación limita el rango dinámico de incluso un ADC ideal, sin embargo, si el rango dinámico del ADC supera a la de la señal de entrada, sus efectos pueden despreciarse resultante en una representación digital esencialmente perfecta de la señal de entrada. Mostrado en la figura N°34 Figura N°34 Muestreo en un conversor de 4 bits
Fuente: Planet of tunes. (En Línea) (2014) 54
2.2.11 Tipos de Conversor Analógico Digital
2.2.11.1 Conversor Analógico Digital Flash Un CAD Flash (también conocido como conversión directa ADC ) es un tipo de -digital convertidor de analógico que utiliza una lineales escala de tensión con un comparador en cada "peldaño" de la escala para comparar el voltaje de entrada a los voltajes de referencia sucesivos. A menudo estas escalas de referencia se construyen de muchas resistencias, sin embargo las implementaciones modernas muestran que la división de tensión capacitiva también es posible. La salida de estos comparadores en general se alimenta en un codificador digital que convierte las entradas en un valor binario (los resultados recogidos de los comparadores se puede considerar como un unario valor). Como se muestra en la figura N°35 Figura N°35 Conversor flash
Fuente: Planet of tunes. (En Línea) (2014)
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2.2.11.2 Conversor Analógico Digital Sigma Delta Las técnicas de modulación Sigma-Delta han sido usadas muy satisfactoriamente en las aplicaciones que requieren conversión análogo digital, en las últimas dos décadas. Aunque los conceptos de Sigma-Delta existen desde la mitad del siglo, solo con los recientes avances en tecnologías VLSI ha sido posible darle un manejo adecuado al flujo de bits generado por el ADC de 1 bit. Mostrado en la figura N°36 La operación básica de un convertidor Sigma-Delta es intercambiar tasa de muestreo por resolución. Las señales son muestreadas a una tasa mucho mayor que la de Nyquist, pero con un solo bit de resolución en amplitud. Figura N°36 Conversor Sigma Delta
Fuente: Planet of tunes. (En Línea) (2014)
2.2.11.3 Conversor Analógico Digital de rampa La lógica de control emplea un contador cuya salida sirve de entrada a un DAC (Digital-to-Analog Converter) hasta que la salida del DAC es más grande que VIN. Este es un método muy lento, y tiene el peor tiempo de conversión,
2N
ciclos
d
reloj
para
un
ADC
de
N
bits.
ADC de rampa digital ascendente / descendente (ADC de seguimiento): El convertidor ADC de rampa digital es relativamente lento debido a que el
56
contador tiene que volver a ponerse en cero al inicio de cada conversión. Utiliza un contador ascendente / descendente para reducir este tiempo desperdiciado, el contador reemplaza al contador ascendente que proporciona las entradas al DAC. Mostrado en la figura N°37 Figura N°37 Conversor tipo rampa
Fuente: Planet of tunes. (En Línea) (2014)
2.2.11.4 Conversor Analógico Digital por aproximación sucesiva Este tipo de convertidor es el más utilizado cuando se requieren velocidades de conversión entre medias y altas del orden de algunos microsegundos a décimas de microsegundos. El proceso de conversión para este tipo de convertidores se basa en la realización de comparaciones sucesivas de manera descendente o ascendente, hasta que se encuentra la combinación que iguala la tensión entregada
por
el
Digital/Analógico
y
la
de
entrada.
Como el arranque parte siempre de cero, el registro de aproximaciones sucesivas, comienza poniendo a 1 el bit de más peso (MSB), quedando el
57
resto a cero, o sea, forma el valor 100 (para este ejemplo se utilizarán sólo tres bits), que corresponde a la mitad de la máxima excursión de la tensión de entrad. Este valor es transformado a señal analógica, que a su vez se introduce en el comparador. Mostrado en la figura N°38 Figura N°38 Conversor aproximación sucesiva
Fuente: Planet of tunes. (En Línea) (2014)
2.2.12 Micrófono Un micrófono es un transductor o un sensor acústico-a-eléctrico que convierte el sonido en el aire en una señal eléctrica. Los micrófonos se utilizan en muchos usos tales como teléfonos, grabadoras, sistemas de karaoke, audífonos, la producción cinematográfica, la ingeniería de sonido en directo y grabados, radios de FRS, megáfonos, en las emisiones de radio y televisión y en los ordenadores para la voz, reconocimiento de voz, VoIP, y con fines no acústicos como la comprobación de ultrasonidos o sensores de detonación.
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La mayoría de los micrófonos utilizan hoy la inducción electromagnética (micrófono dinámico), el cambio de capacitancia (micrófono de condensador) o la generación piezoeléctrica para producir una señal eléctrica a partir de las variaciones de presión de aire. Micrófonos necesitan típicamente ser conectado a un preamplificador antes de la señal puede ser amplificada con un amplificador de potencia de audio o registrados. Mostrado en la figura N°39 Figura N°39 Micrófono de condensador AKG C214
Fuente: Google Images. (En línea) (2014) 2.2.12.1 Micrófono electret El llamado micrófono de condensador electret o, simplemente, electret, es una variante del micrófono de condensador que utiliza un electrodo (fluorocarbonato o policarbonato de fluor) lamina de plástico que al estar polarizado no necesita alimentación. Que las placas estén polarizadas significa que están cargadas permanentemente desde su fabricación (se polarizan una sola vez y pueden durar muchos años).
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La carga electrostática se induce en la placa móvil (diafragma) durante el proceso de fabricación, cuando la misma se somete a una temperatura de 220 grados, al tiempo que se le aplicaban 4.000 voltios. La existencia de esta carga electrostática hace que para alimentar las placas ya no sean necesarias ni pilas ni alimentación phantom para su funcionamiento, sin embargo, sí que se requiere esta alimentación para proporcionar energía al preamplificador. Como el diafragma pesa menos (tiene menor masa), la respuesta en frecuencia del micrófono electret está más cerca de la respuesta que proporciona un micrófono de bobina móvil, que de la que ofrece un micro de condensador convencional. Lo habitual es utilizar una pila de 1.5 V, aunque se puede usar la alimentación phantom, no es conveniente, pues si se sobrealimenta constantemente al micro, se acortará su vida útil. En cuanto a su directividad, pueden ser omnidireccionales o direccionales. Los micrófonos electret son robustos, por lo que soportan la manipulación, y además tienen como gran ventaja su reducido tamaño, por lo que el micro electret se usa en las siguientes aplicaciones:
Como micro de corbata, solapa. La mayoría de micrófonos de solapa usados en televisión son del tipo electret. Más aún, cuando su fabricación en masa, permite que su coste sea económico.
Como micro de las pequeñas grabadoras portátiles que usan los profesionales en exteriores (para obtener declaraciones para radio, etc.).
Como micrófonos para ser pegados a instrumentos específicos, de percusión, metales, pianos acústicos, cuerdas, etc.
Como micrófonos de los celulares (teléfonos móviles).
Para equipos domésticos de alta fidelidad.
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Los micrófonos electret tienen una respuesta en frecuencia bastante buena (50 a 15.000 Hz) y una sensibilidad entre -50 dB y -70 dB, aunque lejana de la de los micrófonos de condensador, que son mucho más sensibles en la zona de los agudos). Además, es una respuesta poco plana. Mostrado figura N°40 Figura N°40 Micrófono electret
Fuente: Google Images. (En línea) (2014)
2.2.13 Módulos Arduino Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de
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programación Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado en la placa. Desde octubre de 2012, Arduino se usa también con microcontroladoras CortexM3 de ARM de 32 bits, que coexistirán con las más limitadas, pero también económicas AVR de 8 bits. ARM y AVR no son plataformas compatibles a nivel binario, pero se pueden programar con el mismo IDE de Arduino y hacerse programas que compilen sin cambios en las dos plataformas. Eso sí, las microcontroladoras CortexM3 usan 3,3V, a diferencia de la mayoría de las placas con AVR que generalmente usan 5V. Sin embargo ya anteriormente se lanzaron placas Arduino con Atmel AVR a 3,3V como la Arduino Fio y existen compatibles de Arduino Nano y Pro como Meduino en que se puede conmutar el voltaje. Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software tal como Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data). Las placas se pueden montar a mano o adquirirse. El entorno de desarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente. Arduino puede tomar información del entorno a través de sus entradas analógicas y digitales, puede controlar luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing). Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un computador.
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2.2.13.1 Aplicaciones comunes con Arduino El módulo Arduino ha sido usado como base en diversas aplicaciones electrónicas:
Xoscillo: Osciloscopio de código abierto.
Equipo científico para investigaciones.
Arduinome: Un dispositivo controlador MIDI.
OBDuino: un económetro que usa una interfaz de diagnóstico a bordo que se halla en los automóviles modernos.
Humane Reader: dispositivo electrónico de bajo coste con salida de señal de TV que puede manejar una biblioteca de 5000 títulos en una tarjeta microSD.
The Humane PC: equipo que usa un módulo Arduino para emular un computador personal, con un monitor de televisión y un teclado para computadora.
Ardupilot: software y hardware de aeronaves no tripuladas.
ArduinoPhone: un teléfono móvil construido sobre un módulo Arduino.
En la figura N°41 se puede apreciar los distintos tipos de módulos arduinos existentes en el mercado, ya que su elección dependerá de las necesidades específicas de cada proyecto.
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Figura N°41 Módulos Arduino
Fuente: Google Images. (En línea) (2014)
2.2.14 Baile Flamenco El flamenco es una forma de danza y música popular española de la región de Andalucía, en el sur de España. Incluye cante (canto), toque (la guitarra), baile (danza) y palmas. Fue mencionado por primera vez en la literatura en 1774, el género surgió de estilos andaluz y Romani de música y danza. Frecuentemente es asociado con las personas de etnia romaní de España (Gitanos) y un número de artistas flamencos famosos son de este grupo étnico. A pesar de ser registrado por primera vez en el siglo 18, el género experimentó un desarrollo espectacular en el siglo 19. Mostrado en la figura N°42
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Figura N°42 Bailadores de Flamenco
Fuente: Concordia College AreaVoices. (En Línea) (2014) El flamenco se compone de cuatro elementos: Cante por voz, BaileDance, Toque-guitarra y el Jaleo, y consiste en las palmas, zapateo, y gritos de aliento. El jaleo, que se realiza por parte del público, así como a la artista y cualquier otra persona que siente la necesidad de participar. Los aplausos o Palmas es un arte en sí mismo, los palmeros se tejen ritmos intrincados alrededor de las bases de la canción, y en los tablaos este se utiliza en conjunción con el zapateado. El zapateado es el estilo de la danza de golpecito de trabajo de pies, los bailarines muestran pieza donde demostrará su habilidad con sus pies, y el ruido creado por éste y los palmeros sonarán en sus oídos mucho después de haber dejado el tablao. La adición de la guitarra es un misterio ya que la fecha exacta no se conoce, pero poco a poco la guitarra ha sido presentada como un instrumento de acompañamiento para el flamenco. Mostrado en la figura N°43
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Figura N°43 Paco de Lucía (21/12/1947 – 25/02/2014) uno de los guitarristas de flamenco español de mayor éxito.
Fuente: CNN. (En Línea) (2014) El flamenco no trata sólo de un estilo de música, es una cultura que tiene muchas influencias diferentes, pero sigue siendo único. Sus intérpretes siguen una antigua tradición que se ha transmitido a los mismos desde los antepasados que no eran artistas, y muchos no tenían intenciones de llegar a ser nunca una. Para estas personas el flamenco era sólo una parte de la vida cotidiana, y en la mayoría de los casos sólo se llevó a cabo en el entorno de sus propios hogares.
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2.3 Bases Legales El presente proyecto de investigación, de acuerdo con las leyes de Comisión Nacional de Telecomunicaciones de la República Bolivariana de Venezuela “CONATEL”, está incluido dentro de los denominados equipos de de uso libre establecido en el Capítulo I, Artículo 2, n°19 en donde se define micrófono inalámbrico, el cual será usado en el desarrollo del siguiente proyecto. A continuación, se cita la definición establecida en dicha providencia:
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA VICEPRESIDENCIA DE LA REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA COMISIÓN NACIONAL DE TELECOMUNICACIONES PROVIDENCIA ADMINISTRATIVA CONTENTIVA DE LAS CONDICIONES PARA LA CALIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE USO LIBRE CAPÍTULO I DISPOSICIONES GENERALES Artículo 2. Definiciones A los fines de la presente Providencia Administrativa, se establecen las siguientes definiciones: 19. Micrófono inalámbrico: sistema utilizado para la transmisión de sonidos a distancias cortas, compuesto por un transmisor y un receptor de señales de radio, diseñado para emitir la libertad de movimiento del usuario sin las restricciones impuestas por los medios físicos de la transmisión.
El dispositivo diseñado en este proyecto de investigación, posee un rango de frecuencia de operación entre 490 y 1705 MHz, el cual califica como equipo de uso libre de acuerdo a lo establecido en el Capítulo II, artículo 4 de la providencia administrativa de CONATEL. A continuación se cita dicho artículo.
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CAPÍTULO II DE LAS CONDICIONES PARA QUE UN EQUIPO SEA CALIFICADO COMO DE USO LIBRE Artículo 4. Calificación Todos aquellos equipos que reúnan alguna de las condiciones de operabilidad establecidas en el artículo 5 de la presente Providencia Administrativa, no calificados como de uso libre y, en consecuencia, para su instalación u operación no se requerirá la obtención de título alguno, salvo en los casos en que dichos equipos sean utilizados para la prestación de servicios de telecomunicaciones para los cuales se exija la obtención de una habilitación administrativa, de conformidad con la Ley Orgánica de Telecomunicaciones y demás normas aplicables. En todo caso, la utilización de equipos de uso libre no requerirá de la obtención de concesiones de uso y explotación del espectro radioeléctrico.
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2.4 Operacionalización de variables Tabla N°2 Operacionalización de variables Objetivos
Variable
Dimensiones
Diagnosticar la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado flamenco utilizado por profesionales del área
Necesidad de amplificar el sonido del calzado flamenco.
Investigar los distintos métodos actuales utilizados para amplificar y transmitir el sonido generado por el calzado
Métodos actuales de amplificar el sonido del calzado flamenco.
Sonido natural generado por el baile.
-Calidad de los sistemas actuales.
Indicadores
-Intensidad de sonido apreciado.
Fuentes
Técnicas e instrumentos de recolección -Observación
Investigación de campo
-cuestionario
-Armonía musical.
-Comparación de niveles de audio
-Costos
-Observación
-Complejidad de uso
Investigación de campo
-Eficiencia
-Comparación de costos -Entrevistas
-Hoja de datos Diseñar un diagrama circuital que contenga las etapas de amplificación y transmisión del sonido generado por el calzado flamenco.
Construir un prototipo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco con un ancho de banda específico.
Evaluar el funcionamiento del prototipo inalámbrico amplificador del sonido
Elaborar e implementar el dispositivo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco en su ejecución.
Diagrama circuital del dispositivo
-Diagrama en bloques -Esquema de funcionamiento
Estructura básica de conexión
-Investigación documental y de campo
-Multisim -Labview
-Laboratorios -Manuales
Etapas de construcción de un prototipo inalámbrico amplificador de sonido
Pruebas del Funcionamiento del prototipo
-Etapa de transmisión.
-Amplificador -Etapa de recepción.
-Gráficos de transmisión y recepción -Calidad de transmisión y sonido
Recursos Humanos. Implementación del Dispositivo inalámbrico amplificador
-Filtrado.
-Conversor ADC.DAC
-Ruido
-Protoboard
-Observación Investigación de campo
-interferencia
-Comparación de valores teóricos con reales
-Volumen Costos de talento humano
-Observación Investigación de campo
Costos componentes
Fuente: El autor
69
-Programas de simulación
-Hoja de datos
-Señal mínima detectable
Recursos administrativos Recursos técnicos
Investigación documental y de campo
-Análisis de frecuencia
2.5 Términos básicos
Antena: Una antena es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Baquelita: Es una lámina de plástico sintético donde se arman y conectan los componentes de un diseño electrónico. ( The World reference 2006)
Bobinas: Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.
(Diccionario de la lengua
española, 2005)
Buffer: un buffer amplificador es un dispositivo que acopla impedancias en un circuito. En su forma más sencilla es un complemento funcionando como seguidor. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Cables: Se llama cable a un conductor (generalmente cobre) o conjunto de ellos generalmente recubierto de un material aislante o protector, si bien también se usa el nombre de cable para transmisores de luz (cable de fibra óptica) o esfuerzo mecánico (cable mecánico). (Diccionario de la lengua española, 2005)
Capacitancia: En electromagnetismo y electrónica, la capacitancia o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. (Diccionario de la lengua española, 2005)
70
Condensador: Un condensador (en inglés, capacitor, nombre por el cual se le conoce frecuentemente en el ámbito de la electrónica y otras ramas de la física aplicada), es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Corriente CA: Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Corriente CC: La corriente continua o corriente directa (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Frecuencia: Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Impedancia: Es la oposición al paso de la corriente alterna. A diferencia de la resistencia, la impedancia incluye los efectos de acumulación y eliminación
de
carga
(capacitancia)
e/o
inducción
magnética
(inductancia). (Diccionario de la lengua española, 2005)
Inductancia: Es una medida de la oposición a un cambio de corriente de un inductor o bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Protoboard: El "protoboard","breadboard" (en inglés) o "placa board" es un tablero con orificios conectados eléctricamente entre sí, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado y
71
prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Radio Frecuencia: El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre unos 3 kHz y unos 300 GHz. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Resistencia: Se denomina resistor o bien resistencia al componente electrónico
diseñado
para
introducir
una
resistencia
eléctrica
determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico. (Diccionario de la lengua española, 2005)
Radiotransmisor: Un radiotransmisor es un dispositivo electrónico que, mediante una antena, irradia ondas electromagnéticas que contienen (o pueden contener) información, como ocurre en el caso de las señales de radio, televisión, telefonía móvil o cualquier otro tipo de radiocomunicación. Franco S, (2005).
Feedback: es una palabra inglesa que significa retroalimentación o dar respuesta a un determinado pedido o acontecimiento. Franco S, (2005).
BJT: El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Franco S, (2005).
72
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO 3.1 Tipo de investigación La investigación, de acuerdo con Sabino (2000), se define como “un esfuerzo que se emprende para resolver un problema, claro está, un problema de conocimiento” (p. 47). Por su lado Cervo y Bervian (1989) la definen como “una actividad encaminada a la solución de problemas. Su Objetivo consiste en hallar respuesta a preguntas mediante el empleo de procesos científicos” (p. 41). El diseño y la implementación de un dispositivo inalámbrico amplificador para el sonido del calzado flamenco, pretende resolver la problemática auditiva y estética de los bailaores profesionales al momento de ejecutar este arte, con miras de lograr un ajuste perfecto en la parte sonora del baile y un acople visual exacto para el público que disfruta del show, por lo cual reúne todas las características para denominarlo un proyecto factible. Según la UPEL (1998) define el proyecto factible como un estudio "que consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos sociales". La propuesta que lo define puede referirse a la formulación de políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos, que sólo tienen sentido en el ámbito de sus necesidades. Este proyecto de investigación se cataloga como proyecto factible ya que actualmente en el mercado existen los componentes para su elaboración y se ajusta a las necesidades de los ejecutantes profesionales de baile flamenco sin perjudicarlos.
73
3.2 Diseño de la investigación Según Sabino (2000) el objeto del diseño de la investigación es proporcionar un modelo de verificación que permita contrastar hechos con teorías, y su forma es la de una estrategia o plan general que determina las operaciones necesarias para hacerla. (p.91) El diseño de la investigación se refiere a la manera, como se dará respuesta a las interrogantes formuladas en la investigación. Por supuesto que estas maneras están relacionadas con la definición de estrategias a seguir en la búsqueda de soluciones al problema planteado. De tal manera que las estrategias que puede asumir un investigador son: a) Documental b) De campo
Según UPEL (2006) se entiende por Investigación Documental, el estudio de problemas con el propósito de ampliar y profundizar el conocimiento de su naturaleza, con apoyo, principalmente, en trabajos previos, información y datos divulgados por medios impresos, audiovisuales o electrónicos. La originalidad del estudio se refleja en el enfoque, criterios, conceptualizaciones, reflexiones, conclusiones, recomendaciones y, en general, en el pensamiento del autor.
Para realizar el presente proyecto de investigación de manera exitosa se tomará en cuenta el estudio de la documentación tecnológica existente en el mercado que contenga modelos amplificadores, modelos inalámbricos de transmisión de audio, las tablas de datos existentes de los componentes que 74
se usarán y toda la documentación recopilada de los autores mencionados en los antecedentes, con el objetivo de realizar un análisis completo y comparativo de lo investigado y lo que se logrará desarrollar en este trabajo de grado. Por esta razón esta investigación es de tipo documental.
Por otra parte la UPEL (2006) expresa que “La investigación de campo es aquella que consiste en la recolección de datos directamente de los sujetos investigados, o de la realidad donde ocurren los hechos (datos primarios), sin manipular o controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene la información pero no altera las condiciones existentes”.
En vista de que se deben diseñar circuitos amplificadores e inalámbricos, analizar el comportamiento de los mismos e implementar en el calzado flamenco el dispositivo que se va a construir, con el objetivo de construir el mismo, este proyecto de investigación también se caracteriza por ser de campo.
Debido a que el proyecto de investigación contiene ambos tipos de investigación se considera que la investigación es mixta. Según Hernández, R (2011) la investigación mixta representa un conjunto de procesos sistemáticos, empíricos y críticos de investigación que implican la recolección y el análisis de datos cuantitativos y cualitativos. Donde la investigación de campo se conforma como cuantitativa mientras que la investigación documental se conforma como cualitativa.
75
3.3 Población y muestra La población según Fidias A. (1998), “es el conjunto de personas, instituciones o cosas a las cuales se refiere la investigación y para las que serán validadas las conclusiones que se obtenga una vez finalizado el estudio”. Por otra parte Balestrini M. (2001) define como población a “cualquier conjunto de elementos de los que se quiere conocer o investigar alguna o algunas de sus características”
En términos generales, se puede expresar que la población es la totalidad del fenómeno a estudiar, donde las unidades de la población poseen una característica común, la cual es el objeto y da origen a los datos de la investigación. Actualmente el restaurant El Jaleo, donde se presenta la problemática planteada en esta investigación, han ejecutado el baile flamenco distintas compañías existentes en el área de Caracas con un total de 450 personas inscritas en las mismas y que se desarrollan a nivel académico en ellas, de las cuales se extrae un grupo de 150 bailaores profesionales promedio existentes que se tomarán como población para el desarrollo del dispositivo mencionado en el presente trabajo de investigación. Visto los resultados y debido a que la población antes mencionada se ha calculado a lo largo de 5 años, de esta suma de profesionales, se propondrá trabajar la investigación con un grupo de bailaores profesionales que han ejecutado el arte flamenco entre los meses de enero y marzo del 2014 en El Jaleo para un total de 30 personas exactas con el propósito de obtener los mejores resultados y lograr resolver la situación problemática en la sala rociera. 76
Navarro, L. (2009) documenta que una población finita es el conjunto de todos los elementos de objeto que puedan ser medidos con exactitud dentro de una investigación. Después de obtener acertadamente una población bien definida, se procede a la obtención de una muestra bastante significativa para el desarrollo de este trabajo de investigación, donde según Navarro, L (2009) la muestra es una parte de la población que debe reunir las mismas características de ésta para que sea representativa. Debido a que la población seleccionada está constituida por un proceso de selección específica según las características comunes entre los profesionales que la conforman y debido a que representan un total de 30 personas ubicadas actualmente en el área interna de la ciudad de CaracasVenezuela, se procederá a tomar como muestra el total de la población mencionada, ya que la cantidad es suficiente para determinar la necesidad documentada de esta investigación. 3.4 Técnica e instrumentación de recolección de datos. Según Falcón y Herrera (2005) se refieren al respecto que "se entiende como técnica, el procedimiento o forma particular de obtener datos o información". La aplicación de una técnica conduce a la obtención de información, la cual debe ser resguardada mediante un instrumento de recolección de datos. Por otra parte Arias, F. (1999) dice que las técnicas de recolección de datos son las distintas formas o maneras de obtener la información. Son ejemplos de técnicas; la observación directa, la encuesta en sus dos modalidades (entrevista o cuestionario), el análisis documental, análisis de contenido, etc. Debido a esto, se utilizará la encuesta como técnica de 77
recolección de datos, ya que permitirá fundamentar la necesidad y el interés de solventar una necesidad en el baile flamenco profesional.
Así mismo Arias F. (1999) define al cuestionario mixto como aquel cuestionario que combina preguntas abiertas y cerradas, debido a esto, se ha seleccionado como instrumento de recolección de datos el cuestionario mixto, ya que la muestra está constituida por profesionales de alto nivel de experiencia en el campo a investigar. Cuestionario presentado en el anexo A 3.5 Validez y confiabilidad de los instrumentos Según Hernández, Sampieri (2006). Define validez como “Grado en que un instrumento realmente mide la variable que pretende medir”. El tipo de instrumento elegido para dar apoyo al desarrollo de la presente investigación, fue chequeado por expertos en el área de electrónica, así como en el área de la metodología de investigación perteneciente a la Universidad Nueva Esparta. El instrumento de recolección de datos utilizado en el presente trabajo de investigación fue evaluado por un jurado calificado de profesores de la Universidad Nueva Esparta contenidos en la Tabla N° 3, que incluye a dos expertos en el área metodológica y un experto en el área técnica, dichos evaluadores realizaron una serie de correcciones y sugerencias pertinentes a su área de estudio para obtener el instrumento definitivo de recolección de datos.
78
Cada una de las validaciones con sus respectivas recomendaciones pueden observarse en los Anexos. Tabla N° 3 Validez de Instrumento de recolección de datos
Experto
Cedula
Universidad
Experiencia
Área
3.728.587
Nueva Esparta
15 Años
Metodológica
7.835.301
Nueva Esparta
10 años
Metodológica
10 años
Técnica
Lic. María Elena Sánchez Lic. Nelly Meléndez G. Ing. Erick Argüello
13.018.880
Prada
Nueva Esparta USB Fuente: El autor.
Según Hernández, Fernández y Baptista (2003), la confiabilidad al aplicarla a un mismo sujeto u objeto, produce semejantes resultados a través de técnicas diferentes. Por otra parte, Navarro (2009) hace mención al grado de congruencia con que se efectúa una medición. No es importante saber si lo que se mide es lo que se desea, por ser cuestión de validez, un instrumento puede ser confiable y carecer de validez. La confiabilidad del dispositivo se deberá establecer luego de ser implementado en el calzado flamenco y realizar las diferentes pruebas pertinentes sobre el mismo, utilizando variedad de tablas, calzados y repeticiones de los bailes.
79
3.6 Técnicas de procesamiento y análisis de resultados A continuación se presentan los resultados de los datos obtenidos mediante la recolección de datos en el cuestionario aplicado a la muestra de profesionales del baile flamenco, de igual manera se plantean los análisis de cada resultado y por último un análisis final. Pregunta N°1 ¿Con qué frecuencia ejecuta usted el baile profesional de flamenco en El Jaleo? Gráfico A Frecuencia de ejecución profesional en El Jaleo.
17% 33%
50%
Mensual
Bimensual
Trimestral
Tabla N°4 Pregunta N°1 Opciones
Cantidad (personas)
Porcentaje
Mensual
5
17%
Bimensual
15
50%
Trimestral
10
33%
Total
30
100%
Fuente: El autor
80
Análisis: Según la gráfica se puede apreciar que el 50% de los profesionales del baile flamenco ejecutan su arte de manera bimensual en el restaurant El Jaleo, a su vez el 33% lo hace trimestral y el sólo un 17% mensual de profesionales se presentan en la sala. Pregunta N°2 ¿Cómo califica usted la calidad del sonido que genera el calzado flamenco en El Jaleo con respecto al volumen del fondo musical de la pieza? Gráfico B Calidad del sonido del calzado en El Jaleo.
17%
0%
83%
Buena
Regular
Mala
Tabla N°5 Pregunta N°2 Opciones
Cantidad (personas)
Porcentaje
Buena
0
0%
Regular
5
17%
Mala
25
83%
Total
30
100%
Fuente: El autor.
81
Análisis: Según la gráfica se pudo observar que la mayoría de los bailaores profesionales de flamenco opinan que el sonido generado por el calzado flamenco en El jaleo es de mala calidad con respecto al fondo musical de la pieza, por otra parte sólo una minoría califican la calidad del sonido como regular y ninguno respondió que es buena. Pregunta N°3 ¿Cree usted que es importante mejorar la calidad del sonido que genera el calzado flamenco cuando está ejecutando un baile en El Jaleo? Gráfico C Importancia del mejoramiento sonoro en El Jaleo.
100%
Sí
No
Tabla N°6 Pregunta N°3 Opciones
Cantidad (personas)
Porcentaje
Sí
30
100%
No
0
0%
Total
30
100%
Fuente: El autor.
82
Análisis: Según esta gráfica se pudo observar claramente que todos los bailaores profesionales de flamenco que se sometieron al cuestionario consideran importante mejorar la calidad del sonido que genera el calzado flamenco en El jaleo. Pregunta N°4 ¿Cuál elemento considera usted más importante que resalte el sonido que genera el calzado flamenco cuando está ejecutando un baile en El Jaleo? Gráfico D Elementos del mejoramiento sonoro en El Jaleo.
27% 67%
6%
Micrófonos
Tablao
Ambos
Tabla N°7 Pregunta N°4 Opciones
Cantidad (personas)
Porcentaje
Micrófonos
8
27%
Tablao
2
6%
Ambos
20
67%
Total
30
100%
Fuente: El autor.
83
Análisis: Según esta gráfica se pudo observar que el 67% de los bailaores profesionales de flamenco consideran que es de igual importancia los micrófonos utilizados para amplificar el sonido generado por el calzado flamenco y el tablao donde se ejecuta el baile, por otra parte sólo un 27% considera que es de mayor ayuda únicamente los micrófonos y un 6% consideró que es el tablao. Pregunta N°5 ¿Considera usted favorable modificar el sistema de micrófonos amplificadores de audio utilizados en El Jaleo para mejorar el sonido que genera su calzado al ejecutar el baile? Gráfico E Utilidad de modificación sonora en El Jaleo.
100%
Sí
No
Tabla N°8 Pregunta N°5 Opciones
Cantidad (personas)
Porcentaje
Sí
30
100%
No
0
0%
Total
30
100%
Fuente: El autor.
84
Análisis: Según esta gráfica se pudo observar claramente que todos los bailaores profesionales de flamenco que se sometieron al cuestionario consideran favorable mejorar la calidad del sonido que genera el calzado flamenco en El jaleo. Pregunta N°6 ¿Estaría usted dispuesto en colocarle a su calzado un dispositivo inalámbrico que le permita mejorar la calidad del sonido al momento de ejecutar el baile flamenco? Gráfico F Disposición de implementación en El Jaleo.
100%
Sí
No
Tabla N°9 Pregunta N°6 Opciones
Cantidad (personas)
Porcentaje
Sí
30
100%
No
0
0%
Total
30
100%
Fuente: El autor.
85
Análisis: Según esta gráfica se pudo observar claramente que todos los bailaores profesionales de flamenco que se sometieron al cuestionario están dispuestos a colocarle a su calzado un dispositivo inalámbrico que le permita mejorar la calidad del sonido al momento de ejecutar el baile flamenco en El jaleo. 3.7 Análisis general de resultados Los resultados obtenidos en los cuestionarios fueron satisfactorios, ya que los datos sustentan y respaldan el proyecto de investigación planteado por el autor. Estos resultados proporcionan una fuente de conocimiento fidedigna de las necesidades del diseño e implementación de un dispositivo amplificador inalámbrico del sonido generado por el calzado flamenco que utilizan los bailaores profesionales al ejecutar un baile en El jaleo, dicho dispositivo ayudará a mejorar la calidad de los shows en cuanto a sonido, sincronización e movimientos y disfrute del público. Posterior a los datos obtenidos a partir de los cuestionarios aplicados, se cree que la investigación planteada por el autor generará grandes aportes a futuras investigaciones sobre sistemas inalámbricos en transmisión de audio digital.
86
CAPÍTULO IV SISTEMA PROPUESTO
4.1 Diagnóstico de la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado flamenco utilizado por profesionales del área. Por medio de la observación y la técnica de recolección de datos utilizada, se pudo diagnosticar la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado flamenco que utilizan los profesionales que se desempeñan en esta área artística. El restaurante El jaleo ubicado en El Hatillo carece de equipos para amplificar el sonido natural generado por el calzado flamenco de manera inalámbrica, ya que de otra forma entorpece la ejecución del baile. Por otra parte, al diagnosticar la necesidad también se tomó en cuenta la visión estética de los trajes utilizados por los bailaores ya que actualmente los dispositivos utilizados se caracterizan por tener conexiones de cables que son visibles para el público al disfrutar el show. Una vez comprendido el diagnóstico de la necesidad de amplificar el sonido generado por el calzado de manera inalámbrica, se investigaron las diferentes técnicas utilizadas en la actualidad para amplificar dicho sonido, de esta manera colaborar con las recomendaciones más favorables y llegar a la conclusión de que es necesario diseñar un dispositivo especialmente elaborado e implementado en el calzado flamenco para mejorar la calidad auditiva y estética de los shows presentados en el restaurant El Jaleo.
87
4.2
Análisis de los métodos actuales utilizados para amplificar y
transmitir el sonido generado por el calzado. A través de la investigación documental y experimental se pudo analizar el funcionamiento y la eficiencia de los métodos actuales utilizados para amplificar el sonido generado por el calzado flamenco en el restaurant El Jaleo donde se presenta la problemática de este trabajo de investigación. En la actualidad se utilizan dos métodos para amplificar y transmitir el sonido generado por el calzado flamenco, el cual llegará indistintamente a la consola de reproducción y mezcla indistintamente del método aplicado para ello. El primer método y el más utilizado por los técnicos de sonido se trata de un sistema de relevo con micrófonos alámbricos colocados a 45° sobre o debajo del tablao de madera, de esta manera se logra abarcar un área más o menos de 1 metro amplificado por cada micrófono colocado, la cantidad de ellos solo depende del espacio que ocupe el baile del ejecutante profesional o también podrá depender de la disponibilidad en equipos del técnico de sonido. Debido a que aún en el mercado mundial no se ha diseñado un micrófono especializado para captar el sonido del calzado flamenco, actualmente se utilizan micrófonos comunes para amplificar metales en una orquesta tales como: sm57 Shure, e102 Sennheiser, c1000 AKG, entre otros. Todos con una respuesta en frecuencia de 50 Hz hasta 20 KHz.
El segundo método utilizado más que todo por los mismos ejecutantes profesionales del baile flamenco es el uso de un módulo inalámbrico que emite la señal del sonido a un módulo receptor a través de una frecuencia FM, en algunos casos transmite en AM y Wireless. Este dispositivo se coloca en la 88
cintura del ejecutante específicamente en el cinturón o en un bolsillo, el cual va conectado a un micrófono tipo balita por un cable que recorre las piernas del ejecutante. Existen diversas marcas comerciales que han diseñado este tipo de tecnología inalámbrica, tales como: AKG, Sennheiser, Shure, Audio Técnica, entre otros. Dichos sistemas son específicos para amplificar voz, guitarra, instrumentos de metal, instrumentos de viento. El problema es que de igual manera no se ha diseñado algún dispositivo amplificador inalámbrico especializado en el sonido de calzado flamenco. 4.3 Diseño del diagrama circuital del dispositivo inalámbrico que amplifique el sonido generado por el calzado flamenco. Un dispositivo inalámbrico amplificador posee varias etapas en su funcionamiento, las cuales serán representadas a través de un diagrama de bloques que se presenta a continuación.
4.3.1 Diseño del diagrama de bloques del dispositivo. Según Gómez Cejas, Guillermo. (1997) El diagrama de bloques es un diagrama que expresa gráficamente las distintas operaciones que componen un procedimiento o parte de este, estableciendo su secuencia cronológica. Según su formato o propósito, puede contener información adicional sobre el método de ejecución de las operaciones, el itinerario de las personas, las formas, la distancia recorrida el tiempo empleado, entre otros.
89
En el presente trabajo de investigación se desarrolló un diagrama de bloques como se muestra en la figura N°44, el cual representa la estructura del dispositivo inalámbrico amplificador de transmisión y el dispositivo que desempeña el rol de receptor. Figura N°44 Diagrama de bloques del dispositivo. Transmisor de Audio
Etapa de Captura de Audio
Arduino Nano ADC
Filtro y Offset
Transmisión nRF24l01
Alimentación
Receptor de Audio
Consola de Audio
Arduino Nano data
Filtro PWM
Alimentación Fuente: El autor.
90
Recepción nFR24l01
4.3.2 Diagrama circuital del dispositivo. Figura N°45 Diagrama circuital del dispositivo. Vcc
Vcc
Tx 2.4 GHz
Microcotrolador ATMEL
R2 33K
Micrófono
Arduino Nano ATM328
A0 4.7mF
0.1mF
SCK
MOSI
MOSI
MISO
MISO
CSN
CSN
ANT
NRF24L0 1
SCK
VCC
R1 15K
VCC
GND
CE
CE
R3 33kK GND
Etapa de transmisión
Módulo 328p
Tarjeta nRF24L01
Módulo 2560
Etapa de recepción
Vcc
Vcc
Microcotrolador ATMEL
Out 10 PWM
Arduino Mini
SCK
MOSI
MOSI
MISO
MISO
CSN
CSN
CE
CE
R1 12K Led encendido
0.1 micro Salida Consola
5V
GND 4.7 micro
91
ANT
NRF24L01
Out 6 Led audio
VCC
SCK
VCC
Rx 2.4 GHz
GND
4.3.3 Descripción del diagrama de bloques
Se realiza el diagrama en bloques para explicar el funcionamiento del dispositivo diseñado para solventar la problemática expuesta en el presente trabajo de investigación, dando así respuesta al tercer objetivo planteado en el marco problemático antes expuesto. 4.3.3.1 Etapa de transmisión de audio Para el funcionamiento del proceso de transmisión se utilizó como alimentación dos baterías de 12 voltios y 600mh. Lo suficiente resistentes para alimentar el proceso de captura de audio, el módulo micro controlador y tarjeta de transmisión Wireless. Tal como se muestra en la figura N° 46. Figura N°46 Batería GP23AE 12 v.
Fuente: Electrónica Magnabit (en línea) El primer componente es un micrófono electret miniatura de 3.5mm marca Pyle especial para frecuencias auditivas entre 20 Hz y 20 KHz de metales e instrumentos de percusión en general, con este micrófono se logrará captar con precisión la data analógica que proporcionará el sistema. Este dispositivo de captura fue seleccionado debido a su sencillo funcionamiento,
92
su pequeña dimensión, su respuesta en captura de audio analógico eficaz y su bajo costo, dicho dispositivo se presenta en la figura N° 47 Figura N°47 Micrófono electret 3.5mm
Fuente: Electrónica Magnabit (en línea) En cuanto a su instalación, existen varios diagramas que demuestran su sencillo funcionamiento conectándolo a una serie de resistencias y a un capacitor electrolítico para eliminar el voltaje DC, de esta manera solo filtrar las ondas sonoras producidas por el mismo como se muestra en la figura N°48 Figura N°48 Micrófono electret conexión
Fuente: Blog Emilio. (En línea) (2014)
93
Para la etapa de filtrado se tomaron 3 muestras de audio grabado en formato WAV con un sencillo programa de captura de audio llamado Nero AG y con un micrófono de cable con las mismas características que posee el seleccionado para este diseño, dichas capturas se recogieron en la tarima del restaurante El Jaleo donde se presenta la problemática. Luego de tomar las muestras, se procesaron en el programa Labview mediante los VI de captura de archivo WAV y variaciones de los filtros del mismo programa para determinar un ancho de banda de 4 KHz para obtener un sonido robusto y completo de las frecuencias que representan la muestra, dichos resultados de espectro y frecuencia se presentan en la figura N° 49 y el diagrama utilizado para obtener el analizador en la figura N°50
Figura N°49 Análisis espectral de muestra
Fuente: El autor.
94
Figura N°50 Bloques de lectura en Labview
Fuente: El autor. Luego de realizar los estudios de la muestra de audio y seleccionar el ancho de banda necesario para la reproducción del mismo, mediante un calculador de filtros mostrado en la figura N°51 y ciertas variaciones en las resistencias, se logró definir utilizar un filtro paso bajo utilizando un capacitor de 4.7 micro Faradios y una resistencia entre 8 y 10 ohmios mostrados en la figura N° 52 Figura N° 51 Calculador de filtro Paso Bajo
R: C: F:
10
4.7
4.031
Ohms Micro F. Kilo Hz. Fuente: Gzalopgrm (En línea) (2014)
95
Figura N° 52 Capacitor 4.7 micro Faradios
Fuente: Electrónica Magnabit (En línea) (2014) Al finalizar la activación y el pre filtrado de audio, se procedió a realizar un circuito de OFFSET que consta de un capacitor cerámico y dos resistencias como divisor de tensión debido a que la señal de audio está constituida por semi ciclos positivos y negativos y la entrada analógica del arduino trabaja únicamente reconociendo el voltaje positivo de 0 a 5 voltios, debido a esto, se deberá subir la componente DC total del circuito a través del montaje antes mencionado y mostrado en la figura N°53. Figura N° 53 Circuito de OFFSET.
║→
Fuente: El autor. Después de haber consolidado la detección de la señal de audio, esta se transmite conectando la parte positiva del Offset a la entrada A0 de señales analógicas en el procesador Arduino Nano ATMEGA 328 mostrado en la figura N°54, el cual se seleccionó como procesador y conversor de la señal análoga
96
digital debido a su simplicidad de programación, su resistencia a impactos y líquidos, su dimensión reducida y su pequeño consumo de energía. Figura N° 54 Módulo controlador Arduino Nano
Fuente: Arduino.cc (En línea) (2014) El Arduino Nano es una placa con microcontrolador diseñado para pequeños proyectos. Puede utilizar con complementos similares como fuentes de alimentación, sensores actuadores unidos por hilo conductor. La placa está basada en el ATmega328V. El Arduino Nano ha sido diseñado y desarrollado por Leah Buechley y SparkFun Electronics. Se puede programar con el software de Arduino que se obtiene en la misma página oficial. El ATmega328V del Arduino Nano viene precargado con un gestor de arranque (bootloader) que permite cargar nuevo código sin necesidad de un programador por hardware externo. Se comunica utilizando el protocolo STK5 original y se puede alimentar vía conexión USB o con una fuente externa. Si se utiliza una fuente externa, debe proporcionar entre 5 y 12 voltios. Esta puede ser un transformador o una batería. Sus medidas son: un circulo de aproximadamente 50mm (2") de diámetro, 8mm (1/32") de grosor (aproximadamente 3mm (1/8") donde tiene ubicada componentes).
97
Sus características más resaltantes se presentan en la tabla N° 10 Tabla N°10 características del Arduino Nano Microcontroller Operating Voltage (logic level) Input Voltage (recommended) Input Voltage (limits) Digital I/O Pins Analog Input Pins DC Current per I/O Pin Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed Dimensions
Atmel ATmega168 or ATmega328 5V 7-12 V 6-20 V 14 (of which 6 provide PWM output) 8 40 mA 16 KB (ATmega168) or 32 KB (ATmega328) of which 2 KB used by bootloader 1 KB (ATmega168) or 2 KB (ATmega328) 512 bytes (ATmega168) or 1 KB (ATmega328) 16 MHz 0.73" x 1.70"
Fuente: Arduino.cc (En línea) (2014) El ATmega 328 recibe la señal de audio por el puerto A0 con un rango comprendido entre 0 y 5 voltios y 10 bits. Esto significa que debido a su programación convertirá tensiones a un número entero entre 0 y 1023. Esto proporciona una resolución en la lectura de: 5 voltios / 1024 unidades, es decir, 0.0049 voltios (4.9 mV) por unidad. El conversor tarda aproximadamente 100 microsegundos (0.0001 segundos) en leer una entrada analógica por lo que se puede llevar una tasa de lectura máxima aproximada de 10.000 lecturas por segundo. Al mismo tiempo, el microcontrolador habilita la información convertida en digital a los puertos de salidas pre configuradas por PWM (Ancho de pulso). 98
Del mismo modo debido a su programación, el microcontrolador maneja la transmisión de datos y habilita la tarjeta transmisora nRF24L01 a través de los puertos configurados en el programa pre cargado con antelación en el microcontrolador, dicho programa lo podemos observar en el anexo E del presenta trabajo de investigación. Por último se podrá encontrar en el diagrama de bloques el módulo nRF24L01 seleccionado para la transmisión de la data digital debido a su compatibilidad con el programa Arduino, su facilidad de manejo y transmisión, su bajo consumo de corriente y su diseño minimalista que permite ubicarlo en cualquier sitio del calzado. A demás el rango de alcance de 100 metros es bastante útil para el desarrollo de este tipo de proyectos de investigación. El módulo transceptor de RF es de muy bajo costo. Este módulo utiliza el transceptor de 2.4GHz nRF24L01+, el más reciente fabricado por Nordic Semiconductor. Este integrado opera en la banda de 2.4GHz y tiene muchas características interesantes, como buffers adicionales y auto-retransmisión. Puede utilizarse en un proyecto sin necesidad de realizar ningún diseño de RF, simplemente debe conectarse a la interfaz SPI mediante un conector de 8 pines. Se presenta a continuación en la figura N°55 Figura N°55 Transceptor nRF24l01
Fuente: Electrónica Magnabit (En línea) (2014)
99
El módulo transmisor posee las siguientes características principales:
Banda ISM de 2.4GHz de operación mundial
Hasta una velocidad de datos de 2Mbps
Operación a muy baja potencia
11.3mA TX a 0dBm de potencia de salida
12.3mA RX a una velocidad de datos de 2Mbps
900nA estando apagado
22μA en espera-I
Regulador de voltaje en chip
Voltaje de alimentación de 1.9 a 3.6V
ShockBurst™ Mejorado
Manejo de paquetes automático
Auto packet transaction handling
6 data pipe MultiCeiver™
Compatible con nRF2401A, 02, E1 y E2
Bajo costo
±60ppm cristal 16MHz
Entradas tolerantes a 5V
20-pin compacto 4x4mm paquete QFN
Distancia de alcance de 70~100mts en espacio abierto
4.3.3.2 Etapa de recepción de audio Para el funcionamiento de la etapa de recepción se alimentó el módulo directamente de una fuente de tensión regulada a 12 voltios, conectada a un switche pequeño que permite encender y apagar el sistema.
100
En esta etapa se utilizó nuevamente un módulo Arduino Nano, el cual se puede alimentar con baterías externas igualmente si lo desea. Este módulo Arduino recibe la señal digital a través de la tarjeta nRF24l01 a través del pin MISO, ya que se encuentra configurada como receptor en esta etapa, dicha tarjeta se conecta de igual manera al módulo Arduino Nano como se conectó en el transmisor. La señal recibida en el módulo es netamente digital pero manejada por ancho de pulso utilizando las salidas PWM de los mismos, luego a través del programa previamente cargado en el Nano se analiza e interpreta la señal nuevamente y se coloca un nuevo filtrado para que sea comprensible por la consola de sonido y luego por el oído humano. 4.4 Construcción del prototipo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco con un ancho de banda específico. Para la construcción de este prototipo se utilizaron los componentes mencionados en el desarrollo del punto 4.3 y explicados lo suficiente para comprender el funcionamiento que los mismos tendrán. La Figura N° 56 muestra la conexión del filtro y el offset del sistema. Figura N°56 Conexión del micrófono
Fuente: El autor.
101
Luego de esta etapa montada en un simple protoboard, se toma una salida de señal de audio la cual va conectada en la entrada analógica A0 del Arduino LilyPad, al igual de todas las conexiones que se deben realizar como se muestra en la figura N°57 y siguiendo el esquema de conexión que se presenta en la tabla N°11. Figura N°57 Conexión Arduino Nano
Fuente: El autor. Tabla N°11 Esquema de conexión Nano
Conexión
Vcc
Vcc
Gnd
Gnd
A0
Mic
7
CE
8
CSN
102
12
MOSI
11
MISO
13
SCK
Fuente: El autor. En la figura N° 58 se presenta la conexión de la tarjeta nRF24l01 Figura N°58 Conexión de la tarjeta nRF24l01
Fuente: El autor. Luego de exponer cada una de las conexiones del sistema, se presenta el sistema conectado en su totalidad como prototipo en la figura N°59 del trabajo de investigación. Figura N°59 Prototipo inalámbrico
Fuente: El autor. 103
Al finalizar el montaje del prototipo inalámbrico se procedió a montar y evaluar el prototipo receptor y amplificador como se muestra en la figura N°60 Figura N°60 Prototipo receptor conectado
Fuente: El autor. Todas las conexiones realizadas en esta etapa fueron medidas, analizadas y verificadas con la ayuda del multímetro, algunos programas para analizar señales como labview y los osciloscopios de la universidad. 4.5 Evaluación del funcionamiento del prototipo amplificador y transmisor. En esta etapa se hicieron las evaluaciones del funcionamiento en la comunicación del prototipo inalámbrico en el modo de transmisión y en el modo de recepción, de igual manera se evaluó la calidad y las frecuencias recibidas para luego comparar resultados deseados con resultados reales. En la figura N°61 se muestra la paridad y el funcionamiento de transmisión y recepción en los módulos nRF24l01 a través del puerto serial del programa arduino, donde se visualizan tres unos (111) si ambos dispositivos están sincronizados a través del SCK, si no entonces muestra (0).
104
Figura N°61 Paridad y funcionamiento nRF24l01
Fuente: El autor. En la figura N°62 se muestra la señal transmitida a través del prototipo transmisor con ancho de banda de 4KHz a 2.4 GHz y modulación GFSK. Figura N°62 Señal transmitida
Fuente: El autor.
105
En la figura N°63 se muestra la señal de entrada sin la etapa de offset, donde se logra visualizar los semi ciclos positivos y negativos del audio generado. Figura N°63 Señal sin offset.
Fuente: El autor En la figura N°64 se muestra la señal de entrada con la etapa de offset, donde se logra visualizar los semi ciclos positivos y negativos del audio generado muy por encima del cero. Figura N°64 Señal con offset.
Fuente: El autor
106
En la figura N°65 se muestra la señal recibida a través del prototipo con módulo Arduino Nano, donde se logró recibir los 4KHz pero con atenuación de -2dB. Figura N°65 Señal recibida
Fuente: El autor En la figura N°66 se visualiza la señal recibida a través del osciloscopio. Dicha señal es netamente PWM sin procesar. Figura N°66 Señal recibida en osciloscopio
Fuente: El autor 107
Luego de recibir la señal deseada, se pasó por el proceso de filtrado para suavizar la señal PWM, lo cual se visualiza en la Figura N°67. Figura N°67 Señal filtrada.
Fuente: El autor Por último, para poder insertar la señal netamente de audio en la consola, se atenúa y se vuelve a filtrar la señal como se muestra en la figura N°68. Figura N°68 Señal atenuada
Fuente: El autor En la figura N°69 se muestra la comparación entre la señal transmitida y la señal recibida atenuada para el proceso de amplificación en consola.
108
Figura N°69 Señal entrada- señal salida
Fuente: El autor 4.6 Implementación del dispositivo inalámbrico amplificador del sonido generado por el calzado flamenco en su ejecución. Para la implementación del dispositivo final se utilizó un calzado flamenco donado por una profesional en el ámbito, dicho dispositivo se intentó adaptar a la forma y diseño del cazado. En la figura N°70 se podrá visualizar la implementación del dispositivo desde una vista lateral, en la figura N°71 se podrá visualizar la parte inferior y en la figura N° 72 la parte trasera del calzado. Figura N°70 vista lateral
Fuente: El autor
109
Figura N°71 vista inferior
Fuente: El autor Figura N°72 vista trasera
Fuente: El autor Para el sistema de recepción se utilizó una caja de acrílico de medidas 9,5cm de largo, 7,5 ancho y 4,5cm de altura adquirida en electrónica magnabit para el ensamble del dispositivo final. En la figura N°73 se muestra el ensamblaje del dispositivo de recepción y luego en la figura N°74 se muestra la construcción en su totalidad.
110
Figura N°73 Ensamblaje receptor
Fuente: El autor Figura N°74 Construcción total receptor
Fuente: El autor Por último, se le colocó un led rojo que indica el encendido del receptor mostrado en la figura N°75, y un led azul que indica el encendido y transmisión del dispositivo transmisor mostrado en la figura N°76.
111
Figura N°75 Encendido del receptor
Fuente: El autor Figura N°76 Indicador de recepción
Fuente: El autor
112
4.6.1 Recursos humanos En el presente proyecto de investigación se contó con la colaboración y orientación de distintos profesionales en el área de la ingeniería electrónica, telecomunicaciones, área metodológica y baile profesional de flamenco, los cuales se presentan en la tabla N°12 Tabla N°12 Recursos humanos Área
Nombre
Honorarios
Electrónica
Erick Arguello
0,00Bs
Electrónica
Javier Barrios
0,00Bs
Electrónica
Francisco Di Zonno
0,00Bs
Flamenco
Luisana Ocque
0,00Bs
Metodológica
María Sánchez
0,00Bs
Metodológica
Nelly Meléndez
0,00Bs
Fuente: El autor. Los honorarios de los recursos humanos para este trabajo de investigación fueron totalmente gratuitos ya que los profesionales que lo aportaron decidieron colaborar con los autores y no cobrar su trabajo u orientación. 4.6.2 Recursos administrativos En la tabla N° 13 se presentan los gastos administrativos que hicieron posible la presentación escrita de este trabajo de investigación.
113
Tabla N°13 Recursos administrativos Cantidad
Descripción
Monto U.
Total
4
encuadernado
60 Bs F.
240 Bs F.
N°
Impresiones
-
2000 Bs F.
N°
Transporte
-
500 Bs F.
N°
Comunicación
-
300 Bs F.
Total
3040 Bs F.
Fuente: El autor. 4.6.3 Recursos técnicos En la tabla N° 14 se presentan los gastos sobre la adquisición de los componentes electrónicos utilizados para el desarrollo de este trabajo de investigación. Tabla N°14 Recursos técnicos Cantidad
Descripción
Monto U.
Total
2
Arduino N.
3000 Bs F.
6000 Bs F.
1
Fuente 12V.
1000 Bs F.
1000 Bs F.
2
nRF24l01
700 Bs F.
1400 Bs F.
2
Batería 12v.
30 Bs F.
600 Bs F.
1
Micrófono e.
300 Bs F.
300 Bs F.
114
10
Resistencias
2 Bs F.
20 Bs F.
1
Caja acrílico
300 Bs. F.
300 Bs. F.
3
Componentes
150 Bs. F.
150 Bs. F.
4
Condensador
3 Bs F.
12 Bs F.
10
Cables utp
10 Bs F.
100 Bs F.
Total
9882 Bs F.
Fuente: El autor. El costo total del trabajo de investigación tuvo un valor bastante elevado debido a que la mayoría de los componentes son importados.
115
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Muchas veces no se le da importancia al desarrollo de tecnología para el área artística, sin embargo existen varias necesidades en la totalidad de sus expresiones. El flamenco es un arte al cual también se le deben cubrir varios aspectos técnicos para brindar el uso de aparatos tecnológicos bajo ciertos conceptos. Los recursos técnicos actualmente utilizados en este arte para su parte auditiva no son los más indicados en muchos aspectos ya que muchos no producen el efecto sonoro deseado por el público y el artista, debido al desarrollo de este proyecto de investigación se han logrado resolver algunos detalles como el sonido generado del calzado flamenco, la precisión y eficiencia del artista ejecutante, la apreciación de los músicos acompañantes y el disfrute del público en general que se encuentre en el recinto. Al diseñar los diagramas se debe tomar en cuenta varios aspectos como la visual del diseño y la construcción minimalista, ya que se trabajará en un espacio muy reducido. En cuanto a la construcción del dispositivo se debe considerar el mismo aspecto de conservar la proporcionalidad para lograr compensar la masa del campo visual en este proyecto. Muchos de los componentes utilizados en este trabajo de grado fueron importados del exterior del país debido a su carencia en las casas electrónicas
116
existentes en Venezuela, por otra parte, algunos componentes seleccionados fueron remplazados por los existentes en el mercado debido a su alto precio. A parte de la visual, también se debe considerar el uso que se le dará al dispositivo que se quiere construir, considerando todos los factores externos posibles para su rendimiento y calidad en el mercado competitivo. Al evaluar el funcionamiento, es importante destacar la relación uso y eficiencia, ya que si el dispositivo se deteriora con mucha facilidad no es posible comercializarlo. El período de prueba debe ser extenso ya que se necesita constatar la durabilidad de ambos dispositivos si se desea comercializar. Las pruebas realizadas en este trabajo de grado fueron bastante amplias para constatar el funcionamiento del mismo. En cuanto a la implementación, también es importante considerar que dependerá de la medida del calzado donde se implementará ya que no siempre es la misma talla, espacio y material. A pesar de que el diseño no se considera minimalista, funcionamiento dependerá de la precisión y fuerza ejercida por el profesional al igual que la duración de la carga en la batería utilizada. Por último, este trabajo de investigación y desarrollo dejó muchos conocimientos adquiridos sobre los sistemas de sonido, la modulación digital y el proceso de señales pwm que en un futuro cercano remplazará a las señales analógicas en todos los sistemas de audio con alta fidelidad.
117
5.2 Recomendaciones
Como primera recomendación se sugiere investigar más a fondo sobre el muestreo de señales analógicas y la generación de salida digital pwm, ya que la calidad del sonido varía dependiendo de la adecuación de la señal de entrada y la señal de salida. En este proyecto se utilizó un conversor analógico digital de 10 bits el cual realizo 1024 muestras por segundo, se recomienda subir la resolución a 12 bits para obtener un muestreo más enriquecido y una señal más sólida. Para implementar el dispositivo transmisor se recomienda utilizar la tecnología SMD (Tecnología de montaje superficial) debido a que se podrá lograr miniaturizar todo el sistema lo cual producirá un menor consumo de energía y una visual más acertada y cómoda para el ejecutante. En cuanto a la conversión analógica digital se recomienda utilizar un microcontrolador pic de 8 puertos a 12 bits ya que este es mucho más pequeño y también puede desempeñar la función de manejo de nRF24l01. Por último se recomienda utilizar el micrófono sennheisser ME2 para el transmisor, ya que es el único diseño que realmente posee un tamaño adecuado discreto y una respuesta en frecuencia de alta calidad, así mismo, se recomienda realizar un transmisor de audio para cada calzado y de esta forma obtener mayor calidad del sistema.
118
Anexo A
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
El presente cuestionario está dirigido a una población de profesionales en el área del baile flamenco que ejecutaron su arte en los meses de febrero y marzo del año 2014 en la sala rociera de Venezuela El Jaleo ubicada en El Hatillo, con la finalidad de recabar información que valide la importancia del diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico capaz de amplificar el sonido generado por el calzado utilizado por profesionales del baile flamenco en el restaurante y de esta manera poder contribuir con el mejoramiento de la técnica. Instrucciones: Lea detenidamente y marque con una equis(X) la alternativa que responda su situación y preferencia, seleccionando sólo una opción por pregunta. Desarrolle su respuesta cuando sea necesario.
1.- ¿Con qué frecuencia ejecuta usted el baile profesional de flamenco en El Jaleo?
Mensual_____
Bimensual_____ 119
Trimestral_____
2.- ¿Cómo califica usted la calidad del sonido que genera el calzado flamenco en El Jaleo con respecto al volumen del fondo musical de la pieza?
Buena_____
Regular_____
Mala_____
3.- ¿Cree usted que es importante mejorar la calidad del sonido que genera el calzado flamenco cuando está ejecutando un baile en El Jaleo?
Sí_____
No_____
4.- ¿Cuál elemento considera usted más importante que resalte el sonido que genera el calzado flamenco cuando está ejecutando un baile en El Jaleo? Micrófonos_____
Tablao_____
ambos____
5.- ¿Considera usted favorable modificar el sistema de micrófonos amplificadores de audio utilizados en El Jaleo para mejorar el sonido que genera su calzado al ejecutar el baile?
Sí_____
No_____
120
6.- ¿Estaría usted dispuesto en colocarle a su calzado un dispositivo inalámbrico que le permita mejorar la calidad del sonido al momento de ejecutar el baile flamenco?
Sí_____
No_____
121
Anexo B
122
Anexo C
123
Anexo D
124
Anexo E Programa transmisor #include #include #include RF24 radio(7,8); /********* Set the Radio Identifier Here ************/ RF24Audio rfAudio(radio,0); // Set up the audio using the radio, and set to radio number 0. // Setting the radio number is only important if one-to-one communication is desired // in a multi-node radio group. See the private void setup() { rfAudio.begin();
// The only thing to do is initialize the library.
} void loop() { if(Serial.available()){ switch(Serial.read()){ case 'r': rfAudio.transmit(); break; case 's': rfAudio.receive(); break; case '1': rfAudio.broadcast(1); break; // Broadcast to radio number 1 only ( This one being radio number 0 ) case '2': rfAudio.broadcast(2); break; // Broadcast to radio number 2 only case '3': rfAudio.broadcast(255); break; // Switch back to multicast to all radios in the group } }}
Programa receptor #include #include #include "printf.h" RF24 radio(7,8); const uint64_t addresses[2] = { 0xABCDABCD71LL, 0x544d52687CLL}; void setup() { Serial.begin(115200);
// Set up the serial port
printf_begin();
125
radio.begin();
// Initialize the radio
/* Set our radio options to the audio library defaults */ radio.setChannel(1);
// Set RF channel to 1
radio.setAutoAck(0);
// Disable ACKnowledgement packets to allow multicast reception
radio.setCRCLength(RF24_CRC_8); // Only use 8bit CRC for audio //radio.setDataRate(RF24_1MBPS);
// Library default is RF24_1MBPS for RF24 and RF24Audio
radio.openWritingPipe(addresses[0]); // Set up reading and writing pipes. radio.openReadingPipe(1,addresses[1]);// All of the radios listen by default to the same multicast pipe radio.printDetails(); radio.startListening();
// Need to start the radio listening
Serial.println("Setup OK. Begin transmission of audio"); } byte audioData[32];
// Set up a buffer for the received data
byte samplesToDisplay = 3;
// Change this to 32 to send the entire payload over USB/Serial
void loop() { if(radio.available()){ radio.read(&audioData,32); for(int i=0; i