Tema 1 - Arquitectura ESP32 y Bloques de Radiocomunicación

Resultados de Aprendizaje y Criterios de Evaluación

RA 1: Determina los bloques constructivos de los equipos de radiocomunicaciones, reconociendo sus módulos y componentes y midiendo parámetros.

Criterios de Evaluación:

CE a) Se ha identificado la función de los módulos que componen los equipos de radiocomunicaciones (audiofrecuencia, osciladores y frecuencia intermedia, entre otros). 0,2 puntos
CE b) Se han diferenciado las señales de modulación de amplitud y frecuencia de los equipos analógicos. 0,2 puntos
CE c) Se han especificado las señales de transmisión digital. 0,2 puntos
CE d) Se han medido los parámetros fundamentales de los equipos y módulos. 0,2 puntos
CE e) Se han comparado las señales de entrada y salida de los módulos con las indicadas en el manual técnico. 0,2 puntos
CE f) Se han relacionado las medidas obtenidas con las características de los módulos. 0,2 puntos

Puntuación Total RA 1: 1,2 puntos

1.1 Arquitectura del ESP32

1.1.1 Características Generales

El ESP32 es un microcontrolador de 32 bits desarrollado por Espressif Systems, diseñado específicamente para aplicaciones IoT y de conectividad inalámbrica.

Características principales:

CPU Dual-Core: Dos procesadores Xtensa LX6 a 240 MHz
Memoria: 520 KB SRAM, 4 MB Flash (configurable)
Conectividad: WiFi 802.11 b/g/n, Bluetooth 4.2 y BLE
GPIO: 34 pines programables
Periféricos: ADC, DAC, PWM, SPI, I2C, UART, I2S
Seguridad: Hardware de encriptación AES, SHA-2, RSA

1.1.2 Bloques Funcionales de Radiocomunicación

El ESP32 integra varios bloques especializados para radiocomunicaciones:

Bloque WiFi:

RF Frontend: Amplificador de bajo ruido (LNA), mezclador, filtros
Baseband Processor: Procesamiento de señales digitales
MAC Layer: Control de acceso al medio
Protocol Stack: Implementación de protocolos WiFi

Bloque Bluetooth:

RF Transceiver: Transmisor y receptor de 2.4 GHz
Baseband Controller: Procesamiento de señales Bluetooth
Link Manager: Gestión de conexiones
HCI Interface: Interfaz de control del host

1.2 Configuración del Entorno de Desarrollo

1.2.1 Arduino IDE

Configuración del entorno de desarrollo para ESP32:

// Configuración básica del ESP32 void setup() { // Inicializar comunicación serie Serial.begin(115200); // Configurar GPIO pinMode(2, OUTPUT); // LED integrado // Configurar WiFi WiFi.mode(WIFI_STA); Serial.println("ESP32 inicializado correctamente"); } void loop() { // Parpadeo del LED digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); delay(1000); }

1.2.2 ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework)

Framework oficial de Espressif para desarrollo avanzado:

// Ejemplo básico en ESP-IDF #include "freertos/FreeRTOS.h" #include "freertos/task.h" #include "driver/gpio.h" #define LED_PIN GPIO_NUM_2 void app_main() { // Configurar GPIO gpio_config_t io_conf = {}; io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE; io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT; io_conf.pin_bit_mask = (1ULL << LED_PIN); io_conf.pull_down_en = 0; io_conf.pull_up_en = 0; gpio_config(&io_conf); // Bucle principal while(1) { gpio_set_level(LED_PIN, 1); vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); gpio_set_level(LED_PIN, 0); vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); } }

1.3 Periféricos de Comunicación

1.3.1 GPIO (General Purpose Input/Output)

El ESP32 cuenta con 34 pines GPIO configurables:

// Configuración de GPIO #define LED_PIN 2 #define BUTTON_PIN 0 void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP); } void loop() { if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); } else { digitalWrite(LED_PIN, LOW); } }

1.3.2 ADC (Analog-to-Digital Converter)

Conversión de señales analógicas a digitales:

// Lectura de ADC #define ADC_PIN A0 void setup() { Serial.begin(115200); analogReadResolution(12); // 12 bits de resolución } void loop() { int adcValue = analogRead(ADC_PIN); float voltage = (adcValue * 3.3) / 4095.0; Serial.printf("ADC: %d, Voltaje: %.2f V\n", adcValue, voltage); delay(1000); }

1.3.3 DAC (Digital-to-Analog Converter)

Generación de señales analógicas:

// Generación de señal analógica #define DAC_PIN DAC1 void setup() { // Configurar DAC dac_output_enable(DAC_PIN); } void loop() { // Generar onda senoidal for (int i = 0; i < 360; i++) { float angle = i * PI / 180.0; int value = (int)(127.5 + 127.5 * sin(angle)); dac_output_voltage(DAC_PIN, value); delay(10); } }

1.4 Módulos de Entrada de Audiofrecuencia

1.4.1 Micrófonos Digitales

Interfaz con micrófonos digitales I2S:

#include "driver/i2s.h" #define I2S_WS 25 #define I2S_SD 33 #define I2S_SCK 32 void setup() { i2s_config_t i2s_config = { .mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX), .sample_rate = 44100, .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT, .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT, .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_I2S, .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1, .dma_buf_count = 8, .dma_buf_len = 64 }; i2s_pin_config_t pin_config = { .bck_io_num = I2S_SCK, .ws_io_num = I2S_WS, .data_out_num = I2S_PIN_NO_CHANGE, .data_in_num = I2S_SD }; i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &i2s_config, 0, NULL); i2s_set_pin(I2S_NUM_0, &pin_config); }

1.4.2 ADC de Audio

Captura de señales de audio analógicas:

// Captura de audio con ADC #define AUDIO_PIN A0 void setup() { Serial.begin(115200); analogReadResolution(12); analogSetAttenuation(ADC_11db); } void loop() { int audioSample = analogRead(AUDIO_PIN); // Convertir a voltaje float voltage = (audioSample * 3.3) / 4095.0; // Enviar por serie Serial.println(voltage); delay(1); // 1ms = 1kHz de muestreo }

1.5 Osciladores y Generadores de Frecuencia

1.5.1 Cristales y Osciladores

El ESP32 utiliza cristales de 40 MHz para el sistema principal y 32.768 kHz para el RTC.

Características del oscilador principal:

Frecuencia: 40 MHz
Estabilidad: ±20 ppm
Temperatura: -40°C a +85°C
Envejecimiento: ±5 ppm/año

1.5.2 PLL (Phase-Locked Loop)

El ESP32 incluye PLLs para generar frecuencias de reloj:

// Configuración de frecuencia de CPU #include "esp_system.h" void setup() { // Configurar frecuencia de CPU setCpuFrequencyMhz(240); // Máxima frecuencia Serial.begin(115200); Serial.printf("Frecuencia CPU: %d MHz\n", getCpuFrequencyMhz()); Serial.printf("Frecuencia APB: %d MHz\n", getApbFrequency() / 1000000); }

1.6 Amplificadores de RF

1.6.1 LNA (Low Noise Amplifier)

Amplificadores de bajo ruido integrados en el ESP32:

Características del LNA:

Ganancia: 20-30 dB
Ruido: < 2 dB
Frecuencia: 2.4 GHz
Consumo: 20-30 mA

1.6.2 Etapas de Potencia

Amplificadores de potencia para transmisión:

// Configuración de potencia de transmisión WiFi #include "esp_wifi.h" void setup() { WiFi.mode(WIFI_STA); // Configurar potencia de transmisión esp_wifi_set_max_tx_power(84); // 20 dBm máximo // Conectar a red WiFi.begin("SSID", "password"); }

Materiales Necesarios

ESP32 DevKit V1 o V2 (1 unidad por grupo)
Protoboard (1 por grupo)
Cables de conexión (jumper wires)
LEDs y resistencias (220Ω)
Pulsadores
Potenciómetros (10kΩ)
Micrófono digital I2S (opcional)
Osciloscopio (1 por laboratorio)
Multímetro (1 por grupo)
Generador de señales (1 por laboratorio)

Actividades Teóricas

Actividad 1.1: Investigar las características técnicas del ESP32 y compararlas con otros microcontroladores
Actividad 1.2: Analizar el diagrama de bloques del ESP32 e identificar los módulos de radiocomunicación
Actividad 1.3: Estudiar los diferentes tipos de modulación digital (ASK, FSK, PSK)
Actividad 1.4: Investigar las especificaciones de los osciladores y cristales utilizados en el ESP32
Actividad 1.5: Analizar las características de los amplificadores de RF integrados

Prácticas de Laboratorio

Práctica 1.1: Configuración Básica del ESP32

Objetivo: Familiarizarse con el entorno de desarrollo y realizar las primeras configuraciones.

Duración: 2 horas

Entregables: Código fuente comentado, mediciones de consumo, informe técnico

Práctica 1.2: Configuración de GPIO y Periféricos

Objetivo: Configurar y utilizar los periféricos básicos del ESP32.

Duración: 3 horas

Entregables: Esquema de conexiones, código fuente, mediciones de señales

Práctica 1.3: Interfaz de Audio Digital

Objetivo: Implementar la captura de audio usando I2S.

Duración: 3 horas

Entregables: Código I2S, análisis de señales, informe de rendimiento

Práctica 1.4: Medición de Parámetros RF

Objetivo: Medir y analizar los parámetros de los módulos de radiofrecuencia.

Duración: 4 horas

Entregables: Mediciones de potencia, análisis de espectro, informe técnico

Criterios de Evaluación

Instrumentos de evaluación:

Examen teórico (30%): Conceptos de arquitectura ESP32, bloques de radiocomunicación
Prácticas de laboratorio (50%): Implementación, mediciones, documentación
Trabajo de investigación (20%): Análisis de especificaciones técnicas

Entregables obligatorios:

Código fuente de todas las prácticas
Informes técnicos con mediciones
Esquemas de conexiones
Análisis de resultados

Recursos Adicionales

Documentación oficial: ESP-IDF Programming Guide
Arduino Core: ESP32 Arduino Core
Datasheet ESP32: Especificaciones técnicas completas
Herramientas de medición: Manuales de osciloscopio y analizador de espectro