MODULACIN A.M.Introduccin Las seales de informacin deben ser transportadas entre un transmisor y un receptor sobre alguna forma de medio de transmisin. Sin embargo, las seales de informacin pocas veces encuentran una forma adecuada para la transmisin. la modulacin se define como el proceso de transformar informacin de su forma original a una forma ms adecuada para la transmisin. Demodulacin es el proceso inverso. La modulacin se realiza en el transmisor en un circuito llamado modulador. Modulacin de Amplitud Modulacin de amplitud (AM es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la seal modulante (informacin). Las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente por una antena y propagase por el espacio libre se llaman comnmente radiofrecuencias o simplemente RF. Con la modulacin de amplitud, la informacin se imprime sobre la portadora en la forma de cambios de amplitud. La modulacin de amplitud es una forma de modulacin relativamente barata y de baja calidad de modulacin que se utiliza en la radiodifusin de seales de audio y vdeo. La banda de radiodifusin comercial AM abarca desde 535 a 1605 kHz. La radiodifusin comercial de tv se divide en tres bandas (dos de VHF y una de UHF). Los canales de la banda 1 entre 2 y 6 (54 a 88 MHz), los canales de banda alta de VHF son entre 7 MHz) y los canales de UHF son entre 14 a 83 (470 a 890 MHZ). La modulacin de amplitud tambin se usa para las comunicaciones de radio mvil de dos sentidos tal como una radio de banda civil (CB) (26.965 a 27.405 MHz). Un modulador AM es un aparato no lineal con dos seales de entrada de informacin: una seal portadora de amplitud constante y de frecuencia sencilla, y la seal de informacin. La informacin acta sobre o modula la portadora y puede ser una forma de onda de frecuencia simple o compleja compuesta de muchas frecuencias que fueron originadas de una o ms fuentes. Debido a que la informacin acta sobre la portadora, se le llama seal modulante. La resultante se llama onda modulada o seal modulada. La envolvente de AM Varias formas o variaciones de modulacin de amplitud son posibles de generar. Aunque matemticamente no es la forma ms sencilla, la portadora de AM de doble banda lateral (AM DSBFC) se discutir primero, puesto que probablemente sea la forma ms utilizada de la modulacin de amplitud. AM DSBFC se le llama algunas veces como AM convencional. La onda modulada de salida contiene todas las frecuencias que componen la seal AM y se utilizan para llevar la informacin a travs del sistema. Por lo tanto, a la forma de la onda modulada se le llama la envolvente. Sin seal modulante, la onda de salida simplemente es la

seal portadora amplificada. Cuando se aplica una seal modulante, la amplitud de la onda de salida vara de acuerdo a la seal modulante. Observe que la forma de la envolvente de AM es idntica a la forma de la seal modulante. Adems el tiempo de un ciclo de la envolvente es el mismo que el periodo de la seal modulante. Consecuentemente, la relacin de repeticin de la envolvente es igual a la frecuencia de la seal modulante. Espectro de frecuencia de AM y ancho de banda Como se estableci anteriormente, un modulador AM en un dispositivo no lineal, Por lo lo tanto, ocurre una mezcla no lineal y la envolvente de salida es una onda compleja compuesta de un voltaje de cd, la frecuencia portadora y las frecuencia de suma y diferencia (es decir, los productos cruzados). La suma y diferencia de frecuencias son desplazadas de la frecuencia portadora por una cantidad igual a la frecuencia de la seal modulante. Por lo tanto, una envolvente de AM contiene componentes en frecuencia espaciados por fm Hz en cualquiera de los lados de la portadora. Sin embargo, debe observarse que la onda modulada no contiene un componente de frecuencia que sea igual a la frecuencia de la seal modulante. El efecto de la modulacin es trasladar la seal de modulante en el dominio de la frecuencia para reflejarse simtricamente alrededor de la frecuencia del conducto. Recepcin de AM La recepcin de AM es el proceso inverso de la transmisin de AM. Un receptor de AM convencional, simplemente convierte una onda de amplitud modulada nuevamente a la fuente original de informacin (o sea, demodular la onda AM). Cuando se demodula una onda AM, la portadora y la porcin de la envolvente que lleva la informacin (o sea, las bandas laterales) se convierten (se "bajan ") o se trasladan del espectro de radio frecuencia a la fuente original de informacin. El propsito de este capitulo es describir el proceso de demodulacin de AM y mostrar varias configuraciones del receptor para poder realizar este proceso. Un receptor debe ser capaz de recibir, amplificar, y demodular una seal de RF. Un receptor tambin debe ser capaz de limitar las bandas del espectro Total de radio frecuencias a un banda especfica de frecuencias. En muchas aplicaciones el receptor debe de ser capaz de cambiar el rango (banda) de frecuencia que es capaz de recibir. A este proceso se le llama sintonizar el receptor. Una vez que una seal de RF se recibe, se amplifica, y se limitan las bandas, deber convertirse a la fuente original de informacin. A este proceso se le llama demodulacin. Una vez demodulada, la informacin podra requerir de mayor limitacin de las bandas y una amplificacin, antes de considerarse lista para usar. Para entender completamente el proceso de demodulacin, primero es necesario tener una comprensin bsica de la terminologa utilizada para describir las caractersticas de los receptores y de los circuitos del receptor. La figura siguiente muestra un diagrama a bloques simplificado de un tpico receptor de AM. La seccin de RF es la primera etapa y, por lo tanto, frecuentemente se llama la parte frontal.

Las funciones principales de la seccin de RF son: detectar, limitar las bandas y amplificar las seales RF recibidas . En esencia, la seccin de RF establece el umbral del receptor (o sea, el nivel mnimo para la seal de RF que el receptor puede detectar y demodular a una seal de informacin til).

La seccin de RF abarca uno o ms de los siguientes circuitos: antena, red de acoplamiento de la antena , filtro ( preselector ), y uno o ms amplificadores de RF. La seccin de mezclador / convertidor reduce las frecuencias de RF recibidas a frecuencias intermedias (IF). La seccin de IF generalmente incluye varios amplificadores en cascada y los filtros pasa-bandas. Las funciones principales de la seccin de IF son la amplificacin y selectividad. El detector de AM demodula la onda de AM y recupera la informacin de la fuente original. La seccin de audio simplemente amplifica la informacin recuperada a un nivel utilizable. Receptor Superheterodino

Detector de Picos La funcin de un detector de AM es demodular la seal de AM, recuperar y reproducir la informacin de la fuente original. Y debe tener las mismas caractersticas relativas de amplitud. Detector de Picos La siguiente figura muestra un diagrama esquemtico para un demodulador de AM sencillo no coherente, que se llama comnmente detector de picos.

Debido a que el diodo es un dispositivo no lineal, ocurre una mezcla no lineal en D1 cuando dos o ms seales se aplican a su entrada. Por lo tanto, la salida contiene las frecuencias de entrada originales, sus armnicas, y sus productos cruzados.

Esencialmente, la diferencia entre un modulador de AM y un demodulador de AM es que la salida de un modulador se sintoniza con las frecuencias de suma (convertidor de altas frecuencias), mientras que la salida de un demodulador se sintoniza a las frecuencias de diferencia (convertidor de baja frecuencia). El circuito demodulador mostrado en la figura 1 se le llama comn mente detector de diodos puesto que el dispositivo no lineal es un diodo, o un detector de picos, porque detecta los picos de la envolvente de entrada, o un detector de envolvente o de figura porque detecta la figura de la envolvente de entrada. Esencialmente, la seal de la portadora captura el diodo y lo obliga a activarse y desactivarse (rectificar) sincrnicamente (tanto frecuencia como fase). As las frecuencias laterales se mezclan con la portadora, y se recuperan las seales de banda base original. La red RC que sigue al diodo en un detector de picos es un filtro de pasa bajas. La pendiente de la envolvente depende tanto de la frecuencia de la seal modulante como del coeficiente de modulacin (m). Por lo tanto, la pendiente mxima ocurre cuando la envolvente est cruzando su eje cero en la direccin negativa. La frecuencia de la seal modulante ms alta que puede demodularse por un detector de picos sin atenuarse se da como:

en donde fm(mx) = frecuencia mxima de la seal modulante (hertz). m = coeficiente de modulacin (sin unidades). RC = constante de tiempo (segundos). Para 100% de modulacin, el numerador de la ecuacin anterior tiende a cero, que esencialmente significa que todas las frecuencias de la seal modulante son atenuadas cuando se demodula. Mezclado no lineal El mezclado no lineal ocurre cuando dos o mas seales se combinan en un dispositivo no lineal tal como un diodo o amplificador de seal grande. Con el mezclado no lineal, las seales de entrada se combinan de una manera no lineal y producen componentes de frecuencias adicionales. Desventajas Como un medio para transmitir informacin, la modulacin de amplitud tiene muchas ventajas; sin embargo, tambin presenta algunas desventajas que, en ciertas condiciones, limitan su utilidad y obligan a buscar otras formas de modulacin. La desventaja principal de la modulacin de amplitud estriba en que la afectan fcilmente diversos fenmenos atmosfricos (esttica), seales electrnicas con frecuencias

parecidas y las interferencias ocasionadas por los aparatos elctricos tales como motores y generadores. Todos estos ruidos tienden a modular en amplitud la portadora, del mismo modo que lo hace su propia seal moduladora. Por lo tanto se convierten en parte de la seal modulada y subsisten en ella durante todo el proceso de demodulacin. Despus de la demodulacin se manifiestan como ruido o distorsin, que si es bastante fuerte, puede sobreponerse a toda la informacin y hacer completamente inaprovechable la seal demodulada. Aun si aquellos no son tan acentuados como para tapar parte de la informacin, s pueden ser extremadamente molestos. Ruido El ruido constituye un problema grave en todos los receptores de radio. Hay diferentes tipos de ruido, como el zumbido, un tono constante de baja frecuencia (unas dos octavas por debajo del do), producido generalmente por la frecuencia de la fuente de alimentacin de corriente alterna (por lo comn 60 Hz) que se superpone a la seal debido a un filtrado o un apantallamiento defectuoso; el siseo, un tono constante de alta frecuencia, y el silbido, un tono limpio de alta frecuencia producido por una oscilacin involuntaria de frecuencia audio, o por un golpeteo. Estos ruidos se pueden eliminar mediante un diseo y una construccin adecuados. Sin embargo, ciertos tipos de ruidos no se pueden eliminar. El ms importante en los equipos normales de AM de baja y media frecuencias es el ruido parsito, originado por perturbaciones elctricas en la atmsfera. El ruido parsito puede proceder del funcionamiento de un equipo elctrico cercano (como los motores de automviles o aviones), pero en la mayora de los casos proviene de los rayos y relmpagos de las tormentas. Las ondas de radio producidas por estas perturbaciones atmosfricas pueden viajar miles de kilmetros sin sufrir apenas atenuacin, y, dado que en un radio de algunos miles de kilmetros respecto del receptor de radio siempre hay alguna tormenta, casi siempre aparecen ruidos parsitos. Los ruidos parsitos afectan a los receptores FM en menor medida, ya que la amplitud de las ondas intermedias est limitada mediante circuitos especiales antes de la discriminacin, lo que elimina los efectos de los ruidos parsitos. Otra fuente primaria de ruido es la agitacin trmica de los electrones. En un elemento conductor a temperatura superior al cero absoluto, los electrones se mueven de forma aleatoria. Dado que cualquier movimiento electrnico constituye una corriente elctrica, la agitacin trmica origina ruido al amplificarlo en exceso. Este tipo de ruido se puede evitar si la seal recibida desde la antena es notablemente ms potente que la corriente causada por la agitacin trmica; en cualquier caso, se puede reducir al mnimo mediante un diseo adecuado. Un receptor tericamente perfecto a temperatura ordinaria es capaz de recibir la voz de forma inteligible siempre que la potencia de la seal alcance los 4 10-18 W; sin embargo, en los receptores normales se precisa una potencia de seal bastante mayor.

TIPOS DE MODULACIN

Existen bsicamente dos tipos de modulacin: la modulacin ANALGICA, que se realiza a partir de seales analgicas de informacin, por ejemplo la voz humana, audio y video en su forma elctrica y la modulacin DIGITAL, que se lleva a cabo a partir de seales generadas por fuentes digitales, por ejemplo una computadora. Modulacin Analgica: AM, FM, PM Modulacin Digital: ASK, FSK, PSK, QAM

MODULACIN POR AMPLITUD (AM).

Este es un caso de modulacin donde tanto las seales de transmisin como las seales de datos son analgicas. Un modulador AM es un dispositivo con dos seales de entrada, una seal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la seal de informacin o moduladora. El parmetro de la seal portadora que es modificado por la seal moduladora es la amplitud. En otras palabras, la modulacin de amplitud (AM) es un tipo de modulacin 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 seal moduladora, que es la informacin que se va a transmitir.

Consideremos que la expresin matemtica de la seal modulada en amplitud est dada por:

De la ecuacin anterior que describe a una seal modulada en amplitud, se observa que tiene tres trminos. El

primero de ellos corresponde a una seal cuya frecuencia es la de la portadora, mientras que el segundo corresponde a una seal cuya frecuencia es diferencia entre portadora y moduladora y el tercero a una frecuencia suma de las frecuencias de la portadora y moduladora. Todo este conjunto da lugar a un espectro de frecuencias de las siguientes caractersticas.

Debido a que en general una seal analgica moduladora no es senoidal pura, sino que tiene una forma cualquiera, a la misma la podemos desarrollar en serie de Fourier y ello da lugar a que dicha seal est compuesta por la suma de seales de diferentes frecuencias. De acuerdo a ello, al modular no tendremos dos frecuencias laterales, sino que tendremos dos conjuntos a los que se denomina banda lateral inferior (fp-fm) y banda lateral superior (fp+fm). Como la informacin est contenida en la seal moduladora, se observa que en la transmisin dicha informacin se encontrar contenida en las bandas laterales, ello hace que sea necesario determinado ancho de banda para la transmisin de la informacin.

Veamos un ejemplo: Si consideramos que la informacin requiere de 10KHz de ancho de banda, se necesitaran 10KHz para cada banda lateral, lo que hace que la transmisin en amplitud modulada de dicha seal requiera un ancho de banda de 20KHz.

Como la informacin se repite en cada banda lateral, se han desarrollado equipos denominados de Banda Lateral nica (BLU) o Single Side Band (SSB), en los cuales se requiere la mitad del ancho de banda del necesario para la transmisin en amplitud modulada. En el ejemplo anterior una transmisin en banda lateral nica requiere solo 10KHz de ancho de banda. Si consideramos la banda lateral superior, el espectro de frecuencias tiene la siguiente

forma. Dependiendo de la banda lateral que se transmita, superior o la inferior, se puede tener

Upper Side Band (USB): En este caso lo que se transmite es la banda lateral superior y son suprimidas la banda lateral inferior y la seal portadora.

Lower Side Band (LSB): En este caso lo que se transmite es la banda lateral inferior y son suprimidas la banda lateral superior y la seal portadora.

La principal caracterstica de la modulacin de amplitud es que , en su recepcin , los desvanecimientos de seal no provocan demasiado ruido , por lo que es usado en algunos casos de comunicaciones mviles ,como ocurre en buena parte de las comunicaciones entre un avin y la torre de control , debido que la posible lejana y el movimiento del avin puede dar lugar a desvanecimientos. Sin embargo , la modulacin en amplitud tiene un inconveniente , y es la vulnerabilidad a las interferencias.

MODULACIN POR FRECUENCIA (FM).

Este es un caso de modulacin donde tanto las seales de transmisin como las seales de datos son analgicas y es un tipo de modulacin exponencial. En este caso la seal modulada mantendr fija su amplitud y el parmetro de la seal portadora que variar es la frecuencia, y lo hace de acuerdo a como vare la amplitud de la seal moduladora. En otras palabras, la modulacin por frecuencia (FM) es el proceso de codificar informacin, la cual puede estar tanto en forma digital como analgica, en una onda portadora mediante la variacin de su frecuencia instantnea de acuerdo con la seal de entrada.

La expresin matemtica de la seal modulada en frecuencia, est dada por:

La frecuencia de la portadora oscila ms o menos rpidamente, segn la onda moduladora, esto es , si aplicamos una moduladora de 100 Hz , la onda modulada se desplaza arriba y abajo cien veces en un segundo respecto de su frecuencia central , que es la portadora; adems el grado de esta variacin depender del volumen con que modulemos la portadora, a lo que denominamos ndice de modulacin.

Al analizar el espectro de frecuencias de una seal modulada en frecuencia, observamos que se tienen infinitas

frecuencias laterales, espaciadas en fm, alrededor de la frecuencia de la seal portadora fp; sin embargo la mayor parte de las frecuencias laterales tienen poca amplitud, lo que indica que no contienen cantidades significativas de potencia.

El anlisis de Fourier indica que el nmero de frecuencias laterales que contienen cantidades significativas de potencia, depende del ndice de modulacin de la seal modulada, y por lo tanto el ancho de banda efectivo tambin depender de dicho ndice. De igual forma el contenido de potencia de la seal portadora disminuye conforme aumenta mf, con lo que se logra poner la mxima potencia en donde est la informacin, es decir en las bandas laterales.

Como consecuencia de estas caractersticas de modulacin podemos observar cmo la calidad de sonido o imagen es mayor cuando modulamos en frecuencia que cuando lo hacemos en amplitud. Adems al no alterar la frecuencia de la portadora en la medida que aplicamos la informacin, podemos transmitir seales sonoras o informacin de otro tipo (datos o imgenes), que comprenden mayor abanico de frecuencias moduladoras, sin por ello abarcar mayor ancho de banda. ste es el motivo por el que las llamadas radiofrmulas utilizan la frecuencia modulada, o dicho de otro modo, el nacimiento de las estaciones que a mediados de los sesenta eligieron este sistema para emitir sus programas con mayor calidad de sonido lo cual dio origen a la radiodifusin musical.

MODULACIN POR FASE (PM).

Este tambin es un caso de modulacin donde las seales de transmisin como las seales de datos son analgicas y es un tipo de modulacin exponencial al igual que la modulacin de frecuencia. En este caso el parmetro de la seal portadora que variar de acuerdo a seal moduladora es la fase.

La modulacin de fase (PM) no es muy utilizada principalmente por que se requiere de equipos de recepcin ms complejos que en FM y puede presentar problemas de ambigedad para determinar por ejemplo si una seal tiene una fase de 0 o 180.

La forma de las seales de modulacin de frecuencia y modulacin de fase son muy parecidas. De hecho, es imposible diferenciarlas sin tener un conocimiento previo de la funcin de modulacin. Por lo tanto los espectros de frecuencias de la modulacin de fase tienen las mismas caractersticas generales que los espectros de modulacin de frecuencia.