Técnicas de Modulación de Amplitud
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1 INTRODUCCION Modulación de amplitud (AM) es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la señal modulante (información). Las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente por una antena y propagarse por el espacio libre se llaman comúnmente radiofrecuencias o simplemente RF. Con la modulación de amplitud, la información se imprime sobre la portadora en la forma de cambios de amplitud. La modulación de amplitud es una forma de modulación relativamente barata y de baja calidad de transmisión, que se utiliza en la radiodifusión de señales de audio y vídeo. La banda de radiodifusión comercial AM abarca desde 535 a 1605 kHz. La radiodifusión comercial de televisión se divide en tres bandas (dos de VHF y una de UHF) Los canales de la banda baja de VHF son entre 2 y 6 (54 a 88 MHz), los canales de banda alta de VHF son entre 7 y 13 (174 a 216 MHz) y los canales de UHF son entre 14 a 83 (470 a 890 MHz). La modulación de amplitud también se usa para las comunicaciones de radio móvil de dos sentidos tal como una radio de banda civil (CB) (26.965 a 27.405 MHz) o los aviones con los aeropuertos (118 a 136 Mhz). Un modulador de AM es un aparato no lineal con dos señales de entrada: a) una señal portadora de amplitud constante y de frecuencia única b) la señal de información. La información “actúa 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 más fuentes. Debido a que la información actúa sobre la portadora, se le llama señal modulante. La resultante se llama onda modulada o señal modulada. La frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia(contrastando esta con la amplitud modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su
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INTRODUCCION
Modulación de amplitud (AM) es el proceso de cambiar la amplitud de una
portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la señal
modulante (información). Las frecuencias que son lo suficientemente altas para
radiarse de manera eficiente por una antena y propagarse por el espacio libre se
llaman comúnmente radiofrecuencias o simplemente RF. Con la modulación de
amplitud, la información se imprime sobre la portadora en la forma de cambios de
amplitud. La modulación de amplitud es una forma de modulación relativamente
barata y de baja calidad de transmisión, que se utiliza en la radiodifusión de
señales de audio y vídeo. La banda de radiodifusión comercial AM abarca desde535 a 1605 kHz. La radiodifusión comercial de televisión se divide en tres bandas
(dos de VHF y una de UHF) Los canales de la banda baja de VHF son entre 2 y 6
(54 a 88 MHz), los canales de banda alta de VHF son entre 7 y 13 (174 a 216
MHz) y los canales de UHF son entre 14 a 83 (470 a 890 MHz). La modulación de
amplitud también se usa para las comunicaciones de radio móvil de dos sentidos
tal como una radio de banda civil (CB) (26.965 a 27.405 MHz) o los aviones con
los aeropuertos (118 a 136 Mhz).
Un modulador de AM es un aparato no lineal con dos señales de entrada:
a) una señal portadora de amplitud constante y de frecuencia única
b) la señal de información.
La información “actúa 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 más fuentes. Debido a que la información actúa sobre
la portadora, se le llama señal modulante. La resultante se llama onda modulada o
señal modulada.
La frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación
angular que transmite información a través de una onda portadora variando
su frecuencia(contrastando esta con la amplitud modulada o modulación de
amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su
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frecuencia se mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia
instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal
moduladora. Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de la
onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación
conocida como FSK.
La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy
alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla. El
sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un
formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio
comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión
FM es generalmente llamado amplia-FM o W-FM (de las siglas en inglés "Wide
FM"). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (de las siglas
en inglés "Narrow FM") es utilizada para ahorrar banda estrecha. Además, se
utiliza para enviar señales al espacio.
La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias intermedias de la
mayoría de los sistemas de vídeo analógico, incluyendoVHS, para registrar
la luminancia (blanco y negro) de la señal de video. La frecuencia modulada es el
único método factible para la grabación de video y para recuperar de la cinta
magnética sin la distorsión extrema, como las señales de vídeo con una gran
variedad de componentes de frecuencia - de unos pocos hercios a
varios megahercios, siendo también demasiado amplia para trabajar
conequalisers con la deuda al ruido electrónico debajo de -60 dB. La FM también
mantiene la cinta en el nivel de saturación, y, por tanto, actúa como una forma
de reducción de ruido del audio, y un simple corrector puede enmascarar
variaciones en la salida de la reproducción, y que la captura del efecto de
FM elimina a través de impresión y pre-eco. Un piloto de tono continuo, si seañade a la señal - que se hizo en V2000 o video 2000 y muchos formatos de alta
banda - puede mantener el temblor mecánico bajo control y ayudar al tiempo de
corrección.
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Técnicas de Modulación de Amplitud
En general existen 4 métodos básicos a través de los cuales se puede lograr la
modulación de amplitud:
a) Multiplicación Analógica.
b) Modulación por conmutación o modulación de interrupción (Chopper
modulation)
c) Modulación mediante dispositivos no lineales.
d) Modulación directa por circuito sintonizado.
Modulación Analógica
La modulación (o multiplicación) analógica se alcanza en cualquier dispositivocuya salida v0(t) es directamente proporcional a dos entradas v1(t) y v2(t), es decir:
( ) ( )( ) (1)
Claramente, si () y v2(t) = g (t), entonces v0(t)= () , que es
la onda AM deseada. En tales dispositivos no existen limitaciones teóricas; sin
embargo, limitaciones practicas del dispositivo imponen limites tanto en amplitud
como en frecuencia de v0(t) , v1(t) y v2(t) para poder mantener la validez de la
ecuación (1).
La modulación analógica puede lograrse también con dos dispositivos cuadráticos
como se muestra en la figura 1.
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Figura 1. Modulador analógico construido con dos dispositivos cuadráticos.
En este sistema la salida del dispositivo cuadrático superior, v3, esta daba por:
(
) (2)
La salida del dispositivo cuadrático inferior esta daba por:
(
) (3)
La salida del sistema es:
() ()()
La cual es la forma de onda de salida de un modulador analógico.
Modulación por Conmutación o Modulación de Interrupción
La modulación por interrupción se logra eliminando g(t) del índice de frecuencia
portadora y pasando la señal resultante a través de un filtro pasobanda centrado
en la frecuencia portadora. La estructura general del circuito se muestra en la
figura 2, en la cual el switch que es controlado por permanece abierto para
y se cierra para .
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Figura 2. Modulador por Interrupción.
Modulación Mediante Dispositivos no Lineales.
Se logra sumando la modulación y la portadora, aplicándolas a un dispositivo no
lineal, y luego pasando la salida del dispositivo a través de un filtro pasabanda
centrado en ω0 para extraer la señal Am deseada. Un diagrama de bloques de un
dispositivo modulador no lineal se muestra en la figura 3. Este tipo de modulador
tiene más restricciones para correcta operación que los dos moduladores
discutidos anteriormente.
Figura 3. Diagrama de bloques de un modulador no lineal.
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Primero que nada el dispositivo no lineal no debe ser de un grado mayor a dos(cuadrático). Segundo, la máxima frecuencia modulante ωm debe ser menor queω0/3; y tercero si el dispositivo no lineal contiene un término “medio cuadrado”, no
es posible 100% de modulación o modulación por supresión de portadora.
Modulación Directa por Circuito Sintonizado.
Se emplea g(t)=A[1+mf(t)] para controlar directamente el voltaje que atraviesa el
circuito resonante sintonizado a la frecuencia de la portadora e impulsado por una
fuente de corriente periódica. La figura 4 ilustra este tipo de modulador. Si el Q T
cargado de el circuito sintonizado es suficientemente alto, es evidente que v0(t)
contiene solo un término fundamental. Además el valor máximo de la envolvente
de v0(t) debe ser g(t); consecuentemente el modulador de alto nivel produce la
señal AM deseada.
Figura 4. Modulador directo por circuito sintonizado.
Como todos los otros moduladores considerados previamente, el modulador dealto nivel tiene un límite en el máximo índice de modulación ω m. Si g(t) se
incrementa demasiado rápido, el incremento normal en la envolvente de v0(t) no
puede mantener el ritmo, el diodo permanece abierto, y la envolvente de de v0(t)
es independiente de g(t). La distorsión resultante se denomina failure-to-follow-
distorsion.
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Moduladores Analógicos Prácticos y Multiplicadores.
Multiplicador FET
Un N-Channel junction FET con un bajo voltaje drenaje-fuente (drain to source)
puede ser modelado como una conductancia controlada por voltaje de la forma:
Donde gDS es la conductancia drenaje-fuente, IDSS es la corriente drenaje convGS=0 y vDS = - Vp, y Vp es el voltaje de pellizco (pinch-off voltage). Este FET se
coloca en la entrada de un amplificador operacional como se muestra en la figura5, entonces el voltaje de salida se puede escribir de la siguiente manera:
Figura 5. Multiplicador FET
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Lo que es proporcional al producto de v1(t) y v2(t). Sin embargo, este multiplicador
FET está restringido en el rango dinámico. El voltaje |()| || debe
mantenerse menor a 100 mV para limitar la distorsión, y v 2(t) es restringido a
valores positivos menores que || . Valores negativos de v2 saturarían al
FET, mientras que valores positivos en exceso de || encenderían el
diodo de puerta a la fuente.
Una versión aun más simple del multiplicador puede obtenerse reemplazando el
amplificador operacional por un transistor, como se muestra en la figura 6
Figura 6. Multiplicador FET con transistor.
En este circuito CE se escoge la suficientemente grande para ser cortocircuitado
por las componentes de frecuencia de v1(t) y Idc se escoge lo suficientemente
grande tal que gin=qIdc /kT>>gDSmax ; por lo tanto v1(t) aparace directamente en el
FET. Además no aparece ningún voltaje dc en el FET a causa de CE; asi:
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Y finalmente
Es evidente que v0(t) contiene términos que son directamente proporcionales al
producto de v1(t) y v2(t); sin embargo, como en el caso del multiplicador FET con
amplificador operacional, |()| || debe mantenerse menor que 100 mV
mientras que v2(t) está restringido a valores positivos menores que || .
Los multiplicadores que emplean potenciómetros lineales para producir la
multiplicación, como el mostrado en la figura 7, también están limitados por la
máxima frecuencia a la que puede variar el potenciómetro y por el hecho de x está
restringida a ser positiva.
Figura 7. Multiplicador con Potenciómetro.
Los circuitos integrados han hecho posible un multiplicador analógico en el cual
ambas entradas tienen un rango lineal el cual es una buena fracción del voltaje de
alimentación y también tiene características de frecuencia que se extienden en la
región de los Gigahertz. Un multiplicador integrado típico, introducido por Gilbert, y
que hace uso del par diferencial se muestra en la figura 8.
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Figura 8. Par Diferencial Multiplicador.
Cuando los dos pares diferenciales se combinan como se muestra en la
figura i3 varía en proporción a i1’ mientras que i4 varía en proporción a i2’. Además
ambos i3 e i4 varían directamente con Ig; así que si restringimos Ig’ a un valor
constante (podemos lograrlo desarrollando i1’ y i2’ de los colectores de otro par
diferencial polarizado con una corriente de alimentación Ig’/α) entonces si i3 es
proporcional al producto de i1’ y Ig mientras i4 es proporcional al producto de i2’ e Ig.
Moduladores Balanceados.
Modulador balanceado es un circuito que general señal de DBL, suprime la
portadora y deja en la salida solo la suma y diferencia de las frecuencias. La salida
de un modulador balanceado puede procesarse más adelante mediante filtros o
circuitos de corrimiento de fase para eliminar una de las bandas laterales
resultando una señal de BLU.
Moduladores de Celosia.
Uno de los moduladores balanceados más populares y de mayor uso es el
anillo de diodos o modulador de celosía, que se ilustra en la figura 9, que consta
de una transformador de entrada T1, un transformador de salida, T2, y cuatro
diodos conectados en un circuito puente. La señal de la portadora se aplica a las
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derivaciones centrales de los transformadores, y la señal moduladora se usa en la
entrada del transformador T1. La salida aparece a través del secundario del
transformador de salida T2
Figura 9. Modulador Balanceado Tipo Celosia.
La operación del modulador de celosía es bastante sencilla. La portadora senoidal
que por lo general es de frecuencia y amplitud mucho más altas que la señal
moduladora, se utiliza como fuente de polarización en directa y en inversa de los
diodos. La portadora conmuta los diodos en apagado y encendido a velocidad muy
alta, y los diodos actúan como interruptores que conectan la señal moduladora en
el secundario de T1 al primario de T2,
Las figuras 10 y 11 muestran cómo operan los moduladores de celosía. Suponga
que la entrada moduladora es cero. Si la polaridad de la portadora es positiva,
como muestra la figura 10 a). D1 y D2 se polarizan en directa. En este momento D3 y D4 están polarizados en inversa comportándose como circuitos abiertos. Como
se observa la corriente se divide por igual en las porciones superior e inferior del
devanado primario de T2. La corriente en la parte superior del devanado produce
un campo magnético que es igual y opuesto al campo magnético que la corriente
genera en la parte inferior del secundario. Los campos magnéticos por lo tanto se
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cancelan uno a otro. No se induce salida en el secundario y la portadora y la
portadora se suprime en forma efectiva.
Cuando la polaridad de la portadora se invierte como muestra la figura 10b, D1 y
D2 se polariza en inversa y D3 y D4 conduce. Otra vez la corriente fluye en eldevanado secundario de T1 y el devanado primario de T2. Las magnitudes iguales
y opuestas de los campos magnéticos producidos en T2 se cancelan otra. La
portadora es balanceada de manera efectiva y la salida es cero. El grado de
supresión de la portadora depende de la precisión con que se fabrican los
transformadores y se localiza la derivación central.
Figura 10. Operación del modulador celosía.
Figura 11. Formas de onda en el modulador balanceado tipo celosía: a) portadora, b) senal Moduladora, c) señal de
DBL primeria de T2, d)salida de DBL.
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Demoduladores AM
Detector de envolvente .
La principal ventaja de modular en AM consiste en que es posible recuperar el
mensaje (demodular) con un simple detector de envolvente con tiempo de carga
corto y de tiempo de descarga largo. Su versión más sencilla es la siguiente:
Figura 12.Detector de Envolvente. Cuando se aplica una señal a la entrada, el capacitor se carga a través de R; por
lo tanto el producto RC debe ser mucho menor que el inverso del ancho de banda
del mensaje. Cuando la tensión baja, el diodo se abre y el capacitor comienza a
descargarse; por lo tanto el producto RC debe ser mucho mayor que el inverso de
con un condensador, aunque esto empobrece la respuesta a bajas frecuencias.
La sencillez de este demodulador permite aplicaciones masivas, tal como
radiodifusióncomercial.
Detector síncrono
Otra forma de demodular la señal AM es la siguiente:
Figura 13. Detector Síncrono.
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Al multiplicar la señal modulada por la portadora se tendrá:
x
Al filtrar y quitar la DC solo quedará 0.5Acmx(t) .Observe que se asume que el
receptor tiene una muestra de la portadora de la misma frecuencia y fase que la
usada en el modulador. El efecto que tendría un error de fase o frecuencia en el
oscilador del demodulador será analizado posteriormente.
Modulación de Frecuencia (FM)
Es una modulación angular que transmite información a través de una onda
portadora variando su frecuencia (contrastando esta con la amplitud
modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es
variada mientras que su frecuencia se mantiene constante). En
aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es
proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden
ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de
valores discretos, una modulación conocida como FSK.
La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy
alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla. El
sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un
formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio
comercial y en las configuraciones de aficionados. La frecuencia modulada
también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los sistemas
de vídeo analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro)
de la señal de video. Dentro de los avances más importantes que se presentan enlas comunicaciones, el mejoramiento de un sistema de transmisión y recepción en
características como la relación señal – ruido, sin duda es uno de los más
importantes, pues permite una mayor seguridad en las mismas. Es así como el
paso de Modulación en Amplitud (A.M.), a la Modulación en Frecuencia (F.M.),
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establece un importante avance no solo en el mejoramiento que presenta la
relación señal ruido, sino también en la mayor resistencia al efecto del
desvanecimiento y a la interferencia, tan comunes en A.M.
Técnicas de Modulación en Frecuencia FM
FSK
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".
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.
El módem usa un VCO, que es un oscilador cuya frecuencia varía en funcióndel voltaje aplicado.
Índice modulación general para una M − FSKn = (2fd ) / [(M − 1)Rsymb ]
Siendo: fd: máxima desviación en frecuencia; Rsymb: Velocidad de símbolo por
segundo.
Transmisión de señales FM a través de filtros lineales
Un filtro lineal es aquel filtro electrónico que aplica un operador lineal a una
señal variable en el tiempo. Son usados ampliamente en procesamiento de
señales. Una de sus aplicaciones más frecuentes es la eliminación de frecuencias
no deseadas de una determinada señal de entrada o, al contrario, discriminar una
determinada frecuencia de las demás.
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La teoría matemática empleada para el diseño de filtros es independiente de la
naturaleza eléctrica, electrónica o mecánica del filtro, así como del rango de
frecuencias en el que se vaya a trabajar. Sin embargo, la implementación, así
como las tecnologías necesarias para su fabricación varían.
Filtro paso bajo
Un filtro paso bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de
las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas. El filtro requiere de
dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también
denominada cuadripolo 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.De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de
transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que
consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo.
En particular la función de transferencia de un filtro paso bajo de primer orden
corresponde a , donde la constante es sólo una ponderación
correspondiente a la ganancia del filtro, y la real importancia reside en la forma de
la función de transferencia , la cual determina el comportamiento del filtro.
En la función de transferencia anterior corresponde a la frecuencia de corte
propia del filtro, aquel valor de frecuencia para el cual la amplitud de la señal de
entrada se atenúa 3 dB.
De forma análoga al caso de primer orden, los filtros de paso bajo de mayor
orden también se caracterizan por su función de transferencia, por ejemplo la de
un filtro paso bajo de segundo orden corresponde a
, donde es la frecuencia natural del filtro y es
el factor de amortiguamiento de este.
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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 bajafrecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la aplicación.
El filtro paso alto más simple es un circuito RC en serie en el cual la salida es
la caída de tensión en la resistencia.
Si se estudia este circuito (con componentes ideales) para frecuencias muy
bajas, en continua por ejemplo, se tiene que el condensador se comporta como un
circuito abierto, por lo que no dejará pasar la corriente a la resistencia, y su
diferencia de tensión será cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente infinita,el condensador se comportará como un cortocircuito, es decir, como si no
estuviera, por lo que la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de
entrada, lo que significa que dejaría pasar toda la señal. Por otra parte, el desfase
entre la señal de entrada y la de salida si que varía, como puede verse en la
imagen.
El producto de resistencia por condensador (R×C) es la constante de tiempo,
cuyo recíproco es la frecuencia de corte, es decir, donde el módulo de larespuesta en frecuencia baja 3dB respecto a la zona pasante:
Donde fc es la frecuencia de corte en hercios, R es la resistencia del tweteer o
parlante en ohmios y C es la capacidad en faradios.
El desfase depende de la frecuencia f de la señal y sería:
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Filtro paso banda
Un filtro paso banda es un tipo de filtro electrónico que deja pasar un
determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto.
Un circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC(resistencia, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de
resonancia, que sería la frecuencia central (fc) y las componentes frecuenciales
próximas a ésta, en el diagrama hasta f1 y f2. No obstante, bastaría con una
simple red resonante LC.
Otra forma de construir un filtro paso banda puede ser usar un filtro paso
bajo en serie con un filtro paso alto entre los que hay un rango de frecuencias que
ambos dejan pasar. Para ello, es importante tener en cuenta que la frecuencia decorte del paso bajo sea mayor que la del paso alto, a fin de que la respuesta global
sea paso banda (esto es, que haya solapamiento entre ambas respuestas en
frecuencia).
Filtro elimina banda
El filtro suprime banda, filtro elimina banda, filtro notch, filtro trampa o filtro de
rechazo de banda es un filtro electrónico que no permite el paso de señales cuyas
frecuencias se encuentran comprendidas entre las frecuencias de corte superior einferior.
Pueden implementarse de diversas formas. Una de ellas consistirá 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 ambasrespuestas no deben estar solapadas para que el filtro elimine la banda que
interese suprimir), ello se implementará mediante un sumador analógico, hecho
habitualmente con un amplificador operacional.
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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 las dos bornas (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). En este enlace se puede encontrar un ejemplo de filtro
elimina banda (realmente se muestran los cuatro tipos de filtros, el filtro notch es el
último de todos ellos) construido únicamente con componentes pasivos.
Modulación FM directa e indirecta
FM Directa
La FM directa es la modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora
varía (es desviada) directamente por la señal modulante. Con la FM directa, la
desviación de frecuencia instantánea es directamente proporcional a la amplitud
de la señal modulante. La figura siguiente muestra un diagrama esquemático para
un generador de FM simple (aunque altamente impráctico) y directo. El circuito
tanque (L y Cm) es la sección para determinar la frecuencia para un oscilador LCestándar. El capacitor del micrófono es un transductor que convierte la energía
acústica a energía mecánica, la cual se usa para variar la distancia, entre las
placas de Cm y, consecuentemente, cambiar su capacitancia.
Conforme Cm varía, la frecuencia de resonancia varía. Por lo tanto, la
frecuencia de salida del oscilador varía directamente con la fuente de sonido
externa. Esta es la FM directa porque la frecuencia del oscilador se cambia
directamente por la señal modulante y la magnitud del cambio de frecuencia esproporcional a la amplitud del voltaje de la señal modulante.
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FM Indirecta
Es una modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora se desvía
indirectamente por la señal modulante. La FM indirecta se logra cambiando
directamente la fase de la portadora y es, por lo tanto, una forma de modulación
en fase directa. La fase instantánea de la portadora es directamente proporcional
a la señal modulante.
La figura siguiente muestra un diagrama esquemático para un modulador de
FM indirecto. El modulador consiste de un diodo varactor VD, en serie con una redinductiva (bobina sintonizable L, y el resistor R) La red combinada, serie-paralelo,
aparece como un circuito resonante en serie a la frecuencia de salida del
oscilador de cristal. Una señal modulante se aplica a VD,, el cual cambia su
capacitancia y, consecuentemente, el ángulo de fase de la impedancia visto por la
portadora varía, lo cual resulta en un desplazamiento en fase correspondiente en
la portadora. El desplazamiento en la fase es directamente proporcional a la
amplitud de la señal modulante. Una ventaja del FM indirecto es que se usa unoscilador de cristal con búfer para la fuente de la señal de la portadora.
Consecuentemente, los transmisores de FM indirectos son más estables en la
frecuencia que sus contrapartes directas. Una desventaja es que las
características de capacitancia-vs-voltaje de un diodo varactor no son lineales. En
realidad, se parecen bastante a una función de raíz cuadrada. Consecuentemente,
Figura 14. Generador de FM Simple.
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para minimizar la distorsión en la forma de onda modulada, la amplitud de la señal
modulante debe mantenerse bastante pequeña, lo cual limita la desviación de fase
a valores pequeños y sus usos a las aplicaciones de banda angosta de índice
bajo.
Modulador de Amstrong
Uno de los primeros sistemas utilizados por los transmisores de radiodifusión
FM fue el sistema Armstrong, que vemos en el diagrama de bloques siguiente. El
sistema Armstrong utiliza un desfasador y un modulador equilibrado. La señal de
RF del oscilador a cristal se aplica al desfasador y al modulador equilibrado. Lo
único que ocurre en el desfasador es un desfase de 90° de la señal sin modular.
Tanto la señal de AF moduladora como la señal de RF sin modular se aplican a la
entrada del modulador equilibrado. En éste, la señal de RF está modulada enamplitud por la señal de AF, produciéndose las frecuencias de las bandas laterales
superior e inferior. Sin embargo, recordemos que la acción de un modulador
equilibrado es tal que la portadora de RF se suprime o se anula, dejando sólo la
salida de la banda lateral a la salida. La energía de la banda lateral del modulador
equilibrado se combina entonces con la frecuencia de la portadora de salida en el
Figura 15. Modulador de FM Indirecto
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desfasador. El resultado es una señal de PM, cuya consecuencia será la FM si en
primer lugar se integró la señal de audio. A continuación los circuitos procesan aún
más esta señal de FM de banda estrecha produciendo la FM de banda ancha.
Figura 16. Modulador Amstrong
En el sistema Armstrong, la AM se utiliza para generar las bandas laterales.
Seguidamente se elimina la portadora de la señal de AM, y una nueva portadora,
desplazada 90° de la original, sustituye a la portadora original. Este proceso de
sustitución de portadora, o reinserción de una nueva es sustitución de una antigua,
se denomina reinserción de portadora. Es difícil obtener desviaciones defrecuencia muy amplias en sistemas de PM.
Estabilización de Frecuencia
La estabilidad de frecuencia es la habilidad de un oscilador para permanecer a
una frecuencia fija y es de máxima importancia en los sistemas de comunicación.
La estabilidad puede clasificarse como de corto o largo plazo
Estabilidad de Corto Plazo: Hace referencia a las variaciones de la
frecuencia producto de las fluctuaciones en las condiciones de operación de
continua (corrientes y tensiones).
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Estabilidad a Largo Plazo: Se ve afectada por el desgaste con el paso del
tiempo de los componentes, producto de la temperatura y humedad.
Limitadores
La señal de FM posee la ventaja respecto de una señal de AM, de que no le
afecta en gran parte medida el ruido impulsivo que se suma durante la
transmisión. Precisamente, el bloque limitador cumple la función de recortar o
suprimir dicha señal interferente (el ruido impulsivo se debe a cambios o
perturbaciones atmosféricas y ruidos introducidos por el hombre).
En realidad, el sistema de FM no es totalmente inmune al ruido. Es posible
recortar o limitar la mayor parte de las interferencias producidas ya que estás sepresentan principalmente como pulsos de ruido en amplitud, Pero en menor
proporción también producen desviaciones de fase que se notan parcialmente
como una desviación de frecuencias; este efecto se hace mínimo al permitir una
variación grande de frecuencia al modular la portadora.
Demodulación de Frecuencia
Los demoduladores de FM son circuitos dependientes de la frecuencia,diseñados para producir un voltaje de salida que sea proporcional a la frecuencia
instantánea en su entrada. La función general de transferencia para un
demodulador de FM es no lineal, pero cuando se trabaja en su intervalo lineal, es:
()
()
Donde es igual a la función de transferencia.
La salida de un demodulador de FM se expresa como sigue:
()
En donde () señal demodulada de salida (volts)
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= función de transferencia del demodulador (volts por hertz)
diferencia entre la frecuencia de entrada y la frecuencia central del
demodulador (hetz).
Hay varios circuitos que se usan para demodular las señales de FM. Los más
comunes son: el detector de pendiente, el discriminador de Foster-Seeley, el
detector de relación, el demodulador PLL y el detector de cuadratura.
Método de PLL
Es muy directo el uso de PLL para demodular las señales de FM. La señal de FM
entrante se utiliza para controlar la frecuencia del VCO. A medida que varia lafrecuencia entrante, el PLL genera un voltaje de control para cambiar la frecuencia
del VCO, que sigue a la de la señal entrante. Este voltaje de control varia a la
misma rapidez que la frecuencia de la señal entrante, así que puede utilizarse
directamente como la salida del circuito. A diferencia de los PLL utilizados en los
circuitos moduladores de transmisores, este PLL debe tener una constante de
tiempo corta para que pueda seguir la modulación. No es importante el intervalo
de captura del PLL, puesto que la frecuencia de operación libre del VCO se hace
coincidir con la frecuencia portadora de la señal en el detector. El intervalo de
enganche debe ser por lo menos dos veces la desviación máxima de la señal.
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CONCLUSION
Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar
información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas
técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo queposibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la
resistencia contra posibles ruidos e interferencias.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda
portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora,
que es la información que queremos transmitir.
En general existen 4 métodos básicos a través de los cuales se puede lograr lamodulación de amplitud:
a) Multiplicación Analógica.
b) Modulación por conmutación o modulación de interrupción (Chopper
modulation)
c) Modulación mediante dispositivos no lineales.
d) Modulación directa por circuito sintonizado.
La modulación Analógica se realiza por un elemento multiplicador o por otro
dispositivo cuya salida sea proporcional al producto de las entradas f(t) y p(t).
La modulación por conmutación se realiza tomando muestras de la señal de
información f(t) a una frecuencia dada por la portadora. Cuando la portadora tiene
la polaridad (+,-) todos los diodos conducen, entonces la salida es cero. Con la
polaridad (+,-) ningún diodo conduce y la señal de salida es igual a la señal de
entrada f(t).
Un modulador balanceado es un circuito que genera una señal DBL. El modulador
de celosía o anillo de diodos es un modulador balanceado muy ampliamente
usado.
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Los circuitos demoduladores aceptan una señal modulada y recuperan la
información original de la señal moduladora. El comportamiento del detector
básico de diodo puede mejorarse con un circuito rectificador de onda completa.
Los detectores síncronos emplean la señal de un reloj interno para interrumpir la
señal de AM, lo que produce la rectificación.
Los filtros que se emplean para generar señal de BLU deben tener selectividad
muy alta. Se usan tantos filtros con cristal como los mecánicos.
La frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación
angular que transmite información a través de una onda portadora variando su
frecuencia (contrastando esta con la amplitud modulada o modulación de amplitud
(AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se
mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la
señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora.
Modulador de FM
La modulación de una portadora sobre FM, aunque se puede realizar de varias
formas, resulta un problema delicado debido a que se necesitan dos
características contrapuestas: estabilidad de frecuencia y que la señal moduladora
varíe la frecuencia. Por ello, la solución simple de aplicar la señal moduladora a un
oscilador controlado por tensión (VCO) no es satisfactoria.
Modulación del oscilador. En oscilador estable, controlado con un cristal
piezoeléctrico, se añade un condensador variable con la señal moduladora
(varactor). Eso varía ligeramente la frecuencia del oscilador en función de la
señal moduladora. Como la excursión de frecuencia que se consigue nosuele ser suficiente, se lleva la señal de salida del oscilador a
multiplicadores de frecuencia para alcanzar la frecuencia de radiodifusión
elegida.
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Moduladores de fase. Un modulador de FM se puede modelar
exactamente como un modulador de PM con un integrador a la entrada de
la señal moduladora.
Modulador con PLL. Vuelve a ser el VCO, pero ahora su salida se
compara con una frecuencia de referencia para obtener una señal de error,
de modo que se tiene una realimentación negativa que minimiza dicho
error. La señal de error se filtra para que sea insensible a las variaciones
dentro del ancho de banda de la señal moduladora, puesto que estas
variaciones son las que modulan la salida del VCO. Este método se ha
impuesto con la llegada de los PLL integrados ya que ha pasado de ser el
más complejo y costoso a ser muy económico. Presenta otras ventajas,
como es poder cambiar de frecuencia para pasar de un canal a otro ymantiene coherentes todas las frecuencias del sistema.
