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Anexo FM
FM Y AM
(FRECUENCIA Y AMPLITUD MODULADA)
AN.1. INTRODUCCIÓN
La frecuencia es otro de los parámetros que se pueden variar en la señal portadora. Como se ha comentado en capítulos anteriores, la modulación en frecuencia (FM), consiste en variar la frecuencia de la señal portadora al ritmo de la señal moduladora. En el caso de la amplitud modulada (AM), será la amplitud de la señal portadora la que varíe o sea modulada por la señal moduladora.
Los primeros experimentos de radiodifusión en FM los realizó Edwin Howard Armtrong (1890 – 1954) en 1933.
Este tipo de modulación es de mayor calidad que la modulación en amplitud (AM), ya que la información está contenida en la variación de la frecuencia siendo esta característica mas inmune al ruido y a la interferencia, al contrario que en la modulación en amplitud donde el ruido y la interferencia afectan mas a la amplitud. En este capítulo, se describirá con mas detalle la modulación en FM, por encontrarse en la actualidad aún vigente frente a la modulación en amplitud bastante en desuso dentro del ámbito comercial. Aunque estas dos forma de modulación sean analógicas, los estudios utilizan técnicas digitales donde el proceso de conversión puede reducirse a el proceso descrito en la siguiente figura.
2 Anexo AM y FM.
AN.2. AUDIO. ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS
Sin entrar en detalle en todos los conceptos básicos, en este apartado solo se describirán algunos considerados mas relevantes para el estudio de una transmisión con modulación en frecuencia.
Podemos decir que un transmisor de audio en FM nos permite transportar el sonido desde la localización donde se genera, ya sea estudio o localización exterior, a través de un transmisor, donde la calidad del sonido transmitido dependerá del tratamiento dado al audio en todas las etapas previas al modulador.
4 Anexo AM y FM.
Fp
Fp(Fm)
m
Fp
Fm
m = = =
Los excitadores de FM son aquellos equipos encargados de generar una señal en modulación en frecuencia FM, apta para excitar a los amplificadores finales de potencia, diseñados para alcanzar la cobertura prevista para ese centro emisor. Dichos excitadores, fundamentalmente los de ultima generación, aceptan un rango de señal de 0 a 70dB. Será el procesador de audio el que se encargue de comprimir el rango dinámico de entrada cuando supere los 70dB, disponiendo de varios ajustes para hacer esta corrección lo mas eficaz posible.
AN.3. INDICE DE MODULACIÓN EN FM
El parámetro mas importante en este tipo de modulación es el índice de modulación (m), que se define como el cociente entre la desviación de frecuencia (incremento o disminución) que sufre la variación de frecuencia de la señal portadora en relación con la frecuencia de la señal portadora no modulada. El índice de modulación se representa como:
Ejemplo: Una emisora de FM transmite con una frecuencia de 108MHz. La variación de frecuencia de la señal moduladora es de 15KHz. Calcular el índice de modulación.
AN.4. VENTAJAS DE LA MODULACIÓN EN FRECUENCIA
La ventaja de la modulación en frecuencia son:
- Inmunidad contra las interferencias de otras emisoras, ya que debido a la alta frecuencia utilizada por las señales portadoras (88MHz a 108MHz), la propagación solo puede realizarse por ondas directas y con un alcance relativamente pequeño (entre 60Km y 100Km).
- Gran calidad en la recepción debido al ancho de banda de la señal moduladora, permitiendo con ello enviar señales de sonido de alta fidelidad.
- Inmunidad frente a los ruidos parásitos, ya que estos afectan a la amplitud de la señal y no a la frecuencia.
Otras características inherentes a la modulación de frecuencia pueden ser:
- En el caso de la radiodifusión comercial la frecuencia máxima de la señal moduladora es de 15KHz, siendo el máximo incremento de la frecuencia portadora que se puede realizar de +/- 75KHz, según la normativa en este tipo de transmisiones.
FM Y AM (FRECUENCIA Y AMPLITUD MODULADA) 5
Como se emiten dos bandas laterales, el ancho de banda total de una emisión de FM será de :
BW = 2(∆f + fm) = 2(75KHz) = 150KHz
Como se puede ver, el ancho de banda necesario para transmitir una señal de radio en FM es muy grande. La banda de frecuencia que se utiliza para este tipo de transmisiones está situada en la banda II de VHF, siendo su frecuencia también muy elevada (desde los 88MHz hasta los 108MHz), para que sean muchas la emisoras que puedan utilizar esta banda de frecuencias, sin interferirse unas con otras.
AN.5. MODULACION DE TRANSMISIONES DE FM ESTÉREO
Para la modulación de transmisiones de Fm estéreo hay que codificar dos señales, la señal del sonido del canal izquierdo (L) y la señal del sonido del canal derecho (R). Para que la transmisión sea compatible con la recepción monofónica es necesario que también se envía la señal monofónica que está compuesta por la suma del canal izquierdo y derecho (L+R), correspondiente a una señal monofónica normal.
Cuando se trata de la recepción de emisoras en estéreo, hay que transmitir también la señal diferencia (L-R) de los dos canales de audio para que se puedan obtener los canales estereofónicos. Esta transmisión debe hacerse por separado. Como se puede apreciar en la siguiente figura, se muestra el espectro de frecuencia que tiene un canal de radio estereofónico.
(meter figura de espectro estereofónico)
FM Y AM (FRECUENCIA Y AMPLITUD MODULADA) 7
Durante el proceso de codificación que se realiza en la emisora, se modula en frecuencia la señal (L+R) con la portadora principal para que la transmisión sea compatible con los receptores monofónicos, ya que, según las normas establecidas internacionalmente hay que mantener la compatibilidad entre los sistemas monofónicos y los estereofónicos, pudiendo ser recibida la señal de Fm tanto por unos como por otros.
La señal diferencia (L-R), se modula en amplitud con una señal subportadora auxiliar de 38KHz, que queda suprimida (para mejorar el rendimiento de emisión en términos de energía como se ha comentado anteriormente), pudiendo ser recuperada mediante la subportadora de 19KHz (señal MPX).
Una señal al ser modulada en amplitud, se crean dos bandas laterales, una por encima y otra por debajo de la frecuencia central (38KHz) en una cantidad igual a la frecuencia de modulación. Teniendo en cuenta que la frecuencia máxima (de audio) que puede transmitirse es de 15KHz, las frecuencias mas alejadas de las bandas laterales inferior y superior ocuparan las frecuencia entre 23KHz (38KHz – 15KHz) y 53KHz (38KHz + 15KHz). Estas bandas laterales que resultan de la modulación en amplitud, se modulan en frecuencia posteriormente con la frecuencia portadora del canal de FM deseado.
Como se ha comentado anteriormente, la diferencia de canales (L-R) se modula en amplitud con una frecuencia subportadora de 38KHz, con lo que se generaban dos bandas laterales pero con portadora de 38KHz suprimida. El objetivo fundamental de la eliminación de la subportadora de 38KHz radica fundamentalmente en:
- Un ahorro de energía en la transmisión de una señal que puede ser recuperada en el receptor a través de la subportadora de 19KHz.
- La posible interferencia que pudiera producirse entre dicha subportadora de 38KHz y la señal diferencia (L-R) en las frecuencia bajas, esto es debido fundamentalmente por la proximidad entre ambas señales y las desviaciones esporádicas en frecuencia de las señales de interés.
El conjunto de todas estas señales, componen una señal de radio estereofónica denominada señal multiplex ó MPX.
AN.6. GENERADOR ESTEREO
En este apartado se hará una breve descripción de cómo debe ser el generador estéreo para generar una señal multiplex o MPX, comentada en el apartado anterior.
En la siguiente figura podemos encontrar lo siguiente:
8 Anexo AM y FM.
Podemos describir el generador de señal MPX haciendo referencia a las siguiente partes:
1º.- Filtro en canales L y R: Lo primero que podemos encontrar son dos filtros paso bajo en las entradas de ambos canales L y R. La frecuencia de corte de dichos filtros es de 15KHz, con el objeto de asegurarnos de que no entra alguna frecuencia superior pudiendo llegar a interferir con la señal piloto de 19KHz, luego es importante que ambas señales se encuentren filtradas.
2º.- Preénfasis: El circuito de preénfasis no es mas que un filtro que realce los tonos altos, de esta forma los tonos de frecuencia alta quedarán mas realzados frente a como se encontraban originalmente. Esto es necesario hacerlo debido a que el ruido aumenta a medida que aumenta la frecuencia, por lo que las frecuencias altas quedarían enmascaradas por el ruido por lo que la calidad de dichos sonidos a frecuencias altas quedarían muy deteriorados. Si realzamos los tonos altos, la diferencia entre el ruido existente y el nivel de señal a esas frecuencias sería mayor, por lo que la SNR entre señal y ruido sería mayor. En el receptor tendríamos un circuitos contrario al de preénfasis, sería un circuito de deénfasis, restituyendo con ello el volumen original de dichos tonos de alta frecuencia. Los circuitos de preénfasis se configuran a un valor de 50uS (en EEUU a 75uS), siendo este valor nada mas que la constante de tiempo de la combinación de los componentes resistivos y capacitivos que forman el circuito en cuestión.
En la siguiente figura podemos ver lo indicado anteriormente:
10 Anexo AM y FM.
AN.6. DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIA EN LA BANDA DE FM
La banda de FM está distribuida en 68 canales, ocupando un ancho de banda de cada canal de 200KHz cada uno. La numeración va del canal 2 (no existiendo en 1), hasta el canal 69. En la siguiente tabla se puede apreciar la distribución de canales en la banda de la FM comercial.
FM Y AM (FRECUENCIA Y AMPLITUD MODULADA) 11
Amplitudseñalportadora
Amplitudseñalmoduladora
m =
m = =
AN.7. INDICE DE MODULACIÓN EN AM
La señal moduladora en la práctica es una señal de sonido procedente de cualquier fuente generadora de audio. La señal portadora se obtiene de un oscilador de alta frecuencia que genera el transmisor.
El parámetro mas importante que caracteriza a una modulación en amplitud es el índice de modulación (m). Este índice da una idea de la relación que hay entre la amplitud de la señal moduladora y la amplitud de la señal portadora.
El índice de modulación en %, se define cómo:
Ejemplo: Una señal portadora de AF cuya amplitud es de 80, es modulada por una señal de BF de amplitud 70. Calcular el índice de modulación.
AN.8. INDICACIONES DE LA AM
Podemos mencionar lo siguiente:
- Si el índice de modulación (m) es cero: significa que no hay señal moduladora.
- Si el índice de modulación (m) es del 50%: significa que la amplitud de la señal portadora es el doble de la amplitud de la señal moduladora.
- Si el índice de modulación (m) es del 100%: significa que las amplitudes de la señal moduladora y portadora son iguales.
- Si el índice de modulación (m) es superior al 100%: significa que la amplitud de la moduladora es superior a la amplitud de la portadora y se está produciendo una sobremodulación que origina una distorsión en la recepción.
AN.9. CARACTERÍSTICAS DE LA AM
A parte de las indicaciones anteriores, cabe mencionar algunos aspectos a tener en cuenta sobre la modulación en amplitud.
FM Y AM (FRECUENCIA Y AMPLITUD MODULADA) 13
AN.11. CALIDAD EN AM
En las emisiones comerciales de modulación en amplitud se limita la frecuencia máxima de modulación que contiene la información de audio a 4,5KHz, y por consiguiente a un ancho de banda de 9KHz para cada emisión. Esta limitación en el ancho de banda está impuesta por la Unión Internaciones de Telecomunicaciones (ITU), para que puedan introducirse el mayor número de canales en la banda de frecuencias.
Debido a este requisito, la calidad de sonido que tiene este tipo de modulación es muy mala, siendo imposible enviar un sonido de calidad con este ancho de banda. Cabe recordar que este tipo de emisión está prácticamente en desuso por este motivo y alguno mas, como por ejemplo las interferencias en radiofrecuencias producidas por motores, electricidad estática, etc... afectan en gran medida a estas emisiones como consecuencia que producen en su amplitud todas estas interferencias.
En la practica la información que aparece a ambos lados de la portadora (bandas laterales) es la misma, por esto, se suele eliminar totalmente o de forma parcial una de las dos bandas laterales para ahorrar potencia en la transmisión.
El rendimiento de las modulaciones en amplitud suelen mejorarse:
- DBSSC: Doble Banda Lateral con Portadora Suprimida. Se suprime la portadora para ahorrar energía, incrementando con ello la potencia de las bandas laterales y aumentando por tanto el alcance del emisor.
- Eliminación de una de las bandas laterales ó banda lateral unica (BLU): Solo se envía la portadora un una de las bandas laterales generadas en la modulación en AM En este caso el ancho de banda es el mismo que el de la señal moduladora. El inconveniente de esto es que el modulador y demodulador tienen que ser complejos para evitar distorsiones.
- Banda lateral residual: En esta operación se envía una banda lateral completa y un residuo de la otra. Con esto conseguimos que tanto el modulador como el demodulador no deban ser tan precisos como en el caso anterior. Este tipo de modulación era la utilizada en la TV analógica para transmitir la señal de luminancia.
14 Anexo AM y FM.
8.RL
m.
P P
2 2 BLI BLS
= = V^ c
m.
P
2 BLD
= P^ c
m
P. 1
2
t(AM)
= PC +
2.RL
P
2 C
= V^ c
AN.12. ACTIVIDADES
E.1. Supongamos un transmisor de AM que modulado al 100% entrega 50KW a la antena y cuya eficiencia global es del 30%. Calcular:
a) ¿Qué consumo hace el transmisor de la línea de suministro de energía eléctrica? b) ¿Qué pasa con el resto de potencia suministrada no entregada a la antena? c) ¿Por cuánto pasará la factura la empresa que suministra la energía eléctrica? d) ¿Cuál es la potencia útil de señal para el transmisor? e) ¿Cuál es la información útil transmitida teniendo en cuenta que la eficiencia máxima de un emisor en AM es del 16,6%? f) Indica el porcentaje de eficiencia global para m=1.
E.2. Para una señal de AM DSBFC (Amplitud Modulada Doble Banda Lateral con Portadora -Double Side Band Full Carrier-), con un voltaje pico de la portadora no modulada de 10V, una resistencia de carga RL=10 ΩΩΩΩ , y el coeficiente de modulación m=1. Calcular:
a) Potencia de la portadora y las bandas laterales superior e inferior. La expresión que determina la potencia de las bandas laterales es:
b) Potencia total de la banda lateral. La expresión que determina la potencia total de la banda lateral es:
c) Potencia total de la onda modulada. La expresión que determina la potencia total de la onda modulada es:
d) Dibuja el espectro de potencia.
e) Repite los pasos anteriores para una modulación de m=0,
16 Anexo AM y FM.
E.5. El transmisor VIMESA HJ 10 AGIL, cubre toda la banda de onda media (527KHz – 1606KHz), en pasos de 9KHz alcanzando 120 canales de salida en la banda. Este transmisor de estado sólido está compuesto por 8 etapas de potencia MOS-FET de 1,25KW, dando entre todos una potencia nominal de 10KW. En el caso del fallo de una de las etapas, el emisor puede seguir funcionando a potencia reducida. Calcular en este caso para una potencia reducida (como consecuencia de fallo en algunas etapas) de 1000W y un coeficiente de modulación de m = 0,2.
a) Potencia total de la banda lateral. (Ecuación vista anteriormente)
d) Potencia total transmitida.
E.6. ¿Qué desventaja predomina en la transmisión DSBFC ó también llamada AM completa?
E.7. Responde a las siguientes cuestiones:
a) ¿Qué ocurre si m es mayor que 1?
b) ¿Cómo se llama el cambio que produce una señal moduladora sobre las características de una señal portadora?
c) Explica en que consiste la modulación en amplitud o AM.
d) Explica en que consiste la modulación en frecuencia o FM.
E.8. Responde a las siguientes cuestiones:
a) ¿Cómo se llama el circuito para producir modulación?
b) ¿Cómo se llama lo contrario a la acción de modulación?
c) ¿Qué ancho de banda en AM se tendrá si la frecuencia moduladora es de 4,5KHz?
E.9. Responde a las siguientes cuestiones:
a) ¿Cuál es el ancho de banda de un canal de FM?
b) ¿Cuál es la máxima desviación de frecuencia (audio) en Fm, según normativa?
c) ¿Por qué se suprime la subportadora de la señal diferencia (L-R)?
FM Y AM (FRECUENCIA Y AMPLITUD MODULADA) 17
E.10. Responde a las siguientes cuestiones:
a) ¿A partir de qué señal se recuperan las subportadoras de la señal diferencia (L-R) y de RDS?
b) ¿Cómo se obtienen los canales L y R a partir de las señales suma (L+R) y diferencia (L-R)?
c) ¿Por qué se modulan en amplitud las señales (L-R) y RDS?
