Mezclado no lineal

MODULACIÓN A.M.
Introducción
Las señales de información deben ser transportadas entre un transmisor y un receptor sobre
alguna forma de medio de transmisión. Sin embargo, las señales de información pocas veces
encuentran una forma adecuada para la transmisión. La modulación se define como el
proceso de transformar información de su forma original a una forma más adecuada para la
transmisión. Demodulación es el proceso inverso. La modulación se realiza en el transmisor en
un circuito llamado modulador.
Modulación de Amplitud
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 propagase 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 modulación 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 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 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).
Un modulador AM es un aparato no lineal con dos señales de entrada de información: una
señal portadora de amplitud constante y de frecuencia sencilla, y 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.
Aplicaciones tecnológicas de la AM
Una gran ventaja de AM es que su demodulación es muy simple y, por consiguiente, los receptores
son sencillos y baratos; un ejemplo de esto es la radio a galena. Otras formas de AM como la
modulación por Banda lateral única o la Doble Banda Lateral son más eficientes en ancho de
banda o potencia pero en contrapartida los receptores y transmisores son más caros y difíciles de
construir, ya que además deberán reinsertar la portadora para conformar la AM nuevamente y
poder demodular la señal trasmitida.
La AM es usada en la radiofonía, en las ondas medias, ondas cortas, e incluso en la VHF: es
utilizada en las comunicaciones radiales entre los aviones y las torres de control de los
aeropuertos. La llamada "Onda Media" (capaz de ser captada por la mayoría de los receptores de
uso doméstico) abarca un rango de frecuencia que va desde 535 a 1705 kHz.
Representación matemática de la modulación en AM
La señal moduladora, la señal portadora y la señal modulada en AM en sus distintas etapas.
Al considerar la señal moduladora (señal del movimiento) como:
,
y Señal portadora como:
La ecuación de la señal modulada en AM es la siguiente:



= Señal transversal
= Señal fina =
= Índice de modulación (suele ser menor que la unidad)=
Básicamente, se trata de multiplicar el mensaje a transmitir
por la portadora senoidal y, a su
vez, sumarle esa portadora transversal. El espectro en frecuencias de la señal quedará trasladado
a
radianes por segundo, tanto en la parte positiva del mismo cómo en la negativa, y su
amplitud será, en ambos casos, el producto de la señal moduladora por la amplitud de la
portadora, sumado a la amplitud de la portadora, y dividido por dos. El resultado se aprecia en los
enlaces a las siguientes imágenes: amplitud total o rango es la medida de la variación total de los
valores de los datos, es decir la diferencia entre el valor y el valor menor
Demodulación de AM
Existen dos posibilidades para la demodulación de una señal
modulada en AM. La primera de
ellas, la más simple, es sólo posible en caso de que se cumpla la condición siguiente:
En este supuesto, la envolvente de la señal modulada, esto es
es siempre
positiva y para recuperar la señal moduladora es suficiente con un receptor que capte dicha
envolvente. Esto se consigue con un simple circuito rectificador con carga capacitiva. Así
funcionaba la pionera radio de galena.
La otra opción para la demodulación de la señal modulada en AM es utilizar el mismo tipo de
demodulación que se usa en las otras modulaciones lineales. Se trata del demodulador coherente.
Para ello, es necesario conocer la frecuencia de la portadora
y, en ocasiones, también la fase,
lo que requiere la utilización de un PLL (Phase Lock Loop). En este otro supuesto, no es necesario
que el índice de modulación sea menor que la unidad, o lo que es lo mismo, no es necesario que la
envolvente [1 + m·x(t)] sea siempre positiva.
El demodulador coherente utiliza la siguiente propiedad matemática de la función coseno:
, para multiplicar la función
por la portadora:
A partir de esto, con un filtro paso-bajo y un supresor de continua, se obtiene la señal
.
Potencia de la señal modulada
La amplitud máxima de cada banda lateral está dada por la expresión:
y cómo la
potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, la potencia de la señal modulada resultará la
suma de la potencia de la señal portadora más la potencia de ambas bandas laterales:
Para que la igualdad sea posible debemos tener en cuenta las potencias en lugar de las tensiones:
En el caso de que la modulación sea al cien por ciento, entonces
potencia de la señal modulada será:
y por lo tanto la
O lo que es lo mismo:
De lo último se desprende que la onda portadora consumirá dos tercios de la potencia total,
dejando un tercio para ambas bandas laterales.
Índice de Modulación
El índice de modulación de AM es una medida de la variación de amplitud que rodea una
portadora no modulada. Al igual que con otros índices de modulación, en AM esta cantidad
(también llamada "profundidad de modulación") indica la variación introducida por la modulación
respecto al nivel de la señal original. En AM, se refiere a las variaciones en la amplitud de la
portadora y se define como:
donde
y
son la amplitud del mensaje y la
amplitud de la portadora, respectivamente.
Así que si
, la amplitud de la portadora varía en un 50% por encima (y por debajo) de su
nivel original; para
, la señal varía en un 100%. Para evitar la distorsión, la profundidad
de modulación no deberá exceder del 100%. En sistemas de transmisión por lo general se
incorporará un circuito limitador para asegurar cumplir este requisito. Sin embargo, los
demoduladores de AM pueden ser diseñados para detectar la inversión de fase que se produce
cuando la modulación excede el 100%, y automáticamente corrige este defecto. A continuación se
muestran unas imágenes en las que se pueden observar los resultados de modular con diferentes
índices de modulación.
La envolvente de AM
Varias formas o variaciones de modulación de amplitud son posibles de generar. Aunque
matemáticamente no es la forma más sencilla, la portadora de AM de doble banda lateral (AM
DSBFC) se discutirá primero, puesto que probablemente sea la forma más utilizada de la
modulación de amplitud.
AM DSBFC se le llama algunas veces como AM convencional. La onda modulada de salida
contiene todas las frecuencias que componen la señal AM y se utilizan para llevar la
información a través del sistema. Por lo tanto, a la forma de la onda modulada se le llama la
envolvente. Sin señal modulante, la onda de salida simplemente es la señal portadora
amplificada. Cuando se aplica una señal modulante, la amplitud de la onda de salida varía de
acuerdo a la señal modulante.
Observe que la forma de la envolvente de AM es idéntica a la forma de la señal modulante.
Además el tiempo de un ciclo de la envolvente es el mismo que el periodo de la señal
modulante. Consecuentemente, la relación de repetición de la envolvente es igual a la
frecuencia de la señal modulante. Espectro de frecuencia de AM y ancho de banda Como se
estableció 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 señal 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 señal modulante. El efecto de la modulación
es trasladar la señal de modulante en el dominio de la frecuencia para reflejarse
simétricamente alrededor de la frecuencia del conducto.
Recepción de AM
La recepción de AM es el proceso inverso de la transmisión de AM. Un receptor de AM
convencional, simplemente convierte una onda de amplitud modulada nuevamente a la
fuente original de información (o sea, demodular la onda AM). Cuando se demodula una onda
AM, la portadora y la porción de la envolvente que lleva la información (o sea, las bandas
laterales) se convierten (se "bajan ") o se trasladan del espectro de radio frecuencia a la
fuente original de información.
El propósito de este capítulo es describir el proceso de demodulación de AM y mostrar varias
configuraciones del receptor para poder realizar este proceso. Un receptor debe ser capaz de
recibir, amplificar, y demodular una señal de RF. Un receptor también debe ser capaz de
limitar las bandas del espectro Total de radio frecuencias a un banda específica 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 señal de RF se recibe, se amplifica, y se limitan las bandas, deberá convertirse a la
fuente original de información. A este proceso se le llama demodulación. Una vez
demodulada, la información podría requerir de mayor limitación de las bandas y una
amplificación, antes de considerarse lista para usar.
Para entender completamente el proceso de demodulación, primero es necesario tener una
comprensión básica de la terminología utilizada para describir las características de los
receptores y de los circuitos del receptor. La figura siguiente muestra un diagrama a bloques
simplificado de un típico receptor de AM. La sección de RF es la primera etapa y, por lo tanto,
frecuentemente se llama la parte frontal.
Las funciones principales de la sección de RF son: detectar, limitar las bandas y amplificar las
señales RF recibidas. En esencia, la sección de RF establece el umbral del receptor (o sea, el
nivel mínimo para la señal de RF que el receptor puede detectar y demodular a una señal de
información útil).
La sección de RF abarca uno o más de los siguientes circuitos: antena, red de acoplamiento de
la antena, filtro ( preselector ), y uno o más amplificadores de RF. La sección de mezclador /
convertidor reduce las frecuencias de RF recibidas a frecuencias intermedias (IF). La sección de
IF generalmente incluye varios amplificadores en cascada y los filtros pasa-bandas. Las
funciones principales de la sección de IF son la amplificación y selectividad. El detector de AM
demodula la onda de AM y recupera la información de la fuente original. La sección de audio
simplemente amplifica la información recuperada a un nivel utilizable.
Receptor Superheterodino
Detector de Picos
La función de un detector de AM es demodular la señal de AM, recuperar y reproducir la
información de la fuente original. Y debe tener las mismas características relativas de
amplitud. Detector de Picos La siguiente figura muestra un diagrama esquemático para un
demodulador de AM sencillo no coherente, que se llama comúnmente detector de picos.
Debido a que el diodo es un dispositivo no lineal, ocurre una mezcla no lineal en D1 cuando
dos o más señales se aplican a su entrada. Por lo tanto, la salida contiene las frecuencias de
entrada originales, sus armónicas, 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 comúnmente 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 señal de la portadora captura el diodo y lo obliga a activarse y desactivarse
(rectificar) sincrónicamente (tanto frecuencia como fase). Así las frecuencias laterales se
mezclan con la portadora, y se recuperan las señales 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 señal modulante como del
coeficiente de modulación (m). Por lo tanto, la pendiente máxima ocurre cuando la
envolvente está cruzando su eje cero en la dirección negativa. La frecuencia de la señal
modulante más alta que puede demodularse por un detector de picos sin atenuarse se da
como:
, en donde fm(máx) = frecuencia máxima de la señal modulante (hertz).
m = coeficiente de modulación (sin unidades). RC = constante de tiempo (segundos). Para
100% de modulación, el numerador de la ecuación anterior tiende a cero, que esencialmente
significa que todas las frecuencias de la señal modulante son atenuadas cuando se demodula.
Mezclado no lineal
El mezclado no lineal ocurre cuando dos o más señales se combinan en un dispositivo no lineal
tal como un diodo o amplificador de señal grande. Con el mezclado no lineal, las señales de
entrada se combinan de una manera no lineal y producen componentes de frecuencias
adicionales.
Desventajas
Como un medio para transmitir información, la modulación de amplitud tiene muchas
ventajas; sin embargo, también presenta algunas desventajas que, en ciertas condiciones,
limitan su utilidad y obligan a buscar otras formas de modulación. La desventaja principal de la
modulación de amplitud estriba en que la afectan fácilmente diversos fenómenos
atmosféricos (estática), señales electrónicas con frecuencias parecidas y las interferencias
ocasionadas por los aparatos eléctricos tales como motores y generadores.
Todos estos ruidos tienden a modular en amplitud la portadora, del mismo modo que lo hace
su propia señal moduladora. Por lo tanto se convierten en parte de la señal modulada y
subsisten en ella durante todo el proceso de demodulación. Después de la demodulación se
manifiestan como ruido o distorsión, que si es bastante fuerte, puede sobreponerse a toda la
información y hacer completamente inaprovechable la señal demodulada. Aun si aquellos no
son tan acentuados como para tapar parte de la información, sí 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 alimentación de
corriente alterna (por lo común 60 Hz) que se superpone a la señal 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 oscilación involuntaria de frecuencia audio,
o por un golpeteo.
Estos ruidos se pueden eliminar mediante un diseño y una construcción adecuados. Sin
embargo, ciertos tipos de ruidos no se pueden eliminar. El más importante en los equipos
normales de AM de baja y media frecuencia es el ruido parásito, originado por perturbaciones
eléctricas en la atmósfera.
El ruido parásito puede proceder del funcionamiento de un equipo eléctrico cercano (como
los motores de automóviles o aviones), pero en la mayoría de los casos proviene de los rayos y
relámpagos de las tormentas. Las ondas de radio producidas por estas perturbaciones
atmosféricas pueden viajar miles de kilómetros sin sufrir apenas atenuación, y, dado que en
un radio de algunos miles de kilómetros respecto del receptor de radio siempre hay alguna
tormenta, casi siempre aparecen ruidos parásitos.
Los ruidos parásitos afectan a los receptores FM en menor medida, ya que la amplitud de las
ondas intermedias está limitada mediante circuitos especiales antes de la discriminación, lo
que elimina los efectos de los ruidos parásitos. Otra fuente primaria de ruido es la agitación
térmica de los electrones. En un elemento conductor a temperatura superior al cero absoluto,
los electrones se mueven de forma aleatoria.
Dado que cualquier movimiento electrónico constituye una corriente eléctrica, la agitación
térmica origina ruido al amplificarlo en exceso. Este tipo de ruido se puede evitar si la señal
recibida desde la antena es notablemente más potente que la corriente causada por la
agitación térmica; en cualquier caso, se puede reducir al mínimo mediante un diseño
adecuado.
Un receptor teóricamente perfecto a temperatura ordinaria es capaz de recibir la voz de
forma inteligible siempre que la potencia de la señal alcance los 4 × 10-18 W; sin embargo, en
los receptores normales se precisa una potencia de señal bastante mayor.