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CAPITULO 3: MODULACION DE ONDA CONTINUA

El proposito de un sistema de comunicaciones es transmitir señales de informacion o bandabase a traves de un canal de comunicaciones que separa al transmisor del receptor. La utilizacion adecuada del canal de comunicación implica un desplazamiento del rango de frecuencias bandabase a otros rangos adecuados para transmision, y luego un desplazamiento hacia la frecuencia original despues de la recepcion.

Este desplazamiento en el rango de frecuencias de una señal se logra aplicando modulación y  se define como el proceso por el cual alguna caracteristica de la portadora es variada de acuerdo con una onda modulante (señal). Una forma comun para esta portadora es la onda sinusoidal, y en tal caso hablariamos de un proceso de modulacion de onda continua.

Aunque el requerimiento primario del proceso de modulación es el de traslación o conversión de frecuencias, hay además algunos propósitos adicionales para modular. Estos son:

Aumento de la frecuencia para facilidad de irradiación: Si el canal es el espacio libre, se necesita antenas para irradiar y recibir las ondas electromagnéticas de las señales mensaje.  

Cambio del ancho de banda: El comportamiento de los dispositivos de procesamiento de señales, tales como los filtros y amplificadores, y la facilidad con la cual pueden instrumentarse, dependen de la ubicación de la señal en el dominio de la frecuencia, es decir, de la relación entre las frecuencias altas y bajas de la señal mensaje.

Reducción del ruido y la interferencia: El efecto del ruido y de las interferencias no puede ser eliminado completamente en un sistema de comunicación.  sin embargo, es posible minimizar sus efectos utilizando determinados esquemas de modulación, los cuales generalmente necesitan anchos de banda muy superiores al ancho de banda de la señal mensaje.  Hay entonces un intercambio o compromiso entre el ancho de banda y la relación señal/ruido.

 

ESQUEMAS DE MODULACIÓN ANALÓGICA DE ONDAS CONTINUAS

La modulación continua de una portadora de alta frecuencia es el proceso mediante el cual un parámetro (amplitud o ángulo) de la portadora se varía en forma instantánea proporcionalmente a una señal mensaje de baja frecuencia.

Generalmente se supone que la portadora es una señal sinusoidal, pero ésta no es una condición necesaria. Si la portadora es sinusoidal, la señal modulada se puede expresar mediante la expresión general:

Donde a(t) es la “amplitud instantánea” de la portadora, fc la frecuencia de portadora, φ(t) la “desviación de fase instantánea” de la portadora, y θ(t) el “ángulo o fase instantánea” de la portadora. Estos son los parámetros de la señal modulada xc(t) . A(t) es la envolvente natural de xc (t) , mientras que φ(t) es su fase natural.

En el estudio de los diferentes tipos de modulación de ondas continuas se le da gran importancia a tres parámetros fundamentales de los sistemas de comunicación:  Las relaciones señal/ruido, El ancho de banda de transmisión, La complejidad de los dispositivos de modulación y demodulación. Estos parámetros permiten la comparación entre los diferentes tipos de modulación, no solamente de ondas continuas, sino también en relación con los sistemas de modulación de señales digitales.

 

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.

  

Modulador Conmutado Y Detector De Envolvente

La generacion de una onda am se puede lograr de muchas formas; una de esas formas es mediante el uso de un modulador conmutado.

Se asume que la onda portadora aplicada al diodo es de gran amplitud, por lo que oscila plenamente a traves de la curva caracteristica del diodo. Este diodo actua como un switch ideal, presentando impedancia cero al estar polarizado directamente. El voltaje v2(t) varia entre los valores v1(t) y cero a una tasa igual a la frecuencia de portadora fc. Asi lo que se logra es linealizar  el comportamiento del diodo. V2(t)=[ac*cos(2πfct)+ m(t)]*g(t), donde g(t) es un tren de pulsos periodico con ciclo de trabajo igual  a  ½  y periodo to=1/fc. Sustituyendo esta señal g(t) por sus series de fourier y combinandola con la expresion para v2  hallamos que el voltaje de carga consiste de la suma de dos componentes. La onda am deseada con sensibilidad de amplitud ka=4/πac.

 Por otra parte existe alguna version de este dispositivo es usada en casi todos los receptores comerciales de radio am. Para que funcione apropiadamente, la onda am debe ser de banda estrecha para lo cual fc debe ser mucho mayor que el bw del mensaje. Sin embargo el porcentaje de modulacion se debe mantener menor al 100%.

En el ciclo positivo de la señal de entrada el diodo se polariza directamente y el capacitor se carga rapidamente al valor pico de la señal de entrada.  en el caso contrario el condensador se descarga hasta el siguiente ciclo positivo. La constante de tiempo de carga relaciona la resistencia en el diodo y la de la fuente de voltaje aplicada (rd +rs)c y debe ser pequeña al compararse con el periodo de la portadora: (rd +rs)c<<1/fc

De otro lado la constante de descarga rlc debe ser suficientemente grande para asegurar que el capacitor se descargue lentamente a traves de la resistencia de carga rl pero que no sea tan lento que c no se descargue a la maxima tasa de cambio de la onda modulante. 1/fc<<rlc <<1/w. El resultado que se obtiene es que el voltaje del capacitor o detector de salida es cercano a la envolvente de la onda am.

 

ESQUEMAS DE MODULACION LINEAL 

Modulación DSB-SC

La multiplicación de una señal por una senoidal traslada en frecuencia su densidad espectral. Este efecto, conocido como propiedad de modulación, puede usarse para generar señales de amplitud modulada y para demodularlas. La modulación con portadora suprimida proporciona un medio conveniente para observar el espectro de frecuencias completo de una señal f(t). Todo lo que hay que hacer es trasladar la señal por medio de una frecuencia portadora Wc, mayor que las cotas espectrales (ancho de banda) de la señal. Este principio es muy utilizado en el análisis espectral.

El hecho de que haya dos bandas laterales y no aparezca portadora separada en f(t) sugiere la siguiente designación conveniente para este tipo de modulación: doble banda lateral con portadora suprimida.

La recuperación de la señal original f(t) de la señal f(t) DSB-SC, requiere otra traslación de frecuencia que desplace al espectro a su posición original, para luego recuperarla con un filtro pasa bajo. Este proceso de retraslación del espectro se llama demodulación o detección.

Modulación SSB

La modulación en banda lateral única es una evolución de la AM. La banda lateral unica es muy importante para la rama de la electrónica basica ya que permite transmitir señales de radio frecuencia que otras modulaciones no pueden transmitir.

En la transmisión en Amplitud Modulada se gasta la mitad de la energía en transmitir una onda de frecuencia constante llamada portadora, y sólo un cuarto en transmitir la información de la señal moduladora (normalmente voz) en una banda de frecuencias por encima de la portadora. El otro cuarto se consume en transmitir exactamente la misma información, pero en una banda de frecuencias por debajo de la portadora.

Es evidente que ambas bandas laterales son redundantes, bastaría con enviar una sola, y la portadora tampoco es necesaria. Por medio de filtros colocados en el circuito de transmisión, el transmisor BLU elimina la portadora y una de las dos bandas. El receptor, para poder reproducir la señal que recibe, genera localmente -mediante un oscilador- la portadora no transmitida, y con la banda lateral que recibe, reconstruye la información de la señal moduladora original.

 

 

 

Modulación de banda lateral vestigial

En inglés Vestigial Side Band (VSB), es una modulación lineal que consiste en filtrar parcialmente una de las dos bandas laterales resultantes de una modulación en doble banda lateral o de una modulación AM.

Esta modulación se utiliza en la transmisión de la componente de luminancia en los sistemas PAL, SECAM y NTSC de televisión analógica. La banda lateral que es parcialmente filtrada constituye un vestigio de la banda lateral original y porta habitualmente del 5% al 10% de la potencia total transmitida, mejorando la relación señal a ruido en las bajas frecuencias de la señal moduladora.

Las principales ventajas de este sistema son:

·        Ocupa menor ancho de banda que la modulación en AM de Doble Banda Lateral DSB-LC

·        Puede ser demodulada usando demoduladores síncronos de AM

·        No requiere de filtros tan abruptos (filtros mas realizables en la realidad)





 TRASLACIÓN DE FRECUENCIA

 La conversion, mezcla o heterodinacion de frecuencias es una operación clave en los sistemas de transmision y procesamiento de señales. Esta operación permite desplazar el espectro de una señal bandabase hacia arriba o hacia abajo a una nueva banda de frecuencias.

 El dispositivo que realiza la operación es llamado convertidor o mezclador y es primordialmente un modulador balanceado seguido de un filtro pasabanda centrado en la gama de frecuencias a la que queremos desplazar la señal mensaje. A las frecuencias de entrada no deseadas que producen interferencias en la frecuencia f2, se las conoce con el nombre de “frecuencias imagen” y pueden constituir una interferencia muy molesta si no son adecuadamente filtradas antes del mezclador.

 

MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA

Es una operación mediante la cual una cantidad de señales diferentes son transmitidas conjunta y simultáneamente por un mismo canal mediante el empleo de subportadoras y traslación de frecuencias.

En efecto, el espectro de cada señal es trasladado a una banda diferente y el espectro compuesto o señal fdm forma una banda de base que se puede transmitir utilizando cualquiera de los esquemas de modulación ya vistos.  En tdm todas las señales utilizan la misma banda de frecuencias pero operan en tiempos diferentes, mientras que en fdm todas las señales operan al mismo tiempo pero utilizan bandas de frecuencia diferentes.



En el transmisor, cada señal individual se aplica a un modulador con una subportadora diferente.  Estas subportadoras generalmente son de b.f y no son normalmente  apropiadas para la transmisión directa  en rf.  Las señales moduladas se combinan en un circuito sumador, algunas veces denominado “combinador”, cuya salida compuesta, la señal de banda de base, modula un transmisor de rf. La parte de entrada es el receptor de rf cuyo ancho de banda debe ser suficiente para acomodar la señal de banda de base multicanal. En el receptor de rf la señal compuesta es recibida, demodulada y aplicada a una batería de filtros pasabanda centrados en las frecuencias de las subportadoras.  El ancho de banda de cada filtro debe ser diseñado cuidadosamente para que deje pasar solamente el espectro de la señal correspondiente. Finalmente, cada mensaje individual es detectado y recuperado según el tipo de modulación empleado en el transmisor.

 



MODULACIÓN ANGULAR

El También llamada exponencial o no lineal.

• La amplitud de la onda se mantiene constante, mientras que se varía el ángulo de la portadora de forma proporcional a la información.

El ángulo está formado por la fase    y por la frecuencia  multiplicada por el tiempo:

Esto da dos posibilidades de modulación: haciendo variar la fase o la frecuencia de manera proporcional a la señal de información .

La amplitud de la onda permanece constante.

Entre sus ventajas se destacan:

1.     La amplitud constante la hace menos susceptible a las no linealidades

2.     La amplitud constante le proporcionan inmunidad contra el desvanecimiento rápido.

3.     Menos sensible a la interferencia de canales adyacentes

4.     La Fm intercambia la relación señal ruido por ancho de banda

 

MODULACIÓN EN FRECUENCIA (FM)

Podemos transmitir información modulando la amplitud de una onda portadora con una onda moduladora que contenga dicha información. Otra forma muy utilizada es modular la frecuencia de la onda portadora, a este proceso se le denomina modulación en frecuencia (F.M.). La modulación de amplitud o A.M. tiene varios inconvenientes. El primero de ellos es que la banda útil de la que disponemos para mandar información es bastante pequeña. El segundo es que son ondas muy sensibles al ruido exterior, que se va adicionando a la onda modulada y cuando es recogida por el receptor la información puede estar distorsionada por los ruidos.

Otro de los tipos de modulación que podemos usar para mandar una información de un sitio a otro es la modulación en frecuencia o F.M.. Al modular en frecuencia vamos a tener una onda portadora como en el caso de la modulación A.M. en la cual vamos a imprimir la información que queremos enviar. En este caso lo que varía es que la información se imprime en la frecuencia de la señal portadora. La frecuencia de la señal portadora fp va a ser variada al ritmo de la tensión de baja frecuencia, Vbf, de la onda moduladora. Si aumenta la tensión de baja frecuencia va a aumentar el valor de la frecuencia de la portadora y al disminuir la tensión de baja frecuencia la frecuencia de la portadora va a disminuir. La amplitud de las ondas va a ser constante en este proceso de modulación de baja frecuencia.

Las ventajas de la modulación en frecuencia sobre la modulación en amplitud son bastantes. Las modulaciones en frecuencia necesitan una potencia de modulación mucho menor que las de amplitud. Su mayor ventaja consiste en que las señales moduladas en frecuencia son mucho menos afectadas por los ruidos y señales externas. El motivo por el que las perturbaciones afectan mucho menos a una modulación en frecuencia es porque dichas perturbaciones afectan a la amplitud de la onda produciendo una modulación adicional en amplitud, en el caso de las modulaciones en frecuencia como la amplitud debe ser constante es bastante fácil de filtrar en el receptor la modificación de la amplitud; sin embargo, en la modulación en amplitud se confunde con la modulación de la propia onda y puede dificultar en gran medida a la hora de demodular la información ya que se puede confundir la modulación producida por la información y la producida por el ruido. Otra de las ventajas es el aumento en el ancho de banda de las señales moduladas en frecuencia como luego veremos.



 

 

MODULACIÓN EN FASE (PM)

Este tipo de modulación está muy ligado a la modulación en frecuencia, tanto que mucha gente lo considera un caso específico de ésta. El modulador de fase está formado por un oscilador de alta frecuencia que genera la tensión Vaf de la frecuencia portadora. Esta tensión es enviada por una parte a un desfasador que la gira 90º obteniéndose a su salida una tensión que vamos a denominar V1 y, por otro lado, a un modulador donde es modulada en amplitud por un oscilador de baja frecuencia, obteniéndose otra tensión a la salida a la que llamaremos V2. Después estas dos tensiones, V1 y V2, van a ser compuestas en una sola. El resultado final va a ser una señal cuya magnitud y fase van a depender de Vbf. A la salida del modulador se ha producido una modulación de fase y una modulación de amplitud, aunque esta última puede eliminarse.

RECEPTOR SUPERHETERODINO

El receptor superheterodino lleva a cabo casi toda la amplificacíon de la frecuencia constante denominada Frecuencia intermedia, o FI, utilizando una frecuencia fija, con lo que se consiguen ajustes más precisos en los circuitos y se aprovecha todo lo que puede dar el componente utilizado (válvula termoiónica, transistor o circuito integrado). Fue inventado por Edwin Howard Armstrong, inventor también del circuito regenerativo, del receptor superregenerativo y de la radiodifusión de frecuencia modulada (FM).

 

Los receptores superheterodinos mezclan o heterodinan una frecuencia generada en un oscilador local (Floc), contenido en el receptor, con la señal entrante en antena (Fant).  De esta heterodinación resultan dos frecuencias: una superior (Fant + Floc) y otra inferior (Fant – Floc) a la frecuencia entrante. Una de ellas, normalmente la inferior, es elegida como FI (frecuencia intermedia), filtrada con un filtro de alto Q factor de calidad, amplificada y posteriormente detectada o demodulada para obtener la audiofrecuencia que se oirá, después de convenientemente amplificada, a través de un altavoz.

 

El usuario sintoniza el receptor mediante el ajuste de la frecuencia del oscilador local (Floc) y la sintonización de las señales entrantes (Fant).

En la mayoría de los receptores estos ajustes se realizan de forma simultánea, actuando sobre un condensador variable con dos secciones en tándem, esto es, acopladas en el mismo eje. Una de las secciones de este condensador forma parte del circuito oscilador local y la otra del de sintonía de la señal entrante, de tal forma que cuando se varía la frecuencia sintonizada en la entrada, se varia también la frecuencia del oscilador local, manteniendo constante la diferencia entre ambas, que es la Frecuencia intermedia) (FI).

 

Actualmente, casi todos los receptores utilizan este método. El diagrama siguiente muestra los elementos básicos de un receptor superheterodino de conversión simple. En la práctica no todos los diseños tendrán todos los elementos de este esquema, ni este cubre la complejidad de otros, pero los elementos esenciales de: un oscilador local, un mezclador seguido por un filtro y un amplificador de FI, son comunes a todos los receptores superheterodinos

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