Introducción teoría.
La propagación de señales de información a través de medios de transmisión es muy dependiente de las características específicas de dicho medio, de ahí que sea necesario adecuar las señales de información a transmitir a las características del canal de comunicaciones que será utilizado como medio de transmisión.
Este proceso de adaptación de las señales de información al medio de transmisión es lo que se conoce como Modulación de la señal.
En el extremo contrario, en recepción, será necesario hacer la operación contraria, es decir, recuperar la señal de información a partir de la onda modulada. Este proceso se conoce como proceso de Demodulación de la señal.
El proceso de modulación y demodulación de la señal es necesario desde el punto de vista de poder realizar la transmisión de señales a través del canal de comunicaciones de forma eficiente. Este proceso de modulación consiste en un desplazamiento de la Banda Base de la señal de información hacia frecuencias más altas que resultan más adecuadas para la transmisión; y en recepción, se requiere el correspondiente desplazamiento a la banda original para la recuperación de la señal de información o mensaje.
● Emisor: Dispositivo encargado de la generación de la señal de información o mensaje a transmitir.
● Modulador: Dispositivo encargado de la adaptación de la señal de información a las características especiales del Canal de Comunicaciones.
● Canal de comunicaciones o Medio de transmisión: Será el medio encargado de soportar la transmisión de la señal de información (radio, cable de pares, coaxial, guiaondas, fibra óptica, etc.).
● Demodulador: Módulo encargado de recuperar la señal de información a partir de la señal recibida a la salida del Canal de Comunicaciones.
● Receptor: Es el destinatario de la señal de información o mensaje.
En la Figura anterior se identifican la señal de información generada por el emisor x(t), la onda portadora xc(t), la onda modulada que se inyecta al canal de comunicaciones ytx(t), la onda modulada recibida a la salida del canal de comunicaciones yrx(t), y la onda demodulada recibida y(t). El objetivo del sistema de comunicaciones es que la señal recibida y(t) sea una réplica exacta de la señal de información x(t) cuales quieran que sean las características del Canal de Comunicaciones.
Las señales sinusoidales constituyen las ondas portadoras por excelencia en los distintos tipos de modulación. Una onda portadora sinusoidal queda definida unívocamente por su amplitud, frecuencia y fase como se muestra en la siguiente ecuación:
Donde Ac es la amplitud de la onda portadora, ωc es la pulsación angular de la portadora que está relacionada con la frecuencia de la onda a través de la expresión ωc = 2πfc, y ϕ es la fase de la señal portadora.
El proceso de modulación de la señal consiste en la variación de alguno de estos parámetros de la onda portadora, xc(t), en función de la señal de información x(t), dando así lugar a los diferentes tipos de modulación analógica:
● Modulación de amplitud. La amplitud de la onda portadora varía en función de la señal de información: Ac = F(x(t)).
● Modulación de frecuencia. La frecuencia de la onda portadora varía en función de la señal de información: fc = F(x(t)).
● Modulación de fase. La fase de la onda portadora varía en función de la señal de información: ϕ = F(x(t)).
El resultado del proceso de modulación es la onda modulada, ytx(t), que es la que se inyecta en el canal de comunicaciones, transmitiéndose de forma más eficiente que la señal de información en banda base, x(t).
Modulación en amplitud AM.
Considérese la onda portadora de la Ecuación 11.2, y una señal de información u onda moduladora x(t).
Se define la Modulación de Amplitud como el proceso por el cual se varía la amplitud de la onda portadora en función de la señal de información x(t). El resultado del proceso de modulación es la señal modulada ytx(t), como se ve en la fórmula anterior donde Am es un coeficiente relativo a la modulación.
Se considera que la señal de información está normalizada (|x(t)max| ≤ 1) y que no tiene componente continua (x(t) = 0). Es importante hacer notar que para que no se produzca sobremodulación ha de cumplirse la condición:
Ac −(Am·|x(t)|max) ≥ 0 =⇒ Ac ≥ Am ·|x(t)|max
Es fácil observar como la señal de información viaja en la amplitud de la onda portadora, o dicho de otro modo, la señal de información viaja en la envolvente de la onda modulada y(t).
Supóngase que la señal de información u onda moduladora viene dada por un tono, y por tanto x(t) = cos(ωmt), siendo fm la frecuencia del tono de la señal de información. La onda portadora vendrá dada por xc(t) = Accos(ωct), y así puede ya calcularse la onda modulada y(t) a partir de la siguiente expresión:
ytx(t) = Ac[1+m·cos(ωmt)]cos(ωct) = Ac cosωct)+Acm÷2[cos((ωm+ωc)t)+cos((ωc−ωm)t)]
Se representan gráficamente las formas de onda de la señal de información, la portadora y la señal modulada.
Modulador de ley cuadrática.
El principio de operación del modulador de ley cuadrática está basado en tres procesos:
● el proceso de suma de las ondas portadora xc(t) y moduladora x(t).
● el proceso de creación de los productos de intermodulación mediante un elemento no lineal.
● un filtrado paso banda para extraer los productos de intermodulación deseados.
Los elementos no lineales más comúnmente empleados en este tipo de circuitos electrónicos son los diodos semiconductores y los transistores. El filtrado suele realizarse con filtros de sintonía simple o doble mediante circuitos tanque.
De forma general, un dispositivo no lineal de ley cuadrática presenta una característica de transferencia que puede aproximarse por:
vs(t) = a1 · ve(t) + a2 · v2e(t)
Donde ve(t) y vs(t) representan las señales de voltaje a la entrada y a la salida del elemento no lineal, respectivamente; y a1 y a2 son constantes características del elemento no lineal. La señal de entrada al elemento no lineal ve(t) vendrá dada por la suma de las ondas moduladora x(t) y portadora xc(t).
ve(t) = x(t) + Ac(t)cos(ωct)
La respuesta del elemento no lineal a la entrada ve se muestra a continuación:
El primer término de la Ecuación anterior corresponde a la señal modulada AM deseada con un índice de modulación m = 2a2 ÷ a1. Los demás términos corresponden a los productos de intermodulación no deseados. El filtro pasobanda a la salida del modulador es el encargado de seleccionar la señal modulada AM deseada y eliminar los productos de intermodulación no deseados, estando este filtro sintonizado a la frecuencia de la onda portadora fc.
Detector envolvente.
La modulación AM no es una modulación muy eficiente en cuanto a potencia se refiere ya que parte de la potencia emitida no está relacionada con la información a transmitir sino con la portadora. Sin embargo, la principal ventaja de esta modulación es la sencillez de la demodulación, es decir, la simplicidad de la detección de la señal de información a partir de la onda modulada recibida. Esta sencillez del demodulador redunda en equipos de abonado con un menor coste.
El circuito más simple de demodulador AM es el detector de envolvente, el cual logra extraer la señal de información y(t) a partir de la señal modulada recibida yrx(t).
El principio de funcionamiento del detector de envolvente es sencillo. Para valores de yrx(t) positivos el diodo se comporta como un cortocircuito y el condensador se carga hasta el valor de pico de la señal modulada. Cuando los valores de la señal yrx(t) se hacen negativos, el diodo se comporta como un circuito abierto y el condensador se descarga a través de la resistencia, siguiendo la envolvente de la onda. Se ha de llegar a una solución de compromiso ya que la constante de carga y descarga del condensador no puede ser ni muy alta ni muy baja. En el caso de tener una constante RC muy alta el condensador se descargará muy lentamente y por tanto dicha descarga no podrá seguir las variaciones de máxima pendiente de la envolvente de la onda modulada. En el caso contrario de constantes RC muy bajas, el condensador se descargará muy rápidamente y este hecho se traduce en un fuerte rizado en la señal de información recuperada y(t) que hace disminuir la calidad de la señal. Una buena solución de compromiso es diseñar la constante RC según:
fm = 1 ÷ RC
donde fm representa la frecuencia máxima que puede contener la señal de información o señal moduladora x(t).
Práctica.
El circuito emisor- receptor de AM que se estudiará en la práctica se muestra en las siguientes figuras:
El emisor consiste en un modulador AM de ley cuadrática, mientras que el receptor es un demodulador AM basado en detección de envolvente.
El esquema circuital de este emisor AM esidéntico al que se muestra en la Figura11.5 con la diferencia que este emisor AM permite seleccionar la onda moduladora entre dos fuentes de señal generadas bien por el Generador de Funciones o bien por un micrófono.
Emisión y recepción de un tono simple.En primer lugar y para calibrar y sintonizar el sistema de comunicaciones radio con modulación en amplitud se emitirá y recibirá un tono simple. Los pasos a seguir son los siguientes:
● Genere con un Generador de Funciones la señal portadora xc(t), que deberá ser una onda senoidal de frecuencia aproximadamente igual a 800KHz y 6V pico−pico. Introduzca esta señal en el circuito emisor debidamente alimentado a 12V, y visualice con el osciloscopio la señal que se obtiene en el colector del transistor (nodo 3 del emisor) que se corresponde con la onda modulada y(t).
● A continuación varíe la frecuencia de la onda portadora hasta que la amplitud de la onda modulada, y(t) que visualiza en el osciloscopio, sea máxima. En este momento mida la frecuencia de esta señal con el osciloscopio y con el display del generador de funciones y anótela para reflejarla en la memoria de la práctica, ya que ésta será la frecuencia de la portadora a la que se realizará la emisión AM.
● Una vez se ha sintonizado debidamente la portadora con la característica del filtro paso banda se introduce la señal de información, o señal moduladora, que en este caso consistirá en un tono simple, es decir, una onda senoidal de frecuencia igual a 1.5KHz y amplitud 6V pico−pico. Genérela con otro Generador de Funciones y mídala con el osciloscopio para cerciorarse que es correcta.
A continuación inyéctela en el circuito emisor y mida con el osciloscopio la onda modulada ytx(t) que se emite. Refleje esta medida en la memoria de la práctica y explique la forma de onda que se observa.
¿Qué ocurre si aumenta un poco la amplitud de la señal moduladora?
Refleje en la memoria de la práctica la medida de la onda modulada en este caso y explique el porqué del fenómeno observado. Vuelva a fijar la amplitud de la onda moduladora en 6Vpico−pico y utilice un latiguillo cualquiera como antena para la emisión de la señal de onda modulada. Una vez que se está emitiendo la señal modulada al espectro radioeléctrico se deberá de recibir ésta mediante un demodulador AM. Para esto, se utilizará un aparato de radio convencional.Sintonice el receptor radio en la banda AM y a la frecuencia de la portadora que se está realizando la emisión y que se midió anteriormente. Deberá escuchar en el aparato de radio el tono que se está emitiendo como señal moduladora. ¿Qué ocurre si varía un poco arriba y abajo la frecuencia de la señal moduladora? Continúe midiendo con el osciloscopio la señal modulada que se emite, refléjela en la memoria de la práctica e intente justificar los fenómenos observados.
