Hablaremos aquí de un tema de vital importancia: la manera en que las ondas electromagnéticas pueden transportar informaciones, o sea, mensajes, sonidos y hasta imágenes. Explicaremos, entonces, que es la modulación, y algunas de sus aplicaciones básicas.
Comunicaciones por radio
Todos sabemos, aunque sea solamente por experiencia práctica, de qué modo las ondas de radio pueden "viajar" de una estación transmisora hasta una estación receptora, incluso distancias de miles de quilómetros. La mayoría conoce también de qué modo dos estaciones pueden funcionar en el mismo instante, sin peligro de interferirse una a la otra, por estar en frecuencias diferentes.
¿Pero, de qué modo se puede enviar un mensaje a través de una onda de radio? Una onda de radio tiene una frecuencia mucho mayor que la máxima que podemos oír. Incluso captando y amplificando una onda de radio lo bastante para aplicar la corriente en un parlante, nada oiríamos, como ilustra la figura 2.
La onda en sí nada significa en términos de sonido o información. Para que tengamos un sistema de comunicaciones de radio eficiente, es necesario que la información sea enviada por la onda de radio.
Hay varias maneras de conseguir esto.
a) CW
El primer sistema posible de comunicaciones es el que hace uso de interrupción codificada de la onda.
La onda es continua, o sea, siempre tiene las mismas características (de ahí que el sistema se llame CW : "continuons wave”, onda continua) pero es establecida e interrumpida de manera codificada.
Un "manipulador" es entonces conectado de modo de controlar la emisión de la onda, como muestra la figura 3.
Cuando el operador aprieta el manipulador y establece la emisión por un intervalo corto de tiempo tenemos un punto cuando el operador aprieta el manipulador por un intervalo más largo tenemos una raya
Combinando puntos y rayas se puede hacer una codificación, ya usada en los sistemas de telegrafía por cable.
Esta codificación es la que damos a continuación, el conocido "Código Morse”.
La recepción de las señales en onda continua, codificada de este modo presenta algunos problemas que hay que resolver.
Si conectamos a la salida del receptor un parlante, cada vez que se establezca la serial no oiremos nada más que un silbido, pues la onda en si es de alta frecuencia, no transportando sonido alguno.
Una manera de recibir mejor estas señales, consiste en usar en el receptor un oscilador u otro dispositivo cualquiera que produzca una serial audible cada vez que se capta la señal, o sea, acompañando el establecimiento de la onda en el transmisor.
Así, en lugar del "soplo" que se oiría en el parlante, que es difícil de interpretar, tenemos un sonido audible alto y continuo, como ilustra la figura 4.
Los receptores de comunicaciones poseen recursos, inclusive, para que el sonido de la serial sea ajustado por el operador a su gusto.
Las comunicaciones en CW o telegrafía tienen la ventaja de poder ir más lejos que otros tipos de comunicaciones, como veremos, pues siendo la amplitud de la señal constante y siempre máxima, es la menos afectada por las interferencias o ruidos.
b) Modulación en amplitud (AM)
En lugar de generar la señal de audio en el receptor, podemos hacer algo diferente: podemos hacer que la onda de radio lleve” esta señal directamente al receptor si empre con una codificación tipo Morse.
Esto es posible mediante un proceso de modulación en amplitud, que se muestra la figura 5.
Si conectamos un oscilador de audio a un amplificador de modo de aumentar la amplitud, podemos combinar la señal de audio con la serial de radio, de modo que uno haga variar de intensidad al otro.
Para ser más claros, la aplicación de la señal de audio hace que la intensidad de la señal de radio varíe en el mismo ritmo o frecuencia. Tenemos entonces una onda de radio, pero que sufre variaciones causadas por una frecuencia más baja, justamente la frecuencia de la serial de audio, como ilustra la figura 6.
Vea que la amplitud de la serial de radio en este caso, para mayor eficiencia del sistema, varía entre el máximo y el mínimo de cero, lo que significa 100% de modulación.
Si la intensidad de la serial de audio aplicada a la serial de radio fuera pequeña, las variaciones no serán de 100%, como muestra la figura 7, y del mismo modo, si la intensidad fuera mucho mayor, tendremos más de 100% lo que se denomina ”sobremodulación".
En el primer caso, la señal de radio no será aprovechada totalmente, pues la onda puede llegar muy lejos, pero la señal de audio, por estar "debilitada", no podrá ser percibida. En el segundo caso, ocurren problemas más serios que son la distorsión de la señal de audio y la producción de señales de radio de frecuencias próximas que pueden ocasionar interferencias en otras estaciones.
Existen otros sistemas de modulación además del AM, e incluso este sistema puede ser usado en la transmisión de sonidos.
La transmisión de los sonidos
La modulación en amplitud (AM) puede también ser usada para transmitir señales diferentes de las codificadas por un manipulador y un oscilador.0
Si en lugar del manipulador y del oscilador conectamos un micrófono al amplificador que controla la intensidad de la serial de radio transmitida tendremos un efecto diferente.
Al hablar en el micrófono, cada sonido emitido corresponde a una frecuencia, comportándose como si fuera un oscilador conectado por una fracción de segundo. Nuestra voz, así como cualquier sonido, es una combinación de frecuencias que tienen un patrón muy especial, como muestra la figura abajo.
La aplicación de este patrón en el transmisor hace que la onda se altere en su amplitud, acompañándolo en la forma.
Esta onda tiene por lo tanto. una "envolvente” o contorno. que es un retrato fiel de la señal que recibe el micrófono, o sea, de la voz humana, del sonido de un instrumento o de una orquesta.
Para que esta sena] pueda convertirse en sonido nuevamente en el receptor, existe un circuito especial.
Así, la onda modulada en amplitud de la estación, que incide en la antena, induce en ésta una corriente de alta frecuencia, cuya forma de onda corresponde a la serial original, o sea, a la señal modulada.
Esta señal pasa. en primer lugar, por el circuito de sintonía, que tiene por función separar solamente la comente de la estación que queremos captar de las demás. En seguida, la señal de la estación deseada pasa por un "detector de envolvente", que puede ser un simple diodo, como muestra la figura.
Este diodo rectifica la serial de modo que nos quedamos solamente con la "mitad” de los semiciclos, llevando entonces todo a un capacitor.
Este capacitor funciona como un "corto" para la parte de alta frecuencia de la sena] que es desviada hacia tierra. Quedándonos solamente la envolvente de la sena], que es nada más y nada menos que un retrato del sonido transmitido (o modulación).
Si la señal de la estación es muy fuerte y usamos una buena antena podemos tener sonido simplemente conectando un audífono a este circuito, como muestra la figura.
Las denominadas radios de cristal o radios de galena tenían solamente estos componentes. El diodo era sustituido por un cristal de galena, ya que en aquella época no existían los modernos detectores de silicio o germanio.
Conectando en la salida de este circuito un amplificador de audio podemos tener mayor intensidad para el sonido. Así funciona un receptor de AM, llamado de amplificación directa. La serial de audio es amplificada en cuanto es detectada, o sea, extraída de la portadora de alta frecuencia que la transporta.
El paso siguiente es hablar de la modulación en frecuencia (FM) y comparar las calidades de sonido que se pueden obtener con ella y con la AM.
La modulación en frecuencia o FM
En la modulación en amplitud, la señal de audio es aplicada al transmisor de modo de hacer variar la intensidad o amplitud de la onda. o sea, la potencia, como sugiere la figura 13.
La onda electromagnética transmitida por un transmisor de AM sufre entonces variaciones de intensidad en el mismo ritmo o frecuencia de sonido que se desea que la misma transporte. Podemos decir que una representación gráfica de su intensidad resulta en una envolvente que retrata el sonido que está siendo transportado.
Pero, en lugar de hacer que el sonido controle la intensidad de la señal, podemos proceder de modo diferente, haciendo que el mismo actúe sobre la frecuencia del transmisor. Lo que tendremos entonces es otro proceso de modulación que también funciona y que se denomina FM, o frecuencia modulada.
Suponiendo entonces que tenemos una señal de radio (alta frecuencia) de 100 kHz, como muestra la figura seguiente, podemos modularla con una señal de frecuencia menor, por ejemplo 1 kHz.
Tenemos entonces las siguientes situaciones que son representadas en la figura seguiente.
a) Cuando no hay señal moduladora, o sea, cuando su intensidad es cero, la frecuencia de la portadora o serial de alta frecuencia se mantiene.
b) Cuando la intensidad de la señal moduladora crece en los semiciclos positivos, la frecuencia de la serial portadora aumenta en la misma proporción.
c) Cuando la intensidad de la serial moduladora decrece en el sentido de los semiciclos negativos, la frecuencia de la señal portadora decrece en la misma proporción.
En suma, las variaciones de frecuencia de la serial portadora retratan la señal de baja frecuencia o audio.
Es importante que el lector observe que sea cual sea la intensidad o la frecuencia de la señal moduladora, la amplitud de la señal portadora se mantiene. Sólo varia la frecuencia!
Es también importante observar que las variaciones de la frecuencia de la señal portadora no corresponden a las variaciones de frecuencia de la señal moduladora, pero si a las variaciones de su intensidad.
Para recibir las señales moduladas en frecuencia será necesario usar un circuito diferente del usado en la recepción de las señales moduladas en amplitud.
Así, mientras llamamos detectores a los circuitos que extraen las señales de bajas frecuencias de las señales de altas frecuencias captadas en los receptores de AM, denominamos discriminadores a los circuitos que son capaces de extraer la señal de audio de las señales de altas frecuencias captadas por los receptores de FM.
Los discriminadores
Podemos decir que un discriminador está formado por circuitos resonantes y diodos, cuya finalidad es entregar en su salida una tensión continua, cuyo valor será proporcional a la frecuencia de la señal de entrada.
La polaridad de la tensión obtenida en el discriminador dependerá de Ja relación existente entre la frecuencia de entrada y la frecuencia para la cual el mismo esté sintonizado.
Pero todo esto quedará más claro si analizamos el funcionamiento de un discriminador, cuyo circuito está representado en la seguiente figura.
Este circuito se denomina ”discriminador de Travis" o también de doble sintonía.
Tenemos entonces tres bobinas sintonizadas para frecuencias diferentes.
L2 y L3 están sintonizadas para frecuencias un poco menores que la frecuencia modulada que se desea "discriminar” y un poco mayores, respectivamente, como ilustra la figura seguiente.
Así, en la ausencia de modulación en frecuencia, la señal encontrada en el circuito corresponde a la frecuencia central, para la cual ninguna de las dos bobinas se encuentra sintonizada. La salida en este caso corresponde a una tensión mínima.
Cuando la frecuencia de la señal aumenta, en los picos positivos de modulación, la misma se desplaza en el sentido de que la bobina L2 puede responder a las mismas, cuando aparece una señal entre sus extremos, serial ésta que el diodo D1 rectifica, entregando en la salida del circuito en la forma de una tensión continua.
Del mismo modo, cuando la frecuencia de la señal disminuye, en los picos negativos de modulación, la misma se desplaza en el sentido de que pueda ser captada por L3. Entonces aparece en sus extremos una tensión que es rectificada por el diodo D2 y llevada a la salida.
Por las características de las bobinas L2 y L3, como muestra la figura, el lector percibe que, cuanto mayor fuera el desvío de la frecuencia original, mayor será la tensión en la salida, obteniéndose así la señal moduladora en su forma original.
De este punto, la misma puede ser entregada a un amplificador de audio y después reproducida.
Vea el lector que este circuito tiene sus inconvenientes, pues las tres bobinas deben estar rigurosamente ajustadas. Si una de ellas, por ejemplo L3, estuviera fuera de ajuste, no habrá más proporcionalidad entre el desvío de frecuencia en los semiciclos negativos y la tensión obtenida en la salida. En este caso, habrá una distorsión del sonido obtenido.
Existen otros circuitos discriminadores como, por ejemplo, el Detector de Relación y el Discriminador de Fase, que funcionan también con señales moduladas en frecuencia, pero abordaremos los mismos en otra oportunidad.
Para nosotros lo que interesa es saber que las señales moduladas en frecuencia pueden perfectamente transportar señales de bajas frecuencias correspondientes los sonidos y que éstos pueden ser recuperados con facilidad en los receptores.
Ventajas de la FM
Si el lector sintoniza una emisora en su aparato de AM y después compara la estación captada con otra estación de la banda de FM, notará una enorme diferencia de calidad. ¿Por qué?
Realmente, el sistema de modulación en frecuencia presenta algunas ventajas en relación a la AM y entre estas está la de poder transmitir una banda más ancha de frecuencias de audio, con lo que se tiene una reproducción mejor de los sonidos.
Es por este motivo que las estaciones de la banda de FM son mucho más apropiadas para la transmisión de programas musicales que las de AM.
Pero analicemos mejor las diferencias.
Supongamos que en su localidad existe una fuente de interferencias y ruidos que puede ser, por ejemplo, una línea de transmisión, una fábrica o taller con máquinas que generan señales de todas las frecuencias posibles.
Si usted conecta su radio de AM o FM fuera de estación captará estas señales de interferencias que se traducirán en ruidos desagradables como estallidos, ronquidos, etc.
Ahora tenemos la diferencia:
Si su radio fuera de AM y usted sintoniza una estación, por más fuerte que la misma sea, no conseguirá cubrir todos los ruidos captados que aparecerán en el parlante. Todavía oirá chasquidos entre las pausas de los locutores y hasta durante los temas musicales.
Pero si sintoniza una estación de FM cuya serial sea más fuerte que la mayoría de los pulsos interferentes, conseguirá cubrir esta interferencia que no aparecerá.
La figura seguiente ilustra lo que ocurre.
En la modulación en amplitud, por más fuerte que sea la sena], todavía así tendrá instantes en que las variaciones de intensidad 1a llevan a cero. En ese punto puede aparecer la señal interferente y ser detectada con la reproducción en el parlante.
En la modulación en frecuencia, la intensidad de la señal se mantiene y siempre que la misma sea mayor que los pulsos interferentes, los cubrirá de modo que los mismos no perjudicarán su recepción.
En suma, la principal ventaja del sistema de FM es la de ser mucho menos sensible a las interferencias que la AM.
Otra ventaja:
Cuando una señal de 10 kHz, que corresponde a un sonido agudo, modula en amplitud una portadora, aunque queramos, no es sólo su amplitud que se altera.
Ocurre también el fenómeno del batimiento que consiste en la suma de la señal moduladora con la portadora y la diferenciación de la serial moduladora con la portadora.
Así, cuando aplicamos la señal de 10 kHz en una portadora de, digamos, 200 kHz, lo que tendremos es, en la realidad, una señal de 190 kHz y una señal de 210 kHz superpuestas a la de 200 kHz, como muestra la seguiente figura.
Este fenómeno causa una dispersión de la estación, que al transmitir 10 kHz ocupa una banda que va de los 190 kHz a los 210 kHz.
Decimos, en lenguaje más propio, que cuando modulamos una portadora de 100 kHz con una señal de audio de l0 kHz, surgen dos frecuencias laterales, una correspondiente a la suma y la otra a la diferencia, cada cual con una intensidad correspondiente a 50% de la modulación.
Perciba el lector que, si quisiéramos transmitir señales de audio de hasta 10 kHz, precisamos una banda cuyo ancho sea dos veces esta frecuencia, o sea, 20 kHz. En estas condiciones, cada estación debe estar separada de la siguiente por 20 kHz.
Ahora, 20 kHz es mucho en términos de disponibilidad de frecuencias en el espectro, de modo que, en realidad, la frecuencia máxima que se puede usar en la modulación de una estación de AM es de 5 kHz, lo que significa que cada estación sólo puede estar separada de la siguiente y de la anterior, por lo menos 10 kHz.
El ”canal” de AM tiene un ancho de 10 kHz y esta anchura es función de la frecuencia más alta de audio que podemos transmitir a través del mismo.
¿En qué influye esto en la calidad del sonido?
Ahora bien, el lector sabe, por artículos anteriores y nuestro curso, que la banda audible va de aproximadamente 15 Hz hasta 15.000 Hz lo que quiere decir que en una pieza musical tendremos, en principio, sonidos de todas las frecuencias dentro de estos límites.
Si cortamos las frecuencias mayores que 5 kHz, porque las mismas no pueden ser transmitidas por AM en vista del ancho del canal, estaremos cortando buena parte de los sonidos que forman parte del espectro audible. Estos sonidos corresponden justamente a los agudos.
En las transmisiones de AM no tenemos entonces los sonidos de frecuencias superiores a 5 kHz que corresponden a los agudos.
En la modulación en frecuencia el problema del límite de la banda no se manifiesta, pues el desvío de frecuencia y por lo tanto el ancho de la banda, dependen de la intensidad de la señal y no de su frecuencia.
Con esto, en las emisiones de FM no sólo podemos transmitir los sonidos agudos de frecuencias superiores hasta 15 kHz, sino también incluir señales de frecuencias más elevadas. como una de 38 kHz que corresponde a la multiplexación de las señales estereofónicas, usadas en su codificación.
Por supuesto, la modulación, también puede aplicarse a la transmisión de imágenes.
Originale - 1991 (Revisado 2017)