Hasta el momento hemos visto como se generan y propagan las ondas de radio, pero de nada sirve enviar una onda electromagnética si no lleva consigo el transporte de alguna información.
Elementos de un sistema de comunicación electrónica
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La modulación
Este sistema, que actualmente aún se emplea, parte de dos ondas:
· Onda portadora: es la encargada de fijar la frecuencia de transmisión y es la que alteraremos para que transporte la información que queremos.
· Onda moduladora: es la onda que queremos transmitir (voz, música, datos, etc...).
El proceso de modulación se basa alterar de una forma determinada la onda portadora en función de la onda moduladora, obteniéndose como resultado final la onda modulada que será radiada. Para ello nos basaremos en los dos parámetros más importantes de una onda:
· La amplitud. · La frecuencia.
En función del parámetro empleado vamos a tener dos posibles tipos modulación: Modulación en amplitud (AM).
· Modulación en frecuencia (FM).
Por supuesto existen más tipos de modulación, pero sólamente tienen interés para transmisión radioeléctrica estas dos.
Modulación en amplitud (AM)
La modulación en amplitud fué el primer método de transmisión por radio. Se basa en variar la amplitud de la onda portadora en función de la amplitud de la onda moduladora, obteniendo como resultado una onda modulada que contiene a la moduladora. Si unimos los extremos de la onda modulada obtendremos la señal moduladora y su simétrica (trazado en verde en el siguiente gráfico):
Modulación en frecuencia (FM)
La modulación en Frecuencia es la técnica de transmisión por radio más popular actualmente. La FM es tan popular porque es capaz de transmitir más información del sonido que queremos transmitir, ya que en AM si se transmiten sonidos que están a frecuencias muy altas se consume un gran ancho de banda. La modulación en frecuencia se basa en variar la frecuencia de la portadora con arreglo a la amplitud de la moduladora.
En resumen para nuestro caso particular en el mercado existen emisoras con varias modalidades de emisión, siendo las principales la AM, FM , PCM
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· AM : son aquellas que emiten en Amplitud Modulada. Apenas se utilizan hoy día para aeromodelismo estando su uso más extendido en emisoras dedicadas al manejo de coches y barcos de radiocontrol. Poco fiables.
· FM: suele ser la modalidad estandar de emisión de los modernos equipos de radiocontrol. FM significa Frecuencia Modulada siendo la emisión de ondas en banda estrecha y por tanto más inmune a las posibles interferencias, tanto a las radioeléctricas que hay en el ambiente como a las generada por el propio avión en vuelo por su normal funcionamiento.
· PCM: es la modalidad más fiable de emisión aunque claro está, esto tiene un precio. Esta modalidad de emisión nació como respuesta a la necesidad de obtener comunicaciones más libres de
interferencias de armónicos en un espacio ya de por sí saturado de frecuencias de emisión. Emisor y receptor funcionan mediante un código binario muy en la línea en el lenguaje utilizado por los ordenadores.
Los sistemas de transmisión y recepción pueden ser analógicas, digitales:
Dependiendo del parámetro sobre el que se actúe, tenemos los distintos tipos de modulación:
Modulación de amplitud (AM), Modulación de fase (PM), Modulación de frecuencia (FM), Modulación de Banda lateral única (SSB), Modulación de banda lateral vestigial (VSB, ó VSB-AM), Modulación de amplitud en cuadratura (QAM), Modulación por división ortogonal de frecuencia (OFDM), también conocida como 'Modulación por multitono discreto (DMT), Modulación por longitud de onda, Modulación en anillo, Cuando la OFDM se usa en conjunción con técnicas de codificación de canal, se denomina Modulación por división ortogonal de frecuencia codificada (COFDM).
Tambíen se emplean técnicas de modulación por impulsos entre ellas:
Modulación por impulsos codificados (PCM), Modulación por anchura de impulsos (PWM), Modulación por amplitud de impulsos (PAM), Modulación por posición de impulsos (PPM), Cuando la señal moduladora es una indicación simple on-off a baja velocidad, como una transmisión en código Morse o radioteletipo (RTTY), la modulación se denomina manipulación, modulación por
desplazamiento, asi tenemos: Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), Modulación por
desplazamiento de fase (PSK), La transmisión de radioteletipo (RTTY) puede ser considerada como una forma simple de Modulación por impulsos codificados. Cuando se usa el código Morse para conmutar on-off la onda portadora, no se usa el termino 'manipulación de amplitud', sino operación en
onda contínua (CW).
La modulación se usa frecuentemente en conjunción con varios métodos de acceso de canal.
Estudiaremos el sistemas de transmisión y recepción de señales de radio AM, FM, PCM, PAM en donde se utilizan ampliamente los osciladores.
La frecuencia de los sonidos que somos capaces de escuchar es muchísimo mas baja (entre 20 Hz y 20 Khz en las personas excepcionalmente finas de oido), así que, si convertimos directamente las ondas de sonido a eléctricas estas serán de una frecuencia tan baja que solo podrán transmitirse por cable.
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La solución para transmitir sonidos por el aire sin utilizar alambres a través de grandes distancias, la encontró Marconi consistía en enviar una señal de frecuencia lo suficientemente alta para que pudiese irradiarse, pero modificandola de manera proporcional a las variaciones del sonido que queremos enviar. La frecuencia alta se llama 'portadora' y la baja 'modulación'. Hablando toscamente podríamos decir que la señal de sonido se 'monta' encima de una señal portadora, que es la que la traslada a través del espacio.
En 1920 y 1930, la radio vino como un contacto importante entre barcos, aviones y con el público en general. Los primeros radio receptores que alcanzaron buena calidad, utilizando tubos de vacío, fueron desarrollados por los años 1930, época aquella que fue denominada "la época de oro de la radio". Desde la segunda guerra mundial se han visto cambios rápidos y una gran expansión en la aplicación de las ondas electromagnéticas (ondas de radio), para propósitos de comunicaciones.
El uso de transistores y circuitos integrados nos ha permitido la fabricación de receptores de radio que son pequeños, baratos y portables, y por supuesto, el crecimiento y desarrollo de la televisión, es solamente otro alcance de la comunicación con imágenes, sin el uso de cuerdas que se conecten. La operación esencial de la televisión es básicamente la misma de la radio.
Actualmente, con la utilización de los satélites de comunicaciones, se podría decir que no hay sitio de la tierra que no esté comunicado entre sí y además ya le han extendido y utilizado las comunicaciones hasta otros planetas y sitios lejanos del universo. Todas las comunicaciones humanas se refieren a la transmisión de sonidos, imágenes o medios escritos entre dos o más sitios diferentes.
Elementos de un sistema de comunicación
La figura se muestra los elementos funcionales de un sistema completo de comunicación. Por conveniencia, se han aislado como entidades distintas, aunque en los sistemas reales la separación no
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suele ser tan obvia. También se índica que hay algunos factores no deseados que inevitablemente forman parte de la comunicación.
mensaje de entrada señal de entrada señal transmitida señal recibida señal de salida mensaje de salida
fuente
destino
Omitiendo los transductores, hay tres partes esenciales en un sistema de comunicación eléctrica: el transmisor, el canal de transmisión y el receptor. Cada uno de ellos tiene su función característica.
Transmisor
El transmisor pasa el mensaje al canal en forma de señal. Para lograr una transmisión eficiente y efectiva, se deben desarrollar varias operaciones de procesado de la señal. La mas común e importante de estas operaciones es la modulación. Se trata de un proceso orientado al acoplamiento de la señal a transmitir a las propiedades del canal, por medio de una onda portadora.
Receptor
La fundón del receptor es extraer del canal la señal deseada y entregarla al transductor de salida. Como las señales recibidas son frecuentemente muy débiles, debido a la atenuación que sufren en el canal, el receptor debe tener varias etapas de amplificación. En todo caso, la operación clave que ejecuta el receptor es la demodulación (o detección, caso inverso del proceso de modulación del transmisor) con lo cual la señal vuelve a su forma original.
Canal de Transmisión
El canal, o medio, de transmisión, es el enlace, en general electromagnético entre el emisor y el receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino. En la transmisión de todas las
Transmisor Ruido e interferenci Transductor de entrada Canal de transmisión Receptor Transductor de salida
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modulaciones generadas en el emisor se puede dar a través de cinco canales de transmisión distintos.Estos son: una línea bifílar, una línea coaxial, una fibra óptica, un enlace de radio (herziano) y un enlace óptico.
Todos los canales de transmisión se caracterizan por la atenuación que imponen a la señal, es decir, la disminución progresiva de la potencia de la señal conforme aumenta la distancia, siendo éste un factor importante a considerar.
Utilidad de las modulaciones
Muchas señales de entrada no pueden ser enviadas directamente hacia el canal, tal como provienen del transductor. Para ello se modifica una onda portadora, cuyas propiedades se adaptan mejor al medio de transmisión en cuestión, para representar el mensaje. .La modulación es la alteración sistemática de la onda portadora de acuerdo con el mensaje (señal moduladora) y puede ser también una codificación. Es interesante hacer hincapié en que muchas formas de comunicación no eléctricas también encierran un proceso de modulación, y la voz es un buen ejemplo. Cuando una persona habla, los movimientos de la boca ocurren de una manera más bien lenta, del orden de los 10 Hz, que realmente no pueden producir ondas acústicas que se propaguen. La transmisión de la voz se hace por medio de la generación de tonos portadores, de alta frecuencia, en las cuerdas vocales, tonos que son modulados por los músculos y órganos de cavidad oral. Lo que el oído capta como voz, es una onda acústica modulada, muy similar a una onda eléctrica modulada.
El éxito de un sistema de comunicación en una misión determinada, depende en gran parte de la modulación. Tanto es así que el tipo de modulación es una decisión alrededor de la cual gravita el diseño del sistema y por esta razón muchas técnicas de modulación han evolucionado y cubierto diversas tareas y requisitos de muchos sistemas. Y conforme aparezcan nuevas exigencias, se desarrollarán nuevas técnicas.
A pesar de la multitud de variedades, es posible identificar dos tipos básicos de modulación en relación a la clase de onda portadora: la modulación de onda continua, en la cual la portadora es simplemente una forma de onda senoidal, y la modulación de pulsos, en la cual la portadora es un tren periódico de pulsos.
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Puesto que la modulación de onda continua es un proceso continuo, es posible adaptarla a señales que están variando constantemente con el tiempo. Por lo general, la portadora senoidal es de mayor frecuencia que cualquiera de las componentes de frecuencia contenidas en la señal moduladora. El proceso de modulación se caracteriza pues por una traslación de frecuencia, es decir, el espectro del mensaje (su contenido de frecuencia) se corre hacia arriba a otra banda de mayor frecuencia.
La modulación de pulsos es un proceso discontinuo o discreto, en el sentido de que los pulsos aparecen sólo en ciertos intervalos de tiempo. Por eso la modulación de pulsos se adapta mejor a los mensajes que son discretos por naturaleza. Con la ayuda del muestreo, las señales que varían continuamente pueden ser transmitidas sobre portadoras pulsadas.
Pero, haciendo caso omiso del tipo, la modulación debe ser un proceso reversible, de tal manera que el mensaje pueda ser recuperado en el receptor por medio de la operación complementaria de demodulación
Consideraciones para la modulación
La modulación se precisa para acoplar la señal con el medio de transmisión.
Modulación por facilidad de radiación
Una radiación eficiente de energía electromagnética requiere de elementos radiadores (antenas cuyas dimensiones físicas sean por lo menos de 1/10 de su longitud- Pero muchas señales, especialmente de audio, tienen componentes de frecuencia del orden de los 100 Hz o menores, para lo cual necesitaría antenas de unos 300 km de longitud sí se radiaran directamente. Utilizando la propiedad de traslación de frecuencia de la modulación, estas señales se pueden imprimir sobre una portadora de alta frecuencia, con lo que se logra una reducción sustancial del tamaño de la antena. Por ejemplo, en la banda de radio de FM. Donde las portadoras están en el intervalo de 83 a 108 MHz, las antenas no deben ser mayores de un metro.
Modulación para reducir el ruido interferencia
Es imposible eliminar totalmente el ruido del sistema, y, aunque es posible eliminar la interferencia, puede no ser practico. La disminución sin embargo, ocurre a un cierto precio, generalmente requiere de un ancho de banda de transmisión (intervalo de frecuencia) mucho mayor que el de la señal original.
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Modulación por asignación de frecuencia
El propietario de un aparato de radio o televisión puede seleccionar una de varias estaciones, aún cuando todas las estacionas estén transmitiendo material de programa similar en el mismo medio de transmisión. Es posible seleccionar y separar cualquiera de las estaciones, dado que cada una tiene asignada una frecuencia portadora diferente. Si no fuera por la modulación, sólo operaría una estación en un área dada. Dos o más estaciones que transmitiera; directamente en el mismo medio, sin modulación producirían una mezcla inútil de señales interferentes.
Modulación para multicanalización
A menudo se desea transmitir muchas señales en forma simultánea entre dos puntos. Las técnicas de multicanalización son formas intrínsecas de modulación, permitiendo la transmisión de señales múltiples sobre un canal, de tal manera que cada señal puede ser captada en el extremo receptor. Las aplicaciones de la multicanalización. Es muy común, por ejemplo, tener hasta 1800 conversaciones telefónicas de ciudad a ciudad, multicanalizadas y transmitidas sobre un cable coaxial de un diámetro menor de un centímetro.
Modulación para superar las limitaciones del equipo
El diseño de un sistema se da de acuerdo a la disponibilidad de equipo, el cual a menudo presenta inconvenientes en relación con las frecuencias involucradas. La modulación se puede usar para situar una señal en la parte del espectro de frecuencia donde las limitaciones del equipo sean mínimas o donde se encuentren más fácilmente los requisitos de diseño. Para este propósito, los dispositivos de modulación se encuentran también en los receptores, como ocurre con los transmisores.
Factor de modulación (m) y porcentaje de modulación (m)
Señal de audio con información o señal de modulación (AF)
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Onda portadora (RF) Onda modulada ora delaportad V uladora eaudioo delaseñald V V V V V RF V AF V A B m ulación índicede p p ppmín PPmá ppmí PPmá P p mod mod = + − = = = = 100 100 100 mod x V V V V m x RF V AF V m x A B m ulación de porcentaje ppmín PPmá ppmí PPmá P p + − = = = = PROBLEMAS
1. Una señal de audio de 15v modula en amplitud a una portadora de 60 v.
a.) dibuje la señal de audio b.) dibuje la portadora c.) constrúyase la onda modulada d.) determinar el factor de modulación y porcentaje».
2. ¿Cuántas estaciones de difusión en AM caben en un ancho de banda de lOOKHz si la frecuencia más alta para modular una portadora es de 5 KHz?
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El Modulador de Diodo S1 L1 + C1 R3 D1 R2 R1
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En la figura se muestra un sencillo circuito modulador en amplitud. La señal moduladora (AF) se aplica a la resistencia R 1 , y la portadora, a la R2. La señal que aparece en el ánodo del diodo es la
suma de ambas. Supongamos, de momento, que S1 está abierto. D1 conduce cuando el ánodo es más
positivo que el cátodo, con lo que circula una corriente por R3 produciendo en ella una caída de
voltaje. S1 no existe en la realidad; sólo se incluye para la explicación. El circuito tanque LC,
realmente se conecta siempre en paralelo con R3. Si suponemos, pues, que Si está cerrado, cada vez
que conduce D1, fluye un impulso de corriente al tanque, que está sintonizado a la frecuencia de la
portadora. El impulso de corriente lo hace oscilar completando el ciclo negativo que falta.
Modulación (transmisor) en amplitud modulada (AM)
Para comprender mejor la modulación, veamos un modulador sencillo:
MIC
Los transmisores de radio, llamados "emisoras" tienen altas potencias del orden de 10, 20, 50 y más kilovatios y se fabrican con dispositivos de potencia, que son los que pueden suministrar estas potencias. Los transmisores de bajas potencias se utilizan para comunicaciones comerciales o de radio aficionados.
Las ondas sonoras se convierten en variaciones corriente eléctrica a su paso por el micrófono. Esta señal tiene una amplitud de unos pocos milivoltios.
Amplificador de audio Impulsor Amplificador de potencia modulada Oscilador de RF Mezclador Modulador
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La señal obtenida se envía a un amplificador de audio donde se aumenta, resultando entonces una onda de audio frecuencia o AF con un voltaje apreciable. Al mismo tiempo un oscilador de radiofrecuencia o RF, llamado así porque es alta y se utiliza en los sistemas de radio, está produciendo una corriente alterna (CA) a una frecuencia asignada a ese radio transmisor por la entidad gubernamental encargada de regular las comunicaciones en cada país.
Estas dos señales, audio frecuencia y radio frecuencia se unen en la etapa mezcladora dando como resultado una señal modulada en AM pero de baja amplitud o nivel. Esta señal se debe amplificar considerablemente para entregarla a una antena que la convierte en ondas de radio electromagnéticas que pueden viajar por el espacio en forma de ondas electromagnéticas.
Modulación es el proceso de añadir información a una onda portadora. La portadora es una señal de RF que se trasmite de un lugar a otro a través del espacio o mediante líneas de transmisión. Las dos características de una onda de c.a, que usualmente se modulan por el sonido, son la amplitud y la frecuencia. Cuando se varia la amplitud de una onda de acuerdo con otra onda en alguna forma re- presenta información, el procesó se llama modulación de amplitud. La onda que se modula es la portadora (RF) y la otra es la onda o señal moduladora (AF). La portadora consta de ondas senoidales cuyas amplitudes siguen las variaciones de amplitudes de la onda moduladora, de tai manera que siempre está dentro de una envolvente.
Las ondas de radio se emplean para transmitir información de distintos tipos. Las estaciones de radio transmite información de audio. (música, noticias, otras); para evitar interferencias, se asigna a cada emisora su propia frecuencia.
Las ondas de radio son generadas aplicando una corriente alterna de radiofrecuencia a un antena. La antena es un conductor eléctrico de características especiales que debido a la acción de la señal aplicada genera campos magnéticos y eléctricos variables a su alrededor, produciendo la señal de radio en forma de ondas electromagnéticas. Estas ondas se transmiten desde un punto central (la antena emisora) de forma radial y en todas direcciones, pero podemos diferenciar tres formas de transmisión: · Onda de tierra: en principio las ondas de radio se desplazan el línea recta, atravesando la mayoría de los objetos que estén en su camino con mayor o menor atenuación. ondas no son reflejadas a tierra y