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Una señal puede ser transportada por una onda de radio AM o FM.
FM tiene mejor rechazo de ruido ( RFI ) que AM, como se muestra en esta espectacular demostración publicitaria de Nueva York realizada por General Electric en 1940. La radio tiene receptores AM y FM. Con un arco eléctrico de un millón de voltios como fuente de interferencia detrás, el receptor de AM solo produjo un rugido de estática , mientras que el receptor de FM reprodujo claramente un programa de música del transmisor de FM experimental W2XMN de Armstrong en Nueva Jersey.

La modulación de frecuencia ( FM ) es la codificación de información en una onda portadora variando la frecuencia instantánea de la onda. La tecnología se utiliza en telecomunicaciones , radiodifusión , procesamiento de señales e informática .

En la modulación de frecuencia analógica , como la radiodifusión, de una señal de audio que representa voz o música, la desviación de frecuencia instantánea , es decir, la diferencia entre la frecuencia de la portadora y su frecuencia central, tiene una relación funcional con la amplitud de la señal moduladora.

Los datos digitales se pueden codificar y transmitir con un tipo de modulación de frecuencia conocida como modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), en la que la frecuencia instantánea de la portadora se desplaza entre un conjunto de frecuencias. Las frecuencias pueden representar dígitos, como 0 y 1 . FSK se usa ampliamente en módems de computadora , como módems de fax , sistemas de identificación de llamadas telefónicas , abrepuertas de garaje y otras transmisiones de baja frecuencia. [1] Radioteletype también usa FSK. [2]

La modulación de frecuencia es ampliamente utilizado para FM de radio de radiodifusión . También se utiliza en telemetría , radar , prospección sísmica y seguimiento de recién nacidos para detectar convulsiones a través de EEG , [3] sistemas de radio bidireccionales , síntesis de sonido , sistemas de grabación de cinta magnética y algunos sistemas de transmisión de video. En la transmisión por radio, una ventaja de la modulación de frecuencia es que tiene una relación señal / ruido mayor y, por lo tanto, rechaza la interferencia de radiofrecuencia mejor que una señal de modulación de amplitud de potencia (AM) de igual potencia . Por esta razón, la mayor parte de la música se transmiteRadio FM .

La modulación de frecuencia y la modulación de fase son los dos métodos principales complementarios de modulación de ángulo ; La modulación de fase se utiliza a menudo como un paso intermedio para lograr la modulación de frecuencia. Estos métodos contrastan con la modulación de amplitud , en la que la amplitud de la onda portadora varía, mientras que la frecuencia y la fase permanecen constantes.

Teoría [ editar ]

Si la información a transmitir (es decir, la señal de banda base ) es y la portadora sinusoidal es , donde f c es la frecuencia base de la portadora y A c es la amplitud de la portadora, el modulador combina la portadora con la señal de datos de banda base para obtener la señal transmitida: [ cita requerida ]

donde , siendo la sensibilidad del modulador de frecuencia y siendo la amplitud de la señal moduladora o señal de banda base.

En esta ecuación, es la frecuencia instantánea del oscilador y es la desviación de frecuencia , que representa el desplazamiento máximo de f c en una dirección, asumiendo que x m ( t ) está limitado al rango ± 1.

Si bien la mayor parte de la energía de la señal está contenida dentro de f c ± f Δ , el análisis de Fourier puede demostrar que se requiere un rango más amplio de frecuencias para representar con precisión una señal de FM. El espectro de frecuencia de una señal de FM real tiene componentes que se extienden infinitamente, aunque su amplitud disminuye y los componentes de orden superior a menudo se pasan por alto en los problemas prácticos de diseño. [4]

Señal de banda base sinusoidal [ editar ]

Matemáticamente, una señal de modulación de banda base puede aproximarse mediante una señal de onda continua sinusoidal con una frecuencia f m . Este método también se denomina modulación de tono único. La integral de tal señal es:

En este caso, la expresión para y (t) anterior se simplifica a:

donde la amplitud de la sinusoide moduladora se representa en la desviación máxima (ver desviación de frecuencia ).

La distribución armónica de una portadora de onda sinusoidal modulada por dicha señal sinusoidal se puede representar con funciones de Bessel ; esto proporciona la base para una comprensión matemática de la modulación de frecuencia en el dominio de la frecuencia.

Índice de modulación [ editar ]

Como en otros sistemas de modulación, el índice de modulación indica cuánto varía la variable modulada alrededor de su nivel sin modular. Se relaciona con variaciones en la frecuencia de la portadora :

donde es el componente de frecuencia más alto presente en la señal de modulación x m ( t ), y es la desviación de frecuencia pico, es decir, la desviación máxima de la frecuencia instantánea de la frecuencia portadora. Para una modulación de onda sinusoidal, se considera que el índice de modulación es la relación entre la desviación de la frecuencia máxima de la onda portadora y la frecuencia de la onda sinusoidal moduladora.

Si , la modulación se llama FM de banda estrecha (NFM), y su ancho de banda es aproximadamente . A veces, el índice de modulación  se considera NFM, de lo contrario, FM de banda ancha (WFM o FM).

Para los sistemas de modulación digital, por ejemplo, la codificación por desplazamiento de frecuencia binaria (BFSK), donde una señal binaria modula la portadora, el índice de modulación viene dado por:

donde es el período del símbolo, y se utiliza como la frecuencia más alta de la forma de onda binaria de modulación por convención, aunque sería más exacto decir que es la fundamental más alta de la forma de onda binaria de modulación. En el caso de la modulación digital, la portadora nunca se transmite. Más bien, se transmite una de dos frecuencias, o bien , dependiendo del estado binario 0 o 1 de la señal de modulación.

Si , la modulación se llama FM de banda ancha y su ancho de banda es aproximadamente . Si bien la FM de banda ancha utiliza más ancho de banda, puede mejorar significativamente la relación señal / ruido ; por ejemplo, duplicar el valor de , mientras se mantiene constante, da como resultado una mejora de ocho veces en la relación señal / ruido. [5] (Compare esto con el chirp de espectro ensanchado , que utiliza desviaciones de frecuencia extremadamente amplias para lograr ganancias de procesamiento comparables a los modos tradicionales de espectro ensanchado más conocidos).

Con una onda de FM modulada por tono, si la frecuencia de modulación se mantiene constante y el índice de modulación aumenta, el ancho de banda (no despreciable) de la señal de FM aumenta pero la separación entre espectros permanece igual; algunos componentes espectrales disminuyen en fuerza a medida que otros aumentan. Si la desviación de frecuencia se mantiene constante y la frecuencia de modulación aumenta, la separación entre espectros aumenta.

La modulación de frecuencia se puede clasificar como banda estrecha si el cambio en la frecuencia portadora es aproximadamente el mismo que la frecuencia de la señal, o como banda ancha si el cambio en la frecuencia portadora es mucho mayor (índice de modulación> 1) que la frecuencia de la señal. [6] Por ejemplo, FM de banda estrecha (NFM) se utiliza para sistemas de radio bidireccionales como el Servicio de radio familiar , en el que la portadora puede desviarse solo 2,5 kHz por encima y por debajo de la frecuencia central con señales de voz de no más de 3,5 Ancho de banda de kHz. La banda ancha FM se utiliza para la transmisión de FM , en la que la música y el habla se transmiten con una desviación de hasta 75 kHz de la frecuencia central y transportan audio con un ancho de banda de hasta 20 kHz y subportadoras de hasta 92 kHz.

Funciones de Bessel [ editar ]

Espectro de frecuencia y diagrama en cascada de una  portadora de 146,52 MHz, modulada en frecuencia por una  sinusoide de 1000 Hz. El índice de modulación se ha ajustado a alrededor de 2,4, por lo que la frecuencia de la portadora tiene una pequeña amplitud. Son evidentes varias bandas laterales fuertes; en principio se produce un número infinito en FM pero las bandas laterales de orden superior son de magnitud despreciable.

Para el caso de una portadora modulada por una sola onda sinusoidal, el espectro de frecuencia resultante puede calcularse utilizando funciones de Bessel del primer tipo, en función del número de banda lateral y el índice de modulación. Las amplitudes de la portadora y de la banda lateral se ilustran para diferentes índices de modulación de señales de FM. Para valores particulares del índice de modulación, la amplitud de la portadora se vuelve cero y toda la potencia de la señal está en las bandas laterales. [4]

Dado que las bandas laterales están a ambos lados de la portadora, su recuento se duplica y luego se multiplica por la frecuencia de modulación para encontrar el ancho de banda. Por ejemplo, una desviación de 3 kHz modulada por un tono de audio de 2,2 kHz produce un índice de modulación de 1,36. Supongamos que nos limitamos a solo aquellas bandas laterales que tienen una amplitud relativa de al menos 0,01. Luego, al examinar el gráfico, se muestra que este índice de modulación producirá tres bandas laterales. Estas tres bandas laterales, cuando se duplican, nos dan (6 × 2,2 kHz) o un ancho de banda requerido de 13,2 kHz.

Regla de Carson [ editar ]

Como regla general , la regla de Carson establece que casi toda (≈98 por ciento) de la potencia de una señal modulada en frecuencia se encuentra dentro de un ancho de banda de:

donde , como se definió anteriormente, es la desviación máxima de la frecuencia instantánea de la frecuencia portadora central , es el índice de modulación que es la relación entre la desviación de frecuencia y la frecuencia más alta en la señal de modulación y es la frecuencia más alta en la señal de modulación. La condición para la aplicación de la regla de Carson es solo señales sinusoidales.

donde W es la frecuencia más alta en la señal moduladora pero de naturaleza no sinusoidal y D es la relación de desviación que es la relación entre la desviación de frecuencia y la frecuencia más alta de la señal no sinusoidal moduladora.

Reducción de ruido [ editar ]

FM proporciona una relación señal / ruido mejorada (SNR), en comparación, por ejemplo, con AM. En comparación con un esquema de AM óptimo, FM suele tener una SNR más pobre por debajo de un cierto nivel de señal llamado umbral de ruido, pero por encima de un nivel más alto, la mejora total o el umbral de silenciamiento total, la SNR es mucho mejor que la AM. La mejora depende del nivel de modulación y la desviación. Para los canales de comunicaciones de voz típicos, las mejoras suelen ser de 5 a 15 dB. La radiodifusión de FM que utiliza una desviación más amplia puede lograr mejoras aún mayores. Las técnicas adicionales, como el preacentuación de frecuencias de audio más altas con la correspondiente desacentuación en el receptor, se utilizan generalmente para mejorar la SNR general en los circuitos de FM. Dado que las señales de FM tienen amplitud constante, los receptores de FM normalmente tienen limitadores que eliminan el ruido de AM, mejorando aún más la SNR. [7] [8]

Implementación [ editar ]

Modulación [ editar ]

Las señales de FM se pueden generar utilizando modulación de frecuencia directa o indirecta:

  • La modulación FM directa se puede lograr alimentando directamente el mensaje en la entrada de un oscilador controlado por voltaje .
  • Para la modulación de FM indirecta, la señal de mensaje se integra para generar una señal de modulación de fase . Esto se usa para modular un oscilador controlado por cristal , y el resultado se pasa a través de un multiplicador de frecuencia para producir una señal de FM. En esta modulación, se genera FM de banda estrecha que conduce a FM de banda ancha más tarde y, por lo tanto, la modulación se conoce como modulación de FM indirecta. [9]

Demodulación [ editar ]

Modulación FM

Existen muchos circuitos detectores de FM. Un método común para recuperar la señal de información es a través de un discriminador o detector de relación de Foster-Seeley . Se puede utilizar un bucle con bloqueo de fase como demodulador de FM. La detección de pendiente demodula una señal de FM mediante el uso de un circuito sintonizado que tiene su frecuencia de resonancia ligeramente desplazada de la portadora. A medida que la frecuencia sube y baja, el circuito sintonizado proporciona una amplitud de respuesta cambiante, convirtiendo FM en AM. Los receptores de AM pueden detectar algunas transmisiones de FM por este medio, aunque no proporciona un medio eficaz de detección para las transmisiones de FM.

Aplicaciones [ editar ]

Efecto Doppler [ editar ]

Cuando un murciélago ecolocalizador se acerca a un objetivo, sus sonidos salientes regresan como ecos, que son Doppler desplazados hacia arriba en frecuencia. En ciertas especies de murciélagos, que producen llamadas de ecolocalización de frecuencia constante (CF) , los murciélagos compensan el cambio Doppler bajando su frecuencia de llamada a medida que se acercan a un objetivo. Esto mantiene el eco de retorno en el mismo rango de frecuencia de la llamada de ecolocalización normal. Esta modulación de frecuencia dinámica se llama compensación de desplazamiento Doppler (DSC) y fue descubierta por Hans Schnitzler en 1968.

Almacenamiento de cinta magnética [ editar ]

Los sistemas de VCR analógicos (incluido VHS ) también utilizan FM a frecuencias intermedias para registrar las partes de luminancia (blanco y negro) de la señal de vídeo. Por lo general, el componente de crominancia se registra como una señal de AM convencional, utilizando la señal de FM de frecuencia más alta como sesgo . FM es el único método factible de grabar el componente de luminancia ("blanco y negro") del video en (y recuperar el video de) una cinta magnética sin distorsión; Las señales de video tienen una amplia gama de componentes de frecuencia, desde unos pocos hercios hasta varios megahercios , demasiado ancho para los ecualizadores.para trabajar debido a ruido electrónico por debajo de -60  dB . FM también mantiene la cinta a un nivel de saturación, actuando como una forma de reducción de ruido ; un limitador puede enmascarar variaciones en la salida de reproducción, y el efecto de captura de FM elimina la impresión y el eco previo . Un tono piloto continuo, si se agrega a la señal, como se hizo en V2000 y muchos formatos de banda alta, puede mantener bajo control la fluctuación mecánica y ayudar a la corrección de la base de tiempo .

Estos sistemas de FM son inusuales, ya que tienen una relación entre la portadora y la frecuencia de modulación máxima de menos de dos; contrasta esto con la transmisión de audio FM, donde la proporción es de alrededor de 10,000. Considere, por ejemplo, una portadora de 6 MHz modulada a una velocidad de 3,5 MHz; por Bessel análisis, las primeras bandas laterales están en 9,5 y 2,5 MHz y la segunda bandas laterales están en 13 MHz y -1 MHz. El resultado es una banda lateral de fase inversa en +1 MHz; en la demodulación, esto da como resultado una salida no deseada a 6 - 1 = 5 MHz. El sistema debe diseñarse de modo que esta salida no deseada se reduzca a un nivel aceptable. [10]

Sonido [ editar ]

FM también se usa en frecuencias de audio para sintetizar sonido. Esta técnica, conocida como síntesis FM , fue popularizada por los primeros sintetizadores digitales y se convirtió en una característica estándar en varias generaciones de tarjetas de sonido para computadoras personales .

Radio [ editar ]

Un transmisor de radio FM estadounidense en Buffalo, NY en WEDG

Edwin Howard Armstrong (1890-1954) fue un ingeniero eléctrico estadounidense que inventó la radio de modulación de frecuencia de banda ancha (FM). [11] Él patentó el circuito regenerativo en 1914, el receptor superheterodino en 1918 y el circuito superregenerativo en 1922. [12] Armstrong presentó su artículo, "Un método para reducir las perturbaciones en la señalización de radio mediante un sistema de modulación de frecuencia", (que describió por primera vez la radio FM) ante la sección de Nueva York del Instituto de Ingenieros de Radio el 6 de noviembre de 1935. El artículo se publicó en 1936. [13]

Como su nombre lo indica, la banda ancha FM (WFM) requiere un ancho de banda de señal más amplio que la modulación de amplitud por una señal de modulación equivalente; esto también hace que la señal sea más robusta frente al ruido y las interferencias . La modulación de frecuencia también es más robusta contra los fenómenos de desvanecimiento de la amplitud de la señal. Como resultado, se eligió FM como el estándar de modulación para la transmisión de radio de alta frecuencia y alta fidelidad , de ahí el término " radio FM " (aunque durante muchos años la BBC lo llamó "radio VHF" porque la radiodifusión FM comercial utiliza parte de la banda VHF —La banda de transmisión de FM ). Receptores de FMemplean un detector especial para señales de FM y exhiben un fenómeno conocido como efecto de captura , en el que el sintonizador "captura" la más fuerte de dos estaciones en la misma frecuencia mientras rechaza la otra (compare esto con una situación similar en un receptor de AM, donde ambas estaciones se pueden escuchar simultáneamente). Sin embargo, la desviación de frecuencia o la falta de selectividad pueden hacer que una estación sea superada por otra en un canal adyacente . La deriva de frecuencia era un problema en los primeros (o económicos) receptores; una selectividad inadecuada puede afectar a cualquier sintonizador.

También se puede utilizar una señal de FM para transportar una señal estéreo ; esto se hace con multiplexación y demultiplexación antes y después del proceso de FM. El proceso de modulación y demodulación de FM es idéntico en los procesos estéreo y monoaural. Se puede utilizar un amplificador de conmutación de radiofrecuencia de alta eficiencia para transmitir señales de FM (y otras señales de amplitud constante ). Para una intensidad de señal determinada (medida en la antena del receptor), los amplificadores de conmutación utilizan menos energía de la batería y normalmente cuestan menos que un amplificador lineal . Esto le da a FM otra ventaja sobre otros métodos de modulación que requieren amplificadores lineales, como AM y QAM .

FM se usa comúnmente en frecuencias de radio VHF para transmisiones de música y voz de alta fidelidad . El sonido de la televisión analógica también se transmite mediante FM. La FM de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en entornos de radio comerciales y aficionados . En los servicios de radiodifusión, donde la fidelidad del audio es importante, generalmente se usa FM de banda ancha. En la radio bidireccional , se utiliza FM de banda estrecha (NBFM) para conservar el ancho de banda para los servicios móviles terrestres, móviles marinos y otros servicios de radio.

Hay informes de que el 5 de octubre de 1924, el profesor Mikhail A. Bonch-Bruevich , durante una conversación científica y técnica en el Laboratorio de Radio de Nizhny Novgorod , informó sobre su nuevo método de telefonía, basado en un cambio en el período de oscilaciones. La demostración de la modulación de frecuencia se llevó a cabo en el modelo de laboratorio. [14]

Ver también [ editar ]

  • Amplitud modulada
  • Radar de onda continua de frecuencia modulada
  • Chirrido
  • Radiodifusión FM
  • Estéreo FM
  • FM-UWB (FM y banda ultra ancha)
  • Historia de la radio
  • Modulación , para obtener una lista de otras técnicas de modulación

Referencias [ editar ]

  1. ^ Stan Gibilisco (2002). Aprenda usted mismo la electricidad y la electrónica . Profesional de McGraw-Hill. pag. 477 . ISBN 978-0-07-137730-0. código morse codificación por desplazamiento de frecuencia enviado-usando-fsk.
  2. ^ David B. Rutledge (1999). La electrónica de la radio . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 310. ISBN 978-0-521-64645-1.
  3. ^ B. Boashash, editor, "Análisis y procesamiento de señales de frecuencia de tiempo: una referencia completa", Elsevier Science, Oxford, 2003; ISBN 0-08-044335-4 
  4. ^ a b T.G. Thomas, SC Sekhar Communication Theory , Tata-McGraw Hill 2005, ISBN 0-07-059091-5 página 136 
  5. ^ Der, Lawrence. "Tutorial de modulación de frecuencia (FM)" (PDF) . Laboratorios de silicio. S2CID 48672999 . Consultado el 17 de octubre de 2019 .   Cite journal requires |journal= (help)
  6. ^ Lathi, BP (1968). Sistemas de comunicación , pág. 214–217. Nueva York: John Wiley and Sons, ISBN 0-471-51832-8 . 
  7. ^ HP Westman, ed. (1970). Datos de referencia para ingenieros de radio (Quinta ed.). Howard W. Sams & Co. págs. 21-11.
  8. ^ Alan Bloom (2010). "Capítulo 8. Modulación". En H. Ward Silver; Mark J. Wilson (eds.). El manual de ARRL para comunicaciones por radio . Liga de retransmisiones de radio estadounidense. pag. 8.7. ISBN 978-0-87259-146-2.
  9. ^ Haykin, Simon [Ed]. (2001). Sistemas de comunicación , 4ª ed.
  10. ^ : "Sistemas FM de ancho de banda excepcional" Proc. IEEE vol 112, no. 9, pág. 1664, septiembre de 1965
  11. ^ A. Michael Noll (2001). Principios de la tecnología de las comunicaciones modernas . Casa Artech. pag. 104 . ISBN 978-1-58053-284-6.
  12. ^ US 1342885 
  13. ^ Armstrong, EH (mayo de 1936). "Un método para reducir las perturbaciones en la señalización de radio mediante un sistema de modulación de frecuencia". Actas de la IRE . IRA. 24 (5): 689–740. doi : 10.1109 / JRPROC.1936.227383 . S2CID 43628076 . 
  14. ^ Ф. Лбов. Новая система радиофона // «Радиолюбитель». - 1924. - № 6. - С. 86.

Lectura adicional [ editar ]

  • Carlson, A. Bruce (2001). Sistemas de comunicación . Ciencias / Ingeniería / Matemáticas (4ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-011127-8, ISBN  978-0-07-011127-1 .
  • Escarcha, Gary L. (2010). Radio FM temprana: tecnología incremental en los Estados Unidos del siglo XX . Baltimore, MD: Prensa de la Universidad Johns Hopkins. ISBN 0-8018-9440-9, ISBN  978-0-8018-9440-4 .
  • Seymour, Ken (1996). "Modulación de frecuencia". The Electronics Handbook (1ª ed.). Prensa CRC. págs. 1188-1200. ISBN 0-8493-8345-5. (2da ed., 2005)