Modulación de FM

En una señal analógica pueden variar tres propiedades: la amplitud, la frecuencia y la fase. La modulación en frecuencia y en fase, son ambas formas de la modulación angular Desafortunadamente, a ambas formas de la modulación angular se les llama simplemente FM cuando, en realidad, existe una diferencia clara (aunque sutil), entre las dos. Existen varias ventajas en utilizar la modulación angular en vez de la modulación en amplitud, tal como la reducción de ruido , la fidelidad mejorada del sistema y el uso más eficiente de la potencia . Sin embargo FM y PM , tienen varias desventajas importantes las cuales incluyen requerir un ancho de banda extendida y circuitos más complejos , tanto en el transmisor , como en el receptor.

La modulación angular fue introducida primero en 193 1, como una alternativa a la modulación en amplitud. Se sugirió que la onda con modulación angular era menos susceptible al ruido que AM y, consecuentemente, podía mejorar el rendimiento de las comunicaciones de radio. El mayor E. H. Armstrong desarrolló el primer sistema con éxito de radio de FM, en 1936 (quien también desarrolló el receptor superheterodino) y, en julio de 1939, la primera radiodifusión de señales de FM programada regularmente comenzó en Alpine, New Jersey. Actualmente, la modulación angular se usa extensamente para la radiodifusión de radio comercial, transmisión de sonido de televisión, radio móvil de dos sentidos, radio celular y los sistemas de comunicaciones por microondas y satélite.

Modulación angular

La modulación angular resulta cuando el ángulo de fase(q), de una onda sinusoidal, varia con respecto al tiempo. La onda con modulación angular se muestra matemáticamente como:

En donde m(t)= onda con modulación angular Vc= amplitud pico de la portadora ( volts) wc=frecuencia en radianes de la portadora (velocidad angular 2pfc) q(t)= desviación instantánea de fase (radianes)

En donde Vm (t) =Vmsen(wmt) wm= velocidad angular de la señal modulante (radianes / segundo) fm=frecuencia de la señal modulante (hertz) Vm= amplitud pico de la señal modulante (voltios) En esencia la diferencia entre la modulación de frecuencia y en fase está en cuál propiedad de la portadora ( la frecuencia o la fase) está variando directamente por la señal modulante y cuál propiedad está variando indirectamente. Por lo tanto , FM y PM , deben ocurrir cuando se realiza cualquiera de las formas de la modulación angular. Si la frecuencia de la portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante , resulta en una señal de FM. Si la fase de la portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante, resulta en una señal PM.

Modulación en frecuencia directa (FM)

Variando la frecuencia de la portadora de amplitud constante directamente proporcional, a la amplitud de la señal modulante, con una relación igual a la frecuencia de la señal modulante.

Desviación de frecuencia instantánea:

La desviación de frecuencia instantánea es el cambio instantáneo en la frecuencia de la portadora y se define como la primera derivada con respecto al tiempo de la desviación de fase instantánea. Por lo tanto la desviación de fase instantánea es la primera integral de la desviación de frecuencia instantánea esto resulta como:

Frecuencia instantánea:

La frecuencia instantánea es la frecuencia precisa de la portadora, en un instante de tiempo, y se define como la primera derivada con respecto al tiempo de la fase instantánea esto resulta como:

La modulación de frecuencia es la modulación angular en la cual , la desviación de la frecuencia Instantánea q´(t) , es proporcional al voltaje de la señal modulante.

Para una señal modulante Vm(t) la modulación en frecuencia es:

Modulación en frecuencia = q´(t)= K1vm(t)rad/seg

Donde K1 es constante y es la sensibilidad de desviación del modulador de frecuencia .La sensibilidad de desviación son las funciones de transferencia de salida contra entrada para el modulador. La sensibilidad de desviación para un modulador de frecuencia es :

K1= radianes /segundo /volt o radianes/volt-segundo

Para la modulación de frecuencia:

Forma de onda de FM:

Para distinguir la forma de onda de FM y PM . Con FM , la máxima desviación de frecuencia( cambio En la frecuencia de la portadora) ocurre durante los máximos puntos negativos y positivos de la señal modulante ( es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante). Con PM , la máxima desviación de frecuencia ocurre durante los cruces de cero de la señal modulante (es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la pendiente o primera derivada de la señal modulante).

FORMA DE ONDA DE UNA SEÑAL SENOIDAL

Modulación en fase (PM)

En una señal analógica pueden variar tres propiedades: la amplitud, la frecuencia y la fase. La modulación en frecuencia y en fase, son ambas formas de la modulación angular Desafortunadamente, a ambas formas de la modulación angular se les llama simplemente FM cuando, en realidad, existe una diferencia clara (aunque sutil), entre las dos. Existen varias ventajas en utilizar la modulación angular en vez de la modulación en amplitud, tal como la reducción de ruido , la fidelidad mejorada del sistema y el uso más eficiente de la potencia . Sin embargo FM y PM , tienen varias desventajas importantes las cuales incluyen requerir un ancho de banda extendida y circuitos más complejos , tanto en el transmisor , como en el receptor. La modulación angular fue introducida primero en 193 1, como una alternativa a la modulación en amplitud. Se sugirió que la onda con modulación angular era menos susceptible al ruido que AM y, consecuentemente, podía mejorar el rendimiento de las comunicaciones de radio. El mayor E. H. Armstrong desarrolló el primer sistema con éxito de radio de FM, en 1936 (quien también desarrolló el receptor superheterodino) y, en julio de 1939, la primera radiodifusión de señales de FM programada regularmente comenzó en Alpine, New Jersey. Actualmente, la modulación angular se usa extensa- mente para la radiodifusión de radio comercial, transmisión de sonido de televisión, radio móvil de dos sentidos, radio celular y los sistemas de comunicaciones por microondas y satélite.

Modulación Angular

La modulación angular resulta cuando el ángulo de fase(q), de una onda sinusoidal, varia con respecto al tiempo. La onda con modulación angular se muestra matemáticamente como:

En donde m(t)= onda con modulación angular Vc= amplitud pico de la portadora ( volts) wc=frecuencia en radianes de la portadora (velocidad angular 2pfc) q(t)= desviación instantánea de fase (radianes) Con la modulación angular es necesario que q(t) sea una función prescrita de la señal modulante. Por lo tanto , si Vm(t) es la señal modulante, la modulación angular se muestra matemáticamente como:

En donde Vm (t) =Vmsen(wmt) wm = velocidad angular de la señal modulante (radianes / segundo) fm = frecuencia de la señal modulante (hertz) Vm = amplitud pico de la señal modulante (voltios)

En esencia la diferencia entre la modulación de frecuencia y en fase está en cuál propiedad de la portadora ( la frecuencia o la fase) está variando directamente por la señal modulante y cuál propiedad está variando indirectamente. Por lo tanto , FM y PM , deben ocurrir cuando se realiza cualquiera de las formas de la modulación angular. Si la frecuencia de la portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante , resulta en una señal de FM. Si la fase de la portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante, resulta en una señal PM.

Modulación de fase directa (PM): Variando la fase de una portadora con amplitud constante directamente proporcional, a la amplitud De la señal modulante , con una relación igual a la frecuencia de la señal modulante.

Desviación de fase instantánea: La desviación de fase instantánea es el cambio instantáneo en la fase de la portadora , en un instante de tiempo , e indica cuánto está cambiando la fase de la portadora con respecto a su fase de referencia . La desviación de fase instantánea se muestra matemáticamente como:

Desviación la fase instantánea =

Fase instantánea: La fase instantánea es la fase precisa de la portadora , en un instante de tiempo , y se muestra matemáticamente como :

fase instantánea =

en donde wct= fase de referencia de la portadora

fc = frecuencia de la portadora(hertz) q(t)=desviación de fase instantánea (radianes) La modulación de fase puede definirse como la modulación angular en la cual, la desviación de fase instantánea, q´(t), es proporcional al voltaje de la señal modulante. Modulación en fase = q(t) =KVm(t)rad En donde K es una constante y es la sensibilidad de desviación del modulador de fase. La modulación en fase es la primera integral de la modulación de frecuencia por lo tanto la modulación de fase:

Modulación de fase:

Forma de Onda:

Con PM , la máxima desviación de frecuencia ocurre durante los cruces de cero de la señal modulante (es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la pendiente o primera derivada de la señal modulante). Como se muestra en la siguiente figura:

En esta figura se muestra lo siguiente: Modulación de frecuencia de una portadora de onda seno, por una señal de onda seno (a) portadora demodulada (b) señal modulante d) onda de fase modulada

La modulación de amplitud tiene en la práctica dos inconvenientes: por un lado , no siempre se transmite la información con la suficiente calidad , ya que el ancho de banda en las emisiones está limitado; por otra parte, en la recepción es difícil eliminar las interferencias producidas por descargas atmosféricas , motores, etc.

La modulación de frecuencia consiste en variar la frecuencia de la onda  portadora de acuerdo con la intensidad de la onda de información . La amplitud de la onda modulada es constante e igual que la de la onda portadora.

La frecuencia de la portadora oscila más o menos rápidamente , según la onda moduladora, esto es , si aplicamos una moduladora de 100 Hz , la onda modulada se desplaza arriba y abajo cien veces en un segundo respecto de su frecuencia central , que es la portadora; además el grado de esta variación  dependerá del volumen con que modulemos la portadora, a lo que denominamos “índice de modulación”.

Debido a que los ruidos o interferencias que se mencionaron anteriormente alteran la amplitud de la onda, no afecta a la información transmitida en FM, puesto que la información se extrae de la variación de frecuencia y no de la amplitud, que es constante.

Como consecuencia de estas características de modulación podemos observar cómo la calidad de sonido o imagen es mayor cuando modulamos en frecuencia que cuando lo hacemos en amplitud o banda lateral. Además al no alterar la frecuencia de la portadora en la medida que aplicamos la información, podemos transmitir señales sonoras o información de otro tipo (datos o imágenes), que comprenden mayor abanico de frecuencias moduladoras, sin por ello abarcar mayor ancho de banda. Éste es el motivo por el que las llamadas “radio fórmulas” utilizan la frecuencia modulada, o dicho de otro modo, el nacimiento de las estaciones que a mediados de los sesenta eligieron este sistema para emitir sus programas con mayor calidad de sonido dio origen a la radiodifusión musical.

Otros usos de la frecuencia modulada son la telefonía móvil, televisión y servicios de comunicación entre los trabajadores de empresas de paquetería, talleres, comercios...

A continuación mostramos el diagrama del modulador de FM utilizado en la practica, con el circuito integrado MC1376.

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