Sistemas de modulación
Modular es escribir la información sobre una portadora modificando alguno de sus tres parámetros: amplitud, frecuencia o fase. De esa elección salen el ancho de banda ocupado, la resistencia al ruido y la complejidad del equipo.
01Tres parámetros, tres familias
Una portadora senoidal se escribe v = A·sen(2πft + φ). Hay exactamente tres cosas que se le pueden modificar, y de ahí salen todas las modulaciones que existen.
La envolvente de la portadora sigue a la señal. Simple de generar y de detectar; el ruido se suma directamente a la información.
La portadora se aprieta y se estira. La amplitud es constante, así que el ruido de amplitud se puede recortar: mucho mejor calidad, a costa de más ancho de banda.
Se adelanta o atrasa la portadora. Es pariente cercana de la FM —una es la derivada de la otra— y es la base de todas las modulaciones digitales modernas.
02Modulación de amplitud
Portadora de 100 W modulada al 80 % por un tono de 5 kHz:
- Ancho de banda: 2 × 5 kHz = 10 kHz, repartido en dos bandas laterales alrededor de la portadora.
- Potencia total: P = Pc(1 + m²/2) = 100 × (1 + 0,32) = 132 W.
- De esos 132 W, la información viaja sólo en las bandas laterales: 32 W. El 76 % de la potencia se gasta en la portadora, que no lleva información.
- Aun con m = 1, el máximo sin distorsión, las bandas laterales se llevan apenas un 33 %.
Esa ineficiencia es el gran problema de la AM, y lo que dio origen a sus variantes.
| Variante | Qué transmite | BW | Dónde se usa |
|---|---|---|---|
| AM completa | Portadora + 2 bandas | 2 fm | Radiodifusión: receptor baratísimo, con un solo diodo detector. |
| DSB-SC | Sólo las 2 bandas | 2 fm | Ahorra la potencia de portadora, pero exige detección coherente. Es lo que hace un modulador de producto. |
| SSB | Una sola banda | fm | Radioaficionados, marina, aviación HF: la mitad del ancho de banda y toda la potencia útil. |
| VSB | Una banda y un resto de la otra | Intermedio | Televisión analógica: compromiso entre ahorro y simplicidad del receptor. |
Con m > 1 la envolvente intenta ser negativa y la portadora se invierte: el detector de envolvente recupera una señal distorsionada, y el espectro se ensancha mucho más allá del canal asignado, interfiriendo a los vecinos. Por eso todo transmisor de AM lleva un limitador que impide pasar de m = 1, y por eso en la práctica se trabaja alrededor de 0,8.
03Modulación de frecuencia
FM de radiodifusión (banda ancha): desviación Δf = 75 kHz, audio hasta fm = 15 kHz.
- β = 75/15 = 5.
- BW = 2 × (75 + 15) = 180 kHz. Por eso los canales de FM están separados 200 kHz.
FM de banda angosta (handies y servicios): Δf = 5 kHz, voz hasta 3 kHz.
- β = 5/3 = 1,67.
- BW = 2 × (5 + 3) = 16 kHz: entra en un canal de 25 kHz con margen.
Más desviación da mejor relación señal-ruido y peor aprovechamiento del espectro. Ese es el compromiso central de la FM.
- El ruido atmosférico y el industrial afectan sobre todo la amplitud. Como en FM la amplitud no lleva información, el receptor la recorta con un limitador y el ruido se va.
- Además existe el efecto captura: ante dos señales en la misma frecuencia, el receptor se queda con la más fuerte y la otra desaparece. En AM se escucharían las dos superpuestas.
- Y se usa preénfasis y deénfasis: se realzan los agudos al transmitir y se los atenúa al recibir, con lo que el ruido de alta frecuencia baja todavía más.
04Comparación
| AM | FM | SSB | |
|---|---|---|---|
| Ancho de banda | 2 fm | 2(Δf + fm) | fm |
| Eficiencia de potencia | Baja (≤ 33 %) | Alta: amplitud constante | Máxima |
| Inmunidad al ruido | Mala | Muy buena | Media |
| Complejidad del receptor | Mínima | Media | Alta: hace falta reinsertar la portadora |
| Alcance con poca potencia | Medio | Medio | El mejor |
| Se usa en | Radiodifusión AM, aviación | Radiodifusión FM, handies, audio de TV | HF: radioaficionados, marina |
Justamente por lo que en radiodifusión es un defecto: en AM, si dos aviones transmiten a la vez, el controlador escucha las dos señales superpuestas y sabe que hubo una colisión de transmisiones. Con FM, el efecto captura haría que una desapareciera por completo y nadie se enteraría. En seguridad aérea, eso es determinante.
05Las digitales, en una mirada
Son las mismas tres familias aplicadas a una señal que sólo toma valores discretos. Se desarrollan en 7° año; acá alcanza con reconocerlas.
| Sigla | Qué varía | Ejemplo cotidiano |
|---|---|---|
| ASK / OOK | Amplitud: hay portadora o no la hay | Controles remotos de portón, sensores de 433 MHz. El telégrafo y el código Morse son su antecedente directo. |
| FSK | Dos frecuencias, una por símbolo | Módems antiguos, radiobalizas, LoRa (con variante de chirp) |
| PSK | La fase salta entre valores fijos | Comunicaciones satelitales, WiFi en sus modos robustos |
| QAM | Amplitud y fase a la vez | TV digital, WiFi rápido, cablemódem: 64-QAM lleva 6 bits por símbolo |
06Cómo se demodula
- Detector de envolvente: un diodo, un capacitor y una resistencia. La constante R·C debe ser mucho mayor que el período de la portadora y mucho menor que el de la moduladora.
- Detector de producto: multiplica por una portadora local. Es obligatorio en DSB y SSB, y es lo que hace un MC1496.
- Discriminador o detector de relación: convierte variaciones de frecuencia en variaciones de amplitud y después las detecta.
- PLL: engancha la portadora y su tensión de corrección es la señal demodulada. Es la solución moderna y la más estable.
- Antes de todo eso, siempre un limitador, que es de donde viene la inmunidad al ruido.
Ningún receptor demodula directamente en la frecuencia recibida. Todos trasladan la señal a una frecuencia intermedia fija —455 kHz en AM, 10,7 MHz en FM— mezclándola con un oscilador local, y ahí hacen el filtrado y la demodulación. La ventaja es enorme: el filtro más selectivo se diseña una sola vez, para una frecuencia fija, y sintonizar es simplemente correr el oscilador local. Es la arquitectura de prácticamente toda radio desde hace un siglo.
07En el laboratorio
Con un generador que tenga modulación AM, observar la envolvente en el osciloscopio y medir Vmax y Vmin. Calcular m con la fórmula y compararlo con el valor puesto en el generador. Subir la modulación hasta pasar de 1 y observar la sobremodulación: la envolvente se «cruza».
Armar el detector con un 1N4148, 10 nF y 10 kΩ, y recuperar la moduladora de una señal AM. Cambiar el capacitor a 1 nF y a 100 nF y observar los dos defectos: con muy poco filtrado queda portadora superpuesta; con demasiado, el detector no sigue los picos de la moduladora y aparece distorsión.
Modular la misma señal en AM y en FM y sumarle ruido con un generador. Escuchar y ver las dos salidas demoduladas: la AM se degrada progresivamente, la FM se mantiene limpia hasta que cae de golpe por debajo del umbral. Ese comportamiento —el efecto umbral— también es característico de la FM.
Con analizador de espectro o receptor SDR, ver una señal de AM de tono único: aparecen la portadora y dos rayas simétricas separadas por la frecuencia de la moduladora. Cambiar el tono y ver cómo se separan. Medir la altura relativa de las bandas laterales y contrastarla con el índice de modulación.
08Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| La AM se escucha distorsionada y molesta a los canales vecinos | Sobremodulación: m mayor que 1. |
| El detector de envolvente distorsiona los picos | Constante R·C demasiado grande: no puede seguir la moduladora. |
| Se escucha la portadora superpuesta al audio | R·C demasiado chica: falta filtrado de la portadora. |
| La FM ocupa más canal del previsto | Desviación excesiva. Hay que limitar la amplitud de la moduladora antes del modulador. |
| La SSB se escucha con voz de pato | La portadora reinsertada en el receptor está corrida: hay que ajustar el BFO con precisión de decenas de hertz. |
| Con dos transmisores en la misma frecuencia sólo se escucha uno | Efecto captura de la FM. Es una ventaja en radiodifusión y un problema en servicios de seguridad. |
| El receptor recibe una emisora en dos puntos del dial | Frecuencia imagen: falta selectividad antes del mezclador del superheterodino. |
09Autoevaluación
¿Qué tres parámetros de una portadora se pueden modular?
Amplitud, frecuencia y fase. De ahí salen AM, FM y PM, y sus equivalentes digitales ASK, FSK y PSK.
En una AM se miden 8 V de pico máximo y 2 V de mínimo. ¿Cuál es el índice?
m = (8 − 2)/(8 + 2) = 6/10 = 0,6, es decir el 60 %.
Portadora de 200 W modulada al 100 %: ¿potencia total y potencia útil?
P = 200 × (1 + 1/2) = 300 W. En las bandas laterales viajan 100 W: el 33 % del total. El resto se gasta en la portadora, que no lleva información.
¿Qué ventaja concreta tiene SSB frente a AM?
Ocupa la mitad del ancho de banda y toda la potencia va a información: con la misma potencia de transmisor, el alcance útil es mucho mayor.
FM con Δf = 40 kHz y fm = 10 kHz: ¿índice y ancho de banda?
β = 40/10 = 4. BW = 2 × (40 + 10) = 100 kHz según la regla de Carson.
¿Por qué la FM es más inmune al ruido que la AM?
Porque la información está en la frecuencia y no en la amplitud: el receptor recorta la amplitud con un limitador y elimina con ella casi todo el ruido, que es esencialmente de amplitud.
¿Qué es el efecto captura?
En FM, ante dos señales en la misma frecuencia el receptor se queda con la más fuerte y la débil desaparece. En AM se escucharían las dos mezcladas.
¿Por qué la aviación usa AM y no FM?
Porque si dos aviones transmiten simultáneamente, en AM se escuchan los dos y el controlador detecta la superposición. Con FM, el efecto captura ocultaría una transmisión por completo.
¿Qué hace un receptor superheterodino y por qué?
Traslada la señal recibida a una frecuencia intermedia fija mezclándola con un oscilador local. Así el filtrado y la demodulación se hacen siempre a la misma frecuencia, con un filtro optimizado, y sintonizar se reduce a mover el oscilador local.
¿Cómo se elige la constante R·C de un detector de envolvente?
Mucho mayor que el período de la portadora —para filtrarla— y mucho menor que el de la moduladora más rápida —para poder seguirla—. Si no cumple lo segundo, aparece distorsión en los picos.