Fundamentos Esenciales de Modulación en Sistemas de Comunicación: AM, FM y Conceptos Clave

Principios Clave de Modulación en Sistemas Electrónicos

¿Qué son el Preénfasis y el Deénfasis?

El preénfasis y el deénfasis son técnicas de procesamiento de señal utilizadas comúnmente en sistemas de transmisión, especialmente en FM, para mejorar la relación señal-ruido (SNR).

• Preénfasis: Consiste en acentuar (incrementar la amplitud) de las componentes de alta frecuencia de la señal moduladora antes de la modulación en el transmisor.
• Deénfasis: Es el proceso complementario realizado en el receptor, después de la demodulación, donde se atenúan las mismas frecuencias altas que fueron acentuadas por el preénfasis, restaurando la señal a su espectro original.

Estos procesos se emplean para contrarrestar el efecto del ruido, cuya densidad espectral tiende a aumentar con la frecuencia en algunos sistemas (el documento original menciona una variación de "20 dB/octava", aunque en FM es común referirse a un ruido triangular que aumenta a 6 dB/octava).

¿Qué es la Intermodulación?

La intermodulación (IMD) es la generación de señales no deseadas en frecuencias que son combinaciones lineales de las frecuencias originales (sumas y diferencias, así como armónicos de estas combinaciones). Ocurre cuando dos o más señales con frecuencias diferentes atraviesan un sistema o dispositivo con comportamiento no lineal. Estos productos de intermodulación pueden causar interferencias y degradar la calidad de la señal.

Tipos de Distorsión

La distorsión es cualquier alteración no deseada de la forma de onda de una señal. Algunos tipos comunes son:

• Distorsión de frecuencia (o de amplitud): Ocurre cuando la respuesta en frecuencia del sistema no es plana. Esto significa que el sistema aplica una ganancia (relación amplitud de salida / amplitud de entrada) diferente a señales de distintas frecuencias, o a los diferentes armónicos de una misma señal compuesta.
• Distorsión de fase (o de retardo): Se produce por una variación no lineal de la fase de la señal con respecto a su frecuencia a medida que atraviesa el sistema. Esto provoca que diferentes componentes frecuenciales de la señal experimenten distintos retardos de tiempo, alterando la forma de onda. Si la relación fase-frecuencia no es lineal, se considera una distorsión no lineal.

¿Qué es la Sobremomodulación?

La sobremodulación es una condición en los sistemas de modulación (especialmente en AM) donde la amplitud de la señal moduladora excede el nivel máximo para el cual el sistema está diseñado para operar linealmente. En AM, esto ocurre cuando el índice de modulación supera el 100%. La sobremodulación causa una distorsión severa de la envolvente de la señal modulada, la pérdida de información y la generación de componentes de frecuencia espurias (splatter), que pueden interferir con canales adyacentes.

Diferencias entre Modulación AM de Bajo Nivel y de Alto Nivel

La modulación de amplitud (AM) puede clasificarse según la etapa del transmisor donde se realiza:

• Modulación de bajo nivel: La modulación se efectúa en una etapa anterior al amplificador de potencia final del transmisor. En esta etapa, tanto la portadora como la señal moduladora tienen niveles de potencia bajos (el texto original menciona "requiere menos potencia de señal moduladora en mW"). Las etapas subsiguientes deben ser amplificadores lineales para preservar la modulación.
• Modulación de alto nivel: La modulación se realiza en la etapa final de amplificación de potencia del transmisor. Aquí, la señal portadora ya está a su máxima potencia, y la señal moduladora también debe tener una potencia considerable.

Clasificación de la Modulación AM según el Nivel de Potencia

Reiterando la distinción anterior:

• Bajo nivel: La modulación se aplica cuando la potencia de la señal moduladora (banda base) es reducida, típicamente en el rango de milivatios (mW). Este proceso ocurre en las etapas iniciales o intermedias del transmisor.
• Alto nivel: La modulación se lleva a cabo en la última etapa de amplificación de potencia del transmisor, donde las señales involucradas manejan alta potencia.

Ancho de Banda en Señales AM y FM

• AM (Modulación de Amplitud): El ancho de banda teórico de una señal AM convencional (DSB-LC) es el doble de la frecuencia máxima de la señal moduladora:
  BW_AM = 2 · f_mmax
  donde f_mmax es la frecuencia más alta presente en la señal moduladora.
• FM (Modulación de Frecuencia): El ancho de banda de una señal FM es generalmente mayor que en AM y se estima comúnmente mediante la regla de Carson:
  BW_FM = 2(Δf + f_m)
  donde Δf es la desviación máxima de frecuencia y f_m es la frecuencia máxima de la señal moduladora.
  (El documento original menciona "FM = B=1", expresión que es atípica y podría referirse a un contexto muy específico o ser una simplificación no estándar.)

¿Qué es la FM de Banda Estrecha (NBFM)?

Se considera que una modulación de frecuencia (FM) es de banda estrecha (NBFM, del inglés Narrowband FM) cuando el índice de modulación β es mucho menor que 1 (β << 1). El índice de modulación se define como β = Δf / f_m, donde Δf es la desviación máxima de frecuencia y f_m es la frecuencia de la señal moduladora (o la máxima frecuencia si es una señal compleja). En NBFM, el ancho de banda es aproximadamente BW_NBFM &approx; 2f_m, similar al de AM.

Clasificación de Técnicas de Modulación

Las técnicas de modulación se pueden clasificar de diversas maneras, por ejemplo, según la naturaleza de la portadora y la señal moduladora, como se presenta a continuación (interpretando y estructurando la información del documento original):

Portadora Analógica

• Con señal moduladora analógica:
  • AM (Modulación de Amplitud)
  • QAM (Modulación de Amplitud en Cuadratura)
  • PM (Modulación de Fase) (el original menciona "pa", interpretado como PM)
  • FM (Modulación de Frecuencia)
• Con señal moduladora digital (o de pulsos):
  • PAM (Modulación por Amplitud de Pulsos)
  • OOK (On-Off Keying, interpretado de "oom" en el original, es una forma de ASK)
  • PDM (Modulación por Duración de Pulsos) / PWM (Modulación por Ancho de Pulsos)

Técnicas para Transmisión Digital

(Estas técnicas a menudo implican modular digitalmente una portadora analógica o codificar la señal fuente en formato digital.)

• Modulaciones digitales (señal moduladora digital aplicada a una portadora analógica):
  • ASK (Modulación por Desplazamiento de Amplitud)
  • FSK (Modulación por Desplazamiento de Frecuencia)
  • PSK (Modulación por Desplazamiento de Fase)
• Codificación digital de señales (para transmisión en banda base o posterior modulación):
  • PCM (Modulación por Codificación de Pulsos) o MIC (Modulación por Impulsos Codificados, que es el término en español para PCM).

Sincronismo en Señales DBL (Doble Banda Lateral)

Para la demodulación coherente de señales DBL-SC (Doble Banda Lateral con Portadora Suprimida), es crucial recuperar una portadora en el receptor que sea síncrona (misma frecuencia y fase) con la portadora original del transmisor. Una técnica para facilitar esto es transmitir un vestigio de la portadora original, también conocida como portadora piloto. Esta portadora piloto se transmite a un nivel muy reducido, típicamente atenuada del orden de 26 a 30 dB con respecto al nivel que tendría en una modulación AM convencional (AM con portadora completa o DSB-LC).

Rendimiento Máximo en Modulación AM

La eficiencia de transmisión en AM (específicamente AM DSB-LC, Doble Banda Lateral con Portadora de Gran Amplitud) se refiere a la porción de la potencia total transmitida que corresponde a las bandas laterales (que llevan la información), en relación con la potencia total (portadora más bandas laterales).

Para una señal moduladora sinusoidal y un índice de modulación del 100% (m=1), la eficiencia máxima teórica es del 33,3% (η = m² / (2 + m²); para m=1, η = 1/3). Esto significa que un tercio de la potencia total es útil.

El documento original indica: "Para el caso de una señal modulada al 100% m=1 si es sinuidal se tendrá la eficiencia máxima igual 0,166 es decir solamente el 16,6% de la potencia transmitida corresponde a energía útil de señal". Este valor del 16,6% (1/6) corresponde a la potencia de una sola banda lateral dividida por la potencia total. Si se considera la "energía útil de señal" como la contenida en ambas bandas laterales, la eficiencia es del 33,3%. En la práctica, la eficiencia puede ser inferior, y el texto original menciona que "en la practica 10%".

¿Qué es PWM (Modulación por Ancho de Pulsos)?

La Modulación por Ancho de Pulsos (PWM, del inglés Pulse Width Modulation) es una técnica de modulación en la que se varía el ciclo de trabajo de una señal periódica (generalmente una onda cuadrada o tren de pulsos) para transmitir información o, más comúnmente, para controlar la cantidad de potencia promedio enviada a una carga. Mientras la amplitud y la frecuencia de los pulsos se mantienen constantes, la duración (ancho) de la parte activa de cada pulso se modifica en proporción directa a la amplitud instantánea de la señal moduladora.