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¿Qué es la modulación de frecuencia, FM?

¿Qué es la modulación de frecuencia, FM?


Si bien cambiar la amplitud de una señal de radio es el método más obvio para modularla, de ninguna manera es la única forma. También es posible cambiar la frecuencia de una señal para dar modulación de frecuencia o FM. La modulación de frecuencia se usa ampliamente en frecuencias superiores a 30 MHz y es particularmente conocida por su uso para la transmisión de FM VHF.

Aunque puede que no sea tan sencillo como la modulación de amplitud, la modulación de frecuencia, FM, ofrece algunas ventajas distintas. Es capaz de proporcionar una recepción casi libre de interferencias, y fue por esta razón que se adoptó para las transmisiones de sonido VHF. Estas transmisiones podrían ofrecer audio de alta fidelidad y, por esta razón, la modulación de frecuencia es mucho más popular que las transmisiones más antiguas en las bandas de onda larga, media y corta.

Además de su uso generalizado para transmisiones de audio de alta calidad, FM también se usa para una variedad de sistemas de comunicación por radio de dos vías. Ya sea para sistemas de comunicación por radio fijos o móviles, o para su uso en aplicaciones portátiles, FM se usa ampliamente en VHF y superiores.

¿Qué es la modulación de frecuencia, FM?

Para generar una señal de frecuencia modulada, la frecuencia de la portadora de radio se cambia en línea con la amplitud de la señal de audio entrante.

Cuando la señal de audio se modula en la portadora de radiofrecuencia, la nueva señal de radiofrecuencia se mueve hacia arriba y hacia abajo en frecuencia. La cantidad en que la señal se mueve hacia arriba y hacia abajo es importante. Se conoce como la desviación y normalmente se cita como el número de desviación de kilohercios. Como ejemplo, la señal puede tener una desviación de más y menos 3 kHz, es decir, ± 3 kHz. En este caso, se hace que la portadora se mueva hacia arriba y hacia abajo en 3 kHz.

Las estaciones de radiodifusión en la parte VHF del espectro de frecuencias entre 88,5 y 108 MHz utilizan grandes valores de desviación, típicamente ± 75 kHz. Esto se conoce como FM de banda ancha (WBFM). Estas señales son capaces de soportar transmisiones de alta calidad, pero ocupan una gran cantidad de ancho de banda. Por lo general, se permiten 200 kHz para cada transmisión de FM de banda ancha. Para fines de comunicación se utiliza menos ancho de banda. La FM de banda estrecha (NBFM) a menudo usa cifras de desviación de alrededor de ± 3 kHz.

Es FM de banda estrecha que se utiliza normalmente para aplicaciones de comunicación por radio bidireccional. Al tener una banda más estrecha, no es capaz de proporcionar la alta calidad de las transmisiones de banda ancha, pero esto no es necesario para aplicaciones como la comunicación por radio móvil.

Demodulación de frecuencia

Como sucede con cualquier forma de modulación, es necesario poder demodularla con éxito y recuperar la señal original. El demodulador de FM puede tener varios nombres, incluido el demodulador de FM, el detector de FM o el discriminador de FM.

Hay varios tipos diferentes de demoduladores de FM, pero todos ellos permiten que las variaciones de frecuencia de la señal entrante se conviertan en variaciones de amplitud en la salida. Por lo general, estos se alimentan a un amplificador de audio, o posiblemente a una interfaz digital si los datos se transmiten por el sistema.


Moduladores de FM

Existe una variedad de métodos diferentes que se pueden utilizar para generar señales de frecuencia modulada.

  • Oscilador de diodo varactor: Este método simplemente requiere el uso de un diodo varactor colocado dentro del circuito sintonizado de un circuito oscilador. Incluso es posible utilizar un diodo varactor dentro de un circuito oscilador de cristal. Normalmente, cuando se utilizan osciladores de cristal, la señal debe multiplicarse en frecuencia, y solo se puede obtener FM de banda estrecha.
  • Bucle de fase bloqueada: Los bucles de bloqueo de fase proporcionan un método excelente para generar modulación de frecuencia. A menudo es necesario gestionar las restricciones dentro del bucle con cuidado, pero una vez hecho, proporciona una excelente solución.

Ventajas y desventajas de la modulación de frecuencia

Como con cualquier forma de modulación, su uso tiene varias ventajas y desventajas. Estos deben tenerse en cuenta antes de tomar cualquier decisión o elección sobre su uso:

Ventajas de la modulación de frecuencia, FM:

  • Resistencia al ruido: Una ventaja particular de la modulación de frecuencia es su resistencia a las variaciones del nivel de la señal. La modulación se transmite solo como variaciones de frecuencia. Esto significa que cualquier variación del nivel de la señal no afectará a la salida de audio, siempre que la señal no baje a un nivel que el receptor no pueda hacer frente. Como resultado, esto hace que FM sea ideal para aplicaciones de comunicación por radio móvil, incluida la comunicación por radio bidireccional más general o aplicaciones portátiles donde es probable que los niveles de señal varíen considerablemente. La otra ventaja de FM es su resistencia al ruido y la interferencia. Es por esta razón que se utiliza FM para transmisiones de alta calidad.
  • Fácil de aplicar modulación en una etapa de baja potencia del transmisor: Otra ventaja de la modulación de frecuencia está asociada con los transmisores. Es posible aplicar la modulación a una etapa de baja potencia del transmisor, y no es necesario utilizar una forma lineal de amplificación para aumentar el nivel de potencia de la señal a su valor final.
  • Es posible utilizar amplificadores de RF eficientes con señales de frecuencia modulada: Es posible utilizar amplificadores de RF no lineales para amplificar señales de FM en un transmisor y estos son más eficientes que los lineales requeridos para señales con cualquier variación de amplitud (por ejemplo, AM y SSB). Esto significa que para una potencia de salida determinada, se requiere menos batería y esto hace que el uso de FM sea más viable para aplicaciones de radio bidireccional portátil.

Ventajas de la modulación de frecuencia, FM:

  • FM tiene una eficiencia espectral más pobre que algunos otros formatos de modulación: Algunos formatos de modulación de fase y modulación de amplitud en cuadratura tienen una mayor eficiencia espectral para la transmisión de datos que la manipulación por desplazamiento de frecuencia, una forma de modulación de frecuencia. Como resultado, la mayoría de los sistemas de transmisión de datos utilizan PSK y QAM.
  • Requiere demodulador más complicado: Una de las desventajas menores de la modulación de frecuencia es que el demodulador es un poco más complicado y, por lo tanto, un poco más caro que los detectores de diodos muy simples utilizados para AM. Sin embargo, esto es un problema mucho menor en estos días porque muchos circuitos integrados de radio incorporan un demodulador de frecuencia incorporado.
  • Algunos otros modos tienen una mayor eficiencia espectral de datos: Algunos formatos de modulación de fase y modulación de amplitud en cuadratura tienen una mayor eficiencia espectral para la transmisión de datos que la modulación por desplazamiento de frecuencia, una forma de modulación de frecuencia. Como resultado, la mayoría de los sistemas de transmisión de datos utilizan PSK y QAM.
  • Las bandas laterales se extienden hasta el infinito a ambos lados: Las bandas laterales para una transmisión de FM teóricamente se extienden hasta el infinito. Normalmente son importantes para transmisiones de modulación de frecuencia de banda ancha, aunque pequeñas para FM de banda estrecha. Para limitar el ancho de banda de la transmisión, a menudo se utilizan filtros, que introducen cierta distorsión de la señal. Normalmente, esto no es un gran problema, aunque se debe tener cuidado de incluir estos filtros para FM de banda ancha y asegurarse de que estén diseñados correctamente.

Cómo se introdujo FM

En los primeros días de la radio, la estática era un problema importante y la forma en que todos intentaban reducir los efectos de la estática era reducir el ancho de banda; de esta manera, el receptor captaba menos ruido.

Un ingeniero estadounidense llamado Edwin Armstrong estaba investigando este problema y si la modulación de frecuencia, en lugar de la modulación de amplitud, podría proporcionar una ventaja.

Alrededor de 1928, Armstrong comenzó a desarrollar el concepto de usar FM y, en lugar de reducir el ancho de banda, lo aumentó.

Muchos no estuvieron de acuerdo con las ideas de Armstrong por una variedad de razones. Se acercó a RCA y, aunque quedaron impresionados, se centraron en la televisión y no querían desviar ningún recurso hacia una nueva forma de transmisión.

Después de muchas dificultades en el camino, Armstrong lanzó su propia estación de radio en 1939 para demostrar la efectividad de FM. Para acomodar esta y otras estaciones siguientes, la FCC asignó una banda de frecuencias entre 42 y 50 MHz. Pronto siguieron otros, pero después de la guerra, la FCC en los EE. UU., Cambió la banda de frecuencia asignada a la que conocemos hoy entre 88 y 108 MHz. Aunque hubo un dolor inicial porque se habían vendido unos cientos de miles de radios, la banda fue aceptada a nivel mundial y es la banda de VHF FM que conocemos hoy.

Con FM establecido como un medio para la transmisión de alta calidad, se desarrolló rápidamente.

Además de esto, una forma de FM de banda estrecha se hizo popular para las comunicaciones móviles VHF y UHF. La naturaleza de FM significó que las variaciones de intensidad de la señal no afectaron la operación tanto como si hubiera sido una señal de AM.

Índice de modulación y relación de desviación

Cuando se usa una señal de frecuencia modulada, es muy útil tener una medida de cuál es efectivamente el nivel de modulación.

Esto es útil para definir parámetros como si la señal es una señal de frecuencia de banda estrecha o de banda ancha. También es muy útil para garantizar que todos los transmisores o receptores de un sistema estén configurados para adaptarse a un nivel estandarizado de modulación, ya que afecta a parámetros como el ancho de banda del receptor, la separación de canales y similares.

Para definir el nivel de modulación, se utilizan cifras conocidas como índice de modulación y relación de desviación.


Ancho de banda FM

Uno de los elementos clave de una señal de FM es su ancho de banda. Con cualquier señal de frecuencia modulada, las bandas laterales se extienden a ambos lados. En realidad, estos se extienden hasta el infinito, pero la intensidad de ellos desaparece. Afortunadamente, es posible limitar el ancho de banda de una señal de FM sin afectar indebidamente su calidad.

La modulación de frecuencia se usa ampliamente en muchas áreas de la tecnología de radio, incluida la radiodifusión y las áreas de comunicación de radio bidireccional. En estas aplicaciones, sus ventajas particulares pueden utilizarse con buenos resultados.

Si bien se están utilizando otras formas de modulación en muchas áreas, FM todavía ofrece la más alta calidad para la radiodifusión y también muchas ventajas para otras formas de comunicación.

Ver el vídeo: modulacion am y fm (Octubre 2020).