Modulación AM

Modulación de una señal en Amplitud

La modulación de  amplitud (AM )  es una técnica utilizada para transmitir señales de baja frecuencia ( como el sonido o las imágenes )  utilizando otra señal de mayor frecuencia por medio físico como el aire o un cable.
En el caso del sonido, cuando hablamos , emitimos una serie de frecuencias, que unidas da lugar al sonido en sí, pero que se podrían descomponer en una serie de componentes de frecuencias. Esto es lo que se llama espectro, y para ello vamos a hacer una primera actividad en el aula.
Actividad:  Utilizando el móvil, bajar alguna APP que trate el espectro de frecuencias que percibimos a nuestro alrededor. Por ejemplo, Spectroid es una de ellas. Otra muy buena con más capacidad de espectro es SPL analizador de espectro  Buscar alguna otra si es mejor. Una vez descargada, analizar el espectro de sonido. Probar cómo varián las frecuencias bajas y altas en función de algunos sonidos. Si es posible, bajar alguna APP que llegue hasta el límite audible.

Ancho de banda.

El  ancho de banda de una señal  , que denominamos B(x) es la representación de las frecuencias obtenidas por la la transformada de Fourier.  Debido a las propiedades de simetría de la transformada de Fourier, este ancho de banda tiene una simetría igual en el eje Y, mostrándose lo mismo para las frecuencias negativas

Vamos a tener tres señales que intervienen en este proceso, que son:
  • Señal moduladora, que la vamos a señalar como x(t). Es la señal que contiene la información que nos interesa transmitir, como una señal de sonido o de imagen. Vamos a asignar a esta señal un ancho de banda B (x) que si la mostramos en el dominio de las frecuencias, obtenemos la señal que se representa en la imagen superior
  •   Señal portadora. c(t). Es una señal sinusoidal de mayor frecuencia procedente de un oscilador interno , que tiene tres parámetros a destacar, que son, la  amplitud de la señal, la frecuencia de la misma y el ángulo de fase ( “en que momento se produce la señal” ). De ellos, la  frecuencia portadora, es el parámetro  que nos va a interesar mas en este estudio y debe ser mucho mayor al ancho de banda de la señal moduladora, o sea f (c) >> B(x)
  • Señal  modulada. La denominamos s(t)  y es la señal resultante del proceso de modulación. Esta señal, debido a la modulación, tiene un determinado ancho de banda alrededor de la frecuencia portadora, como veremos mas adelante

Mostramos de forma esquemática, estas tres señales

El resultado del proceso anterior  lo vemos en la siguiente imagen, donde vemos que la señal moduladora ha modificado la señal portadora en amplitud ( la señal de abajo ) , dando el resultado de señal modulada ( señal inferior )

Datos comerciales sobre AM.

En  la AM comercial,  tenemos principalmente de una señal de voz o musical de baja calidad, con un  ancho de banda de unos 4 kHz. Las frecuencias portadoras están comprendidas entre los 526,5 kHz a los  1.606,5 kHz.

 ¿ Porqué emplear una señal de mayor frecuencia cuando se puede emitir la señal que nos interesa ?

Emplear modulación AM empleando señales de frecuencia mucho mayor a la moduladora, tiene entre otras, las siguientes ventajas

  Adaptar las señales al medio de propagación.

Para una radiación electromagnética eficaz, tenemos una regla, que con ciertos matices se aproxima para estimar el tamaño de una antena. Esta regla dice que para una  propagación de las señales  electromagnética  buena, la longitud de la antena debe ser una décima parte la longitud de onda de la señal. Si tenemos en cuenta la ley que rige este aspecto , que nos dice que:
La velocidad de la luz es igual a la longitud de onda entre el periodo:
 La longitud de onda para una señal de sonido, aplicada directamente a al antena, sería del orden de:
Aplicado la décima parte, tenemos unos 7500 metros. Se entiende que ésto,  claramente no es viable
Sin embargo, para una señal ya modulada, si la frecuencia es del orden de 1 Mhz, tenemos que la antena va a tener una dimensión de unos 30 metros. Esto ya es otra cosa.
En la siguiente imagen, tenemos una  fotografía de este tipo de antenas del Centro Emisor de Radio Nacional de España en Majadahonda

Se ve una primera antena más alta, de  264 metros, que emite a 585 KHZ , correspondiente a  RNE1, y con una potencia de emisión de 600 KW.
La   2º antena más baja( 130 metros ) corresponde a RNE5 ,emitiendo en  657 KHz con  50 KW de potencia

 Multiplexar varias señales para transmitir por el mismo medio.
Si tenemos que mandar por la misma antena tres señales de baja frecuencia, tenemos el problema que los anchos de banda se solapan. Esto se soluciona al usar portadoras de diferente valor y desplazando el ancho de banda.
En la siguiente imagen tenemos tres señales AM, con diferente portadora.
Una vez en el receptor , se puede discriminar las diferentes señales mediante el uso de filtros de paso banda centrados en cada una de las frecuencias de la señal portadora.
Esto, representado en el dominio de las frecuencias, no da un gráfico como:

 ¿ Cómo obtenemos las señales en nuestro receptor ?

El sistema más sencillo es uniendo las funciones del filtro paso banda junto a la acción de un sistema de carga de un condensador. Esto es el principio del receptor de Galena, donde un filtro paso banda, deja pasar la portadora que nos interesa, que pasa por un filtro ( un diodo de germanio, con tensión umbral de o,2 voltios ) y un circuito de carga de un Condensador.

Veremos la parte donde ya recibimos la señal modulada ( seleccionada con un filtro paso banda ). El diodo se encarga de pasar sólo los semiciclos positivos, señales de igual frecuencia pero que varían en el tiempo ( ondas azules ). El condensador C se va cargando al valor máximo de los picos y se descarga en las caídas de tensión de la misma señal ( linea naranja ). Hay que tener en cuenta que el valor de R y C debe ser tal que:condicion filtro rc modulador

Donde la f(c) es la frecuencia de la señal portadora.

Si completamos el circuito, tenemos algo como

Actividad.

De manera voluntaria, pero con nota extra para la asignatura, realizar una radio AM de tipo galena, usando algún tutorial de Internet y con la precaución de usar diodo de germanio y algún auricular de alta impedancia. Esto es debido a que la energía que vamos a captar por la antena es muy baja y se necesitan componentes que no impidan el paso de corriente ( caso del diodo ) y que requieran baja intensidad de funcionamiento ( auriculares de alta impedancia ).

 

Bibliografía. Apuntes de la Universidad Oberta.   Ver documento en DRIVE denominado modulaciones AM y FM ( Universidad Oberta )