RADIO FM


Indice:

1.-Radio FM, ¿qué es?

2.- Vídeo Práctica: Emisión y recepción en radio FM

3.- Radio FM, lo que también debes saber

4.- Conclusión

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1.- Radio FM, ¿qué es?

Un receptor de radio FM o Frecuencia Modulada es un equipo electrónico que permite sintonizar canales de radiofrecuencia (RF) para posteriormente obtener la información contenida en los mismos (proceso de demodulación¹). El sonido o señal moduladora¹, hace que varíe en frecuencia una señal  llamada  portadora¹, a esta señal portadora que varía en frecuencia al son de la señal moduladora, se le llama señal modulada¹ y es la que se transmite y recibe por la antena.

modulacion fm
Figura 1: Modulación en Frecuencia

Se puede observar en la figura 1 las diferencias entre una señal Modulada en Amplitud (AM) y otra Modulada en Frecuencia (FM), en esta última la amplitud de la portadora se mantiene constante y lo que varía es su frecuencia (ensanchamiento y estrechamiento de la onda).

Al aumentar la amplitud (volumen) de la señal moduladora (sonido), aumenta la frecuencia de la señal portadora. Como la información transmitida (sonido) no depende de la amplitud de la señal portadora hace que este tipo de modulación sea inmune al ruido electromagnético.

En la figura 2   podemos ver el ancho de banda de tres canales de una emisión de FM comercial¹. La portadora está centrada en el dial de la emisora correspondiente, aumentado y disminuyendo su frecuencia 75 KHz respecto a la frecuencia central 91,9 MHz.

Se dejan 25 KHz a ambos lados de la banda como guarda para no invadir el canal adyacente.

Ancho de banda radio FM
Figura 2: Ancho de banda de un canal de radio FM comercial

 

2.- Vídeo Práctica: Emisión y recepción en radio FM

VideoPráctica en la que se utilizan dos emisores de FM: un generador de RF PROMAX AM/FM -213B y un emisor portátil Belkin Tune Cast 3. La señal es captada por un receptor de FM doméstico y un dispositivo de Radio Definida por Software (SDR) conectado al ordenador que nos permite analizar con precisión el espectro de la señal modulada en FM

Mediante un medidor de campo TELEVES H45 se completa el estudio de la señal emitida.

En el siguiente enlace se puede descargar la Ficha de Prácticas que utilizan mis alumnos de Formación Profesional de la rama de Telecomunicaciones. En ella, previo a la práctica, realizan los esquemas de montaje y la resolución de cuestiones preparatorias. Tras su revisión, proceden al montaje de la práctica y toma de medidas y/o datos.

Enlace a  Práctica  Modulación en Frecuencia (FM)  “.

3.-  Radio FM, lo que también debes saber

El esquema de bloques básico de una radio FM dependerá de si es tipo homodino o superheterodino, estas estructuras  se explicaron en este artículo : Receptor AM

Todo lo explicado en el artículo anterior es aplicable a la radio FM con la salvedad de que el funcionamiento del detector es distinto, pues se debe obtener la información de los cambios de frecuencia de la portadora y no de los cambios de amplitud como en AM.

Si quieres profundizar un poco más, en el siguiente vídeo (minuto 5′ 17″), utilizo un medidor de espectro basado en un dispositivo SDR muy económico para analizar la señal modulada en FM emitida por un micrófono inalámbrico profesional.

La modulación en FM tiene el inconveniente frente a la de AM de que consume mucho ancho de banda en su transmisión. Como podemos observar en la siguiente figura si la moduladora es  una onda senoidal de frecuencia fm  y  la portadora  tiene la frecuencia  fc , aparecen infinitas portadoras a ambos lados de la principal ( fc ) cuyo valor de tensión va en decremento conforme se alejan. Estas portadoras serán bandas laterales en el caso de que la moduladora sea un banda de frecuencia, que será lo habitual.

Fig.3 : Espectro de una señal de FM (www.coimbraweb.com)

 

La amplitud de las portadoras Jn(x) depende del índice de modulación1 aplicado y puede conocerse en base a las funciones de Bessel  (fig. 4). Por ejemplo la curva correspondiente a Jrepresenta como varía la amplitud de la portadora central con el índice de modulación. Podemos observar como los dos primeros nulos los tiene para los índices de modulación de 2,4 y 5,5.

Se suelen despreciar las bandas con valores  de amplitud menores a 0.01, lo que hace que generalmente se tengan en cuenta sólo hasta la J5 , es decir, hasta fc – 5fm.

Fig.4 : Funciones de Bessel.

 

En la fig. 5  se exponen  todos los parámetros que intervienen en la formulación de la ecuación de la onda modulada en FM.

Fig. 5: Ecuación de la señal de FM (www.coimbraweb.com)

 

En España, en torno al  año 2000  se apostó por la emisión de radio digital DAB¹, pero no se ha conseguido implantar masivamente, actualmente son pocas las comunidades autónomas  que están emitiendo en DAB.

El problema es que los receptores de radio digital no han bajado de precio frente a los de FM analógica; un receptor DAB portátil cuesta mas de 50 euros, lo que ha llevado a que el consumidor se siga decantando por la radio FM analógica. En España tampoco se ha establecido fecha de apagón para la radio FM, por lo que seguirá estando presente durante bastantes años más.

Glosario

Banda de FM Comercial: es la denominada banda II ( de VHF), cubre  desde 87,5 a 108 MHz y es utilizada para emisoras de radio FM analógica.

Señal moduladora: Es el sonido o información que queremos transmitir. Su frecuencia es baja, de 20 a 20000 Hz.

Señal Portadora: Es una onda de forma senoidal (sinusoide) de frecuencia elevada usada para   variar su frecuencia al son de la señal moduladora.

Señal modulada:  Es es resultado de la mezcla de la señal moduladora y la señal portadora. Es lo que emite y recibe la antena, contiene por tanto la señal portadora modulada en frecuencia por la señal moduladora.

Demodulador: Circuito electrónico encargado de extraer la información (señal moduladora) de la portadora.

DAB:  Son las siglas de Digital Audio Broadcasting, en definitiva una radio digital creada con la intención de sustituir a la radio FM. En España se emite en banda III (VHF) desde 195 a 223 MHz y en banda L (UHF) desde 1450 a 1468 MHz, con canales de 1,536 Mhz, utiliza modulación QPSK (modulación digital en fase) y usa el sistema de transmisión COFDM (sistema multiportadora), el mismo que para TDT.

Sus ventajas principales frente a la emisión radio FM son:

  • transmisión de más canales en el mismo ancho de banda
  • transmisión de datos adicionales (como en el RDS actual de radio FM)
  • sintonizamos una emisora y podemos viajar por todo el país sin cambiar de sintonía
  • menos pérdidas de señal que en la radio FM: con solo 9 dB de relación señal/ruido ya se sintoniza ( en radio FM se necesitan del orden de 50 para que se escuche con calidad). Esto es debido a la robustez de la modulación QPSK sobre el sistema multiportadora COFDM.

Indice de modulación máximo en FM o relación de desviación:

índice de modulación max  =  desviación max frecuencia de  portadora  /  frecuencia max de moduladora

Cuando es menor de π / 2 se dice que la modulación es de banda angosta o estrecha y cuando es mayor de este valor se dice que es una modulación de banda ancha.

Por ejemplo, en FM comercial tenemos un desviación de la portadora de 75 kHz y un frecuencia máxima de la moduladora de 15 kHz.

Índice de modulación  =  75 / 15  = 5  como es mayor que π / 2, este tipo de modulación es FM de banda ancha, por tanto cuando el índice de modulación sea 5 para una emisión en radio FM comercial se dice que el porcentaje de modulación es del 100%

4.- Conclusión

Todas las transmisiones que radio  que requieran calidad utilizarán modulación en FM, un ejemplo lo tenemos en los micrófonos inalámbricos los cuales usan actualmente frecuencias en la banda de UHF, con anchos de banda relativamente estrechos (unos 40 KHz), pensad que el ancho de banda que se usa actualmente en una en una transmisión de FM comercial es de 150 KHz.

Desde la ley de ICT 2003, se están instalando en todos los edificios una antena para FM y otra para DAB con su correspondiente electrónica de amplificación, aunque la verdad es que la instalación de DAB no se está utilizando casi en ningún sitio.

Por último, decir que la modulación en FM genera infinitas bandas laterales equidistantes a ambos lados de la frecuencia de la portadora que van disminuyendo de amplitud según se alejan de esta, lo que obliga a colocar un filtro paso banda a la señal que se envía a la antena para evitar la interferencia en canales adyacentes.

Bueno, este tema da para un libro, me he esforzado por hacerlo accesible a nivel básico a cualquier persona, espero haberlo conseguido :).

Un Saludo.

leandrogg68

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RADIO AM


Indice:

1.-Radio AM, ¿qué es?

2.- Vídeo Práctica: Emisión y recepción en radio AM

3.- Radio AM, lo que también debes saber

4.- Conclusión

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1.- Radio AM, ¿qué es?

Un receptor de radio AM o Amplitud Modulada es un equipo electrónico que permite sintonizar canales de radiofrecuencia (RF) para posteriormente obtener la información contenida en los mismos (proceso de demodulación¹). El sonido o señal moduladora¹, hace que varíe en amplitud una señal de más frecuencia llamada señal portadora¹, a esta señal portadora con amplitud variable se le llama señal modulada¹ y es la que se transmite y recibe por la antena.

Radio Galena
Figura 1: Radio AM de galena

El dibujo anterior muestra cómo construir una radio  AM  muy básica, radio a galena. Veamos su funcionamiento:

  • La señal captada por la antena es introducida en un circuito formado por una bobina y un condensador en paralelo llamado circuito tanque¹.
  • El circuito tanque está sintonizado a una frecuencia que puede ser ajustada con un condensador variable. Esta frecuencia será la del canal de la emisora que deseamos recibir.
  • La señal sintonizada es aplicada a un diodo realizado con una piedra de galena (cristal semiconductor de sulfuro de plomo), esta puede ser sustituida por un diodo semiconductor de germanio como el 1N34A. En esta etapa se elimina media onda de la señal recibida y se obtiene la envolvente de la misma que corresponde al sonido transmitido.
  • Conectamos unos auriculares que tengan una impedancia superior a 2000 ohmios. Como esto es difícil de encontrar, lo que se puede hacer es conectar un transformador pequeño de los de 220 voltios a 9 o 12 voltios. Su primario (el devanado de 220 v) irá al circuito y su secundario ( devanado de 9 o 12 v) irá a unos auriculares normales (de baja impedancia).

2.- Vídeo Práctica: Emisión y recepción en radio AM

VideoPráctica donde se monta una sencilla emisora de radio AM mediante un generador de RF TRIO SG-402 con entrada de modulación de AM. La señal modulada se recibe en un receptor de AM doméstico y en un dispositivo USB SDR conectado a un ordenador en el que podemos analizar el espectro de dicha señal.

En el siguiente enlace se puede descargar la Ficha de Prácticas que utilizan mis alumnos de Formación Profesional de la rama de Telecomunicaciones. En ella, previo a la práctica, realizan los esquemas de montaje y la resolución de cuestiones preparatorias. Tras su revisión, proceden al montaje de la práctica y toma de medidas y/o datos.

Enlace a  Práctica Modulación en Amplitud (AM) “. 

 

 

3.-  Radio AM, lo que también debes saber

Según su constitución interna, hay dos tipos de receptores de radio:

  • Receptores de amplificación directa o homodinos
  • Receptores con Frecuencia Intermedia o heterodinos

Esta clasificación es válida tanto para radio AM como para radio FM.

Receptor Homodino

También se le conoce como receptor sintonizado en radiofrecuencia (RF).

Un ejemplo de este tipo de receptor es el de Galena de la figura 1, sólo que este no está equipado con etapa amplificadora ni filtro, por lo que el nivel de la señal recibida por la antena debe ser alto (del orden de 0,5 voltios).

receptor homodino
Figura 2: Receptor de radio  tipo homodino

Este tipo de receptor es poco usado debido a los siguientes inconvenientes:

  • Se necesita amplificar la señal recibida de la antena desde unos pocos microvoltios hasta el orden de 0,5 voltios (ganancia de casi un millón), por lo que se deben utilizar  varias etapas amplificadoras con su correspondiente filtro sintonizado a la frecuencia de la señal portadora. Es complejo sintonizar todas estas etapas amplificadoras simultáneamente, lo que los hace poco selectivos (dificultad a la hora de sintonizar una emisora).
  • Al requerirse amplificar en tan alto grado la señal de radio frecuencia, hace que el receptor sea propenso a la “oscilación” y se vuelve inestable (pérdida de emisoras sintonizadas).
Receptor Supeheterodino

Es más complejo que el homodino pero es el utilizado mayoritariamente debido a sus ventajas:

  • El filtrado y amplificación de la señal se hace a una frecuencia más baja que la de recepción, denominada frecuencia intermedia¹, con lo que se consigue más sensibilidad y estabilidad.
  • Los filtros están sintonizados a la frecuencia intermedia que se mantiene constante independientemente del canal sintonizado, esto hace que el receptor sea muy selectivo (facilidad para sintonizar emisoras).

En la figura 3 se puede observar el esquema de bloques de un receptor superheterodino.

La señal de antena atraviesa un filtro paso banda ajustado al canal que deseamos recibir y se introduce en un amplificador para mezclarse posteriormente con un tono puro (onda senoidal) generado en un oscilador local.

Tras el mezclador se obtienen 4 señales, dejando pasar, mediante un filtro, únicamente la correspondiente a la frecuencia intermedia (FI o IF) que es amplificada para ser aplicada a un circuito demodulador¹ obteniéndose a la salida de este la señal de audio o en Banda Base1 (BB) que se amplifica para llevarla a un altavoz.

receptor superheterodino
Figura 3: Receptor de radio tipo superheterodino con filtro de rechazo a la banda de frecuencia imagen.

En la figura 4 se observa como se obtiene la señal de frecuencia intermedia (FI), restando  la  señal generada en un oscilador local (OL) a la señal de radio frecuencia sintonizada (RF).

banda imagen
Figura 4: Obtención de la banda de frecuencia intermedia.

Si la antena captara señales de otra emisora de frecuencia igual a OL – FI, estas serían tratadas como la verdadera FI, por lo que en la salida tendríamos doble audio, el original del canal que deseamos y el de la otra emisora no deseada.

Para solucionar el problema de la banda imagen se instala un filtro paso banda más selectivo tras la antena, como se muestra en la figura 5. Este filtro va cambiando de frecuencia central de forma solidaria al cambio en la frecuencia del oscilador local (OL).

banda imagen filtrada
Figura 5: Filtro para eliminar las frecuencias de la banda imagen

Glosario

Circuito tanque: También llamado “circuito resonante paralelo”, es una conexión en paralelo de una bobina y un condensador. Tiene la propiedad de que al ser alimentado entra en resonancia, es decir, genera un señal senoidal de una frecuencia fija. Esta frecuencia (o banda de frecuencia) a la que oscila es la que se hace coincidir con la del canal que deseamos sintonizar.

Se cumple que para la frecuencia de resonancia la impedancia que ofrece dicho circuito es máxima, disminuyendo por encima y por debajo de esta frecuencia. Este es el motivo por el que se comporta como un filtro de tipo pasa banda, que elimina las frecuencias alejadas de la de resonancia y deja pasar las próximas a esta.

Frecuencia Intermedia:  es una frecuencia más baja que la recibida por la antena y se obtiene al mezclar la señal recibida por la antena  con la generada en el oscilador local. Esta mezcla genera cuatro señales:

  1. Señal  de RF: será eliminada
  2. Señal  del oscilador local: será eliminada
  3. Señal  de  RF + oscilador local: será eliminada
  4. Señal  de RF – oscilador local: frecuencia intermedia

Como ejemplo, la Frecuencia Intermedia de la radio AM comercial es de 455 KHz y la de la FM comercial es de 10,7 MHz.

Señal moduladora: Es el sonido o información que queremos transmitir. Su frecuencia es baja, en radio es de 20 a 20000 Hz.

Señal Portadora: Es una onda de forma senoidal (sinusoide) de frecuencia elevada usada para   variar su amplitud al son de la moduladora.

Señal modulada:  Es el resultado de la mezcla de la señal moduladora y la señal portadora. Es lo que emite y recibe la antena, contiene por tanto la señal portadora modulada en amplitud.

Fig. 6: Modulación AM en el dominio del tiempo y ecuaciones. Así se vería en un osciloscopio. www.coimbraweb.com.
Fig. 7: Modulación AM en el dominio de la frecuencia de un tono puro o señal senoidal, así se vería en un analizador de espectro. www.coimbraweb.com.

La fig. 7 muestra la amplitud que tienen las bandas laterales ( Am/2), esto es en el caso de que el índice de modulación sea 1, en caso de otro valor de indice de modulación la amplitud de las bandas laterales vendría dada por:

 m * ( Am/2)

m : índice de modulación

A: amplitud de la señal moduladora

 

Fig. 8: Modulación AM en el dominio de la frecuencia de una banda de frecuencia B= 3,1 kHz (señal de voz). La información de la banda lateral superior (USB) contiene la misma información que la inferior (LSB). El índice de modulación es del 100%. www.coimbraweb.com.

 

Oscilador Local: Es un circuito electrónico que genera un tono puro (onda senoidal) cuya frecuencia es algo menor  (o a veces mayor) que la frecuencia de la portadora del canal que se recibe por la antena (que sintonizamos).

Mezclador: Es el circuito encargado de mezclar el tono generado por el oscilador local con la señal procedente de la antena (señal de Radio Frecuencia o RF), con el fin de obtener la señal de frecuencia intermedia.

Demodulador: Circuito electrónico encargado de extraer la información (señal moduladora) de la portadora. En receptores de AM suele ser un diodo de germanio.

Banda Base : Es la señal que se utiliza como moduladora, en radio sería el audio. Esta señal tiene baja frecuencia, en el caso del audio va desde 20 – 20.000 Hz. En Televisión va desde 0 a 5 Mhz.

Banda de Frecuencia Imagen: Son frecuencias no deseables que pueden ser captadas por la antena y crean interferencias a la señal original.

Frecuencia Imagen     Frecuencia Oscilador Local      Frecuencia Intermedia

Se persigue, mediante un filtro instalado tras la antena, que no entren en el receptor.

Indice de modulación:

Cuando lo que se conoce son las amplitudes de la señal portadora (Ac) y la de la señal moduladora (Am), el índice de modulación (m) será:

m = Am / Ac

 

Si lo que se conoce es la señal modulada, vista en un osciloscopio, entonces:

m  =  Amax – A min / A max + A min

indice-de-modulacion
                            Figura 9 – Indice de modulación

Varía de 0 a 1, un 1 sería 100% de modulación y 0 un 0%, lo ideal es que fuera del 100% ya que de esta forma se obtiene la máxima potencia en la transmisión, pero en la práctica se reduce para asegurar el que no se produzca sobremodulación.

 

 

4.- Conclusión

Aunque la calidad de la emisión en AM no es la de FM, se sigue utilizando con regularidad debido a:

  1. Los equipos de emisión/recepción son más simples que los de FM y más baratos.
  2. El ancho de banda utilizado por canal es más estrecho.
  3. Se optimiza más la potencia, por ejemplo en emisión AM de banda lateral superior (USB), la potencia necesaria en la emisión es 1/4 de la usada en AM standard. Esto se consigue gracias a que no se transmite la portadora (50% de la potencia) ni la banda lateral inferior (25% de la potencia). Estos receptores se utilizan en radioafición y son más complejos que los de AM de la banda comercial (desde 535 a 1605 kHz).

Hay que tener en cuenta que en radio AM la información va codificada en la amplitud de la señal portadora, por lo que un rayo de una tormenta, una chispa de un motor eléctrico o de una bujía de moto, etc, van a modificar la amplitud de esta señal y por tanto introducirán un ruido,  esto no sucede en radio FM.

Por tanto, queda claro que donde busquemos calidad de sonido no se va a usar la modulación AM, pero sí en otras muchas aplicaciones que no sean tan críticas ante los ruidos.

Un Saludo.

leandrogg68

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