Transmisor de Frecuencia Modulada

Introducción

RADIODIFUSION El proceso por el cual nuestra voz o cualquier fuente sonora se convierte en ondas electromagnéticas y viaja por toda la ciudad, acabando en el receptor de radio que tenemos en casa. Aprender los diferentes aparatos que intervienen en ese proceso

MARCONI, ¿PADRE DE LA RADIODIFUSIÓN? Desde los tambores, pasando por los espejos, los correos... llegando hasta la telegrafía. Ésta, por medio de un cable, transmitía impulsos eléctricos que, codificados y decodificados con el celebérrimo código Morse, era capaz de hacer llegar mensajes a largas distancias y de manera inmediata Nikola Tesla (1893 construyó el primer radiotransmisor) Branley (inventó el Cohesor en 1891) Lodge ( perfeccionó la sintonización de las ondas en 1894) Popov (inventó la antena de recepción en 1895 y 1896 presentó un sistema completo de recepción-emisión de los mensajes telegráficos consiguiendo así de transmitir el primer mensaje telegráfico entre dos edificios de la Universidad de San-Petersburgo situados a distancia de 250 metros)

DEFINICIONES IMPORTANTES EN RADIODIFUSIÓN - ONDA es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío (ejemplo clásico de esto son las ondas que produce tirar una piedra a un estanque). - ONDAS SONORAS (que utilizan el aire como medio de propagación y van a una velocidad aproximada de 300 metros por segundo) tienen la virtud de estimular el oído humano y generar la sensación sonora. - Ondas percibidas por el oído humano comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz (Hertzios). - Silbatos para perros que al tener una frecuencia superior a 15.000Hz. - Oímos mejor (distinguimos más) las frecuencias medias, luego las bajas y por último las agudas o altas.

ESPECTRO DE FRECUENCIAS

En RADIODIFUSIÓN, y en particular para Frecuencia Modulada, se utiliza un rango concreto de las Frecuencias Muy Altas (VHF Very High Frecuency). Ese rango utilizado es de 87.500 Hz hasta 108.000 Hz. La señal de radio frecuencia (RF) que es transmitida por la antena y que llega a nuestro receptor se llama PORTADORA.  Cuando sólo está emitiendo el excitador (no ponemos música), se le denomina PORTADORA ESTACIONARIA. Cuando mandamos información (música) obtenemos la PORTADORA MODULADA.

Frecuencia Modulada

MODULACIÓN La modulación se produce en un circuito llamado MODULADOR. Uno de los métodos de modulación que se utilizan es: la onda senoidal varía al ritmo de frecuencia de audio, y se superpone a la portadora de RF para transmitir la información. Existe MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM), en la que se varía la amplitud de la portadora y MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FM), que varía la frecuencia de la portadora. El excitador crea una portadora modulada en frecuencia (el oscilador crea una portadora que se une a la audiofrecuencia), se envía a la antena, y ésta, crea un campo magnético y otro campo electrostático a su alrededor, que radian la energía a la atmósfera, donde existen diferentes partículas que tienen carga, y por reflexión, “reenvían” las ondas radioeléctricas, y así llega a nuestro receptor que por un proceso inverso convierte la radiofrecuencia en frecuencia audible para el ser humano.

Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora Señal Modulada

Los sistemas FM requieren mayor anchura de banda y se demuestra que la relación señal/ruido de la señal transmitida aumenta, es decir, aumenta la calidad de la señal. La frecuencia de portadora de un transmisor de FM se denomina FRECUENCIA CENTRAL O DE REPOSO. Cuando es aplicada una señal moduladora, la magnitud de la Variación de frecuencia por encima o por debajo de la frecuencia de reposo se denomina DESVIACIÓN DE FRECUENCIA.  La variación total entre los valores mínimo y máximo de frecuencia se llama EXCURSIÓN U OSCILACIÓN DE PORTADORA.

Transmisor FM

PARTES DE UN TRANSMISOR Emisor Un excitador de frecuencia modulada, básicamente hace lo siguiente: crea una señal portadora continua que, con las variaciones de audio provenientes del compresor, que a su vez provienen de la mesa de mezclas, forman una portadora modulada en frecuencia que manda hacia la antena y esta hacia la atmósfera.

Funcionamiento Del Transmisor FM

DIAGRAMA DE BLOQUES Micrófono Amplificador Mezclador Oscilador 2 Antena Modulador FM Oscilador 1 El micrófono es el dispositivo encargado de transformar la potencia de la voz (ondas de presión) en una señal eléctrica. La voz humana tiene tonos entre 300Hz y 5KHz, y por tanto la señal eléctrica a la salida del micrófono ocupa un ancho de banda desde 300Hz a 5KHz. La primera etapa de amplificación es la encargada de amplificar la señal para poder atacar las etapas siguientes. La señal proveniente del micrófono es una señal con poca potencia que necesita ser amplificada antes de entrar en el modulador. La señal a la salida de la etapa amplificadora ocupa el mismo rango de frecuencias ya que en esta etapa no se produce translación frecuencial. La señal se desea transmitir con modulación FM, es decir, modulada en frecuencia. Para ello hace falta introducir la señal en una etapa de modulación junto con un tono proveniente del Oscilador 1. La señal proveniente de micrófono actúa como moduladora y la señal del Oscilador 1 será la portadora. El espectro de frecuencias de la señal a la salida de la etapa de modulación se encuentra centrado a la frecuencia de la portadora (Oscilador 1) y ocupa en torno a esta frecuencia un ancho de aproximadamente 5KHz. El bloque posterior al modulador, el mezclador, tiene como objetivo elevar la frecuencia de la señal transmitida hasta un valor libre donde podamos transmitir. El espectro frecuencial está regulado por las Administraciones Públicas que conceden licencias de utilización. Así, de 88MHz hasta los 108MHz se reserva para las emisoras de radio con modulación FM, en torno a los 900MHz se encuentran los canales de telefonía móvil GSM, a 1575MHz el GPS, etc. El espectro de frecuencia de la señal a la salida del Mezclador es el mismo que a la salida del modulador pero trasladado un valor igual que la frecuencia del Oscilador 2. En la figura se muestra de forma esquemática el espectro de frecuencia a la salida de la etapa de modulación, el espectro del Oscilador 2 y de la salida del Mezclador. A través de la frecuencia de la señal del Oscilador 2 se puede seleccionar en qué canal se desea transmitir dentro del rango entre 88MHz y 108MHz que se tiene reservado. El amplificador de salida permite dotar a la señal de potencia suficiente para cubrir el rango de alcance que se desea. Para aumentar el rango de alcance de un transmisor de FM habrá que conseguir aumentar la potencia con la que se emite, es decir, aumentar la ganancia del amplificador a la salida. Acoplador de antena, circuito que provee un medio de transferir la máxima energía desde el amplificador final hasta la antena. La antena es el elemento que transforma las señales eléctricas que se encuentran contenidas en el interior del circuito en ondas electromagnéticos que viajan por el aire. Este dispositivo radia la información al exterior.

El bloque posterior al modulador, el mezclador, tiene como objetivo elevar la frecuencia de la señal transmitida hasta un valor libre donde podamos transmitir. El espectro frecuencial está regulado por las Administraciones Públicas que conceden licencias de utilización. Así, de 88MHz hasta los 108MHz se reserva para las emisoras de radio con modulación FM, en torno a los 900MHz se encuentran los canales de telefonía móvil GSM, a 1575MHz el GPS, etc. El espectro de frecuencia de la señal a la salida del Mezclador es el mismo que a la salida del modulador pero trasladado un valor igual que la frecuencia del Oscilador 2. En la figura se muestra de forma esquemática el espectro de frecuencia a la salida de la etapa de modulación, el espectro del Oscilador 2 y de la salida del Mezclador. A través de la frecuencia de la señal del Oscilador 2 se puede seleccionar en qué canal se desea transmitir dentro del rango entre 88MHz y 108MHz que se tiene reservado. El amplificador de salida permite dotar a la señal de potencia suficiente para cubrir el rango de alcance que se desea. Para aumentar el rango de alcance de un transmisor de FM habrá que conseguir aumentar la potencia con la que se emite, es decir, aumentar la ganancia del amplificador a la salida. Acoplador de antena, circuito que provee un medio de transferir la máxima energía desde el amplificador final hasta la antena. La antena es el elemento que transforma las señales eléctricas que se encuentran contenidas en el interior del circuito en ondas electromagnéticos que viajan por el aire. Este dispositivo radia la información al exterior.

La figura ilustra el espectro de frecuencia de las señales a la salida del micrófono, a la salida de la primera etapa de amplificación y a la salida de la etapa de modulación. 300Hz 5KHz F_osc1 5KHz f P El espectro de frecuencia de la señal a la salida del Mezclador es el mismo que a la salida del modulador pero trasladado un valor igual que la frecuencia del Oscilador 2. En la figura se muestra de forma esquemática el espectro de frecuencia a la salida de la etapa de modulación, el espectro del Oscilador 2 y de la salida del Mezclador. F_osc1 F_osc2 + F_osc1 5KHz f P F_osc2

Circuito Transmisor FM

ESQUEMA CIRCUITAL Antena Modulador, mezclador y amplificador de salida Micrófono y acondicionador de señal Amplificador de señal Modulador, mezclador y amplificador de salida Micrófono Antena L1 C5 + R5 R4 + C3 C2 C4 P1 R2 R3 R1 C1 C6 R6 C7 TR1 TR2

La desviación máxima permitida es de ± 75 kHz Se provee 25 kHz de bandas de seguridad (guard band) que ayuda a minimizar las interferencias con estaciones adyacentes Se requiere que la portadora tenga una estabilidad de ± 2 kHz. Hay que recordar que un número infinito de frecuencias laterales son generadas durante la modulación, pero sus amplitudes disminuyen gradualmente mientras se alejan de la portadora.

Moduladores y Transmisores FM Directos

MODULADORES DIRECTOS La FM directa es la modulación angular en la cual la frecuencia de la portadora varía (es desviada) directamente por la señal modulante. Con la FM directa, la desviación de frecuencia instantánea es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante. La figura 6-14 muestra un diagrama esquemático para un generador de FM simple (aunque altamente impráctico) y directo. El circuito tanque (L y Cm) es la sección para determinar la frecuencia para un oscilador LC estándar. El capacitor del micrófono es un transductor que convierte la energía acústica a energía mecánica, la cual se usa para variar la distancia, entre las placas de Cm y, consecuentemente, cambiar su capacitancia. Conforme Cm varía, la frecuencia de resonancia varía. Por lo tanto, la frecuencia de salida del oscilador varía directamente con la fuente de sonido externa. Esta es la FM directa porque la frecuencia del oscilador se cambia directamente por la señal modulante y la magnitud del cambio de frecuencia es proporcional a la amplitud del voltaje de la señal modulante.

MODULADOR DE DIODO VARACTOR

MODULADOR DE REACTANCIA

MODULADOR DE CIRCUITO INTEGRADO LINEAL

TRANSMISORES DIRECTOS Los generadores directos de FM producen una forma de onda de salida en la que la desviación de frecuencia es directamente proporcional a la señal moduladora. En consecuencia, el oscilador de la portadora se debe desviar en forma directa. Así, para los sistemas de FM de índice intermedio y alto, el oscilador no puede ser de cristal, porque la frecuencia a la que oscila el cristal no se puede variar mucho. Esto afecta la estabilidad de los transmisores directos. Esto se resuelve con el uso de un control automático de frecuencia (AFC)

TRANSMISORES DIRECTO DE CROSBY

CIRCUITO AFC

Transmisor de FM directa de circuito de fase cerrada

Moduladores y Transmisores FM Indirectos

Moduladores de FM indirectos

Transmisores de FM indirectos Producen una forma de onda de salida La desviación de fase es directamente proporcional a la señal modulante. Por lo tanto, el oscilador de la portadora puede ser un cristal, ya que el oscilador, por sí mismo, no es el modulador. Como resultado, nos da la estabilidad de los osciladores con transmisores de FM indirectos

Transmisor FM indirecto de Armstrong

Transmisor FM Estereo

FM Estéreo FM = Frecuencia Modulada Método para el procesamiento de señales de audio Señal limpia y de alta fidelidad

Cuando se graba en estéreo, esto resulta sencillo de reproducir, no así cuando se trata de transmitir estas señales, en vista de que se necesita transmitir por separado ambas, mismas que se procesan en el receptor para luego escucharlas tal y como se originaron.   Después de varios diseños e intentos, se llegó a la perfección del sistema "MULTIPLEX ESTEREO DE FM", el cual fue aprobado por la FCC, y mediante el cual se puede transmitir el sonido en estéreo en una sola onda portadora en frecuencia modulada. Una de las ventajas del multiplexado estéreo de FM es que la reproducción del sonido es tan buena en los receptores estereofónicos como en los de FM normal, estos lo reproducen como una señal monofónica de FM.

SEÑAL MULTIPLEX DE FM ESTEREO Esto se inicia con las señales de audio que producen los micrófonos, o sea izquierdo y derecho, las cuales se aplican a un circuito que se conoce como "Matríz", con lo cual se generan 2 nuevas señales. La señal L - R se usa para modular en amplitud una sub - portadora de 38 Khz, la cual produce como consecuencia bandas laterales de frecuencias superiores e inferiores a los 38 Khz; esto permite que después de la modulación se pueda suprimir la frecuencia sub - portadora central de 38 Khz con el fin de ahorrar espacio en la onda portadora principal. Estas siendo de audiofrecuencia tienen un ancho de banda limitado, ya que abarca de 0 á 15 Khz. Las frecuencias superiores a 15 Khz se eliminan con la ayuda de filtros. Por lo mismo, la señal que se transfiere a la portadora de Fm tiene un ancho de banda de únicamente 15 Khz. SEÑAL MULTIPLEX DE FM ESTEREO

Gráfico de las señales de frecuencia modulada

PROCESO DEMODULADOR: Para seguir con el ahorro de espacio en la banda de transmisión, la portadora piloto tiene únicamente 19 Khz. De esta forma cabe en una parte del espectro de frecuencias de la señal total, en un punto que no hay ninguna señal de audio. En el receptor se duplicará la frecuencia de la portadora piloto para obtener la señal de sincronización de 38 Khz. La portadora piloto también sirve para activar en el receptor un circuito que indica que la transmisión se lleva a cabo en estéreo, el cual se visualiza normalmente por un LED.