Amplitud modulada: concepto, características, cómo funciona, ejemplo
¿Qué es la amplitud modulada?
La amplitud modulada AM (amplitude modulation) es una técnica de transmisión de señales en la cual una onda electromagnética sinusoidal portadora de frecuencia fc, encargada de transmitir un mensaje de frecuencia fs < fc, varía (es decir, modula) su amplitud de acuerdo a la amplitud de la señal.
Ambas señales viajan como una sola, una señal total (AM signal) que combina a ambas: la onda portadora (carrier signal) y la onda (information signal) que contiene el mensaje, tal como se muestra en la siguiente figura:
Se advierte que la información viaja contenida en la forma que envuelve a la señal AM, que recibe el nombre de envolvente.
Mediante esta técnica, una señal puede transmitirse por largas distancias, de allí que este tipo de modulación sea muy utilizado por la radio comercial y la banda civil, aunque el procedimiento se puede llevar a cabo con cualquier tipo de señal.
Para obtener la información se necesita de un receptor, en el cual se efectúa un proceso denominado demodulación mediante un detector de envolvente.
El detector de envolvente no es otra que un circuito muy sencillo, llamado rectificador. El procedimiento es simple y económico, pero en el proceso de transmisión siempre ocurren pérdidas de potencia.
¿Cómo funciona la amplitud modulada?
Para transmitir el mensaje junto a la señal portadora no basta con sumar simplemente ambas señales.
Se trata de un proceso no lineal, en el cual la transmisión de la forma antes descrita se logra al multiplicar la señal del mensaje por la señal portadora, ambas cosenoidales. Y al resultado de esto sumar la señal portadora.
La forma matemática que resulta de este procedimiento es una señal variable en el tiempo E(t), cuya forma es:
E(t) = Ec (1 + m.cos 2πfs.t). cos 2πfc.t
Donde la amplitud Ec es la amplitud de la portadora y m es el índice de modulación, dado por:
m = Amplitud del mensaje / Amplitud de la portadora = Es / Ec
De este modo: Es = m.Ec
La amplitud del mensaje es pequeña en comparación con la amplitud de la portadora, por lo tanto:
m 1
De lo contrario la envolvente de la señal AM no tendría la forma precisa del mensaje a transmitir. La ecuación para m se puede expresar como porcentaje de modulación:
m% = (Es / Ec) x 100%
Sabemos que las señales senoidales y cosenoidales se caracterizan por tener cierta frecuencia y longitud de onda.
Cuando una señal se modula, se traslada su distribución de frecuencia (espectro), la cual pasa a ocupar una cierta región alrededor de la frecuencia de la señal portadora fc (que no se altera en absoluto durante el proceso de modulación), llamada ancho de banda.
Al tratarse de ondas electromagnéticas, su velocidad en el vacío es la de la luz, que se relaciona con la longitud de onda y la frecuencia mediante:
c = λ.f
De esta manera, la información a transmitir proveniente digamos, de una estación de radio, viaja muy rápidamente hasta los receptores.
Las transmisiones de radio
La estación de radio debe transformar las palabras y la música, todas ellas señales de sonido, en una señal eléctrica de la misma frecuencia, por ejemplo mediante micrófonos.
Esta señal eléctrica se llama señal de frecuencia auditiva FA, porque se encuentra en el rango de 20 a 20.000 Hz, que es el espectro audible (las frecuencias que los humanos oyen).
Dicha señal debe amplificarse electrónicamente. En los primeros tiempos de la radio se hacía con tubos de vacío, que posteriormente fueron sustituidos por los transistores, mucho más eficientes.
Después la señal amplificada se combina con la señal de frecuencia radial FR mediante circuitos moduladores de AM, de manera que resulte en una frecuencia específica para cada estación de radio. Esta es la frecuencia portadora fc mencionada más arriba.
Las frecuencias portadoras de las estaciones de radio AM se encuentran entre 530 Hz y 1600 Hz, pero las estaciones que usan frecuencia modulada o FM, tienen portadoras de mayor frecuencia: 88-108 MHz.
El paso siguiente es amplificar nuevamente la señal combinada y enviarla a la antena para poder ser emitida como una onda de radio. De esta manera se puede propagar por el espacio hasta llegar a los receptores.
La recepción de señales
Un receptor de radio tiene una antena para captar las ondas electromagnéticas provenientes de la estación.
Una antena consta de un material conductor que a su vez posee electrones libres. El campo electromagnético ejerce fuerza sobre estos electrones, que de inmediato vibran a la misma frecuencia de las ondas, produciendo una corriente eléctrica.
Otra opción es que la antena receptora contenga una bobina de alambre y el campo electromagnético de las ondas de radio induzca en ella una corriente eléctrica. En cualquiera de los casos, esta corriente contiene la información que llega de todas las estaciones de radio que captadas.
Lo que sigue ahora es que el receptor de radio sea capaz de distinguir a cada estación de radio, es decir, sintonizar la que se prefiera.
Sintonizar la radio y escuchar la música
Elegir entre las diversas señales se logra mediante un circuito LC resonante u oscilador LC. Este es un circuito muy simple que contiene un inductor L y capacitor C variables puestos en serie.
Para sintonizar la estación de radio, se ajustan los valores de L y C, de forma que la frecuencia resonante del circuito coincida con la frecuencia de la señal a sintonizar, que no es otra que la frecuencia portadora de la emisora de radio: fc.
Una vez sintonizada la emisora, entra en acción el circuito demodulador que mencionado al comienzo. Es el que se encarga de descifrar, por así decirlo, el mensaje emitido por la estación de radio. Lo consigue separando la señal portadora y la señal del mensaje, valiéndose de un diodo, y un circuito RC llamado filtro pasa-bajo.
La señal ya separada pasa de nuevo por un proceso de amplificación y de allí va a los altavoces o a los audífonos para que podamos escucharla.
El proceso está descrito aquí a grandes rasgos, porque en realidad hay más etapas y es bastante más complejo. Pero nos da una buena idea de cómo sucede la modulación de amplitud y cómo llega a oídos del receptor.
Ejemplo resuelto
Una onda portadora tiene amplitud Ec = 2 V (RMS) y frecuencia fc = 1.5 MHz. Es modulada por una señal de frecuencia fs = 500 Hz y amplitud Es = 1 V (RMS). ¿Cuál es la ecuación de la señal AM?
Solución
Se sustituyen los valores adecuados en la ecuación para la señal modulada:
E(t) = Ec (1 + m.cos 2πfs.t). cos 2πfc.t
Sin embargo, es importante destacar que en la ecuación se incluyen las amplitudes pico, que en este caso son voltajes. Por lo tanto es necesario pasar los voltajes RMS a pico multiplicando por √2:
Ec = √2 x 2 V = 2.83 V ; Es = √2 x 1 V = 1.41 V
m= 1.41/ 2.83 = 0.5
E(t) = 2.83 [(1 + 0.5cos (2π.500.t)] cos (2π.1.5 x 106.t)= 2.83 [(1 + 0.5cos (3.14 x 103.t)] cos (9.42 x 106.t)
Referencias
- Analfatécnicos. Sistemas de Modulación. Recuperado de: analfatecnicos.net.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Quesada, F. Laboratorio de Comunicaciones. Modulación de Amplitud. Recuperado de: ocw.bib.upct.es.
- Santa Cruz, O. Transmisión de modulación de amplitud. Recuperado de:profesores.frc.utn.edu.ar.
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 2. 7ma. Ed. Cengage Learning.
- Onda Portadora. Recuperado de: es.wikipedia.org.