MODULACIÓN, LINEAS DE TRANSMISIÓN, GUIAS DE ONDA, CAVIDADES RESONANTES Y ANTENAS

Electrotecnia. Electricidad

TRANSMISION DE SEÑALES

En sentido amplio, "comunicación por radio" significa la transferencia de inteligencia de un punto a otro del espacio utilizando energía electromagnética en el espectro de frecuencias comprendido entre 10 KHz y 30.000 MHz. La antena trasmisora irradia estas ondas y la antena receptora las capta. Esta banda tan amplia de frecuencias comprende muchas técnicas diferentes que se reúnen bajo el término de "radio comunicaciones".

• Líneas de transmisión
• Terminación de líneas de transmisión
• El fenómeno de la radiación
• Antenas de RF. Dipolo. Impedancia de antena.
• Dipolo resonante de media onda. Antena Yagui. Dipolo plegado. Antena vertical

Naturaleza de las señales de radio

Las comunicaciones por radio se realizan por medio de ondas electromagnéticas que van desde la antena trasmisora a la receptora. Esto sin embargo no identifica la naturaleza de las señales de radio. Las diferencias entre las distintas señales de radio radican principalmente en las técnicas empleadas para incluir la información dentro de las señales a irradiar.

Estas diferencias dan origen a distintas identificaciones. La identidad de cada clase se denomina "tipo de emisión". Las comunicaciones modernas han dado origen a muchos tipos de modulación, y por lo tanto de emisión. Como ejemplo vemos las representaciones de las mas simples a continuación :

La señal más básica creada a partir de un generador de señal es la señal de onda continua (CW), o onda sinusoidal, que no tiene modulación y que es producida por una fuente de señal básica. Las señales CW de menos de 6 GHz se conocen comúnmente como señales de RF, mientras que las de 6 GHz a 30 GHz y las de más de 30 GHz se denominan señales de microondas y señales milimétricas, respectivamente.

El término RF se ha convertido en sinónimo de señales inalámbricas y de alta frecuencia, describiendo cualquier cosa desde la radio AM entre 535 kHz y 1605 kHz hasta las redes de área local (LAN) de la computadora a 2,4 GHz. Sin embargo, RF ha definido tradicionalmente frecuencias de unos pocos kHz a aproximadamente 1 GHz. Si uno considera las frecuencias de microondas como RF, este rango se extiende a 300 GHz.

El trasmisor básico (Radiotelegrafía)

El trasmisor de radio más elemental lo constituía el transmisor radiotelegráfico. Consistía en un generador de energía de radiofrecuencia a válvulas (oscilador); una fuente de voltaje (fuente de alimentación); un manipulador con el cual se podía interrumpir la señal y una antena. En sentido estricto, la antena no es parte del trasmisor, pero es un agregado necesario, sin el cual no se puede utilizar el trasmisor.

El trasmisor constituido por las partes mencionadas, tenía muchos defectos. El más grande era su imposibilidad para mantener constante la frecuencia del oscilador, con lo cual, la señal recibida era difícil de "leer". Además la potencia de la señal que entregaba el oscilador era baja, y limitaba las distancias entre las cuales podían efectuarse las comunicaciones.

La manipulación hacía que el circuito se abra y se cierre de acuerdo con un código radiotelegráfico, que generaba en forma correspondiente "chorros de energía". Esta energía irradiada por la antena trasmitía un mensaje. Los trasmisores usados con fines radiotelegráficos se llaman de "onda continua" o CW.

Modulación de amplitud. AM

Uno de los problemas básicos, de la radiodifusión es hacer que una señal de audio pueda ser escuchada por todos los que se interesen dentro de una zona o región dada. Para lograr esto se recurre a la transmisión de la señal por medio de ondas electromagnéticas, las que se caracterizan también por una frecuencia y una intensidad, normalmente medida ésta por el valor de campo eléctrico, o sea los Voltios por metro. El valor de esta intensidad es muy bajo de modo que normalmente está dada en microvoltios por metro, que se indica por μV/m. El transmisor es el encargado de llevar la señal disponible en el micrófono a ondas electromagnéticas, que se obtienen en la antena transmisora.

La palabra "modulada", tal como la define el diccionario, significa "variación de tono, inflexión o alguna otra cualidad del sonido". En radio, se modula o varía la portadora de RF. La señal de RF se llama "portadora", porque transporta alguna forma de inteligencia o de información. Superponer a la portadora de RF la palabra o la música, significa modular la señal. Hay varios sistemas de modulación pero el más común y el que discutiremos primero, es la modulación de amplitud que se abrevia AM. La información con que modulamos la señal de RF puede ser una onda de AF. La música y la palabra tienen formas de onda más complicadas, pero en cambio una onda sinusoidal nos permitirá una más fácil explicación del fenómeno, y es lo mismo que ocurre con ondas más complejas.

La señal de micrófono se conoce como señal de modulación, o modulación. La señal electromagnética tiene una frecuencia que se conoce como portadora, y varía de acuerdo a la modulación.

Para combinar la portadora con la señal de audio se las mezcla juntas en circuitos electrónicos especiales. Una característica importante es que la mezcla no puede ser realizada por un circuito lineal, tal como una resistencia pura. Cuando se aplican portadora y audio a una resistencia pura la amplitud de la portadora no varía, es decir, no se modula; lo único que sucede es que la portadora se corre lateralmente, a una relación de audio.

Para que la portadora se module con la señal de audio, ambas deben ser mezcladas en un circuito no lineal. El resultado es que la amplitud de la portadora varía directamente con la amplitud de la señal de audio. La alternancia positiva de audio, añade a las alternancias positivas y negativas de RF, una amplitud; las alternancias negativas restan amplitud. Esto da como resultado que la señal modulada tenga dos impresiones de la señal de audio. La impresión superior es un duplicado de la original. La inferior también es un calco de la señal original, pero 180º fuera de fase. Trazando una línea punteada exterior (llamada "envolvente de modulación") se ve más claramente las dos impresiones de la señal.

Si la amplitud de la portadora es importante, mucho más lo es la amplitud de la señal de audio, en el problema de la modulación. La cantidad de modulación que introduce una señal de audio en la portadora, se mide en porcientos.

En A se muestra una portadora sin modular con un nivel de amplitud de pico de ± 10 voltios. En B, tenemos una señal modulante de audio de ± 5 voltios de pico. C muestra la portadora modulada resultante. Obsérvese que cuando las alteraciones de + 5 voltios modulan la portadora, ésta aumenta en la misma cantidad, en ambas direcciones, positiva y negativa; similarmente, cuando es la de -5 voltios que modula, la portadora disminuye en la misma cantidad a ambos lados. Como resultado de esto, los picos negativos y positivos de la portadora modulada aumentan y disminuyen de valor en un 50 % o sea, una mitad de su valor normal. C muestra una señal modulada al 50 %. Aumentamos ahora la señal de audio en ± 10 voltios, como se muestra en D. La portadora modulada se representa en E. Note que la amplitud se duplica para los picos positivos y se reduce a cero para los negativos. Por lo tanto, la portadora modulada aumenta y disminuye de valor en un total de 100 %. Por esto se dice que la modulación es 100 %.

Figura : El porcentaje de modulación varía con la intensidad de audio

Figura : Análisis de la onda modulada. Modulación de amplitud mayor del 100 x 100.

Frecuentemente se presentan problemas con ondas de radio frecuencia moduladas, líneas de transmisión. guías de onda, cavidades resonantes, y antenas, los cuales se tratan a continuación.

Una onda de radio frecuencia puede modularse con la información a transmitir ya sea variando la amplitud o la frecuencia de las oscilaciones de RF. En una onda modulada en amplitud (Fig. 1) la amplitud de las oscilaciones de RF varía de acuerdo con la información a transmitir, mientras que la frecuencia de las oscilaciones se mantiene constante. La información a transmitir consiste generalmente en una señal modulante de audio, de frecuencias comprendidas en el rango de 15 a 20.000 ciclos por segundo, o en una señal modulante de video con frecuencias que van desde CC a varios megaciclos por segundo. La señal modulante se superpone a la portadora de radiofrecuencia aplicando ambas una impedancia no lineal (es decir, a un modulador). Cuado se hace ésto, las frecuencias modulanle y portadora se baten entre sí, o se heterodinan para producir frecuencias adicionales iguales a la suma y a la diferencia de las frecuencias aplicadas. La onda modulada resultante, por lo tanto, está formada por la frecuencia portadora, varias frecuencias suma que se conoce colectivamente como banda lateral superior, varias frecuencias diferencia que se conocen como banda lateral inferior. El ancho de banda total de la onda modulada tiene un valor doble al de la frecuencia de modulación más alta. Por ejemplo, si la frecuencia modulante de audio más alta es 15 Kc/s. el ancho total de las dos bandas laterales es 30 Kc/s, y este ancho de banda debe pasar por todos los circuitos receptores y transmisores.

Figura 1: Portadora de RF modulada en amplitud, indicando la notación utilizada

Grado de modulación. El grado en el cual la amplitud de la onda modulada varía por la señal modulante se denomina grado de modulación de amplitud.

Es importante que la amplitud pueda variar tanto como sea posible, debido a que la salida del detector en un receptor varía con las variaciones de amplitud de la señal recibida. Entonces, una trasmisión de relativamente baja potencia, pero bien modulada puede producir una señal más fuerte que otra de mayor potencia pero mal modulada. Si la modulación excede el 100 %. hay un intervalo durante el ciclo de audio en el cual la portadora desaparece por completo.

donde a_m es la amplitud máxima de la señal modulante (Fig. 1) y E_o es la amplitud de la onda sin modular = amplitud media de la onda modulada o envolvente de modulación (Fig. 1).

El grado de modulación se expresa generalmente en por ciento, y es:

Para una señal modulante sinusoidal, en la cual la modulación es simétrica alrededor de la portadora, el porcentaje de modúlación está dado también por las relaciones:

donde E_max, E_miny E_n son las amplitudes máximas, mínimas y media de la onda modulada (envolvente), como se muestra en la fig. 1.

Para la modulación con ondas sinusoidales todas estas expresiones dan el mismo resultado, como se hace evidente en el Problema 1.

PROBLEMA 1. La amplitud máxima o de cresta de una onda modulada sinusoidalmente es 2000 voltios; su amplitud mínima es 400 voltios y su amplitud media (sin modular) es 1200 voltios. La amplitud máxima de la señal modulante es 800 voltios. Determinar el grado y porcentaje de modulación.

PROBLEMA 2. Se obtiene una imagen trapezoidal de modulación (Fig. 2) aplicando una portadora modulada a las placas verticales de un osciloscopio mientras se aplica, al mismo tiempo, la señal modulante a las placas horizontales. Si la altura máxima (A) de la imagen, que es proporcional a la amplitud de cresta, es 12.7 cm, y la altura mínima (B) proporcional a la amplitud del nodo, es 1,2 cm ¿cuál es el porcentaje de modulación?

Figura2. Ilustración del Problema 2.

SOLUCIÓN (Ver Fig. 2) . Dado que las dimensiones A y B son proporcionales a las amplitudes de cresta y nodo, respectivamente, podemos escribir

Modulación de frecuencia

En la modulación de frecuencia, se varía la frecuencia instantánea de las oscilaciones de RF, de acuerdo con la señal modulante (información) que se desea transmitir, mientras que la amplitud de las oscilaciones se mantiene constante. El número de veces (por segundo) que se varía la frecuencia instantánea alrededor de la frecuencia media o portadora, se denomina frecuencia de modulación, mientras que la cantidad de variación de frecuencia desde el valor medio (frecuencia portadora) se llama desviación de frecuencia.

La desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante. Por ejemplo, una onda de audio, de 1000 ciclos de una cierta amplitud puede ser transmitida por modulación de frecuencia, en una portadora de 10 Mc/s, entre 9,9 Mc/s y 10,1 Mc/s, 1000 veces cada segundo. Si la frecuencia de la señal de audio (tono de la onda sonora) aumenta a 2000 ciclos, la frecuencia instantánea de la portadora, variará entre los mismos límites de frecuencia, 2000 veces por segundo. Sin embargo, si se duplica la amplitud de la señal de audio, la frecuencia instantánea de la portadora, deberá duplicarse; es decir, entre 9.8 y 10,2 Mc/s. En este caso la frecuencia modulante permanece inalterada.

lndice de modulación. La amplitud instantánea (o voltaje e) de una portadora modulada en frecuencia puede expresarse por medio de la ecuación

Nótese que para una determinada desviación de frecuencia (Δf), el índice de modulación (m_f) varía inversamente con la frecuencia modulante (f_m). Por ejemplo, de una señal modulante de 1000 ciclos y una variación de frecuencia de 0,2 Mc/s (desde 9,9 a 10,1 Mc/s) por encima, la desviación de frecuencia es 100.000 c/s y el índice de modulación = 100.000/1000 = 100. Para una frecuencia modulante de 2000 c/s, el índice de modulación es = 100.000/2000 =50.

Bandas laterales. Ampliando la ecuación anterior de una onda modulada en frecuencia, en términos de funciones de Bessel, puede mostrarse que la onda está formada por la frecuencia portadora (f_e) más una serie de bandas laterales de amplitud decreciente, espaciadas alrededor de la portadora por la frecuencia modulante. Entonces, para la señal modulante de 1000 ciclos habrá además de la onda portadora de 10 Mc/s, un par de bandas laterales de primer orden que difieren de la frecuencia portadora en 1000 c/s (es decir, 9,999 y 10,001 Mc/s), un par de bandas laterales de segundo orden localizadas a 2000 ciclos a cada lado de la frecuencia

portadora, un par de bandas laterales de tercer orden que difieren en 3000 ciclos de la frecuencia portadora, y así sucesivamente. La amplitud de cada una de estas bandas laterales es proporcional a la función Bessel respectiva del mismo orden, y al índice de modulación.

(Las funciones Bessel están tabuladas en las colecciones de tablas matemáticas.) La tabla inferior da el número aproximado de bandas laterales importantes y el ancho de banda correspondiente que debe transmitirse. Las bandas laterales en las regiones externas a estas amplitudes son menores que el 2% de la amplitud de pico de la onda y no se han tenido en cuenta.

PROBLEMA 3. El máximo índice de modulación (también llamado relación de desviación) permitido por el FCC para estaciones de FM es 5. Si la máxima desviación permisible es ±75 Kc/s, ¿cuál es la más alta frecuencia modulante de audio?

SOLUCIÓN.

PROBLEMA 3. a) ¿Cuántos pares de bandas laterales y qué ancho de banda total se requiere para transmitir una señal de audio a 15 Kc/s sobre una portadora de FM de 90 Mc/s, usando el máximo (legal) índice de modulación de 5; b) qué ancho de banda se requiere para transmitir el mismo tono de audio con un índice de modulación de 20; c) cuál será la frecuencia de audio más alta que se podrá transmitir con un índice de modulación de 20, si el ancho de banda total está limitado al mismo valor que en a) para un índice de modulación de 5?

SOLUCiÓN. a) Para m_r = 5, se transmiten siete pares de bandas laterales; el ancho de banda total es = 14 f_m = 14 X 15 Kc/s = 210 kilociclos.

b) para m_r = 20, ancho de banda = 46 fm. = 46X 15 Kc/s = 690 kilociclos.

c) Si el ancho de banda se limita a 210 kc/s cuando m_r = 20, entonces