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Technical Documents - Documentos Técnicos: Frecuencia Modulada Estéreo Múltiplex

TRANSMISION DE SEÑALES

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 Volts por metro. El valor de esta intensidad es muy bajo de modo que normalmente está dada en microvolts 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 señal de micrófono se conoce como señal de modulación, o modulación. La señal electromagnética tiene una frecuencia que se conoce come portadora, y varía de acuerdo a la modulación. La modulación hace que la onda electromagnética tenga además de la frecuencia de portadora otras frecuencias próximas a ella, que se conocen como bandas laterales, fig. 1.

Figura 1

El conjunto de las bandas laterales y la portadora forman el canal de transmisión. Es decir, todas las frecuencias dentro del canal son propias de una estación, y si por alguna razón otra emisora se metiera dentro del canal es una interferencia, y está reglamentada su prohibición.

Existen dos modos básicos de llevar la información, señal acústica, por las ondas electromagnéticas. Esto se hace evidente de la expresión de la forma de onda senoidal. Esta está caracterizada, o sea es perfectamente conocida, cuando se conoce la amplitud y la frecuencia. Si se hace que la amplitud de la onda varíe cuando varía la modulación o bien que la frecuencia varíe cuando varía la información se dice que se tiene una modulación de amplitud o una modulación de frecuencia respectivamente.

RADIODIFUSION AM

La radiodifusión AM, donde por AM se quiere significar modulación de amplitud, hace variar la amplitud de la señal radioeléctrica, onda electromagnética, proporcionalmente a la señal acústica. Esto está visualizado en la figura 2, donde se supone que la señal es un tono puro, es decir una señal de frecuencia única.

Figura 2

Decir que la amplitud varía conforme a la modulación, significa que situándonos en un punto dado tendremos distintos valores de campo eléctrico según el instante que se considere. Si variamos de punto, el valor puede o no ser distinto, En general, el valor máximo de la señal, en el mismo instante de observación, disminuye cuando nos alejamos del transmisor.

Este tipo de modulación se usa en radiodifusión de onda larga y corta, es decir por ejemplo, en el caso de Argentina en frecuencias que van desde los 530 KHz: hasta los 1600 KHz, y luego en las bandas de onda corta que van hasta frecuencias por debajo de los 20 MHz.

Esta reglamentado que el ancho del canal en este caso es de 9 KHz, lo que obliga a transmitir una frecuencia de tono máxima de 4,5 KHz.

Las críticas que se pueden hacer a este tipo de radiodifusión, que fue la primera en hacerse, son:

1) Cualquier ruido o interferencia hace variar la intensidad de campo en el punto que interese, independientemente de la señal, de modo que en la recepción que no reconoce el origen del ruido, se percibirá éste.,

2) Dado que el valor de la frecuencia máxima de audio que se puede transmitir es de 4,5 KHz, mientras que para hacer una escucha en alta fidelidad es necesario que fuese al menos de 15 KHz, da una escucha de calidad musical menor.

Una de las características que la hace útil y que a su vez es también un factor en contra, es que este tipo de transmisión, por las frecuencias de transmisión que usa, tiene un cubrimiento muy amplio. En cambio las transmisiones de FM que se hacen en frecuencias más elevadas (del orden de los 100 MHz) tienen una zona de cubrimiento menor. Prácticamente son servicios urbanos, ya que el radio de cubrimiento está en el orden de los 40 km. La ventaja de la transmisión de onda larga es precisamente su gran zona de cubrimiento. Pero esto hace que para evitar interferencias, el número de canales disponibles sea reducido, que es la desventaja.

RADIODIFUSION EN MODULACION DE FRECUENCIA (FM) .

Una señal se dice que está modulada en frecuencia, abreviadamente FM, cuando la frecuencia de la onda transmitida varía con la variación del nivel de la señal acústica. Supongamos que la señal acústica sea un tono puro, y que sobre el micrófono de lugar a una tensión de 1 Volt de amplitud máxima. Supongamos que esta señal es transmitida por la estación de frecuencia modulada que opera en la frecuencia de 99,1 MHz. Significa esto que si la señal acústica dada es la máxima que puede haber sobre el micrófono, y como la norma o reglamento vigente establece que a lo sumo la frecuencia puede desviarse por la modulación en 75 KHz. resulta que cuando la señal valga 1 Volt la frecuencia valdrá 99,175 MHz y en el instante en que la tensión de micrófono valga 1/2 volt la frecuencia de la señal transmitida valdrá 99.137,5 Khz. Cuando sea nula la tensión de modulación, la frecuencia será la de portadora, o sea 99,1 MHz. Cuando valga -1/2 volt valdrá 99.062,5 KHz, y para -1 volt valdrá 90.025 KHz. Todo esto está grafiado en la fig. 3.

Figura 3

El nivel de la señal no tiene importancia, a condición de que supere un cierto mínimo. Esto justifica el hecho de que no se opere con grandes potencias de transmisión dada que por un lado el alcance es el que se tiene visualmente entre las antenas transmisora y receptora, fig. 4 y en consecuencia basta con superar en el peor caso, alrededor de los 30 km. un valor mínimo de campo (intensidad de la señal).

Figura 4

¿Por qué presenta tanto interés la transmisión de FM? El hecho de que el alcance sea limitado, aunque reduce el número de oyentes al radio de cubrimiento, no presenta mayores inconvenientes. Es decir, se acepta que es un servicio de radiodifusión que cubre una ciudad. El servicio de radiodifusión de onda larga puede cubrir muchas ciudades, y por lo tanto tiene la posibilidad de mayor audiencia, y comercialmente es más interesante. Pero esto tiene su contraparte. Como se dijo el número de canales que pueden usarse dentro de la banda de onda larga, de 530 a 1600 KHz es reducido, y se hace crítico cuando las emisoras cubren varias ciudades y cada ciudad quiere tener más de una estación. Cuando estas ciudades están dentro de una misma nación, el problema puede reglamentarse en forma fácil. Cuando están en naciones distintas, o estados distintos, como es el caso de Europa o Estados Unidos, el problema es más grave. En el primer caso se usa una frecuencia de transmisión adicional de onda extralarga, que va desde los 150 KHz a los 300 KHz. Estos dos tipos de problemas no se presentan en Argentina, por lo que no tiene cabida la transmisión en la banda de 150 a 300 KHz, Pero, aun la inclusión de esta banda reduce las posibilidades de transmisión.

La solución fue agregar un banda adicional en frecuencias elevadas donde la transmisión tiene el alcance de la visual, y se aprovechó para asimismo transmitir una señal de mejor calidad. Cuando se hizo patente la necesidad de esta banda adicional estaba en nacimiento la alta fidelidad, de modo que se tomaron sus requerimientos para fijar la calidad del sistema. Por esta razón los sistemas de FM, la banda agregada que va desde 88 a 108 MHz, tienen la posibilidad de transmitir frecuencias desde los 50 hasta los 15.000 Hz. Con lo dicho queda justificada la imposición de esta nueva banda, pero ¿por qué se adoptó la modulación de frecuencia?

La justificación de la frecuencia modulada está dada por la crítica adicional al sistema de AM. Dado que un ruido o interferencia hace variar el nivel de la señal en el punto de recepción, y puesto que el receptor no reconoce el origen del ruido, lo considera como señal y aparece a la salida como tal. ¿Cuál es la solución? Bueno, simplemente, hacer que el nivel de la señal no signifique nada, y que la información esté dada por una variación en la frecuencia de la señal recibida. De este modo se tiene una mejora muy notable, en la relación señal a ruido. Por estos motivos, la transmisión de FM se popularizó desde sus inicios en casi todo el mundo. Así las cosas se agregó una nueva necesidad: surgió la estereofonía. Puesto que todas las frecuencias estaban ya asignadas a otras transmisiones, no cabía la posibilidad de tener una nueva banda. En consecuencia, los que cabía era aprovechar las existentes. Conviene aclarar que estereofonía no es alta fidelidad. Pero alta fidelidad en estereofonía se consideraba el summun en su momento. Así fue como se impuso la norma de la transmisión en estereofonía.

La idea perseguida es tener una reproducción musical que sea fiel reflejo del sonido original.

La transmisión de sonido en FM, donde las frecuencias transmitidas se extienden desde los 50 Hz hasta los 15 KHz, hizo aparecer un nuevo problema no previsto en la transmisión de radiodifusión de AM: la intensidad de sonido de los tonos de alta frecuencia 10 a 15 KHz es muy baja, y si no se procede a realzarlos de algún modo para que el ruido presente en el propio sistema no los enmascare, su transmisión no tendría valor. Por esa razón se procede a hacer una preénfasis, acentuación, o preacentuación para que las frecuencias más elevadas no aparezcan tapadas por el soplido de fondo de los amplificadores, En AM el problema no se presenta porque la frecuencia más alta transmitida es de 4,5 KHz.

Esto significa que la señal de audio a la salida de micrófono sufrirá un cambio de amplitud, según sea la frecuencia del tono. Es decir, se multiplicará el valor de la intensidad de salida del micrófono por valor de la curva de preénfasis de la fig. 5. Esa curva está normalizada, de modo que en recepción, para volver a tener la misma forma de señal es necesario realizar la operación inversa.

Figura 5

Figura 6

La curva de la fig. 5. se da normalmente en dB, donde es bien sabido que un valor dado en veces es

20 log10 x

en dB, donde x es el valor en veces. Esta es una medida universal, con la cual se supone familiarizado el lector de ésta página. Recuérdese que el oído no responde linealmente con la intensidad acústica. Es decir, cuando la intensidad va al doble, el oído no tiene la sensación de un sonido doble. La ley de sensación es logarítmica, de modo que la conversión a dB tiene aquí su justificativo.PRIMEROS ENSAYOS

Para situarnos mejor en el problema, vamos a ver cuáles fueron los primeros pasos que se utilizaron, y que fueron tentativas, para mostrar lo que la escucha con relieve dimensional hace a la música transmitida por radio.

Estos primeros pasos fueron bastante elementales. Debernos entender por un lado que cuando se habla de estereofonía se trata de enviar separadamente las señales que captan dos micrófonos colocados adecuadamente, de forma de tomar la señal de canal izquierdo y derecho, que luego reproducidos por un parlante con la misma ubicación física dan una sensación sonora muy semejante a la del sonido original. Esta fuente musical puede ser la obtenida a partir de un disco, de una cinta. o bien la que se obtenga en vivo de un programa en directo.

Figura 7

Los procedimientos que se usaron con este fin fueron varios. El primero y más elemental consiste en transmitir por dos estaciones de onda larga, moduladas en amplitud las señales de los dos canales en forma independiente. y luego con dos receptores, sintonizado cada uno en la frecuencia del canal que corresponda a su ubicación de señal de canal derecho e izquierdo se tendrá la señal estereofónica. La fig. 7 muestra el esquema de principio de este sistema. La contra evidente es que si bien se puede hablar de estereofonía no se puede hablar de alta fidelidad, dado que la máxima frecuencia de audio transmitida es de 4,5 KHz,

Por lo dicho respecto al sistema anterior una mejora sería usar dos estaciones de frecuencia modulada para hacer la transmisión, pero el sistema es costoso, y obliga también en recepción a tener dos receptores.

Así las cosas, y con otras propuestas con iguales problemas, surgió el método de la Zenith, que se denomina Estereofonía multiplex, v que se adoptó internacionalmente.

LA SEÑAL COMPUESTA

La idea de base es transmitir mediante una única estación, y en recepción usar un único receptor para obtener la señal de los canales. Una exigencia adicional es que, puesto que se usa una banda asignada a transmisiones en FM monofónicas o monoaurales, debe poder ser recibida la transmisión por los receptores que hasta el momento de implantarse no fuesen pensados para estereofonía. Por cierto, de estos receptores sólo cabe esperar una señal monofónica. Esta última imposición se conoce como condición de compatibilidad.

Figura 8

Para poder cumplir con la condición de compatibilidad debe tener dentro de las frecuencias de 50 Hz a 15 KHz la suma de la señal del canal izquierdo más la señal del canal derecho, que sería la señal que se tendría en una transmisión monoaural. Para poder recuperar en recepción la señal del canal derecho en forma independiente de la del canal izquierdo es necesario que la señal a transmitir no sea simplemente ( I + D), donde I es la señal del canal izquierdo y D la señal del canal derecho. Es necesario agregar otra información. Cuando a la señal ( I + D) se le suma esta información adicional se dice que se tiene la señal compuesta que se va a usar para modular en FM, de igual modo que se hacía antes con la señal simple. Puesto que dentro del espectro de 50 a 15.000 Hz se tiene la señal (I + D), parecería lógico enviar una señal (I - D) que cayese fuera de este espectro, para luego poder recuperarla fácilmente, y en forma independiente las componentes I y D. Con estas dos señales disponibles la (I + D) y la (I - D) se puede obtener en recepción haciendo su suma o su diferencia las señales I y D. Este es el principio de la estereofonía en FM multiplex.

¿Cómo debe ser la señal compuesta? Evidentemente debe tener la señal (I + D), y además una señal (I - D) fuera de su espectro, Para eso se modula sobre una subportadora de 38 khz la señal (I - D), apareciendo como consecuencia de esta modulación de amplitud las dos bandas laterales con la señal (I - D) a cada lado. De esta modulación se suprime la señal de 38 khz, dado que esta es una señal de frecuencia conocida y por lo tanto resulta inútil su transmisión. En su lugar, y simplemente para tener la referencia de fase que luego se va a requerir en recepción es necesario hacer una transmisión de señal piloto, señal esta que tiene una frecuencia de 19 khz.

El espectro de frecuencia de la señal a transmitir tiene el aspecto de la fig. 8. La exigencia de la relación de fase se establece por norma, donde la señal de 19 KHz que se transmite debe ser tal que la señal de 38 khz que se usa para modular debe cruzar el eje del tiempo con una pendiente positiva (pasar de un valor negativo a uno positivo) cada vez que la portadora piloto cruza el eje del tiempo en cualquier dirección, fig. 9 .

Figura 9

SEÑAL MODULADA EN AMPLITUD SIN PORTADORA

Para interpretar los resultados anteriores vamos a mostrar la forma de onda que resulta en el caso de tener una señal modulada en amplitud de tono único, con portadora suprimida. Esta es la forma de onda que resulta de la componente (I - D) de acuerdo a lo que se dijo en la explicación anterior.

Es fácil obtener esta forma de onda, a partir de la forma de onda de la señal sin modular, fig. 10a y de la señal modulada. fig. 10b. La forma de onda de la señal sin modular es igual a la señal de la portadora, de modo que la diferencia de tensiones (em - eo) nos da la forma de onda que resulta para modulación de amplitud con portadora suprimida, que también se conoce corno señal de doble banda lateral. Es decir, basta hacer la diferencia entre la señal modulada y la señal de portadora instante a instante, fig. 10c, para obtener la señal buscada, y donde la señal que se resta está exactamente en fase con la señal modulada.

Figura 10

SEÑAL COMPUESTA PARA TONO UNICO EN UN CANAL

Vamos a ver cuál es la forma de onda que resulta en el caso más simple de tener tono único sobre sólo un canal, en este caso el derecho.

Esta situación está representada por la fig. 11a y b. De acuerdo con lo dicho se debe proceder a hacer los distintos pasos:

1) Obtener la señal I + D, fig. 11c.

2) Obtener la señal I - D, fig. 11d.

3) Modular en amplitud con portadora suprimida la portadora de 38 khz por la señal I - D, que por ser tono único, tiene la forma indicada en la fig. 11e (de acuerdo a lo explicado más arriba bajo el título Señal modulada en amplitud sin portadora, fig. 10c.

4) Hacer la suma de la señal obtenida en el paso 1) y la obtenida en el paso 3), fig. 11f, que se hace haciendo la suma instante a instante.

5) Sumar a la señal obtenida en el paso 4) la señal piloto de 19 khz, con una amplitud igual a la décima parte de la amplitud máxima que puede tener la señal compuesta, suponiendo que se aplique la máxima amplitud en el tono de entrada, fíg. 11g

El procedimiento es simple, y la figura 11 es bastante clara.

Si se trata de la situación inversa, es decir el canal con señal es el izquierdo, la situación sería semejante.

 

SEÑAL COMPUESTA CON TONOS EN LOS DOS CANALES

Se debe proceder en la misma forma que la descripta anteriormente, es decir a hacer todos los pasos de 1 al 5 y de este modo se obtienen las formas de onda indicadas en la fig. 12. Como se ve la forma de onda es bastante extraña, compleja, y sólo de considerar dos tonos. Cuando se consideran varios tonos resulta aún más compleja.

Figura 11

Figura 12

Figura 13

Si observamos atentamente la fig. 12f, podemos deducir, comparando con las señales de los canales izquierdo y derecho, cual es la forma de onda compuesta en cualquier caso. En efecto, basta con trazar la señal del canal izquierdo, luego sobre el mismo gráfico la señal del canal derecho, y las partes de área encerrada por estas curvas nos da la forma de onda que resulta de la modulación.

Supongamos luego que la forma de onda de modulación del canal derecho sea la dada en la fig. 13a, y la señal modulada del canal izquierdo sea la dada en la fig. 13b, de acuerdo a lo dicho la señal compuesta se obtendrá trazando en un mismo gráfico las dos señales, fig. 13c, con sus amplitudes relativas, y luego considerando la parte encerrada por ambas curvas nos da la forma de onda compuesta, fig. 13d.

La conclusión también puede hacerse al revés: Dada la forma de onda compuesta, deducir de ella la forma de onda de los canales izquierdo y derecho.

Antes de resolver este problema, vamos a aclarar más el aspecto de la forma de onda de la fig. 13d. En esta figura se ha sombreado la parte de señal que tiene variación rápida. En rigor, la forma de onda, si la observamos más detenidamente tiene la variación indicada en la fig. 13e. Es decir, es una señal que tiene una ley de variación rápida superpuesta a una ley de variación lenta.

Figura 14

Estamos ahora en condiciones de determinar el problema inverso: dada la señal compuesta, cuya forma de onda es la indicada en la fig. 14a, determinar sus dos componentes. Los pasos a hacer son los siguientes:

1) Determinar las envueltas de esta señal, fig. 14b;

2) Dibujar las envueltas en forma independiente, fig. 14c y d.

El problema inverso puede resultar en algunos casos engorroso, pero la regla general es: las envueltas se hallan uniendo todas las crestas, y luego la curva que resulta de tomar sólo la envuelta formada por las crestas positivas y negativas, en forma

alternada, nos da la señal de los dos canales.

ANCHO DE BANDA Y PREENFASIS

En el caso de transmisión de una señal compuesta de estéreo múltiplex, el ancho de banda es superior al que se requiere en una recepción de FM normal.

Se puede decir que el ancho de banda requerido es de 240 a 300 khz, siendo el valor de 240 khz el mínimo aceptable. Esta es una de las diferencias que hacen a la buena recepción de la estereofonía en FM múltiplex.

La otra diferencia está en que el preénfasís de la señal de modulación se hace previa a la obtención de la señal compuesta, es decir se hace el preénfasis de la señal I y de la señal D en forma independiente, y por consecuencia en recepción se debe hacer el deénfasis de la señal obtenida sobre cada canal en forma independiente.

"R. Matiero"

 

 

 

 

 

 

 
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