Memoria de practicas: Modulaciones
Introducción
El objetivo de esta practica es comprender las modulaciones analógicas y digitales, utilizando varios métodos para ello. Modular una señal consiste en introducir la información de esa señal en una portadora, con el objetivo de transmitirla de forma mas fácil, o de poder transmitirla simultáneamente con otras señales.
En esta practica realizaremos modulación analógica en frecuencia (FM) y en amplitud (AM), y modulación digital FSK.
Lista de materiales
- Osciloscopio Tektronix TDS210
- Generador de impulsos HP 33120A
- Entrenador PROMAX EC-696/E (Modulo emisor)
- Entrenador PROMAX EC-696/R (Modulo receptor)
- Emisor FM Saleskit 41
Ejecución
AM-1
Comenzamos por configurar la modulación AM en una portadora de 250 kHz, una moduladora senoidal de 2 kHz y un indice de modulación m=100%.
En esta primera imagen se aprecia la modulación realizada en esta señal en el tiempo. La moduladora determina la forma del dibujo. Si hiciésemos zoom, veríamos que la franja negra es en realidad una onda sinusoidal que varia sus máximos y mínimos según la moduladora.
En este caso, el mayor pico de la portadora será de 5 voltios, dado que hemos configurado en generador de ese modo. La señal no esta desfasada; ambas señales, tanto portadora como moduladora conservan su fase.
En la segunda imagen correspondiente a esta modulación observamos la misma modulación en frecuencia. Podemos ver que la frecuencia central, correspondiente a la portadora, se aprecia claramente, y que su valor es de 250 kHz. La modulación la encontramos a los lados de la portadora, donde apreciamos el tono a 248 kHz y a 252 kHz. El generador esta modulando en AM, por lo que se ven estos tres elementos.
En la imagen correspondiente a la vista en frecuencia apreciamos que las bandas laterales tienen menos nivel que la portadora. Esto se debe a que, al multiplicar dos señales, sus amplitudes se definen por esta formula:
[math]\displaystyle{ 20logAp-(20log(\frac {m\cdot Ap}{2})= 20logAp - (20logm + 20log \frac {Ap}{2}) = 20logAp - 20logm-20logAp +20log2 = 6-20log m }[/math]
También existen otros tipos de modulación, que se corresponden también con la AM pero difieren en varios elementos. Ejemplos de ello son la DBL (Doble Banda Lateral), donde prescindimos de la portadora, la BLU (Banda Lateral Única), donde se elimina también una de las modulaciones laterales, dejando una sola, o la BLV (Banda Lateral Vestigial), donde encontramos una sola banda lateral, la portadora atenuada y un fragmento de la otra banda lateral.
AM-2
Si, partiendo de esta modulación, modificamos la frecuencia de la portadora, haremos que la longitud de onda cambie. Sin embargo, no variará el aspecto de la onda al verla en tiempo. En frecuencia veremos que la portadora y las bandas la laterales aumentan de frecuencia. Sin embargo, no aumentara la distancia entre la portadora y las bandas laterales ni el ancho en KHz de estas. El ancho de banda de la señal modulada seguirá siendo de 4 KHz, y no varía al variar la frecuencia, dado que la moduladora no ha variado.
Si se varia la frecuencia de la moduladora, apreciaremos que en el tiempo la forma de la onda ha cambiado. Esto supone, al observar en frecuencia, que las bandas laterales se han desplazado.
Otro parámetro que podemos modificar es el indice de modulación. Este nos marca cual va a ser la “envoltura” de la onda. En otras palabras, indica la variación introducida por la modulación respecto al nivel de la señal original. Este parámetro se mide en porcentaje.
Este es el aspecto de esta misma onda modulada para m=50% y m=120%.
Modulacion con m=50% en tiempo. |
Modulacion con m=50% en frecuencia. |
Modulacion con m=120% en tiempo. |
Modulacion con m=120% en frecuencia. |
El indice de modulación del 120% no es un indice de modulación valido, dado que introduce errores en la modulación, que un demodulador la podría interpretar incorrectamente.
La relación entre portadora y bandas laterales en dB ha cambiado, dado que los cambios en tiempo también son mas acusados. En general, cuanto mas acusado el cambio en tiempo, mas dB en frecuencia.
AM-3
Ahora aplicaremos una moduladora triangular de 1,5 kHz y m=100% con una portadora de 140kHz.
Para realizar esta modulación, modificamos el generador de funciones para cambiar la moduladora de sinusoidal a triangular, Este cambio podemos realizarlo en el menú avanzado del generador. Este es el aspecto de esta modulación en tiempo.
También se realizó una modulación con portadora triangular a 100KHz y una moduladora triangular a 6KHz, con un indice de modulación del 100%. Su aspecto, en tiempo, es este.
Estas modulaciones son muy poco efectivas, especialmente la segunda, dado que al tener de portadora una señal triangular generan muchos armónicos en frecuencia.
Retomamos los valores de la primera moduladora para realizar la modulación con el entrenador PROMAX EC-696/E. Este entrenador modula señales procedentes de varias fuentes, como un generador o un micrófono. Asimismo, se puede comunicar con su contrario, el receptor PROMAX EC-696/R a través de coaxial, bifilar, fibra óptica, infrarrojo y radio. El entrenador modula la señal que le llega en una portadora de 132khz, lo que nos da una longitud de onda de 750μs. El indice de modulación de este entrenador es del 90%.
El entrenador siempre debe recibir la señal sin modular, dado que si la introducimos modulada, nos realizará otra modulación igualmente, lo que nos obligará a demodularla dos veces. En resumen, estamos realizando trabajo inútil.
Como hemos comentado, el entrenador también tiene posibilidad de introducir la señal mediante un micrófono. Esta señal se modula y demodula de la misma manera que un tono introducido en el generador. El único limite a este modo de introducir la señal viene en que el entrenador no capta todas las frecuencias audibles, sino que filtra la entrada a los 4KHz. Por ello, la voz que se demodula difiere levemente del sonido que oímos. Por tanto, al ver la señal modulada, podemos apreciar un ancho de banda de 8kHz.
FM-1
El generador HP también modula en frecuencia. En esta actividad, modularemos una señal sinusoidal de 1kHz con una portadora de 100kHz y una desviación de frecuencia de 15kHz.
En el tiempo observamos que la onda varia su amplitud, y por ende su frecuencia, al modular un tono. En frecuencia, vemos como en varias frecuencias hay energía, pero únicamente en el rango alrededor de la portadora que le hemos marcado en la desviación de frecuencia.
Precisamente ese es el objetivo de la desviacion de frecuencia, marcar cual es el rango maximo en el que la moduladora puede hacer que la portadora cambie de frecuencia. En el osciloscopio la podemos interpretar facilmente observando el espectro de la señal que estamos recibiendo.
Al aumentar la frecuencia de la moduladora hasta 5kHz podemos comporbar en el tiempo que los periodos en los que la frecuencia cambia han reducido su duracion, siendo más en el mismo periodo de tiempo.
Si aumentamos la desviacion de frecuencia, apreciamos como el espectro de la señal que estamos enviando se "amplia". De hecho, la modificacion de este parametro le indica a la señal cuanto se puede desviar de la portadora para reflejar los cambios que esta marcandole la moduladora. Esto tiene una incidencia directa en su ancho de banda. Este ancho de banda esta determinado por la formula llamada Regla de Carson, que se define como [math]\displaystyle{ B_T = 2(\Delta f+f_m) }[/math], de forma que el ancho de banda depende de la frecuencia base y de la desviacion.
FM-2
Vamos a utilizar las emisoras Saleskit 41 para modular FM la voz y recibirla con la radio FM del teléfono móvil.
Conectando la sonda en la salida de la antena y en la carcasa (para el contacto a tierra), podemos visualizar el espectro de emision de la antena, para ver en que frecuencia esta emitiendo. En la emisora encontramos una ruleta que cambia la frecuencia de emisión al girarla. Podemos elegir todo el espectro de la FM comercial, desde los 88MHz hasta los 108MHz. La emisión no alcanza una distancia de mas de 5 metros, y tiene muy poca potencia, por lo que tenemos que elegir una frecuencia libre para poder emitir claramente. Asimismo, las emisoras tienen un microfono algo sensible.
FSK
El generador HP también modula digitalmente en Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK). Consiste en dar un valor en frecuencia a los ceros y uno distinto a los unos en una secuencia de bits. Es la forma mas simple de modulación digital.
El generador nos permite cambiar de forma fácil el valor en frecuencia que representa el 1. El 0 se modifica desde el menú avanzado. Asimismo, desde ese menú también podemos modificar la tasa de bits del generador interno y seleccionar la fuente moduladora, que puede ser interna o externa.
En este caso, el generador estaba configurado para representar los ceros con 100Hz, la tasa o velocidad de bits a 200bps y la fuente interna, de tal manera que modulaba una secuencia infinita de la forma 01010101010101010101 a un ritmo de 200 símbolos (o bits) cada segundo.
Conclusiones
Las modulaciones analógicas que hemos realizado en esta practica tienen un comportamiento diferente, y como tal tienen ventajas e inconvenientes asociados. La Amplitud Modulada permite enviar señales vocales de forma fácil y relativamente económica, mientras que la Frecuencia Modulada nos permite una calidad superior en la transmisión de las señales, a costa de mayor complejidad en su modulación.
Por otra parte, la modulación digital esta muy presente en la actualidad en sistemas de emisión punto a punto, ya sea por cable o por ondas.
