La modulación de amplitud ( AM ) es una técnica de modulación utilizada en la comunicación electrónica, más comúnmente para transmitir mensajes con una onda de radio . En la modulación de amplitud, la amplitud (intensidad de la señal) de la onda varía en proporción a la de la señal del mensaje, como una señal de audio . Esta técnica contrasta con la modulación angular , en la que se varía la frecuencia de la onda portadora, como en la modulación de frecuencia , o su fase , como en la modulación de fase .
AM fue el primer método de modulación utilizado para transmitir audio en radiodifusión. Se desarrolló durante el primer cuarto del siglo XX a partir de los experimentos de radioteléfono de Roberto Landell de Moura y Reginald Fessenden en 1900. [1] Esta forma original de AM a veces se denomina modulación de amplitud de banda lateral doble ( DSBAM ), porque el método estándar produce bandas laterales a cada lado de la frecuencia portadora. La modulación de banda lateral única utiliza filtros de paso de banda para eliminar una de las bandas laterales y posiblemente la señal portadora, lo que mejora la relación entre la potencia del mensaje y la potencia de transmisión total , reduce los requisitos de manejo de potencia de los repetidores de línea y permite una mejor utilización del ancho de banda del medio de transmisión.
AM sigue utilizándose en muchas formas de comunicación además de en la radiodifusión AM : radio de onda corta , radio amateur , radios bidireccionales , radio de aeronaves VHF , radio de banda ciudadana y en módems de computadora en forma de QAM .
En electrónica , telecomunicaciones y mecánica , la modulación significa variar algún aspecto de una señal portadora de onda continua con una forma de onda de modulación portadora de información, como una señal de audio que representa sonido o una señal de vídeo que representa imágenes. En este sentido, la onda portadora, que tiene una frecuencia mucho más alta que la señal del mensaje, transporta la información. En la estación receptora, la señal del mensaje se extrae de la portadora modulada mediante demodulación .
En forma general, un proceso de modulación de una onda portadora sinusoidal puede describirse mediante la siguiente ecuación: [2]
A(t) representa la amplitud variable en el tiempo de la onda portadora sinusoidal y el término coseno es la portadora en su frecuencia angular y la desviación de fase instantánea . Esta descripción proporciona directamente los dos grupos principales de modulación, modulación de amplitud y modulación angular . En la modulación angular, el término A ( t ) es constante y el segundo término de la ecuación tiene una relación funcional con la señal del mensaje modulador. La modulación angular proporciona dos métodos de modulación, modulación de frecuencia y modulación de fase .
En la modulación de amplitud, el término angular se mantiene constante y el primer término, A ( t ), de la ecuación tiene una relación funcional con la señal del mensaje modulador.
La señal del mensaje modulador puede ser de naturaleza analógica o puede ser una señal digital, en cuyo caso la técnica generalmente se denomina modulación por desplazamiento de amplitud .
Por ejemplo, en la comunicación por radio AM, una señal de radiofrecuencia de onda continua tiene su amplitud modulada por una forma de onda de audio antes de la transmisión. La señal del mensaje determina la envolvente de la forma de onda transmitida. En el dominio de la frecuencia , la modulación de amplitud produce una señal con potencia concentrada en la frecuencia portadora y dos bandas laterales adyacentes . Cada banda lateral tiene el mismo ancho de banda que la señal moduladora y es una imagen especular de la otra. Por ello, la AM estándar a veces se denomina "modulación de amplitud de banda lateral doble" (DSBAM).
Una desventaja de todas las técnicas de modulación de amplitud, no sólo de la AM estándar, es que el receptor amplifica y detecta el ruido y la interferencia electromagnética en igual proporción que la señal. Aumentar la relación señal-ruido recibida , por ejemplo, en un factor de 10 (una mejora de 10 decibeles ), requeriría aumentar la potencia del transmisor en un factor de 10. Esto contrasta con la modulación de frecuencia (FM) y la radio digital, donde el efecto de dicho ruido después de la demodulación se reduce considerablemente siempre que la señal recibida esté muy por encima del umbral de recepción. Por esta razón, la transmisión AM no es la preferida para la música y la transmisión de alta fidelidad , sino más bien para las comunicaciones y transmisiones de voz (deportes, noticias, radio hablada , etc.).
La AM también es ineficiente en el uso de energía; al menos dos tercios de la potencia se concentran en la señal portadora. La señal portadora no contiene nada de la información original que se transmite (voz, video, datos, etc.). Sin embargo, su presencia proporciona un medio simple de demodulación utilizando la detección de envolvente , proporcionando una referencia de frecuencia y fase para extraer la modulación de las bandas laterales. En algunos sistemas de modulación basados en AM, se requiere una potencia de transmisión menor a través de la eliminación parcial o total del componente portador, sin embargo, los receptores para estas señales son más complejos porque deben proporcionar una señal de referencia de frecuencia portadora precisa (generalmente como desplazada a la frecuencia intermedia ) a partir de una portadora "piloto" muy reducida (en transmisión de portadora reducida o DSB-RC) para usar en el proceso de demodulación. Incluso con la portadora eliminada en la transmisión de portadora suprimida de banda lateral doble , la regeneración de la portadora es posible utilizando un bucle de enganche de fase de Costas . Esto no funciona para la transmisión de portadora suprimida de banda lateral única (SSB-SC), lo que produce el sonido característico del "Pato Donald" de dichos receptores cuando están ligeramente desafinados. No obstante, la AM de banda lateral única se utiliza ampliamente en radioaficionados y otras comunicaciones de voz porque tiene eficiencia de potencia y ancho de banda (reduciendo el ancho de banda de RF a la mitad en comparación con la AM estándar). Por otro lado, en la transmisión de onda media y onda corta , la AM estándar con la portadora completa permite la recepción utilizando receptores económicos. La emisora absorbe el costo adicional de energía para aumentar en gran medida la audiencia potencial.
Una forma sencilla de modulación de amplitud digital que se puede utilizar para transmitir datos binarios es la modulación de encendido y apagado , la forma más sencilla de modulación por desplazamiento de amplitud, en la que los unos y los ceros se representan por la presencia o ausencia de una portadora. Los radioaficionados también utilizan la modulación de encendido y apagado para transmitir código Morse , lo que se conoce como operación de onda continua (CW), aunque la transmisión no sea estrictamente "continua". Una forma más compleja de AM, la modulación de amplitud en cuadratura , se utiliza ahora con más frecuencia con datos digitales, al tiempo que hace un uso más eficiente del ancho de banda disponible.
Una forma sencilla de modulación de amplitud es la transmisión de señales de voz desde un teléfono analógico tradicional utilizando un bucle local de batería común. [3] La corriente continua proporcionada por la batería de la central es una portadora con una frecuencia de 0 Hz. Se modula mediante un micrófono ( transmisor ) en el teléfono de acuerdo con la señal acústica del altavoz. El resultado es una corriente continua de amplitud variable, cuyo componente de CA es la señal de voz extraída en la central para su transmisión a otro abonado.
Una función adicional que proporciona la portadora en la AM estándar, pero que se pierde en la transmisión con portadora suprimida de banda lateral simple o doble, es que proporciona una referencia de amplitud. En el receptor, el control automático de ganancia (AGC) responde a la portadora de modo que el nivel de audio reproducido se mantenga en una proporción fija con respecto a la modulación original. Por otro lado, con las transmisiones con portadora suprimida no hay potencia transmitida durante las pausas en la modulación, por lo que el AGC debe responder a los picos de la potencia transmitida durante los picos de la modulación. Esto generalmente implica un circuito denominado de ataque rápido y decaimiento lento que mantiene el nivel del AGC durante un segundo o más después de dichos picos, entre sílabas o pausas cortas en el programa. Esto es muy aceptable para las radios de comunicaciones, donde la compresión del audio mejora la inteligibilidad. Sin embargo, es absolutamente indeseable para la música o la programación de transmisión normal, donde se espera una reproducción fiel del programa original, incluidos sus niveles de modulación variables.
En 1982, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) designó los tipos de modulación de amplitud:
La modulación de amplitud se utilizó en experimentos de transmisión telegráfica y telefónica multiplex a finales del siglo XIX. [4] Sin embargo, el desarrollo práctico de esta tecnología se identifica con el período comprendido entre 1900 y 1920 de la transmisión radiotelefónica , es decir, el esfuerzo por enviar señales de audio mediante ondas de radio. Los primeros transmisores de radio, llamados transmisores de chispa , transmitían información mediante telegrafía inalámbrica , utilizando pulsos de la onda portadora para deletrear mensajes de texto en código Morse . No podían transmitir audio porque la portadora consistía en cadenas de ondas amortiguadas , pulsos de ondas de radio que declinaban a cero y sonaban como un zumbido en los receptores. En efecto, ya estaban modulados en amplitud.
La primera transmisión AM fue realizada por el investigador estadounidense nacido en Canadá Reginald Fessenden el 23 de diciembre de 1900 utilizando un transmisor de chispa con un interruptor de alta frecuencia de 10 kHz especialmente diseñado , a una distancia de una milla (1,6 km) en Cobb Island, Maryland, EE. UU. Sus primeras palabras transmitidas fueron: "Hola. Uno, dos, tres, cuatro. ¿Está nevando donde está, Sr. Thiessen?". Las palabras eran apenas inteligibles por encima del zumbido de fondo de la chispa. [ cita requerida ]
Fessenden fue una figura importante en el desarrollo de la radio AM. Fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta, a partir de experimentos como el mencionado anteriormente, de que la tecnología existente para producir ondas de radio, el transmisor de chispa, no era utilizable para la modulación de amplitud, y que se necesitaba un nuevo tipo de transmisor, uno que produjera ondas continuas sinusoidales . Esta fue una idea radical en ese momento, porque los expertos creían que la chispa impulsiva era necesaria para producir ondas de radiofrecuencia, y Fessenden fue ridiculizado. Inventó y ayudó a desarrollar uno de los primeros transmisores de onda continua: el alternador Alexanderson , con el que realizó lo que se considera la primera transmisión de entretenimiento público en AM en la Nochebuena de 1906. También descubrió el principio en el que se basa la AM, la heterodinación , e inventó uno de los primeros detectores capaces de rectificar y recibir AM, el detector electrolítico o "baretter líquido", en 1902. Otros detectores de radio inventados para la telegrafía sin hilos, como la válvula Fleming (1904) y el detector de cristal (1906) también demostraron ser capaces de rectificar señales AM, por lo que el obstáculo tecnológico era generar ondas AM; recibirlas no era un problema.
Los primeros experimentos en transmisión de radio AM, realizados por Fessenden, Valdemar Poulsen , Ernst Ruhmer , Quirino Majorana , Charles Herrold y Lee de Forest , se vieron obstaculizados por la falta de una tecnología para la amplificación . Los primeros transmisores AM de onda continua prácticos se basaron en el enorme y costoso alternador Alexanderson , desarrollado entre 1906 y 1910, o en versiones del transmisor de arco Poulsen (convertidor de arco), inventado en 1903. Las modificaciones necesarias para transmitir AM eran torpes y dieron como resultado un audio de muy baja calidad. La modulación generalmente se lograba mediante un micrófono de carbón insertado directamente en la antena o en el cable de tierra; su resistencia variable variaba la corriente hacia la antena. La capacidad limitada de manejo de potencia del micrófono limitó severamente la potencia de los primeros radioteléfonos; muchos de los micrófonos estaban refrigerados por agua.
El descubrimiento en 1912 de la capacidad amplificadora del tubo Audion , inventado en 1906 por Lee de Forest , resolvió estos problemas. El oscilador de realimentación de tubo de vacío , inventado en 1912 por Edwin Armstrong y Alexander Meissner , era una fuente barata de ondas continuas y podía modularse fácilmente para hacer un transmisor AM. La modulación no tenía que hacerse en la salida, sino que podía aplicarse a la señal antes del tubo amplificador final, por lo que el micrófono u otra fuente de audio no tenía que modular una señal de radio de alta potencia. La investigación en tiempos de guerra avanzó enormemente en el arte de la modulación AM y, después de la guerra, la disponibilidad de tubos baratos provocó un gran aumento en el número de estaciones de radio que experimentaban con la transmisión AM de noticias o música. El tubo de vacío fue responsable del auge de la radiodifusión AM alrededor de 1920, el primer medio electrónico de comunicación masiva . La modulación de amplitud fue prácticamente el único tipo utilizado para la radiodifusión hasta que comenzó la radiodifusión FM después de la Segunda Guerra Mundial.
Al mismo tiempo que comenzó la radio AM, las compañías telefónicas como AT&T estaban desarrollando la otra gran aplicación de la AM: enviar múltiples llamadas telefónicas a través de un solo cable modulándolas en frecuencias portadoras separadas, lo que se denomina multiplexación por división de frecuencia . [4]
En 1915, John Renshaw Carson formuló la primera descripción matemática de la modulación de amplitud, demostrando que una señal y una frecuencia portadora combinadas en un dispositivo no lineal crean una banda lateral en ambos lados de la frecuencia portadora. Al pasar la señal modulada a través de otro dispositivo no lineal se puede extraer la señal de banda base original. [4] Su análisis también demostró que solo era necesaria una banda lateral para transmitir la señal de audio, y Carson patentó la modulación de banda lateral única (SSB) el 1 de diciembre de 1915. [4] Esta variante avanzada de modulación de amplitud fue adoptada por AT&T para el servicio telefónico transatlántico de onda larga a partir del 7 de enero de 1927. Después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló para la comunicación de aeronaves militares.
La onda portadora ( onda sinusoidal ) de frecuencia f c y amplitud A se expresa por
La señal del mensaje, como por ejemplo una señal de audio que se utiliza para modular la portadora, es m ( t ), y tiene una frecuencia f m , mucho menor que f c :
donde m es la sensibilidad de amplitud, M es la amplitud de modulación. Si m < 1, (1 + m(t)/A) es siempre positivo para submodulación. Si m > 1, se produce sobremodulación y la reconstrucción de la señal del mensaje a partir de la señal transmitida provocaría la pérdida de la señal original. La modulación de amplitud se produce cuando la portadora c(t) se multiplica por la cantidad positiva (1 + m(t)/A) :
En este caso simple, m es idéntico al índice de modulación, que se analiza a continuación. Con m = 0,5, la señal modulada en amplitud y ( t ) corresponde al gráfico superior (denominado "Modulación del 50 %") de la figura 4.
Utilizando identidades de prostaféresis , se puede demostrar que y ( t ) es la suma de tres ondas sinusoidales:
Por lo tanto, la señal modulada tiene tres componentes: la onda portadora c(t) , que no cambia de frecuencia, y dos bandas laterales con frecuencias ligeramente superiores e inferiores a la frecuencia portadora f c .
Una señal de modulación útil m(t) suele ser más compleja que una única onda sinusoidal, como se ha tratado anteriormente. Sin embargo, por el principio de descomposición de Fourier , m(t) se puede expresar como la suma de un conjunto de ondas sinusoidales de diversas frecuencias, amplitudes y fases. Si se lleva a cabo la multiplicación de 1 + m(t) por c(t) como se ha indicado anteriormente, el resultado consiste en una suma de ondas sinusoidales. De nuevo, la portadora c(t) está presente sin cambios, pero cada componente de frecuencia de m en f i tiene dos bandas laterales en las frecuencias f c + f i y f c – f i . El conjunto de las frecuencias anteriores por encima de la frecuencia de la portadora se conoce como banda lateral superior, y las que están por debajo constituyen la banda lateral inferior. Se puede considerar que la modulación m(t) consiste en una mezcla igual de componentes de frecuencia positivos y negativos, como se muestra en la parte superior de la figura 2. Se pueden ver las bandas laterales como esa modulación m(t) que simplemente ha sido desplazada en frecuencia por f c, como se muestra en la parte inferior derecha de la figura 2.
El espectro de modulación a corto plazo, que cambia como lo haría, por ejemplo, para una voz humana, el contenido de frecuencia (eje horizontal) se puede representar gráficamente como una función del tiempo (eje vertical), como en la figura 3. Se puede ver nuevamente que, a medida que varía el contenido de frecuencia de modulación, se genera una banda lateral superior de acuerdo con aquellas frecuencias desplazadas por encima de la frecuencia portadora, y el mismo contenido se refleja en la banda lateral inferior por debajo de la frecuencia portadora. En todo momento, la portadora misma permanece constante y con mayor potencia que la potencia total de la banda lateral.
El ancho de banda de RF de una transmisión AM (consulte la figura 2, pero considerando solo frecuencias positivas) es el doble del ancho de banda de la señal moduladora (o " banda base "), ya que las bandas laterales superior e inferior alrededor de la frecuencia portadora tienen cada una un ancho de banda tan amplio como la frecuencia moduladora más alta. Aunque el ancho de banda de una señal AM es más estrecho que el de una que utiliza modulación de frecuencia (FM), es el doble de ancho que las técnicas de banda lateral única ; por lo tanto, puede considerarse espectralmente ineficiente. Dentro de una banda de frecuencia, solo se pueden acomodar la mitad de las transmisiones (o "canales"). Por esta razón, la televisión analógica emplea una variante de banda lateral única (conocida como banda lateral vestigial , algo así como un compromiso en términos de ancho de banda) para reducir el espaciado de canal requerido.
Otra mejora con respecto a la AM estándar se obtiene mediante la reducción o supresión del componente portador del espectro modulado. En la figura 2, este es el pico entre las bandas laterales; incluso con una modulación de onda sinusoidal completa (100 %), la potencia en el componente portador es el doble que en las bandas laterales, pero no transmite información única. Por lo tanto, existe una gran ventaja en la eficiencia al reducir o suprimir totalmente la portadora, ya sea en conjunción con la eliminación de una banda lateral ( transmisión de portadora suprimida de banda lateral única ) o con ambas bandas laterales restantes ( portadora suprimida de banda lateral doble ). Si bien estas transmisiones de portadora suprimida son eficientes en términos de potencia del transmisor, requieren receptores más sofisticados que empleen detección sincrónica y regeneración de la frecuencia portadora. Por esa razón, la AM estándar continúa siendo ampliamente utilizada, especialmente en la transmisión de radiodifusión, para permitir el uso de receptores económicos que utilicen detección de envolvente . Incluso la televisión (analógica), con una banda lateral inferior (en gran medida) suprimida, incluye suficiente potencia de portadora para el uso de detección de envolvente. Pero para los sistemas de comunicaciones donde tanto los transmisores como los receptores pueden optimizarse, la supresión tanto de una banda lateral como de la portadora representa una ventaja neta y se emplea con frecuencia.
Una técnica muy utilizada en los transmisores de AM es la aplicación de la portadora Hapburg, propuesta por primera vez en la década de 1930, pero poco práctica con la tecnología disponible en ese momento. Durante los períodos de baja modulación, la potencia de la portadora se reduciría y volvería a la potencia máxima durante los períodos de altos niveles de modulación. Esto tiene el efecto de reducir la demanda de potencia general del transmisor y es más eficaz en programas de tipo hablado. Los fabricantes de transmisores utilizan varios nombres comerciales para su implementación desde finales de la década de 1980 en adelante.
El índice de modulación AM es una medida basada en la relación entre las excursiones de modulación de la señal de RF y el nivel de la portadora no modulada. Por lo tanto, se define como:
donde y son la amplitud de modulación y la amplitud de la portadora, respectivamente; la amplitud de modulación es el cambio máximo (positivo o negativo) en la amplitud de RF a partir de su valor no modulado. El índice de modulación normalmente se expresa como un porcentaje y se puede visualizar en un medidor conectado a un transmisor de AM.
Por lo tanto, si , la amplitud de la portadora varía en un 50% por encima (y por debajo) de su nivel no modulado, como se muestra en la primera forma de onda, a continuación. Para , varía en un 100% como se muestra en la ilustración siguiente. Con una modulación del 100%, la amplitud de la onda a veces llega a cero, y esto representa una modulación completa utilizando AM estándar y es a menudo un objetivo (para obtener la mayor relación señal-ruido posible ) pero no debe superarse. Aumentar la señal moduladora más allá de ese punto, conocido como sobremodulación , hace que un modulador AM estándar (ver a continuación) falle, ya que las excursiones negativas de la envolvente de onda no pueden llegar a ser menores que cero, lo que resulta en una distorsión ("recorte") de la modulación recibida. Los transmisores suelen incorporar un circuito limitador para evitar la sobremodulación y/o un circuito compresor (especialmente para comunicaciones de voz) para seguir acercándose al 100% de modulación para una inteligibilidad máxima por encima del ruido. A estos circuitos a veces se los denomina vogad .
Sin embargo, es posible hablar de un índice de modulación superior al 100%, sin introducir distorsión, en el caso de transmisión de portadora reducida de banda lateral doble . En ese caso, las excursiones negativas más allá de cero implican una inversión de la fase de la portadora, como se muestra en la tercera forma de onda a continuación. Esto no se puede producir utilizando las técnicas de modulación de alto nivel (etapa de salida) eficientes (ver a continuación) que se utilizan ampliamente, especialmente en transmisores de radiodifusión de alta potencia . En cambio, un modulador especial produce dicha forma de onda a un nivel bajo seguido de un amplificador lineal . Además, un receptor AM estándar que utiliza un detector de envolvente es incapaz de demodular adecuadamente dicha señal. En cambio, se requiere una detección sincrónica. Por lo tanto, la transmisión de banda lateral doble generalmente no se conoce como "AM", aunque genera una forma de onda de RF idéntica a la AM estándar siempre que el índice de modulación sea inferior al 100%. Estos sistemas intentan con mayor frecuencia una reducción radical del nivel de la portadora en comparación con las bandas laterales (donde está presente la información útil) hasta el punto de la transmisión de portadora suprimida de banda lateral doble , donde la portadora se reduce (idealmente) a cero. En todos estos casos, el término "índice de modulación" pierde su valor, ya que se refiere a la relación entre la amplitud de modulación y una amplitud de portadora restante bastante pequeña (o cero).
Los diseños de circuitos de modulación pueden clasificarse como de bajo o alto nivel (dependiendo de si modulan en un dominio de baja potencia, seguido de amplificación para la transmisión, o en el dominio de alta potencia de la señal transmitida). [5]
En los sistemas de radio modernos, las señales moduladas se generan mediante procesamiento de señal digital (DSP). Con el DSP, son posibles muchos tipos de AM con control de software (incluidos DSB con portadora, SSB con portadora suprimida y banda lateral independiente o ISB). Las muestras digitales calculadas se convierten en voltajes con un convertidor digital a analógico , generalmente a una frecuencia menor que la frecuencia de salida de RF deseada. Luego, la señal analógica debe desplazarse en frecuencia y amplificarse linealmente a la frecuencia y el nivel de potencia deseados (se debe utilizar una amplificación lineal para evitar la distorsión de la modulación). [6] Este método de bajo nivel para AM se utiliza en muchos transceptores de radioaficionados. [7]
La AM también puede generarse a un nivel bajo, utilizando métodos analógicos que se describen en la siguiente sección.
Los transmisores AM de alta potencia (como los utilizados para la transmisión AM ) se basan en etapas amplificadoras de potencia de clase D y clase E de alta eficiencia , moduladas al variar el voltaje de suministro. [8]
Los diseños más antiguos (para radiodifusión y radioaficionados) también generan AM controlando la ganancia del amplificador final del transmisor (generalmente de clase C, para lograr eficiencia). Los siguientes tipos son para transmisores de tubo de vacío (pero hay opciones similares disponibles con transistores): [9] [10]
La forma más simple de demodulador AM consiste en un diodo que está configurado para actuar como detector de envolvente . Otro tipo de demodulador, el detector de producto , puede proporcionar una demodulación de mejor calidad con una complejidad de circuito adicional.
![{\displaystyle {\begin{aligned}y(t)&=\left[1+{\frac {m(t)}{A}}\right]c(t)\\&=\left[1+m\cos \left(2\pi f_{m}t+\phi \right)\right]A\sin \left(2\pi f_{c}t\right)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/637cd857e4f781d6d7bbdb570fa8c227d64d4298)
![{\displaystyle y(t)=A\sin(2\pi f_{c}t)+{\frac {1}{2}}Am\left[\sin \left(2\pi \left[f_{c}+f_{m}\right]t+\phi \right)+\sin \left(2\pi \left[f_{c}-f_{m}\right]t-\phi \right)\right].\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e6540130eb862ec3332481d4f1730806e8352ba0)
