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 la radiodifusión. Se desarrolló durante el primer cuarto del siglo XX, comenzando con los experimentos radiotelefónicos de Roberto Landell de Moura y Reginald Fessenden en 1900. [1] Esta forma original de AM a veces se denomina modulación de amplitud de doble banda lateral ( DSBAM ), porque el estándar El método produce bandas laterales a ambos lados 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 total de transmisión , 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.
La AM sigue utilizándose en muchas formas de comunicación además de la transmisión de AM : radio de onda corta , radioaficionados , radios de dos vías , radio de avión VHF , radio de banda ciudadana y en módems de computadora en forma de QAM .
En electrónica , telecomunicaciones y mecánica , modulación significa variar algún aspecto de una señal portadora de onda continua con una forma de onda de modulación que contiene información, como una señal de audio que representa sonido o una señal de video que representa imágenes. En este sentido, la onda portadora, que tiene una frecuencia mucho mayor 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 de ángulo . 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 modulante. La modulación de ángulo proporciona dos métodos de modulación, modulación de frecuencia y modulación de fase .
En la modulación de amplitud, el término del ángulo se mantiene constante y el primer término, A ( t ), de la ecuación tiene una relación funcional con la señal del mensaje modulante.
La señal del mensaje modulador puede ser de naturaleza analógica o puede ser una señal digital, en cuyo caso la técnica generalmente se denomina manipulación 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 de la señal moduladora y es una imagen especular de la otra. Por lo tanto, 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 las interferencias electromagnéticas en igual proporción a la señal. Aumentar la relación señal-ruido recibida , digamos, en un factor de 10 (una mejora de 10 decibelios ), 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 tras 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 transmisiones de música y alta fidelidad , sino más bien para transmisiones y comunicaciones de voz (deportes, noticias, programas de radio , 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, vídeo, datos, etc.). Sin embargo, su presencia proporciona un medio sencillo de demodulación mediante 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 menor potencia del transmisor mediante la eliminación parcial o total de la componente portadora; sin embargo, los receptores para estas señales son más complejos porque deben proporcionar una señal de referencia de frecuencia portadora precisa (generalmente desplazada a la frecuencia intermedia ). ) 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 totalmente eliminada en la transmisión de portadora suprimida de doble banda lateral , la regeneración de la portadora es posible utilizando un bucle de fase enganchada de Costas . Esto no funciona para la transmisión de portadora suprimida de banda lateral única (SSB-SC), lo que genera el sonido característico del "Pato Donald" de dichos receptores cuando se desafina ligeramente. Sin embargo, la AM de banda lateral única se usa 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 radiodifusión de onda media y onda corta , la AM estándar con portadora completa permite la recepción mediante receptores económicos. La emisora absorbe el costo adicional de energía para aumentar considerablemente la audiencia potencial.
Una forma simple de modulación de amplitud digital que se puede utilizar para transmitir datos binarios es la manipulación de encendido-apagado , la forma más simple de manipulación por desplazamiento de amplitud, en la que los unos y los ceros están representados por la presencia o ausencia de una portadora. Los radioaficionados también utilizan la codificación de encendido y apagado para transmitir código Morse , lo que se conoce como operación de onda continua (CW), aunque la transmisión no es estrictamente "continua". Una forma más compleja de AM, la modulación de amplitud en cuadratura , ahora se usa más comúnmente con datos digitales, al tiempo que hace un uso más eficiente del ancho de banda disponible.
Una forma simple 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 oficina central es portadora con una frecuencia de 0 Hz. Es modulado por un micrófono ( transmisor ) en el teléfono según la señal acústica del altavoz. El resultado es una corriente continua de amplitud variable, cuyo componente CA es la señal de voz extraída en la oficina central para su transmisión a otro abonado.
Una función adicional proporcionada por la portadora en 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 para que el nivel de audio reproducido permanezca en una proporción fija con respecto a la modulación original. Por otro lado, con 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 en la modulación. Por lo general, esto implica un circuito llamado ataque rápido y caída lenta que mantiene el nivel de AGC durante un segundo o más después de dichos picos, entre sílabas o pausas cortas en el programa. Esto es muy aceptable para radios de comunicaciones, donde la compresión del audio ayuda a la inteligibilidad. Sin embargo, es absolutamente indeseable para música o programación de transmisión normal, donde se espera una reproducción fiel del programa original, incluidos sus diferentes niveles de modulación.
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 telefónica y telégrafo 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 hasta cero y sonaban como un zumbido en los receptores. De hecho, ya estaban modulados en amplitud.
La primera transmisión de 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 la isla Cobb, Maryland, EE. UU. . Sus primeras palabras transmitidas fueron: "Hola. Uno, dos, tres, cuatro. ¿Está nevando donde usted está, señor Thiessen?". Las palabras eran apenas inteligibles por encima del zumbido de fondo de la chispa. [ cita necesaria ]
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 anterior, de que la tecnología existente para producir ondas de radio, el transmisor de chispa, no era utilizable para la modulación de amplitud, y que un nuevo tipo de transmisor, uno que producía ondas continuas sinusoidales. , era necesario. Esta era 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 víspera de Navidad de 1906. También descubrió el principio en el que se basa la AM, la heterodinación , y inventó uno de los primeros detectores capaces de rectificar y recibir AM, el detector electrolítico o "barette líquido", en 1902. Otros detectores de radio inventados para la telegrafía inalámbrica, como la válvula Fleming (1904) y el detector de cristal (1906) también demostraron capaz de rectificar señales AM, por lo que el obstáculo tecnológico era generar ondas AM; Recibirlos no fue 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 de amplificación . Los primeros transmisores prácticos de AM de onda continua 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 fueron torpes y resultaron en audio de muy baja calidad. La modulación generalmente se lograba mediante un micrófono de carbono insertado directamente en la antena o en el cable de tierra; su resistencia variable varió la corriente a la antena. La limitada capacidad de manejo de potencia del micrófono limitó gravemente 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 retroalimentación de válvulas de vacío , inventado en 1912 por Edwin Armstrong y Alexander Meissner , era una fuente barata de ondas continuas y podía modularse fácilmente para fabricar un transmisor AM. La modulación no tenía que realizarse 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. Las investigaciones en tiempos de guerra hicieron avanzar enormemente el arte de la modulación AM y, después de la guerra, la disponibilidad de válvulas baratas 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 transmisión de radio hasta que comenzó la transmisión en FM después de la Segunda Guerra Mundial.
Al mismo tiempo que comenzaba la radio AM, compañías telefónicas como AT&T estaban desarrollando otra gran aplicación para 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, mostrando que una señal y una frecuencia portadora combinadas en un dispositivo no lineal crean una banda lateral a ambos lados de la frecuencia portadora. Pasar la señal modulada a través de otro dispositivo no lineal puede extraer la señal de banda base original. [4] Su análisis también mostró 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 transmisiones transatlánticas de onda larga . Servicio telefónico a partir del 7 de enero de 1927. Después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló para la comunicación de aviones militares.
La onda portadora ( onda sinusoidal ) de frecuencia f c y amplitud A se expresa por
La señal del mensaje, como 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) siempre es positivo para submodulación. Si m > 1, entonces 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, por tanto, al gráfico superior (etiquetado como "50% de modulación") en la figura 4.
Usando identidades de prosthaféresis , 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 en frecuencia, y dos bandas laterales con frecuencias ligeramente por encima y por debajo de la frecuencia portadora fc .
Una señal de modulación útil m(t) suele ser más compleja que una única onda sinusoidal, como se trató anteriormente. Sin embargo, según el principio de descomposición de Fourier , m(t) puede expresarse como la suma de un conjunto de ondas sinusoidales de diversas frecuencias, amplitudes y fases. Realizando la multiplicación de 1 + m(t) por c(t) como anteriormente, el resultado consiste en una suma de ondas sinusoidales. Nuevamente, la portadora c(t) está presente sin cambios, pero cada componente de frecuencia de m en fi tiene dos bandas laterales en las frecuencias f c + f i y f c – f i . La colección de las primeras frecuencias por encima de la frecuencia portadora se conoce como banda lateral superior, y las que se encuentran 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 si la modulación m(t) simplemente hubiera 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 en función del tiempo (eje vertical), como en la figura 3. Se puede ver nuevamente que a medida que varía el contenido de la 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 debajo de la frecuencia portadora. En todo momento, la propia portadora permanece constante y de 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 las 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 como la frecuencia de modulación 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 dos veces más ancho que las técnicas de banda lateral única ; por tanto, puede considerarse espectralmente ineficiente. Por lo tanto, dentro de una banda de frecuencia sólo se pueden alojar la mitad de 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 canales 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 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 eficiencia al reducir o suprimir totalmente la portadora, ya sea junto 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 y regeneración sincrónica de la frecuencia portadora. Por esa razón, la AM estándar sigue utilizándose ampliamente, especialmente en la transmisión de radiodifusión, para permitir el uso de receptores económicos que utilizan detección de envolvente . Incluso la televisión (analógica), con una banda lateral inferior (en gran medida) suprimida, incluye suficiente potencia portadora para el uso de la detección de envolvente. Pero para los sistemas de comunicaciones en los que se pueden optimizar tanto los transmisores como los receptores, la supresión tanto de una banda lateral como de la portadora representa una ventaja neta y se emplea con frecuencia.
Una técnica ampliamente utilizada en los transmisores de radiodifusión AM es una aplicación de la portadora de 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 su máxima potencia durante los períodos de altos niveles de modulación. Esto tiene el efecto de reducir la demanda general de potencia del transmisor y es más eficaz en programas de tipo oral. Los fabricantes de transmisores utilizan desde finales de los años 80 para su implementación diversos nombres comerciales.
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. Así 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 desde su valor no modulado. El índice de modulación normalmente se expresa como porcentaje y puede mostrarse en un medidor conectado a un transmisor AM.
Entonces, si , la amplitud de la portadora varía 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 debajo. Con una modulación del 100%, la amplitud de la onda a veces llega a cero, y esto representa una modulación completa usando AM estándar y, a menudo, es un objetivo (para obtener la relación señal-ruido más alta posible ), pero no se debe exceder. Aumentar la señal de modulación más allá de ese punto, conocido como sobremodulación , hace que falle un modulador AM estándar (ver más abajo), ya que las excursiones negativas de la envolvente de onda no pueden ser menores que cero, lo que resulta en una distorsión ("recorte") de la modulación recibida. . Los transmisores normalmente incorporan un circuito limitador para evitar la sobremodulación y/o un circuito compresor (especialmente para comunicaciones de voz) para acercarse al 100% de modulación para una máxima inteligibilidad por encima del ruido. Estos circuitos a veces se denominan 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 doble banda lateral . 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 técnicas eficientes de modulación de alto nivel (etapa de salida) (ver más abajo) que se usan ampliamente, especialmente en transmisores de transmisión de alta potencia . Más bien, un modulador especial produce dicha forma de onda a un nivel bajo seguido de un amplificador lineal . Es más, un receptor AM estándar que utilice un detector de envolvente es incapaz de demodular adecuadamente dicha señal. Más bien, se requiere una detección sincrónica. Por lo tanto, la transmisión de doble banda lateral generalmente no se denomina "AM", aunque genera una forma de onda de RF idéntica a la AM estándar, siempre que el índice de modulación sea inferior al 100%. Dichos sistemas intentan más a menudo una reducción radical del nivel de portadora en comparación con las bandas laterales (donde está presente la información útil) hasta el punto de transmisión de portadora suprimida de doble banda lateral 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 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 señales digitales (DSP). Con DSP son posibles muchos tipos de AM con control de software (incluido DSB con portadora, SSB con portadora suprimida y banda lateral independiente, o ISB). Las muestras digitales calculadas se convierten a voltajes con un convertidor de digital a analógico , generalmente a una frecuencia menor que la frecuencia de salida de RF deseada. Luego se debe cambiar la frecuencia de la señal analógica y amplificarla linealmente hasta la frecuencia y el nivel de potencia deseados (se debe utilizar 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]
AM también se puede generar a bajo nivel, utilizando métodos analógicos que se describen en la siguiente sección.
Los transmisores de AM de alta potencia (como los utilizados para la transmisión de AM ) se basan en etapas de amplificador de potencia de clase D y clase E de alta eficiencia , moduladas variando 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 clase C, para mayor 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 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}}Soy\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)
