Amplitud modulada

La modulación de amplitud ( AM ) es una técnica de modulación de señal utilizada en la comunicación electrónica, más comúnmente para transmitir mensajes con una onda de radio . En la modulación de amplitud, la amplitud instantánea de la onda se varía en proporción a la de la señal del mensaje, como una señal de audio . ^{[ 1 ]} Esta técnica contrasta con la modulación angular , en la que se varía la frecuencia de la onda portadora, como en la modulación de frecuencia , ^{[ 1 ]} o su fase , como en la modulación de fase .

La 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 de radiotelefonía de Roberto Landell de Moura y Reginald Fessenden en 1900. ^{[ 2 ]} Esta forma original de AM a veces se denomina modulación de amplitud de doble banda lateral ( DSBAM ), porque el método estándar 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 modulación de amplitud (AM) se sigue utilizando en muchas formas de comunicación, además de la radiodifusión AM : radio de onda corta , radioaficionados , radios bidireccionales , radio aeronáutica VHF , radio de banda ciudadana y en módems de computadora en forma de modulación de amplitud en cuadratura (QAM).

En electrónica y telecomunicaciones , la modulación es la variación de una propiedad de una señal portadora de onda continua según una señal que contiene 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 mayor que la señal de mensaje, transporta la información. En la estación receptora, la señal de mensaje se extrae de la portadora modulada mediante la demodulación .

En su forma general, un proceso de modulación de una onda portadora sinusoidal puede describirse mediante la siguiente ecuación: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle m(t)=A(t)\cdot \cos(\omega t+\phi (t))\,}$.

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.${\displaystyle \omega }$y la desviación de fase instantánea${\displaystyle \phi (t)}$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 de mensaje moduladora. La modulación angular proporciona dos métodos de modulación: modulación de frecuencia y modulación de fase . ^{[ 4 ] : ​​27–28}

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 de mensaje moduladora.

La señal de mensaje moduladora puede ser analógica o digital, en cuyo caso la técnica se denomina generalmente modulación por desplazamiento de amplitud (ADM) . ^{[ 5 ] : 124–128}

Por ejemplo, en la comunicación por radio AM, una señal de radiofrecuencia de onda continua se modula en amplitud mediante una forma de onda de audio antes de su transmisión. La señal de 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 se denomina a veces "modulación de amplitud de doble banda lateral" (DSBAM).

Una desventaja de todas las técnicas de modulación de amplitud, no solo de la AM estándar, es que el receptor amplifica y detecta el ruido y la interferencia electromagnética en igual proporción a la señal. Por lo tanto, aumentar la relación señal/ruido recibida , por ejemplo, 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 radiodifusión AM no se prefiere para la música ni para la radiodifusión de alta fidelidad , sino más bien para las comunicaciones de voz y las emisiones (deportes, noticias, programas de entrevistas , etc.).

La modulación de amplitud (AM) es ineficiente en el uso de energía, ya que al menos dos tercios de la potencia de transmisión se concentran en la señal portadora. La señal portadora no contiene información transmitida (voz, vídeo, datos, etc.). Su presencia proporciona un método sencillo de demodulación mediante detección de envolvente , ofreciendo una referencia de frecuencia y fase para extraer la señal del mensaje de las bandas laterales. En algunos sistemas de modulación basados ​​en AM, se requiere una menor potencia de transmisión 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 ) a partir de una portadora "piloto" muy reducida (en transmisión de portadora reducida o DSB-RC) para usarla en el proceso de demodulación. Incluso con la portadora eliminada en la transmisión de doble banda lateral con portadora suprimida , es posible regenerar la portadora utilizando un bucle de enganche de fase de Costas . ^{[ 6 ]}

Esto no funciona para la transmisión de banda lateral única con portadora suprimida (SSB-SC), lo que produce el característico sonido de "Pato Donald" en dichos receptores cuando están ligeramente desafinados. Sin embargo, la modulación de amplitud de banda lateral única (AM-SSB) se utiliza ampliamente en la radioafición y otras comunicaciones de voz debido a su eficiencia en potencia y ancho de banda (reduciendo a la mitad el ancho de banda de RF en comparación con la AM-SST). Por otro lado, en la radiodifusión de onda media y onda corta , la AM-SST con portadora completa permite la recepción con receptores económicos. La emisora ​​asume el costo adicional de potencia para aumentar considerablemente su audiencia potencial.

En 1982, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) designó los siguientes tipos de modulación de amplitud:

La modulación de amplitud se utilizó en experimentos de transmisión telegráfica y telefónica multiplex a finales del siglo XIX. ^{[ 9 ]} 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, denominados 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 disminuían hasta cero y sonaban como un zumbido en los receptores. En efecto, ya estaban modulados en amplitud. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

La onda portadora ( onda sinusoidal ) de frecuencia f _c y amplitud A se expresa mediante

${\displaystyle c(t)=A\sin(2\pi f_{c}t)\,}$.

La señal de 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 :

${\displaystyle m(t)=M\cos \left(2\pi f_{m}t+\phi \right)=Am\cos \left(2\pi f_{m}t+\phi \right)\,}$,

donde m es la sensibilidad de amplitud, M es la amplitud de modulación. Si m < 1, (1 + m(t)/A) siempre es positivo para la submodulación. Si m > 1 entonces ocurre la sobremodulación y la reconstrucción de la señal del mensaje a partir de la señal transmitida daría lugar a la pérdida de la señal original. La modulación de amplitud resulta cuando la portadora c(t) se multiplica por la cantidad positiva (1 + m(t)/A) :

${\displaystyle {\begin{aligned}y(t)&=\left[1+{\frac {m(t)}{A}}\right]c(t)\\&=\left[1+m\cos \left(2\pi f_{m}t+\phi \right)\right]A\sin \left(2\pi f_{c}t\right)\end{aligned}}}$

En este caso simple, m es idéntico al índice de modulación , que se analiza más adelante. Con m = 0,5, la señal modulada en amplitud y ( t ) corresponde al gráfico superior (etiquetado como "Modulación al 50%) de la figura 4.

Utilizando identidades de prostaféresis , se puede demostrar que y ( t ) es la suma de tres ondas sinusoidales:

${\displaystyle y(t)=A\sin(2\pi f_{c}t)+{\frac {1}{2}}Am\left[\sin \left(2\pi \left[f_{c}+f_{m}\right]t+\phi \right)+\sin \left(2\pi \left[f_{c}-f_{m}\right]t-\phi \right)\right].\,}$

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 superiores e inferiores a la frecuencia portadora f _c . ^{[ 4 ]}

Una señal de modulación útil m(t) suele ser más compleja que una simple onda sinusoidal, como se explicó anteriormente. Sin embargo, mediante 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. Al multiplicar 1 + m(t) por c(t) , como se indicó anteriormente, el resultado consiste en una suma de ondas sinusoidales. Nuevamente, la portadora c(t) permanece inalterada, 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 primeras frecuencias por encima de la frecuencia portadora se conoce como banda lateral superior, y las que están por debajo constituyen la banda lateral inferior. La modulación m(t) puede considerarse como una mezcla equitativa de componentes de frecuencia positivas y negativas, como se muestra en la parte superior de la figura 2. Las bandas laterales pueden interpretarse como el desplazamiento de frecuencia de la modulación m(t) en f _c, como se representa en la parte inferior derecha de la figura 2. ^{[ 16 ] : 75–76}

El espectro de modulación a corto plazo, que varía como lo haría en una voz humana, por ejemplo, el contenido de frecuencia (eje horizontal) puede representarse en función del tiempo (eje vertical), como se muestra en la figura 3. Se observa nuevamente que, a medida que varía el contenido de frecuencia de la modulación, se genera una banda lateral superior correspondiente a las 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 permanece constante y con una potencia mayor que la potencia total de la banda lateral.

El ancho de banda de RF de una transmisión AM (véase 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 igual a la frecuencia moduladora más alta. Aunque el ancho de banda de una señal AM es menor que el de una que utiliza modulación de frecuencia (FM), es el doble que el de las técnicas de banda lateral única ; por lo tanto, puede considerarse espectralmente ineficiente. Dentro de una banda de frecuencia, solo se puede admitir la mitad de transmisiones (o "canales"). Por esta razón, la televisión analógica emplea una variante de banda lateral única (conocida como banda lateral vestigial , una especie de compromiso en términos de ancho de banda) para reducir el espaciado de canales requerido. ^{[ 4 ] : 175–176 [ 5 ]}

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 sinusoidal completa (100%), la potencia del componente portador es el doble que la de las bandas laterales, pero no contiene información única. Por lo tanto, existe una gran ventaja en eficiencia al reducir o suprimir completamente la portadora, ya sea junto con la eliminación de una banda lateral ( transmisión de portadora suprimida de banda lateral única ) o manteniendo ambas bandas laterales ( portadora suprimida de doble banda lateral ). Si bien estas transmisiones de portadora suprimida son eficientes en términos de potencia del transmisor, requieren receptores más sofisticados que emplean detección síncrona 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 utilizan 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. ^{[ 6 ]}

Una técnica muy utilizada en transmisores de AM es la aplicación de la portadora de Hapburg, propuesta inicialmente en la década de 1930, pero poco práctica con la tecnología disponible en aquel entonces. Durante los periodos de baja modulación, la potencia de la portadora se reducía y volvía a su potencia máxima durante los periodos de alta modulación. Esto reduce el consumo energético total del transmisor y resulta especialmente eficaz en programas de voz. Desde finales de los años 80, los fabricantes de transmisores han utilizado diversas marcas comerciales para su implementación.

El índice de modulación AM es una medida basada en la relación entre las variaciones de modulación de la señal de RF y el nivel de la portadora no modulada. Se define, por lo tanto, como:

${\displaystyle m={\frac {\mathrm {valor\ pico\ de\ } m(t)}{A}}={\frac {M}{A}}}$

dónde${\displaystyle M\,}$y${\displaystyle A\,}$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 con respecto a su valor sin modular. El índice de modulación se expresa normalmente como un porcentaje y puede visualizarse en un medidor conectado a un transmisor AM.

Entonces si${\displaystyle m=0.5}$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${\displaystyle m=1.0}$Varía en un 100% como se muestra en la ilustración a continuación. Con una modulación del 100%, la amplitud de la onda a veces llega a cero, y esto representa la modulación completa usando AM estándar y suele ser un objetivo (para obtener la mayor relación señal/ruido posible ) pero no debe excederse. Aumentar la señal moduladora más allá de ese punto, conocido como sobremodulación , hace que un modulador AM estándar (ver más abajo) falle, ya que las excursiones negativas de la envolvente de la onda no pueden ser menores que cero, lo que resulta en 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 aún acercarse al 100% de modulación para obtener la máxima inteligibilidad por encima del ruido. Dichos 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 la 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 las eficientes técnicas de modulación de alto nivel (etapa de salida) (véase más adelante), 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 . Es más, un receptor AM estándar que utiliza un detector de envolvente es incapaz de demodular correctamente dicha señal. En su lugar, se requiere detección síncrona. ^{[ 6 ]}

Por lo tanto, la transmisión de doble banda lateral no se suele denominar "AM", aunque genere una forma de onda de RF idéntica a la AM estándar siempre que el índice de modulación sea inferior al 100 %. Estos sistemas suelen intentar una reducción drástica del nivel de la portadora en comparación con las bandas laterales (donde se encuentra la información útil), hasta el punto de la transmisión de doble banda lateral con portadora suprimida, 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 nula).

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). ^{[ 17 ]}

La forma más simple de un demodulador AM consiste en un diodo configurado como detector de envolvente . Como describió Frederick Terman en 1943, el rectificador de diodo fue el detector más utilizado para señales AM, proporcionando un medio sencillo para recuperar la envolvente de modulación. ^{[ 29 ]} En 1904, John Ambrose Fleming desarrolló un circuito de este tipo para un detector de ondas de radio en la radio de cristal . ^{[ 30 ]} La adición de condensadores variables al detector de cristal permite la sintonización a una frecuencia específica. ^{[ 16 ] : 104-106}, 111, 115}

Otro tipo de demodulador, el detector de producto , puede proporcionar una demodulación de mejor calidad con una mayor complejidad del circuito. ^{[ 4 ] : 157–158}

• Airband
• estéreo AM
• Sistema de señalización por modulación de amplitud (AMSS)
• Transmisión de doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)
• esfera de modulación
• radio de onda corta
• Tipos de emisiones radioeléctricas

• Newkirk, David y Karlquist, Rick (2004). Mezcladores, moduladores y demoduladores. En DG Reed (ed.), The ARRL Handbook for Radio Communications (81.ª ed.), pp.  15.1–15.36. Newington: ARRL. ISBN 0-87259-196-4.

• Modulación de amplitud por Jakub Serych, Proyecto de demostraciones de Wolfram .
• Modulación de amplitud , por S. Sastry.
• Modulación de amplitud , una introducción de la Federación de Científicos Americanos .
• Tutorial sobre modulación de amplitud que incluye temas relacionados con moduladores, demoduladores, etc.
• Demostración interactiva en línea de modulación analógica utilizando Python en la plataforma Google Colab , por C Foh.