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CM · Fundamentos de modulación

Modulación de frecuencia

FM carga el mensaje en la frecuencia instantánea de la portadora. La amplitud no cambia; solo se estrecha y se ensancha la separación entre las crestas de la portadora, así que la información está en la frecuencia y no en la amplitud. En esta unidad verás por qué eso hace a FM resistente al ruido.

La frecuencia oscila, la amplitud se mantiene

La curva dorada tenue de arriba es el mensaje, y la onda azul de abajo es la portadora modulada en FM. Al subir la desviación con el deslizador, las crestas de la portadora se apiñan bajo el pico del mensaje y se espacian bajo el valle. Mientras tanto, las líneas doradas punteadas por encima y por debajo de la onda, es decir, la amplitud, no se mueven.

Desviación de frecuencia Δfβ = 0.2
La frecuencia del mensaje fm queda fija y solo crece la desviación Δf, así que el valor que aparece a la derecha es β = Δf/fm. A medida que β crece, FM pasa de banda estrecha a banda ancha.
Frecuencia instantánea con esta desviación
f(t) = fc + Δf cos(ωm t)
Apenas modulada

El mensaje monta sobre la frecuencia

Si AM hacía oscilar la amplitud, FM la deja quieta y, en su lugar, empuja y frena al ritmo del mensaje cuántas veces por 1 segundo oscila la portadora, es decir, su frecuencia instantánea. La frecuencia instantánea se escribe f(t) = fc + kf m(t): cuanto mayor es el valor del mensaje, más rápido oscila la portadora. Como la amplitud no cambia, la envolvente es una recta plana, igual que las líneas doradas punteadas de la gráfica.

El índice β fija el ancho

La mayor distancia a la que la frecuencia instantánea se aleja de la frecuencia portadora se llama desviación Δf. Al dividirla por la frecuencia del mensaje fm se obtiene β = Δf/fm, el índice de modulación de FM. Si β es menor que 1, la frecuencia apenas tiembla y se trata de FM de banda estrecha; si es mayor que 1, la frecuencia oscila ampliamente y es FM de banda ancha. La fase es la integral de la frecuencia en el tiempo, así que la señal se escribe s(t) = Ac cos(2π fc t + β sin(ωm t)).

Observaf(t) = fc + Δf cos(ωm t)
El mensaje empuja y tira de la frecuencia instantánea.
Eligeβ = Δf / ?
El índice de modulación es la desviación dividida por la frecuencia del mensaje.

La regla de Carson y la inmunidad al ruido

La regla de Carson estima el ancho de banda de FM como B = 2(Δf + fm). Es decir, cuanto mayor es la desviación, más espectro ocupa. A cambio, como la información está solo en la frecuencia, el receptor puede recortar la amplitud a un nivel fijo con un limitador y tirar de golpe el ruido pegado a la amplitud. Ceder ancho de banda para comprar inmunidad al ruido es el trato central de FM.

CompletaB = 2(Δf ? fm)
La regla de Carson suma la desviación y la frecuencia del mensaje, y duplica.
Por tu cuentaB ≈ ?
En banda ancha domina la desviación y queda B ≈ 2Δf.

De vuelta a la primera pantalla

Al subir la desviación, la portadora se apiñó más bajo el pico del mensaje y se espació más bajo el valle, pero la amplitud, dibujada con líneas doradas punteadas, siguió plana hasta el final. Al principio, con la desviación cerca de 0, la portadora estaba prácticamente sin modular y se marcaba en rojo; cuando β creció lo bastante para llegar a FM de banda ancha, el indicador pasó a dorado. De FM hay que recordar que el mensaje está en la frecuencia instantánea y no en la amplitud, así que el ruido de la amplitud se puede recortar sin más.

La modulación de frecuencia (FM) carga el mensaje en la frecuencia instantánea de la portadora, de modo que f(t) = fc + kf m(t). La amplitud es constante y la información está en la frecuencia. Con índice de modulación β = Δf/fm menor que 1 es de banda estrecha, y mayor, de banda ancha; la señal es s(t) = Ac cos(2π fc t + β sin(ωm t)). El ancho de banda sigue la regla de Carson, B = 2(Δf + fm), y como la amplitud es constante se puede recortar el ruido de amplitud, lo que la hace resistente al ruido.

En la próxima unidad

Con AM y FM se cierra la modulación analógica. Desde la siguiente unidad, el mensaje se convierte en números. Primero viene PCM, que muestrea una señal continua a intervalos regulares, corta los valores en escalones y los anota en bits. El punto de partida es el teorema de muestreo: si se muestrea con suficiente frecuencia, la señal original se puede reconstruir tal cual.