MODULACIÓN Y SINTONÍA DE CANALES

1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE MODULACIÓN

En principio, una señal banda base es una señal en sus estado originario, según se obtiene del transductor o del generador de señal. Por ejemplo, la señal de audio, con una banda desde casi 0 Hz a 20 kHz, es una señal en banda base, por lo que hay una relación directa entre la forma de la onda de la señal eléctrica y la forma de onda del sonido que representa.

La señal de vídeo de un sensor monocromo también representa la luminosidad de la imagen con una relación directa entre su forma de onda y la intensidad de cada punto de la imagen. Es también una señal banda base.

Todo canal de transmisión marca unas restricciones por su respuesta en frecuencia y por el ruido que genera, que puede hacer que la transmisión de la señal en banda base sufra degradaciones no admisibles.

La modulación ofrece también, la posibilidad de un reparto del espectro del canal, organizando las diferentes informaciones que comparten canal en paquetes frecuenciales que no se interfieran unos a otros.

Además, en casos como la radiodifusión por antenas, es necesario manejar frecuencias superiores para la correcta transmisión de potencia al aire libre.

Los procesos de modulación permiten convertir la señal banda base en otra señal distinta (llamada señal modulada) con un espectro más adecuado al canal en uso y con una menor sensibilidad al ruido del canal.

La modulación es una operación sobre señales que presenta muchas posibilidades de realización, especialmente ahora con las actuales técnicas de señal digital, sin embargo nosotros solo nos vamos a ocupar de las modulaciones de portadora sinusoidal.

Componentes de una modulación sobre portadora sinusoidal.

· Señal Portadora: es una señal generada por el dispositivo modulador, es una señal sinusoidal de alta frecuencia. La frecuencia de la portadora es la que marca el lugar del espectro al que va a ser trasladada la información en banda base.

· Señal Moduladora: es la señal con la información que queremos transmitir, la señal banda base.

· Señal Modulada: es la señal resultado de la modulación.

4. Tipos De Modulación

Dentro de este tipo de modulación sólo vamos a estudiar dos tipos básicos, la modulación por amplitud (AM) y la modulación por frecuencia (FM). Ambas son modulaciones simples, ya que sólo modifican uno de los parámetros de la señal portadora en función de una señal moduladora.

· Modulación AM (básica)

Una modulación en AM es una modulación en amplitud, lo que indica que el parámetro que se va a ver modificado siguiendo los cambios de la señal moduladora, es la amplitud.

• Caracterización matemática (temporal):

Portadora:

Moduladora:

Modulada AM:

y(t) =

La amplitud de la portadora tiene un valor fijo en ausencia de señal moduladora y se le añade un valor proporcional a ésta cuando existe. La frecuencia de la señal sigue siendo la de la portadora.

• Caracterización espectral:

El espectro de la señal modulada se consigue calculando su transformada de Fourier:

Y(f) = TF

Donde X(f) es el espectro de la señal moduladora X(t).

Lo que se traduce en que la señal modulada AM presenta un ancho de banda doble que la señal banda base.

Espectro señal banda base Espectro de señal modulada en AM

fc

En esto caso (vídeo), el ancho de banda de la señal banda basa va de 0Hz a 5 MHz, con lo que cada información modulada ocuparía 10 MHz, lo que es mucho, por lo que se escogió otro tipo de modulación AM distinta de la básica y que no tiene una expresión matemática exacta a la anterior y con la que se consigue que se transmita la banda superior del espectro y un trozo pequeño de la banda inferior (vestigio), a esta modulación se la llama modulación AM en banda lateral vestigial.

· Modulación FM

En este caso se pretende que la frecuencia de la portadora varíe con la señal moduladora, de modo que la frecuencia en cada momento sea proporcional al nivel de la señal banda base de una manera unívoca para evitar incertidumbres en la demodulación.

• Caracterización matemática (temporal):

Portadora:

Moduladora:

Modulada AM:

y(t) =

Donde ðf(t) es la desviación en frecuencia.

• Caracterización espectral:

El cálculo del espectro de la señal modulada FM es muy complejo, y solo vamos a concluir que al realizar la modulación, el espectro final es menor que el de una modulación AM básica.

2. APLICACIÓN A LOS SISTEMAS DE TELEVISIÓN

Como ya hemos dicho la modulación escogida para el vídeo es una AM que aunque no es la que mejores prestaciones presenta, consigue no ocupar mucho ancho de banda, parámetro que conviene minimizar al máximo, teniendo en cuenta que en la zona asignada a estas radiodifusiones se han de colocar muchos canales de Tv.

La modulación elegida es un tipo especial de modulación de amplitud denominada en el Informe 624 del CCIR relativo a la descripción de los Sistemas de Televisión con las siglas C3F NEG. Teniendo en cuenta que el ancho de banda de la señal de video en banda base es de 5 MHz, con la clásica AM se ocuparía un ancho de 10MHz, que es relativamente alto.

Para ahorrar espacio no se transmiten las dos bandas laterales completas, pero tampoco se utiliza la AM de banda lateral única, porque ofrece problemas de atenuación en baja frecuencias y lo que es peor, obliga a inyectar la portadora desde el exterior, lo que complica la circuitería del receptor.

La modulación elegida es negativa, entendiéndose por este concepto el hecho de que a los niveles oscuros se le asocia más nivel de portadora que a los claros.

A toda señal de vídeo le acompaña siempre una señal de sonido. En el momento actual es posible que sea más de un canal de sonido el que acompañe a la señal, puesto que algunos radiodifusores y a través de determinados transmisores, han incorporado un canal digital estereofónico según la Norma NICAM - 728.

Pero del que vamos a ocuparnos es del canal monofónico analógico que forzosamente habrá de llevar toda señal de TV para cumplir con la compatibilidad que debe respetar.

La portadora de sonido, en las Normas utilizadas en España, se coloca siempre en una frecuencia que se encuentra 5'5 MHz por encima de la portadora de video y la modulación que soporta es en frecuencia (FM) identificada por las siglas F3E en el informe 624 del CCIR.

La señal de sonido en banda base empleada tiene un ancho de banda de 15 kHz.

La potencia radiada en la señal de sonido es bastante inferior a la emitida para imagen (relación de 20 a 1), esto es posible porque la relación señal/ruido en FM es mucho mayor que en AM.

Se denomina canal de televisión al margen de frecuencias utilizadas para la ubicación de una señal de Televisión. Al proceder a su radiodifusión o transporte por canales de radiofrecuencia. En el canal también se contemplan las posibles bandas de guarda que se mantienen para distanciarse de los canales adyacentes, tanto por la parte superior como por la inferior.

Existen varias Normas de acuerdo a las cuales se confecciona un canal de Televisión, cuya elección depende del tipo de señal que transporte. En España solo se utilizan dos, Norma B y Norma G.

• Norma B: se utiliza para canales de VHF, canales que se encuentran en periodo de extinción, ya que se pretende pasar a emisiones en bandas superiores.

• Norma G: es la utilizada para canales de UHF, que forman la práctica totalidad de los canales existentes.

La diferencia entre ellas se encuentra únicamente en la banda de guarda que es necesario dejar en la parte superior del canal, para separarlo del canal inmediatamente siguiente. En el caso de la Norma B es de 0'25 MHz y para Norma G es de 1'25 MHz (un megahercio más que proporciona un mayor margen de seguridad en cuanto a la posible introducción de un canal en los terrenos del canal adyacente), gracias a este espacio de más (de sobra) es posible la colocación, si se desea, de una segunda portadora de sonido por encima de la que se ha descrito.

Diagrama del canal de Televisión

Las bandas asignadas para la radiodifusión terrestre de señales de Televisión son las bandas I, III, IV y V, ya que la II se encuentra destinada a Radiodifusión sonora. Las dos primeras corresponden a frecuencias de VHF y las dos siguientes a frecuencias de UHF.

Como ya hemos visto, existen muchos canales posibles por donde puede llegar la señal de Televisión que se quiere sintonizar. Cuando se decida sintonizar uno de ellos, la primera idea para poder hacerlo que se nos ocurre es la de colocar justo detrás de la antena un filtro que deje pasara solamente el canal deseado, no permitiendo el paso del resto de canales.

Esta idea es inviable por varias razones, el primer inconveniente es la enorme dificultad que entraña diseñar un filtro centrado sobre una frecuencia muy alta, que puede llegar a ser hasta de 860 MHz, con un ancho de banda muy pequeño en valor relativo respecto a la frecuencia central y además que sea desplazable por todo el espectro. Otro problema se plantearía en la circuitería que debe colocarse detrás de la antena para demodular las señales, ya que no podrían ser los mismos circuitos para demodular frecuencias tan distintas. Por estas y otras razones se desecha la idea del filtro desplazable a lo largo del espectro.

La solución la ofrece la heterodinación .

¿En qué consiste la heterodinación?

Consiste en batir todas las señales de todos los canales presentes en la antena, con un oscilador denominado oscilador local, que será de frecuencia variable y siempre se colocará por encima de la frecuencia del canal que se quiere sintonizar. Al mezclarse estas señales aparecerán a su salida las señales de frecuencia suma y diferencia (estas últimas son las que se aprovechan).

Cuando la diferencia entre la frecuencia del oscilador local y uno de los canales cae en la banda de frecuencias comprendida entre 32'15 y 40'15 MHz, logrará pasar a través de un filtro colocado a esas frecuencias y pasará al resto del receptor.

Esta zona de frecuencias recibe el nombre de frecuencia intermedia y a partir de este punto el receptor actúa como si sólo existiese ese canal específico con portadora de imagen en 38'8 MHz y portadora de sonido en 33'4 MHz. La portadora de sonido aparece más abajo debido a que al hacer una operación diferencia, es como si el canal utilizado ahora fuera un reflejo del anterior (está al revés).

A estos valores que toman las frecuencias portadores de imagen y sonido se les denomina frecuencia intermedia de imagen y primera frecuencia intermedia de sonido (debido a que el sonido sufre un nuevo descenso en frecuencia antes de ser demodulado, mediante una técnica llamada técnica intercarrier

En el dibujo se aprecia el diagrama de bloques genérico de un receptor de TV monocromo.

En el vemos en primer lugar el bloque de sintonización (justo después de la antena), seguido de las etapas de frecuencia intermedia, tras las que manejamos el canal situado entre 32'5 y 40'5 MHz.

Sobre este canal aplicamos la demodulación de la imagen (detector de AM), con la que se obtiene la señal de video banda base que, tras ser amplificada, será aplicada directamente al tubo de imagen.

Mediante un filtrado paso banda separamos la información de audio, sobre la que se aplica la demodulación y posterior amplificación de la señal de audio que irá directamente ya a los transductores (altavoces).

Sobre la señal de video en banda base se produce, también, un recorte de los sincronismos para su tratamiento por circuitería distinta a la del vídeo, mediante el integrador se decide si el impulso que llegó es de vertical y si lo es se desencadenan las funciones que provocan un salto en vertical. Otra circuitería se encarga, a su vez, de los sincronismos horizontales.