Qué son las ondas de radio o electromagnéticas (3)

<– Viene de la 2ª parte

Ya hemos visto cómo funcionan los componentes electrónicos que generan las ondas electromagnéticas, y también los antecedentes sobre los estudios e invenciones en el campo de la radio. Veremos ahora cómo se envía la información a través de una onda electromagnética.

ALGUNOS CONCEPTOS SOBRE MODULACIÓN DE INFORMACIÓN

Aunque peque de alargarme en exceso con los flecos de la cuestión, me gusta abordar siempre detalles colaterales para que después, al entrar en materia, todo os suene más familiar. Por eso, antes de profundizar en cómo se envía la información a través de las ondas de radio, es conveniente que explique algunos conceptos básicos:

Ya vimos anteriormente cómo se forma una onda electromagnética y cuáles son sus diferentes espectros de frecuencia, pero en esta ocasión dicha onda la vamos a considerar como un simple vehículo, una especie de transporte de mercancías, y donde lo que nos interesa es su contenido, “la mercancía que transporta”.

Para enviar una información por radio necesitamos mezclar dos tipos de onda: la onda que transporta la información se llama “onda portadora”, y la onda que contiene la información se llama “onda moduladora”. La onda resultante de mezclar ambas es la “onda modulada”. Por lo general la onda portadora es una señal que se encuentra dentro del espectro de radio; para la explicación a nosotros nos sirve cualquier frecuencia de radiodifusión o radiocomunicación (desde las frecuencias más bajas hasta las microondas). Por su parte, la onda moduladora puede ser cualquier fuente de sonido (voz, música, un tono de audio, etc.). Para simplificar, en nuestro ejemplo utilizaremos un tono de audio de 1 Khz (1000 Hz).

LA MODULACIÓN EN AMPLITUD

Pongamos pues, que queremos enviar un tono de 1 Khz y recibirlo en un simple receptor de radio de onda media sintonizado en 1000 Khz. Para ello podemos utilizar diferentes sistemas de modulación, pero el más común en esta banda de radio comercial es la AM o modulación en amplitud.

El proceso consiste en generar una onda portadora en la emisora (mediante un oscilador de ondas electromagnéticas), en este caso de 1000 Khz, e inyectarle (mezclarle en un modulador) la señal de la onda moduladora que queremos enviar, en este caso un tono de 1 Khz. A la salida del modulador tendremos una onda modulada en amplitud. Digamos que la onda moduladora “cabalga” sobre la onda portadora, pues si observamos la forma de ésta identificaremos al momento el perfil de aquélla.

 MODULACIÓN EN AMPLITUD

En la modulación en amplitud, si mezclamos en un modulador una onda portadora (A), más una onda moduladora (B), obtenemos una onda modulada (C)

La onda modulada que tenemos a la salida del modulador está compuesta por tres frecuencias: la de la portadora, más otras dos resultantes de sumarle o restarle, respectivamente, la frecuencia de la onda moduladora. Es decir, tendremos una frecuencia de 1000 Khz (onda portadora), otra frecuencia de 1001 Khz (onda portadora + onda moduladora), y una tercera frecuencia de 999 Khz (onda portadora – onda moduladora). La diferencia de frecuencia entre 999 y 1001 es lo que se llama “ancho de banda”, y es siempre el doble de la frecuencia de la onda moduladora. Nótese que ésta es de 1 Khz, y que efectivamente 1001 – 999 = 2; por tanto, el ancho de banda en este ejemplo es de 2 Khz.

Tengo que precisar, que en la práctica no todo es tan simple, pues hemos utilizado para el ejemplo un tono de 1Khz, lo cual hace muy sencillo el cálculo del ancho de banda. Pero, si en vez de un tono hubiésemos utilizado voz, o una pieza musical, el número de frecuencias de la onda moduladora serían incontables (variables entre 20 Hz y 20.000 Hz), y para conocer el ancho de banda necesitaríamos saber cuál es la frecuencia más alta posible que se va a emitir. Como ejemplo, si se hubiera enviado música en la cual sonase la nota de un violín en la frecuencia de 12000 Hz, entonces el ancho de banda llegaría a los 24.000 hz.

De todas formas, esto no suele darse en la onda media, debido a que esa banda de radiodifusión no es adecuada para emitir con alta calidad de sonido (véase más adelante la modulación en FM), y por tanto el ancho de banda debe situarse en un límite que no suele superar más allá del margen de frecuencias que utiliza la voz humana. Todos hemos experimentado alguna vez esa diferencia de calidad entre la onda media y la frecuencia modulada; la onda media no reproduce las frecuencias más altas de la música, de ahí que los instrumentos musicales más agudos queden atenuados frente, por ejemplo, a los contrabajos u otros instrumentos de tono inferior, que se escucharán con mayor claridad y fidelidad.

Por otro lado, la onda modulada que se envía al éter tiene dos bandas laterales y simétricas, es decir, está duplicada (lo cual explica también que el ancho de banda sea siempre el doble de la frecuencia moduladora). Eso ocurre porque la señal que se envía posee polaridad positiva y negativa, y en consecuencia también se envía una banda lateral positiva y otra negativa. Da igual que la señal enviada sea un tono, voz, música, etc., en cualquiera de los casos se trata de ondas de sonido, las cuales tienen semiondas positivas y negativas. Las dos bandas, al ser simétricas, se anulan eléctricamente cuando llegan al receptor de radio (se suman algebraicamente), por eso es necesario un proceso de detección para extraer la información, y que ahora veremos.


La onda modulada en amplitud posee dos bandas laterales simétricas

Para hacer llegar al altavoz nuestra señal de audio de 1 Khz, tenemos que seguir en el receptor de radio justo el proceso inverso que se realizó en la modulación:

Primero sintonizamos la onda modulada en el dial del receptor (en la práctica es la misma frecuencia que la onda portadora, ya que el centro de las dos bandas laterales coincide con dicha frecuencia, y que son los consabidos 1000 Khz). Seguidamente tenemos que obtener la onda moduladora, que es la que contiene la información. Como ésta llega duplicada y simétrica, las señales positivas y negativas se anulan entre sí, por eso es necesario realizar un proceso llamado de “detección” o “demodulación”, (en la modulación en amplitud es más propio llamarle “detección”).

La detección se consigue mediante un diodo, un componente electrónico muy simple que deja pasar la corriente en un sentido pero no en el otro, y por tanto permite que pase sólo una de las dos semiondas, o la positiva o la negativa, dependiendo de la orientación física que tenga el diodo. Mediante la detección lo que hacemos es “partir” la onda modulada por la mitad, es decir, obtenemos una de las dos bandas laterales. Puesto que la información está duplicada, podemos extraer cualquiera de las dos bandas sin perder nada de información.


Mediante la detección obtenemos una de las dos bandas laterales, la cual conserva toda la información

Tras la detección ya tenemos la onda demodulada, es decir, la onda moduladora original de 1 Khz. Pero, esta onda aún sigue “mezclada” con la onda portadora de 1000 Khz; por eso tenemos que introducirla en un filtro RF, que enviará a masa la radiofrecuencia de la portadora, dejando pasar sólo la onda demodulada totalmente limpia (sólo audio). En la práctica el filtro puede ser un condensador, otro componente electrónico también muy simple que permite derivar a masa la alta frecuencia de la onda portadora, pero respetando la baja frecuencia de la onda moduladora original.

Por fin, en estas condiciones ya podemos introducir la señal detectada y filtrada en un amplificador de audio y de ahí a un altavoz.


Después de detectada y filtrada una de las bandas laterales, obtenemos la onda moduladora original con toda su información íntegra

LA MODULACIÓN EN FRECUENCIA (FM) 

Lo que hemos visto hasta ahora es el envío de información a través de una onda electromagnética utilizando la modulación en amplitud, pero no es el único sistema. Otro de los ampliamente utilizados es la modulación en frecuencia, y que es conocida popularmente por FM o frecuencia modulada.

Antes de proseguir, quiero aclarar una confusión que observo muy a menudo: se tiende a identificar la banda de radiodifusión de VHF de 88 a 108 Mhz, como FM o frecuencia modulada. Esto es un error. No debemos confundir la “banda de recepción” con el “modo de emisión” de una señal. FM es un modo de emisión, no una banda de radio. Hablemos con propiedad: lo correcto es decir que escuchamos una emisora en modo FM, en la banda de VHF comercial de 88 a 108 Mhz.

Dicho esto, en contraste con la modulación en amplitud, la FM utiliza un ancho de banda mayor, pero a cambio posee grandes ventajas: es insensible a las interferencias eléctricas ambientales, y su calidad de sonido entra dentro de la alta fidelidad, lo cual la hace ideal para la radiodifusión de tipo musical y, en general, para cualquier tipo de radiocomunicación en que deba eliminarse el ruido electrónico de fondo, las distorsiones y conservar la mayor fidelidad posible con respecto a la información original.

El motivo de que no se utilice el modo FM en la onda media (la cual emplea generalmente la modulación en amplitud o AM), es precisamente por el ancho de banda que precisa. La onda media es una banda de frecuencia muy baja (de entre 300 y 3000 Khz), y si utilizásemos anchos de banda como los de la FM, el espectro de frecuencia disponible quedaría copado por unas pocas emisoras, o se solaparían entre sí las ya existentes. Por el contrario, la banda de VHF que utiliza la radio comercial de FM (de entre 88 y 108 Mhz), es lo suficientemente alta como para permitir los anchos de banda que se requiere en una emisión de alta fidelidad. Nótese que esta banda es varias decenas de veces superior en frecuencia a la de onda media

En la modulación de frecuencia, la onda moduladora genera múltiples frecuencias laterales. En realidad, lo que se produce es una variación de la frecuencia de la onda portadora en correspondencia con la variación de la frecuencia de la onda moduladora.

 MODULACIÓN EN FRECUENCIA

En la modulación en frecuencia, si mezclamos en un modulador una onda portadora (A), más una onda moduladora (B), obtenemos una onda modulada (C). La onda modulada en frecuencia se “estira” o “encoge” siguiendo la curva de frecuencia de la onda moduladora

Para reproducir en el receptor la información original de una onda modulada en frecuencia, se introduce ésta en un discriminador de frecuencias, al cual se le inyecta por otro lado la frecuencia de una onda generada en local muy próxima a la propia onda recibida. La onda resultante de restar ambas frecuencias se encuentra dentro del espectro audible. Ejemplo: si la frecuencia recibida es de 100 Mhz (100.000 Khz) y le mezclamos en local una frecuencia de 999.980 Khz, la resta  de ambas nos dará un ancho de banda audible de 20 Khz.; la señal de audio original (la onda moduladora) tiene que encontrarse obviamente en esa banda, y por tanto se escuchará.

Todo este proceso lo he simplificado mucho para una mejor comprensión, pues en realidad no se realiza una resta directa sobre una frecuencia tan alta como la de entrada (en nuestro caso 100.000 Khz), sino que previamente se hace una conversión a frecuencias más bajas, por ser éstas técnicamente más fáciles de manejar. Esta conversión a frecuencias bajas (llamada habitualmente “frecuencia media”) se realiza siempre en todos los circuitos receptores, y dependiendo de su diseño electrónico incluso pueden existir más de dos frecuencias medias.

LA MODULACIÓN POR BANDA LATERAL ÚNICA (BLU)

Existen otros sistemas de modulación, pero los más habituales son los ya descritos de AM y FM, que se utilizan sobre todo en radiodifusión. En radiocomunicación, sin embargo, es muy común, además de estos, la modulación por banda lateral única, BLU (en inglés, SSB). Las ventajas de este sistema es el aprovechamiento máximo de la potencia de un transmisor.

La modulación en BLU consiste en eliminar una de las dos bandas laterales, y enviar la información sólo en una de ellas. Dado que en AM se envía la información duplicada, eso significa que se está desaprovechando la mitad de la energía de transmisión en una banda lateral que no se necesita, pero en BLU, dado que sólo se envía una banda lateral, la energía es aprovechada como mínimo un 50% más. Además, en BLU se puede emitir simultáneamente más de una banda lateral, es decir, si disponemos de dos bandas, una superior (la llamada USB), y otra inferior (la llamada LSB), podemos utilizar las dos de forma independiente para enviar a través de ellas informaciones diferentes y simultáneas.

En el proceso de envío de la información por BLU, la portadora se “construye” sólo cuando hay información que enviar, y forma parte intrínseca de la propia onda moduladora; de hecho, si no existe modulación (hay silencio) el receptor parecerá que está mudo, pues no se consume energía alguna en enviar la portadora en tanto no exista modulación. De este ahorro de energía se beneficia la información enviada, pues en ella se concentra toda la potencia que de otro modo tendría que compartirse con la generación de la onda portadora.

Por su parte, en el receptor de BLU, se genera una onda portadora local que es inyectada a la frecuencia recibida, y así es posible “reconstruir” la información.

La BLU es adecuada para la radiocomunicación, y menos o nada para la radiodifusión, pues durante la sintonía en el receptor se pueden producir alteraciones del tono original, los cuales tendrían una importancia relativa cuando se trata de establecer una comunicación por voz, pero que alterarían notablemente, por ejemplo, el tono de una pieza musical, en el caso de una emisora de radiodifusión comercial.

OTROS SISTEMAS DE MODULACIÓN

Existen otros sistemas de modulación, menos utilizados en radiodifusión y más propios de equipos especiales. Por ejemplo la modulación por fase (PM), que consiste en variar la fase de la onda portadora según la fase de la onda moduladora. Tiene como ventaja que ocupa un ancho de banda menor que otros métodos de modulación.

También se utiliza la modulación de pulso en variados equipos de radiocomunicación y teledetección. Por ejemplo, el radar emplea el método de pulso discontinuo para enviar potentes señales que, una vez “rebotadas” en los objetos y recibidas de nuevo en el punto de partida, se introducen en un calculador para medir la distancia que hay hasta los objetos, o “dibujarlos” sobre una pantalla.

Algunos sistemas utilizan métodos combinados de modulación por pulso y por frecuencia. La manipulación por desviación de frecuencia (FSK) es uno de los más utilizados en las comunicaciones telegráficas automáticas.

La FSK es un sistema telegráfico en el cual se modula una onda portadora con dos tonos de audio de diferente valor, desplazando la frecuencia de la portadora por encima o por debajo de su frecuencia central. Los tonos se manipulan con una velocidad de transmisión estándar (la unidad de velocidad en estos sistemas es el baudio, equivalente a 1 bit por segundo). Después, una máquina telegráfica (por ejemplo un teletipo) interpreta esas señales de acuerdo con un código preestablecido, e imprime o visualiza la información que contiene (habitualmente un texto).

La máquina telegráfica que modula al transmisor tiene que trabajar a la misma velocidad que la máquina del receptor (debe existir una coordinación perfecta). Por ejemplo, si las máquinas emisora y receptora trabajan a 100 baudios de velocidad, un simple baudio de diferencia entre ambas causaría distorsión y la información se recibiría incompleta o mutilada. Existen varios códigos telegráficos para impresión, de 5 bits, 7 bits, etc., pero todos poseen un código de arranque y otro de parada, para que la máquina receptora sepa cuándo finaliza un carácter y comienza el siguiente.

¿SE PUEDE ENVIAR INFORMACIÓN SIN MODULAR UNA ONDA PORTADORA?´

Se puede enviar información utilizando la propia onda portadora como señal de datos (sin modularla previamente). De hecho, las primeras emisiones radiotelegráficas (utilizando el famoso código Morse), se realizaban mediante la llamada “onda continua pura” (en inglés CW). Cuando se envía CW, en el receptor no se escucha audio pues no existe modulación, para solucionarlo se genera en local una onda muy cercana a la frecuencia recibida, de forma que la suma o resta de ambas nos dé un tono audible. Ejemplo: si recibimos una frecuencia de 1000 Khz, y deseamos que se escuche un tono de 1 Khz, tenemos que generar en el receptor una onda cuya frecuencia sea 999 Khz, ó 1001 Khz, de tal forma que de la suma o la resta (según sea una u otra) resulte dicha frecuencia de 1 Khz.

El método para enviar la información desde la emisora, consiste en manipular la onda portadora (en realidad una onda pura, pues no va a portar modulación alguna) de acuerdo con un código convenido. El código Morse, por ejemplo, consiste en una serie de puntos y rayas, los cuales son enviados al éter “manipulados” por un operador telegráfico o una máquina automática. Se trata de  conectar o desconectar, encender o apagar, activar o desactivar (cualquier sinónimo es válido) la emisora al ritmo de los puntos y rayas que componen el código de la información que se desea enviar.

Por ejemplo, si deseamos enviar la letra “A”, que en código Morse está compuesta por un punto y una raya ( . _ ) tenemos que enviar la onda al espacio durante aproximadamente una décima de segundo (el punto), dejar un espacio de silencio de otra décima, y seguidamente volver a enviar la onda durante unas tres décimas de segundo (la raya); el tiempo que dura una raya equivale al tiempo empleado en enviar tres puntos.

Si deseamos enviar más caracteres, realizaremos el mismo procedimiento para cada uno, dejando un espacio de silencio aproximado al equivalente de una raya entre caracteres (para distinguir cuando finaliza un carácter y comienza otro). Las pausas entre palabras son más largas.

Esto puede parecer complicado y de difícil uso, pues los lectores habréis pensado al momento que la emisión manual requerirá un entrenamiento insufrible, ya que cada operador tendrá su propia conciencia de tiempo al manipular los caracteres. Pero no es así, pues lo importante al enviar las señales no es el mayor o menor tiempo que se tarde en configurar y enviar un carácter (la relación raya=3 puntos es sólo orientativa), sino la “cadencia” adecuada entre los puntos y rayas de cada carácter. Por ejemplo, una larga raya de un segundo no deja de ser una raya, y el operador radiotelegrafista puede jugar con ese parámetro sabiendo que la información no quedará alterada. Sin embargo, un punto no podrá sostenerse en el tiempo, o dejará de ser un punto.

En este sentido, tengo que decir por experiencia propia, tras muchos años de profesional en el mundo de las telecomunicaciones, que cada operador radiotelegrafista tiene su “firma”, su propia cadencia y estilo personal al imprimir la presión o depresión sobre el manipulador para enviar los caracteres de un mensaje. De hecho, gracias a ese estilo he podido identificar numerosas veces quién era el compañero que se encontraba manipulando al otro lado. El estilo de cada radiotelegrafista es como su “voz”, y aunque el lenguaje es el mismo (el código utilizado) la forma de expresarlo es único y exclusivo.

Hoy en día el código Morse no resulta útil para las comunicaciones ordinarias, y sólo es objeto de curiosidad, pero numerosos radioaficionados lo siguen utilizando, y lo aprenden y practican como algo que debe conservarse, de la misma forma que se conservan lenguas minoritarias por su interés histórico o cultural de un pueblo o una época.

(véase el artículo: “Una práctica emisora de bolsillo” aquí–>
www.natureduca.com/radioblog/?p=97, sobre introducción al oscilador electrónico)

El Tecnotrón

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