Modulación de Amplitud, Frecuencia y Fase

Articulo leído en el programa Colombiano para radioaficionados el domingo 8 de Nobiembre 2015.

Transmisiones de radio consiste en usar una onda electromagnética de una frecuencia dada que se llama portadora a la cual se introduce una información mediante un proceso que se llama modulación. En los receptores de radio recibe la onda portadora y  extraen la información mediante el proceso de demodulación que es el proceso opuesto a la modulación.

Una onda portadora es una ondulación que tiene tres parámetros amplitud, frecuencia y fase.

La amplitud es la magnitud de potencia que tiene en cada instante la onda portadora. Si trabajamos siempre sobre una resistencia especifica entonces el voltaje o la corriente siempre será proporcional a la corriente y por consiguiente la amplitud puede ser medida en potencia en vatios o voltaje o corriente en amperios.

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La frecuencia es el número de veces que la onda cambia en la unidad de tiempo. El segundo es la unidad de tiempo generalmente usada. Como en radio el cambio son muy frecuente entonces usamos múltiplos de mil ciclos por segundo llamado kilohertzio o un millón de ciclos llamados mega Hertz o mil millones de ciclos por segundos llamados Giga Hertz.

El parámetro de fase es más difícil de explicar. La amplitud y la frecuencia son valores implícitos en una señal oscilante como es las ondas de radio, en cambio la fase es un valor relativo a otra oscilación. Cuando tenemos dos señales exactamente en la misma frecuencia  y el valor instantáneo de la amplitud en todo tiempo es el mismo, entonces decimos que las dos señales están en fase o que el valor de la fase es cero. Pero si las dos señales de la misma frecuencia mantienen amplitudes instantáneas diferentes entonces las señales están desfasadas o la fase es diferente de cero.

Una oscilación se puede asimilar a una rueda que está girando. Un giro corresponde a un ciclo y el número de giros por segundo es equivalente al número de ciclos por segundo que corresponde a la frecuencia.  Si ponemos un punto de referencia sobre la rueda, al girar el punto describirá una línea ondulante similar a la que tiene la forma de onda de una frecuencia de radio y que es conocida en matemáticas como onda sinusoidal. Si disponemos de dos puntos en la misma rueda, los dos puntos oscilaran en la misma frecuencia pero un punto alcanza un valor antes que el otro por lo tanto decimos que los puntos no están en fase. La diferencia angular de los dos puntos corresponde al valor de fase. Como los ángulos de un círculo completo se miden en grados de 0 a 360 grados entonces las fases pueden tener un valor de 0 a 360 grados.

Si la fase fuera 360 grados seria equivalente a estar en fase. Si la fase fuera de 180 grados las dos señales tendrían direcciones siempre opuestas, es decir cuando una señal tiene magnitud positiva la otra señal tendría magnitud negativa y viceversa.

En el caso de generación de energía eléctrica por medio de dinamos se usa una bobina que se hace girar entre un campo magnético. Al girar la bobina se genera una corriente alterna de una frecuencia igual al número de giros que hace el dinamo por segundo. En la producción industrial de electricidad los dinamos se construyen con tres bobinas separadas mecánicamente 120 grados por razones de simetría. (3 x 120 = 360). Al girar el dinamo cada bobina genera corriente alterna a la frecuencia de giro del dinamo (en nuestro país 60 ciclos por segundo) pero cada bobina produce una corriente desfasada de la otras bobinas en 120 grados. Esta forma de generar corriente se llama corriente trifásica, es decir de tres fases.

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Volviendo al tema de la modulación, es decir introducir una información en una onda portadora podemos decir que la modulación puede ser hecha cambiando uno o varios de sus tres parámetros: amplitud, frecuencia o fase.   Si modulamos la amplitud entonces tenemos amplitud modulada abreviada AM, si variamos la frecuencia entonces es frecuencia modulada abreviada FM y en caso de variar la fase la llamaríamos modulación de fase. Como en ingles fase se escribe como PHASE la abreviación conocida es PM.

Si los parámetros amplitud frecuencia y fase se cambia continuamente siguiendo una forma idéntica a la señal que esta modulado entonces decimos que la modulación es analogía.

La  voz que es analógica es usada para modular ondas de radio generalmente AM y FM, la modulación de fase o PM casi nunca se usa por algunas consideraciones prácticas.

Fuera de la voz hay otra forma de transmitir información como datos pero esta se maneja de manera binaria, es decir que se codifica en solo dos valores posibles: cero o uno, señal no señal, prendido apagado, etc. En oposición a señal analógica, cuando transmitimos informaciones binarias decimos que tenemos señales de valores discretos.

Si los valores discretos son solo dos: cero y uno, entonces podemos modular una portadora en amplitud simplemente emitiendo portadora para los unos y no emitiendo portadora para los ceros. Para el caso de modulación en frecuencia usaríamos una frecuencia portadora para indicar un uno y otra frecuencia portadora (general muy cerca las dos frecuencias) como un cero.

Par el caso de modulación de fase podemos tener un circuito inversor a la salida. Si emitimos la señal sin el inversor entonces emitimos una señal de fase como un cero. Si conectamos el inversor entonces la salida será de polaridad opuesta equivalente a una señal de fase 180 grados y seria nuestro “uno”.  El circuito resulta fácil de implementar y esto hace muy atractiva la modulación de fase para transmitir información binaria.

En la literatura sobre comunicaciones, cuando se habla de cambio de un parámetro entre valores discretos se habla de un “deslizamiento” que corresponde a la palabra en ingles de “shift”. Una información que maneja solo dos valores discretos o binarios es, paradójicamente,  la telegrafía. El instrumento para transmitir telegrafía se llama “manipulador” en español pero en ingles lo llaman “key” que significa llave. La acción de usar el manipulador seria “manipulación” pero si usáramos la palabra llave no tendríamos una palabra y nos tocaría inventándola algo así como “llaviando”, pero en ingles eso lo llaman Keying, problemas del español, pero en las traducciones oficiales “keying pasa al español como “modulación”.

Ahora bien, si nosotros transmitimos información binaria usando cambios de amplitud el método se llama en ingles Amplitud Shift Keying y se abrevia ASK y se traduce como Modulación por Desplazamiento de Amplitud.

Si el cambio es en frecuencia se llama Frequency Shift Keying abreviado FSK y si fuera por fase seria PSK.

En resumen, en transmisiones analógicas tenemos modulaciones AM, FM y PM pero si la transmisión es binaria entonces las formas de modular son ASK, FSK y PSK.

A propósito, el termino PSK nos trae a la memoria PSK31 que es el modo más popular en estos momentos en lo que los aficionados llamamos “modos digitales”. En efecto PSK31 es un modo de transmisión que utiliza PSK, es decir Phase Shift Keying traducido como Modulación por desplazamiento de frecuencia.

PSK31 es un modo de transmisión que emula a la transmisión telegráfica (CW) pero con las ventajas de las nuevas tecnologías. Es orientada a comunicaciones teclado a teclado, es decir los dos corresponsales utilizan teclados de un PC para enviar texto.  PSK31 fue diseñado por el radioaficionado Peter Martínez G3PLX, a pesar de su apellido español es un inglés.

PSK31 ha sido diseñado para usar un PC conectado a un transceptor de radio. La modulación y demodulación se realiza en la tarjeta de sonido del PC.

La tarjeta de sonido entrega a su salida un tono o frecuencia de audio modulada en fase. Cuando el tono sale normalmente decimos que estamos en estado lógico “1” pero si invertimos su polaridad, es decir cambiamos su fase  180 grados decimos que estamos en estado “0”. El tono suministrado por la tarjeta de sonido del PC se entrega al micrófono del transmisor que está preparado para modulación SSB, más exactamente USB. Como estamos usando un tono único, el resultado del USB será también una frecuencia única que conserva la modulación PSK generada en el PC.

Como la modulación es por cambio de fase entre dos posibles valores 0 o 180 grados se dice que esta es binaria abreviada como BPSK (binaria PSK) y más exactamente BPSK31.

En transmisión de datos un cero o un uno permanece en transmisión un pequeño intervalo de tiempo. En el intervalo puede valer cero o uno y se llama un símbolo. En vez de hablar del intervalo podemos decir las veces que los símbolos cambian en un segundo. La frecuencia con que los símbolos cambian se conoce como “Baudios”

La tarjeta de sonido es en realidad un DSP preparado para manejar digitalmente señales de audio bajo control del PC. Para audio, la frecuencia normal de muestreo es de 8000 ciclos por segundo. Para BPSK31 se escogió un intervalo 8000 dividido por 256 igual 31.5 muestras por símbolo de ahí viene la denominación 31. En otras palabras decimos que PSK transmite información a una velocidad de 31.5 baudios. Esta velocidad fue escogida porque es muy equivalente a la transmisión de telegrafía a 50 palabras por minuto.

PSK31 utiliza otras características que lo hace más eficiente. Los caracteres, es decir la letra y los números se codifican binariamente con un criterio parecido a la telegrafía, los caracteres más usados tiene pocos bits para ahorrar tiempo y el paso de un carácter a otro se hace transmitiendo la secuencia de dos ceros seguidos. Esto se llama código VARICODE.

Por razones de tiempo dejamos para otro artículo tener más información técnica sobre el PSK31.

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