Modulación en Frecuencia

La modulación en frecuencia consiste en variar la frecuencia de la portadora 

proporcionalmente a la frecuencia de la onda moduladora (información), permaneciendo constante su amplitud. A diferencia de la AM, la modulación en frecuencia crea un conjunto de complejas bandas laterales cuya profundidad (extensión) dependerá de la amplitud de la onda moduladora.  La principal consecuencia de la modulación en frecuencia es una mayor calidad de reproducción como resultado de su casi inmunidad hacia las interferencias eléctricas. En consecuencia, es un sistema adecuado para la emisión de programas de alta fidelidad.

    Frecuencia modulada (FM)

Es el proceso de codificar información, la cual puede estar tanto en forma digital como analógica, en una onda portadora mediante la variación de su frecuencia instantánea de acuerdo con la señal de entrada. El uso más típico de este tipo de modulación es la radiodifusión en FM.

La modulación de frecuencia requiere un ancho de banda mayor que la modulación de amplitud para una señal modulante equivalente, sin embargo este hecho hace a la señal modulada en frecuencia más resistente a las interferencias. La modulación de frecuencia también es más robusta ante fenómenos de desvanecimiento de amplitud de la señal recibida. Es por ello que la FM fue elegida como la norma de modulación para las transmisiones radiofónicas de alta fidelidad.

 La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla.

El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión FM es generalmente llamado amplia-FM o W-FM (de las siglas en inglés "Wide-FM"). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (de las siglas en inglés "Narrow-FM") es utilizada para ahorrar ancho de banda. Además, se utiliza para enviar señales al espacio.

Dentro de los avances más importantes que se presentan en las comunicaciones, la mejora de un sistema de transmisión y recepción en características como la relación señal – ruido, sin duda es uno de los más importantes, pues permite una mayor seguridad en las mismas. Es así como el paso de Modulación en Amplitud (A.M.), a la Modulación en Frecuencia (F.M.), establece un importante avance no solo en el mejoramiento que presenta la relación señal ruido, sino también en la mayor resistencia al efecto del desvanecimiento y a la interferencia, tan comunes en A.M.

          

Señal Moduladora(Datos)

Señal Portadora

Señal Modulada

Características Principales:

1.- Mayor insensibilidad al ruido

2.- Mayor Calidad de Sonido

3.- Ocupa más Ancho de banda que la AM

4.- Toda le energía que transmite la FM contiene información

5.- Los Circuitos de modulación y demodulación son más complejos en AM.

6.- Se generan más armónicos que en Am por lo que las frecuencias utilizadas han de ser superiores (MHZ)

7.- Se propaga por onda Directa

8.- El espectro es simétrico respecto a la portadora

Aplicaciones

La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias de audio para sintetizar sonido. Está técnica, conocida como síntesis FM, fue popularizada a principios de los sintetizadores digitales y se convirtió en una característica estándar para varias generaciones de tarjetas de sonido de computadoras personales.

Dentro de las aplicaciones de F.M. se encuentra la radio, en donde los receptores emplean un detector de FM y el sintonizador es capaz de recibir la señal más fuerte de las que transmiten en la misma frecuencia. Otra de las características que presenta F.M., es la de poder transmitir señales estereofónicas, y entre otras de sus aplicaciones se encuentran la televisión, como sub-portadora de sonido; en micrófonos inalámbricos; y como ayuda en navegación aérea.

Ancho de banda 

Al contrario que en el caso de Amplitud Modulada, que se concentra en la frecuencia portadora y dos bandas laterales, el ancho de banda de una señal de FM se extiende indefinidamente teniendo como una amplitud estándar o de rango de transferencia de 58kHz con 6 canales de transferencia, cancelándose solamente en ciertos valores de frecuencia discretos. Cuando la señal moduladora es una sinusoide el espectro de potencia que se tiene es discreto y simétrico respecto de la frecuencia de la portadora, la contribución de cada frecuencia al espectro de la señal modulada tiene que ver con las funciones de Bessel de primera especie Jn. A través de la regla de Carson es posible determinar el ancho de banda que se requiere para transmitir una señal modulada en FM (o PM). Mientras que la frecuencia AM contiene una amplitud del espectro de transferencia 38kHz y un ancho de banda de 56KB/s conteniendo 5 canales de transferencia. 

Ventajas de la Modulación de Frecuencia sobre la de Amplitud

• Mayor calidad de reproducción como resultado de su casi inmunidad hacia las interferencias eléctrica. En consecuencia, es un sistema adecuado para la emisión de programas (música) de alta fidelidad.
• Necesitan una potencia de modulación mucho menor que las de amplitud.
• Las señales moduladas en frecuencia son mucho menos afectadas por los ruidos y señales externas
• Aumento en el ancho de banda de las señales moduladas en frecuencia.

¿Por qué las señales moduladas en frecuencia son mucho menos afectadas por los ruidos y señales externas?

Dichas perturbaciones afectan a la amplitud de la onda produciendo una modulación adicional en amplitud, en el caso de las modulaciones en frecuencia como la amplitud debe ser constante es bastante fácil de filtrar en el receptor la modificación de la amplitud; sin embargo, en la modulación en amplitud se confunde con la modulación de la propia onda y puede dificultar en gran medida a la hora de demodular la información ya que se puede confundir la modulación producida por la información y la producida por el ruido. 

Frecuencia instantánea

La frecuencia instantánea es la frecuencia precisa de la portadora, en un instante de tiempo, y se define como la primera derivada con respecto al tiempo de la fase instantánea esto resulta como:

La modulación de frecuencia es la modulación angular en la cual, la desviación de la frecuencia Instantánea q´ (t), es proporcional al voltaje de la señal modulante.

Para una señal modulante Vm(t) la modulación en frecuencia es:

Modulación en frecuencia = q´(t)= K1vm(t)rad/seg

Donde K1 es constante y es la sensibilidad de desviación del modulador de frecuencia .La sensibilidad de desviación son las funciones de transferencia de salida contra entrada para el modulador. La sensibilidad de desviación para un modulador de frecuencia es:

K1= radianes /segundo /volt o radianes/volt-segundo

Para la modulación de frecuencia:

Demodulación de FM

La red más simple para la demodulación de FM consiste en un diferenciador ideal seguido de un detector de envolvente. Bajo la suposición de que la entrada al diferenciador es una onda de FM de amplitud constante (en caso contrario se utiliza un limitador pasabanda) su salida es una onda modulada en amplitud y frecuencia.

Como la envolvente de la señal modulada es siempre mayor su detección se puede realizar por detección de envolvente. Para realizar la diferenciación se puede utilizar un simple amplificador operacional diferenciador o un simple circuito sintonizado. Cuya respuesta en los lados de la frecuencia de resonancia es aproximadamente lineal.