Modulación AM en MATLAB

Código en Matlab para Señal de Amplitud Modulada  

Introducción

Las señales de información deben ser transportadas entre un transmisor y un receptor sobre alguna forma de medio de transmisión. Sin embargo, las señales de información pocas veces encuentran una forma adecuada para la transmisión. la modulación se define como el proceso de transformar información de su forma original a una forma más adecuada para la transmisión. Demodulación es el proceso inverso. La modulación se realiza en el transmisor en un circuito llamado modulador.

Modulación de Amplitud

Modulación de amplitud (AM es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la señal modulante (información). Las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente por una antena y propagase por el espacio libre se llaman comúnmente radiofrecuencias o simplemente RF. Con la modulación de amplitud, la información se imprime sobre la portadora en la forma de cambios de amplitud.

La modulación de amplitud es una forma de modulación relativamente barata y de baja calidad de modulación que se utiliza en la radiodifusión de señales de audio y vídeo. La banda de radiodifusión comercial AM abarca desde 535 a 1605 kHz. La radiodifusión comercial de tv se divide en tres bandas (dos de VHF y una de UHF).

Los canales de la banda 1 entre 2 y 6 (54 a 88 MHz), los canales de banda alta de VHF son entre 7 MHz) y los canales de UHF son entre 14 a 83 (470 a 890 MHZ). La modulación de amplitud también se usa para las comunicaciones de radio móvil de dos sentidos tal como una radio de banda civil (CB) (26.965 a 27.405 MHz).

Un modulador AM es un aparato no lineal con dos señales de entrada de información: una señal portadora de amplitud constante y de frecuencia sencilla, y la señal de información. La información actúa sobre o modula la portadora y puede ser una forma de onda de frecuencia simple o compleja compuesta de muchas frecuencias que fueron originadas de una o más fuentes. Debido a que la información actúa sobre la portadora, se le llama señal modulante. La resultante se llama onda modulada o señal modulada.

La envolvente de AM

Varias formas o variaciones de modulación de amplitud son posibles de generar. Aunque matemáticamente no es la forma más sencilla, la portadora de AM de doble banda lateral (AM DSBFC) se discutirá primero, puesto que probablemente sea la forma más utilizada de la modulación de amplitud.

AM DSBFC se le llama algunas veces como AM convencional. La onda modulada de salida contiene todas las frecuencias que componen la señal AM y se utilizan para llevar la información a través del sistema. Por lo tanto, a la forma de la onda modulada se le llama la envolvente. Sin señal modulante, la onda de salida simplemente es la señal portadora amplificada. Cuando se aplica una señal modulante, la amplitud de la onda de salida varía de acuerdo a la señal modulante.

Observe que la forma de la envolvente de AM es idéntica a la forma de la señal modulante. Además el tiempo de un ciclo de la envolvente es el mismo que el periodo de la señal modulante. Consecuentemente, la relación de repetición de la envolvente es igual a la frecuencia de la señal modulante. Espectro de frecuencia de AM y ancho de banda Como se estableció anteriormente, un modulador AM en un dispositivo no lineal, Por lo lo tanto, ocurre una mezcla no lineal y la envolvente de salida es una onda compleja compuesta de un voltaje de cd, la frecuencia portadora y las frecuencia de suma y diferencia (es decir, los productos cruzados).

La suma y diferencia de frecuencias son desplazadas de la frecuencia portadora por una cantidad igual a la frecuencia de la señal modulante. Por lo tanto, una envolvente de AM contiene componentes en frecuencia espaciados por fm Hz en cualquiera de los lados de la portadora. Sin embargo, debe observarse que la onda modulada no contiene un componente de frecuencia que sea igual a la frecuencia de la señal modulante. El efecto de la modulación es trasladar la señal de modulante en el dominio de la frecuencia para reflejarse simétricamente alrededor de la frecuencia del conducto.

Recepción de AM

La recepción de AM es el proceso inverso de la transmisión de AM. Un receptor de AM convencional, simplemente convierte una onda de amplitud modulada nuevamente a la fuente original de información (o sea, demodular la onda AM). Cuando se demodula una onda AM, la portadora y la porción de la envolvente que lleva la información (o sea, las bandas laterales) se convierten (se "bajan ") o se trasladan del espectro de radio frecuencia a la fuente original de información.

El propósito de este capitulo es describir el proceso de demodulación de AM y mostrar varias configuraciones del receptor para poder realizar este proceso. Un receptor debe ser capaz de recibir, amplificar, y demodular una señal de RF. Un receptor también debe ser capaz de limitar las bandas del espectro Total de radio frecuencias a un banda específica de frecuencias.

En muchas aplicaciones el receptor debe de ser capaz de cambiar el rango (banda) de frecuencia que es capaz de recibir. A este proceso se le llama sintonizar el receptor. Una vez que una señal de RF se recibe, se amplifica, y se limitan las bandas, deberá convertirse a la fuente original de información. A este proceso se le llama demodulación. Una vez demodulada, la información podría requerir de mayor limitación de las bandas y una amplificación, antes de considerarse lista para usar.

Para entender completamente el proceso de demodulación, primero es necesario tener una comprensión básica de la terminología utilizada para describir las características de los receptores y de los circuitos del receptor. La figura siguiente muestra un diagrama a bloques simplificado de un típico receptor de AM. La sección de RF es la primera etapa y, por lo tanto, frecuentemente se llama la parte frontal.

Las funciones principales de la sección de RF son: detectar, limitar las bandas y amplificar las señales RF recibidas . En esencia, la sección de RF establece el umbral del receptor (o sea, el nivel mínimo para la señal de RF que el receptor puede detectar y demodular a una señal de información útil).

La sección de RF abarca uno o más de los siguientes circuitos: antena, red de acoplamiento de la antena , filtro ( preselector ), y uno o más amplificadores de RF. La sección de mezclador / convertidor reduce las frecuencias de RF recibidas a frecuencias intermedias (IF). La sección de IF generalmente incluye varios amplificadores en cascada y los filtros pasa-bandas. Las funciones principales de la sección de IF son la amplificación y selectividad. El detector de AM demodula la onda de AM y recupera la información de la fuente original. La sección de audio simplemente amplifica la información recuperada a un nivel utilizable.

Receptor Superheterodino

Detector de Picos

La función de un detector de AM es demodular la señal de AM, recuperar y reproducir la información de la fuente original. Y debe tener las mismas características relativas de amplitud. Detector de Picos La siguiente figura muestra un diagrama esquemático para un demodulador de AM sencillo no coherente, que se llama comúnmente detector de picos.

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Debido a que el diodo es un dispositivo no lineal, ocurre una mezcla no lineal en D1 cuando dos o más señales se aplican a su entrada. Por lo tanto, la salida contiene las frecuencias de entrada originales, sus armónicas, y sus productos cruzados.

Esencialmente, la diferencia entre un modulador de AM y un demodulador de AM es que la salida de un modulador se sintoniza con las frecuencias de suma (convertidor de altas frecuencias), mientras que la salida de un demodulador se sintoniza a las frecuencias de diferencia (convertidor de baja frecuencia).

El circuito demodulador mostrado en la figura 1 se le llama común mente detector de diodos puesto que el dispositivo no lineal es un diodo, o un detector de picos, porque detecta los picos de la envolvente de entrada, o un detector de envolvente o de figura porque detecta la figura de la envolvente de entrada.

Esencialmente, la señal de la portadora captura el diodo y lo obliga a activarse y desactivarse (rectificar) sincrónicamente (tanto frecuencia como fase). Así las frecuencias laterales se mezclan con la portadora, y se recuperan las señales de banda base original. La red RC que sigue al diodo en un detector de picos es un filtro de pasa - bajas.

La pendiente de la envolvente depende tanto de la frecuencia de la señal modulante como del coeficiente de modulación (m). Por lo tanto, la pendiente máxima ocurre cuando la envolvente está cruzando su eje cero en la dirección negativa. La frecuencia de la señal modulante más alta que puede demodularse por un detector de picos sin atenuarse se da como:

en donde fm(máx) = frecuencia máxima de la señal modulante (hertz). m = coeficiente de modulación (sin unidades). RC = constante de tiempo (segundos). Para 100% de modulación, el numerador de la ecuación anterior tiende a cero, que esencialmente significa que todas las frecuencias de la señal modulante son atenuadas cuando se demodula.

Mezclado no lineal

El mezclado no lineal ocurre cuando dos o mas señales se combinan en un dispositivo no lineal tal como un diodo o amplificador de señal grande. Con el mezclado no lineal, las señales de entrada se combinan de una manera no lineal y producen componentes de frecuencias adicionales.

Desventajas

Como un medio para transmitir información, la modulación de amplitud tiene muchas ventajas; sin embargo, también presenta algunas desventajas que, en ciertas condiciones, limitan su utilidad y obligan a buscar otras formas de modulación. La desventaja principal de la modulación de amplitud estriba en que la afectan fácilmente diversos fenómenos atmosféricos (estática), señales electrónicas con frecuencias parecidas y las interferencias ocasionadas por los aparatos eléctricos tales como motores y generadores.

Todos estos ruidos tienden a modular en amplitud la portadora, del mismo modo que lo hace su propia señal moduladora. Por lo tanto se convierten en parte de la señal modulada y subsisten en ella durante todo el proceso de demodulación. Después de la demodulación se manifiestan como ruido o distorsión, que si es bastante fuerte, puede sobreponerse a toda la información y hacer completamente inaprovechable la señal demodulada. Aun si aquellos no son tan acentuados como para tapar parte de la información, sí pueden ser extremadamente molestos.

Ruido

El ruido constituye un problema grave en todos los receptores de radio. Hay diferentes tipos de ruido, como el zumbido, un tono constante de baja frecuencia (unas dos octavas por debajo del do), producido generalmente por la frecuencia de la fuente de alimentación de corriente alterna (por lo común 60 Hz) que se superpone a la señal debido a un filtrado o un apantallamiento defectuoso; el siseo, un tono constante de alta frecuencia, y el silbido, un tono limpio de alta frecuencia producido por una oscilación involuntaria de frecuencia audio, o por un golpeteo.

Estos ruidos se pueden eliminar mediante un diseño y una construcción adecuados. Sin embargo, ciertos tipos de ruidos no se pueden eliminar. El más importante en los equipos normales de AM de baja y media frecuencias es el ruido parásito, originado por perturbaciones eléctricas en la atmósfera.

El ruido parásito puede proceder del funcionamiento de un equipo eléctrico cercano (como los motores de automóviles o aviones), pero en la mayoría de los casos proviene de los rayos y relámpagos de las tormentas. Las ondas de radio producidas por estas perturbaciones atmosféricas pueden viajar miles de kilómetros sin sufrir apenas atenuación, y, dado que en un radio de algunos miles de kilómetros respecto del receptor de radio siempre hay alguna tormenta, casi siempre aparecen ruidos parásitos.

Los ruidos parásitos afectan a los receptores FM en menor medida, ya que la amplitud de las ondas intermedias está limitada mediante circuitos especiales antes de la discriminación, lo que elimina los efectos de los ruidos parásitos. Otra fuente primaria de ruido es la agitación térmica de los electrones. En un elemento conductor a temperatura superior al cero absoluto, los electrones se mueven de forma aleatoria.

Dado que cualquier movimiento electrónico constituye una corriente eléctrica, la agitación térmica origina ruido al amplificarlo en exceso. Este tipo de ruido se puede evitar si la señal recibida desde la antena es notablemente más potente que la corriente causada por la agitación térmica; en cualquier caso, se puede reducir al mínimo mediante un diseño adecuado.

Un receptor teóricamente perfecto a temperatura ordinaria es capaz de recibir la voz de forma inteligible siempre que la potencia de la señal alcance los 4 × 10-18 W; sin embargo, en los receptores normales se precisa una potencia de señal bastante mayor.

Código:

clear all;

clc;

disp('')

disp( 'MODULACION DE AMPLITUD (AM) EN MATLAB' )

N = input( 'Digite el Numero de muestas:  ' )                  

fs = input ( 'Digite la frecuencia de muestreo:  ')             

fc = input('Digite la frecuencia de la portadora:  ')                    

fm = input('Digite la frecuencia de la moduladora (informacion):  ')      

Ec = input('Digite el valor de la amplitud de la portadora:  ')                      

Em = input('Digite el valor de la amplitud de la Moduladora (informacion):  ')     

t = (0:N-1)/fs;

%      Modulacion de Amplitud

Eca = Ec*cos(2*pi*fc*t);

Emoduladora = Ec*cos(2*pi*fm*t);

A = Ec + Emoduladora;        % Creacion de la envolvente

m = A.*[cos(2*pi*fc*t)];     % Modulacion

Mf = 2/N*abs(fft(m,N));      % Espectro mediante fft

f = fs*(0:N/2)/N;            % Analisis del espectro

close all;

figure('Name','Portadora, Modulada, Amplitud modulada');

subplot(2,2,1); plot(t(1:N/10),Emoduladora(1:N/10));

title('Señal moduladora'), grid on, 

xlabel('Tiempo'), ylabel('Señal mopduladora(t)');

subplot(2,2,2); plot(t(1:N/10),Eca(1:N/10));

title('Señal Portadora'), grid on, xlabel('Tiempo'),

ylabel('Señal Portadora(t)');

subplot(2,2,3:4); plot(t(1:N/10),m(1:N/10),t(1:N/10),A(1:N/10),'r',t(1:N/10),-A(1:N/10),'r');

title('Señal modulada  AM' ), grid on, 

xlabel('Tiempo'), ylabel('Señal modulada(t)');