Frecuencia Modulada (FM)

Frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia. Esto contrasta con la amplitud modulada (AM), donde la amplitud de la onda varía mientras que su frecuencia permanece constante.

Una señal moduladora (la primera) puede transmitirse modulando una onda portadora en AM (la segunda) o FM (la tercera), entre otras.

Véase también: Síntesis por modulación de frecuencias

Principios de la FM

En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Los datos digitales pueden ser enviados mediante el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación conocida como FSK (Frequency-Shift Keying).

Aplicaciones de la FM

La FM se usa comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia (VHF) para la alta fidelidad de la radiodifusión de música y habla (véase Radio FM). El sonido de la televisión analógica también se difunde 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 (Wide-FM). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (Narrow-FM) se utiliza para ahorrar ancho de banda. Además, se utiliza para enviar señales al espacio.

La FM también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los sistemas de vídeo analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la señal de vídeo. Es el único método factible para la grabación y recuperación de video de cinta magnética sin distorsión extrema, debido a la gran variedad de componentes de frecuencia de las señales de vídeo (de unos pocos hercios a varios megahercios).

Dentro de los avances más importantes en comunicaciones, el mejoramiento de un sistema de transmisión y recepción en características como la relación señal-ruido es crucial. El paso de AM a FM representa un avance significativo, no solo en el mejoramiento de la relación señal-ruido, sino también en la mayor resistencia al desvanecimiento y a la interferencia.

La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias de audio para sintetizar sonido. Esta 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.

Aplicaciones en radio

En la radio, 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. La FM también permite transmitir señales estereofónicas. Otras aplicaciones incluyen la televisión (como sub-portadora de sonido), micrófonos inalámbricos y ayudas a la navegación aérea.

Un ejemplo de modulación de frecuencia. El diagrama superior muestra la señal moduladora superpuesta a la onda portadora. El diagrama inferior muestra la señal modulada resultante.

Edwin Armstrong presentó su estudio: «Un Método de Reducción de Molestias en la Radio Mediante un Sistema de Modulación de Frecuencia», que describió por primera vez la FM, ante la sección neoyorquina del Instituto de Ingenieros de Radio el 6 de noviembre de 1935. El estudio fue publicado en 1936.

La FM de onda larga (W-FM) requiere un mayor ancho de banda que la AM para una señal moduladora equivalente, pero hace a la señal más resistente al ruido y la interferencia. Es también más resistente al desvanecimiento. Por estas razones, la FM fue escogida como el estándar para la transmisión de radio de alta fidelidad, resultando en el término «Radio FM» (aunque por muchos años la BBC la llamó «Radio VHF»).

Los receptores de radio FM emplean un detector para señales FM y exhiben un fenómeno llamado efecto de captura, donde el sintonizador recibe la señal más fuerte. Sin embargo, la desviación de frecuencia o la falta de selectividad puede causar que una estación sea repentinamente tomada por otra en un canal adyacente.

Una señal FM también puede transportar una señal estereofónica (vea FM estéreo). Esto se hace mediante el uso de multiplexación y demultiplexación antes y después del proceso de FM. Se compone una señal moduladora con la suma de los dos canales (izquierdo y derecho), y se añade un tono piloto a 19 kHz. Se modula una señal diferencia de ambos canales a 38 kHz en doble banda lateral, y se añade a la moduladora anterior. Esto permite compatibilidad con receptores antiguos y simplifica la implementación del demodulador.

Una amplificación de conmutación de alta eficiencia puede usarse para transmitir señales FM (y otras señales de amplitud constante). Para una fuerza de señal dada, los amplificadores de conmutación utilizan menos potencia y cuestan menos que un amplificador lineal. Esto le da a la FM otra ventaja sobre otros esquemas de modulación que requieren amplificadores lineales, como la AM y la QAM.

Otras aplicaciones de la FM

Además de la radiodifusión FM (87-108 MHz, separación entre canales de 200 kHz, desviación de frecuencia Δf=75 kHz), la FM se utiliza en:

• Televisión: Subportadora de sonido (el sonido NICAM es digital), SECAM (modulación de la información de color en FM).
• Micrófonos inalámbricos: Debido a su mayor insensibilidad a las interferencias.
• Ayudas a la navegación aérea: Sistemas como el DVOR (VOR Doppler).

Modulador y Demodulador de FM

Modulador de FM

La modulación de una portadora en FM es un problema delicado debido a la necesidad de estabilidad de frecuencia y variación de frecuencia por la señal moduladora. Se utilizan varios métodos:

• Modulación del oscilador: Se añade un condensador variable (varactor) a un oscilador estable controlado por cristal. La señal de salida se lleva a multiplicadores de frecuencia para alcanzar la frecuencia deseada.
• Moduladores de fase: Un modulador de FM se puede modelar como un modulador de PM con un integrador a la entrada de la señal moduladora.
• Modulador con PLL (Phase-Locked Loop): El VCO (oscilador controlado por tensión) se compara con una frecuencia de referencia. La señal de error se filtra para ser insensible a las variaciones dentro del ancho de banda de la señal moduladora.

Demodulador de FM

Es más complejo que el de AM. Se utilizan principalmente dos métodos:

• Discriminador reactivo: Se basa en llevar la señal de FM a una reactancia (bobinas acopladas) cuya impedancia varía con la frecuencia. La señal de salida se detecta con un detector de envolvente.
• Detector con PLL: La señal del PLL proporciona la señal demodulada. A menudo se encuentran en circuitos integrados que también contienen los amplificadores de RF y frecuencia intermedia.

Ecuación Característica y Ancho de Banda

A diferencia de la AM, el ancho de banda de una señal FM se extiende indefinidamente, cancelándose solo en ciertos valores de frecuencia discretos. Cuando la señal moduladora es una sinusoide, el espectro de potencia es discreto y simétrico respecto a 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.

La regla de Carson permite determinar el ancho de banda requerido para transmitir una señal modulada en FM (o PM).

Multiplexación

Las facilidades de transmisión son caras, y los equipos terminales de datos a menudo no utilizan la capacidad total del canal. Los multiplexores solucionan este problema, repartiendo el uso del medio de transmisión en varios canales independientes que permiten accesos simultáneos a los usuarios.

En un extremo, los multiplexores reciben varias secuencias de datos de baja velocidad y las transforman en una única secuencia de datos de alta velocidad. En el otro extremo, otro multiplexor realiza la operación inversa. A esta función se la denomina demultiplexar.

Existen dos técnicas fundamentales para la multiplexación:

• División de Frecuencia (MDF)
• División en el Tiempo (MTC)

Multiplexación por División en Frecuencia (MDF)

Consiste en dividir mediante filtros el espectro de frecuencias del canal de transmisión y desplazar la señal a transmitir dentro del margen del espectro correspondiente mediante modulaciones. Cada usuario tiene posesión exclusiva de su banda de frecuencias (subcanales).

Se emplea para usuarios telefónicos, radio y TV que requieren el uso continuo del canal. Se pueden transmitir varias señales simultáneamente si cada una se modula con una portadora de frecuencia diferente, y las frecuencias de las portadoras están suficientemente separadas para evitar interferencias. Cada subcanal se separa por bandas de guarda para prevenir interferencias por solapamiento.

La señal transmitida es analógica, aunque las señales de entrada pueden ser analógicas o digitales. En el primer caso se utilizan AM, FM y PM. En el caso de señales digitales se utilizan ASK, FSK, PSK y DPSK.

La MDF presenta cierto grado de normalización. Una norma de gran uso es la correspondiente a 12 canales de voz, cada uno de 4.000 Hz (3.100 para el usuario y el resto para la banda de guarda) multiplexado en la banda de 60-108 kHz (grupo). Se pueden multiplexar cinco grupos (60 canales de voz) para formar un supergrupo.

Multiplexación por División en el Tiempo (MTC)

Consiste en asignar a cada usuario, durante unas determinadas «ranuras de tiempo», la totalidad del ancho de banda disponible. Esto se logra organizando el mensaje de salida en unidades de información llamadas tramas, y asignando intervalos de tiempo fijos dentro de la trama a cada canal de entrada.

Se utiliza cuando la tasa de datos del medio de transmisión excede la tasa de las señales digitales a transmitir. El multiplexor por división en el tiempo muestrea cíclicamente las señales de entrada de los diferentes usuarios, y transmite las tramas a través de una única línea de comunicación de alta velocidad.

Los MTC funcionan a nivel de bit o a nivel de carácter. El muestreo debe ser lo suficientemente rápido para que cada buffer sea vaciado antes de que lleguen nuevos datos.

Los sistemas MIC (sistemas de codificación digital) utilizan MTC. El UIT/UIT recomienda, como primer escalón de la jerarquía de multiplexación por división en el tiempo, 24 o 32 canales telefónicos.

Multiplexación Estadística

En situaciones reales, ningún canal de comunicaciones permanece continuamente transmitiendo. La multiplexación estadística transmite los datos de aquellos canales que, en cada instante, tengan información para transmitir.

Los multiplexores MTC estadísticos (MDTE) asignan dinámicamente los intervalos de tiempo entre los terminales activos. El funcionamiento permite que la suma de las velocidades de los canales de entrada supere la velocidad del canal de salida.

Multiplexaciones de Canales (TDMA, FDMA, CDMA)

La multiplexación de canales permite enviar varios canales por un mismo medio físico. Los tipos de multiplexación son:

• TDMA (Time Division Multiplex Access): Multiplexación por tiempo. Se asigna una duración temporal a cada canal.
• FDMA (Frequency Division Multiplex Access): Multiplexación por división en frecuencia. Se envían los canales en bandas de frecuencias distintas.
• CDMA (Code Division Multiplex Access): Multiplexación por división en código. Se utilizan distintas codificaciones para cada canal, compartiendo tiempo y frecuencia simultáneamente.

CDMA

CDMA significa «Acceso Múltiple por División de Código». En los sistemas CDMA todos los usuarios transmiten en el mismo ancho de banda simultáneamente. Usa códigos matemáticos para transmitir y distinguir entre conversaciones inalámbricas múltiples. Los códigos tienen valores pequeños de correlación y son únicos para cada usuario.

• Resiste la interferencia.
• Elimina o atenúa el efecto de la propagación multicamino.
• Puede compartir la misma banda de frecuencia con otros usuarios.
• Operación limitada de interferencia.
• Privacidad.
• Posibilidad de acceso aleatorio.
• Reducción de la potencia de transmisión.

CDMA se basa en la separación del espectro. Los usuarios comparten la misma banda de frecuencia y cada señal es identificada por un código especial. La señal recibida es la suma de todas las señales, y cada receptor debe clasificar e identificar las señales que le corresponden.

TDMA

TDMA («Time Division Multiple Access») es común en los sistemas de telefonía fija. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema temporal. En sistemas celulares, TDMA implica el uso de técnicas de compresión de voz digitales, que permite a múltiples usuarios compartir un canal común utilizando un orden temporal.

FDMA

FDMA («Frequency Division Multiple Access») es la manera más común de acceso truncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canales ordenados en el dominio de la frecuencia.

Spread Spectrum

Un sistema spread spectrum es aquel en el cual la señal transmitida es propagada en una banda de frecuencia amplia, mucho más de hecho, que el mínimo ancho de banda requerido para transmitir la información que será enviada.

• Sistemas de Secuencia Directa: Un portador de banda estrecha es modulado por una secuencia de código.
• Sistemas de Salto de Frecuencia: La frecuencia del portador del transmisor cambia abruptamente de acuerdo a una secuencia de código pseudoaleatoria.
• Sistemas de Salto con Tiempo: El periodo y el ciclo de un portador de pulso RF son variados de una forma pseudoaleatoria.
• Sistemas de Pulso FM (chirrido): El portador RF es modulado con una secuencia de periodo y ciclo fijos.
• Sistemas Híbridos: Usan una combinación de métodos spread spectrum.

¿Por qué usar Spread Spectrum?

• Ventajas: Resiste interferencias, elimina o alivia el efecto de interferencias de múltiples formas, puede compartir la misma banda de frecuencia, privacidad.
• Inconvenientes: Ancho de banda ineficiente, implementación compleja.

Otras propiedades incluyen direccionamiento selectivo y multiplexión por división de código (CDMA), baja probabilidad de intercepción (LPI) y antiinterferencias.

LMDS (Local Multipoint Distribution Service)

LMDS es una tecnología que utiliza el aire como medio de transmisión de una señal telefónica. Ofrece mayores velocidades de conexión y capacidades superiores a otras tecnologías. Incluye la transmisión de voz, datos y vídeo.

¿Cómo funciona?

Utiliza cuatro componentes: un módulo externo (antena y amplificador), una unidad interna (procesamiento de datos), radiobases (instaladas en lugares estratégicos) y un sistema de gestión (central de gestión y monitoreo).

¿Qué se espera de la tecnología LMDS?

Se espera que ofrezca un nivel de calidad y velocidad superior a los esquemas conocidos (telefonía tradicional y celular), especialmente para el segmento PyME y SOHO.

Figura 1: La telefonía inalámbrica LMDS es un servicio de banda ancha a través de ondas de radio que permite llevar todo tipo de llamadas hasta los hogares

Los sistemas fijos de acceso radio punto a multipunto constituyen una forma rápida y flexible para proporcionar servicios digitales de banda ancha. Entre las distintas soluciones de acceso inalámbrico destacan los sistemas FWA (Fixed Wireless Access) y LMDS/MVDS (Local Multipoint Distribution Service / Microwave Video Distribution System).

A la hora de realizar la planificación y despliegue de un sistema inalámbrico punto a multipunto existen varios factores que deben tenerse en cuenta: zona geográfica y orografía del terreno, densidad de abonados y consumo de tráfico, calidad de servicio requerida, balance de potencias del enlace radio, tamaño y número de celdas, emplazamiento de estaciones base, reutilización de frecuencias, coste del sistema, etc.

Figura 2: Curvas de BER para una modulación 64QAM y varios niveles de CIR.

Figura 3: Curvas de BER para una modulación 64QAM y varios niveles de CIR.

Figura 4: Planificación celular con cuatro frecuencias, dos polarizaciones y sectores de 90/30 grados.

Cálculo de Ancho de Banda

¿En qué se mide una transmisión?

La transmisión (streaming) se calcula en kilobits por segundo (kbps). Para convertir kilobits por segundo a kilobytes por segundo, se divide los kilobits entre 8.

¿Cómo calculo el ancho de banda y el consumo de gigabytes?

Se debe convertir la tasa de transferencia deseada (kbps) a kilobytes por segundo (dividiendo entre 8), luego a kilobytes por minuto (multiplicando por 60), a kilobytes por hora (multiplicando por 60), y finalmente a megabytes por hora (dividiendo entre 1000).

Ejemplo para transmitir audio

Transmisión a 20 kbps: 1 GB proporciona 111 horas de recepción.

Ejemplo para transmitir video

Video a 300 kbps, 50 usuarios, 1 hora diaria durante 30 días: 202.5 GB de ancho de banda.

Cómo calcular el ancho de banda necesario

Para calcular el ancho de banda bruto, se deben considerar tres escenarios: promedio, máximo y pico (situaciones excepcionales).

Forma fácil (poco precisa): Multiplicar el tráfico promedio diario por 2.5 o 3.

Forma más compleja: Calcular la media de peso de cada página (con imágenes) y el número de páginas vistas.

Cálculo de ancho de banda necesario para una empresa

La determinación de la velocidad de enlace a Internet que requieren los usuarios de una empresa es una tarea compleja. Se debe partir de un análisis detallado de los requerimientos de servicios y aplicaciones.

La falacia de los proveedores de servicio de Internet (ISP): La velocidad que ofrecen los ISP es la velocidad de conexión punto a punto, sin considerar la cantidad de clientes que atienden ni su velocidad de conexión con otros proveedores.

Optimización del ancho de banda: Se pueden utilizar técnicas como servidores cache de Internet para optimizar la velocidad de la conexión.

Conmutación de paquetes y control de transmisión de datos: Internet trabaja partiendo la información en paquetes y enviándolos por distintos caminos. Se utilizan técnicas para manejar la pérdida o distorsión de paquetes.

Telefonía IP: El uso de la telefonía sobre Internet permite abaratar costos a las empresas en cuanto a comunicaciones de voz se refiere.

Aplicaciones futuras: Se debe considerar el crecimiento de la demanda de Internet y las aplicaciones futuras.

Enlaces redundantes: Se deben considerar enlaces redundantes para asegurar la comunicación.

Conclusiones: La determinación del ancho de banda necesario para una empresa requiere un análisis detallado de las aplicaciones, servicios, crecimiento de la demanda y los ISP.