Hablemos de … la FM

El tema de la FM, modulación en frecuencia, lo hemos mencionado en varias notas, pero siempre de forma bastante liviana y veo que es una demanda sobre todo de los más jóvenes. La idea de esta entrada es intentar salvar esa deuda, aunque con ello seguramente terminaré decepcionando a otros puesto que los que disfrutan de ver majestuosas radios antiguas hoy se quedarán con las ganas.

Ya hablamos de su historia en esta nota, y tocamos algunos conceptos en la nota de la 7 Mares, pero hoy quiero ir a las bases de manera que podamos aplicar los conceptos a un sin número de radios.

Para empezar, vamos a intentar responder a dos preguntas comunes, ¿Cuál es la diferencia entre AM y FM? Y ¿Por qué la FM tiene mejor sonido que la AM? Por supuesto, no nos limitaremos a ello ya que hay mucho más.

Matemáticamente podemos definir una señal que varía en el tiempo de forma senoidal como:

F(t)=A Sen (wt+ ∅)

Esta ecuación nos dice que nuestra señal F(t) dependiente del tiempo t, es igual a la amplitud A multiplicada por el seno de wt+ ∅ donde w corresponde a la frecuencia y la fase respectivamente. Esta es la ecuación de una onda portadora, la señal de alta frecuencia capaz de contener si se la modula la información a transmitir.

De aquí se desprende que si queremos modular esa señal tenemos tres alternativas. Podemos variar (modular) A y entonces estaremos modulando su amplitud (AM), podremos variar w (frecuencia angular) y con ello estaremos modulando su frecuencia (FM) o podremos variar la fase y en consecuencia estaremos modulando fase (PM).

Con esta ecuación queda claro la diferencia entre AM y FM, son variaciones completamente diferentes que generan resultados bien diferentes. En palabras comunes, la AM implica “alterar” la amplitud de una señal llamada portadora a partir de una señal en banda base mientras la frecuencia se mantiene constante. Por otro lado, en FM, la amplitud es constante mientras lo que se altera es la frecuencia de la portadora a partir de la señal de banda base.

Mientras que éste ha sido un brevísimo análisis de la modulación en el dominio del tiempo, en el dominio de la frecuencia también hay cambios radicales. En el caso de AM el espectro coincide con el espectro en banda base (o señal de origen) solo que, desplazado por la frecuencia portadora, por esta razón se la llama modulación lineal.

Pero en FM, es espectro (de RF) no tiene nada que ver con la información de banda base, cosa que podemos inferir al “meter” la información dentro de una función trigonométrica en vez de multiplicando la amplitud como el caso anterior. En teoría, cuando modulamos en FM, el espectro se extiende hasta +/- infinito. Y antes que me salten al cuello, porque obviamente nadie puede sostener que una emisora de FM use un ancho de banda infinito, en la práctica, ese espectro se encuentra muy atenuado luego de los 100Khz entorno a la portadora (para el caso de las FM comerciales de banda ancha con desviación de +/- 75Khz).

Pero claramente, ese espectro ya no refleja el de banda base y no podemos hablar de una modulación lineal, por el contrario, se lo denomina modulación angular.

Déjenme aclarar antes de que alguno lo pregunte; mencioné FM comercial de banda ancha, y es que ese espectro es válido cuando la desviación de la portadora (índice de modulación) es como en el caso de la FM comercial de +/- 75Khz, a eso se lo denomina banda ancha. Pero existe del mismo modo, la modulación de FM en banda angosta (Narrow Band FM) que es utilizada frecuentemente por los radioaficionado en lo que son los canales de VHF y UHF. En ésta, no es importante un ancho de banda tan grande para mantener la fidelidad, se trata más bien de eficiencia. Recordemos que a mayor ancho de banda mayor energía es necesaria para la transmisión. El espectro de la NBFM se parece mucho a una modulación de amplitud. Pero eso es harina de otro costal por ahora.

Continuemos con nuestra conocida FM, la que va de 88Mhz a 108Mhz para estas latitudes esperando que para este momento ya haya quedado claro la diferencia con el AM en lo que a modulación respecta. Nos queda por responder el porqué de la mejor calidad de audio e inmunidad a los ruidos de la FM.

Respecto a la fidelidad del audio, eso es una consecuencia directa del ancho de banda. Un ancho de banda amplio de +/-100Khz permite contener prácticamente a todo el espectro de audio y un poco más que se usa para transmitir la información de estéreo y hasta información de RDS. Y quedémonos con eso ya que analizar cómo se compone la señal modulada de una transmisión de FM con la codificación estéreo y demás haría este articulo muy largo.

Pero, ¿y por qué la FM es más inmune a los ruidos atmosféricos?, bueno, aquí si la clave está en el tipo de modulación, o sea, en qué parte de la ecuación presentada al inicio metemos la información. Resulta que los ruidos como las descargas atmosféricas afectan la intensidad de la señal, o sea, afectan su amplitud alterando la misma en más o en menos, esto hace que si nuestra señal está modulada en amplitud estos ruidos se verán como información a demodular. Sin embargo, los ruidos no tienen la capacidad de alterar la frecuencia de nuestra señal, por lo tanto, la información útil contenida en las variaciones de frecuencia no se ve perturbada por ellos. Por otro lado, buena parte de la limitación de estos ruidos son responsabilidad de una parte del circuito receptor, el limitador, que se encarga de recortar y limitar la amplitud de la señal que no tiene ninguna información útil dentro de su amplitud.

Esto convierte a la modulación de FM en el santo grial de la radiodifusión ya que la fidelidad lograda e inmunidad a ruidos supera ampliamente la de AM. Sin embargo, eso no hizo que desbancara a la AM, por el contrario, se complementaron, y ello se debe a algo que es consecuencia indirecta de la FM.

La modulación de frecuencia, en teoría, puede ser aplicada a una portadora de cualquier frecuencia, pero, en la práctica, cuando hacemos unos números nos damos cuenta que solo sirve para frecuencias del rango de VHF o superiores ya que en frecuencias inferiores no podemos darnos el lujo de tener un ancho de banda de 200Khz por emisora. Como consecuencia de esta elección de frecuencias, empiezan a aparecer fenómenos que no están presentes en las frecuencias más bajas en torno a la propagación de las señales.

Como sabemos, las señales de HF (High Frecuency, hasta 30Mhz) tienen la particularidad de rebotar (Skip) en las capas altas ionizadas de la atmósfera. De acuerdo con su frecuencia es la altura donde rebotan. Frecuencias más bajas rebotarán más bajo en la atmósfera mientras que frecuencias más altas rebotarán en capas más altas. Aquí está la clave del porque las frecuencias de onda corta llegan desde el otro lado del mundo mientras que las AM comercial cubren menos distancia. Sin embargo, todos sabemos que una transmisión de FM difícilmente llegará más allá de los 80Km.

Y es que las frecuencias de FM comercial no rebotarán en las capas altas de la atmósfera, de hecho, saldrán de ella hacia el espacio exterior. Por lo tanto, su alcance se encuentra limitado por la curvatura de la tierra a la distancia del horizonte.

Esta es la principal desventaja de las transmisiones de VHF (porque no es justo decir que es culpa de la FM), su alcance teórico es muy inferior a las bandas de HF.

Todo muy lindo, pero ¿en qué se diferencia un receptor de FM a uno de AM?

Topológicamente no son tan distintos, en ambos casos usan el principio del superheterodino, sin embargo, y obviamente, hay diferencias más allá de las frecuencias de operación. Vamos a dejar de lado la sección de audio, porque en general son iguales tanto para AM como para FM.

La primera etapa, la de la conversión heterodina, funciona igual que en una radio de AM, salvo las frecuencias. Un oscilador local se bate con la señal de antena, que puede o no estar preamplificada con una etapa y se obtiene la frecuencia intermedia. Y aquí hay un detalle para aplaudir de pie, prácticamente todos los receptores de FM usan como valor de frecuencia intermedia 10.7Mhz. Esto es un gran logro de estandarización que reduce la variedad de componentes y especificaciones para la etapa posterior. Otro detalle de esta etapa es que el oscilador local, generalmente esta realimentado desde la etapa de demodulación con el objetivo de tener un control o estabilización de frecuencia (CAF o AFC en inglés).

Por supuesto, esta descripción se corresponde a la de una etapa conversora básica, las radios de FM de los 70 como la Zenith Royal 7000 o la Noblex 7 mares NT119 usaban esta topología. En la actualidad los receptores más avanzados (y hasta algunos baratos de calidad) utilizan un PLL para esta etapa lo que ofrece mucha más estabilidad.

El amplificador de frecuencia intermedia (FI) es, a simple vista, similar al de una radio de AM, pero sintonizado a 10.7Mhz. Y digo a simple vista porque hay un detalle que no es obvio pero importante. En AM, los transformadores inter etapas tienen una respuesta en frecuencia plana para la amplitud en un ancho de banda de 10Khz y luego caen abruptamente. Esto es así ya que necesitamos mantener lo más plana posible la amplitud dentro de la banda pasante para no deformar la misma y tener pérdida de calidad de audio. Esta etapa se comporta como un filtro pasabanda del tipo Butterworth.

Mientras que, en FM, la información relevante, el audio a demodular, no está contenido en la amplitud sino en la variación de frecuencia. Es más, limitar y recortar la amplitud de la señal de FI es algo recomendable para eliminar cualquier rastro de ruido o interferencia que se haya sumado a nuestra señal útil. Así que, lo importante en una etapa de FI de FM no es una banda pasante plana en amplitud, sino que debería ser plana en fase. O sea, tener una respuesta lineal en fase en la banda pasante para no introducir distorsión al audio a demodular, sacrificando las pendientes de corte lateral. Por lo tanto, la etapa de FI de FM se comporta como un filtro pasabanda del tipo Bessel.

Así que, aunque los transformadores de FI de AM y FM se vean iguales, su funcionamiento tiene requerimientos muy distintos más allá de la frecuencia de operación.

En los receptores más modernos, estos transformadores han sido reemplazados habitualmente por resonadores cerámicos que cumplen decentemente la función.

La gran diferencia entre ambos receptores está, obviamente, en la demodulación. Y es que mientras en AM la información útil está contenida en la amplitud y puede ser rescatada fácilmente mediante un detector de envolvente, en FM, deberemos trabajar más ya que la información está en la variación de frecuencia.

Y como es de esperar, no hay un solo método para demodular FM. Existen los detectores de cuadratura en donde la señal se invierte su fase 90 grados y se multiplica con ella misma. El resultado es una señal que contiene la información original de banda base. Este tipo de demodulador es poco usado en las radios de los 70.

Pero sin duda, en los comienzos de la FM, el demodulador más usado es el del tipo Foster-Seeley. Un filtro cuya pendiente de caída está centrada en los 10.7Mhz y por lo tanto transforma las variaciones de frecuencia en variaciones de amplitud, luego las mismas se demodulan como si fuese AM. Este demodulador es el más simple de implementar con componentes discretos y su calidad depende enormemente de la linealidad del filtro. La ventaja también es que se puede implementar fácilmente a partir de un discriminador cerámico. Existe una variante de este esquema llamado detector de relación.

Con los avances en los circuitos integrados y digitalización, este detector ha quedado en relegado frente al PLL que ofrece innumerables ventajas.

Junto con la demodulación hay un simple (o no tanto) filtro pasabajos destinado al de-énfasis, esto es, una atenuación gradual desde T=75uS para américa (o T=50uS para Europa) que compensa un pre-énfasis realizado durante la modulación en el equipo transmisor y cuyo objetivo es mejorar la relación señal/ruido en las frecuencias altas de audio.

Hay que al menos mencionar que demodular la señal de FM es solo una parte de la cuestión. Las trasmisiones, por lo general, lo hacen en audio estéreo mediante un sistema multiplex, con lo que muchos receptores incorporarán un circuito destinado a la decodificación estéreo y que por motivos de espacio no voy a describir ahora.

Conclusiones:

La banda de VHF donde se transmite FM comercial es sin duda uno de los mejores logros tecnológicos en la radiodifusión del siglo XX. Sin embargo, por las dificultades electrónicas asociadas solo se popularizó a finales del mismo con la llegada de los transistores y el abaratamiento de las radios. Eso no quiere decir que no existieran radios de FM con válvulas, éste es un ejemplo de ello.

En el mundo de los radioaficionados o el DX, la banda de VHF y su modulación de FM no prosperó y fue subestimada y diría yo, hasta despreciada, durante mucho tiempo, aunque tiene un uso profesional importante en el ámbito industrial, fuerzas de seguridad, bomberos y aviación.

En pleno siglo XXI el mundo desarrollado mira con ganas de dar de baja esta banda, de hecho, Noruega anunció su despedida en el año 2017 en pos del sistema DAB (Digital Audio Broadcasting). Por lo que su futuro no se lo ve promisorio y quizás termine de correr la suerte de la onda corta.

Evidentemente, la FM, implica un mayor grado de complejidad en el receptor en parte por la complejidad de su demodulación pero también producto de las frecuencias que se manejan. Hasta los 30Mhz, banda de HF, la electrónica es bastante fiel a la teoría, sin embargo, en la banda de VHF o más altas, empiezan a aparecer fenómenos que pueden hacer que los circuitos se comporten de forma muy distinta a lo proyectado. Es que el mundo de la alta frecuencia tiene sus propias reglas e impone un respeto mayor.

El avance de la electrónica digital también ha logrado que muchas veces recepcionar FM parezca algo muy simple ya que todo el circuito se reduce a un DSP y su software. Sin embargo, esa simplicidad aparente hace que muchos técnicos se queden afuera de este juego.

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