17.1.5: Transmisión

Las señales electrónicas pueden transmitirse como flujos de corriente en hilos, pulsos de luz en cables de fibra óptica y por ondas electromagnéticas. Existen tres formatos básicos en los que enviar la información; modulación de amplitud (AM), modulación de frecuencia (FM) y modulación de fase (digital).

Como vimos anteriormente, se emite una onda de radio desde una antena cuando la carga en la antena es hacia arriba y hacia abajo como se muestra en la simulación de ondas de radio en el Capítulo 5. Podemos cambiar la frecuencia de la onda emitida cambiando la velocidad a la que movemos la carga en la antena hacia adelante y hacia atrás. La amplitud de la onda se puede cambiar hasta qué punto se mueve la carga hacia arriba y hacia abajo. Supongamos que desea enviar una señal de onda sinusoidal a la antena receptora. La forma más fácil sería simplemente mover la carga en la antena con la misma frecuencia y amplitud que la onda sinusoidal que desea enviar. Hasta ahora tan bien, la antena receptora y el sistema de amplificación se pueden sintonizar a esa frecuencia. El problema viene cuando quieres enviar una frecuencia diferente. Entonces el sistema receptor tiene que sintonizar a una nueva frecuencia. Sabemos por análisis de Fourier que el sonido (y por lo tanto la señal eléctrica que lo transporta) puede considerarse como una combinación de muchas ondas sinusoidales, cada una con una amplitud y frecuencia diferentes. Esto causa una dificultad para el sistema de antena receptora ya que solo se puede sintonizar a una frecuencia a la vez.

En la modulación de amplitud (AM) una onda portadora con una frecuencia constante tiene su amplitud cambiada para codificar la señal. La envolvente cambiante de la onda portadora representa la señal que se envía. La antena receptora está sintonizada a la frecuencia portadora pero la electrónica en el extremo receptor decodifica la amplitud como señal e ignora la frecuencia portadora.

En la modulación de frecuencia (FM) la frecuencia de la portadora se ajusta ligeramente hacia arriba o hacia abajo para indicar la señal que se está enviando. La electrónica en el extremo receptor interpreta la ligera variación de frecuencia como cambios en la señal que se está transmitiendo. A continuación se muestra una simulación de ambos.

Figura\(\PageIndex{1}\)

Hay ventajas y desventajas tanto para AM como FM. La señal portadora AM utiliza longitudes de onda más largas y estas ondas se reflejarán en una región cargada en la atmósfera superior llamada ionosfera. FM, que tiene longitudes de onda portadoras más cortas, no. En consecuencia, una emisora FM tiene que estar en línea de visión directa para que se reciban las olas. Las señales de teléfono celular y TV también son longitudes de onda más cortas que AM y tienen el mismo problema; hay que estar a la vista de una torre de telefonía celular o una torre de TV para recibir una señal. Las señales AM, en cambio, debido a sus longitudes de onda más largas (frecuencias más bajas), se reflejarán en la ionosfera y podrán ser recibidas a largas distancias desde su fuente, como se ve en el diagrama a continuación. La radio de onda corta y la radio ham (amateur) utilizan longitudes de onda solo un poco más cortas (longitudes de onda entre AM y FM) que las transmisiones AM y pueden transmitirse en todo el mundo. Debido a que la ionosfera es mayor por la noche debido a los cambios de temperatura y al efecto del sol sobre la capa, el rango de AM, jamón y recepción de onda corta mejora por la noche.

Figura\(\PageIndex{2}\)

Una ventaja de FM sobre AM es que FM puede transmitir una señal de mayor calidad. Si una señal varía demasiado rápido, la amplitud de la señal podría variar más rápido que la frecuencia portadora para AM. Esto no sucede con FM porque la onda portadora tiene una frecuencia más alta. El hecho de que la amplitud permanezca constante para FM también significa que la intensidad de la señal no varía mientras que una fuente AM débil podría perderse en puntos donde la amplitud de la señal es baja.

Una diferencia final en la calidad de las señales AM versus FM tiene que ver con el efecto de la estática de otras fuentes como relámpagos, bujías de automóviles y otros ruidos aleatorios. El ruido electromagnético aleatorio cambiará la amplitud de las señales portadoras AM y FM. Pero debido a que la información reside en cambios en la frecuencia de la portadora para FM, la calidad de la señal no se ve tan afectada por los cambios en la amplitud debido al ruido estático.

Las señales digitales como WiFi y Bluetooth implican enviar una señal donde la fase de la onda portadora se desplaza con respecto a una onda de referencia. Un código o clave se configura de antemano para que un desplazamiento de fase en particular indique un número binario predeterminado. El desplazamiento de fase se mide usando un dispositivo llamado amplificador de bloqueo que compara la señal de llegada con una frecuencia de referencia local. Algunas señales digitales implican enviar varias frecuencias desfasadas al mismo tiempo a diferentes frecuencias portadoras y hay varias formas diferentes de configurar la clave que hace juego la fase con un número binario. Las señales digitales suelen utilizar ondas portadoras de frecuencias mucho más altas que FM o AM para que la información pueda transmitirse a una velocidad más alta. Como resultado de las frecuencias más altas, sin embargo sufren algunas de las mismas limitaciones de FM; las antenas deben estar en línea de visión directa para poder comunicarse. Las señales WiFi digitales también se envían a una potencia mucho menor que la transmisión de radio y, por lo tanto, son de corto alcance, generalmente\(30\text{ m}\) en interiores y hasta\(100\text{ m}\) exteriores.

Resumen

La grabación generalmente comienza con ondas sonoras que son de naturaleza analógica. Un micrófono convierte las vibraciones en el aire en una señal eléctrica analógica; la amplitud y frecuencia de la señal eléctrica coincide con la amplitud y frecuencia del sonido. El vinilo y la cinta son grabaciones analógicas del sonido; la amplitud y frecuencia de las vibraciones de la ranura o la amplitud y frecuencia de los campos magnéticos en la cinta varían de la misma manera que las de la fuente de sonido. Para las grabaciones digitales la señal analógica del micrófono se convierte en una señal digital binaria que se graba como unos y ceros en una unidad de CD, DVD o disco. Los instrumentos electrónicos crean señales digitales directamente (MIDI) que pueden ser grabadas o manipuladas con una computadora. Las señales digitales se convierten en señales analógicas, se amplifican y luego se envían a un altavoz para convertirlas de señales analógicas eléctricas a vibraciones sonoras. Aquí hay un esquema de grabación y transmisión electrónica.