1 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (PRESENTACIÓN)

Presentación de una serie de videos con información técnica, dedicado a los técnicos y aficionados a la radio.

Los primeros experimentos de la transmisión en  frecuencia modulada fueron realizados por Edwin Howard Armstrong, de la Universidad de Columbia en el año 1933.

Armstrong se suicidó el 31 de Enero de 1954 saltando por la ventana de su apartamento, en el piso 13, deprimido por lo que él vio como el fracaso de su invención de la radio en FM. En su nota de suicidio decía a su esposa: “Que Dios te ayude y tenga piedad de mi alma”.

Modulación en Amplitud/Frecuencia
Modulación en Amplitud/Frecuencia

Las características principales de una señal de RF modulada, son su amplitud y frecuencia. Cuando la amplitud de la señal de RF se mantiene constante y se transmite la información variando la frecuencia (FM), es posible eliminar la mayor parte de los ruidos; ya que la mayor parte de las perturbaciones radioeléctricas se suman o restan en amplitud, sin afectar a la frecuencia portadora. La modulación consiste en variar las características de la onda de radio en correspondencia con la señal que se transmite. En FM, la tensión de modulación  de una polaridad hace disminuir la frecuencia de la portadora, haciéndola subir con la otra polaridad.

 

2 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (AUDIO EN ESTUDIOS)

AUDIO analógico

Comportamiento del oído humano: respuesta en frecuencias, sensibilidad, conceptos psicoacústicos, etc. El decibelio como unidad de medida. Características y ajustes de un procesador de audio, destinado a la emisión en F.M.

Los transmisores de radio en FM nos permiten transportar el sonido de una sala de conciertos a nuestra casa, pero su fidelidad y calidad dependerá del tratamiento que le demos al audio, sobretodo en sus etapas previas al modulador: orientación y calidad de los micrófonos, soportes utilizados en la grabación, radio-enlaces, procesadores de audio y generador estéreo. Si la radio transporta sonido, también es importante conocer cómo funciona nuestro oído y sus limitaciones. De nada nos serviría transmitir la información más completa y fiel al sonido real, si esta no fuera perceptible por nuestro oído. Al fin y al cabo, el máximo de calidad y fidelidad siempre estará limitado por las características fisiológicas de nuestro oído.

Respuesta del oído humano
Respuesta del oído humano

El umbral de audición medio de los humanos es de 20 micropascales, para frecuencias entre 2KHz y 4KHz. Por encima y por debajo de estas frecuencias, la presión requerida para excitar el oído es mayor. Esto significa que nuestro oído no responde igual a todas las frecuencias, su respuesta en frecuencia varía. El oído humano se comporta, en lo que a sonoridad se refiere, como un conjunto de 24 filtros de 1/3 de octava.

 

 

3 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (AUDIO DIGITAL-1)

Origen del audio digital, detallando los siguientes conceptos: muestreo, cuantización, codificación, multiplexación, compresión de escala, efectos negativos al digitalizar una señal de audio, cálculo de la relación S/R, diferentes tipos de interface (códigos de línea).

Muestreo

Es la extracción de algunos valores instantáneos de duración teóricamente nula. Según la teoría de Shannon,  para muestrear una señal y poderla reconstruir, es necesario que el muestreo se realice un número de veces al menos igual al doble de la frecuencia máxima a muestrear.

Ejemplo: Para muestrear una frecuencia vocal de 4 KHz., necesitaríamos muestrear  como mínimo a:  4×2=8 KHz.

Muestreo
Muestreo

Esto lo podríamos representar con un interruptor que se abriera y cerrara 8.000 veces por segundo. A la salida de éste, obtendríamos una secuencia de impulsos cuya amplitud sería el valor instantáneo que tenía la señal de audio original.

Cuantización

Es la conversión que efectuamos para trasladar los valores instantáneos de tensión de la señal muestreada, a una escala compuesta por una serie de niveles. Cuanto mayor sea el número de niveles, mayor será la relación S/R. Como es de esperar, estos niveles los analizaremos con un sistema binario, para posteriormente poderlos transmitir de una forma digital.

 En los sistemas MIC actuales, se adoptan 256 niveles de cuantización (±127 con respecto a cero).

Niveles de cuantización = 2N  =>  Para 256 niveles, N = 8 bit
Codificación - Cuantización
Codificación – Cuantización

Codificación

Es el proceso de lectura, de forma digital, de la secuencia de valores cuantizados. Esto quiere decir que a cada nivel de cuantización le corresponde un valor binario determinado, y dependiendo del número de niveles, necesitaríamos un número de bit por cada muestra. Esta es la primera limitación que encontramos para cuantizar la señal con un máximo de niveles, pues necesitamos transmitir todos los valores instantáneos de una muestra, en un tiempo máximo dado por la inversa de la frecuencia de muestreo ( T = 1/F ).

Fcodificación  =  Fmuestreo  x  Nº bit
En un canal MIC  =>  8 KHz  x  8 bit  =  64 KHz

Multiplexación por División en el Tiempo

Es la mezcla de un número determinado de canales muestreados que transmitimos por un mismo equipo, pero a intervalos de tiempo diferente. Esto quiere decir, que necesitamos transmitir a una velocidad proporcionalmente superior al número de canales a multiplexar, pues a más canales transmitidos, tendremos menos tiempo para enviar cada una de las cadenas de bits que componen cada muestra. Como es de suponer,  la codificación se efectúa después de la multiplexación.

Multiplexación
Multiplexación
Fcodificación = Fmuestreo x nº bit x nº canales

En una trama de 2 Mb/s. compuesta por 32 canales MIC

8 KHz x 8 bit x 32 canales = 2.048 KHz

4 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (AUDIO DIGITAL-2)

Composición y detalles de la trama AES3 (AES/EBU). Conversores: AES3, AESD3id, S/PDIF. Comprobación de la calidad de una señal digital (diagrama de ojo). Soportes ópticos: CD, DVD, HD-DVD, Blu-ray.

AES/EBU (Audio Engineering Society/European Broadcasting Union)

AES/EBU es una interfaz de comunicación (estandarizada) pensada para transmitir en tiempo real señales digitales de audio, sin compresión entre dispositivos de audio preparados para ello (que cumplen los requisitos).

Trama AES-EBU
Trama AES-EBU

La interfaz AES3 fue inicialmente diseñada para albergar y transportar datos digitales sin compresión PCM. Aunque por su morfología puede transportar otros tipos de señales como DAT a 48KHz o formato CD a 44,1KHz. La portadora es entonces capaz de transportar datos a distintas frecuencias de muestreo, gracias a que recupera la señal de reloj mediante codificación BMC.

Especificaciones Hardware

Se requiere el siguiente cableado:

  • 3 conductores de 110-ohmios con par trenzado y conector XLR.
  • 2 conductores de 50-ohmios ó 75-ohmios de cable coaxial y conector BNC.
Hardware AES_EBU
Hardware AES_EBU
Codificación BMC
Codificación BMC

Nivel de señal: 3 a 10V, con codificación BMC y una resolución de 24 bits.

5 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (AUDIO DIGITAL-3… y repaso)

Formatos de audio digital: PCM, comprimidos, descriptivos. Parámetros de un CODEC de audio. Métodos empleados para la compresión del audio, con pérdidas y sin pérdidas. Repaso de los conceptos más importantes, detallados en capítulos anteriores.

Con la palabra CODEC se definen a diferentes tipos de CODificador-DECodificador, empleados para el almacenamiento y difusión de señales de audio y video en formato digital, normalmente comprimido.

Parámetros de un CODEC
Parámetros de un CODEC

A la hora de elegir un CODEC, es muy importante conocer sus características generales, con el fin de utilizar el más adecuado para el uso que le vamos a dar. No es lo mismo utilizar un CODEC para almacenar información en un disco duro, donde el retardo no es importante, que utilizarlo para transmitir un programa de radio o TV en directo. A continuación se muestra una gráfica, donde podemos comparar la calidad y retardo de los diferentes CODEC, en relación a una misma tasa binaria.

Calidad y retardo de los CODEC
Calidad y retardo de los CODEC

A continuación se muestra una tabla comparativa, realizada por EBU, con el grado de calidad ‘subjetiva’ de diferentes tipos de CODEC.

Test EBU
Test EBU

6 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (GENERADOR ESTÉREO – 1)

Ventajas de la modulación en frecuencia (FM), frente a la modulación de amplitud (AM). El pre-énfasis y el de-énfasis. El generador estéreo: características y modo de funcionamiento.

En la recepción de una señal de frecuencia modulada,  el circuito demodulador produce ruido, y éste no es lineal a lo largo de la banda de paso. Para entenderlo sin entrar en desarrollos matemáticos, sólo tenemos que fijarnos en la pantalla de un analizador de espectros, y comprobar que el índice de modulación (número de bandas laterales) varía cuando modificamos la frecuencia del tono modulador.

Espectro en FM
Espectro en FM

Si partimos de que la excursión máxima de frecuencia en FM está limitada (±75 KHz), transmitiremos más información de un tono (las bandas laterales), cuanto más baja sea su frecuencia.  Si modulamos la portadora con un tono de 5 KHz, transmitiremos 75/5 = 15 bandas laterales a cada lado de la portadora; pero si el tono es de 15 KHz, sólo enviaremos 5 (75/15). Si analizamos la gráfica anterior, se nos hará más fácil comprender que la relación señal/ruido del demodulador FM varíe, y dependa de la frecuencia del tono modulador. Observar que el índice de modulación depende de la frecuencia y amplitud del tono modulador.

Si queremos que el nivel de ruido en un receptor de radio FM sea constante dentro de la zona de frecuencias audibles, tendremos que ‘manipular’ el audio en el origen, antes de que llegue al paso modulador. Para no desvirtuar el sonido original, tendremos que generar un proceso en el transmisor, y su proceso complementario en el receptor. Lo que se hace es incrementar el nivel del tono modulador en el origen = Preénfasis en el transmisor, a medida que sube la frecuencia y siguiendo una constante; y reducirlo con el mismo patrón en el destino = Deénfasis en el receptor.

Preénfasis en FM
Preénfasis en FM

La modulación en frecuencia (FM) permite transmitir toda  la gama de frecuencias que es capaz de percibir el oído humano. Debido a esta cualidad, es considerada como una modulación de alta calidad, ya que nos puede transportar el sonido de un concierto a nuestra casa. Sin embargo, el oído humano tiene dos receptores (oídos) y es capaz de localizar un sonido en el espacio. Para que una señal de radio pueda  compararse al sonido real, deberá transportar dos señales: la que oiríamos por el lado derecho y la que oiríamos por el izquierdo. Para la elección de un sistema de transmisión de dos canales, se  deberían tener en cuenta los siguientes puntos:

· Una transmisión FM estéreo podrá recibirse con un receptor monofónico.

· Un receptor FM estéreo podrá diferenciar el tipo de transmisión (Mono/Estéreo) para cambiar de modo automáticamente.

· El sistema de transmisión no debe sobrepasar el ancho de banda del canal  y debe restar el mínimo de energía al programa radiado.

· El sistema estéreo elegido debe aportar una calidad similar al monofónico y ser fácil de realizar en recepción (receptor barato).

El sistema que cumple estos requisitos, es el denominado sistema de frecuencia piloto, definido en la recomendación 450 del CCIR. Y este es el sistema adoptado por un gran número de países, entre los que se encuentra España.

Si el sistema de transmisión estéreo debe ser compatible con los receptores monofónicos, la información de ambos canales (L+R) debe ser transportada en la banda de 0-15 KHz. De esta manera, un receptor monofónico no perderá ningún sonido, ya provenga del canal izquierdo o del derecho. Así a la banda de 0-15 Khz. de la señal MPX se la conoce también como canal principal o canal ‘M’.

Generador estéreo
Generador estéreo

Para que un receptor estéreo pueda separar la información del canal derecho de la del izquierdo, necesitamos transmitir una información complementaria a la del canal ‘M’. Esta información contiene la diferencia de los canales izquierdo y derecho, de manera que un receptor pueda obtener el canal ‘L’ y el canal ‘R’ mediante el uso de una matriz suma/diferencia. Así, además de transmitir la señal ‘M’ que contiene la suma de los dos canales (L+R), transmitimos la señal ‘S’ que contiene la diferencia existente entre los canales izquierdo y derecho (L-R).

El canal ‘S’ debe transmitirse por encima de la frecuencia más alta del canal ‘M’ (15 KHz.), pues no debe interferir a la señal monofónica. La información del canal ‘S’ se transmite modulando una subportadora de 38 KHz en amplitud (AM) con doble banda lateral, pero con la portadora suprimida (DSBSC). De esta forma, la información contenida en ‘S’ se transmite en las bandas de 23-38 KHz. y 38-53 KHz. Con la supresión de la subportadora (38 KHz) se consigue ahorrar energía en la transmisión y además se evita que dicha subportadora provoque distorsión en los receptores, al demodular los sonidos más próximos a ella (30-50 Hz).

Expectro de la señal MPX
Expectro de la señal MPX

Para que la transmisión estéreo cumpla con todos sus objetivos, se añade a la señal MPX un tono de 19 KHz. con una amplitud fija, que corresponde al 10% de la desviación  total  transmisor. Este tono se le conoce como señal ‘Piloto’ y contiene la fase de referencia que utilizó el modulador de 38 KHz. para crear las dos bandas laterales del canal ‘S’.

7 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (GENERADOR ESTÉREO – 2)

Análisis espectral de la señal MPX, (salida de un generador Estéreo). Medidas de una señal alterna: voltímetro, osciloscopio, analizador de espectros. Detalles de funcionamiento del osciloscopio y el analizador de espectros: esquema por bloques, sus mandos de ajuste, diferentes tipos de medidas que se pueden realizar, etc.

8 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (GENERADOR ESTÉREO – 3)

Ajuste de niveles de un generador de estéreo. Posibles medidas a realizar con un polímetro, osciloscopio y un analizador de espectros. Errores y averías más frecuentes. Características y ventajas al transmitir el canal ‘S’ (MPX) con banda lateral única: SSBSC.(codificador estéro experimental).

9 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (EXCITADOR FM – 1)

Características generales de un excitador de FM. Detalles de fabricación y funcionamiento de un cristal de cuarzo. Construcción y funcionamiento de un diodo varicap (varactor). El amplificador operacional, características y diferentes modos de funcionamiento.

10 – Fundamentos de la transmisión en F.M. (EXCITADOR FM – 2)

Comportamiento de los componentes pasivos funcionando con RF. Descripción de un circuito oscilador, con bucle de enganche en fase (PLL).Importancia del filtro paso bajo en un circuito PLL (sintetizador de frecuencias). Efectos producidos por un mal diseño, o avería del filtro paso bajo.