Modulación de frecuencia, detección de FM, demodulación, discriminación

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Para utilizar la modulación en una señal FM, es necesario extraer la modulación, es decir, demodular o detectar la señal.

La demodulación de FM también se llama detección de FM y a veces se utiliza la frase «discriminación de FM», aunque este término tiende a usarse con circuitos y tecnología más antiguos.

La demodulación FM es un proceso clave en la recepción de una señal modulada por frecuencia. Una vez que la señal ha sido recibida, filtrada y amplificada, es necesario recuperar la modulación original del portador. Es este proceso el que se llama demodulación o detección.

Los circuitos de moduladores de FM se encuentran en cualquier receptor que utilice FM: receptores de difusión, radios bidireccionales como walkie talkies y radios de mano que usen FM, y cualquier receptor donde se utilice modulación de frecuencia.

Conceptos básicos de la demodulación de FM

En cualquier radio que esté diseñada para recibir señales de frecuencia modulada hay alguna forma de demodulador o detector FM.

Este circuito toma señales de RF moduladas por frecuencia y toma la modulación de la señal a la salida solo de la modulación que se había aplicado en el transmisor.

El principio detrás de la demodulación / detección de señales FM moduladas por frecuencia.
Principio de demodulación de FM

Para poder demodular FM es necesario que el receptor de radio convierta las variaciones de frecuencia en variaciones de voltaje – es un convertidor de frecuencia a voltaje. Cuando la frecuencia portadora se desvía al extremo inferior del rango de frecuencias sobre el que se desvía, se puede producir una tensión más baja, entonces a medida que se desvía más alta en frecuencia, se produce una tensión más alta.

Aunque es más fácil pensar en frecuencias más bajas que producen voltajes más bajos, no hay necesidad de que este sea el caso, podría ser al revés.

Uno de los principales requisitos para el demodulador FM es que debe tener una respuesta que sea lo más lineal posible sobre el ancho de banda requerido. En otras palabras, un cambio de una frecuencia dada produce el mismo cambio de salida dondequiera que se encuentre en la curva. Si la respuesta no es lineal, entonces se introducirá distorsión.

Otro requisito para el demodulador FM es que no debe ser sensible a las variaciones de amplitud. Como la modulación es llevada solo por la desviación de frecuencia, no se desea sensibilidad de amplitud. Es probable que cualquier señal de amplitud sea ruido, y al hacer que el receptor sea insensible a las variaciones de amplitud, la relación señal/ruido se puede mejorar.

La resistencia al ruido es un factor importante en proporcionar una recepción FM de bajo ruido para aplicaciones como transmisiones de audio de alta fidelidad. También significa que para la radio móvil, o las comunicaciones de radio de mano, se reducen los efectos de las variaciones de nivel de señal y la decoloración debido al movimiento.

Si un demodulador FM es sensible a las variaciones de amplitud, así como a las variaciones de frecuencia, entonces el demodulador puede ir precedido de una etapa de amplificador limitador. Esta etapa se encuentra en saturación cuando hay una señal de fuerza suficiente. Al ejecutarse en saturación, se eliminan las variaciones de amplitud.

La curva de respuesta típica para un demodulador de frecuencia conocido como la curva S
Curva de respuesta S del demodulador de frecuencia

La respuesta que normalmente se ve para un demodulador FM / detector FM se conoce como curva «S» por razones obvias. Hay una porción lineal en el centro de la curva de respuesta y hacia el borde la respuesta se distorsiona mucho.

Como se puede anticipar, la curva de respuesta del detector no puede permanecer lineal en un gran rango de frecuencias. En su lugar, debe ser lo suficientemente ancho como para acomodar el ancho de la desviación de la señal y un poco más para proporcionar un margen adicional

Tipos de demodulador FM

Hay varios tipos de detector / demodulador FM que se pueden utilizar. Algunos tipos eran más populares en los días en que las radios se hacían a partir de dispositivos discretos, pero hoy en día el detector basado en PLL y los detectores de cuadratura / coincidencia son los más utilizados, ya que se prestan a ser incorporados en circuitos integrados muy fácilmente y no requieren muchos, si es que hay ajustes.

Para mejorar el rendimiento acústico del receptor de FM, normalmente la etapa IF puede funcionar de tal manera que el amplificador IF se conciba a limitar. Esto elimina las variaciones de amplitud, que resultarán en ruido, y solo permite a través de las variaciones de frecuencia.

Hay los principales tipos de demodulador FM que se encuentran en los receptores de radiodifusión, los sistemas de comunicación por radio de dos vías o walkie talkies / radios de mano, etc., se describen a continuación:

  • Detección de pendientes: Esta es una forma muy simple de demodulación FM y se basa en la selectividad del propio receptor para proporcionar la demodulación. No es particularmente efectivo y no se utiliza excepto cuando el receptor no tiene una capacidad de FM.Esta forma de detección de FM tiene muchas limitaciones: la curva de selectividad de la radio no será lineal en absoluto y surgirá distorsión; el receptor será sensible a las variaciones de amplitud, etc.
  • Detector de relación: Este tipo de detector fue ampliamente utilizado cuando se utilizaban componentes discretos en radios de transistores. El detector de relación requería el uso de un transformador que tenía un tercer bobinado para producir una señal adicional que se cambió de fase para el proceso de demodulación. El detector de relación usó dos diodos junto con algunas resistencias y condensadores.Aunque funcionó bien, el detector FM de relación era una forma costosa de detector en vista del transformador que utilizaba. Como todos los componentes de la herida son más caros que las resistencias y condensadores, estos demoduladores FM eran caros de hacer y después de la introducción de la tecnología de circuitos integrados donde se podían utilizar diferentes circuitos, el detector de relación rara vez se utilizaba. Sin embargo, en su día funcionó bien.
  • Foster Seeley FM: En los días en que la radio utilizaba componentes discretos, este era el otro competidor principal para el demodulador FM en las radios.El demodulador Foster Seeley FM era muy similar en muchos aspectos para el detector de relación. Sin embargo, en lugar de usar un tercer bobinado en el transformador, usó un estrangulador separado.Al igual que el detector de proporción, el detector Foster Seeley quedó fuera de uso generalizado cuando se introdujeron los circuitos integrados, ya que otras formas de demodulador FM eran mucho más fáciles de implementar con CI y su rendimiento como superior.
  • Desmodulador de bucle bloqueado por fase: Es posible utilizar un bucle bloqueado por fase para demodular FM. El detector FM PLL proporciona un excelente rendimiento y no requiere muchos, si es que hay ajustes en la fabricación. La otra ventaja del demodulador PLL FM es que se incorpora fácilmente dentro de un circuito integrado y, por lo tanto, se puede agregar con muy poco costo incremental a un chip receptor general y, por lo tanto, al receptor de radio.El bucle bloqueado por fase o el demodulador FM PLL funcionaba porque el bucle estaba configurado para rastrear la frecuencia instantánea de la señal FM entrante. Para mantener el bucle bloqueado, el oscilador controlado por voltaje dentro del bucle necesitaba rastrear la frecuencia de la señal entrante. El voltaje de sintonía para el VCO varió en línea con la frecuencia instantánea de la señal, y por lo tanto proporcionó la salida demodulada de la señal de audio u otra señal de modulación.

  • Detector de cuadratura: El detector de amplitud FM ahora se utiliza ampliamente en radio CI FM. Es fácil de implementar y proporciona excelentes niveles de rendimiento. La forma de cuadratura. coincidencia del demodulador FM se incorpora muy fácilmente en un circuito integrado y se puede agregar prácticamente sin costo adicional. Esto lo convierte en una opción muy atractiva para los diseños modernos de receptores. Muchos circuitos integrados que están diseñados para proporcionar la funcionalidad de un receptor competitivo o una tira IF, incorporan un detector de cuadratura / detector de coincidencia y, por lo tanto, la demodulación FM se puede agregar prácticamente sin costo al receptor final.

Estos demoduladores FM se utilizan en diferentes aplicaciones. Los diferentes tipos de demodulador FM proporcionan a los diseñadores una selección de enfoques dependientes de la aplicación: difusión, comunicaciones de radio bidireccionales, incluyendo walkie talkies y radios de mano, receptores de comunicaciones de alta especificación y similares.

Aunque el detector PLL FM y los detectores de cuadratura se utilizan más ampliamente, junto con los circuitos basados en bucle bloqueado por fase. Los detectores Foster Seeley y ratio FM todavía se utilizan en algunas ocasiones, pero normalmente solo se encuentran en radios más antiguas que utilizan componentes discretos.

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