4.1 Sistema de radio analógicos. Transmisión estereofónica

Radio AM (modulación de amplitud)

Los servicios de radiodifusión sonora comerciales están establecidos en las bandas de onda media: 520-1605 kHz. Las señales transmitidas en estas bandas están moduladas en amplitud y prácticamente han desaparecido sus
servicios comerciales; solo las radios nacionales de los diferentes países europeos conservan servicios en onda media.
Las canalizaciones de estos servicios son de lO kHz, estando el ancho de banda de la señal de voz moduladora limitado a 4 o 5 kHz, por lo que su calidad es muy baja.
Como ya se ha dicho en el apartado de modulaciones analógicas de la Unidad 2, el ancho de banda de la señal transmitida coincide con el doble del ancho de banda del
mensaje (dos bandas laterales). Además, el contenido de las dos bandas laterales es el
mismo, por lo que a la falta de calidad hay que añadirle un desperdicio de ancho de banda considerable. Sin embargo, estos servicios siguen en funcionamiento
debido a los márgenes de frecuencia en que están establecidos, en donde se producen mecanismos de propagación que permiten coberturas enormes.

Radio FM (modulación de frecuencia)

Se utiliza con la intención de mejorar la calidad de la señal transmitida y eliminar los molestos ruidos, característicos de AM, producidos por interferencias de todo tipo.
En esta modulación, en vez de modular la portadora en amplitud, se modula en frecuencia. Es mucho más robusta al ruido atmosférico y también al producido por la actividad humana (motores de todo tipo, etc.).
Hay que recordar que el mensaje se envía en variaciones
de frecuencia y no en la amplitud. Esta tecnología se estableció en una banda donde se disponía de un ancho de banda suficiente por canal para mejorar su calidad: FM
87,5-108 MHz (banda II de VHF).
Ahora bien, la banda de frecuencias elegida no permite coberturas muy grandes y se pensó para coberturas más bien locales, si bien posteriormente se realizaron redes
nacionales utilizando sistemas de transmisiones de frecuencia múltiple.

al Hasta el ano 1961 las transmisiones en la banda de FM fueron mono (modulación con un solo canal de audio), pero el sonido no tenía la calidad espacial de los eventos reales, para ello se inventó la codificación estéreo.

En la codificación estéreo la señal de audio es dividida en dos canales, cada uno de ellos de un rango de frecuencia comprendido entre 50 Hz y 15 kHz. A estos dos canales se
les denominó derecho e izquierdo, de tal manera que en la recepción del altavoz derecho se reproducirían los sonidos originados en el lado derecho y en el altavoz izquierdo los
originados en el lado izquierdo.

El principal problema a la hora de disenar este sistema de transmisión fue el hacerlo compatible con los receptores que existían en el mercado, ya que estos solo podían recibirla señal monoaural.
Para mantener esta compatibilidad se creó un multiplexor de la senal moduladora. Donde la entrada L (Left) se refiere al canal izquierdo y la entrada R (Righ) al canal derecho.

El piloto estéreo es un tono de 19 kHz que tiene la misma fase que la portadora de la señal resta (que hemos eliminado previamente), y una amplitud de (normalmente) el
10 % de la amplitud total de la señal.
El piloto estéreo tiene tres funciones principales:
– Informa al receptor de que la emisión es estéreo.

– Permite regenerar la subportadora de la senal resta a
38 kHz que no hemos emitido gracias a modular en
DSBSC

– Permite regenerar la subportadora del RDS a 57 kHz que no hemos emitido gracias a modular en DSBSC. La Señal MPX o señal estéreo múltiplex es la señal de la que se alimenta el emisor y, por tanto, es la señal que se emite y la que se recibe en el receptor. La señal MPX es una señal que contiene las señales multiplexadas (piloto estéreo, audio suma y resta), además de otros servicios como pueden ser los SCA o el RDS, es pues el codificador estéreo el encargado de agregar al multiplexor estero anterior las señales de datos. Esta señal permite modular todas estas señales bajo una única frecuencia portadora. La señal MPX tiene un ancho de banda de 100 kHz.

División frecuencial de la senal MPX:
‘ 30 Hz a 15 kHz: señal suma.
– 19 kHz: piloto estéreo.
– 23 kHz a 53 kHz: señal resta.
‘ 57 kHz: servicio de datos RDS.

TRANSMISORES DE RADIO FM 

Como hemos comentado anteriormente, según los alcances deseados en la transmisión de FM, se necesitarán distintas potencias amplificadas. Las elevadas potencias se logran
sumando varios amplificadores de este tipo hasta conseguir la potencia deseada.

Un transmisor de FM de alta potencia está formado por los siguientes elementos:
– Excitador de potencia.
– Distribuidor de potencia.
– Amplificadores.
– Sumador de potencia.
– Unidad de control del transmisor.

El excitador

Es el elemento encargado de generar la señal modulada en FM con un nivel adecuado de potencia para atacar las etapas amplificadoras. Es decir, el excitador es en sí un transmisor de FM de poca potencia, generalmente de unos pocos vatios.

Está compuesto por los siguientes bloques:
– Entrada de audio.
– Codificador de estéreo.
– Generador de señal modulada, PLL y VCO-VPO.
– Amplificador.
– Filtro de salida y acoplador direccional.
– Bloque de control.
– Fuente de alimentación.

Entrada de audio: generalmente, existen dos tipos de entrada de audio: audio en banda base (es decir, canal izquierdo y canal derecho) o señal compuesta MPX. Lo normal es que el excitador se alimente directamente con la señal compuesta MPX que se genera en los estudios por un procesador y llega al centro emisor a través de un radioenlace.
Codificador estéreo: es el encargado de generar la señal MPX para el caso de que la señal de entrada al excitador sea de audio en banda base.
Modulador PLL: este bloque es probablemente el más importante del excitador, ya que es el encargado de generar la señal de radiofrecuencia modulada en FM. Para entender su funcionamiento, analizaremos el diagrama de bloques simplificado de un modulador PLL para radio FM.

Amplificador: la señal de radiofrecuencia proporciona- da por el PLL tiene una potencia bastante baja, de unos cientos de milivatios. Por tanto, es necesario amplificarla.
Generalmente, esta amplificación se realiza en dos etapas. La primera suele ser un amplificador de clase C con algún elemento activo como el transistor MRF237, que puede
proporcionar hasta 1,5 W aproximadamente. A continuación, la señal pasa a otra etapa amplificadora de radiofrecuencia con un elemento activo de mayor potencia, como el
transistor Mosfet BLF245, que puede proporcionar potencias de salida de hasta 30 W.

Filtro de salida y acoplador direccional: la señal resultante del amplificador es filtrada por un filtro paso bajo para eliminar los componentes armónicos. Además, un acoplador direccional mide la potencia directa y la reflejada por la carga. De esta forma se obtiene una muestra de la señal de salida en un conector del panel frontal del excitador, atenuada varios dB. Además, esta información se envía como un valor de tensión continua al bloque de control.
Bloque de control: este bloque tiene como misión configurar y monitorizar todos los parámetros de ajuste de usuario, como la frecuencia de trabajo o la potencia de salida,
así como los principales parámetros de funcionamiento, como la temperatura, la tensión del VCO, el consumo de las diferentes etapas, etc.

Fuente de alimentación: el último bloque del excitador es la fuente de alimentación, que se encargará de suministrar las tensiones necesarias a cada uno de los bloques.
La fuente que alimenta la etapa final, es decir, la parte de amplificación, suele ser conmutada, con niveles de tensión de salida entre 25 y 50 VDC, mientras que la fuente que proporciona el resto de las tensiones para los circuitos de
control, modulación, etc., suele ser regulada.

Distribuidor y sumador de potencia

La salida del excitador es una señal de radiofrecuencia de potencia relativamente baja, por lo que hay que amplificarla. El problema es que en la mayoría de los casos la poten-
cia de salida que se desea obtener no se puede conseguir con un único amplificador, por lo que hay que trabajar con varios amplificadores en paralelo.

Un combinador de potencia está formado internamente por los siguientes módulos:
– Módulo divisor de entrada.
– Módulo de ajuste de fase.
– Módulo combinador de potencia.
Módulo divisor de entrada (Splitter): este módulo se encarga de dividir la señal que viene del excitador en varias porciones iguales, y llevar cada una de esas porciones a un amplificador.

Módulo de ajuste de fase: lo más importante para que el combinador de potencia funcione correctamente es que las diferentes señales lleguen en fase a los distintos amplificadores. Aunque el módulo divisor ha sido diseñado para tal fin, puede que esto no suceda con total exactitud. Por eso se incorpora un módulo de ajuste de fase, generalmente con condensadores variables, que sirve para compensar las fases de las diferentes salidas del circuito divisor.
Módulo combinador de potencia: la función del módulo combinador de potencia es sumar las porciones de potencia de radiofrecuencia proporcionadas por los distintos
amplificadores y encaminarlas hacia la salida de antena.

Amplificador de potencia

El siguiente elemento de un transmisor de alta potencia es el amplificador. Normalmente, la elevada potencia de salida que se desea obtener es imposible de conseguir con un único amplificador, lo que se soluciona colocando varios de
ellos en paralelo.
Existen dos tecnologías en amplificadores: los de estado sólido y los de válvulas.
En la actualidad, la mayoría son de estado sólido, puesto que tienen un mejor rendimiento, requieren de un menor mantenimiento y este es más fácil de realizar. No obstante, todavía existen y se fabrican amplificadores de radiofrecuencia con
tecnología de válvulas.

Otra ventaja importante de los amplificadores de estado sólido es que trabajan con tensiones de alimentación mucho menores, entre los 50 Vcc a 400 Vcc, mientras que los
de válvulas lo hacen con tensiones muy elevadas, en torno a los 5000 Vcc.
Los transistores de los amplificadores de potencia suelen ser Mosfet encapsulados en configuración de push-pull, capaces de dar 300 W o más en la banda de VHF, dependiendo del transistor.

Unidad de control

Para obtener un transmisor de radiofrecuencia de alta potencia se necesita el excitador, el distribuidor de potencia, los amplificadores y el sumador de potencia. No obstante,
para que todos estos elementos funcionen bien conjuntamente, será necesario añadir otro elemento que los configure y controle: la unidad de control.

La unidad de control es el cerebro del transmisor. Es el elemento que controla el funcionamiento de todas las partes del transmisor y monitoriza el estado de las mismas.
También sirve de interfaz de usuario, a través de la unidad de control el usuario introduce todos los parámetros de funcionamiento del transmisor: tipo de entrada, frecuencia portadora, potencia de salida, etc. Una vez introducidos los parámetros, la unidad de control se comunica por telemetría con el resto de elementos del transmisor para configurar su funcionamiento.

Estación Transmisora

Una vez que ya conocemos todos los elementos, tan solo tenemos que juntar en un mismo bastidor la unidad de control, uno o dos excitadores (si se quiere añadir redundancia), varios amplificadores y un combinador de potencia para obtener un transmisor de alta potencia, también conocido como estación transmisora.
Las estaciones transmisoras tienen dos cualidades importantes: su compacidad (densidad) y gran simplicidad de uso.
Los sistemas de control de las estaciones transmisoras (unidad de control con microprocesador) incluyen siempre un display LCD en el panel delantero y una botonera para la integración con el usuario, que implementa las siguientes funciones entre otras:

– Configuración de la potencia de salida.
– Activación y desactivación de la potencia erogada.
– Configuración del umbral de alarma de potencia erogada (función Power Good).
– Medición y visualización de los parámetros de trabajo del transmisor.
– Comunicación con dispositivos externos como sistemas para la programación o sistemas de telemetría mediante interfaz serial RS232 o IZC.

EQUIPO RECEPTOR

Para la recepción de las señales tenemos al sintonizador, que es el aparato que recoge las señales de radio del espacio libre y las trata de forma adecuada para extraer toda la
información contenida en ellas mediante la demodulación, que además de lo anterior incluye un amplificador.
Todo sintonizador de alta fidelidad funciona conforme al principio heterodino, que se basa en la utilización de un oscilador local combinado con el circuito de sintonía a través
de una etapa mezcladora para mejorar la selección de emisoras del sintonizador.

RADIO RDS (RADIO DATA SYSTEM)

Los sistemas RDS y RBDS utilizan la infraestructura de transmisión de las radiodifusoras en FM para transmitir datos presentados en forma de texto. Se puede incluir
información como hora, estado del tráfico o indicadores económicos. Por ejemplo, una de las aplicaciones más utilizadas en Europa es la de transmitir información del esta-
do de las carreteras empleando el sistema RDS. Por esta razón, este sistema se pensó para el mercado de las radios para automóviles. Entre las limitaciones del sistema RDS
se tiene un reducido ancho de banda de 4,8 kHz centrado en una subportadora de 57 kHz (3 – 19 kHz) en amplitud con portadora suprimida a una velocidad de 87,5 bps.

Los servicios que se añaden son:

1. Sintonía automática en los receptores de FM-RDS:
entre los datos incluidos en una señal FM-RDS, difundida desde un determinado centro emisor, se encuentran las frecuencias de los centros emisores próximos. Las
mismas componen la lista de frecuencias altemativas (AF). Con esta información, los receptores de modo automático sintonizan la frecuencia que, transmitiendo el mismo programa, se recibe con mayor calidad.

2. Presentación de datos en la pantalla del receptor: presentación en una pantalla del nombre de la emisora, así como información sobre el programa que se está escuchando.

3. Información de noticias sobre el tráfico de carretera: de tal manera que nos permite conocer los posibles problemas en la ruta elegida.

RDS es un sistema para la transmisión de datos, utilizando subportadoras dentro del espectro de FM, buscando transmitir audio y datos simultáneamente y, de esta forma, lograr una optimización en el uso del espectro. Este esfuerzo dio origen a dos estándares: el estándar norteamericano RBDS (Radio Broadcast Data System) que se
introdujo en l984 y el europeo RDS (Radio Data System) introducido en marzo de 1992.

LIMITACIONES DE LA RADIODIFUSIÓN SONORA EN FRECUENCIA MODULADA

Las características del servicio de radiodifusión en FM sin duda han favorecido su implantación, posiblemente su calidad y su accesibilidad (portatibilidad y movilidad) sean dos de las características más relevantes.

Sus limitaciones las podemos resumir en:

– Menor calidad de audio que la que ofrece el sistema de audio digital CD.

– Degradación de la calidad del audio en zonas urbanas por desvanecimientos debidos a problemas de la señal por múltiples reflexiones (multitrayecto), a lo que se añade el efecto Doppler en el caso de la recepción en equipos móviles (radios de coche).

– Se puede contaminar con algunos tipos de ruido procedentes de actividades humanas (motores, etc.).

– Imposibilidad de realizar la distribución de una emisora de radio en toda una zona (región o país) con una única frecuencia de emisión (SEN, Single Frequency Network).

– Bajo aprovechamiento del espectro radioeléctrico, requiriéndose un ancho de banda de aproximadamente 200 kHz, para cada programa estéreo.

– En la banda Il el espectro disponible es muy limitado: 20,5 MHz, En la mayoría de países europeos la banda está saturada y la introducción de nuevos servicios de radio FM degrada considerablemente la calidad de los servicios existentes.

– Necesita de un nivel medio de señal, para asegurar buena recepción.

– Los receptores se saturan con gran facilidad, haciendo que la recepción de muchos de los programas se distorsione.

– Baja capacidad del canal auxiliar de datos RDS (1 187,5 bits/s), lo que limita el desarrollo de servicios a aplicaciones de texto muy sencillas.

– El sistema está definido sin capacidad interactiva.