La Radio FM, vista técnicamente.

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1 La Radio FM, vista técnicamente. Ingº Humberto Pérez C. C.I.V (*) Contenido 1.- Definición 2.- Modulación de Frecuencia 3.- La señal de Radiodifusión Sonora FM (Broadcasting) 4.- Estructura Fisica de la Radio FM 4a.- Los Estudios 4a1.- Estudio al Aire 4a2.- Estudio de Grabación 4b.- Enlace Estudios-Planta 4c.- La Planta Transmisora 4c1.- El Transmisor 4c2.- La Antena Definición La radio, entendida como radiodifusión, es una tecnología que posibilita la transmisión de ondas electromagnéticas, moduladas tanto en amplitud como en frecuencia y ahora en forma digital. Estas ondas no requieren un medio físico de transporte, por lo que pueden propagarse tanto a través del aire como del espacio vacío. 2.- Modulación de Frecuencia En telecomunicaciones, la frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia, contrastando ésta con la amplitud modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se mantiene constante. AUDIO Este método de comunicación radiofónica fue desarrollado por Edwin Armstrong ( ) en un intento por reducir los problemas de estática y ruido asociados con las transmisiones de las emisoras comerciales de AM. Armstrong, además de inventar la FM (1933), también inventó el receptor Regenerativo (1914), el receptor Súper-regenerativo (1922) y el receptor Súperheterodino (1918). La principal ventaja de la FM es la capacidad que tiene este método de producir una alta relación señal-ruido cuando se recibe una señal de intensidad moderada. Esto ha sido el modo ideal para los servicios de comunicaciones

2 móviles. La FM tiene algunas ventajas impresionantes cuando se opera en los segmentos de VHF (Very High Frequency) del espectro radioeléctrico, especialmente cuando se compara con la AM. En la FM, el proceso de modulación toma lugar en las etapas de bajo nivel y este proceso es igual en todos los transmisores sin tomar en cuenta su potencia; no así en la AM, donde el proceso de modulación se realiza en la etapa final de potencia y la capacidad del modulador es diferente en todos los transmisores dependiendo de la potencia de éstos y del método de modulación empleado (placa, reja grilla, reja pantalla o cátodo). Por ejemplo, un transmisor de AM de 10 KW para ser modulado en placa, necesita un modulador de por lo menos 5 KW para producir una modulación del 100%; en cambio, un transmisor de FM de 10 KW necesita apenas unos pocos de milivoltios de audio en su etapa moduladora para producir una modulación del mismo porcentaje. La principal desventaja de la FM es el gran ancho de banda requerido, ya que este método de modulación produce un gran número de bandas laterales a ambos lados de la frecuencia fundamental de la portadora teniéndose entre éstas una separación igual a la frecuencia de la señal modulante. Así se tiene que una señal modulante de 1 KHz producirá bandas laterales a +/- 1, +/- 2, +/- 3, +/- 4, +/- 5 KHz, etc., de la frecuencia fundamental. La intensidad de dichas bandas irá disminuyendo a medida que se van separando de la frecuencia fundamental. Aunado a esta desventaja, se tienen los pobres resultados obtenidos cuando una señal de FM es propagada vía la ionosfera por la distorsión de fase que se produce. Por estas razones, su uso se ha limitado a frecuencias mayores a los 28 MHz Bandas laterales inferiores Fo Bandas laterales superiores BANDAS LATERALES PRODUCIDAS POR LA MODULACIÓN DE FRECUENCIA (F.M.) En resumen, es así como el paso de Modulación de Amplitud (A.M.) a la Modulación de Frecuencia (F.M.), establece un importante avance, no solo en el mejoramiento que presenta la relación señal ruido, sino también en la mayor resistencia al efecto del desvanecimiento y a la interferencia, tan comunes en A.M. 3.- La señal de Radiodifusión Sonora en FM (Broadcasting) La señal de Radiodifusión Sonora en FM, en nuestro país, está alojada en el segmento de 88.0 MHz a MHz del espectro radioeléctrico, y por norma, existen 100 canales de 200 KHz cada uno. Los canales asignados tienen el siguiente patrón: 88.1, 88.3, 88.5, 88.7, 88.9, 89.1, etc. Así mismo, debe existir una separación mínima entre las frecuencias de las emisoras de 400 KHz a objeto de que no se produzcan interferencias entre ellas.

3 La señal de FM puede transmitir tanto señales de audio monoaurales como estéreo. La señal monoaural transporta una sola señal de audio; en cambio la señal estéreo puede transportar varias señales producidas por el Generador Estéreo, tales como: - La señal monoaural (I+D) que es la suma de los canales Izquierdo y Derecho que la hace compatible con los receptores de FM monoaurales y que ocupa un ancho de banda de 50 Hz a 15 KHz (45%). - La señal con la información estéreo (I-D) que es la diferencia de los canales Izquierdo y Derecho. Esta es una señal de 38 KHz modulada en AM donde se le ha suprimido la portadora, o sea, es una señal de Doble Banda Lateral con Supresión de Portadora y que ocupa el ancho de banda de 23 a 53 KHz (45%) - Una señal portadora en 19 KHz (10%). Esta señal se utiliza para sincronizar en fase y en frecuencia el oscilador del Generador Estéreo con el oscilador de 38 ó 76 KHz del receptor estéreo, a fin de poder demodular las señales de los canales Izquierdo y Derecho y así reproducirlos por sus canales respectivos. Estas son las señales mínimas que una emisora de FM debe emitir para que pueda transmitir en estéreo. A esta señal producida por el Generador Estéreo se le conoce como Señal Compuesta (Composite en inglés) y tiene disponible un canal con un ancho de banda de 200 KHz con una desviación de frecuencia máxima de +/-75 KHz. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL GENERADOR ESTÉREO Sin embargo, existen otras señales que pueden estar alojadas en la portadora del transmisor como son las señales SCA (Subsidiary Communications Authorization) que pueden ser utilizadas por la emisora para la transmisión de noticias, datos, busca-personas y música ambiental en las subportadoras de 67 KHz y 92 Khz con un ancho de banda de +/- 7 KHz y en la frecuencia de 57 KHz con un ancho de banda de +/- 2 KHz, se puede alojar otra subportadora conocida como RDS (Radio of Data System) que se utiliza para que los receptores con pantalla digital y compatibles con este sistema, puedan mostrar la identificación de la emisora, la hora, el nombre de la canción y el interprete, entre otros datos.

4 Cabe hacer notar que en ningún momento la suma de todos los porcentajes de modulación de las señales emitidas no debe sobrepasar el 100% de modulación. ESPECTRO DE LA BANDA BASE DE FM Por otra parte, igualmente, cabe señalar que en la modulación FM al incrementar el ancho de banda se incrementa también el ruido, por lo que para acrecentar la calidad del audio transmitido, se ha utilizado un artificio para aumentar la relación señal-ruido, el cual consiste en efectuarle a la información de audio un incremento de amplitud en las frecuencias superiores a los 2.12 KHz hasta llegar a obtener una intensidad de señal de +17 db a 15 KHz (preénfasis de 75 µs) con el objeto de enmascarar el ruido. Esto se logra implementando un circuito en el receptor que reestablezca la información original del audio (de-énfasis), quedando así el ruido a un nivel de -17 db a 15 KHz por debajo del audio original. C R Vi Vo Vi Vo R Ro C PRE-ÉNFASIS DE-ÉNFASIS CIRCUITOS BÁSICOS Y RESPUESTA DE FRECUENCIA DEL PRE-ÉNFASIS Y DE-ÉNFASIS Este tratamiento a la señal de audio, generalmente se realiza antes del procesamiento para generar la señal estéreo. Además, el audio procedente de los Estudios al Aire, antes del Pre-énfasis, es sometido a la ecualización y nivelación de dicha señal. Este proceso se lleva acabo a través de varios circuitos los cuales reciben el nombre de Compresores y Limitadores. Los Compresores se utilizan para tratar de nivelar los sonidos al 100% de modulación y los Limitadores para evitar que éstos sobrepasen ese nivel. Dependiendo del diseño, estos procesadores pueden ser de 1, 2, 3, 5 bandas por canal y hasta un máximo conocido de 10 bandas por canal. Estas bandas permiten la ecualización del sonido, o sea, resaltando o atenuando los bajos, medios y agudos, de acuerdo al estilo de la emisora: Rock, Jazz, Noticias, Popular, etc. Existen en el mercado equipos de procesamiento que traen incluidos estos estilos ya predeterminados, también conocidos como Pre-Set.

5 4a.- Los Estudios (En redacción) 4b.- Enlace Estudios-Planta Cuando el transmisor de FM se encuentra en la misma edificación de los estudios o muy cercano a éstos, la transmisión de la señal de audio hacia aquél, se realizará con cable balanceado con conductores de cobre apantallados o conductores de Fibra Óptica, a fin de evitar la inducción de ruido e interferencias. En este caso, el Generador Estéreo estará en el transmisor conectado a éste mediante un cable coaxial de 50Ω cuya longitud no deberá exceder los 2 mts. con la intención de evitar la atenuación de las frecuencias altas. Sin embargo, cuando el transmisor está distante, el envío de la señal se lleva a cabo mediante señales de radiofrecuencia normalmente en la banda de 940 MHz, destinada para tal fin. El Generador Estéreo estará conectado igualmente, al Transmisor de Enlace. Así, el Receptor de Enlace estará en la Planta Transmisora y conectado al Excitador del Transmisor mediante un cable coaxial. Lo antes expuesto es válido para los Enlaces que transportan la señal compuesta de FM en forma análoga. Cuando se trata de enlaces digitales, se pueden enviar digitalmente la información de audio de los canales izquierdo y derecho por separado, pero en la misma portadora. En la Planta Transmisora se encontrará el receptor digital de enlace que le entregará al Generador Estéreo la referida información. Las antenas que se utilizan en los enlaces son direccionales y pueden ser del tipo Yagi o parabólica. A objeto de minimizar los ruidos e interferencias, las antenas deben de tener Linea de Vista y observar la misma polarización, vertical u horizontal. 4c.- La Planta Transmisora Es el sitio destinado a alojar los equipos de transmisión: transmisor, transmisor de emergencia, antena, planta eléctrica y receptor de enlace, si lo hubiere. Para la protección de las vidas de los operadores de planta y técnicos, así como para la protección de los equipos de la planta transmisora, se deberá disponer de un sistema de pararrayo y aterramiento de todos los equipos, incluyendo antenas y líneas de transmisión.

6 PLANTAS DE TRANSMISIÓN DE LAS EMISORAS SÚPER 93.5 FM y SABOR FM 4c1.- El Transmisor El Transmisor de radio es un caso particular de transmisor, en el cual el soporte físico de la comunicación son ondas electromagnéticas. El Transmisor tiene como función codificar señales ópticas, mecánicas o eléctricas, amplificarlas, y emitirlas como ondas electromagnéticas a través de una antena. La codificación elegida se llama modulación y en nuestro caso es la modulación de frecuencia. El Transmisor está compuesto por un Excitador y un Amplificador de Potencia. El Excitador genera la frecuencia de operación. El audio proveniente de los estudios modula en frecuencia al VCO (oscilador controlado por voltaje) y esta señal de FM es amplificada hasta un nivel que permita excitar la etapa final del transmisor. Existen diferentes formas de obtener una modulación de frecuencia, históricamente primero fue utilizado el método de modulación de reactancia entre los años 1940 y 1950; uno de sus problemas era la estabilidad de la frecuencia de portadora, la cual dependía de la estabilidad de los valores nominales de los capacitores, resistores e inductores, los cuales varían con la temperatura de operación y los años de uso. Un segundo método, desde 1945, con el uso del oscilador a cristal piezoeléctrico fue la modulación de fase. La modulación de fase no cambia la frecuencia del cristal, pero al hacer pasar una señal modulada en fase por un proceso de multiplicado de frecuencia, esto es para obtener la segunda o tercera armónica e incluso la 27ª o mas armónica, el resultado es una modulación de frecuencia. La ventaja de este método estaba en la estabilidad de frecuencia dada por el cristal piezoeléctrico, y una mejora en la relación de señal - ruido. Ambas ventajas en todo caso apreciables. Una desventaja estaba en el límite de la desviación de frecuencia para obtener una adecuada linealidad de audio o mínima distorsión de la modulante. Las frecuencias muy elevadas se obtenían por medio de varactores (un tipo de semiconductor), al ser usados como multiplicadores de frecuencia, y para las frecuencias muy elevadas mediante diodos túnel.

7 Un tercer método, mayormente usado en nuestros días es mediante un oscilador controlado por voltaje (VCO) y un sintetizador de frecuencia digital, el cual se mantiene en frecuencia a través de un circuito de enclavamiento de fase o PLL (phase-loop lock). La frecuencia final del excitador se obtiene mediante un proceso de heterodinaje, por tanto se requiere al menos otro oscilador local, también sintetizado en una frecuencia apropiada que al sumar o restar con la frecuencia del VCO se obtenga la frecuencia deseada. Este tercer método incrementa la relación de señal a ruido, permite incrementar el ancho de banda de la señal modulante, así como la linealidad y tiene la ventaja de que el nivel de desviación de frecuencia se determina en el VCO, contraria al método de modulación de fase. El proceso de heterodinaje, con varios osciladores locales permite alcanzar frecuencias de operación en el orden de los Gigahertz. OSCILADOR TÍPICO CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO) CON CIRCUITO DE ENCLAVAMIENTO DE FASE (PLL) Amplificador de Potencia se encarga de elevar la potencia entregada por el Excitador hasta la potencia nominal del transmisor que puede ser de varios kilovatios, para luego ser conducida a la antena a través de la línea de transmisión, usualmente coaxial o de una guía de onda. Esta amplificación se puede llevar a cabo mediante válvulas termoiónicas, o de elementos semiconductores, tales como transistores del tipo BIFET y mas recientemente del tipo MOSFET, conformados en módulos de 100 a 500 vatios los cuales se combinan para entregar la potencia requerida. La calidad de la emisión de un transmisor, tanto de su menor nivel de espurias así como de la menor distorsión de la modulante y el menor ruido y durabilidad de un transmisor depende de factores tales como: -Diseño de la fuente de poder -Tipo de elementos de estado sólido del amplificador de RF -Diseño o tipo del circuito de sintonía de salida, si es sintonizable o por transformador de ancho de banda -Formas del combinador y del distribuidor de potencia -Temperatura de operación -Tipo de polarización, si es clase C, B o AB, circuito Push-Pull, paralelo o dispositivo de potencia único -Ancho de banda.

8 Excitador y Amplificador de Potencia Transmisor de 10 Kw 4c2.- La Antena, o sistema de antenas La antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma la energía eléctrica en ondas electromagnéticas, y una antena receptora realiza la función inversa. La antena básica está formada por un dipolo usualmente de media onda. Un sistema de antenas está conformada por uno o más dipolos de media longitud de onda (150/Frec.). Se suele ajustar a la impedancia característica de la línea de transmisión, cuya impedancia típica es de 50Ω o 75 Ω. Aunque también existen de 52 Ω y de 72 Ω La antena utilizada en la radio FM puede tener un patrón de radiación del tipo Omnidireccional o Direccional. Un patrón de radiación Omnidireccional irradia la misma intensidad de señal en todas las direcciones, esto es un ángulo de 360grados. Un patrón Direccional concentra su energía radiada en un sector angular menor. La polarización de esta radiación puede ser horizontal, vertical o circular. En Venezuela, la normativa inicial es permitir antenas con polarización horizontal, permitiendo también la polarización vertical, siempre y cuando la energía radiada vertical no fuese mayor a la energía horizontal. En Venezuela, por razones de economía, la mayoría de los radiodifusores han adoptado antenas con patrones de radiación esencialmente omnidireccionales. Las antenas de polarización circular son permitidas siempre y cuando la energía radiada en vertical cumpla con lo establecido Para incrementar la ganancia de radiación de la señal se implementan arreglos de antena convenientes, estos pueden ser horizontales o verticales. Por razones de que la energía radiada se quiere concentrar en el horizonte o a una distancia antes de éste, los arreglos de antenas son verticales. En este sentido, se realizan arreglos de 2, 4 ó más dipolos. (En un sistema de antenas de polarización circular de dos antenas la ganancia máxima teórica es de 1, por tal causa, en antenas de polarización circular no se recomiendan arreglos menores a cuatro antenas)

9 Estos arreglos hacen uso de los denominados distribuidores de potencia, existiendo esencialmente dos tipos, o mejor decir, dos formas, uno con líneas de transmisión y un segundo, con distribuidores de potencia con salidas paralelas. Ciertamente en los arreglos de antena, independientemente del tipo de forma de alimentación o distribución de la potencia, se deben utilizar transformadores de impedancia, estos transformadores de impedancia suelen basarse en las propiedades de una línea de transmisión de 1/ 4 de onda. Así, un arreglo de 4 dipolos tendrá una impedancia de 12,5 Ω (50 Ω/4), por lo que habrá que transformar esta impedancia en 50 Ω para poder ser acoplada a la impedancia de la línea y del transmisor, lo cual se logra con un elemento de longitud de un cuarto de onda y cuya impedancia característica sea de 25 Ω (Zt= 12,5Ω x 50Ω). Para el soporte de la antena se puede utilizar un mástil, una torre autosorportada o una torre venteada por medio de guayas, dependiendo de la disponibilidad de espacio para su instalación y los requerimientos de altura para su cobertura y Potencia Efectiva Radiada (PER) autorizada por el Ente Regulador (CONATEL). En el caso de torres venteadas, a objeto de evitar la distorsión del patrón de radiación de la antena por efectos de las guayas, se puede utilizar la sustitución de parte de éstas, en la cercanía de la antena, por materiales transparentes a las radiaciones electromagnéticas, tales como barras de fibra de vidrio o cuerdas de Filistran. Como referencia, en la instalación de la antena de la emisora Súper 93.5 FM se utilizaron barras de fibra de vidrio. Ejemplos de Antenas de Polarización Circular (*) Jefe de Ingeniería de las emisoras Sabor FM, Súper 93.5 FM, Col FM y Radio Reloj 1300 AM