Aprenda sobre dos circuitos que pueden extraer la información original de una señal portadora modulada en amplitud.

A estas alturas sabemos que la modulación se refiere a la modificación intencional de una sinusoide de tal manera que pueda llevar información de baja frecuencia desde un transmisor a un receptor. También hemos cubierto muchos detalles relacionados con los diferentes métodos -amplitud, frecuencia, fase, analógico, digital- de codificación de la información en una onda portadora.

Pero no hay razón para integrar datos en una señal transmitida si no podemos extraer esos datos de la señal recibida, y es por eso que necesitamos estudiar la demodulación. Los circuitos de demodulación van desde algo tan simple como un detector de picos modificado hasta algo tan complejo como la conversión descendente en cuadratura coherente combinada con sofisticados algoritmos de decodificación realizados por un procesador digital de señales.

Creación de la señal

Utilizaremos LTspice para estudiar las técnicas de demodulación de una forma de onda AM. Pero antes de demodular necesitamos algo que esté modulado.

En la página de modulación AM, vimos que se necesitan cuatro cosas para generar una forma de onda AM. Primero, necesitamos una forma de onda de banda base y una forma de onda portadora. Luego, necesitamos un circuito que pueda añadir un offset DC apropiado a la señal de banda base. Y por último, necesitamos un multiplicador, ya que la relación matemática correspondiente a la modulación de amplitud es multiplicar la señal de banda base desplazada por la portadora.

El siguiente circuito LTspice generará una forma de onda AM.

• V1 es una fuente de tensión sinusoidal de 1 MHz que proporciona la señal de banda base original.
• V3 produce una onda sinusoidal de 100 MHz para la portadora.
• El circuito de op-amp es un desplazador de nivel (también reduce la amplitud de entrada a la mitad). La señal procedente de V1 es una onda sinusoidal que oscila entre -1 V y +1 V, y la salida del op-amp es una onda sinusoidal que oscila entre 0 V y +1 V.
• B1 es una «fuente de tensión de comportamiento arbitrario». Su campo «valor» es una fórmula en lugar de una constante; en este caso la fórmula es la señal de banda base desplazada multiplicada por la forma de onda portadora. De este modo, B1 puede utilizarse para realizar una modulación de amplitud.

Aquí está la señal de banda base desplazada:

Y aquí puede ver cómo las variaciones de AM corresponden a la señal de banda base (es decir, el trazo naranja que está mayormente oscurecido por la forma de onda azul):

Al ampliar la imagen se pueden ver los ciclos individuales de la frecuencia portadora de 100 MHz.

Demodulación

Como se ha comentado en la página de modulación AM, la operación de multiplicación utilizada para realizar la modulación de amplitud tiene el efecto de transferir el espectro de banda base a una banda que rodea la frecuencia portadora positiva (+fC) y la frecuencia portadora negativa (-fC). Así, podemos pensar en la modulación de amplitud como un desplazamiento del espectro original hacia arriba en fC y hacia abajo en fC. De ello se deduce que la multiplicación de la señal modulada por la frecuencia de la portadora devolverá el espectro a su posición original, es decir desplazará el espectro hacia abajo por fC de manera que vuelva a centrarse en 0 Hz.

Opción 1: Multiplicación y filtrado

El siguiente esquema de LTspice incluye una fuente de voltaje demoduladora de comportamiento arbitrario; B2 multiplica la señal AM por la portadora.

Y aquí está el resultado:

Esto definitivamente no parece correcto. Si ampliamos la imagen, vemos lo siguiente:

Y esto revela el problema. Después de la modulación de amplitud, el espectro de banda base se centra alrededor de +fC. La multiplicación de la forma de onda AM por la portadora desplaza el espectro de banda base hacia abajo a 0 Hz, pero también lo desplaza hacia arriba a 2fC (en este caso 200 MHz), porque (como se ha dicho anteriormente) la multiplicación desplaza el espectro existente hacia arriba en fC y hacia abajo en fC.

Está claro, entonces, que la multiplicación por sí sola no es suficiente para una demodulación adecuada. Lo que necesitamos es la multiplicación y un filtro de paso bajo; el filtro suprime el espectro que fue desplazado hasta 2fC. El siguiente esquema incluye un filtro RC de paso bajo con una frecuencia de corte de ~1,5 MHz.

Y aquí está la señal demodulada:

Esta técnica es en realidad más complicada de lo que parece porque la fase de la forma de onda de la frecuencia portadora del receptor debe estar sincronizada con la fase de la portadora del transmisor. Esto se discute más a fondo en la página 5 de este capítulo (Entendiendo la demodulación en cuadratura).

Opción 2: Detector de picos

Como puede ver arriba en el gráfico que muestra la forma de onda de AM (en azul) y la forma de onda de banda base desplazada (en naranja), la parte positiva de la «envolvente» de AM coincide con la señal de banda base. El término «envolvente» se refiere a las variaciones de la amplitud sinusoidal de la portadora (a diferencia de las variaciones del valor instantáneo de la propia forma de onda). Si pudiéramos extraer de alguna manera la parte positiva de la envolvente de AM, podríamos reproducir la señal de banda base sin necesidad de utilizar un multiplicador.

Resulta que es bastante fácil convertir la envolvente positiva en una señal normal. Empezamos con un detector de picos, que no es más que un diodo seguido de un condensador. El diodo conduce cuando la señal de entrada es al menos ~0,7 V por encima de la tensión en el condensador, y de lo contrario actúa como un circuito abierto. Así, el condensador mantiene la tensión de pico: si la tensión de entrada actual es inferior a la del condensador, la tensión del condensador no disminuye porque el diodo con polarización inversa impide la descarga.

Sin embargo, no queremos un detector de pico que retenga la tensión de pico durante un largo período de tiempo. En cambio, queremos un circuito que retenga el pico en relación con las variaciones de alta frecuencia de la forma de onda de la portadora, pero que no retenga el pico en relación con las variaciones de baja frecuencia de la envolvente. En otras palabras, queremos un detector de picos que retenga el pico sólo durante un corto período de tiempo. Esto se consigue añadiendo una resistencia en paralelo que permita la descarga del condensador. (Este tipo de circuito se llama «detector de picos con fugas», donde «con fugas» se refiere a la vía de descarga proporcionada por la resistencia). La resistencia se elige de forma que la descarga sea lo suficientemente lenta como para suavizar la frecuencia de la portadora y lo suficientemente rápida como para no suavizar la frecuencia de la envolvente.

Aquí hay un ejemplo de un detector de picos con fugas para la demodulación de AM:

Nótese que he amplificado la señal de AM por un factor de cinco para que la señal de entrada del detector de picos sea mayor en relación con la tensión de avance del diodo. El siguiente gráfico transmite el resultado general que intentamos conseguir con el detector de picos con fugas.

La señal final muestra la característica de carga/descarga esperada:

Se podría utilizar un filtro de paso bajo para suavizar estas variaciones.