Radio FM

Trasmisor de una emisora de radio FM.

La modulación de frecuencia o FM es una manera de modulación que envía la información al variar la frecuencia de la onda portadora, a diferencia de la modulación de amplitud donde se varía la amplitud y no la frecuencia. Con la modulación de frecuencia, la desviación de la frecuencia de la frecuencia portadora asignada en cualquier momento es directamente proporciononal al amplitud de la señal de entrada de audio, determinando la frecuencia instantánea de la señal transmitida. Como las señales FM usan un mayor ancho de banda que las señales AM, esta forma de modulación es comúnmente usada con las frecuencias más altas (VHF o UHF) usadas en la TV, la transmisión de radio FM, la telefonía móvil, las tecnologías Wi-Fi y Bluetooth, y las radios móviles terrestres.

La desviación máxima de frecuencia de la portadora es usualmente especificada y regulada por las autoridades o el gobierno de cada país. Para una transmisión en estéreo, se admite una desviación máxima de ±75 kHz. Para las transmisiones monofónicas se admite la misma desviación o una menor de ±50 kHz en algunos países.[3]

Antena transmisora de dipolo cruzado.

El ancho de banda de una transmisión FM se define por la Regla de Ancho de Banda de Carson que es la suma del doble de la desviación máxima y el doble del máximo de la modulación de frecuencia. Para una transmisión que incluya datos RDS, esto sería 2x75kHz + 2x60kHz = 270 kHz, también conocido como el ancho de banda necesario.

El ruido aleatorio tiene una distribución triangular espectral en un sistema FM, con el efecto que produce una mayor cantidad de ruido en las frecuencias de audio mayores dentro de la banda base. Esto puede ser compensado parcialmente amplificando las frecuencias altas antes de la transmisión y reduciéndolas en el receptor. Reducir las frecuencias en el receptor también reduce el ruido de alta frecuencia percibido. Estos procesos se llaman pre énfasis y de énfasis respectivamente.

La cantidad de pre énfasis y de énfasis usado es definido por una constante de tiempo de un circuito RC. En la mayor parte del mundo se usa una constante de tiempo de 50 µs, mientras que en América del Norte, América Latina y Corea del Sur se usan 75 µs[4]. Esto aplica a las emisiones monofónicas y en estéreo. En las emisiones estéreo el pre énfasis es realizado antes de la multiplexación.

El uso de estas técnicas se convierte en un problema porque varios géneros musicales actuales y de diversas partes del mundo contienen una mayor cantidad de energía de alta frecuencia que los géneros occidentales que predominaban en los inicios de la radiodifusión en FM. Realizar un pre énfasis en estos sonidos podría desviar demasiado la onda portadora. Para evitarlo se emplean dispositivos limitadores o de control de la modulación. Las emisoras actuales usan técnicas digitales para manejar el pre énfasis dependiendo del género o descartan el proceso por completo.

Composición típica de una señal FM.

Antes de que la trasmisión esterefónica fuera considerada, ya se experimentaban con la multiplexación de la señal. Edwin Armstrong que había inventado la tecnología, fue el primero en experimentar con la multiplexación en su emisora de 40 MHz localizada en el edificio Empire State en Nueva York. los sistemas de General Electric y Zenith Electronics fueron elegidos para establecer el estándar de la transmisión estereofónica. Se resaltó la compatibilidad con los receptores monofónicos. Por esta razón los canales izquierdo (I) y derecho (D) son codificados de manera algebraica para producir señales de suma (I+D) y diferencia (I-D). Un receptor monofónico solo usa la señal I+D para replicar ambos canales en un solo altavoz. mientras que un receptor estereofónico suma la señal de diferencia I-D a la señal de suma para replicar el canal izquierdo y restar la señal de diferencia de la suma para replicar el canal derecho.

La señal I+D es limitada de 30 Hz a 15 kHz para hacer espacio para el tono piloto. La señal I-D es limitada a 15 kHz, con una amplitud modulada en una portadora de banda doble suprimida (DSB-SC) ocupando de 23 a 53 kHz. Un tono piloto de 19 kHz en la mitad de la subportadora de 38 kHz. El tono piloto se transmite de 8 a 10 % de la modulación en general y es usado por el receptor para identificar una señal estéreo y regenerar la subportadora de 38 kHz con la fase correcta.

Sin embargo, la relación señal a ruido y la distorsión de la señal estéreo son mayores que las de una señal monofónica haciendo la recepción aún más difícil y problemática[5]. Por esta razón muchos receptores estéreo incluyen la opción de escuchar en monofónico cuando la señal estéreo sea demasiado débil o ruidosa y los receptores en los autos son fabricados para reducir la separación de canales si la señal se vuelve débil o ruidosa, incluso cambiando al sonido monofónico de ser necesario.

Datos RDS de Cadena SER Radio Madrid en 105.4 MHz

La señal FM ha sido creada con la posibilidad de incluir agregados a la señal de audio. Esto ha permitido que aparezcan servicios adicionales a la transmisión de audio en la señal FM como señales para dispositivos, idiomas alternos en información sobre la emisora y los contenidos emitidos mediante el sistema RDS. Estos agregados se ubican entre 67 y 92 kHz.

El servicio más común en Europa y América Latina es RDS. Permite varias posibilidades como mostrar en pantalla el nombre de la emisora y los contenidos en emisión, trasmitir información de fecha y hora entre otras. En Estados Unidos se emplea RBDS con los mismos propósitos.

en América del Norte y América Latina los servicios de radio digital se desarrollan como un agregado a la radio analógica. La tecnología HD Radio, propiedad de la empresa estadounidense XPERI, funciona usando las subportadoras de FM para transmitir datos de audio de manera digital y usando compresión digital. Actualmente se autoriza su uso en modo "híbrido" con la transmisión simultánea de las señales analógicas y digitales.

La modulación en frecuencia (FM) tiene un mejor rechazo a la interferencia electromagnética que AM, como se muestra en esta dramática demostración publicitaria en Nueva York realizada por General Electric en 1940. Cerca del prototipo de receptor de radio (en el centro) que contenía receptores para AM y FM se realizó una descarga eléctrica de un millón de voltios. Durante la sintonía en AM, el grado de interferencia fue tal que solo logró escucharse el resultado de la descarga eléctrica. Cuando se cambió al modo FM, la música logró escucharse con sólo una pequeña cantidad de estática.

La potencia de salida de un transmisor de FM es uno de los parámetros que definen la distancia máxima de cobertura. Otros factores son la altura de la antena transmisora y la ganancia de la misma. La potencia debe ser elegida con cuidado para cubrir el área requerida sin causar interferencias con las emisoras de otras áreas. La potencia usualmente se define entre unos pocos milivatios hasta 80 kW. En cuanto el poder del transmisor rebasa los varios kilovatios, los costos de operación se vuelven altos y solo son viables para gobiernos y corporaciones de medios. La eficiencia de los transmisores ha mejorado con el paso del tiempo llegando a niveles superiores del 70% para las transmisiones exclusivamente analógicas. Sin embargo la eficiencia disminuye si se agregan transmisiones digitales con la tecnología HD Radio.

Como todas las ondas VHF, las ondas de radio FM no son capaces de viajar más allá del horizonte visual, por lo que la distancia de cobertura se limita a 50-60 km. También obstáculos como colinas, montañas y edificios puede reducir la calidad de la señal. Los receptores más sensibles, con sistemas de antenas especializados o con topografía más favorable pueden recibir emisiones de radio FM a mayores distancias.

La difracción puede permitir la recepción donde no exista una clara línea de visión entre el emisor y el receptor. Otros efectos de la propagación de las ondas de radio como los conductos troposféricos y la capa E esporádica permiten recibir ocasionalmente emisiones de grandes distancias pero no pueden funcionar como base para las transmisiones comerciales. A pesar de ello la cobertura es menor que con las emisiones AM porque al emplear frecuencias más bajas permiten transmitir a través de obstáculos y reflejarse en la ionósfera.

La interferencia de otras emisoras también es un factor que afecta la cobertura. La simulación por computadora es empleada para predecir la cobertura según las condiciones. Varias emisoras, especialmente las localizadas en áreas congestionadas comprimen el audio para elevar el material sobre el ruido de fondo a costa de reducir la calidad de audio. Sin embargo esta técnica también funciona para ampliar la cobertura.

Las frecuencias disponibles para la emisión en FM fueron decididas en varias conferencias importantes de Unión Internacional de Telecomunicaciones.[12] El mayor suceso fue el acuerdo de Estocolmo de 1961 entre 38 países. Una conferencia en Génova de 1984 hizo algunas modificaciones en las frecuencias mayores a 100.0 MHz.