¿Cuál es el propósito de una señal portadora en la tecnología de comunicación?

Si tuviera que transmitir solo la señal de audio, tendría efectivamente un solo canal que todos tienen que compartir. Estarían usando la misma porción diminuta del espectro electromagnético. No se puede separar lo que envía un transmisor de lo que envía otro transmisor. Sería como tratar de tener una conversación en una habitación con cientos de otras personas tratando de mantener sus propias conversaciones.

Al modular la señal de voz en una portadora, es posible separar las transmisiones individuales.

Si yo uso una portadora de 1 MHz y tú usas una portadora de 2 MHz, el receptor se puede sintonizar para que te escuche y me ignore.

El transportista está ahí para hacer posible esa distinción.

También tiene otras ventajas.

Es difícil hacer un amplificador de alta potencia que cubra un amplio rango de frecuencias.

El rango de audio a menudo se considera de 20 Hz a 20 kHz. Esas son varias octavas que su amplificador tiene que cubrir. Tiene que funcionar correctamente en todas esas octavas.

Si usa una frecuencia portadora mucho más alta, su amplificador solo tiene que funcionar correctamente en una fracción de octava. 20kHz es una pequeña fracción de 1MHz, por ejemplo. Un transmisor para una portadora de 1 MHz solo tiene que cubrir de 0,998 MHz a 1,02 MHz. Una octava sería de 1MHz a 2MHz.

Otra cosa a considerar es el tamaño de la antena.

Una señal a 20kHz tiene una longitud de onda de 150 kilómetros. Una antena dipolo de cuarto de onda necesitaría varillas de casi 40 kilómetros de largo.

A 1 MHz, la antena se vuelve más manejable: una antena dipolo de cuarto de onda necesitaría varillas de solo 75 metros de largo.

Los problemas con el ancho de banda que mencioné con respecto al amplificador del transmisor también se aplican a la antena. Una antena solo puede radiar de manera efectiva en un rango de frecuencias relativamente pequeño. Al igual que con el amplificador, ese rango suele ser una pequeña fracción de octava.

Una antena hecha para frecuencias de audio tendría que cubrir longitudes de onda de 15000 kilómetros a 15 kilómetros. Una antena hecha como un compromiso entre esos extremos no irradiaría de manera muy efectiva, y aún tendría que ser muy grande.

Como usuario, solo le interesa la señal modulada en la portadora; solo quiere escuchar la música de su estación de radio local.

Como ingeniero, debe considerar la mejor manera de llevar la señal desde donde está hasta donde la quiere. Para la radio, eso hace que la señal portadora sea muy importante.

¿Para qué sirve la señal portadora cuando en realidad no nos importa esta sino la otra señal (la señal útil)?

Introducción

_{• "Mezclar" una onda portadora con una señal de audio de banda base, reposiciona el audio alrededor de la portadora en el espectro RF superior.
• Una vez "mezclado", el audio ya no aparece en la banda base del espectro
• "Mezcla" es un término usado para modulación (o multiplicación)
• Esto permite que el audio coexista con otros (diferentes) canales de audio que use una frecuencia portadora ligeramente diferente.
• A continuación, puede sintonizar cualquier canal de audio que desee moviendo el dial de sintonización a otra frecuencia portadora.}

Circuito de simulación simple

Esquema de un modulador de AM simple que utiliza una entrada de audio de onda triangular y una portadora de 1 MHz: -

Salida modulada

Y así es como se ve Vout (azul) junto con la onda triangular de modulación original en rojo: -

Espectro de la salida modulada

Ahora, si uso mis herramientas FFT en la portadora modulada (Vout), veo esto: -

Uso de una onda sinusoidal como entrada de modulación

Si cambiara mi señal de modulación a una onda sinusoidal de 10 kHz (mejor pureza de la señal) y me concentrara en el espectro resultante mucho más cerca de 1 MHz, vería esto: -

¿Por qué no se usa solo la señal útil mezclándola con la portadora?

Debido a la mezcla con una onda portadora, la señal de banda base (audio) se reposiciona en el espectro a 1 MHz. Esto significa que si tiene otra señal de banda base, puede reposicionarla en (digamos) 1,1 MHz y luego puede sintonizar su receptor de AM en cualquier frecuencia y escuchar la señal de banda base de cualquiera (sin interferencia cruzada).

Así funcionan las radios AM.

Las antenas no pueden usar audio de banda base

Pero, también se reduce a cómo funcionan las antenas. Si todo lo que tuviera fuera una señal de audio de banda base (digamos de 100 Hz a 10 kHz), para hacer una antena de transmisión efectiva que pudiera funcionar a 100 Hz significaría tener una longitud de onda de aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de 100 Hz. Entonces, 100 Hz tiene una longitud de onda de 3.000 km, entonces, ¿ves que eso no solo es poco práctico sino simplemente tonto?

Pero es peor que eso porque su antena también necesita poder trabajar con 10 kHz y 10 kHz tiene una longitud de onda de 30 km. Esto significa que su antena en banda base no puede manejar una dispersión tan amplia de frecuencias de banda base.

Por otro lado, cuando la banda base se modula a 1 MHz, las bandas laterales útiles (ver imagen de arriba) están a 990 kHz y 1010 kHz (cuando la señal de modulación es de 10 kHz).

En frecuencias de modulación más bajas (como 100 Hz), las bandas laterales útiles están en 999,90 kHz y 1000,10 kHz. Esto significa que una longitud de antena fija puede manejar ambas bandas laterales porque las longitudes de onda respectivas (a 10 kHz) son 300,033 metros y 299,97 metros respectivamente.

Esto es lo que hace que una antena funcione.

Para los cálculos de la antena, siga este enlace .

¿Por qué no se usa solo la señal útil en lugar de mezclarla con la portadora?

La idea es que las frecuencias bajas requieren antenas grandes para transmitir/recibir y las frecuencias más altas requieren antenas más pequeñas.

Pictóricamente, el proceso es el siguiente: tiene una señal de modulación que transporta cierta información. Tiene una frecuencia mucho más baja que la portadora.

Puede transmitir el portador, pero no tiene información. Si recibe un ciclo del transportista en el extremo receptor, eso es todo lo que necesita para recrear todos los ciclos.

Si mezcla (multiplica) la portadora con la señal de modulación, obtiene una señal modulada, que tiene información (incrustada en la amplitud cambiante por ahora) y que puede transmitirse utilizando un tamaño de antena manejable.

En el extremo receptor, mezclas (multiplicas) la señal modulada con una portadora generada localmente una vez más que debería estar exactamente en la misma frecuencia para recuperar la información que lleva la señal moduladora.

La señal de modulación ahora se puede recuperar mediante el filtrado de paso bajo de la portadora que estaba en una frecuencia mucho más alta que la señal de información. Se llama detección de envolvente en los libros de texto.

Esta era la modulación de amplitud (AM) y se ve muy afectada por el ruido en el canal. Puede incrustar la misma información en la fase o frecuencia de la portadora, lo que da como resultado esquemas PM/FM que son más resistentes a la interferencia del canal.

Para FM y otros escenarios donde están presentes una fuente y múltiples receptores, esta explicación es suficiente.

Para los teléfonos celulares, muchos usuarios están transmitiendo y recibiendo; por lo tanto, no se puede utilizar el mismo transportista. Múltiples operadores dentro de una banda se asignan al proveedor de servicios y se utiliza un esquema elaborado para saltar de frecuencia y transmitir sus datos y conversaciones. A medida que asista a un curso sobre comunicaciones inalámbricas. sus conceptos serán aclarados.

Espero que esto aborde algunas de sus preguntas.

Imagina que compraste un gran guardarropa y necesitas llevarlo a tu casa. Pero el único equipo de transporte que tienes es un coche pequeño. No es posible poner el guardarropa en el automóvil debido a la limitación de tamaño (ancho de banda) y amarrar el guardarropa a su automóvil es peligroso por la carga (pérdida). Entonces, ¿no sería mejor si desarmas el guardarropa y colocas las piezas en tu auto y luego vuelves a armar el guardarropa en tu casa cuando llegues?

Ahora bien, esto es lo que es la modulación y demodulación AM. El medio es tu coche y el armario es la señal útil. Pero requiere más esfuerzo (complejidad) llevar la carga del punto A al B de forma segura.

Otro ejemplo es la fibra óptica. Imagina que tienes 4 señales diferentes y todas deberían transmitirse al mismo tiempo. Pero tienes un solo núcleo de fibra. Todo lo que puede hacer es transportar cada señal con una longitud de onda diferente y configurar los receptores para que sean sensibles a diferentes longitudes de onda. Buen truco, ¿no?

Simplemente, el ancho de banda, el rango, la cantidad de nodos y muchos otros parámetros traen limitaciones. Por lo tanto, modular la señal es casi siempre imprescindible cuando se trata de transportar la señal a través de cualquier medio.