5.1 NECESIDAD DE LA MODULACIÓN
En Telecomunicaciones el término modulación engloba el conjunto de técnicas para trasportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda senoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que permitirá trasmitir más información simultáneamente o proteger la información de posibles interferencias y ruidos.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir. Es decir, se encarga de transportar la señal digital que sale de la computadora, en analógica, que es en la forma que viaja a través de las líneas de teléfono comunes (modula la señal); y a sus vez, el receptor se encarga de “demodular” la señal.
¿Por qué se modula una señal?
Para controlar dicha señal y así facilitar la propagación de la señal de información por cable o por el aire, ordenar el espacio radioeléctrico, distribuir canales a cada información distinta.
¿Por qué se modula una señal?
Para disminuir las dimensiones de las antenas, optimizar el ancho de banda de cada canal evitando interferencias entre canales, proteger a la información de las degradaciones por ruido y definir la calidad de la información trasmitida.
Para modular una señal son utilizados dispositivos electrónicos semiconductores con características no lineales (diodos, transistores, bulbos), resistencias, inductores, capacitores y también combinaciones entre ellos.
5.2 MODULACIÓN DE SEÑALES AÑALÓGICAS
5.2.1 Moduladores y Demoduladores AM
Las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente por
una antena y propagase por el espacio libre se llaman comúnmente radiofrecuencias o
simplemente RF. Con la modulación de amplitud, la información se imprime sobre la
portadora en la forma de cambios de amplitud.
La modulación de amplitud es una forma de modulación relativamente barata y de baja
calidad de modulación que se utiliza en la radiodifusión de señales de audio y vídeo. La
banda de radiodifusión comercial AM abarca desde 535 a 1605 kHz. La radiodifusión
comercial de tv se divide en tres bandas (dos de VHF y una de UHF).
5.2.2 Modulación en banda lateral única
El sistema de modulación AM se modificó para aumentar la eficiencia al no tener que llevar la portadora. Esto produjo modulación DSB. Sin embargo, analizando el espectro de una señal DSB, se encuentra que aún hay redundancia ya que las dos bandas alrededor de fc son simétricas. Por lo tanto bastaría enviar una sola de las dos: la superior o la inferior. Por ejemplo si el mensaje x(t) tiene el siguiente espectro:
Se puede tener USSB( Upper Single Side Band o Banda Lateral Superior) o LSSB (Lower Single Side Band o Banda Lateral Inferior)
En AM la potencia resultó igual a Pc + 2 PSB. Ahora, en cualquiera de los dos tipos de SSB , la potencia será PSB, es decir:
PUSSB=PLSSB=Ac2 Sx / 4
Por otra parte el ancho de banda de transmisión es W, la mitad que para AM y DSB.
5.2.3 Modulación en frecuencia y fase
En la Modulación de frecuencia (FM) la máxima desviación de frecuencia, es decir, cambio en la frecuencia de la portadora, ocurre durante los máximos puntos negativos y positivos de la señal modulante, es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante. En la modulación de fase (PM), la máxima desviación de frecuencia ocurre durante los cruces de cero de la señal modulante, es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la pendiente o primera derivada de la señal modulante.
5.2.4 Moduladores y demoduladores FM
Este tipo de modulación, es el proceso en el que la señal moduladora modifica el valor instantáneo de la frecuencia dela señal portadora; variando la frecuencia de la portadora de amplitud constante directamente proporcional, ala amplitud de la señal modulante, con una relación igual a la frecuencia de la señal modulante. En la modulación de frecuencia la máxima desviación de frecuencia(cambio en la frecuencia que ocurre en la portadora) ocurre durante los máximos puntos negativos y positivos de la señal modulante, es decir, la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante.
Por parte de la demodulación, desde el desarrollo delos circuitos integrados lineales, la demodulación FM puede lograrse muy fácilmente con un circuito de fase cerrada; su operación es muy sencilla,la señal de la portadora se suma con la señal que lleva la información dando como resultado la modulación por frecuencia.
5.2.5 El ruido en señales moduladas
Las señales pueden ser tanto de fuentes internas como externas. Las fuentes internas usualmente están presentes de un modo u otro existan señal o no, y no cambian abruptamente al menos que suceda algo extraño dentro del equipo o en las interconexiones. Las fuentes externas tienen dos formas para ser introducidas dentro del sistema. Una es a través de la antena y la otra es a través de la potencia de entrada.
Las señales no deseadas pueden estar o presentes todas las veces. Estas pueden ocurrir momentáneamente, intermitentemente o periódicamente. Es importante cuando se trata de eliminar las señales no deseadas para conocer si están entrando al sistema de fuentes externas o si están presentes sin cualquier entrada externa.
5.3 MODULACIÓN DE SEÑALES DIGITALES
5.3.1 Modulación ASK
Modulación por Desplazamiento de Amplitud. Es una modulación de amplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios (0 y 1) se representan con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dos amplitudes sea cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa mediante la ausencia de la señal portadora, en este caso la frecuencia y la fase se mantiene constante.
La modulación en ASK no es otra cosa que una variante de la modulación en AM que se adapta perfectamente a las condiciones de los sistemas digitales, además de que les permite trabajar sobre una sola frecuencia de transmisión en ves de tener que lidiar con pulsos cuadrados que contienen componentes en todas las frecuencias del espectro.
Su recuperación también resulta ser más sencilla, dado que sólo depende de sincronizar la frecuencia de las señales sinusoidales que sirven de portadoras y regeneradoras dependiendo si se hallan en el modulador o el demodulador.
El ASK por sí sólo, a pesar de todas estas consideraciones, no es uno de los métodos más utilizados debido a que para cada frecuencia es necesario realizar un circuito independiente, además de que sólo puede transmitirse un solo bit al mismo tiempo en una determinada frecuencia. Otro de los inconvenientes es que los múltiplos de una frecuencia fundamental son inutilizables y que este tipo de sistemas son susceptibles al ruido.
ASK puede ser definido como un sistema banda base con una señal para el "1" igual a: Ecuación de trabajo.
La señal para el cero es igual a s0(t) = 0.
5.3.2 Modulación FSK
FSK. Es un tipo de modulación de frecuencia cuya señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía entre valores predeterminados. En los sistemas de modulación por salto de frecuencia. La señal moduladora hace variar la frecuencia de la portadora, de modo que la señal modulada resultante codifica la información asociándola a valores de frecuencia diferentes.
5.3.3 Modulación PSK
PSK (Phase-shift keying), es una modulación de fase donde la señal moduladora (datos) es digital.
Existen dos alternativas de modulación PSK: PSK convencional, donde se tienen en cuenta los desplazamientos de fase y PSK diferencial, en la cual se consideran las transiciones.
Las consideraciones que siguen a continuación son válidas para ambos casos.
En PSK el valor de la señal moduladora está dado por
mientras que la señal portadora vale:
vp(t) = Vp cos(2π fp t)
En donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.
La modulación PSK está caracterizada por
v(t) = vp(t) . vm(t)
o sea
v(t) = Vp . Vm cos(2π fp t)
Luego para Vm = 1
v(t) = Vp cos(2π fp t)
y para Vm = -1
v(t) = -Vp cos(2π fp t) = Vp cos(2π fp t + π)
5.3.4 Modulación DPSK
La señal DPSK, que transporta la información por medio de la diferencia de fase entre símbolos adyacentes, puede generarse empleando diferentes métodos. Entre los más básicos se encuentran el uso de un modulador de fase polarizado a Vp, un modulador Mach-Zehnder de doble brazo en una configuración push-pull con sendos amplificadores, o bien un único modulador Mach-Zehnder sin chirp polarizado a 2Vp para conseguir una excursión de fase completa. La principal desventaja de las técnicas de modulación de fase directa es que introducen chirp. Otros esquemas de transmisores DPSK hacen uso de una arquitectura con dos moduladores Mach-Zehnder en paralelo.
5.3.5 Modulación MPSK
En este sistema la fase de la señal portadora puede tomar secuencialmente N valores posibles separados entre sí por un ángulo definido por
Este es un caso de transmisión multinivel, donde la portadora tomará los N valores posibles de acuerdo a los niveles de amplitud de la señal moduladora.
Dado que la cadencia de una transmisión de datos binarios está dada por la cantidad de veces que una señal cambia de nivel, observaremos como podemos enviar dos unidades de información (dos bits), mediante un solo cambo de nivel.
Tengamos la siguiente secuencia de bits
Si a los bits de la cadena de información los tomamos de a dos, tendremos
10 | 11 | 01 | 00 | 10 | 01
O sea que al tomar los bits de a dos de una señal binaria unipolar, hay solo cuatro combinaciones a la cuales se las denomina dibits.
En este sistema la fase de la señal portadora puede tomar secuencialmente N valores posibles separados entre sí por un ángulo definido por
Este es un caso de transmisión multinivel, donde la portadora tomará los N valores posibles de acuerdo a los niveles de amplitud de la señal moduladora.
Dado que la cadencia de una transmisión de datos binarios está dada por la cantidad de veces que una señal cambia de nivel, observaremos como podemos enviar dos unidades de información (dos bits), mediante un solo cambo de nivel.
Tengamos la siguiente secuencia de bits
Si a los bits de la cadena de información los tomamos de a dos, tendremos
10 | 11 | 01 | 00 | 10 | 01
O sea que al tomar los bits de a dos de una señal binaria unipolar, hay solo cuatro combinaciones a la cuales se las denomina dibits.
00
01
10
11
11
Si a cada par de bits, le asignamos diferentes niveles o amplitudes de señal, se obtiene la siguiente tabla.
Dibit
Nivel Asignado
00
0
01
1
10
2
11
3
A los pulsos de las señales multinivel se los denomina dibits, puesto que en cada uno de ellos se envían dos bits. En forma similar se pueden obtener tribits, cuadribits, etc.
Este tipo de señales son las que se emplean en MPSK. Para el caso particular de N = 4, se tiene 4PSK o QPSK.
Como la señal portadora toma 4 valores posibles, se deberán producir 4 desplazamientos de fase que nos proveerán 4 fases distintas, correspondiendo cada uno de ellos a un dibit diferente. Para este caso, gráficamente tendremos los siguientes desplazamientos de fase:
Si recordamos que la velocidad de transmisión Vt está dada por
Al aumentar N estamos incrementando la velocidad de transmisión para el mismo ancho de banda, puesto que no hemos aumentado la velocidad de modulación.
Por otra parte el periodo de un dibit será el doble del periodo de un bit, o sea
Tdibit = 2 Tbit
De donde se deduce que el ancho de banda para cada caso será
En consecuencia para la misma velocidad de transmisión Vt cuando se transmiten dibits, se requerirá la mitad del ancho de banda que para la transmisión de los bitts individuales.
En el sistema 4PSK las señales son más sensibles a los efectos de interferencias y ello provoca un aumento en la tasa d error. Si se desea transmitir 4PSK con la misma tasa de error que en 2PSK, se debe aumentar en 3dB la relación señal ruido.
5.3.6 Modulación QAM
Modulación de amplitud en cuadratura QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Consiste en modular por desplazamiento en amplitud ( ASK) de forma independiente, dos señales portadoras que tienen la misma frecuencia pero que están desfasadas entre sí 90º.
La señal modulada QAM es el resultado de sumar ambas señales ASK. Estas pueden operar por el mismo canal sin interferencia mutua porque sus portadoras al tener tal desfase, se dice que están en cuadratura. Estas dos ondas generalmente son señales sinusoidales en la cuál una onda es la portadora y la otra es la señal de datos.
Utilización.
Módem superiores a 2400 bps (ejemplo V.22 bis y V.32) .
Multitud de sistemas de transmisión de televisión, microondas, satélite, etc.
En la modulación TCM(Trellis Coded Modulation) .
Modems ADSL(Asymmetric Digital Suscriber Line)
Ecuación Matemática.
Las amplitudes de las dos señales moduladas en ASK (a y b),toman de forma independiente los valores discretos an y bn correspondientes al total de los “N” estados de la señal moduladora codificada en banda base multinivel N= n x m.
Las amplitudes de las dos señales moduladas en ASK (a y b),toman de forma independiente los valores discretos an y bn correspondientes al total de los “N” estados de la señal moduladora codificada en banda base multinivel N= n x m. Una modulación QAM se puede reducir a la modulación simultanea de amplitud ASKn,m y fase PSKn,m de una única portadora, pero solo cuando los estados de amplitud An,m y de fase Hn,m que esta dispone, mantienen con las amplitudes de las portadoras originales an y bn.
BIBLIOGRAFIAS:
http://cidecame.uaeh.edu.mx/lcc/mapa/PROYECTO/libro27/38_concepto_y_necesidad_de_modulacin.html
https://www.ecured.cu/Modulaci%C3%B3n_de_fase
http://www.academia.edu/9594646/MODULADOR_Y_DEMODULADOR_FM
https://startcom1.wordpress.com/2011/01/25/ruido-en-sistemas-de-modulacion-continua-en-receptores-am-y-fm/
https://www.ecured.cu/Modulaci%C3%B3n_ASK
http://umbtxdigital.blogspot.mx/2011/07/transmision-de-desplazamiento-de-fase.html
http://www.conectronica.com/fibra-optica/redes-opticas/moduladores-opticos-dpsk
http://andres911-tecnicasentransmisindigital.blogspot.mx/2011/07/modulacion-mpsk-multi-psk.html
https://www.ecured.cu/Modulaci%C3%B3n_QAM
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