TÉCNICAS DE MODULACIÓN AM Y FM
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 esta 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.
La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla. El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM.
Amplitud modulada (AM) o modulación de amplitud es un tipo de modulación lineal que consiste en hacer variar la amplitud de la señal portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal que contiene la información que se desea transmitir, llamada señal moduladora o modulante.
CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL
La conversión analógica-digital (CAD) consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.
Teorema de muestreo (Nyquist)
El teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, también conocido como teorema de muestreo de Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon, criterio de Nyquist o teorema de Nyquist.
El teorema trata del muestreo, que no debe ser confundido o asociado con la cuantificación, proceso que sigue al de muestreo en la digitalización de una señal y que, al contrario del muestreo, no es reversible (se produce una pérdida de información en el proceso de cuantificación, incluso en el caso ideal teórico, que se traduce en una distorsión conocida como error o ruido de cuantificación y que establece un límite teórico superior a la relación señal-ruido).
MODULACIÓN DE BANDA BASE
El término banda base se refiere a la banda de frecuencias producida por un transductor, tal como un micrófono, un manipulador telegráfico u otro dispositivo generador de señales que no es necesario adaptarlo al medio por el que se va a trasmitir.
Banda base es la señal de una sola transmisión en un canal, banda ancha significa que lleva más de una señal y cada una de ellas se transmite en diferentes canales, hasta su número máximo de canal.
Codificación en Amplitud
La capa de enlace de datos prepara la información para su envío en forma de trenes de bits sucesiones de 0 y 1 binarios que contienen los datos o transmitir junto a las cabeceras necesarias para el funcionamiento correcto de los diferentes protocolos. Si pensamos que un ordenador es un dispositivo eléctrico/electrónico, que funciona a base de impulsos de corriente eléctrica continua. Comprenderemos claramente como estos ceros y unos lógicos son interpretados por nuestra maquina como variación de tención eléctrica. Es decir, que para que la información circule por los diferentes partes de nuestro computador es preciso una transformación de dígitos binarios en impulsos de electricidad continua. El mecanismo general de transformación (datos) en algo que la computadora represente y que sea apto para su transmisión por un medio cualquiera se denomina codificación, y a esos algo que representan la información se les conoce con el nombre de señales.
Codificación Polar: NRZ, NRZ-L, Amplitud y Amplitud diferencial
No retorno a cero, invertido (NRZI, “Nonreturn to Zero, invert on ones”).
Una variante de NRZ se denomina NRZI. Al igual que NRZ-L, el NRZI mantiene constante el nivel de tensión mientras dura un bit. Los datos se codifican mediante la presencia o ausencia de una transición de la señal al principio del intervalo de duración del bit. Un 1 se codifica mediante la transición (bajo a alto o alto a bajo) al principio del intervalo del bit, mientras que un cero se representa por la ausencia de transición.
NRZI es un ejemplo de codificación diferencial. En la codificación diferencial, en lugar de determinar el valor absoluto, la señal se decodifica comparando la polaridad de los elementos de señal adyacentes. Una ventaja de este esquema es que en presencia de ruido puede ser más seguro detectar una transición en lugar de comparar un valor con un umbral. Otra ventaja es que en unos sistemas complicados de transmisión, no es difícil perder la polaridad de la señal. Por ejemplo, en una línea de par trenzado, si los cables se invierten accidentalmente, todos los 1 y 0 en el NRZ-L se invertirán. Esto no pasa en un esquema diferencial.
La principal limitación de las señales NRZ es la presencia de una componente dc téngase en cuenta que una cadena larga de unos y ceros en un esquema NRZ-L o una cadena de ceros en el NRZI, se codificará como un nivel de tensión constante durante un largo intervalo de tiempo.
En estas circunstancias, cualquier fluctuación entre las temporizaciones del transmisor y el receptor darán lugar a una pérdida de sincronización entre ambos.
Debido a su sencillez y a la respuesta en bajas frecuencias, los códigos NRZ se usan con frecuencia en las grabaciones magnéticas. No obstante, sus limitaciones hacen que estos códigos no sean atractivos para aplicaciones de transmisión de señales.
No retorno a cero invertido (NRZI)
0 = no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez)
1 = transición al comienzo del intervalo
No retorno a cero (NRZ, “Nonreturn to Zero”)
La forma más frecuente y fácil de transmitir señales digitales es mediante la utilización de un nivel diferente de tensión para cada uno de los bits. Los códigos que siguen esta estrategia comparten la propiedad de que el nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit; es decir, no hay transiciones (no hay retorno al nivel cero de tensión). Por ejemplo, la ausencia de tensión se puede usar para representar un 0 binario,
mientras que un nivel constante y positivo de tensión puede representar al
1. Aunque es más frecuente usar un nivel negativo para representar un valor binario y una tensión positiva para representar al otro. Este último, mostrado en la figura 2, se denomina código Nivel no retorno a cero (NRZ-L “Nonreturn-to-Zero-Level”). NRZ-L se usa generalmente para generar o interpretar los datos binarios en los terminales y otros dispositivos. Si se utiliza un código diferente, éste se generará usualmente a partir de la señal NRZ-L
No retorno a cero (NRZ-L)
0 = nivel alto
1 = nivel bajo
La capa de enlace de datos prepara la información para su envío en forma de trenes de bits sucesiones de 0 y 1 binarios que contienen los datos o transmitir junto a las cabeceras necesarias para el funcionamiento correcto de los diferentes protocolos. Si pensamos que un ordenador es un dispositivo eléctrico/electrónico, que funciona a base de impulsos de corriente eléctrica continua. Comprenderemos claramente como estos ceros y unos lógicos son interpretados por nuestra maquina como variación de tención eléctrica. Es decir, que para que la información circule por los diferentes partes de nuestro computador es preciso una transformación de dígitos binarios en impulsos de electricidad continua. El mecanismo general de transformación (datos) en algo que la computadora represente y que sea apto para su transmisión por un medio cualquiera se denomina codificación, y a esos algo que representan la información se les conoce con el nombre de señales.
Codificación Polar: NRZ, NRZ-L, Amplitud y Amplitud diferencial
No retorno a cero, invertido (NRZI, “Nonreturn to Zero, invert on ones”).
Una variante de NRZ se denomina NRZI. Al igual que NRZ-L, el NRZI mantiene constante el nivel de tensión mientras dura un bit. Los datos se codifican mediante la presencia o ausencia de una transición de la señal al principio del intervalo de duración del bit. Un 1 se codifica mediante la transición (bajo a alto o alto a bajo) al principio del intervalo del bit, mientras que un cero se representa por la ausencia de transición.
NRZI es un ejemplo de codificación diferencial. En la codificación diferencial, en lugar de determinar el valor absoluto, la señal se decodifica comparando la polaridad de los elementos de señal adyacentes. Una ventaja de este esquema es que en presencia de ruido puede ser más seguro detectar una transición en lugar de comparar un valor con un umbral. Otra ventaja es que en unos sistemas complicados de transmisión, no es difícil perder la polaridad de la señal. Por ejemplo, en una línea de par trenzado, si los cables se invierten accidentalmente, todos los 1 y 0 en el NRZ-L se invertirán. Esto no pasa en un esquema diferencial.
La principal limitación de las señales NRZ es la presencia de una componente dc téngase en cuenta que una cadena larga de unos y ceros en un esquema NRZ-L o una cadena de ceros en el NRZI, se codificará como un nivel de tensión constante durante un largo intervalo de tiempo.
En estas circunstancias, cualquier fluctuación entre las temporizaciones del transmisor y el receptor darán lugar a una pérdida de sincronización entre ambos.
Debido a su sencillez y a la respuesta en bajas frecuencias, los códigos NRZ se usan con frecuencia en las grabaciones magnéticas. No obstante, sus limitaciones hacen que estos códigos no sean atractivos para aplicaciones de transmisión de señales.
No retorno a cero invertido (NRZI)
0 = no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez)
1 = transición al comienzo del intervalo
No retorno a cero (NRZ, “Nonreturn to Zero”)
La forma más frecuente y fácil de transmitir señales digitales es mediante la utilización de un nivel diferente de tensión para cada uno de los bits. Los códigos que siguen esta estrategia comparten la propiedad de que el nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit; es decir, no hay transiciones (no hay retorno al nivel cero de tensión). Por ejemplo, la ausencia de tensión se puede usar para representar un 0 binario,
mientras que un nivel constante y positivo de tensión puede representar al
1. Aunque es más frecuente usar un nivel negativo para representar un valor binario y una tensión positiva para representar al otro. Este último, mostrado en la figura 2, se denomina código Nivel no retorno a cero (NRZ-L “Nonreturn-to-Zero-Level”). NRZ-L se usa generalmente para generar o interpretar los datos binarios en los terminales y otros dispositivos. Si se utiliza un código diferente, éste se generará usualmente a partir de la señal NRZ-L
No retorno a cero (NRZ-L)
0 = nivel alto
1 = nivel bajo
Amplitud
Las señales de audiofrecuencia, que van de los 20 Hz a los 20 Khz (20,000 hz), como la voz humana o la música que se obtiene de una radio, no pueden viajar a largas distancias.
Aún cuando la persona esté gritando o la radio este a máximo volumen, la distancia que recorre la información emitida no sobrepasa los centenares de metros.
Las señales de radiofrecuencia son de frecuencias más elevadas, y se desplazan a mayores distancias con una potencia mucho menor.
Teniéndose la necesidad de transmitir información (señal de audiofrecuencia) a gran distancia, esta señal de audiofrecuencia se “modula” o codifica en un señal de radiofrecuencia, a la que se llama portadora.
Uno de los procesos de modulación más conocidos es el de Amplitud Modulada ó A.M. Este es el primer método y el más simple descubierto para las comunicaciones vía radio.
La onda de radiofrecuencia modulada es entonces transmitida a alta potencia.
Los receptores de esta señal de radiofrecuencia reciben una señal con potencia muy baja. Esta señal se debe amplificar.
Las frecuencias que se reciben pueden ser diferentes y si se tuviera que realizar un proceso de amplificación y detección de la información para cada una de ellas, el diseño del receptor no sería práctico
Para resolver este problema, todas las frecuencias recibidas son desplazadas en frecuencia a una “Frecuencia Intermedia” (FI) fija. Esto se logra combinando la frecuencia recibida con otra frecuencia generada en el receptor por un oscilador local. A este proceso se le llama “Recepción superheterodina”.
El oscilador local se sintoniza simultáneamente con la señal recibida, de manera que la diferencia entre las dos frecuencias sea la FI = 455 Khz.
Como la FI es independiente de la frecuencia de la portadora de la señal recibida, se realiza una amplificación a máxima eficiencia para esta frecuencia. Después se recupera la señal de audio de la FI modulada. Ahora la señal de audio es amplificada para finalmente ser aplicada a la bocina o parlante del receptor.
Como algunas señales de radiofrecuencia se reciben con más potencia que otras, se incluye un control de ganancia de manera que la salida de sea similar para cualquier potencia. Este circuito de control se llama “Control Automático de ganancia” ó CAG.
En el proceso de modulación la amplitud de la portadora varía de acuerdo a la variación de la señal de audio. La amplitud de la envolvente de la portadora modulada, depende de la amplitud de la portadora y de la moduladora (la señal de audio).
El nivel de modulación que es la relación entre la magnitud de la señal de audio a la señal de la portadora, se llama factor de modulación.
Las señales (bits) son generadas por un dispositivo de procesamiento de datos (digital), y es transportado por un camino originalmente analógico.
Para esto se necesita técnicas que permitan transmitir señales sin que se pierda su integridad.
Para cumplir esto se necesita agregar a los dispositivos de procesamiento de datos equipos especialmente elaborados para MODULAR y DEMODULAR, como los MODEM.
Las señales de audiofrecuencia, que van de los 20 Hz a los 20 Khz (20,000 hz), como la voz humana o la música que se obtiene de una radio, no pueden viajar a largas distancias.
Aún cuando la persona esté gritando o la radio este a máximo volumen, la distancia que recorre la información emitida no sobrepasa los centenares de metros.
Las señales de radiofrecuencia son de frecuencias más elevadas, y se desplazan a mayores distancias con una potencia mucho menor.
Teniéndose la necesidad de transmitir información (señal de audiofrecuencia) a gran distancia, esta señal de audiofrecuencia se “modula” o codifica en un señal de radiofrecuencia, a la que se llama portadora.
Uno de los procesos de modulación más conocidos es el de Amplitud Modulada ó A.M. Este es el primer método y el más simple descubierto para las comunicaciones vía radio.
La onda de radiofrecuencia modulada es entonces transmitida a alta potencia.
Los receptores de esta señal de radiofrecuencia reciben una señal con potencia muy baja. Esta señal se debe amplificar.
Las frecuencias que se reciben pueden ser diferentes y si se tuviera que realizar un proceso de amplificación y detección de la información para cada una de ellas, el diseño del receptor no sería práctico
Para resolver este problema, todas las frecuencias recibidas son desplazadas en frecuencia a una “Frecuencia Intermedia” (FI) fija. Esto se logra combinando la frecuencia recibida con otra frecuencia generada en el receptor por un oscilador local. A este proceso se le llama “Recepción superheterodina”.
El oscilador local se sintoniza simultáneamente con la señal recibida, de manera que la diferencia entre las dos frecuencias sea la FI = 455 Khz.
Como la FI es independiente de la frecuencia de la portadora de la señal recibida, se realiza una amplificación a máxima eficiencia para esta frecuencia. Después se recupera la señal de audio de la FI modulada. Ahora la señal de audio es amplificada para finalmente ser aplicada a la bocina o parlante del receptor.
Como algunas señales de radiofrecuencia se reciben con más potencia que otras, se incluye un control de ganancia de manera que la salida de sea similar para cualquier potencia. Este circuito de control se llama “Control Automático de ganancia” ó CAG.
En el proceso de modulación la amplitud de la portadora varía de acuerdo a la variación de la señal de audio. La amplitud de la envolvente de la portadora modulada, depende de la amplitud de la portadora y de la moduladora (la señal de audio).
El nivel de modulación que es la relación entre la magnitud de la señal de audio a la señal de la portadora, se llama factor de modulación.
Las señales (bits) son generadas por un dispositivo de procesamiento de datos (digital), y es transportado por un camino originalmente analógico.
Para esto se necesita técnicas que permitan transmitir señales sin que se pierda su integridad.
Para cumplir esto se necesita agregar a los dispositivos de procesamiento de datos equipos especialmente elaborados para MODULAR y DEMODULAR, como los MODEM.
TÉCNICAS DE MODULACIÓN DIGITAL
El término comunicaciones digitales abarca un área extensa de técnicas de comunicaciones, incluyendo transmisión digital y radio digital. La transmisión digital es la transmisión de pulsos digitales, entre dos o más puntos, de un sistema de comunicación. El radio digital es la transmisión de portadoras analógicas moduladas, en forma digital, entre dos o más puntos de un sistema de comunicación. Los sistemas de transmisión digital requieren de un elemento físico, entre el transmisor y el receptor, como un par de cables metálicos, un cable coaxial, o un cable de fibra óptica. En los sistemas de radio digital, el medio de transmisión es el espacio libre o la atmósfera de la Tierra.
En un sistema de transmisión digital, la información de la fuente original puede ser en forma digital o analógica. Si está en forma analógica, tiene que convertirse a pulsos digitales, antes de la transmisión y convertirse de nuevo a la forma analógica, en el extremo de recepción. En un sistema de radio digital, la señal de entrada modulada y la sedal de salida demodulada, son pulsos digitales.
MODULACIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE AMPLITUD (ASK)
La modulación por desplazamiento de amplitud, en inglés Amplitude-shift keying (ASK), es una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales como variaciones de amplitud de la onda portadora.
La amplitud de una señal portadora análoga varía conforme a la corriente de bit (modulando la señal), manteniendo la frecuencia y la fase constante. El nivel de amplitud puede ser usado para representar los valores binarios 0s y 1s.
Como la modulación AM, ASK es también lineal y sensible al ruido atmosférico, distorsiones, condiciones de propagación en rutas diferentes en PSTN, etc. Esto requiere la amplitud de banda excesiva y es por lo tanto un gasto de energía. Tanto los procesos de modulación ASK como los procesos de demodulación son relativamente baratos. La técnica ASK también es usada comúnmente para transmitir datos digitales sobre la fibra óptica. Para los transmisores LED, el valor binario 1 es representado por un pulso corto de luz y el valor binario 0 por la ausencia de luz. Los transmisores de láser normalmente tienen una corriente "de tendencia" fija que hace que el dispositivo emita un nivel bajo de luz. Este nivel bajo representa el valor 0, mientras una onda luminosa de amplitud más alta representa el valor binario 1.
MODULACIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA (FSK)
El FSK binario es una Forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua.
La salida de un modulador de FSK binario, es una función escalón en el dominio del tiempo. Conforme cambia la señal de entrada binaria de 0 lógico a 1 lógico, y viceversa, la salida del FSK se desplaza entre dos frecuencias: una frecuencia de marca o de 1 lógico y una frecuencia de espacio o de 0 lógico. Con el FSK binario, hay un cambio en la frecuencia de salida, cada vez que la condición lógica de la señal de entrada binaria cambia.
En un FSK binario el índice de modulación, por lo general, se mantiene bajo 1.0, produciendo así un espectro de salida de FM de banda relativamente angosta. Debido a que el FSK binario es una forma de modulación en frecuencia de banda angosta, el mínimo ancho de banda depende del índice de modulación. Para un índice de modulación entre 0.5 y 1, se generan dos o tres conjuntos de frecuencias laterales significativas. Por tanto, el mínimo ancho de banda es dos o tres veces la razón de bit de entrada.
MODULACIÓN DE DESPLAZAMIENTO DE FASE (PSK)
Transmitir por desplazamiento en fase (PSK) es otra forma de modulación angular, modulación digital de amplitud constante. El PSK es similar a la modulación en fase convencional, excepto que con PSK la señal de entrada es una señal digital binaria y son posibles un número limitado de fases de salida.
Con la transmisión por desplazamiento de fase binaria (BPSK), son posibles dos fases de salida para una sola frecuencia de portadora. Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180° fuera de fase. El BPSK es una forma de modulación de onda cuadrada de portadora suprimida de una señal de onda continua.
Para BPSK, la razón de cambio de salida, es igual a la razón de cambio de entrada, y el ancho de banda de salida, más amplio, ocurre cuando los datos binarios de entrada son una secuencia alterativa l/0. La frecuencia fundamental (f a) de una secuencia alterativa de bits 1/0 es igual a la mitad de la razón de bit (f b/2).
MODULACIÓN DE AMPLITUD EN CUADRATURA (QAM)
La modulación de amplitud en cuadratura (QAM), es una forma de modulación digital en donde la información digital está contenida, tanto en la amplitud como en la fase de la portadora trasmitida.
El QAM de ocho (8-QAM), es una técnica de codificación M-ario, en donde M = 8. A diferencia del 8-PSK, la señal de salida de un modulador de 8-QAM no es una señal de amplitud constante.
En resumen las distintas formas de FSK, PSK y QAM.
Modulación
|
Codificación
|
BW (Hz)
|
Baudio
|
Eficiencia BW (bps/Hz)
|
FSK
|
Bit
|
á f b
|
f b
|
[1
|
BPSK
|
Bit
|
f b
|
f b
|
1
|
QPSK
|
Dibit
|
f b / 2
|
f b / 2
|
2
|
8-QPSK
|
Tribit
|
f b / 3
|
f b / 3
|
3
|
8-QAM
|
Tribit
|
f b / 3
|
f b / 3
|
3
|
16-QPSK
|
Quadbit
|
f b / 4
|
f b / 4
|
4
|
16-QAM
|
Quadbit
|
f b / 4
|
f b / 4
|
4
|
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