Técnicas de Modulación

Transcripción

1 Insiuo Tecnológico de San Luís Poosí Cenro de Telecomunicaciones Teleproceso y Redes de Compuadoras Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez Cenro de Telecomunicaciones Enero 2007

2 4. Técnicas de Modulación 4.1 Inroducción es Periódicas 4.2 Técnicas de Modulación Técnicas de Modulación de Ampliud AM Ampliude Modulaion (Modulación de Ampliud) ASK Ampliude Shif Keying (Modulación por Cambio de Ampliud) Técnicas de Modulación de Frecuencia FM Frequency Modulaion (Modulación de Frecuencia) FSK Frequency Shif Keying (Modulación por Cambio de Frecuencia) Técnicas de Modulación de Fase PSK Phase Shif Keying (Modulación por Cambio de Fase) Bifásica PSK Phase Shif Keying (Modulación por Cambio de Fase) Terafásica QAM Quadraure Ampliude Modulaion 4.3 Técnicas de Modulación Digial PAM Modulación de Ampliud de Pulso PPM Modulación de Anchura de Pulso PWM Modulación de Posición de Pulso PCM Modulación de Código de Pulso Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 2/17

3 4. Técnicas de Modulación 4.1 Inroducción Cualquier ipo de información generada por el hombre que se deseé ransmiir es converida en una señal analógica de voz, audio, video ó daos. Esas señales se ransmien por lo general en banda base con las limianes que esa écnica de ransmisión implican; ó en banda ancha para lo cual es necesario mulicanalizar el medio de comunicación uilizado. Las Técnicas de Modulación enre oras aplicaciones, significan un recurso imporane para la mulicanalización de un medio de comunicación. Los módems de odas las generaciones han uilizado como principio de operación básico un écnica de modulación. El proceso de digialización de una señal analógica uiliza en una de sus eapas una écnica de modulación. Por lo anerior, se eniende que las Técnicas de Modulación son un recursos imporane en la ecnología acual, ano en la ransmisión, como en el procesamieno de las señales es Periódicas Cualquier señal elécrica puede caracerizarse por res parámeros imporanes: Ampliud, Frecuencia y Fase. Para ilusrar lo anerior, considérense las señales analógicas cuya ampliud, frecuencia y fase son consanes. Esas señales son conocidas como señales analógicas periódicas Para las cuales sus parámeros caracerísicos esán definidos como: Las señales poradoras, son señales de muy ala frecuencia -con ampliud, frecuencia y fase consanes. Ampliud V p.- Es la variación máxima de la señal por arriba o por abajo de un nivel de referencia de cero vols. V ( ) senθ = V P de donde V ( ) = V p senθ Frecuencia.- Es el número de ciclos que se repien por unidad de iempo. F 1 = T donde T es el periodo o duración de un ciclo u oscilación. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 3/17

4 Fase.- Es el ángulo insanáneo θ (ángulo de fase) que genera el movimieno circular de un radio vecor V p de magniud consane que se desplaza a una velocidad angular ω. Donde: θ ω = Ciclo V p V = Ampliud Fase θ = ω Para un ciclo compleo de la señal se iene que: T y = T por lo que o bien, θ = 2π ω = 2π T ω = 2πF La Frecuencia de la señal es direcamene proporcional a la velocidad angular. Una écnica de modulación es un recurso que se uiliza para modificar uno de los res parámeros consanes de una señal periódica, uilizando las variaciones de volaje de una señal aperiódica (voz, audio, video o daos). Por lo anerior se eniende que, se puede modular la ampliud, se puede modular la frecuencia o se puede modular la fase una señal analógica periódica aplicando las variaciones de volaje de una señal de banda base aperiódica. En esudios de ransmisión y écnicas de modulación, a las señales analógicas periódicas se les conoce como señales poradoras. En lo sucesivo, por señal poradora enenderemos señal analógica periódica. Exisen oras écnicas de modulación que no requieren de modificar una señal poradora. Mas bien, la señal a procesar, o a ransmiir, se muesrea, cuanifica y codifica. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 4/17

5 Las écnicas de modulación que se basan en la modificación de una caracerísica de una señal poradora, son llamada Técnicas de Modulación. Las écnicas de modulación basadas en el muesreo, cuanificación y codificación de la propia señal, son llamadas Técnicas de Modulación Digial. 4.2 Técnicas de Modulación Esas écnicas, son un ipo de modulación lineal que consise en hacer variar la ampliud de una señal poradora de forma que esa cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a ransmiir. Aneriormene se esablece que en esas écnicas, paricipan dos señales imporanes: a Poradora Una señal moduladora es una señal de banda base de audio, video, voz ó daos. Es una señal analógica, coninua en el iempo, que paricularmene, ransmie la información en sus variaciones de ampliud. Fuene : Audio Video Voz Daos Una señal poradora es una señal analógica de más ala frecuencia que la de la señal moduladora, con ampliud, frecuencia y fase consanes. Oscilador En esa écnica, se uilizan las variaciones de ampliud de la señal moduladora que se desea ransmiir para modificar uno de los res parámeros (ampliud, frecuencia ó fase) de la señal poradora. De aquí que se consideren res opciones en la écnica de modulación analógica: Modulación de Ampliud Modulación de Frecuencia Modulación de Fase Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 5/17

6 4.2.1 Técnicas de Modulación de Ampliud Modulación de Ampliud significa enonces que se uilizan las variaciones de ampliud de la moduladora para modificar la ampliud consane de la poradora. Exisen dos varianes de ésa écnica: AM ASK Ampliude Modulaion (Modulación de Ampliud) ASK Ampliude Shif Keying (Modulación por Cambio de Ampliud) AM Ampliude Modulaion (Modulación de Ampliud) En AM se uiliza una señal analógica de banda base de voz, audio, ó video para modular la ampliud de una poradora generada por un oscilador. Poradora Modulada Oscilador AM Fuene a Las variaciones de ampliud de la moduladora se incorporan a la poradora, en una modulador AM. La señal modulada obenida de ese modulador, es la señal poradora modulada en ampliud, cuya envolvene iene la misma forma de onda de la moduladora. Una gran venaja de AM es que su demodulación es muy simple, y por consiguiene los recepores son sencillos y baraos. La AM es usada en la radiofonía ano en bandas concesionadas (Broadcas) como en las bandas permisionadas (Radioaficionados), en las ondas medias, ondas coras, e incluso en la VHF: es uilizada en las comunicaciones radiales enre los aviones y las orres de conrol de los aeropueros. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 6/17

7 ASK Ampliude Shif Keying (Modulación por Cambio de Ampliud) Ampliude Shif Keying, conocida como ASK, es un esquema de modulación en el que la ampliud de una poradora es modulada por una señal digial. En esa écnica: Se uiliza un oscilador para generar una señal poradora con ampliud, frecuencia y fase consanes. Se uiliza un disposiivo digial para generar una señal digial de banda base. Se uiliza un modulador para suprimir la ampliud de la señal poradora uilizando los cambios de esado lógico de la señal digial de banda base. Poradora Modulada Oscilador Fuene de Daos ASK a de al forma que en su conselación I-Q, los símbolos mapeados se ubican a lo largo del eje I. En el caso de la modulación binaria ASK, un "0" lógico se represena por, V ( ) = 0 mienras que un "1" lógico se represena por V ( ) = V p sen w De raarse de modulación ASK mulinivel, el número de símbolos mapeados en la conselación deerminará el número de posibles niveles de ampliud que ome la señal ASK. La Figura siguiene muesra la conselación de la modulación binaria ASK y la señal ASK respecivamene, para la secuencia binaria Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 7/17

8 En ASK se uilizan los cambios de esado lógico de una señal de banda base digial para modular la ampliud de una poradora generada por un oscilador. Las variaciones de ampliud de la moduladora se incorporan a la poradora, en una modulador ASK. Ese modulador manipula los cambios de esado binario de la moduladora para suprimir la ampliud de la poradora cuando se ransmia un bi de nivel lógico bajo. Las écnicas de modulación de ampliud son fáciles de implemenar y muy económicas pero, pueso que la información es ransmiida por las variaciones de ampliud, las écnicas comenadas son muy sensibles a cualquier ipo de inerferencia y/o ruido elécrico. Esa écnica fue empleada en los primeros módems de muy baja velocidad que se uilizaban hace algunos años Técnicas de Modulación de Frecuencia La Técnica de Modulación de Frecuencia es el proceso de codificar información, la cual puede esar ano en forma digial como analógica, en una onda poradora mediane la variación de su frecuencia insanánea de acuerdo con la señal de enrada. También, Modulación de Frecuencia significa que se uilizan las variaciones de ampliud de la moduladora para producir modificaciones en la frecuencia consane de la poradora. Exisen dos varianes de ésa écnica: FM FSK FM Frequency Modulaion (Modulación de Frecuencia) En FM se uiliza una señal analógica de banda base de voz, audio ó video para modular la frecuencia de una poradora generada por un oscilador de frecuencia variable. Las variaciones de frecuencia de la moduladora se incorporan a la poradora, en el VFO (Oscilador de Frecuencia Variable). La señal modulada obenida, es la señal poradora modulada en frecuencia, con variaciones de frecuencia proporcionales a las variaciones de ampliud de la moduladora. a Modulada Fuene de Audio Video Voz Oscilador de Frecuencia Variable La écnica de FM iene un desempeño superior frene al ruido que la de AM pueso que la información es ransmiida en variaciones de frecuencia y no de ampliud, y por supueso, mejora los requerimienos de poencia. Por esa razón, FM es más recomendable para ransmiir audio de ala fidelidad. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 8/17

9 Por oro lado, el ancho de banda requerido en un sisema de FM es mucho mayor que el requerido en un sisema de AM, y esa deerminado por la ampliud de la moduladora. FSK Frequency Shif Keying (Modulación por Cambio de Frecuencia) En FSK se uilizan los cambios de esado lógico de una señal de banda base digial para seleccionar una de dos frecuencias de poradora generadas por dos osciladores. Oscilador Ala Frecuencia Modulada Fuene de Daos a Oscilador Baja Frecuencia Las variaciones de ampliud de la moduladora se incorporan a la poradora, en una modulador FSK. Ese modulador manipula los cambios de esado binario de la moduladora para seleccionar una de dos frecuencias de poradora cuando se ransmia un bi de nivel lógico bajo. Las écnicas de modulación de frecuencia no son fáciles de implemenar y no muy económicas pero, pueso que la información es ransmiida por las variaciones de frecuencia y no de ampliud, las écnicas comenadas resulan poco sensibles a cualquier ipo de inerferencia y/o ruido elécrico Técnica de Modulación de Fase Modulación de Fase significa que se uilizan las variaciones de ampliud de la moduladora para producir cambios en la fase consane de la poradora. PSK Phase Shif Keying (Modulación por Cambio de Fase) En PSK se uilizan los cambios de esado lógico de una señal de banda base digial para producir un cambio de fase en la poradora. Las variaciones de ampliud de la moduladora se incorporan a la poradora, en una modulador PSK. Ese modulador manipula los cambios de esado binario de la moduladora para producir los corrimienos de fase en la poradora cuando se ransmia un cambio en el nivel lógico. Exisen dos varianes básicas de PSK Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 9/17

10 PSK Bifásica PSK Terafásica PSK Bifásica Esa écnica consise en originar un desplazamieno de fase de grados en la fase de la poradora cuando la señal binaria moduladora cambia de esado. Si la señal de binaria no cambia de esado, la poradora se manendrá sin cambio de fase Fuene de Daos PSK Bifásico a En el caso de la modulación binaria ASK, un "0" lógico se represena por, V ( ) = V p sen w mienras que un "1" lógico se represena por V p ( ) = V sen ( w + π ) En esa écnica de modulación, se ransmie un solo bi por cada esado de señal. PSK Terafásica Si consideramos que con dos bis exisen cuaro posibles combinaciones, en esa écnica, el mensaje es dividido en parejas de bis llamadas dibis. Luego, a cada dibi se le asigna un desplazamieno de fase o esado de señal según la abla siguiene. Enonces se ransmie una poradora modulada que cambia de fase por cada dibi ransmiido de acuerdo a la secuencia del mensaje. Dibi Corrimieno de Fase (Grados) Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 10/17

11 Fuene de Daos PSK Bifásico a PSK Terafásica es uilizada para duplicar la velocidad de ransmisión de la información en un módem ya que se ransmien dos bis por cada esado de señal. Las écnicas de modulación de fase no son fáciles de implemenar y no muy económicas. Pueso que la información es ransmiida por los desplazamienos de fase, la écnica PSK resula muy poco sensible a cualquier ipo de inerferencia y/o ruido elécrico QAM Quadraure Ampliude Modulaion Esa écnica de modulación consise en modular dos poradoras en ampliud, en canales individuales ó, en un solo canal para opimizar el ancho de banda, si se requiere. En comunicación analógica se implemena la ransmisión de información digial uilizando codificación y decodificación de bis considerando res elemenos: a.- Secuencia de Bis b.- Longiud de la Secuencia de Bis c.- Represenación de la Secuencia de Bis en función de una de las caracerísicas de la poradora. La secuencia de bis represena la información digial que se desea ransmiir o recibir. La secuencia esá compuesa de g grupos de bis. Cada grupo de bis consa de k bis, por lo ano, el número n = gk de bis, es denominado longiud de la secuencia de bis. Secuencia de n Bis... Grupo de k Bis g Grupos Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 11/17

12 Cada grupo de bis se puede represenar como un esado de señal en función de: i.- Ampliud de la poradora ii.- Fase de la poradora iii.- Ampliud y Fase de la poradora Con cualquiera de res las opciones aneriores, se pueden generar M = 2 k esados de señal Donde k es el número de bis (en un grupo de bis) que se pueden represenar por cada esado diferene de la señal poradora. Por ejemplo, si se consideran dos niveles de ampliud de poradora (V p = 1 y V p = ½ ) sin cambio de fase, se endrán M = 2 esados de señal diferenes: uno de nivel 1 y oro de nivel ½ Bi Ampliud 0 ½ 1 1 Si Enonces M = 2 M = 2 =2 1 esados de señal Por ano k = 1 bi por cada esado diferene de señal Lo anerior esablece que cada esado de señal represenará solamene un bi de información digial. En oro ejemplo, considérense dos niveles de ampliud de poradora y cambios de fase múliplos de 90 0 (π/2). Se obendrían los siguienes esados de señal: Ampliud de Poradora Corrimieno de la Fase ½ ½ ½ ½ Como se puede observar en la abla anerior, se ienen 8 esados de señal diferenes por, lo que: 8 = 2 3 esados de señal diferenes por lo ano cada esado de señal puede represenar un grupo disino de k = 3 bis. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 12/17

13 Lo anerior esablece que cada esado diferene de señal represenará un grupo de res bis de información digial. La abla siguiene muesra lo comenado. Ampliud de Poradora Corrimieno de la Fase Grupo de Bis ½ ½ ½ ½ Enonces, QAM es una écnica de modulación mulinivel en donde se ransmie uno de los 2 k esados de señal, con disinas combinaciones de ampliud y fase. V p = Daos QAM V p = 1/ a Considerando múliples niveles en la modulación de ampliud así como múliples valores para el ángulo de fase en la modulación de fase, es posible ransmiir grupos de k bis, por cada esado de señal diferene definido por un par de valores de ampliud y fase. La écnica de modulación Quadraure Ampliude Modulaion (QAM), es una écnica de modulación lineal que ambién considera la modulación de dos poradoras de la misma frecuencia desfasadas 90º, en un solo canal (Dos poradoras en cuadraura en un solo canal). Ese ipo de modulación iene la venaja de que ofrece la posibilidad de ransmiir dos señales en la misma frecuencia, de forma que favorece el aprovechamieno del ancho de banda disponible. Tiene como inconveniene que es necesario realizar la demodulación con demoduladores síncronos. Sisemas analógicos que uilizan la modulación QAM La écnica Quadraure Ampliude Modulaion (QAM) es uilizada en los sisemas PAL (Sisema Europeo) y NTSC (Sisema Americano) de elevisión analógica para ransmiir las dos señales de crominancia. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 13/17

14 Sisemas digiales que uilizan la modulación QAM La écnica Quadraure Ampliude Modulaion (QAM) es uilizada en sisemas de comunicación digial como módems que ransmien a velocidades superiores a 2400 bps bajo esándares V.22 Bis y V.32. También es uilizada con Pulse Ampliude Modulaion (PAM) en sisemas de comunicación digial inalámbrica. Dependiendo del número de símbolos exisenes combinando las disinas ampliudes posibles de las dos señales que se ransmien, écnica de modulación se denomina: 4-QAM 16-QAM 64-QAM 256-QAM. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 14/17

15 4.3 Técnicas de Modulación Digial En esa écnica, en lugar de modular una poradora uilizando las variaciones de ampliud de una señal de banda base, la señal a ransmiir, es discreizada mediane un muesreo obeniéndose un secuencia de pulsos con res caracerísicas evidenes: Ampliud Anchura Posición Pulso Para que la señal pueda represenarse lo mas preciso posible, se requiere un mínimo de pulsos en el muesreo de dicha señal. Para obener eso, se aplica un crierio de muesreo omando como base la frecuencia máxima, f max, de la señal analógica a muesrear. Ese crierio esablece el mínimo número de pulsos requerido para muesrear la señal de manera efeciva; es conocido como Crierio de Nyquis y esablece que, f mue 2 f max donde f mue es la frecuencia de muesreo. Las variaciones de ampliud de la señal analógica muesreada son reflejados en modificaciones en uno de los res parámeros de los pulsos. De esa manera, se ienen las siguiene opciones de modulación digial: PAM PWM PPM PCM Pulse Ampliud Modulaion Pulse Wide Modulaion Pulse Posiion Ampliud Pulse Code Modulaion PAM Modulación de Ampliud de Pulso En esa écnica, las variaciones de ampliud de la señal analógica son reflejadas o mapeadas en la variación de ampliud de los pulsos. Fuene PAM Como odas las que involucran una modulación de ampliud, PAM, es muy suscepible a ruido elécrico ó inerferencia elecromagnéica. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 15/17

16 4.3.2 PWM Modulación de Anchura de Pulso En PWM, la información es ransmiida mapeando las variaciones de ampliud de la señal analógica en variaciones de anchura de los pulsos obenidos del muesreo. Fuene PWM Esa écnica se uilizó en equipos de conmuación elefónica PPM Modulación de Posición de Pulso En PPM, la información es ransmiida mapeando las variaciones de ampliud de la señal analógica, en variaciones de posición de los pulsos ( denro de rango de posiciones) obenidos del muesreo. Rango de Posiciones Fuene PPM PCM Modulación de Código de Pulso En PCM, la información es ransmiida mapeando las variaciones de ampliud de la señal analógica, en variaciones de ampliud de los pulsos obenidos del muesreo (Muesreo PAM); la señal muesreada es procesada por un reenedor /cuanificador que asigna el nivel elécrico correspondiene a la alura de cada pulso, para que finalmene, un codificador asigne una rama de n bis de acuerdo al nivel elécrico del pulso, para codificar así, la ampliud de cada pulso (Véase figura en la página siguiene). Considerando como un ejemplo prácico la señal de voz, esa iene un ancho de banda de 3000 Hz. En sisemas elefónicos convencionales se uiliza una frecuencia de muesreo de 8000 muesras por segundo (ITU G.711) cumpliendo con el Crierio de Nyquis. Eso es, se generan 8000 pulsos por segundo para inenar la represenación de un segundo de señal coninua de voz. Como cada pulso de la muesra es codificado por 8 bis, enonces, eso significa que se requieren ransmiir bis por segundo para lograr ransmiir un segundo de señal de voz por la línea. Eso es lo que se llama un Canal PCM o Clear Channel. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 16/17

17 Fuene PAM Secuencias de n bis Codificador de n bis Reenedor Cuanificador Acualmene, se cuena con magnificas opciones en cuano a medios de comunicación se refiere. Tano conducores de cobre de excelene calidad como la fibra ópica ofrecen alernaivas con anchos de banda muy grandes. Uilizando écnicas de muliplexaje TDM, un Sisema PCM incorpora 30 canales de voz o daos de 64 kbps, un canal de sincronía y un canal de señalización, lo que represena una capacidad de ransmisión requerida para el medio de comunicación de Mbps. En el capíulo siguiene se esudiarán las écnicas de muliplexaje y se esudiará de una manera más complea ese sisema. Todas las caracerísicas écnicas de la Modulación PCM se deallan en la Recomendación G.711 de ITU (Anes CCITT). Finalmene, se puede agregar que PCM es ampliamene uilizada en sisemas de comunicación digial. Se emplea para digializar voz, audio ó video en equipos de compuo, sisemas de grabación de audio (DAT) ec. Técnicas de Modulación Fís. Jorge Humbero Olivares Vázquez 17/17