Tema 2: Modulaciones

Transcripción

1 Tema 2: Modulaciones 1.- Introducción Imaginemos que queremos transmitir a través de una antena la señal de audio que proviene de un micrófono. Como sabemos, una señal de audio estará compuesta de diferentes tonos con frecuencias comprendidas entre los 20Hz y 20kHz. Este margen incluye frecuencias realmente bajas, con longitudes de onda del orden de kilómetros, por lo que para poder transmitirlas necesitaríamos una antena enorme, de kilómetros de largo. Sin embargo, las señales electromagnéticas de mayor frecuencia sí que se propagan fácilmente con antenas de tamaño razonable. A 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 (RF). Por lo tanto, para transmitir una señal de audio a través de una antena lo que debemos hacer es poner la información que lleva la señal de audio en una señal de radiofrecuencia. A este proceso se le denomina modulación, y es uno de los procesos clave para la transmisión de información a través de cualquier canal de comunicaciones. Por tanto, podríamos definir la modulación como el proceso por el cual se incorpora la información contenida en una señal, generalmente de baja frecuencia, sobre una señal de alta frecuencia, para poder transmitirla. Como hemos visto, en este proceso intervienen dos señales diferentes: - Señal portadora: es la señal de radiofrecuencia que transportará el mensaje. En sí mismo no contiene ningún tipo de información. Suele ser una señal senoidal. - Señal moduladora: es la señal que contiene la información que queremos transmitir. Suele ser de baja frecuencia, comparada con la señal portadora.

2 Como resultado de este proceso obtenemos una nueva señal llamada señal modulada, que contiene la información de la señal moduladora, pero oscila a la frecuencia de la señal portadora, por lo que está preparada para ser transmitida a través de una antena, que convertirá dicha señal en ondas electromagnéticas que se propagarán por el aire. Cuando a un receptor de radio le llegue una de estas ondas, realizará el proceso inverso: la demodulación, que consiste en extraer la señal moduladora, donde vienen las canciones y las palabras, y desechar la portadora, que no lleva ningún tipo de información, sino que sólo sirve como medio de transporte. 2.- Ventajas de la modulación La modulación aporta numerosas ventajas en las comunicaciones: Facilita la propagación de la señal de información por el aire, disminuyendo el tamaño de la antena. Ordena el radioespectro, distribuyendo canales a cada información distinta: gracias a la modulación, se puede asignar una frecuencia de transmisión diferente a cada tipo de señal. De esta manera, las señales de radio FM se modulan entre 88MHz y 108MHz, las de televisión UHF entre 470MHz y 860MHz y el wifi se modula a 2.4GHz y 5GHz. Evita interferencia entre canales: al estar cada canal asignado a una frecuencia diferente, no se mezclan entre sí, siempre y cuando se respeten ciertos márgenes. Esto permite que múltiples señales de información compartan el mismo medio de transmisión sin que se produzcan interferencias. Disminuye el ruido y la interferencia en la señal de información: ciertos tipos de modulación tienen la útil propiedad de suprimir o reducir tanto el ruido como la interferencia. 2

3 3.- Tipos de modulación Como hemos visto, la modulación consiste en incorporar la información de la señal moduladora en una señal portadora. Esto se consigue haciendo que la señal moduladora provoque una variación en alguno de los parámetros fundamentales de la portadora: la amplitud, la frecuencia o la fase. Dependiendo del parámetro que se modifique, tendremos un tipo de modulación u otro. Pero además, a la hora de clasificar los tipos de modulación, debemos tener en cuenta la naturaleza de las señales moduladora y portadora, que pueden ser tanto analógicas como digitales. Según la naturaleza de estas señales, tendremos diferentes modulaciones. La siguiente tabla muestra un resumen de las principales modulaciones que existen: Es importante tener en cuenta que las transmisiones por ondas de radiofrecuencia sólo permiten la propagación de señales analógicas. Por este motivo nos centraremos en esta unidad en las modulaciones con portadora analógica. Dentro de ellas, en la primera parte del tema estudiaremos aquellas que modulan señales analógicas (AM y FM), y en la segunda parte estudiaremos las que modulan señales digitales (ASK, FSK, etc). Pero para poder comprender con profundidad las modulaciones, es necesario introducir previamente algunos conceptos básicos que todavía no han sido explicados. 3

4 Ejercicios 1.- Qué es la modulación? Por qué es necesaria para transmitir señales vía radio? 2.- Qué señal contiene la información que se quiere transmitir, la portadora o la moduladora? 3.- Qué aporta la señal portadora al proceso de modulación? 4.- Qué ventajas proporciona la modulación al proceso de comunicación vía radio? 5.- Cuáles son los parámetros de la señal portadora que se pueden variar durante el proceso de modulación? 6.- En qué grandes grupos podemos clasificar las diferentes modulaciones que existen? 7.- Qué grupo de modulaciones son las únicas que se pueden transmitir por ondas de radiofrecuencia? 4.- Definiciones previas Espectro de una señal: Una señal senoidal corresponde con un tono puro de una única frecuencia. Si representamos esta señal en el domino del tiempo, es decir, en un gráfico en el que se muestra cómo varía la amplitud de la señal a lo largo del tiempo, obtenemos la conocida forma de una señal senoidal: Esta es la imagen que obtenemos en la pantalla de un osciloscopio, ya que este aparato muestra cómo evolucionan las señales a través del tiempo. Este tipo de representación es muy útil para muchos campos de la electrónica, pero no para el mundo de las radiocomunicaciones. Para este caso sería mucho más interesante poder representar las señales en el dominio de la frecuencia, es decir, ver las diferentes bandas de frecuencia que componen una señal. Por ejemplo, para el caso de una señal senoidal de 1 khz, como sólo tiene una única frecuencia, su representación en el dominio de la frecuencia sería la siguiente: 4

5 A 1 khz f A la representación gráfica de una señal en el dominio de la frecuencia se le llama espectro de una señal. Este es el tipo de imagen que obtiene un instrumento de medida llamado analizador de espectros. El caso de la señal senoidal es el caso más sencillo, puesto que se trata del único tipo de señal de está formada por una única frecuencia. Tal y como demuestra la teoría del análisis de Fourier, cualquier señal, por más compleja que sea, se puede descomponer en una suma de señales senoidales, con diferentes amplitudes y frecuencias. Veamos el caso, por ejemplo, de una señal cuadrada. Según la teoría del análisis de Fourier, sumando varias señales senoidales de diferentes frecuencias y amplitudes podemos llegar a obtener una señal cuadrada, tal y como se muestra en la siguiente figura: Por tanto, el espectro de una señal cuadrada no estaría formado por una única frecuencia, sino por muchas diferentes y con distintas amplitudes, como podemos ver en la siguiente gráfica: 5

6 Al componente de frecuencia con mayor amplitud se le llama frecuencia fundamental, y se corresponde con la frecuencia de la señal cuadrada, es decir, la frecuencia que vemos si visualizamos la señal en un osciloscopio. Las otras frecuencias son múltiplos de la frecuencia fundamental, y tienen un valor de amplitud menor. A estas frecuencias se les llama armónicos, y son frecuencias que no podemos ver si representamos la señal en el dominio del tiempo (con un osciloscopio, por ejemplo). Por este motivo, a partir de ahora para representar una señal utilizaremos muchas veces su espectro, ya que permite visualizar fácilmente las diferentes frecuencias que componen la señal, que de otra forma sería imposible percibir. Banda base: Se denomina banda base al conjunto de señales que no sufren ningún proceso de modulación a la salida de la fuente que las origina, es decir son señales que son transmitidas en su frecuencia original. Ancho de banda: Un término que vamos a encontrar a menudo en el mundo de las radiocomunicaciones es ancho de banda, representado comúnmente por las siglas BW, del inglés bandwidth. El ancho de banda es simplemente una medida del rango de frecuencias. Para una señal, su ancho de banda será el rango de frecuencias que la componen, desde la frecuencia más baja a la más alta. Para un equipo de radiocomunicaciones, su ancho de banda será el rango de frecuencias con el que puede trabajar dicho equipo. Por ejemplo, si una señal está formada por un conjunto de frecuencias, siendo la más pequeña 2400MHz y la más grande 2480MHz, su ancho de banda es de 80MHz. Por decirlo así, el ancho de banda representa lo que ocupa la señal en el dominio de la frecuencia. Se puede entender fácilmente que el ancho de banda de una señal está muy relacionado con la cantidad de datos que puede trasmitir ésta. Cuanto más lugar haya en el espacio de la frecuencia, más datos caben en un momento dado. Por ello el término ancho de banda es a menudo utilizado para referirnos a la tasa de transmisión de datos. Por ejemplo, cuando decimos que una conexión a Internet tiene 1 Mbps de ancho de banda, significa que ésta puede trasmitir datos a 1 Megabit por segundo. Una vez comprendidos estos conceptos fundamentales, ya estamos en disposición de entender en profundidad las principales modulaciones. 6

7 Ejercicios 1.- A continuación se muestra el espectro de tres señales diferentes. Calcula su ancho de banda. 6kHz 8kHz 10kHz 12kHz 14kH 640MHz 660MHz 680MHz 20 khz 2.- Cuál de los tres espectros anteriores se corresponde con el de una señal en banda base? 3.- Qué es el armónico de una señal? 4.- Dibuja el espectro de una señal cuadrada de 5 khz, en el que se represente la frecuencia fundamental y los 5 primeros armónicos. 5.- Repite el ejercicio anterior para una señal senoidal de 2 khz. 7

8 5.- Modulaciones de señal analógica con portadora analógica Modulación de amplitud (AM) Como vimos en el apartado 3, la modulación se consigue haciendo que la señal moduladora provoque una variación en alguno de los parámetros fundamentales de la portadora. En el caso de la modulación AM, como su propio nombre indica, el parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud. En otras palabras, la modulación de amplitud consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir. A continuación se muestran las imágenes de la onda moduladora, portadora y modulada en AM tal y como las veríamos en un osciloscopio: Si observamos con un analizador de espectros el espectro de la señal modulada, veremos que aparecen tres frecuencias diferentes, tal y como se muestra en la siguiente gráfica: f p frecuencia de la portadora f m frecuencia de la moduladora 8

9 Por ejemplo, si modulamos en AM una señal de 1kHz con una portadora de 10kHz, el espectro de las señales de entrada (portadora y moduladora) y de salida (señal modulada) quedaría de la siguiente manera: Este estudio lo hemos hecho para el caso de que la señal moduladora sea un tono senoidal, pero normalmente lo que queremos transmitir no es un único tono, sino una señal formada por un conjunto de frecuencias diferentes, como puede ser una señal de audio. Es decir, una señal con un ancho de banda como se muestra en la figura: Señal a transmitir (moduladora) Para este caso, el espectro de la señal modulada en AM quedaría de la siguiente forma: f max f Portadora Banda lateral inferior (BLI) Banda lateral superior (BLS) f f p -f max f p f p +f max Como se puede observar, aparecen dos réplicas del espectro de la señal original, separadas por la señal portadora. A la réplica de frecuencias más bajas se le llama banda lateral inferior (BLI), y a la de frecuencias más altas, banda lateral superior (BLS). De esta gráfica se deduce que el ancho de banda de una señal modulada en AM es el doble del ancho de banda de la señal original que se quiere transmitir. 9

10 Índice de modulación: El índice de modulación indica cuánto varía la amplitud de la señal modulada en relación con la señal sin modular. Se expresa como un porcentaje. Para una correcta comunicación, es deseable mantener el índice de modulación entre el 95% t el 99%. Si se superan estos valores, se produce un fenómeno muy perjudicial conocido como sobremodulación. En la sobremodulación lo que ocurre es que la parte negativa de la señal moduladora no se modula correctamente, lo que genera una distorsión de la envolvente y por tanto de la señal original. La siguiente figura muestra el caso de varias modulaciones AM, la primera con un índice de modulación del 50%, la segunda del 50% y la tercera con un índice superior al 100%, lo que provoca el efecto de la sobremodulación. Demodulador AM: Una vez que el receptor recibe la señal modulada en AM, debe demodularla para obtener de nuevo la señal orignal. El circuito demodulador de AM más sencillo es conocido como detector de envolvente, cuyo esquema se muestra a continuación. 10

11 El funcionamiento del circuito es el siguiente: durante cada semiciclo positivo de la señal portadora el diodo conduce, por lo que el condensador se carga al valor de pico de la portadora. En cada semiciclo negativo el diodo no conduce y el condensador se descarga a través de la resistencia. De esta forma, a la salida del circuito se obtiene la envolvente de la señal de entrada. Si la frecuencia de la portadora es mucho mayor que la de la moduladora, la señal envolvente que se obtiene reproduce fielmente la forma de la señal moduladora. Ventajas de la modulación en amplitud: La principal ventaja de la modulación AM es que tanto el circuito modulador como el demodulador son muy sencillos, y por lo tanto económicos. Inconvenientes de la modulación en amplitud: La desventaja principal de la modulación de amplitud reside en su baja inmunidad frente al ruido y las interferencias. Las señales moduladas en AM se ven fácilmente afectadas por diversos fenómenos atmosféricos, señales electrónicas con frecuencias parecidas o las interferencias ocasionadas por aparatos eléctricos tales como motores y generadores. Ejercicios 1.- Cuál es el parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora en una modulación AM? 11

12 2.- Dibuja el espectro que tendrá una señal modulada en AM, si el espectro de la señal moduladora es el que se muestra en la figura, y se modula con una portadora de 50 khz. A f 3 khz 3.- Para la señal del ejercicio 2, cuál es el ancho de banda de la señal moduladora y de la modulada? 4.- Qué es la sobremodulación y por qué se produce? 5.- Dibuja la forma de la señal modulada en AM con una portadora de alta frecuencia y las siguientes señales moduladoras: 5.- Dibuja el circuito demodulador de AM, indica su nombre y explica brevemente su funcionamiento. 6.- Cuáles son las principales ventajas e inconvenientes de la modulación AM? 12

13 5.2.- Modulación AM de portadora suprimida Cuando hemos analizado el espectro de una señal modulada en amplitud, hemos visto que consta de 3 componentes: las dos bandas laterales y la portadora. La información que se transmite está contenida en las bandas laterales, es decir, la portadora no contiene ninguna información. Entonces, por qué gastar potencia en transmitirla? Existe una variación de la modulación en amplitud que no transmite la señal portadora. A esta variación se le llama modulación AM de portadora suprimida. Como podemos ver, en este caso aparecen únicamente dos términos que corresponden con las dos bandas laterales, pero no aparece la señal portadora. Por ejemplo, al modular una señal de 1 khz con una portadora de 10 khz, el espectro de la señal modulada sería el siguiente: La principal ventaja de este tipo de modulación es que permite transmitir la misma información utilizando menos potencia de transmisión. Por otro lado, el principal inconveniente es que el circuito demodulador es mucho más complejo Modulación AM de banda lateral única (BLU) Con la modulación anterior hemos conseguido reducir la potencia de transmisión al eliminar la señal portadora. Sin embargo, todavía es posible reducir más la potencia eliminando una de las bandas laterales, ya que las dos contienen exactamente la misma información. Esta eliminación de una banda lateral se consigue colocando un filtro de frecuencia después del circuito modulador. Dependiendo de la banda lateral que se transmita, la superior o la inferior, tenemos dos modulaciones diferentes: Modulación de banda lateral superior (BLS): En este caso lo que se transmite es la banda lateral superior y son suprimidas la banda lateral inferior y la señal portadora. 13

14 Modulación de banda lateral inferior (BLI): En este caso lo que se transmite es la banda lateral inferior y son suprimidas la banda lateral superior y la señal portadora. Este tipo de modulación tiene dos ventajas importantes: por una parte, reduce todavía más la necesidad de potencia de transmisión. Por otro lado, y todavía más importante, reduce a la mitad el ancho de banda necesario para transmitir una determinada señal, comparándolo con el ancho de banda de una modulación AM convencional. Sin embargo, el principal inconveniente es que aumenta de manera importante la complejidad del circuito demodulador. Este tipo de modulación no se utiliza en los servicios de radiodifusión AM comerciales. Sin embargo, es utilizada ampliamente en las frecuencias de radioaficionados, en la banda ciudadana (27MHz) y en algunas comunicaciones marinas. Ejercicios 1.- Dibuja el espectro de una señal de 5 khz que es modulada con una portadora de 100 khz, para los siguientes tipos de modulación: a) Modulación AM convencional b) Modulación AM de portadora suprimida c) Modulación AM de banda lateral superior d) Modulación AM de banda lateral inferior 2.- Calcula el ancho de banda de la señal modulada para cada una de las modulaciones del ejercicio anterior. 3.- Cuáles son las ventajas e inconvenientes de la modulación AM de portadora suprimida con respecto a la AM convencional? 4.- Cuáles son las ventajas e inconvenientes de la modulación AM de banda lateral única con respecto a la AM convencional? 5.- Cita algunas aplicaciones donde se utilice la modulación AM de banda lateral única. 14

15 5.4.- Modulación de frecuencia (FM) En la modulación de frecuencia, el parámetro de la señal portadora que varía no es la amplitud, como ocurría en la AM, sino la frecuencia. Es decir, la frecuencia de la portadora varía de acuerdo con la amplitud de la moduladora. Si la amplitud de la moduladora aumenta, la frecuencia de la portadora también lo hace. Y si la amplitud disminuye, la frecuencia de la portadora disminuye, tal y como se observa en las siguientes gráficas: Índice de modulación: En la modulación FM, el índice de modulación es el cociente entre la máxima desviación de frecuencia que sufre la portadora, y la frecuencia de la señal moduladora. Cuando se realiza una modulación en frecuencia, no aparecen únicamente dos bandas laterales, como ocurría en AM, sino que aparecen múltiples bandas laterales, todas ellas espaciadas en f m, alrededor de la frecuencia de la señal portadora f p. El número de bandas laterales que aparecen no es constante, sino que depende del índice de modulación, que a su vez está relacionado con la amplitud de la moduladora. Cuanto mayor sea el índice, más bandas laterales aparecerán. Como consecuencia del incremento de bandas laterales, el ancho de banda de una señal modulada en FM es mayor que el de AM. Dicho de otro modo, un canal de FM consume una mayor porción del espectro radioeléctrico. 15

16 La siguiente imagen muestra el espectro de una señal modulada en FM con diferentes índices de modulación. Como se puede observar, no solamente cambia el número y amplitud de las bandas laterales, sino también la amplitud de la portadora. Incluso existen algunos valores de índice de modulación, como o 5.52 que provocan la desaparición completa de la portadora. El índice de modulación se debe controlar porque si es demasiado alto, aparecerán demasiadas bandas laterales, por lo que la señal ocupará un gran ancho de banda. Por ejemplo, para las emisiones de radio FM, la desviación máxima de frecuencia permitida es de ±75kHz. Si no se controla la amplitud de la señal moduladora, puede que el índice de modulación sea demasiado elevado, provocando que la señal modulada se salga del límite permitido, invadiendo otro canal. Cuando esto sucede se dice que hay sobremodulación, que es un concepto diferente al de sobremodulación en AM. Ventajas de la modulación de frecuencia: La principal ventaja de la modulación FM con respecto a la AM es que se trata de una modulación mucho más inmune frente al ruido y las interferencias. Como vimos antes, la modulación AM es muy sensible a diferentes campos electromagnéticos que provocan una variación en la amplitud de la señal. Sin embargo, estos campos electromagnéticos no afectan a la frecuencia de la señal que emitimos, por lo que no generan ningún tipo de ruido en una señal modulada en FM. 16

17 Inconvenientes de la modulación de frecuencia: No todo son ventajas en la modulación FM. Comparada con la AM, tiene las siguientes desventajas: - Los circuitos moduladores y demoduladores son mucho más complejos. - El ancho de banda necesario para transmitir una determinada señal modulada en FM es mayor que el necesario para transmitir la misma señal modulada en AM A pesar de estos inconvenientes, la modulación FM es la modulación analógica más utilizada. Una de sus aplicaciones más conocidas es la radiodifusión comercial que comprende las frecuencias desde 87.5MHz hasta 108MHz, lo que se conoce popularmente como radio FM. Ejercicios 1.- Cuál es el parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora en una modulación FM? 2.- Cuántas bandas laterales aparecen en el espectro de una señal modulada en FM? 3.- Qué es la sobremodulación en una modulación FM? 4.- Cómo es el ancho de banda de una señal modulada en FM, comparado con una modulación en AM? 5.- Cuáles son las principales ventajas de la modulación FM sobre la AM? 6.- Cuáles son las principales ventajas de la modulación AM sobre la FM? 17

18 5.5.- Ruido en comunicaciones En comunicación, se denomina ruido a toda señal no deseada que se mezcla con la señal útil que se quiere transmitir. El ruido es el resultado de diversos tipos de perturbaciones que tiende a enmascarar la información cuando se presenta en la banda de frecuencias del espectro de la señal, es decir, dentro de su ancho de banda. Causas: El ruido se debe a múltiples causas: a los componentes electrónicos (amplificadores), al ruido térmico de las resistencias, a las interferencias de señales externas, etc. Es imposible eliminar totalmente el ruido, ya que los componentes electrónicos no son perfectos. Sin embargo, es posible limitar su valor de manera que la calidad de la comunicación resulte aceptable. Relación señal a ruido (S/N): Para medir la influencia del ruido sobre la señal de información se utiliza la relación señal/ruido, que generalmente se expresa en decibelios (db). La relación señal/ruido (en inglés Signal to noise ratio SNR o S/N) se define como el margen que hay entre la potencia de la señal que se transmite y la potencia del ruido que la corrompe. Este margen se mide en decibelios. S N (db) = 20 log 10 V s V n La relación señal a ruido es la medida más utilizada para conocer la calidad de la señal recibida en comunicaciones analógicas. Ejercicios 1.- Qué es el ruido en comunicaciones? Cuáles son sus causas? 2.- Un receptor necesita tener en su entrada una relación S/N superior a 6dB para poder recibir y demodular correctamente la señal. Indica si la comunicación sería posible para los siguientes casos de niveles de señal y ruido recibidos: a) V s = 10µV y V n = 1µV b) V s = 20µV y V n = 5µV c) V s = 2.5µV y V n = 1µV 18

19 6.- Modulaciones de señal digital con portadora analógica En el tema anterior estudiamos las modulaciones analógicas, que son las que empleamos cuando queremos transmitir señales analógicas, como el audio o el vídeo. Sin embargo, en muchas ocasiones lo que necesitamos transmitir no es una señal analógica, sino digital. Por ejemplo, cuando comunicamos un ordenador con un router a través de wifi, se transmiten datos digitales por radiofrecuencia. También la emisión y recepción de la señal de TDT es un ejemplo de transmisión de datos digitales por radiofrecuencia. Para estos casos, y para muchos otros, es necesaria la utilización de otro tipo de modulaciones, conocidas como modulaciones digitales. La función de una modulación digital es convertir los bits (datos digitales) en señales adecuadas para su transmisión. Como vimos en el tema anterior, para la transmisión de información se emplean señales analógicas de radiofrecuencia. Por tanto, las modulaciones digitales lo que hacen es introducir en una señal de radiofrecuencia analógica la información que originalmente se encuentra en forma digital. A lo largo de esta unidad estudiaremos las principales modulaciones digitales que existen. Pero antes es necesario conocer cómo se mide la influencia del ruido en las comunicaciones digitales Tasa de error de bit (BER) Cuando se transmiten señales digitales por un canal, el efecto del ruido se pone de manifiesto en el número de errores que comete el receptor. Para medir la cantidad de errores que se producen en una transmisión digital existe un parámetro muy importante llamado tasa de error de bit. La tasa de error de bit (BER, del inglés bit error rate) es el número de bit erróneos recibidos dividido entre el número total de bits transmitidos durante un cierto intervalo. El BER se expresa generalmente como un porcentaje. En un sistema digital de comunicaciones, el BER del receptor puede verse afectado por el ruido en el canal de transmisión, interferencias, distorsión, atenuación, ecos provocados por la multitrayectoria, etc. El BER puede mejorarse de diferentes maneras: - Aumentando la potencia de la señal emitida, lo que mejora la relación S/N. - Eligiendo una modulación digital más lenta pero más robusta frente al ruido o las interferencias. - Añadiendo a nuestra información transmitida códigos redundantes para la corrección de errores. 19

20 La tasa de error de bit o BER se utiliza, junto con otras medidas como la constelación, para evaluar la calidad de la señal en un sistema digital de comunicación. Ejercicios 1.- Calcula el BER en una transmisión digital en la que los datos transmitidos y recibidos son los siguientes: - Datos transmitidos: Datos recibidos: Qué ocurre con el BER de una transmisión digital si aumentamos la relación S/N en el receptor? 3.- Para qué se utiliza el BER? Tipos de modulaciones digitales Existen principalmente dos grandes grupos de modulaciones digitales: - Modulaciones binarias: son aquellas modulaciones digitales en las que cada dato que se transmite corresponde a un bit (0 o 1). Dentro de las modulaciones binarias destacan principalmente: o Modulación ASK o Modulación FSK o Modulación BPSK - Modulaciones de símbolos: son aquellas modulaciones digitales en las que cada dato que se transmite corresponde a un símbolo, que es un conjunto de bits. Por tanto, estas modulaciones permiten transmitir más información que las modulaciones binarias en el mismo tiempo. Las principales modulaciones de símbolos son: o Modulación QPSK o Modulación QAM 20

21 6.3.- Modulaciones binarias Modulación ASK (Amplitude Shift Keying) La modulación ASK asigna una amplitud distinta para la señal portadora, en función del valor del dato binario que se vaya a transmitir. Es decir, la portadora siempre tiene la misma frecuencia, pero cambia su amplitud entre 2 valores distintos, según se transmita un 0 o un 1, tal y como se muestra en la siguiente figura: Señal moduladora: datos binarios Señal modulada en ASK Como se puede observar, este tipo de modulación es similar a la modulación AM, sólo que en este caso la señal moduladora es una señal digital. Por tanto, la modulación ASK presenta el mismo problema que la modulación AM: es muy sensible al ruido y a las interferencias. Por ello prácticamente no se usa en las transmisiones por radio, sólo en la transmisión de datos digitales en fibra óptica Modulación FSK (Frequency Shift Keying) En la modulación FSK la información se transmite en la frecuencia de la portadora, igual que ocurría en la modulación FM. Sin embargo, ahora la frecuencia solamente puede tomar dos valores: f 1 y f 2, ambos muy próximos a la frecuencia portadora. Si el bit a transmitir es un 0, se transmitirá una frecuencia (f 1 ). Si el bit a transmitir es un 1, se transmitirá otra diferente más alta (f 2 ). A continuación se muestra la representación gráfica de la modulación FSK: 21

22 Modulación BPSK (Binari Phase Shift Keying) En la modulación BPSK, la información viaja en la fase de la señal. Si el bit a transmitir es un 0, se transmite la portadora tal cual. Si el bit a transmitir es un 1, se invierte la fase de la portadora. Por tanto, se transmite la señal portadora con 2 fases diferentes: 0º y 180º. El receptor sabe qué bit le ha llegado midiendo la fase de la portadora que llega. La representación gráfica de la modulación BPSK se muestra a continuación. Como se puede observar, cada vez que la señal digital pasa de 0 a 1 o de 1 a 0, se produce un cambio de fase en la señal portadora, mientras que la amplitud y la frecuencia de la misma permanecen constantes. La modulación BPSK es utilizada para transmisores de bajo costo y sin altas velocidades de transmisión. Se usa, por ejemplo, en algunas aplicaciones RFID, como tarjetas de crédito inalámbricas. Ejercicios 1.- Dibuja las señales que resultarían al realizar una modulación ASK, FSK y BPSK sobre los siguientes datos binarios: ASK FSK BPSK 22

23 2.- En qué aplicaciones se utiliza la modulación ASK? Por qué no se utiliza en comunicaciones por radio? 3.- Cita algunas aplicaciones de la modulación BPSK. 4.- Busca en Internet otras aplicaciones de la tecnología RFID Modulaciones de símbolos Todas las modulaciones anteriores tienen un inconveniente: en cada dato transmitido solamente se envía un bit de información. Sin embargo, existen otras modulaciones que son capaces de enviar un conjunto de bits por cada dato transmitido, pudiendo enviar mucha más información en el mismo tiempo. Al conjunto de bits que se transmiten cada vez se le llama símbolo. Por eso estas modulaciones reciben el nombre de modulaciones de símbolos. La mayoría de las modulaciones de símbolos son variaciones de las modulaciones binarias, sólo que ahora en vez de transmitir 2 señales diferentes, se transmiten M señales diferentes. Evidentemente, existe una relación entre el número de señales diferentes (M) y el número de bits que se transmite en cada dato. Esta relación se expresa con la ecuación: nº bits que transmite cada dato Número de señales diferentes = M = 2 Es decir, una modulación con 4 señales diferentes es capaz de transmitir 2 bits cada vez, mientras que una con 8 señales diferentes puede transmitir 3 bits por dato Modulación QPSK Es similar a la modulación BPSK, pero si antes se transmitía la portadora con 2 fases diferentes, ahora se transmite con 4 fases diferentes: 45º, 135º, 225º y 315º, tal y como se muestra en la siguiente gráfica: 23

24 La modulación QPSK se usa en la transmisión de datos por satélite. También el Bluetooth 2 utiliza QPSK para su baja velocidad de 2Mbps, mientras que emplea 8-PSK para la velocidad de 3Mbps Modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) La modulación QAM es una de las modulaciones digitales más utilizadas. Se trata de una modulación que combina las modulaciones ASK y PSK. Por tanto, en este caso la información viaja tanto en la amplitud como en la fase de la señal portadora. Dicho de otro modo, se envían señales portadoras con diferentes amplitudes y fases, pero siempre con las misma frecuencia. Existen diferentes tipos de QAM, en función del número de señales que se emplean en la modulación: 4-QAM, con 4 posibles señales, 16-QAM con 16 posibles señales, 64- QAM, etc. La modulación QAM se utiliza en múltiples aplicaciones de comunicaciones digitales. Por ejemplo la 16-QAM y 64-QAM se utilizan actualmente en la televisión digital terrestre, mientras que la 64-QAM y 256-QAM se emplean en el módem por cable digital. Ejercicios 1.- Cuántos bits transmite cada símbolo de una modulación 64-QAM? Y de una 256- QAM? 2.- Indica la principal aplicación de la modulación QPSK. 24

25 3.- Cita algunas aplicaciones de la modulación QAM. 4.- Dónde viaja la información en una modulación QAM? Modulaciones con múltiples subportadores Cuando la cantidad de información que se quiere transmitir es muy grande, como ocurre en el caso de los servicios de ADSL o TDT, se recurre a una técnica de modulación que consiste en dividir la información a transmitir en varias partes, y utilizar una portadora diferente para transmitir cada parte. Cada una de estas portadoras a su vez es modulada en cualquiera de las modulaciones digitales estudiadas, como QPSK o 16QAM. Un caso particular de este tipo de modulaciones es la modulación COFDM, que estudiaremos con detalle a continuación, puesto que se trata de la modulación utilizada en el sistema de Televisión Digital Terrestre Modulación COFDM El sistema de Television Digital Terrestre utiliza una compleja modulación denominada COFDM (Coherent Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Este nuevo sistema de modulación digital parte de la idea de transmitir los datos en paralelo, dividiendo la información y la repartiéndola entre diferentes subportadoras. La técnica COFDM divide el ancho de banda de un canal de televisión (8 MHz) en un gran número de fracciones, incluso miles. Cada una de estas fracciones la ocupa una subportadora. En concreto, para la TDT en España se emplea la modulación 8k- COFDM, que utiliza portadoras. Cada una de las subportadoras es modulada en 64-QAM. Como se transmiten muchas portadoras, y todas están muy próximas entre sí, es imposible diferenciar unas de otras en el dominio de la frecuencia. Por tanto, el espectro de un canal de TDT tendría el siguiente aspecto: 25

26 Para facilitar la recuperación de los datos digitales que contienen la información transmitida y evitar las pérdidas que se puedan producir en el medio de transmisión, se transmite también un código de protección de errores con el que se añade redundancia en los datos que se transmiten, y que se utilizará en el receptor para la corrección de errores. La corrección de errores nos permite corregir un nivel de errores determinado, por lo que si éste es muy grande, el receptor no será capaz de recuperar esa información. En concreto, el sistema TDT utiliza dos códigos de corrección de errores, denominados Viterbi y Reed Solomon. Por tanto, el receptor que recibe la señal de TDT, además de demodular la modulación COFDM, utilizará los códigos de protección de errores para corregir los datos recibidos, como se observa en la siguiente imagen: Demodulador Corrector Viterbi Corrector Reed Solomon Con todo esto se obtiene una modulación específicamente diseñada para las necesidades de los canales de difusión terrestre, combatiendo los efectos multitrayectoria y otros tipos de interferencias que afectan a receptores. Además, el hecho de utilizar miles de subportadoras proporciona una capacidad de transmisión capaz de soportar varios canales de TV ocupando el ancho de banda correspondiente a un solo canal analógico. Ejercicios 1.- En qué consiste la técnica de modulación con múltiples subportadoras? 2.- Cuántas subportadoras utiliza la señal de TDT en España? 3.- Cuál es el ancho de banda de una canal de TDT, y cuántos canales de televisión se envían en cada canal? 4.- Dibuja el espectro de un canal de TDT. 5.- Qué es el código de protección de errores? Cómo se llaman los códigos de protección de errores utilizados en la transmisión de la señal de TDT? 26

27 Medidas de calidad de una señal de TDT Para medir la calidad de la señal TDT recibida en un determinado punto es necesario emplear un instrumento conocido como medidor de campo. Pero el procedimiento no es tan sencillo, ya que el medidor de campo suele medir varios parámetros diferentes, por lo que es necesario que el técnico tenga bien claro el significado de cada uno de ellos. Potencia: se trata del nivel de señal recibido. Se mide en dbµv. En televisión digital es más importante la calidad de la señal que la potencia de la misma, por lo que los parámetros que veremos a continuación son más importantes. C/N: se trata de la relación portadora/ruido. Indica en cierto modo la calidad de la señal recibida, pero se utilizan más otros parámetros. Se expresa en db. BER: Como vimos anteriormente, el BER es la tasa de error de bit, y se trata del parámetro más importante a la hora de indicar la calidad de la señal recibida. Normalmente el medidor de campo proporciona dos medidas de BER diferentes: el CBER y el VBER. CBER: Es la tasa de error medida justo después del demodulador, es decir, antes de la corrección de errores Viterbi. VBER: Es la tasa de error medida después del corrector Viterbi. CBER VBER Demodulador Corrector Viterbi Corrector Reed Solomon MER: Representa la relación entre la potencia media de la señal digital recibida y la potencia media del ruido presente en la constelación de la señal. Es decir, es un parámetro equivalente a la relación S/N de las transmisiones analógicas, por lo que nos da una idea de la calidad de la señal. Se expresa en db. MR (margen de ruido): indica cuántos decibelios puede empeorar el MER antes de que el VBER llegue al máximo admisible. Es decir, nos da una idea del margen que tiene la señal (un MR bajo indica que cualquier leve empeoramiento de la señal puede hacer dejar de funcionar la decodificación). 27

28 A continuación se muestran los valores límite en toma de usuario para TDT. Estos valores no son ni mucho menos los recomendados, ya que cualquier pequeña degradación de la señal haría dejar de funcionar el sistema: Valores límite en toma Potencia 45dBµV CBER VBER MER 18dB La siguiente imagen muestra un ejemplo de las medidas de los diferentes parámetros tomadas por un medidor de campo. Constelación: La constelación es la representación gráfica de una modulación. Se representan con un punto la amplitud y la fase de cada uno de las posibles señales que conforman la modulación. La constelación de una modulación es una forma rápida y cómoda de medir visualmente la calidad de una transmisión digital. Por este motivo, muchos medidores de campo para TDT son capaces de representar la constelación de la señal recibida. A continuación se muestran tres gráficas donde se representan tres constelaciones para una modulación 64QAM, que es la utilizada en TDT. La primera imagen muestra la constelación perfecta, mientras que las otras dos corresponden a constelaciones donde la señal presenta deficiencias. Observando la forma de la constelación se puede adivinar el origen del problema que presenta la señal. 28

29 Ejercicios 1.- Cuál es la utilidad de las constelaciones? 2.- Hemos visto las imágenes de una constelación 64QAM, pero la modulación QPSK también tiene constelación. Dibújala. 3.- Como hemos estudiado, el sistema TDT utiliza una modulación COFDM, pero en cambio la televisión por satélite utiliza modulación QPSK. Por qué crees que se hace esto? 29