UD3. MODULACIÓN. Comprender el tratamiento de las señales para enviar información. Distinguir entre modulación analógica y digital

Transcripción

1 UD3. MODULACIÓN OBJETIVOS OBJETIVOS: Comprender el tratamiento de las señales para enviar información Distinguir entre modulación analógica y digital Conocer las ventajas que tiene la modulación digital frente a la analógica 1

2 QUÉ ES MODULAR? Se denomina modulación al proceso de colocar la información contenida en una señal, generalmente de baja frecuencia, sobre una señal de alta frecuencia. La modulación de una señal consiste en cambiar o alterar algunos parámetros de dicha señal. Esta señal llamada portadora, por ser a la vez conductora de señales más débiles como el sonido y el video QUÉ ES MODULAR? Debido a este proceso la señal de alta frecuencia denominada portadora, sufrirá la modificación de alguna de sus parámetros, siendo dicha modificación proporcional a la amplitud de la señal de baja frecuencia denominada moduladora. 2

3 PORQUÉ DEBEMOS MODULAR LA 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. 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. PORQUÉ DEBEMOS MODULAR LA SEÑAL? Además, en casos como la radiodifusión por antenas, es necesario manejar frecuencias superiores para la correcta transmisión de potencia al aire libre. Los procesos de modulación permiten convertir la señal banda base en otra señal distinta (llamada señal modulada) con un espectro más adecuado al canal en uso y con una menor sensibilidad al ruido del canal. 3

4 PORQUÉ DEBEMOS MODULAR LA SEÑAL? La Modulación permite montar la información (de baja frecuencia) a transmitir sobre una señal de alta frecuencia que es más facil de radiar. A la señal a transmitir se le llama señal de modulación, modulante o señal de banda base y a la señal modulada de alta frecuencia se le llama portadora. Al proceso inverso de separar la señal de modulación de la portadora a partir de la señal modulada se le llama Demodulación. PORQUÉ DEBEMOS MODULAR LA SEÑAL? Razones 1) Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora, no será posible reconocer la información inteligente contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales transmitidas por diferentes usuarios. 2) A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee. 3) Se aprovecha mejor el espectro electromagnético, ya que permite la multiplexación por frecuencias. 4) En caso de transmisión inalámbrica, las antenas tienen medidas más razonables. 4

5 PORQUÉ DEBEMOS MODULAR LA SEÑAL? La radiofrecuencia (RF) es el medio de transporte de la audiofrecuencia (AF) A esta acción se le llama MODULACIÓN MODULACIÓN Transmisor básico MODULADOR ANTENA MIC AMP. DE AF AMPLIFICADOR RF GENERADOR DE RF 5

6 DEMODULACIÓN Es el proceso mediante el cuál es posible recuperar la señal de datos de una señal modulada. Un MODEM es un dispositivo de transmisión que contiene un modulador y un demodulador. DEMODULACIÓN Receptor básico Antena Detector de Audio ( Demodulador) Altavoz Amplificador de RF Amplificador de AF 6

7 ONDA PORTADORA Señal, generalmente de forma senoidal, que es modulada (transformada) por otra señal de información que se quiere transmitir. Es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal a modular ONDA PORTADORA Frecuencias de transmisión Varias de estas bandas se dividen en diversos tipos de servicios como: Microondas terrestres. Microondas satelitales. Navegación marítima. Detección de sup. de aeropuerto Comunicaciones Personales Inalámbricas Móviles Clima desde aeronaves Aproximación de aeronaves Búsqueda móvil basada en tierra Radionavegación Aeronáutica Móvil Marítimo. Móvil Aeronáutico. Móvil Terreste (Teléfono móvil). Móvil por Satélite. Radioastronomía. Radiolocalización. Operaciones espaciales. Investigación Espacial. Exploración de la Tierra por Satélite. Entre Satélites. Radiodifusión Sonora. Radiodifusión de T.V. Ayudas a la Meteorología. Aficionados. Frecuencias Patrón y Señales Horarias. Radiodifusión por Satélite Fijo por Satélite. 7

8 ONDA PORTADORA Frecuencias de transmisión ONDA PORTADORA Frecuencias de transmisión 8

9 SEÑAL DE TRANSMISIÓN Y DE DATOS Las señales de transmisión corresponden a la portadora, mientras que las señales de datos correspondes a la moduladora. De acuerdo al sistema de transmisión, se pueden tener los siguientes casos Señal de transmisión Analógica Analógica Digital Digital Señal de Datos Analógica Digital Analógica Digital RECORDANDO Las tres características mas importantes de una señal periódica son: Amplitud: es el valor instantáneo de una señal en cualquier momento. En transmisión de datos se mide en Voltios. Frecuencia: es el inverso del periodo (1/T), representa el número de repeticiones de un período por segundo y se expresa en ciclos por segundo óhertz (Hz) Fase: es una medida de la posición relativa en el tiempo del período de una señal 9

10 RECORDANDO TIPOS DE MODULACIÓN Modulación Analógica Digital Lineal AM De onda continua Angular PM FM PAM PWM De pulsos PPM TDM PCM ASK FSK PSK DPSK QAM 10

11 MODULACIÓN ANALÓGICA Dado que podemos modificar 3 magnitudes de una señal periódica los tipos de modulación analógica son: AM: Amplitud Modulada FM: Frecuencia Modulada PM: Modulación en Fase MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de amplitud (AM) La modulación en Amplitud (AM) es utilizada para transmitir información de audio (voz, música entre otras.) en la onda portadora de RF. AM es una mezcla de señales de AF y RF, de manera que las variaciones de amplitud de la señal de AF (Modulación) alteran la amplitud de la señal RF (Portadora) 11

12 MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de amplitud (AM) Este es un caso de modulación donde tanto las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas. Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud. MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de amplitud (AM) La modulación de amplitud es utilizada para transmitir información de audio (voz, música ), en la onda portadora de RF AM es una mezcla de señales de AF y RF, de manera que las variaciones de amplitud de la señal de AF (modulación) alteran la amplitud de la señal de RF (portadora) 12

13 MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de amplitud (AM) MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de amplitud (AM) 13

14 MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de amplitud (AM) MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de frecuencia (FM) A diferencia de la AM, la modulación en frecuencia crea un conjunto de complejas bandas laterales cuya profundidad (extensión) dependerá de la amplitud de la onda moduladora. Como consecuencia del incremento de las bandas laterales, la anchura del canal de la FM será más grande que el tradicional de la onda media, siendo también mayor la anchura de banda de sintonización de los aparatos receptores. 14

15 MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de frecuencia (FM) En este caso las señales de transmisión como las de datos son analógicas y es un tipo de modulación exponencial, por lo cual, la señal modulada mantendrá fija su amplitud y el parámetro de la señal portadora que variara es la frecuencia y lo hace de acuerdo a como varié la amplitud de la señal moduladora. Por tanto la modulación por frecuencia (FM), se conoce como el proceso mediante el cual la información es decodificada y a su vez dicha información se encuentra en forma digital o analógica, en una onda portadora mediante la variación de su frecuencia instantánea de acuerdo a la señal de entrada MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de frecuencia (FM) 15

16 MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de frecuencia (FM) MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de frecuencia (FM) La frecuencia modulada posee varias ventajas sobre el sistema de modulación de amplitud (AM) utilizado alternativamente en radiodifusión. La más importante es que al sistema FM apenas le afectan las interferencias y descargas estáticas. Algunas perturbaciones eléctricas, como las originadas por tormentas o sistemas de encendido de los automóviles, producen señales de radio de amplitud modulada que se captan como ruido en los receptores AM. 16

17 MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de fase (PM) En este caso el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo con la señal moduladora es la fase. Es un tipo de modulación exponencial al igual que la modulación de frecuencia. Se caracteriza porque la fase de la onda portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante, resultando una señal de modulación en fase MODULACIÓN ANALÓGICA Modulación de fase (PM) La modulación en Fase no suele ser muy utilizada porque se requieren equipos de recepción más complejos que los de frecuencia modulada. Suele presentar problemas de ambigüedad para determinar, por ejemplo si una señal tiene una fase de 0 o

18 MODULACIÓN ANALÓGICA Comparación MODULACIÓN DIGITAL Los datos digitales deben ser modulados sobre una señal analógica (portadora) que ha sido manipulada para mostrar los valores correspondientes a los ceros y los unos de la señal digital. La modulación puede ser: Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK). Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Modulación por desplazamiento de fase (PSK). Modulación de amplitud en cuadratura (QAM), que combina cambios en fase y en amplitud. 18

19 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de amplitud (ASK) Valores representados por diferentes amplitudes de portadora Usualmente, una amplitud es cero Se usa presencia y ausencia de portadora Susceptible de repentinos cambios de ganancia Poco eficiente Hasta 1200 bps en líneas de calidad telefónica Usada en fibra óptica MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de amplitud (ASK) 19

20 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de amplitud (ASK) Ancho de Banda MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de amplitud (ASK) Ejemplo señal real 20

21 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de frecuencia (FSK) Valores representados por diferentes frecuencias (próximas a la portadora) Menos sensible a errores que ASK Hasta 1200 bps en líneas de calidad telefónica Transmisión por radio en HF (3 30 MHz) Incluso en LAN en frecuencias superiores con cable coaxial MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de frecuencia (FSK) 21

22 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de frecuencia (FSK) Ancho de banda MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de fase (PSK) La Fase de la portadora se desplaza para representar los datos PSK Diferencial El cambio de fase se refiere a la transmisión del bit anterior en lugar de a una referencia absoluta

23 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de fase (PSK) Nótese la inversión de fase para representar el 0 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de fase (PSK) 23

24 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de fase (PSK) Constelación PSK MODULACIÓN DIGITAL Modulación DPSK En esta modulación cada estado se codifica mediante un salto de fase, que se produce en la señal de línea cuando se pasa de un bit al siguientes, es decir, los saltos de fase se obtienen en función de la fase que tenía la señal en el estado anterior. Utilizando este sistema de modulación queda garantizado que para cada bit habrá una transición, con lo que se facilita la sincronización del reloj de recepción. Así por ejemplo codifica un 0 binario mediante un salto de 90º y un 1 binario mediante un salto de 270º. Se utiliza en transmisiones a 1200 bits/sg (1200 baudios). 24

25 MODULACIÓN DIGITAL Modulación QPSK Esta modulación divide los datos en 2 bits (dibit) y cada bit se codifica como un cambio de fase de la portadora con respecto a la fase del símbolo inmediatamente anterior. Se pueden utilizar dos soluciones diferentes para transmitir señales dentro de un canal telefónico mediante este sistema de modulación. MODULACIÓN DIGITAL Modulación MPSK Este sistema de modulación divide los datos en 3 bits (tribit) y cada tribit se codifica con un cambio de fase de la portadora con respecto a la fase del símbolo inmediatamente anterior. Se disponen de ocho fases diferentes para codificar los posibles estados de los tribits. 25

26 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de fase (PSK) Constelación PSK 4-PSK Characteristics 8-PSK Characteristics MODULACIÓN DIGITAL Modulación QAM La modulación QAM (Quadrature Amplitud Modulation), donde se aplica una combinación de modulación de fase DPSK y de amplitud ASK, se utiliza para mejorar la eficiencia de los sistemas de modulación con transmisiones de datos a alta velocidad. Este tipo de modulación lo que hace es formar grupos de 4 bits (cuatribit) con lo que tendremos una portadora con 16 estados de fase y amplitud. El primero de estos nos determina la amplitud: si es 0 tomamos la amplitud pequeña y si es 1 la grande. Los otros 3 bits funcionan de la misma forma que en la modulación DPSK. 26

27 MODULACIÓN DIGITAL Desplazamiento de fase (PSK) Constelación PSK 4-QAM and 8-QAM Constellations MODULACIÓN DIGITAL Modulación en cuadratura (QAM) 27

28 MODULACIÓN DIGITAL Modulación en cuadratura (QAM) MODULACIÓN DIGITAL Velocidad modulación y transmisión La Velocidad de Modulación se define como el número de cambios de señal por unidad de tiempo, y se expresa en baudios La Velocidad de Transmisión, expresada en bits/sg, equivale a la velocidad de modulación multiplicado por el número de bits representados por cada muestra La primera hace siempre referencia a la unidad de información trasmitida por segundo: sea cual fuere el número de bits de cada unidad de información, la segunda se refiere al número de bits enviados por segundo. 28

29 MODULACIÓN DIGITAL Velocidad modulación y transmisión ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Espectro electromagnético y modulación 29

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