Tema 4 Modulación Digital Unibit

Transcripción

1 LOGO REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica Tema 4 Modulación Digital Unibit Vigencia: Febrero 2011 H. Romero

2 Sumario Sistemas de Comunicaciones Digitales Cociente Eb/No Bits y Baudios El Baudio Capacidad de Información de un Sistema de Comunicaciones Limite de Shannon Modulación Digital de Amplitud (ASK) Modulación Digital en Frecuencia (FSK) Modulación Digital en Fase (PSK) Moduladores Digitales

3 AspectosPreliminares Hasta ahora hemos estudiado las técnicas de modulaciones analógicas, es decir, cuando la señal modulante es de carácter analógico. Antes Analógica m(t) X Señal Modulada Ahora Digital cos(wc.t)

4 Aspectos Preliminares La mayoría de los canales existente en la vida cotidiana son analógicos. Transmisiones Inalámbricas El Teléfono La Televisión Las modulaciones digitales nos permite emplear los mismos canales de comunicaciones analógicas ya instalados.

5 Sistemasde Comunicación Digital Un sistema de comunicaciones puede ser representado como se muestra. Información Tx Canal Rx Información Transmisor Receptor Es diferente el sistema de comunicaciones digitales a el sistema de comunicaciones analógico?

6 Sistemas de Comunicación Digital Siempre bebemos recordar que: - En los sistemas de comunicaciones digitales, la de la información es digital. Analógico Digital

7 Cociente Eb/No Es la fracción entre la energía de la señal por bits y la densidad de potencia del ruido por hertzio. Este es un parámetro más adecuado para determinar las tasas de error y la velocidad de transmisión.

8 Cálculo del Cociente Eb/No Se puede determinar por: S E ST b = b = R = N N N o o o S ktr Donde: Eb=STb S es la potencia de la señal Tb es el tiempo necesario para enviar un bit. La velocidad de transmisión es R=1/Tb

9 Cálculo del Cociente Eb/No Se puede expresar en db: E N b o db = S dbw 10log R 10log k 10logT E N b o db = S dbw 10log R dbw 10logT

10 Bits y Baudio Razón de Bits: es la razón de cambio en la entrada del modulador y se mide en (bps) Razón de Baudio: es la razón de cambio en la salida del modulador y es igual al reciproco del tiempo de un elemento de señalización de salida. Razón de Bits Modulador Razón de Baudio

11 El Baudio Émile Baudot, cuyo nombre completo era Jean Maurice Émile Baudot, (nacido el 11 de septiembre de 1845 en Magneux, en el departamento francés del Alto Marne. BAUDIO: nombre derivado del nombre del inventor francés del siglo XIX Baudot, originalmente se refería a la velocidad a la que el telégrafo podía enviar la clave Morse.

12 Por ejemplo. El Baudio Si se tienen símbolos de 4 bits cada uno, la velocidad de transmisión de un módem de baudios/seg, cual es la razón de bits a la entrada del modem? 2400 X 4 = bits/seg = bps Razón de Bits 3 0 Modulador Razón de Baudio

13 Capacidad de Información. Es una medida del número de símbolos independientes, que pueden enviarse por un sistema de comunicaciones por unidad de tiempo. Cuantos datos pasan en una unidad de tiempo Información Tx Canal Rx Información Transmisor Receptor

14 Capacidad de Información. Según la ley de HARTLEY, se tiene que la capacidad de información esta dada por: I α B xt donde: I: capacidad del canal de información del sistema B: ancho de banda disponible (Hz). T: línea de transmisión (seg).

15 Capacidad de Información. Utilizando el Limite de Shannon: I = B log ( + S / N ) 2 1 I = 3, 32B log ( 1+ S / N ) donde: I: capacidad de información (bps). B: ancho de banda (Hz). S/N: relación señal a ruido (sin unidades). 10

16 Técnicasde ModulaciónDigital Las técnicas de modulación digital se caracterizan porque la PORTADORA es una SEÑAL ANALÓGICA y la MODULANTE es una SEÑAL DIGITAL MODULANTE DIGITAL MOD MODULADA PORTADORA ANALÓGICA

17 Técnicasde ModulaciónDigital Se clasifican en: Técnicas de Modulación UNI-BIT: Se considera un solo bit para modular la portadora. Comprende varias alternativas de modulación ASK: Amplitude Shift Keying, FSK: Frecuency Shift Keying, PSK: Phase Shift Keying

18 Técnicasde ModulaciónDigital Técnicas de Modulación MULTI-BIT: Se emplea un arreglo de más de un bit para modular la portadora. Comprende varias alternativas de modulación. nqam y npsk, n=4, 8, 16, 32.. Muchas Entradas Simultaneas Modulador Señal Modulada cos(wc.t)

19 Técnica de Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK)

20 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) La amplitud de una señal portadora se conmuta entre DOS valores, en respuesta a un código binario de entrada, manteniendo constante la frecuencia y la fase. b(t) X ASK Portadora

21 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) La ecuación que describe la Modulación ASK, puede ser escrita como: V ASK A 2 ( ) [ ( )] ( ) t = 1+ v t x Sen w t m c En donde: VASK(t) = Voltaje de la onda modulada ASK. A/2 = Amplitud de la portadora no modulada. Vm(t) = señal binaria modulante. Wc = frecuencia de la portadora en radianes. Nota: Existen distintas maneras de escribir las ecuaciones de las modulaciones en amplitud

22 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) En la ecuación la señal modulante es: V m (t) = + 1 Volt 1 Volt "1" lógico "0" lógico Por consiguiente, para una entrada de 1 lógico la ecuación se reduce a: V A 2 ( t) = [ 1+ 1] x Sen( w t) ASen( w t) ASK c = c

23 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) Para una entrada de 0 lógico la ecuación se reduce a: V ASK A 2 ( t) = [ 1 1] x Sen( w t) = 0 c

24 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) El uso de ASK es de relativamente baja calidad y bajo costo, en consecuencia, rara vez se usa en sistemas de comunicaciones de gran capacidad y alta eficiencia. Si uno de los valores es cero se le llama OOK (On-Off Keying).

25 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) La ecuación de la modulación ASK en dominio de la frecuencia se expresa como: V ASK 2 A 16 [ ] 2 2 ( f ) = δ ( f f ) + δ ( f + f ) + t Sinc ( f + f ) + t Sinc ( f f ) c c b c b c Espectro de Señal Portadora Espectro de Señal Modulante El espectro de la señal modulada posee la portadora desplazada a la frecuencia ±f c, más la función Sinc 2 (f ± f c )

26 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) Espectro de una Señal ASK Se observa que el ancho de banda práctico es 2fb el cual es el doble del requerido en transmisión banda base. B ( fc + fb ) ( fc fb ) = fc + fb fc + fb = fb B = 2

27 Las Constelaciones Otro parámetro que es muy útil sobre todo en modulación multinivel, es la constelación. Consiste en representar la señal modulada en función de una o varias funciones ortonormales (ortogonales de energía unitaria).

28 Las Constelaciones Funciones ortogonales y ortonormales: Tomemos por ejemplo la función seno, si esta función se desfasa noventa grados, hallaremos como respuesta la función coseno, así: Sen ( ω t + 90) = Cos( ω t) c c

29 Las Constelaciones Desde el punto de vista polar, el seno está en la línea de cero grados y el coseno se encontrará desfasado +90 con respecto a éste. Cos( ω t c ) 90º Sen( ω c t)

30 Las Constelaciones El seno y el coseno son ortogonales y como el máximo valor que pueden tener es uno (1), serán ORTONORMALES. Así que, podremos representar las modulaciones, usando como sistema de coordenadas los ejes Sen(w c t) y el Cos(w c t).

31 Las Constelaciones El proceso es análogo al sistema de coordenadas cartesianas, pero en vez de llamar los ejes como x y y, los llamaremos Sen(w c t) y Cos(w c t) respectivamente. Cos(w c t) Sen(w c t)

32 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) La gráfica de la constelacion de la ecuacion V ASK (t). En este caso luciría como: V ASK A 2 ( ) [ ( )] ( ) t = 1+ v t x Sen w t m c Punto para 0 lógico Punto para 1 lógico 0 A sen( ω c t)

33 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) Mientras mayor sea la separación entre los puntos 0 y 1 lógicos, menor será la posibilidad de que una se convierta en el otro por efectos del ruido. 0 Lógico 1 Lógico 0 A sen( ω c t)

34 Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) Demodulador ASK Señal ASK Detector de Envolvente Señal Digital

35 Técnica de Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK)

36 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Consiste en variar la frecuencia de la portadora entre dos valores diferentes, de acuerdo a los datos de entrada. Manteniéndose constante la amplitud y la fase de la señal portadora. CPFSK

37 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Osc1 b(t) X Σ FSK X è 1 ( t ) è 2 ( t ) Osc 2

38 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Osc1 b(t) X Σ FSK X Osc

39 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) - Para 1 lógico se asigna una frecuencia F1 - Para 0 lógico se asigna una frecuencia F2. Si la fase es contínua, es decir entre un bit y el siguiente, la fase de la sinusoide no presenta discontinuidades, a la modulación se le da el nombre de CPFSK

40 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) La expresión matemática para una señal FSK se puede escribir como: v Donde : FSK V v v w c m ( t) FSK c = = ( t) = ( ) v t w = V Cos w + m t c c 2 ( t) amplitud pico de la portadora no modulada frecuencia = = señal señal cambio modulada de la portadora modulante de frecuencia FSK digital binaria en radianes de la portadora

41 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Si: V m (t) = + 1 Volt 1 Volt "1" lógico "0" lógico Si la entrada es 1 lógico v FSK f = f t ( t) V Cos 2π + c c 2

42 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Si la entrada es un 0 lógico: v FSK f = f t ( t) V Cos 2π c c 2 Se puede observar: - La frecuencia cambia en ±w c /2. - La rapidez con la cual se producen estos cambios son iguales a la rapidez con la cual cambian los bits de entrada v m (t) (sea f m ). - La frecuencia de salida se desplaza entre dos frecuencias f c ± f / 2

43 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) La desviación máxima de la frecuencia viene dada por la ecuación: f = f " 1" f " 0 " El ancho de banda de una señal FSK será calculado como: ( f + f ) B = 2 b fb es la velocidad de transmisión de los bits

44 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) El índice de modulación para se obtiene a través de la ecuación: h = f f b Para tener CPFSK, F1 y F2 deben seleccionarse, tal que: f "1" y donde f "0" fb = n 2 n = cualquier entero impar

45 La densidad espectral de potencia de la señal FSK se determina por la expresión: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] b b b b b b b b s c FSK t f f Sinc t t f f Sinc t t f f Sinc t t f f Sinc t V f f f f f f f f V f V = δ δ δ δ Espectro de Señal Portadora Espectro de Señal Modulante Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK)

46 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Espectro de una Señal FSK V(f) Solo se muestra el lado del espectro de frecuencias positivas. Fc

47 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) La constelación de la señal FSK se construye partiendo del hecho que f1 y f0 son frecuencias ortogonales. Usando las identidades trigonométricas y sustituciones: V FSK ( t ) = V Cos ( w t ) c c Cos v m ( t ) 2 wt V c Sen ( w t ) c Sen v m ( t ) 2 wt

48 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) En este caso luciría como: cos( ω c t) sen( ω c t)

49 Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) Demodulador FSK Entrada FSK Comparador de Fase Salida Binaria Oscilador Controlado Por voltaje

50 Técnica de Modulación por Conmutación de Fase (PSK)

51 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) Consiste en variar la fase de la portadora de acuerdo con la modulante. Manteniendo igual la amplitud y la frecuencia.

52 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) Modulador PSK b(t) Conv de Nivel X PSK Se convierten los datos unipolares en Bipolares Osc FASE=0 FASE=180

53 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) La ecuación que describe su comportamiento, en el dominio del tiempo sería: V ( t) = ACos( ω t v( t) ) + PSK c Si se seleccionan las fases 0 y π la modulación de fase recibe el nombre de PRK (Phase Reversal Keying).

54 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) Por tanto V m ( t) = π "1" 0 "0" lógico lógico La densidad espectral de potencia de la señal: G PSK P t 2 [ t ] ( ) s b 2( ) 2 f = Sinc f + f t + Sinc ( f f ) c b c b

55 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) Espectro de una Señal PSK Ancho de Banda BPSK=2fb

56 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) La constelación muestra que esta es la modulación que presenta la mayor distancia entre los puntos de la misma; esto la convierte en la de mayor fortaleza frente al ruido. Separación de valores A Cos( ω ) A t c

57 Modulación por Conmutación de Fase (PSK) Demodulador BPSK Señal PSK X Detector de Envolvente Señal Digital Osc Local

58 Usos del Sis. de comunicaciones Digitales Puede ser utilizado para transmitir información en formato analógico, para lo cual la información debe ser convertida de un formato al otro. Celulares Televisión Satelital Fotografías Digitales

59 Usos del Sis. de comunicaciones Digitales En formato digital, la información puede ser: - Guardada - Modificada - Regenerada - Es menos susceptible a la interferencia. - Entre otras ventajas En la actualidad, resulta más conveniente el trabajo con las señales analógicas, una vez que éstas están en formato digital.

60 Usos del Sis. de comunicaciones Digitales El proceso de digitalización se puede resumir en los siguientes pasos:

61 Usos del Sis. de comunicaciones Digitales También conocido como, digitalización. Usando los conversores A/D

62 Final Tema 4-A