La Modulación de señales

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1 15/ 05/ 13 ww w w.ea1uro.com/ eb1dgh/digitales/modulaci%f3n/modulacion.html La Modulación de señales La modulación es el proceso mediante el cual una señal de info se multiplica por otra señal de mayor frecuencia, haciendole va riar uno o más de sus parámetros. Mediante la modulación se incorpora a la señal de mayor frecuencia llamada portadora, va riaciones de sus parámetros fundamentales. Estas va riaciones son efectuadas por la señal de info o señal moduladora. Son tres los parámetros de la señal portadora afectados por la señal de info o señal moduladora: la amplitud, la frecuencia y la fase. Son múltiples las razo nes para modular: Facilita la pro pagación de la señal Ord ena el espectro radioeléctrico Optimiza el ancho de banda Evita interf erencias entre canales Pro tege de la degradación del ruido Define la calidad de la info Codificación de señales o modulación Tanto la info analógica como la digital, pueden ser codificadas mediante señales analógicas o digitales. Sin embargo debemos tener presente, que las transmisiones de Radiofrecuencia (RF), solo permiten la propagación de señales analógicas. Principales tipos de modulación AM : Modulación de Amplitud Analógica USB : Banda lateral superior LSB : Banda lateral infe rior Señal de port adora Analógica Radiofrecuencia (RF) Señal de port adora Digital Digital Analógica Digital FM : Modulación de Frecuencia Modulación binaria (1 - bit) Modulación de símbolos (n - bits) PAM : Modulación de pulsos en amplitud ASK : Modulación por desplaza miento de amplitud FSK : Modulación por desplaza miento de frecuencia PSK : Modulación por desplaza miento de fa se M-FSK : Modulación de múltiples frecuencias M-PSK : Modulación de múltiples fa ses PWM : Modulación de pulsos en anchura (duración) PPM : Modulación de pulsos en posición PCM : Modulación por código de pulsos NRZ : No Retorno por Cero M-QA M : Modulación en cuadratura (ASK + PSK) Manchester : Autosincro niza da con respecto a la señal de reloj PAM : Modulación de pulsos en amplitud AFSK MSK GMSK BPSK MFSK QPSK 4-QAM Como es lógico, existen más tipos de modulación, pero aquí están las más conocidas por los radioaficionados. Modulación de señales analógicas sobre portadora digital ww w w.ea1uro.com/ eb1dgh/digitales/modulaci%f3n/modulacion.html 1/14

2 Para convertir las señales analógicas en digitales, se usa siempre una frecuencia de muestreo también llamada "sample rate". Esta frecuencia de muestreo debe ser al menos del doble de frecuencia, que la frecuencia más alta de la señal analógica que deseemos convertir a digital. Señal moduladora o de info Señal de muestreo o "sample rate" PWM : Modulación de pulsos en anchura o duración PPM : Modulación de pulsos en posición PAM : Modulación de pulsos en amplitud PCM : Modulación con un código de pulsos Modulación de señales digitales sobre portadora digital Para modular una portadora digital con señales digitales, usamos una frecuencia de sincronismo o reloj. Esta frecuencia de reloj, debe ser al menos del doble de la frecuencia moduladora más alta. Esta sería una muestra de una modulación PAM. Este tipo de modulación suele usarse en redes industriales En esta imagen podemos ver la señal de reloj y dos tipos de modulación: - La NRZ, o de no retorno a cero, que suele usarse en comunicaciones por fibra óptica. - La Manchester, también conocida como autosincronizada, que suele usarse en redes Ethernet. 2/14

3 Modulación de señales analógicas sobre portadora analógica Son las más usadas hasta no hace demasiado tiempo. La usada inicialmente era la modulación en amplitud (AM). Modulación AM Si analizamos una portadora modulada en amplitud en el dominio del tiempo, es decir, analizamos como varia su amplitud con respecto al tiempo; veremos que sufre variaciones de amplitud de forma equivalente a la amplitud de la señal moduladora o señal de info. Si esa misma portadora la analizamos en el dominio de la frecuencia, también conocido como analisis de espectro, veremos que a ambos lados de la amplitud de la frecuencia portadora, se generan picos de amplitudes mas pequeñas; son las denominadas bandas laterales. Modulación AM En esta imagen vemos una frecuencia portadora sin modular en (A), tanto en el dominio del tiempo (derecha), como en el dominio de la frecuencia o espectro (izquierda). En (B) podemos observar las diferencias de esa misma portadora cuando está modulada en amplitud y fijarnos en las bandas laterales que genera. Modulación SSB La banda lateral supeior en frecuecia a la portadora, se conoce como USB, y la inferior como LSB. Modulación SSB Toda la info de la señal moduladora está contenida en ambas bandas laterales, así que si solo transmitimos una de esas bandas laterales y además lo hacemos suprimiendo la señal portadora, toda la energia transmitida será de info. Este tipo de modulación se conoce como transmisión en banda lateral única, y esta es una muestra de como se vería en el dominio del tiempo. 3/14

4 Modulación FM Si a la señal portadora la modulamos en frecuencia, significa que variamos su frecuencia original con respecto a las variaciones de la señal moduladora o señal de info. Observada en el dominio del tiempo, la portadora variará su frecuencia según varie la señal moduladora. Modulación FM vs AM Esta imagen nos representa en el dominio del tiempo las diferencias entre una modulación en amplitud y una modulación en frecuencia. La modulación en frecuencia tiene la ventaja de permanecer constante en amplitud, lo que facilita el diseño de los amplificadores, que pueden trabajar en clase C. Para las modulaciones en amplitud en cambio, son necesarios amplificadores lineales en clase A o AB. Modulación de señales digitales sobre portadora analógica Son las usadas mayoritariamente en la actualidad, sustituyendo a las modulaciones analógicas. 4/14

5 Modulaciones binarias ASK, FSK y PSK Modulación ASK La modulación ASK asigna una amplitud distinta a la frecuencia portadora, según el estado de la señal de datos. Un ejemplo de este tipo de transmisión es la telegrafía. Este tipo de modulación digital es muy sensible a las interferencias, además de no permitir técnicas para optimizar el ancho de banda. Por ello practicamente no se usa en las transmisiones por radio, solo en fibra óptica. Modulación FSK La modulación FSK asigna una frecuencia distinta a la portadora, según el estado de la señal de datos. Un ejemplo de este tipo de modulación digital sería la conocida como RTTY. Si la modulación FSK se hace sobre una portadora de audio, se conoce como modulación AFSK. Un ejemplo podría ser el radiopacket en VHF a 1200 baudios; donde la portadora toma el valor de frecuencia de 1200 Hz. para transmitir un 1 lógico y el de 2200 Hz. para el 0 lógico. Si la modulación FSK tiene un desplazamiento mínimo de frecuencia, se conoce como MSK. Un ejemplo de este tipo de modulación sería la de los radiofaros para corrección GPS diferencial, conocida como DGPS. Si a la modulación MSK se le aplica un filtro Gaussiano, pasa entonces a denominarse GMSK. Este tipo de modulación es la usada por el sitema D-Star. Modulación PSK La modulación PSK asigna una fase distinta a la portadora, según el estado de la señal de datos. Un ejemplo de este tipo de modulación digital podría ser la modulación BPSK31. A la modulación PSK binaria se la denomina BPSK (BinaryPSK). Si la modulación PSK introduce cambios de fase en la portadora con respecto a la fase original, se trata de una modulación PSK pura; sin embargo, si la modulación introduce en la portadora saltos de fase con respecto al estado anterior, se conoce entonces como modulación PSK Diferencial o DPSK. Este tipo de modulación tiene la ventaja de permitir una sincronización más rápida en el receptor. Cuando cada bit de la señal digital moduladora introduce un cambio en la señal portadora, se denomina entonces modulación binaria. 5/14

6 Por el contrario, si para cada cambio en la señal portadora se utiliza un conjunto de n bits, se denomina como modulación de simbolos. Según la cantidad de bits que formen el símbolo, la modulación permitirá en cada cambio de la señal portadora, transmitir un número binario con un valor máximo denominado M; dando lugar así a las modulaciones M-ASK, M-FSK y M-PSK. Al igual que pasa con la modulación ASK, la M-ASK no se usa en transmisiones por radio; pero si se usa una modulación muy eficiente denominada M-QAM, que es la mezcla de M-ASK y M-PSK. Modulación M-QAM Las modulaciones de símbolos se consiguen sumando vectorialmente dos portadoras digitales moduladas en amplitud (PAM), y situadas en ejes ortogonales (o en Quadratura); también llamados ejes I y Q (In fase e in Quadrature), de aquí el nombre de QAM = Quadrature Amplitude Modulation. En QAM, cada vector también es llamado SÍMBOLO, pues cada símbolo equivale a N bits. En el caso de 16-QAM, si modulamos una portadora de forma que presente por ejemplo 10 vectores por segundo, estaríamos transmitiendo 40 bits por segundo, pues cada vector "transporta" 4 bits. De aquí la denominación técnica de Velocidad o Tasa de Modulación más conocida como SR (Symbol Rate o tasa de símbolos). Se expresa en Baud, y se diferencia de la Tasa o Velocidad de transmisión, expresada en Bits por segundo (bps). Los puntos que pueden ser ocupados por la extremidad de los vectores, son una representación simplificada de estas modulaciones llamada CONSTELACIÓN. Ejemplo de simulación de una modulación 16-QAM. El vector del ejemplo corresponde al código Constelaciones M-QAM reales Al transmitir señales moduladas en QAM, el medio de transmisión introduce en ellas ruidos En color Azul tenemos la representación de una constelación 4-QAM En color Amarillo tenemos la representación de una constelación 16-QAM Señal QAM ideal, sin ruido. Señal con variaciones aleatorias solo de la Fase de la señal QAM, lo que provoca una defo o variación angular de la constelación, conocida como ruido de fase. Señal con variaciones aleatorias solo de la Amplitud de la señal QAM, lo que provoca una defo o variación radial en la constelación. Señal QAM con una relacion SNR de 20dB. Señal QAM con mucho ruido. 6/14

7 Constelaciones M-PSK Constelaciones M-QAM Vemos en el esquema anterior como las modulaciones QPSK (4-PSK) y 4-QAM pueden considerarse análogas Las constelaciones M-QAM pueden tener diferentes estructuras según el tipo de modulación. En la siguiente imagen vemos dos representaciones de modulaciones 16-QAM diferentes; una es la típica rectangular con tres amplitudes y doce fases, y la otro es la variante circular, donde solo hay dos amplitudes y ocho fases. Esta variante circular, tendría la ventaja de ser más inmune al ruido. 8/14