RUIDO EN COMUNICACIONES Y MODULACIONES DIGITALES 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 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) Vs = 10µV y Vn = 1µV b) Vs = 20µV y Vn = 5µV c) Vs = 2.5µV y Vn = 1µV
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. 6.1.- 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.
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: 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 - Datos recibidos: 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 2.- 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? 6.2.- 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: - - Modulación ASK (Amplitude Shift Keying) - Modulación FSK (Frequency Shift Keying) - Modulación BPSK (Binari Phase Shift Keying) - 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: - Modulación QPSK (Quadrature phase-shift keying) - Modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
6.3.- Modulaciones binarias 6.3.1.- 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: 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. 6.3.2.- 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: f1 y f2, ambos muy próximos a la frecuencia portadora. Si el bit a transmitir es un 0, se transmitirá una frecuencia (f1). Si el bit a transmitir es un 1, se transmitirá otra diferente más alta (f2). A continuación se muestra la representación gráfica de la modulación FSK:
6.3.2.- Modulación BPSK (Binari Phase Shift Keying) En la modulación BPSK, la información viaja en la fase de la señal. 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. CONSTELACIÓN BPSK
Ejercicios 1.- Dibuja las señales que resultarían al realizar una modulación ASK, FSK y BPSK sobre los siguientes datos binarios: 1 0 0 1 0 ASK FSK BPSK 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. 6.4.- 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 de 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. 6.4.1.- 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: 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. CONSTELACIÓN QPSK
6.4.2.- 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. 3.- Cita algunas aplicaciones de la modulación QAM. 4.- Dónde viaja la información en una modulación QAM? 6.5.- 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. 6.5.1.- 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 8.192 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: 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? 6.5.2.- 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). 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 1 10-2 VBER 2 10-4 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.
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?