5. Modulación de Señales
La modulación de señales esta presente en todos los procesos iniciales que hacen a las telecomunicaciones, su concepto es muy simple sin embargo, suele perderse de vista al empezar a estudiar los distintos tipos de modulaciones analógicas y digitales.
El proceso de establecer una comunicación, mediante una onda acústica, implica que dicha onda necesita un medio para propagarse, lo hace a la velocidad del sonido según el medio y no puede propagarse en el vacio. Este tipo de ondas son fácilmente atenuables y no constituyen un proceso ideal para establecer vínculos a grandes distancias, además no tienen confidencialidad.
5.1. Necesidad de Modulación
En Telecomunicaciones el término modulación engloba el conjunto de técnicas para trasportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda senoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que permitirá trasmitir más información simultáneamente o proteger la información de posibles interferencias y ruidos.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir. Es decir, se encarga de transportar la señal digital que sale de la computadora, en analógica, que es en la forma que viaja a través de las líneas de teléfono comunes (modula la señal); y a sus vez, el receptor se encarga de “demodular” la señal.
¿Por qué se modula una 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.
5.2. Modulación de señales analógicas
Modulación analógica con portadora analógica:Se utiliza cuandose desea transmitir la señal analógica a unafrecuencia diferente o con un anchode banda menor. La modulación sepuede realizar utilizando cambios de amplitud,frecuencia o fase de laseñal portadora.
Modulación analógica con portadoradigital:
Se utiliza cuando se deseatransmitir la señal analógica a través deuna red digital. Ej: transmisión devoz a través de telefonía móvildigital.
5.2.1. Moduladores y demoduladores de AM
El proceso de demodulación en un sistema AM debe tratar entonces de recuperar la envolvente para en ella excitar el transductor final. Existen dos tipos de detectores AM: lineales y de ley cuadrática. A los primeros corresponden los circuitos cuya salida guarda una relación lineal con la envolvente de la señal de la entrada. En los circuitos correspondientes a los detectores de ley cuadráticas e obtiene una salida que conserva una relación cuadrática con respecto a la entrada, señal que luego debe ser filtrada.
5.2.2. Modulación de banda lateral única
Modulación de banda lateral única (BLU) o (SSB) (del inglés Single Side Band) es una evolución de la AM. La banda lateral única es muy importante para la rama de la electrónica básica ya que permite transmitir señales de radio frecuencia que otras modulaciones no pueden transmitir.
En la transmisión en Amplitud Modulada se gasta la mitad de la energía en transmitir una onda de frecuencia constante llamada portadora, y sólo un cuarto en transmitir la información de la señal moduladora (normalmente voz) en una banda de frecuencias por encima de la portadora. El otro cuarto se consume en transmitir exactamente la misma información, pero en una banda de frecuencias por debajo de la portadora. Es evidente que ambas bandas laterales son redundantes, bastaría con enviar una sola. Y la portadora tampoco es necesaria.
5.2.3. Modulación en frecuencia y fase
Modulación de fase (PM). Es un proceso donde el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo a señal moduladora es la fase, manteniendo la frecuencia y la amplitud constante, es un tipo de modulación exponencial al igual que la modulación de frecuencia.
Uso.
Se utiliza ampliamente en la radiodifusión comercial, transmisión de sonido de televisión, radio móvil de dos sentidos, radio celular y los sistemas de comunicaciones por microondas y satélite.
Ventajas de la Modulación de fase
- Reducción de ruido
- Fidelidad mejorada del sistema
- Uso más eficiente de la potencia .
Desventajas.
Este tipo de modulación requiere de un gran ancho de banda y circuitos más complejos, tanto en el transmisor, como en el receptor ya que puede presentar problemas de ambigüedad para determinar por ejemplo si una señal tiene una fase de 0º o 180º.
5.2.4. Moduladores y demoduladores FM
La red más simple para la demodulación de FM consiste en un diferenciador ideal seguido de un detector de envolvente. Bajo la suposición de que la entrada al diferenciador es una onda de FM de amplitud constante (en caso contrario se utiliza un limitador pasabanda) su salida es una onda modulada en amplitud y frecuencia. Como la envolvente de la señal modulada es siempre mayor su detección se puede realizar por detección de envolvente. Para realizar la diferenciación se puede utilizar un simple amplificador operacional diferenciador o un simple circuito sintonizado. cuya respuesta en los lados de la frecuencia de resonancia es aproximadamente lineal.
5.3.El ruido en señales moduladas
Los receptores de FM tienen menor ruido que los receptores de AM. La razón es que existe mayor ruido e interferencia en la señal portadora modulada en amplitud, y los sistemas FM están diseñados para eliminar las señales no deseadas de la portadora en amplitud modulada.
Las señales pueden ser tanto de fuentes internas como externas. Las fuentes internas usualmente están presentes de un modo u otro existan señal o no, y no cambian abruptamente al menos que suceda algo extraño dentro del equipo o en las interconexiones. Las fuentes externas tienen dos formas para ser introducidas dentro del sistema. Una es a través de la antena y la otra es a través de la potencia de entrada. Las señales no deseadas pueden estar o presentes todas las veces. Estas pueden ocurrir momentáneamente, intermitentemente o periódicamente. Es importante cuando se trata de eliminar las señales no deseadas para conocer si están entrando al sistema de fuentes externas o si están presentes sin cualquier entrada externa
FUENTES DE RUIDO
Ruido térmico (Thermal Noise)
Todos los objetos cuya temperatura esta por encima del cero absoluto (0 grados Kelvin) generan ruido eléctrico en forma aleatoria debido a la vibración de las moléculas dentro del objeto. Este ruido es llamado ruido térmico. La potencia de ruido generada depende solo de la temperatura del objeto, y no de su composición. Ya que esta es una propiedad fundamental, el ruido frecuentemente definido por su temperatura equivalente de ruido. La temperatura de ruido puede darse tanto en grados Kelvin como en decibeles.
A continuación se presenta una formula para convertir grados Kelvin a dB.
T (dB)= 10*log10(1+K/120)
donde T es la temperatura equivalente de ruido en dB
K es la temperatura en grados Kelvin
La temperatura de el aire alrededor de nosotros es aproximadamente 300 K (27C ), y la temperatura del sol es muy alta (alrededor de 5,700 K). Es posible construir un amplificador cuya temperatura equivalente de ruido este por debajo de su actual temperatura, y para así agregar el menor ruido posible al receptor.
Ruido Atmosférico (Atmospheric Noise)
Existe un ruido que es interceptado por la antena llamado ruido atmosférico. El ruido atmosférico es muy alto para bajas frecuencias, y decrece cuando se incrementa la frecuencia. Esta presente en toda la banda de radiodifusión AM y este no puede ser eliminado con el amplificador y el diseño de la antena. El ruido atmosférico decrece bastante en frecuencias de TV y FM.
5.3.1. Modulación ASK
Modulación por Desplazamiento de Amplitud. Es una modulación de amplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios (0 y 1) se representan con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dos amplitudes sea cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa mediante la ausencia de la señal portadora, en este caso la frecuencia y la fase se mantiene constante.
La modulación en ASK no es otra cosa que una variante de la modulación en AM que se adapta perfectamente a las condiciones de los sistemas digitales, además de que les permite trabajar sobre una sola frecuencia de transmisión en ves de tener que lidiar con pulsos cuadrados que contienen componentes en todas las frecuencias del espectro.
Su recuperación también resulta ser más sencilla, dado que sólo depende de sincronizar la frecuencia de las señales sinusoidales que sirven de portadoras y regeneradoras dependiendo si se hallan en el modulador o el demodulador.
El ASK por sí sólo, a pesar de todas estas consideraciones, no es uno de los métodos más utilizados debido a que para cada frecuencia es necesario realizar un circuito independiente, además de que sólo puede transmitirse un solo bit al mismo tiempo en una determinada frecuencia. Otro de los inconvenientes es que los múltiplos de una frecuencia fundamental son inutilizables y que este tipo de sistemas son susceptibles al ruido.
5.3.2 Modulación FSK
FSK (Frequency-shift keying), es una modulación de frecuencia donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos frecuencias diferentes (f1 y f2) próximas a la frecuencia de la señal portadora fp.
Generalmente f1 y f2 corresponden a desplazamientos de igual magnitud pero en sentidos opuestos de la frecuencia de la señal portadora.
El índice de modulación tiene gran incidencia en la señal modulada y determina los dos tipos fundamentales de FSK.
5.3.3 Modulación PSK
PSK (Phase-shift keying), es una modulación de fase donde la señal moduladora (datos) es digital.
Existen dos alternativas de modulación PSK: PSK convencional, donde se tienen en cuenta los desplazamientos de fase y PSK diferencial, en la cual se consideran las transiciones.
Las consideraciones que siguen a continuación son válidas para ambos casos.
En PSK el valor de la señal moduladora está dado por
mientras que la señal portadora vale:
vp(t) = Vp cos(2π fp t)
En donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.
La modulación PSK está caracterizada por
v(t) = vp(t) . vm(t)
o sea
v(t) = Vp . Vm cos(2π fp t)
Luego para Vm = 1
v(t) = Vp cos(2π fp t)
y para Vm = -1
v(t) = -Vpcos(2π fp t) = Vpcos(2π fp t + π)
Entre las dos últimas expresiones de v(t), existe una diferencia de fase de 180º, y la señal varia entre dos fases, es por ello que se denomina 2PSK.
Al sistema modulador de 2PSK se lo suele comparar con una llave electrónica controlada por la señal moduladora, la cual conmuta entre la señal portadora y su versión desfasada 180º.
Esquema para 2 PSK
5.3.4 Modulación DPSK
La modulación por desplazamiento diferencial de fase (conocida como DPSK, por las siglas en inglés de Differential Phase Shift Keying), es una forma de modulación digital, donde la información binaria de la entrada está compuesta en la diferencia entre las fases de dos elementos sucesivos de señalización, y no en la fase absoluta. Se considera una forma no-coherente de PSK y por ello, en la recepción se evita la necesidad de una señal coherente de referencia para la recuperación de la señal portadora. La implementación del receptor es económica, por lo que es de amplio uso en comunicaciones inalámbricas.2 En los sistemas DPSK, el flujo digital de entrada es codificado de forma diferencial y luego es modulado mediante la PSK binaria.
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