UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICA

INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

MODULACIÓN (TELECOMUNICACIONES)

Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información de forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. Según la American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso, o el resultado del proceso, de variar una característica de una onda portadora de acuerdo con una señal que transporta información. El propósito de la modulación es sobreponer señales en las ondas portadoras.

En telecomunicaciones, se denomina modulación a la incorporación de la información contenida en una señal, generalmente de baja frecuencia, sobre una señal de alta frecuencia.

¿PARA QUE SIRVE?

Modulación. Consiste en variar determinado aspecto de una señal denominada portadora con respecto a una segunda señal denominada señal moduladora, generando finalmente una “señal u onda modulada”.

En el proceso de modulación, la señal de alta frecuencia (portadora) quedará modificada en alguno de sus parámetros como su amplitud, frecuencia, fase, etc. de manera proporcional a la amplitud de la señal de baja frecuencia o moduladora.

TIPOS DE MODULACIÓN SEGÚN EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN. 

• Cuando la señal portadora y la moduladora son señales analógicas:

Modulación de amplitud, AM

En la modulación de amplitud (AM) la característica sometida a variación es la amplitud de la onda. Por tanto esta se define como el proceso mediante el cual se varía la amplitud de la onda portadora de radiofrecuencia (RF) en función de la variación de la amplitud de la señal de audiofrecuencia (AF).

En el proceso de modulación de amplitud donde intervienen una onda de alta frecuencia (RF) mezclada con una onda audiofrecuencia (AF) de baja frecuencia, las frecuencias de la onda de AF son convertidas en bandas laterales de RF. Se ha comprobado que la onda modulada está formada por tres componentes:

• La componente de frecuencia portadora de RF.
• Una componente de frecuencia superior a la de la portadora de RF pero cuya amplitud resulta menor que la de la onda portadora de RF.
• Una componente de frecuencia inferior a la de la portadora de RF, pero de amplitud igual a la componente de frecuencia superior.

  

las transmisiones pueden ser:

Doble banda lateral.

Banda lateral única.

Banda lateral vestigial o residual.

1. Doble banda lateral: es la transmisión de la señal portadora con las dos bandas laterales, superior e inferior.
2. Banda lateral única: es donde sólo se transmite la señal portadora y una sola banda lateral, que puede ser la superior o la inferior.
3. Banda lateral vestigial o residual: consiste en transmitir la señal portadora, una banda lateral y una parte de la otra banda lateral, quedándose sin transmitir la otra parte de esa banda lateral de la cual se tomó un vestigio para transmitirse.

Modulación de frecuencia, FM

Se refiere a la forma de transmitir Información a través de una Onda portadora variando su frecuencia. En este tipo de modulación la variación se produce en los saltos de frecuencias.

Las características principales de la frecuencia modulada son: Su modulación y su propagación por ondas directas como consecuencia de su ubicación en la banda de frecuencia de VHF, en ella se crean bandas laterales cuya extensión dependerá de la amplitud de la onda moduladora, estas bandas laterales hacen que el ancho de banda que se utiliza en esta modulación es más grande que el tradicional de la onda media.

Para una portadora modulada en frecuencia, el índice de modulación es directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante e inversamente proporcional a su frecuencia y se muestra matemáticamente como:

                                                                          m=  K1Vm

                                                                                          

                                                                                  Wm

En donde K1 Vm = desviación de frecuencia (radian/segundo).

VENTAJAS

• Mayor calidad de reproducción como resultado de su casi inmunidad hacia las interferencias eléctrica. En consecuencia, es un sistema adecuado para la emisión de programas (música) de alta fidelidad.
• Necesitan una potencia de modulación mucho menor que las de amplitud.
• Las señales moduladas en frecuencia son mucho menos afectadas por los ruidos y señales externas
• Aumento en el ancho de banda de las señales moduladas en frecuencia.

¿En donde podemos aplicar la frecuencia modulada?

1. En la radiodifusión:por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla (88 y 108 MHz)
2. En la televisión, en la subportadora de sonido donde la información de sonido modula en frecuencia la subportadora de sonido.
3. En el sistema de televisión en color SECAM donde modula la información de color en FM.
4. En los sistemas de vídeo analógicos, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la señal de video.
5. En las frecuencias de audio para sintetizar sonido.
6. Micrófonos inalámbricos: Debido a la mayor insensibilidad ante las interferencias, los micrófonos inalámbricos han venido utilizando la modulación de frecuencia.
7. Navegación aérea. Sistemas como el DVOR (VOR Doppler), simulan una antena giratoria que, por efecto Doppler, modula en frecuencia la señal transmitida.

ANCHO DE BANDA

Al contrario que en el caso de Amplitud Modulada, que se concentra en la frecuencia portadora y dos bandas laterales, el ancho de banda de una señal de FM se extiende indefinidamente teniendo como una amplitud estándar o de rango de transferencia de 58kHz con 6 canales de transferencia, cancelándose solamente en ciertos valores de frecuencia discretos. Cuando la señal moduladora es una sinusoide el espectro de potencia que se tiene es discreto y simétrico respecto de la frecuencia de la portadora, la contribución de cada frecuencia al espectro de la señal modulada tiene que ver con las funciones de Bessel de primera especie Jn. A través de la regla de Carson es posible determinar el ancho de banda que se requiere para transmitir una señal modulada en FM (o PM). Mientras que la frecuencia AM contiene una amplitud del espectro de transferencia 38kHz y un ancho de banda de 56KB/s conteniendo 5 canales de transferencia.

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.

Es una modulación que se caracteriza porque la fase de la onda portadora varía en forma directamente proporcional de acuerdo con la señal moduladora. La modulación de fase no suele ser muy utilizada porque se requieren equipos de recepción más complejos que los de frecuencia modulada. Además puede presentar problemas de ambigüedad para determinar si una señal tiene una fase de 0º o 180º.

VENTAJAS Y USO

• Reducción de ruido
• Fidelidad mejorada del sistema
• Uso más eficiente de la potencia

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.

DESVENTAJAS Y ANCHO DE BANDA

• 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.

El ancho de banda de una señal de PM, al igual que en frecuencia modulada, se extiende indefinidamente teniendo una amplitud estándar o de rango de transferencia de 58kHz con 6 canales de transferencia, cancelándose solamente en ciertos valores de frecuencia discretos. Cuando la señal moduladora es una sinusoide el espectro de potencia que se tiene es discreto y simétrico respecto de la frecuencia de la portadora.

• Cuando la señal portadora es analógica y la señal moduladora es digital

Desplazamiento de amplitud, ASK

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.

CARACTERÍSTICAS Y ANCHO DE BANDA

• Tipo de modulación: lineal
• Sensible al ruido atmosférico y distorsiones
• Amplitud de banda excesiva conllevando a un gasto de energía.
• Los procesos de modulación y demodulación son relativamente baratos

El ancho de banda necesario para esta transmisión es mayor que el requerido para modulación de amplitud, es decir, el ancho de banda práctico es el doble del requerido en transmisión banda base.

CODIFICACIÓN Y APLICACIÓN

La forma más simple y común de ASK funciona como un interruptor que apaga/enciende la portadora, de tal forma que la presencia de portadora indica un 1 binario y su ausencia un 0. Este tipo de modulación por desplazamiento on-off es el utilizado para la transmisión de código Morse por radiofrecuencia, siendo conocido el método como operación en onda continua.

Para ilustrar mejor el tema del interruptor en el modulado ASK se puede ilustrar de la siguiente manera:

• Señal coseno de amplitud = 0 por lo que en este estado se encontrará en estado 0
• Señal coseno de amplitud = 1 por lo que en este estado se encontrará en estado 1

Transmisiones con fibra óptica, ya que es muy fácil "encender" y "apagar" el haz de luz; además la fibra soporta las desventajas de los métodos de modulación de amplitud ya que posee poca atenuación.

Transmisión por Cable transoceánico.

DESVENTAJAS:

• Sensible a cambios repentinos de la ganancia
• Es una técnica de modulación ineficaz.

Desplazamiento de fase, PSK

La modulación por desplazamiento de fase o PSK (Phase Shift Keying) es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número determinado de valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en esta la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado.

APLICACIONES Y USO

Debido a su mayor simplicidad frente a la modulación QAM, PSK es una modulación ampliamente extendida. El estándar de red LAN inalámbrica, IEEE 802.11b-1999, usa una variedad de diferentes modulaciones PSK, dependiendo de la velocidad de transmisión. A 1Mbps usa DBPSK (BPSK diferencial), a 2Mbps emplea DQPSK y para 5,5Mbps y 11Mbps, usa QPSK pero debe ser usada junto con modulación de código complementario. El estándar IEEE 802.11g-2003, para LANs inalámbricas de alta velocidad, tiene 8 tasas de velocidad de datos: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. Los modos de 6 y 9 Mbps usan modulación OFDM con subportadoras que son moduladas con BPSK y OFDM con QPSK para 12 y 18Mbps. Los cuatro modos más rápidos usan la modulación OFDM con diversas formas de QAM.

Por su simplicidad, la modulación BPSK es utilizada para transmisores pasivos de bajo coste y es utilizada en estándares RFID como el ISO 14443, que se ha adoptado en pasaportes biométricos o tarjetas de crédito, además de otras muchas aplicaciones. La norma Bluetooth 2.0 usa la modulación π/4-DQPSK para su mínima velocidad de 2 Mbit/s y a la máxima, que es de 3 Mbps usa 8-DPSK cuando el enlace entre dos dispositivos sea robusto. En el Bluetooth 1 se usa la modulación de desplazamiento mínimo gaussiano, un esquema binario, así que cualquiera de las opciones de modulación en la versión 2 dará lugar a una mayor velocidad de datos.

Una tecnología similar, IEEE 802.15.4 (el estándar inalámbrico utilizado por ZigBee) también se basa en PSK. La norma IEEE 802.15.4 permite el uso de dos bandas de frecuencias: 868 a 915 MHz usando BPSK y a 2,4 GHz utilizando OQPSK. Un notable ausente de estos esquemas diversos es la modulación 8-PSK. Esto es debido a que su tasa de error es cercana a la de 16-QAM, pero su velocidad de datos es de sólo tres cuartas partes de esta última. Así 8-PSK se omite a menudo de las normas y los esquemas tienden a "saltar" de QPSK a 16-QAM, aunque es posible usar la modulación 8-QAM, pero es difícil de implementar.

TIPOS DE PSK

Las modulaciones PSK pueden dividirse en dos grandes grupos: las modulaciones PSK convencionales, en las que la información se codifica en el valor del salto de fase, y las modulaciones PSK diferenciales, en las que el valor del salto de fase respecto al del salto anterior, es el que contiene la información.

• Cuando la señal portadora es digital y la señal moduladora es analógica

Modulación analógica de pulsos:

• Modulación por amplitud de pulsos PAM.

Es la más sencilla de las modulaciones digitales. Consiste en cambiar la amplitud de una señal, de frecuencia fija, en función del símbolo a transmitir.

En la modulación por amplitud de pulsos, la señal no necesariamente es de dos niveles, sino que el nivel de la señal puede tener cualquier valor real, si bien la señal es discreta, en el sentido de que se presenta a intervalos definidos de tiempo, con amplitudes, frecuencias, o anchos de pulso variables.

Forma de modulación digital que consiste en cambiar la amplitud de una señal en función del símbolo a transmitir.

• Modulación de pulsos en duración (PDM).

El PWM también se conoce como modulación por duración de pulso (PDM), en este tipo de modulación las muestras de la forma de onda analógica se utilizan para determinar el ancho dela señal de pulso.

En la modulación por duración de pulso, la amplitud y la separación de los pulsos permanece constante,siendo únicamente la anchura de los mismos lo que varía de acuerdo con la amplitud de la señal analógica. A mayor amplitud de la señal inicial mayor anchura en el pulso.

En esta aplicación de PWM el proceso de conmutación es usado para obtener la frecuencia y voltaje ajustables, mediante dispositivos de potencia conmutando su estado de encendido y apagado en intervalos discretos. La magnitud de los pulsos es la misma en el ciclo, lo que varia es el la duración del pulso.

• Modulación de pulsos en posición (PPM).

Representación gráfica de una modulación por PPM donde todos los niveles altos tienen el mismo ancho de pulso pero con una posición distinta.

La Modulación por Posición de Pulso, o en inglés, Pulse Position Modulation (PPM), En donde la Amplitud y el ancho son fijos y la posición en variable, es un tipo de modulación en la cual una palabra de M bits es codificada por la transmisión de un único pulso que puede encontrarse en alguna de las {\displaystyle 2^{M}}=N posiciones posibles, donde N corresponde al tipo de modulación PPM (N-PPM). Si esto se repite cada X segundos (tiempo de símbolo), la tasa de transmisión es de M/X bits por segundo. Este tipo de modulación se usa principalmente en sistemas de comunicación óptica, donde tiende a haber poca o ningún tipo de interferencia por caminos múltiples.

• Modulación por codificación de pulsos PCM.

Este tipo de modulación, sin duda la más utilizada de todas las modulaciones de pulsos es, básicamente, el método de conversión de señales analógicas a digitales, PCM siempre conlleva modulación previa de amplitud de pulsos.

En algunos lugares se usa el término: MIC = Modulación por impulsos codificados, aunque es de uso común, el término es incorrecto, pulso e impulso son conceptos diferentes, al igual que codificación de pulsos y pulsos codificados.

La modulación por codificación de impulsos es un método de modulación mediante el cual la onda analógica continua se transmite en un modo digital.

• Modulación por anchura de pulso (PWM).

una señal de onda cuadrada de amplitud acotada (${\displaystyle y_{min}}$,${\displaystyle y_{max}}$) mostrando el ciclo de trabajo D.

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:

${\displaystyle D={\frac {\tau }{T}}}$

D es el ciclo de trabajo

${\displaystyle \tau }$ es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)

T es el período de la función

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.

La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Estas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.

• Modulación Delta.

La modulación delta es una técnica de conversión de señal analógica a digital y digital a analógica utilizada para la transmisión de información de voz donde la calidad no es de importancia primaria.​ La modulación delta es la forma más simple de modulación de código de pulso diferencial (DPCM) donde la diferencia entre muestras sucesivas se codifica en flujos de datos de n bits. En la modulación delta, los datos transmitidos se reducen a un flujo de datos de 1 bit.

Sus principales características son:

1. La señal analógica se aproxima con una serie de segmentos.
2. Cada segmento de la señal aproximada se compara con los sucesivos bits que se determina mediante esta comparación.
3. Solo se envía el cambio de información, es decir, solo se envía un aumento o disminución de la amplitud de señal de la muestra previa, mientras que una condición de no cambio hace que la señal modulada permanezca en el mismo estado 0 o 1 de la muestra anterior.
4. Para lograr una alta relación señal/ruido, la modulación delta debe usar técnicas de sobremuestreo, es decir, la señal analógica se muestrea a una tasa varias veces mayor que la tasa Nyquist .
5. Las formas derivadas de la modulación delta son la modulación delta de pendiente continuamente variable, la modulación delta-sigma y la modulación diferencial. La modulación del código de pulso diferencial es el superconjunto de modulación delta.

RUBEN BAQUERO MENA          TELECOMUNICACIONES II        INE-S-MA-6-1