DEFINICION DE MODULACION

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”

MODULACIÓN AM

En este tipo de modulación, la amplitud de la portadora varía según la señal de información, de modo que la información de amplitud y frecuencia de ésta se “montan” sobre la portadora haciendo que su envolvente varíe de acuerdo a la señal moduladora o de información. Los diversos esquemas de modulación de amplitud se designan también como de envolvente variable y comprenden los siguientes:

- AM con portadora completa y dos bandas laterales o AM completa.- AM con dos bandas laterales y portadora suprimida (AM-DSB-SC).- AM con dos bandas laterales y vestigio o piloto de portadora.- Banda lateral única (BLU o SSB) sin portadora.- Banda lateral única con piloto de portadora.- AM con vestigio de banda lateral o AM con banda lateral vestigial (AMVSB).

Aplicaciones

Este fue el primer método de modulación utilizado en los inicios de la radio, a principios del siglo XX y continúa utilizándose extensamente en todo el mundo, principalmente para servicios de radiodifusión sonora en las bandas de ondas medias (540 a 1600 KHz) y de ondas cortas (2 a 30 MHz). A pesar de ser un sistema de modulación poco eficiente, tanto desde el punto de vista espectral como de consumo de energía en el transmisor, una razón para seguir empleándolo es la simplicidad del receptor, lo que permite la fabricación de receptores sencillos y de bajo costo, al alcance de las personas de pocos recursos. Desde el punto de vista de la cobertura de estos servicios, las condiciones de propagación en esas bandas permiten dar cobertura a grandes extensiones sin necesidad de retransmisores, como es el caso de la radiodifusión en frecuencia modulada (FM).

MODULACION ANGULAR

La amplitud de la onda se mantiene constante, mientras que se varía el ángulo de la portadora de forma proporcional a la información. Existe dos posibilidades de modulación: haciendo variar la fase o la frecuencia de manera proporcional a la señal de información: FM y PM.

FMEn la transmisión FM (Frecuencia de Modulación), se modula la frecuencia de la señal portadora para seguir los cambios en los niveles de voltaje (amplitud) de la señal modulada. La amplitud pico y la fase de la señal portadora permanecen constantes, pero a medida que la amplitud de la señal de información cambia, la frecuencia de la portadora cambia proporcionalmente. Tiene la siguiente expresión:

mFM=Acos (w c t+k f∫ f (t )dt )

Representándola gráficamente:

Aplicaciones

la FM se viene utilizando principalmente en las siguientes aplicaciones:La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla. Es usada en radio FM.Otras aplicaciones son:

• Televisión:• Subportadora de sonido: La información de sonido modula en frecuencia la subportadora de sonido, que posteriormente se une a las restantes componentes de la señal de TV para modular en AM la portadora del canal correspondiente y se filtra para obtener la banda lateral vestigial• SECAM: El sistema de televisión en color SECAM modula la información de color en FM.

• Micrófonos inalámbricos: Debido a la mayor insensibilidad ante las interferencias, los micrófonos inalámbricos han venido utilizando la modulación de frecuencia.• Ayudas a la navegación aérea. Sistemas como el DVOR (VOR Doppler), simulan una antena giratoria que, por efecto Doppler, modula en frecuencia la señal transmitida.

PM

Tipo de modulación que se caracteriza porque la fase de la onda portadora varía directamente de acuerdo con la señal modulante, resultando una señal de modulación en fase.Se obtiene variando la fase de una señal portadora de amplitud constante, en forma directamente proporcional a la amplitud de la señal modulante. Está definida por la siguiente expresión:

mPM=Acos ¿

Aplicaciones

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 por ejemplo si una señal tiene una fase de 0o o 180o.

FSK

La Modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK, (Frequency Shift Keying) es una técnica de transmisión digital de información binaria (ceros y unos) utilizando dos frecuencias diferentes. La señal moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde un cero representa un "1" o "marca" y el otro representa el "0" o "espacio".

La frecuencia instantánea de la portadora sinusoidal se conmuta entre dos valores en respuesta al dígito binario de entrada

Aplicaciones

Tiene aplicaciones en los módems para la transmisión de datos (ITU-T V21, ITU-T V23, BELL 103, BELL 113, BELL 202), en la transmisión de radio digital, en el sistema telefónico celular ETACS.

ASK

ASK (Amplitudes-shiftkeying), es una modulación de amplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios 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 señal moduladora vale.

Mientras que el valor de la señal de transmisión (señal portadora) es dado porvp(t) = Vp sen(2π fp t)Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.Como es una modulación de amplitud, la señal modulada tiene la siguiente expresiónv(t) = Vp vm(t)sen(2π fp t)como ya vimos la en señal moduladora vm(t) al ser una señal digital toma únicamente los valores 0 y 1, con lo cual la señal modulada resulta

La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera.

Debido a que la señal moduladora es una secuencia periódica de pulsos, su espectro de frecuencias obtenido por medio del desarrollo en serie compleja de Fourier tiene la característica de la función sen x/x.

Este caso es similar a la modulación de amplitud para señales analógicas, o sea que se produce un desplazamiento de frecuencias, que en este caso traslada todo el espectro de frecuencias representativo de la secuencia de pulsos periódicos.

Este caso es similar a la modulación de amplitud para señales analógicas, o sea que se produce un desplazamiento de frecuencias, que en este caso traslada todo el espectro de frecuencias representativo de la secuencia de pulsos periódicos.Por lo tanto concluimos que el ancho de banda necesario para esta transmisión es mayor que el requerido para modulación de amplitud, debido a que la cantidad de señales de

frecuencias significativas (las del primer tramo) que contiene el espectro, dependiendo dicha cantidad de la relación entre el período y el tiempo de duración de los pulsos.ASK es sensible a cambios repentinos de la ganancia, además es una técnica de modulación ineficaz.La técnica ASK se utiliza para la transmisión de datos digitales en fibras ópticas, en los transmisores con LED, la expresión de la señal modulada sigue siendo válida. Es decir, un elemento de señal se representa mediante un pulso de luz, mientras que el otro se representa mediante la ausencia de luz. Los transmisores láser tienen normalmente un valor de desplazamiento, "bias", que hace que el dispositivo emita una señal de alta intensidad para representar un elemento y una señal de menor amplitud para representar al otro.

PSK - DESPLAZAMIENTO DE FASEPSK (Phase-shiftkeying), 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 seav(t) = Vp . Vm cos(2π fp t)Luego para Vm = 1v(t) = Vp cos(2π fp t)y para Vm = -1v(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.

En el sistema PSK convencional es necesario tener una portadora en el receptor para sincronización, o usar un código autosincronizante, por esta razón surge la necesidad de un sistema PSK diferencial. Es diferencial puesto que la información no esta contenida en la fase absoluta, sino en las transiciones. La referencia de fase se toma del intervalo inmediato anterior, con lo que el detector decodifica la información digital basándose en diferencias relativas de fase.

Modulación de pulsos en amplitud (PAM: Pulse AmplitudeModulation)La señal de muestreo es en general una sucesión de pulsos unipolares, cuyas amplitudes son proporcionales a los valores muestra instantáneos del mensaje de datos.

Puesto que en este caso tiene las mismas características que modulación de amplitud, se desprende que el espectro de frecuencias tendrá las mismas características, repitiéndose a fs, 2fs, etc.

Modulación de pulsos en posición (PPM: Pulse Position Modulation)La modulación en posición y la modulación en duración están íntimamente ligadas, ya que PPM se obtiene a partir de PDM.

El proceso es el siguiente:Tengamos una secuencia de pulsos modulados en duración, diferenciamos a los mismos y se los invierte, obteniéndose la siguiente figura:El principal uso de PPM es debido a que es más eficiente la generación y detección de los pulsos modulados en comparación en PDM. Esto es debido a que la información reside en la ubicación en el tiempo de los flancos de los pulsos y no en los pulsos en sí mismos. Por ello se generan pulsos de corta duración en los cuales sólo es importante la posición de los mismos.

Modulación por ancho de pulso (PWM)

Modulación por ancho de pulso (PWM) (pulse widthmodulation) de una señal o fuente de energíaes una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo (D) de una señal periódica (una sinusoidal o cuadrada), 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: D: es el ciclo de trabajo. τ : es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso). T: es el período de la función.

D= τT

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.

Algunos parámetros importantes de un PWM son:

La relación de amplitudes entre la señal portadora y la moduladora, siendo recomendable que la última no supere el valor pico de la portadora y esté centrada en el valor medio de ésta.

La relación de frecuencias, donde en general se recomienda que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1.

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.

Cuantificación y codificación

Proceso de cuantificación y codificación.La señal muestreada (PAM) se aplica, a través de una cadena de divisores de voltaje, a una serie de comparadores, cuyo número es igual al de niveles de cuantificación.La otra entrada a los comparadores procede de un voltaje de referencia preciso, aplicado a un divisor de voltaje similar al anterior, con tantas resistencias como niveles de cuantificación haya. Así por ejemplo, para codificación a 8 Bits se requieren 28 = 256 niveles de cuantificación y, por tanto 256 comparadores.Debido a la acción de los divisores de voltaje, tanto para la señal como para el voltaje de referencia, los voltajes serán coincidentes a la entrada de uno solo de los comparadores de la cadena, el cual producirá una salida “1”, en tanto que todos los restantes tendrán salida “0”. Es decir, en cada punto de muestreo, solamente uno de los comparadores entregará una señal diferente a los demás, que corresponderá al nivel de cuantificación de la señal de entrada.

Ventajas de la modulación PCMLa modulación por codificación de pulsos está presente, bien sea en la forma tratada antes, o en alguna de sus variantes, en la mayoría de las aplicaciones para transmitir o procesar información analógica en forma digital. Sus ventajas se resumen en el hecho de emplear codificación de pulsos para la representación digital de señales analógicas, característica que lo distingue de todos los demás métodos de modulación analógica. Algunas de sus ventajas más importantes son:

Robustez ante el ruido e interferencia en el canal de comunicaciones. Regeneración eficiente de la señal codificada a lo largo de la trayectoria de

transmisión. Formato uniforme de transmisión para diferentes clases de señales en banda base, lo

que permite integrarlas con otras formas de datos digitales en un canal común mediante el multiplexado en tiempo.

Facilidad de encriptar la información para su transmisión segura.El precio a pagar por las ventajas anteriores es el mayor costo y complejidad del sistema, así como el mayor ancho de banda necesario. Respecto a la complejidad, la tecnología actual de circuitos integrados en gran escala (VLSI) ha permitido la implementación de sistemas a, relativamente bajo costo y facilitado el crecimiento de este método o de sus variantes.Desventajas

Mayor costo del sistema. Mayor complejidad del sistema. Mayor ancho de banda necesario.

Respecto a la complejidad, la tecnología actual de circuitos integrados en gran escala (VLSI) ha permitido la implementación de sistemas a, relativamente bajo costo y facilitado el crecimiento de este método o de sus variantes.Ancho de bandaEl efecto del empleo de PCM sobre el ancho de banda de una señal así modulada se puede inferir intuitivamente mediante el siguiente ejemplo. Supóngase una señal de audio con un ancho de banda de 5 KHz, muestreada a una frecuencia de 10 KHz, igual a la frecuencia de Nyquist y cuantificada a 8 bits/muestra (256 niveles), de modo que por cada muestra de la señal de entrada se producen ocho pulsos. Si pensamos en transmisión de estos pulsos en serie, la frecuencia de muestreo se ha multiplicado por 8 y, por consecuencia, también el ancho de banda. Así, una señal analógica que ocuparía un ancho de banda de 10 KHz, modulada en AM completa o 5 KHz en banda lateral única, requiere de un ancho de banda de 80 KHz modulada en PCM.

DPCMDel inglés Differential Pulse CodeModulation, DPCM es un codificador de forma de onda que parte de la base de PCM pero añade algunas funcionalidades basadas en la predicción de las muestras de la señal. Se parte de una señal analógica (continua en el tiempo) la cual se quiere codificar. El primer paso a realizar es el proceso de muestreo (tomar el valor de la señal cada cierto período regular de tiempo). Con eso se consigue una señal discreta en el tiempo (compuesta por toda una serie de muestras equiespaciadas). El siguiente paso es la cuantificación: se preestablecen unos niveles (amplitudes) y (2 opciones):

[opción 1] se coge el valor de dos muestras consecutivas, se resta el valor de la segunda menos la primera, se cuantifica el resultado y finalmente se codifica, o bien

[opción 2] se hace la predicción de una muestra a partir de las muestras anteriores y se calcula la diferencia entre el valor de la muestra actual real y la predicción (el resultado es el error de predicción), se cuantifica el error y se codifica.

Aplicando uno de estos dos procesos se elimina la redundancia de la señal a corto término y se consiguen factores de compresión del orden de 4 (el tamaño del fichero se divide por 4). El motivo por el cual se reduce el tamaño del fichero es porque como se hace la diferencia entre dos muestras, el resultado será un valor pequeño y hasta cercano a cero y, por lo tanto, en codificación se necesitarán menos bits. En resumen, se puede decir que la potencia de la señal “diferencia” es mucho menor que la de la señal discreta original. A continuación se presentan los diagramas del codificador y decodificador de las dos versiones comentadas:

El codificador hace la función de diferenciador (también conocido como derivador), mientras que el decodificador actúa como un acumulador (también integrador) El cuantificador (Q) reduce el número de bits mientras que el cuantificador inverso (Q^{-1}) recupera el número de bits original de la señal discreta inicial.

ADPCM

ADPCM es un codificador de forma de onda basado en DPCM que añade algunas funcionalidades. Antes de la digitalización se coge la señal analógica y se divide en bandas de frecuencia gracias a los filtros QMF (“QuadratureMirrorFilter”)(se obtienen sub-bandas de señal). Cada sub-banda es tratada de modo distinto utilizando las propiedades de DPCM, es decir, se lleva a cabo el proceso de muestreo, cuantificación del error de predicción y finalmente se codifica. Un vez que se obtiene la sucesión de bits (“bitstream”) de cada sub-banda, se multiplexan los resultados y ya se puede proceder a almacenar los datos o bien transmitirlos. El decodificador tiene que realizar el proceso inverso, es decir, demultiplexar y decodificar cada sub-banda del “bitstream”.

Por lo que hace a los ámbitos de uso de este codificador, puede ser conveniente en ciertas aplicaciones, como por ejemplo en la codificación de voz, donde lo que se puede hacer es codificar la sub-banda que incluye la voz con más bits que en las otras sub-bandas que no són de tanto interés. Es una manera de reducir el tamaño del fichero resultante.ADPCM se articula en la recomendación CCITT G.726, que reemplazó a los dos anteriores definiendo estándares para 16, 24, 32 y 40 kbits por segundo (que corresponden a tamaños de muestra de 2, 3, 4 y 5 bits respectivamente).