Conceptos básicos de técnicas de modulación

"La conversión de digital a analógico es el proceso de cambiar una de las características de una señal analógica basada en la información de los datos digitales. Una onda sinusoidal se define por tres características: amplitud, frecuencia y fase. Cuando cambiamos cualquiera de estas características, creamos una versión diferente de esa ola. Entonces, al cambiar una característica de una señal eléctrica simple, podemos usarla para representar datos digitales. ----- FMUSER"


Existen tres mecanismos para modular los datos digitales en una señal analógica: modulación por desplazamiento de amplitud (PREGÚNTELES), modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) y modulación por desplazamiento de fase (PSK) Además, hay un cuarto (y mejor) mecanismo que combina el cambio tanto de la amplitud como de la fase, llamado modulación de amplitud de cuadratura (QAM).

Ancho de banda
El ancho de banda requerido para la transmisión analógica de datos digitales es proporcional a la velocidad de la señal, excepto para FSK, en la que se debe agregar la diferencia entre las señales portadoras.

Ver también: >> Comparación de 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM 128-QAM, 256-QAM 

Señal portadora
En la transmisión analógica, el dispositivo emisor produce una señal de alta frecuencia que actúa como base para la señal de información. Esta señal base se llama señal portadora o frecuencia portadora. El dispositivo receptor está sintonizado a la frecuencia de la señal portadora que espera del remitente. Luego, la información digital cambia la señal portadora modificando una o más de sus características (amplitud, frecuencia o fase). Este tipo de modificación se llama modulación (cambio de teclas).

1. Modulación por desplazamiento de amplitud:
En la modulación por desplazamiento de amplitud, la amplitud de la señal portadora varía para crear elementos de señal. Tanto la frecuencia como la fase permanecen constantes mientras la amplitud cambia.

ASK binario (BASK)
ASK normalmente se implementa utilizando solo dos niveles. Esto se conoce como modulación de desplazamiento de amplitud binaria o codificación de activación / desactivación (OOK). La amplitud máxima de un nivel de señal es 0; el otro es igual a la amplitud de la frecuencia portadora. La siguiente figura ofrece una vista conceptual de las PREGUNTAS binarias.

 

Ver también: >> ¿Cuál es la diferencia entre AM y FM? 

Implementación:
Si los datos digitales se presentan como una señal digital NRZ unipolar con un alto voltaje de 1V y un bajo voltaje de 0V, la implementación se puede lograr multiplicando la señal digital NRZ por la señal portadora proveniente de un oscilador que se representa en la siguiente figura. Cuando la amplitud de la señal NRZ es 1, se mantiene la amplitud de la frecuencia portadora; cuando la amplitud de la señal NRZ es 0, la amplitud de la frecuencia portadora es cero.




Ancho de banda para preguntar:
La señal portadora es solo una onda sinusoidal simple, pero el proceso de modulación produce una señal compuesta no periódica. Esta señal tiene un conjunto continuo de frecuencias. Como esperamos, el ancho de banda es proporcional a la velocidad de la señal (velocidad de transmisión).

Sin embargo, normalmente hay otro factor involucrado, llamado d, que depende de la modulación y el proceso de filtrado. El valor de d está entre 0 y 

●Esto significa que el ancho de banda se puede expresar como se muestra, donde S es la velocidad de la señal y B es el ancho de banda.

La fórmula muestra que el ancho de banda requerido tiene un valor mínimo de S y un valor máximo de 2S. El punto más importante aquí es la ubicación del ancho de banda. La mitad del ancho de banda es donde se ubica la frecuencia portadora. Esto significa que si tenemos un canal de paso de banda disponible, podemos elegir nuestro fc para que la señal modulada ocupe ese ancho de banda. De hecho, esta es la ventaja más importante de la conversión digital a analógica.

Ver también: >>Qué es QAM: modulación de amplitud en cuadratura 

2. Cambio de frecuencia Keying

En la modulación por desplazamiento de frecuencia, la frecuencia de la señal portadora varía para representar los datos. La frecuencia de la señal modulada es constante durante la duración de un elemento de señal, pero cambia para el siguiente elemento de señal si el elemento de datos cambia. Tanto la amplitud máxima como la fase permanecen constantes para todos los elementos de señal.

FSK binario (BFSK)
Una forma de pensar en FSK binario (o BFSK) es considerar dos frecuencias portadoras. En la siguiente figura, hemos seleccionado dos frecuencias portadoras f1 y f2. Usamos el primer operador si el elemento de datos es 0; usamos el segundo si el elemento de datos es 1.




La figura anterior muestra que el medio de un ancho de banda es f1 y el medio del otro es f2. Tanto f1 como f2 están separados por ∆f del punto medio entre las dos bandas. La diferencia entre las dos frecuencias es 2∆f.

Ver también: >> Modulador y demodulador QAM  

Implementación:
Hay dos implementaciones de BFSK: no coherente y coherente. En BFSK no coherente, puede haber discontinuidad en la fase cuando finaliza un elemento de señal y comienza el siguiente. En BFSK coherente, la fase continúa a través del límite de dos elementos de señal. BFSK no coherente puede implementarse tratando BFSK como dos modulaciones ASK y utilizando dos frecuencias portadoras. BFSK coherente puede implementarse mediante el uso de un oscilador controlado por voltaje (VCO) que cambia su frecuencia de acuerdo con el voltaje de entrada.

La siguiente figura muestra la idea simplificada detrás de la segunda implementación. La entrada al oscilador es la señal unipolar NRZ. Cuando la amplitud de NRZ es cero, el oscilador mantiene su frecuencia regular; Cuando la amplitud es positiva, la frecuencia aumenta.

Ancho de banda para BFSK:

La figura anterior muestra el ancho de banda de FSK. Nuevamente, las señales portadoras son solo ondas sinusoidales simples, pero la modulación crea una señal compuesta no periódica con frecuencias continuas. Podemos pensar en FSK como dos señales ASK, cada una con su propia frecuencia portadora f1 y f2. Si la diferencia entre las dos frecuencias es 2∆f, entonces el ancho de banda requerido es

3. Modificación por desplazamiento de fase:
En la modulación por desplazamiento de fase, la fase de la portadora se varía para representar dos o más elementos de señal diferentes. Tanto la amplitud como la frecuencia pico permanecen constantes a medida que cambia la fase.

PSK binario (BPSK):
La PSK más simple es la PSK binaria, en la que solo tenemos dos elementos de señal, uno con una fase de 0 ° y el otro con una fase de 180 °. La siguiente figura ofrece una visión conceptual de PSK. Binary PSK es tan simple como binary ASK con una gran ventaja: es menos susceptible al ruido. En ASK, el criterio para la detección de bits es la amplitud de la señal. Pero en PSK, es la fase. El ruido puede cambiar la amplitud más fácilmente de lo que puede cambiar la fase. En otras palabras, PSK es menos susceptible al ruido que ASK. PSK es superior a FSK porque no necesitamos dos señales portadoras.

Bandaanchura:
El ancho de banda es el mismo que el del ASK binario, pero menor que el del BFSK. No se desperdicia ancho de banda para separar dos señales portadoras.

Ver también: >>512 QAM frente a 1024 QAM frente a 2048 QAM frente a 4096 tipos de modulación QAM

Implementación:
La implementación de BPSK es tan simple como la de ASK. La razón es que el elemento señal con fase 180 ° puede verse como el complemento del elemento señal con fase 0 °. Esto nos da una pista sobre cómo implementar BPSK. Utilizamos una señal NRZ polar en lugar de una señal NRZ unipolar, como se muestra en la siguiente figura. La señal polar NRZ se multiplica por la frecuencia portadora. El 1 bit (voltaje positivo) está representado por una fase que comienza en 0 °, el 0 bit (voltaje negativo) está representado por una fase que comienza en 180 °.

 

4. Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)
PSK está limitado por la capacidad del equipo para distinguir pequeñas diferencias de fase. Este factor limita su tasa de bits potencial. Hasta ahora, hemos estado alterando solo una de las tres características de una onda sinusoidal a la vez; pero ¿y si alteramos dos? ¿Por qué no combinar ASK y PSK? La idea de usar dos portadoras, una en fase y otra en cuadratura, con diferentes niveles de amplitud para cada portadora es el concepto detrás de la modulación de amplitud en cuadratura (QAM).

Las posibles variaciones de QAM son numerosas. La siguiente figura muestra algunos de estos esquemas. En la siguiente figura, la Parte a muestra el esquema 4-QAM más simple (cuatro tipos de elementos de señal diferentes) utilizando una señal NRZ unipolar para modular cada portadora. Este es el mismo mecanismo que utilizamos para ASK (OOK). La parte b muestra otro 4-QAM que usa NRZ polar, pero esto es exactamente lo mismo que QPSK. La parte c muestra otro QAM-4 en el que utilizamos una señal con dos niveles positivos para modular cada uno de los dos portadores. Finalmente, la Parte - d muestra una constelación 16-QAM de una señal con ocho niveles, cuatro positivos y cuatro negativos.

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