Transcript 05.03. Modulacion

Señales analógicas y digitales
Señal analógica:
▪ puede tomar cualquier valor de
amplitud.
▪ variación continua de amplitud en el
tiempo
▪ normalmente la señal obtenida por el
transductor es analógica
Señal digital:
▪ sólo toma un numero finito de amplitudes
▪ usualmente cambia la amplitud en instantes
espaciados uniformemente
▪ se adapta muy bien a la lógica binaria
Efecto del ruido sobre la señal
La señal analógica no se podrá reconstruir
La señal digital sí se puede regenerar
Espectro de una señal
Instrumentos que reproducen la misma nota suenan distinto, ¿por qué?
Flauta, clarinete, oboe y saxofón
reproduciendo una nota C en la
menor (256 Hz)
Análisis espectral
Instalación empleada
Presentación en un analizador de espectros
Zoom efectuado en la representación del analizador de espectros
Representación tridimensional
Tono puro
Un tono puro es una señal sinusoidal de
una amplitud y una frecuencia
determinada
Espectro discreto
Las señales complejas
formadas por combinación de
diferentes señales sinusoidales
forman un espectro discreto.
Espectro continuo
Las señales complejas
formadas por combinación de
infinitas señales sinusoidales
tienen un espectro continuo.
Éste es el caso, por ejemplo,
de la señal de voz.
Descomposición armónica de un sonido explica por qué suenan distintos aún
reproduciendo la misma nota: series de Fourier
Representación espectral de dos notas idénticas: un RE de 293,7 Hz, producidas por un violín y una
flauta. El contenido armónico de cada nota define el timbre y permite distinguir los instrumentos entre
sí.
Series de Fourier
Series de Fourier
Cualquier onda compleja de frecuencia f0 está formada por una combinación de ondas sinusoidales de
frecuencias f, 2f, 3f, 4f, ... (esto es en síntesis el teorema de Fourier). La onda sinusoidal de frecuencia f
coincide con la frecuencia de la señal compleja y se llama componente fundamental o primer armónico.
Las demás señales sinusoidales puras que componen la onda se denominan armónicos: la de 2f se
denomina segundo armónico, la de 3f es el tercer armónico, etc. Los armónicos de un sonido de una
frecuencia determinada o fundamental se definen como las ondas que la acompañan y cuyas
frecuencias son múltiplos de la fundamental.
Se dice que un sonido es rico en armónicos o bien timbrado cuando la onda fundamental está
acompañada por el mayor número de armónicos.
Con el análisis de Fourier, se puede demostrar que cualquier señal está constituida por componentes
sinusoidales de distintas frecuencias.
Toda señal puede representarse de dos formas:
● en el dominio del tiempo: la amplitud de la señal en cada instante
● en el dominio de la frecuencia: la amplitud de las frecuencias constitutivas de la señal. El espectro es
el conjunto de frecuencias que la constituyen.
El ancho de banda de una señal es la anchura del espectro.
Ancho de banda
Para señales analógicas, el ancho de banda es la longitud, medida en Hz, del rango de frecuencias en el
que se concentra la mayor parte de la potencia de la señal. Puede ser calculado a partir de una señal
temporal mediante el análisis de Fourier.
En conexiones a Internet, el ancho de banda es la cantidad de información que se puede enviar a través
de una conexión de red en un período de tiempo dado. El ancho de banda se indica generalmente en
bits por segundo (bps).
Representación muy simplificada del teorema de Fourier
Contenido espectral de una onda
Análisis y síntesis de Fourier
Algunas señales de
interés
A) Espectro de una señal vocal
Variación temporal y espectral de una señal vocal
Espectro de una voz femenina
B) Espectro de una señal musical
http://soundcloud.com/brisance/nbst
Fundamental y armónicos de diversos instrumentos musicales
Rango espectral de instrumentos musicales
Se pueden manipular todos los parámetros de la señal
B) Espectro de una señal cuadrada
Espectro de una señal cuadrada periódica
http://www.westga.edu/~jhasbun/osp/Fourier.htm
Algunos espectros de
señales de
radiofrecuencia
ejemplo de observación en el medidor de espectros (corresponde a un canal
de TV analógico)
ejemplo de observación en el medidor de espectros (corresponde a un canal
de radio AM en onda media)
Modulación y
demodulación
Esquema básico de transmisor y receptor
Modulación y demodulación
Se denomina modulación al proceso de colocar la información contenida en una señal, generalmente de
baja frecuencia, sobre una señal de alta frecuencia.
Debido a este proceso la señal de alta frecuencia denominada portadora, sufrirá la modificación de
alguna de sus parámetros, siendo dicha modificación proporcional a la amplitud de la señal de baja
frecuencia denominada moduladora. A la señal resultante de este proceso se la denomina señal
modulada y es la señal que se transmite.
Demodulación es el proceso mediante el cual se recupera la señal de datos de una señal modulada.
En telecomunicaciones, la modulación es la
operación por la que una señal portadora
varía alguna de sus características en
función del mensaje que se quiere enviar,
que se denomina señal moduladora, para
dar lugar a la señal modulada, que es la que
se transmite.
Las ventajas de la modulación son varias:
- facilita la PROPAGACIÓN de la señal de
información por cable o por el aire
- reduce el ruido y las interferencias
- ordena el RADIOESPECTRO, distribuyendo
canales a cada información distinta
- permite la multicanalización
La modulación es la alteración sistemática
de una onda portadora de acuerdo con el
mensaje (señal modulada) y puede ser
también una codificación"
"Las señales de banda base producidas por
diferentes fuentes de información no son
siempre adecuadas para la transmisión
directa a través de un a canal dado. Estas
señales son en ocasiones fuertemente
modificadas para facilitar su transmisión."
Razones por la que es necesaria la modulación
1) Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora, no será posible
reconocer la información útil contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales
transmitidas por diferentes usuarios.
2) A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee.
3) Se aprovecha mejor el espectro electromagnético, ya que permite la multiplexación por frecuencias
4) En caso de transmisión inalámbrica, las antenas tienen medidas más razonables.
En resumen, la modulación permite aprovechar mejor el canal de comunicación ya que posibilita
transmitir más información en forma simultánea por un mismo canal y/o proteger la información de
posibles interferencias y ruidos.
Razones por la que es necesaria la modulación
1) Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora, no será posible reconocer la
información útil contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales transmitidas por diferentes
usuarios.
2) A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee.
3) Se aprovecha mejor el espectro electromagnético, ya que permite la multiplexación por frecuencias
4) En caso de transmisión inalámbrica, las antenas tienen medidas más razonables.
En resumen, la modulación permite aprovechar mejor el canal de comunicación ya que posibilita transmitir más
información en forma simultánea por un mismo canal y/o proteger la información de posibles interferencias y ruidos.
Ventajas del proceso modulación-demodulación
●
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●
●
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Facilita la PROPAGACIÓN de la señal de información por cable o por el aire
Ordena el RADIOESPECTRO, distribuyendo distintos canales a cada información
Disminuye DIMENSIONES de antenas
Optimiza el ancho de banda de cada canal
Evita interferencia entre canales
Protege a la Información de las degradaciones por RUIDO
Define la CALIDAD de la información trasmitida
Tipos de modulación
Moduladora
Analógica
P
o Analógica
r
t
a
d
o Digital
r
a
Digital
AM
ASK
FM
FSK
PM
PSK
PAM
PDM
PPM
PCM
Tipos de modulaciones y codificaciones
Modulaciones analógicas: a)
moduladora, b) portadora, c) AM, d)
FM, e) PM
▪ modulación de amplitud: se varía la amplitud de
la onda portadora proporcionalmente al valor de
la amplitud de la señal moduladora
▪ modulación de frecuencia: el parámetro que se
varía en función de la amplitud de la señal
moduladora es la frecuencia de la señal
portadora
▪ modulación de fase: consiste en variar la fase
instantánea de la señal portadora en función de
la amplitud de la señal moduladora
Modulaciones digitales: a) moduladora,
b) portadora, c) ASK, d) FSK, e) PSK de
dos niveles
▪ ASK, modulación por desplazamiento de amplitud:
asigna dos amplitudes distintas de la señal portadora
a los dos valores binarios de la señal moduladora
▪ FSK, modulación por desplazamiento de frecuencia:
consiste en modificar la frecuencia de la señal
portadora de manera que se transmitan dos valores
diferentes de frecuencia, correspondientes cada uno a
un valor de la señal binaria a transmitir
▪ PSK, modulación por desplazamiento de fase: se
varía la fase de la señal portadora para representar la
información digital a transmitir. Existen varios tipos
de modulación PSK, según el número de fases
diferentes de la portadora que se utilicen; dicho
número de fases determinará el número de bits que
se transmiten en un mismo intervalo
Modulación analógica de
señales analógicas
Modulación AM
Modulación AM
Amplitud modulada (AM) o modulación de amplitud es un tipo de modulación que consiste en hacer
variar la amplitud de la onda portadora de forma que ésta cambie de acuerdo con las variaciones de
nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.
Modulador AM
Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y
frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que
es modificado por la señal moduladora es la amplitud.
Señal de AM observada en el osciloscopio
Espectro de la portadora
Espectro de la moduladora
Espectro de la modulada
Espectros en la modulación AM con un tono
Espectros en AM con una señal de banda limitada
http://demonstrations.wolfram.com/AmplitudeModulation/
Bandas laterales
Índice de modulación
Índice de modulación: <1, =1 y sobremodulación
1. AM
2. Doble banda lateral, DBL
Double Sideband, DSB
3. Banda lateral única, BLU
Resumen modulación AM
Modulador AM
http://demonstrations.wolfram.com/AmplitudeModulation/
Receptor AM en Onda media
Modulación FM
Comparación entre AM y FM
La mayor diferencia
práctica entre ambas
es el ruido.
En el gráfico vemos
perfectamente una
señal sin ruido y la
misma con el ruido.
Si estamos utilizando
AM es evidente que el
ruido va a ser un
problema grave, ya
que afecta a la
amplitud
directamente, que es
donde tenemos la
información. En FM
en cambio el ruido
influye menos ya que
lo que vamos a medir
son los cambios de
frecuencia. Entonces,
¿por qué seguir
utilizando AM?
Porque es barata, así
de fácil. Demodular
una señal en AM es
muy sencillo y muy
barato. Los
moduladores y
demoduladores de FM
son bastante más
caros y complejos en
comparación
Modulación PM
En este caso el parámetro de la señal
portadora que variará de acuerdo a señal
moduladora es la fase.
La modulación de fase (PM) no es muy
utilizada, principalmente por que se requiere
de equipos de recepción más complejos que
en FM y puede presentar problemas de
ambigüedad para determinar la fase.
Modulación analógica de
pulsos
Modulación ASK
Modulación ASK (Amplitude Shift Keying)
Asigna a cada valor de la señal moduladora (0 o 1) una amplitud determinada de la portadora,
manteniendo constantes la frecuencia y la fase. No se utiliza ya que es muy sensible a los ruidos e
interferencias. Además, su velocidad máxima de transmisión es 1.200 bps. Esta dificultad desparece en
los enlaces de fibra óptica.
Modulación FSK
Modulación FSK (Frequency Shift Keying)
Asigna a cada valor de la señal moduladora (0 o 1) una frecuencia determinada de la portadora,
manteniendo constantes la amplitud y la fase. La velocidad está limitada a 2.400 bps. Es el sistema
ideal para operar a baja velocidad, sin embargo tiene una desventaja: el gran ancho de banda que
consume.
Frecuencias utilizadas en el modem Bell 103
Cumplía la recomendación V.21, funcionando en modo dúplex. Empleaba modulación FSK asignando
frecuencias distintas a los 0s y a los 1s de la comunicación ordenador-red (“originater”) y a los bits de
la comunicación red-ordenador (“answer”)
Modulación PSK
Modulación PSK (Phase Shift Keying)
Asigna a cada valor de la señal moduladora (0 o 1) un ángulo de fase diferente, manteniendo
constantes la amplitud y la frecuencia. Sólo se puede utilizar en sistemas síncronos, ya que no se podría
detectar la fase con sistemas asíncronos. Es el método más eficiente para transmitir datos binarios en
presencia de ruido; la desventaja es que el diseño del emisor y receptor se complica
extraordinariamente.
Ejemplos de modulaciones ASK, FSK y PSK
Modulación BPSK
La modulación BPSK (Binary Phase Shift
Keying) es la PSK más simple: cada bit se
codifica con una fase diferente.
Modulación DPSK
En la modulación DPSK (Diferential Phase-Shift Keying) cada estado se codifica mediante un cambio de
fase que se produce en la señal cuando se cambia de un bit al siguiente; los cambios de fase se
obtienen en función de la fase que tenía la señal en el estado anterior. Con este sistema se garantiza
que para cada bit transmitido habrá un cambio, con lo que se facilita la sincronización del reloj del
receptor.
DPSK se utiliza en transmisiones a 1.200 baudios, pero admite una serie de variantes que permiten
aumentar la velocidad de transmisión.
Modulación QPSK
La modulación QPSK (Quadrature Phase Shift
Keying) divide los datos en 2 bits (dibit) y cada
bit se codifica como un cambio de fase de la
portadora con respecto a la fase del símbolo
anterior.
Modulación QPSK
Modulación QAM
En modulación QAM
(Quadrature Amplitude
Modulation) se aplica una
combinación de modulación
de fase DPSK y de amplitud
ASK, utilizándose para
mejorar la eficiencia de los
sistemas de transmisión de
datos. Este tipo de
modulación forma conjuntos
de 3 bits (tribit) con los que
se obtiene una portadora
con 8 estados de fase y
amplitud.
Modulación QAM de 16 puntos
Una modulación muy
utilizada es la que
combina la modulación
ASK y la PSK, dando lugar
a la modulación QAM
(Quadrature Amplitude
Modulation).
Para su representación se
emplean las llamadas
constelaciones sobre los
ejes I-Q. El eje I es el
que está en fase y el Q el
que está en cuadratura.
En la figura se muestra
una constelación con 16
puntos. A cada punto de
la constelación se le
asocia un código, de
manera que para este
caso en concreto, cada
punto está asociado con
4 bits.
Constelación 16 QAM
Constelación 64 QAM
Modulación por pulsos
Modulación por pulsos
Consiste en tomar
muestras de la señal
moduladora a
intervalos regulares,
de modo que el
receptor a través de
dichas muestras
pueda reconstruir la
señal original.
En modulación, la
información no está
contenida en toda la
señal moduladora,
sino que está
codificada en forma
digital a partir de un
muestreo adecuado.
En la demodulación,
en general, es
suficiente con
detectar la existencia
o no de un pulso.
En la modulación,
algún parámetro del
pulso varía de acuerdo
al valor de la muestra.
Modulación PAM
Modulación de pulsos por amplitud (PAM: Pulse Amplitude Modulation)
La señal de muestreo es una sucesión de pulsos unipolares, cuyas amplitudes son proporcionales a los
valores muestra instantáneos del mensaje.
La modulación PAM como método de muestreo de señales analógicas
Modulación PDM
Modulación de pulsos en duración (PDM: Pulse During Modulation)
La duración del pulso es proporcional a la amplitud de la muestra
También se denomina modulación por anchura de pulsos (PWM: Pulse Width
Modulation)
Cómo se efectúa la modulación PDM
En la práctica se fija un flanco del pulso y se modula el otro flanco, con lo que se obtienen pulsos de
distinta duración y espaciamiento variable; ello implica que el análisis espectral es matemáticamente
muy complicado.
Modulación PPM
Modulación de pulsos en posición (PPM: Pulse Position Modulation)
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.
http://www.academy.rpi.edu/projects/ccli
/module_launch.php?ModulesID=9
PAM, PDM y PDM
Modulación PCM
Proceso de digitalización de una señal analógica