Modulación

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Modulación de banda de paso
Modulación analógica
SOY FM P.M AMQ Sm SSB
Modulación digital
PREGUNTAR APSK CPM FSK MFSK MSK OOK PPM PSK QAM SC-FDE TCM WDM
Hierarchical modulation
QAM WDM
Spread spectrum
CSS DSSS FHSS THSS
See also
Capacity-approaching codes Demodulation Line coding Modem AnM PoM PAM PCM PDM PWM ΔΣM OFDM FDM Multiplexing
v t e

En electrónica y telecomunicaciones , la modulación es el proceso de variar una o más propiedades de una forma de onda periódica , llamada señal portadora , con una señal separada llamada señal de modulación que normalmente contiene información a transmitir. ^[1] Por ejemplo, la señal de modulación puede ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono , una señal de vídeo que representa imágenes en movimiento de una cámara de vídeo o una señal digital que representa una secuencia de dígitos binarios, un flujo de bits de una computadora.

Esta onda portadora suele tener una frecuencia mucho más alta que la señal del mensaje. Esto se debe a que no es práctico transmitir señales con frecuencias bajas. Generalmente, para recibir una onda de radio se necesita una antena de radio con una longitud que sea un cuarto de la longitud de onda. ^[2] Para las ondas de radio de baja frecuencia, la longitud de onda está en la escala de kilómetros y la construcción de una antena tan grande no es práctica. En la comunicación por radio , la portadora modulada se transmite a través del espacio como una onda de radio a un receptor de radio .

Otro propósito de la modulación es transmitir múltiples canales de información a través de un único medio de comunicación , utilizando multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, en la televisión por cable (que utiliza FDM), muchas señales portadoras, cada una modulada con un canal de televisión diferente , se transportan a través de un único cable hasta los clientes. Como cada portadora ocupa una frecuencia diferente, los canales no interfieren entre sí. En el extremo de destino, la señal portadora se demodula para extraer la información portadora de la señal de modulación.

Un modulador es un dispositivo o circuito que realiza la modulación. Un demodulador (a veces detector ) es un circuito que realiza la demodulación , la operación inversa de la modulación. Un módem (de modulador - dem odulador), utilizado en la comunicación bidireccional, puede realizar ambas operaciones. La banda de frecuencia más baja ocupada por la señal de modulación se denomina banda base , mientras que la banda de frecuencia más alta ocupada por la portadora modulada se denomina banda de paso . ^{[ cita requerida ]}

En la modulación analógica , una señal de modulación analógica se "imprime" en la portadora. Algunos ejemplos son la modulación de amplitud (AM), en la que la amplitud (fuerza) de la onda portadora varía según la señal de modulación, y la modulación de frecuencia (FM), en la que la frecuencia de la onda portadora varía según la señal de modulación. Estos fueron los primeros tipos de modulación ^{[ cita requerida ]} y se utilizan para transmitir una señal de audio que representa el sonido en la radiodifusión AM y FM . Los sistemas más recientes utilizan la modulación digital , que imprime una señal digital que consiste en una secuencia de dígitos binarios (bits), un flujo de bits , en la portadora, mediante el mapeo de bits a elementos de un alfabeto discreto que se va a transmitir. Este alfabeto puede consistir en un conjunto de números reales o complejos , o secuencias, como oscilaciones de diferentes frecuencias, la llamada modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Un método de modulación digital más complicado que emplea múltiples portadoras, la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), se utiliza en redes WiFi , estaciones de radio digitales y transmisión de televisión por cable digital.

En la modulación analógica , la modulación se aplica de forma continua en respuesta a la señal de información analógica. Las técnicas de modulación analógica más comunes incluyen:

• Modulación de amplitud (AM) (aquí la amplitud de la señal portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora)
  • Modulación de doble banda lateral (DSB)
    • Modulación de doble banda lateral con portadora (DSB-WC) (utilizada en la banda de transmisión de radio AM)
    • Transmisión de portadora suprimida de banda lateral doble (DSB-SC)
    • Transmisión de portadora reducida de banda lateral doble (DSB-RC)
  • Modulación de banda lateral única (SSB o SSB-AM)
    • Modulación de banda lateral única con portadora (SSB-WC)
    • Modulación de portadora suprimida con modulación de banda lateral única (SSB-SC)
  • Modulación de banda lateral vestigial (VSB o VSB-AM)
  • Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)
• Modulación angular , que es una envolvente aproximadamente constante
  • Modulación de frecuencia (FM) (aquí la frecuencia de la señal portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora)
  • Modulación de fase (PM) (aquí el desplazamiento de fase de la señal portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora)
  • Modulación transposicional (TM), en la que se modifica la inflexión de la forma de onda, lo que da como resultado una señal en la que cada cuarto de ciclo se transpone en el proceso de modulación. TM es una modulación pseudoanalógica (AM). En la que una portadora AM también lleva una fase variable f(ǿ). TM es f(AM,ǿ)

En la modulación digital , una señal portadora analógica se modula mediante una señal discreta. Los métodos de modulación digital pueden considerarse como una conversión de digital a analógico y la demodulación o detección correspondiente como una conversión de analógico a digital. Los cambios en la señal portadora se eligen de un número finito de M símbolos alternativos (el alfabeto de modulación ).

Un ejemplo sencillo: una línea telefónica está diseñada para transferir sonidos audibles, por ejemplo, tonos, y no bits digitales (ceros y unos). Sin embargo, las computadoras pueden comunicarse a través de una línea telefónica por medio de módems, que representan los bits digitales mediante tonos, llamados símbolos. Si hay cuatro símbolos alternativos (que corresponden a un instrumento musical que puede generar cuatro tonos diferentes, uno a la vez), el primer símbolo puede representar la secuencia de bits 00, el segundo 01, el tercero 10 y el cuarto 11. Si el módem reproduce una melodía que consta de 1000 tonos por segundo, la velocidad de símbolos es de 1000 símbolos/segundo, o 1000 baudios . Dado que cada tono (es decir, símbolo) representa un mensaje que consta de dos bits digitales en este ejemplo, la velocidad de bits es el doble de la velocidad de símbolos, es decir, 2000 bits por segundo.

Según una definición de señal digital , ^[3] la señal modulada es una señal digital. Según otra definición, la modulación es una forma de conversión de digital a analógico . La mayoría de los libros de texto considerarían los esquemas de modulación digital como una forma de transmisión digital , sinónimo de transmisión de datos; muy pocos los considerarían como transmisión analógica . ^{[ cita requerida ]}

Las técnicas de modulación digital más fundamentales se basan en la codificación :

• PSK (modulación por desplazamiento de fase) : se utiliza un número finito de fases.
• FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia) : se utiliza un número finito de frecuencias.
• ASK (modulación por desplazamiento de amplitud) : se utiliza un número finito de amplitudes.
• QAM (modulación de amplitud en cuadratura) : se utiliza un número finito de al menos dos fases y al menos dos amplitudes.

En QAM, una señal en fase (o I, por ejemplo, una onda coseno) y una señal en fase en cuadratura (o Q, por ejemplo, una onda sinusoidal) se modulan en amplitud con un número finito de amplitudes y luego se suman. Se puede considerar como un sistema de dos canales, en el que cada canal utiliza ASK. La señal resultante es equivalente a una combinación de PSK y ASK.

En todos los métodos anteriores, a cada una de estas fases, frecuencias o amplitudes se le asigna un patrón único de bits binarios . Por lo general, cada fase, frecuencia o amplitud codifica una cantidad igual de bits. Esta cantidad de bits comprende el símbolo que representa la fase, frecuencia o amplitud en particular.

Si el alfabeto consta de símbolos alternativos, cada símbolo representa un mensaje que consta de N bits. Si la velocidad de símbolos (también conocida como velocidad en baudios ) es símbolos/segundo (o baudios ), la velocidad de datos es bit/segundo.${\displaystyle M=2^{N}}$${\displaystyle f_{S}}$${\displaystyle Nf_{S}}$

Por ejemplo, en un alfabeto compuesto por 16 símbolos alternativos, cada símbolo representa 4 bits. Por lo tanto, la velocidad de datos es cuatro veces la velocidad en baudios.

En el caso de PSK, ASK o QAM, donde la frecuencia portadora de la señal modulada es constante, el alfabeto de modulación a menudo se representa convenientemente en un diagrama de constelación , que muestra la amplitud de la señal I en el eje x y la amplitud de la señal Q en el eje y, para cada símbolo.

PSK y ASK, y a veces también FSK, se generan y detectan a menudo utilizando el principio de QAM. Las señales I y Q se pueden combinar en una señal de valor complejo I + jQ (donde j es la unidad imaginaria ). La denominada señal de paso bajo equivalente o señal de banda base equivalente resultante es una representación de valor complejo de la señal física modulada de valor real (la denominada señal de banda de paso o señal de RF ).

Estos son los pasos generales que utiliza el modulador para transmitir datos:

1. Agrupe los bits de datos entrantes en palabras de código, una para cada símbolo que se transmitirá.
2. Asigne las palabras de código a atributos, por ejemplo, amplitudes de las señales I y Q (la señal de paso bajo equivalente) o valores de frecuencia o fase.
3. Adaptar la conformación de pulsos o algún otro filtrado para limitar el ancho de banda y formar el espectro de la señal de paso bajo equivalente, generalmente utilizando procesamiento de señal digital.
4. Realizar la conversión digital a analógica (DAC) de las señales I y Q (ya que hoy en día todo lo anterior normalmente se logra mediante procesamiento de señal digital , DSP).
5. Genere una forma de onda portadora senoidal de alta frecuencia y, quizás, también un componente de cuadratura cosenoidal. Realice la modulación, por ejemplo, multiplicando la forma de onda senoidal y cosenoidal por las señales I y Q, lo que da como resultado que la señal de paso bajo equivalente se desplace en frecuencia a la señal de banda de paso modulada o señal de RF. A veces, esto se logra utilizando tecnología DSP, por ejemplo, síntesis digital directa utilizando una tabla de formas de onda, en lugar de procesamiento de señales analógicas. En ese caso, el paso DAC anterior debe realizarse después de este paso.
6. Amplificación y filtrado paso banda analógico para evitar distorsión armónica y espectro periódico.

En el lado del receptor, el demodulador normalmente realiza:

1. Filtrado de paso de banda.
2. Control automático de ganancia , AGC (para compensar la atenuación , por ejemplo el desvanecimiento ).
3. Desplazamiento de frecuencia de la señal de RF a las señales de banda base I y Q equivalentes, o a una señal de frecuencia intermedia (FI), multiplicando la señal de RF por una frecuencia de onda sinusoidal y coseno del oscilador local (véase el principio del receptor superheterodino ).
4. Muestreo y conversión analógico-digital (ADC) (a veces antes o en lugar del punto anterior, por ejemplo mediante submuestreo ).
5. Filtrado de ecualización, por ejemplo, un filtro adaptado , compensación por propagación por trayectos múltiples, dispersión en el tiempo, distorsión de fase y desvanecimiento selectivo de frecuencia, para evitar interferencias entre símbolos y distorsión de símbolos.
6. Detección de las amplitudes de las señales I y Q, o de la frecuencia o fase de la señal IF.
7. Cuantificación de las amplitudes, frecuencias o fases a los valores simbólicos permitidos más cercanos.
8. Mapeo de las amplitudes, frecuencias o fases cuantificadas a palabras de código (grupos de bits).
9. Conversión de paralelo a serie de las palabras de código en un flujo de bits.
10. Pasar el flujo de bits resultante para su posterior procesamiento, como la eliminación de cualquier código de corrección de errores.

Como es común en todos los sistemas de comunicación digital, el diseño tanto del modulador como del demodulador debe realizarse simultáneamente. Los esquemas de modulación digital son posibles porque el par transmisor-receptor tiene conocimiento previo de cómo se codifican y representan los datos en el sistema de comunicaciones. En todos los sistemas de comunicación digital, tanto el modulador en el transmisor como el demodulador en el receptor están estructurados de manera que realizan operaciones inversas.

Los métodos asincrónicos no requieren una señal de reloj de referencia del receptor que esté sincronizada en fase con la señal portadora del transmisor . En este caso, los símbolos de modulación (en lugar de bits, caracteres o paquetes de datos) se transfieren de forma asincrónica . Lo opuesto es la modulación sincrónica .

Las técnicas de modulación digital más comunes son:

• Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
  • PSK binario (BPSK), utilizando símbolos M=2
  • PSK en cuadratura (QPSK), utilizando símbolos M=4
  • 8PSK, utilizando símbolos M=8
  • 16PSK, utilizando símbolos M=16
  • PSK diferencial (DPSK)
  • QPSK diferencial (DQPSK)
  • Desplazamiento QPSK ( OQPSK )
  • π/4–QPSK
• Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK)
  • Modificación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK)
  • Modulación por desplazamiento de múltiples frecuencias (M-ary FSK o MFSK)
  • Multifrecuencia de doble tono (DTMF)
• Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
• Activación y desactivación de la codificación (OOK), la forma ASK más común
  • Modulación de banda lateral vestigial M-aria , por ejemplo 8VSB
• Modulación de amplitud en cuadratura (QAM), una combinación de PSK y ASK
  • Modulación polar como QAM, una combinación de PSK y ASK ^{[ cita requerida ]}
• Métodos de modulación de fase continua (CPM)
  • Modulación por desplazamiento mínimo (MSK)
  • Modulación por desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK)
  • Modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua (CPFSK)
• Modulación por multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
  • Multitono discreto (DMT), que incluye modulación adaptativa y carga de bits
• Modulación wavelet
• Modulación codificada de Trellis (TCM), también conocida como modulación de Trellis
• Técnicas de espectro ensanchado
  • Espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS)
  • Espectro ensanchado Chirp (CSS) según IEEE 802.15.4a CSS utiliza codificación pseudoestocástica
  • El espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) aplica un esquema especial para la liberación de canales

MSK y GMSK son casos particulares de modulación de fase continua. De hecho, MSK es un caso particular de la subfamilia de modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua (CPFSK), que se define por un pulso de frecuencia rectangular (es decir, un pulso de fase que aumenta linealmente) con una duración de un símbolo (señalización de respuesta total).

OFDM se basa en la idea de multiplexación por división de frecuencia (FDM), pero los flujos multiplexados son todos partes de un único flujo original. El flujo de bits se divide en varios flujos de datos paralelos, cada uno de los cuales se transfiere sobre su propia subportadora utilizando algún esquema de modulación digital convencional. Las subportadoras moduladas se suman para formar una señal OFDM. Esta división y recombinación ayudan a manejar las deficiencias del canal. OFDM se considera una técnica de modulación en lugar de una técnica de multiplexación, ya que transfiere un flujo de bits sobre un canal de comunicación utilizando una secuencia de los denominados símbolos OFDM. OFDM se puede ampliar al método de acceso al canal multiusuario en los esquemas de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) y acceso múltiple por división de código multiportadora (MC-CDMA), lo que permite que varios usuarios compartan el mismo medio físico proporcionando diferentes subportadoras o ensanchando códigos a diferentes usuarios.

De los dos tipos de amplificadores de potencia de RF , los amplificadores de conmutación ( amplificadores de clase D ) cuestan menos y consumen menos energía de la batería que los amplificadores lineales de la misma potencia de salida. Sin embargo, solo funcionan con señales de modulación de amplitud relativamente constante, como la modulación angular (FSK o PSK) y CDMA , pero no con QAM y OFDM. No obstante, aunque los amplificadores de conmutación son completamente inadecuados para las constelaciones QAM normales, a menudo se utiliza el principio de modulación QAM para controlar los amplificadores de conmutación con estas formas de onda FM y otras, y a veces se utilizan demoduladores QAM para recibir las señales emitidas por estos amplificadores de conmutación.

El reconocimiento automático de modulación digital en sistemas de comunicación inteligentes es uno de los problemas más importantes en la radio definida por software y la radio cognitiva . De acuerdo con la expansión incremental de los receptores inteligentes, el reconocimiento automático de modulación se convierte en un tema desafiante en los sistemas de telecomunicaciones y la ingeniería informática. Dichos sistemas tienen muchas aplicaciones civiles y militares. Además, el reconocimiento ciego del tipo de modulación es un problema importante en los sistemas comerciales, especialmente en la radio definida por software . Por lo general, en dichos sistemas, hay alguna información adicional para la configuración del sistema, pero considerando enfoques ciegos en receptores inteligentes, podemos reducir la sobrecarga de información y aumentar el rendimiento de la transmisión. Obviamente, sin conocimiento de los datos transmitidos y muchos parámetros desconocidos en el receptor, como la potencia de la señal, la frecuencia portadora y los desplazamientos de fase, la información de tiempo, etc., la identificación ciega de la modulación se vuelve bastante difícil. Esto se vuelve aún más desafiante en escenarios del mundo real con desvanecimiento por trayectos múltiples, canales selectivos de frecuencia y variables en el tiempo. ^[4]

Existen dos enfoques principales para el reconocimiento automático de modulación. El primer enfoque utiliza métodos basados ​​en la probabilidad para asignar una señal de entrada a una clase adecuada. Otro enfoque reciente se basa en la extracción de características.

La modulación de banda base digital cambia las características de una señal de banda base, es decir, una sin portadora a una frecuencia más alta.

Esto se puede utilizar como señal equivalente para convertirla posteriormente en frecuencia portadora o para comunicación directa en banda base. Ambos métodos implican códigos de línea relativamente simples , como los que se utilizan a menudo en buses locales, y esquemas de señalización de banda base complicados, como los que se utilizan en DSL .

Los esquemas de modulación de pulsos tienen como objetivo transferir una señal analógica de banda estrecha a través de un canal de banda base analógico como una señal de dos niveles mediante la modulación de una onda de pulso . Algunos esquemas de modulación de pulsos también permiten que la señal analógica de banda estrecha se transfiera como una señal digital (es decir, como una señal de tiempo discreto cuantificada ) con una tasa de bits fija, que se puede transferir a través de un sistema de transmisión digital subyacente, por ejemplo, algún código de línea . Estos no son esquemas de modulación en el sentido convencional, ya que no son esquemas de codificación de canal , sino que deben considerarse como esquemas de codificación de fuente y, en algunos casos, técnicas de conversión de analógico a digital.

Métodos analógicos sobre analógicos

• Modulación de amplitud de pulso (PAM)
• Modulación por ancho de pulso (PWM) y modulación por profundidad de pulso (PDM)
• Modulación de frecuencia de pulso (PFM)
• Modulación de posición de pulso (PPM)

Métodos analógicos sobre digitales

• Modulación por código de pulsos (PCM)
  • PCM diferencial (DPCM)
    • DPCM adaptativo (ADPCM)
• Modulación delta (DM o modulación Δ)
  • Modulación delta-sigma (ΣΔ)
  • Modulación delta de pendiente continuamente variable (CVSDM), también llamada modulación delta adaptativa (ADM)
• Modulación de densidad de pulsos (PDM)

• El uso de modulación de encendido y apagado para transmitir código Morse en frecuencias de radio se conoce como operación de onda continua (CW).
• Modulación adaptativa
• La modulación espacial es un método mediante el cual se modulan señales dentro del espacio aéreo, como el que se utiliza en los sistemas de aterrizaje por instrumentos .
• El efecto auditivo de microondas ha sido modulado por pulsos con formas de onda de audio para evocar números hablados comprensibles. ^{[5] [6] [7]}

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Modulación .

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• Multiplicadores vs. Moduladores Analog Dialogue, junio de 2013

• Presentación interactiva de soft-demapping para el canal AWGN en una demostración web Instituto de Telecomunicaciones, Universidad de Stuttgart
• Módem (Modulación y Demodulación)
• CodSim 2.0: Laboratorio virtual de código abierto para modelos de comunicaciones de datos digitales Departamento de Arquitectura de Computadores, Universidad de Málaga. Simula codificaciones de líneas digitales y modulaciones digitales. Escrito en HTML para cualquier navegador web.