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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 típicamente contiene información para ser transmitida. Por ejemplo, la señal de modulación podría ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono , una señal de video que representa imágenes en movimiento de una cámara de video , o una señal digital que representa una secuencia de dígitos binarios, un flujo de bits.desde una computadora. La portadora tiene una frecuencia más alta que la señal de modulación. El propósito de la modulación es imprimir la información en la onda portadora, que se utiliza para llevar la información a otra ubicación. En las comunicaciones por radio, la portadora modulada se transmite a través del espacio como una onda de radio a un receptor de radio . Otro propósito es transmitir múltiples canales de información a través de un solo medio de comunicación, utilizando multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, en la televisión por cable que utiliza FDM, muchas señales portadoras transportan diferentes canales de televisión.se transportan a través de un solo cable a los clientes. Dado que 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 que lleva 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 inversa de la modulación. Un módem (de mo dulator- dem odulator) puede realizar ambas operaciones. La banda de frecuencia ocupada por la señal de modulación se llama banda base , mientras que la banda de frecuencia más alta ocupada por la portadora modulada se llama banda de paso .

En la modulación analógica , se imprime una señal de modulación analógica en la portadora. Algunos ejemplos son la modulación de amplitud (AM) en la que la amplitud (intensidad) 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 y se utilizan para transmitir una señal de audio que representa el sonido, en la radiodifusión AM y FM . Los sistemas más recientes utilizan modulación digital , que imprime una señal digital que consta de una secuencia dedígitos binarios (bits), un flujo de bits , en la portadora. En la modulación de modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), utilizada en buses de computadora y telemetría , la señal portadora se desplaza periódicamente entre dos frecuencias que representan los dos dígitos binarios. En modulación de banda base digital ( codificación de línea ) utilizada para transmitir datos en cables de bus de computadora en serie y redes de computadoras LAN cableadas como Ethernet, el voltaje en la línea se conmuta entre dos amplitudes (niveles de voltaje) que representan los dos dígitos binarios, 0 y 1, y la frecuencia de la portadora (reloj) se combina con los datos. 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 digital y transmisión de televisión por cable digital.

En la producción musical , el término modulación tiene un significado diferente: es el proceso de cambiar gradualmente las propiedades del sonido para reproducir una sensación de movimiento y profundidad en las grabaciones de audio. Implica el uso de una señal de fuente (conocida como modulador) para controlar otra señal (una portadora ) a través de una variedad de efectos de sonido y métodos de síntesis . [1] Con los cantantes y otros vocalistas, la modulación significa modificar las características de sus voces durante una actuación, como el volumen o el tono.

Métodos de modulación analógica [ editar ]

Una señal de mensaje de baja frecuencia (arriba) puede ser transmitida por una onda de radio AM o FM.
Gráfico en cascada de una portadora de radio de 146,52 MHz, con modulación de amplitud por una sinusoide de 1000 Hz. Se muestran dos bandas laterales fuertes a + y - 1 kHz de la frecuencia portadora.
Una portadora, modulada en frecuencia por una sinusoide de 1000 Hz. El índice de modulación se ha ajustado a alrededor de 2,4, por lo que la frecuencia de la portadora tiene una pequeña amplitud. Son evidentes varias bandas laterales fuertes; en principio se produce un número infinito en FM pero las bandas laterales de orden superior son de magnitud despreciable.

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

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

Métodos de modulación digital [ editar ]

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

Esquema de enlace de datos de 4 baudios, 8 bit / s que contiene valores elegidos arbitrariamente.

Un ejemplo simple: 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 por tonos, llamados símbolos. Si hay cuatro símbolos alternativos (correspondientes 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 símbolo es 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 tasa de bits es el doble de la tasa de símbolos, es decir, 2000 bits por segundo.

Según una definición de señal digital , [2] 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 lo considerarían una transmisión analógica .

Métodos fundamentales de modulación digital [ editar ]

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, siendo un ejemplo una forma de onda cosenoidal) y una señal de fase en cuadratura (o Q, siendo un ejemplo una onda sinusoidal) se modulan en amplitud con un número finito de amplitudes y luego se suman. Puede verse como un sistema de dos canales, cada canal usa 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 les asigna un patrón único de bits binarios . Por lo general, cada fase, frecuencia o amplitud codifica un número igual de bits. Este número de bits comprende el símbolo que está representado por la fase, frecuencia o amplitud 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.

Por ejemplo, con un alfabeto que consta de 16 símbolos alternativos, cada símbolo representa 4 bits. Por lo tanto, la tasa de datos es cuatro veces la tasa de 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.

Principios de funcionamiento del modulador y detector [ editar ]

PSK y ASK, y en ocasiones también FSK, a menudo se generan y detectan 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 resultante o la señal de banda base equivalente 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. Adapte la configuración de pulsos o algún otro filtrado para limitar el ancho de banda y formar el espectro de la señal de paso bajo equivalente, normalmente utilizando procesamiento de señal digital.
  4. Realice la conversión digital a analógica (DAC) de las señales I y Q (ya que hoy en día todo lo anterior se logra normalmente mediante el procesamiento de señales digitales , DSP).
  5. Genere una forma de onda portadora sinusoidal de alta frecuencia, y quizás también un componente de cuadratura de coseno. Lleve a cabo la modulación, por ejemplo, multiplicando la forma de onda seno y coseno con las señales I y Q, lo que da como resultado que la señal de paso bajo equivalente se cambie de 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 del procesamiento de señales analógicas. En ese caso, el paso DAC anterior debe realizarse después de este paso.
  6. Amplificación y filtrado de paso de banda analógico para evitar la distorsión armónica y el 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. Cambio de frecuencia de la señal de RF a las señales I y Q de banda base equivalentes, oa una señal de frecuencia intermedia (IF), multiplicando la señal de RF con una onda sinusoidal de oscilador local y una frecuencia de onda coseno (consulte el principio del receptor superheterodino ).
  4. Muestreo y conversión de analógico a 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 de la propagación por trayectos múltiples, ensanchamiento de 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 la frecuencia o fase de la señal FI.
  7. Cuantificación de las amplitudes, frecuencias o fases a los valores de símbolo permitidos más cercanos.
  8. Mapeo de las amplitudes, frecuencias o fases cuantificadas a palabras de código (grupos de bits).
  9. Conversión paralela a serie de las palabras de código en un flujo de bits.
  10. Pase el flujo de bits resultante para su procesamiento posterior, como la eliminación de cualquier código de corrección de errores.

Como es común a 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 un 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 para que realicen operaciones inversas.

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

Lista de técnicas comunes de modulación digital [ editar ]

Las técnicas de modulación digital más comunes son:

  • Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
    • PSK binario (BPSK), usando M = 2 símbolos
    • PSK en cuadratura (QPSK), usando M = 4 símbolos
    • 8PSK, usando M = 8 símbolos
    • 16PSK, usando M = 16 símbolos
    • PSK diferencial (DPSK)
    • QPSK diferencial (DQPSK)
    • Desplazamiento QPSK ( OQPSK )
    • π / 4 – QPSK
  • Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK)
    • Modulación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK)
    • Modulación por desplazamiento multifrecuencia (M-ary FSK o MFSK)
    • Multifrecuencia de dos tonos (DTMF)
  • Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
  • Teclado on-off (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)
    • Tecla de turno mínimo (MSK)
    • Tecla de desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK)
    • Modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua (CPFSK)
  • Modulación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
    • Multitono discreto (DMT), incluida la modulación adaptativa y la carga de bits
  • Modulación wavelet
  • Modulación codificada Trellis (TCM), también conocida como modulación Trellis
  • Técnicas de espectro ensanchado
    • Espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS)
    • Chirp de espectro ensanchado (CSS) según IEEE 802.15.4a CSS utiliza codificación pseudo-estocástica
    • El espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) aplica un esquema especial para la liberación de canal

MSK y GMSK son casos particulares de modulación de fase continua. De hecho, MSK es un caso particular de la subfamilia de CPM conocida como 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) de duración de un símbolo-tiempo (total señalización de respuesta).

OFDM se basa en la idea de multiplexación por división de frecuencia (FDM), pero las secuencias multiplexadas son todas partes de una única secuencia original. El flujo de bits se divide en varios flujos de datos paralelos, cada uno de los cuales se transfiere a través de su propia subportadora utilizando algún esquema de modulación digital convencional. Las subportadoras moduladas se suman para formar una señal OFDM. Esta división y recombinación ayuda a manejar las deficiencias del canal. La OFDM se considera una técnica de modulación en lugar de una técnica de multiplexación, ya que transfiere un flujo de bits a través de un canal de comunicación utilizando una secuencia de los denominados símbolos OFDM. OFDM se puede extender al método de acceso de canal multiusuario en el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) yesquemas de acceso múltiple por división de código de múltiples portadoras (MC-CDMA), que permiten que varios usuarios compartan el mismo medio físico proporcionando diferentes subportadoras o difundiendo 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 usan menos energía de 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 de ángulo (FSK o PSK) y CDMA , pero no con QAM y OFDM. Sin embargo, aunque los amplificadores de conmutación son completamente inadecuados para las constelaciones QAM normales, a menudo se usa el principio de modulación QAM para controlar los amplificadores de conmutación con estas formas de onda de FM y otras, y a veces se usan demoduladores QAM para recibir las señales emitidas por estos amplificadores de conmutación.

Reconocimiento automático de modulación digital (ADMR) [ editar ]

El reconocimiento automático de la modulación digital en los sistemas de comunicación inteligentes es uno de los aspectos más importantes en la radio definida por software y la radio cognitiva . Según 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. Estos 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 tales sistemas, hay 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. [3]Obviamente, sin conocimiento de los datos transmitidos y muchos parámetros desconocidos en el receptor, como la potencia de la señal, la frecuencia de la portadora y los desplazamientos de fase, información de tiempo, etc., la identificación ciega de la modulación se hace bastante difícil. Esto se vuelve aún más desafiante en escenarios del mundo real con canales de desvanecimiento por trayectos múltiples, selectivos de frecuencia y que varían en el tiempo. [4]

Hay 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.

Modulación de banda base digital o codificación de línea [ editar ]

El término modulación de banda base digital (o transmisión de banda base digital) es sinónimo de códigos de línea . Estos son métodos para transferir un flujo de bits digital a través de un canal de banda base analógico (también conocido como canal de paso bajo ) utilizando un tren de pulsos, es decir, un número discreto de niveles de señal, modulando directamente el voltaje o la corriente en un cable o bus serie. Los ejemplos comunes son codificaciones unipolar , sin retorno a cero (NRZ), Manchester e inversión de marca alternativa (AMI). [5]

Métodos de modulación de pulsos [ editar ]

Los esquemas de modulación de pulsos tienen como objetivo transferir una señal analógica de banda estrecha a través de un canal de banda base analógica como una señal de dos niveles modulando 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 cuantificada en tiempo discreto ) con una tasa de bits fija, que se puede transferir a través de un sistema de transmisión digital subyacente, por ejemplo, alguna línea. codigo . Estos no son esquemas de modulación en el sentido convencional ya que no son esquemas de codificación de canal , pero deben considerarse 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 de ancho de pulso (PWM) y modulación de profundidad de pulso (PDM)
  • Modulación de posición de pulso (PPM)

Métodos analógicos sobre digitales

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

Varias técnicas de modulación [ editar ]

  • El uso de codificación on-off 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 las señales se modulan dentro del espacio aéreo, como el que se usa en los sistemas de aterrizaje por instrumentos .

Ver también [ editar ]

  • Métodos de acceso al canal
  • Codificación de canal
  • Códec
  • Canal de comunicaciones
  • Demodulación
  • Resonancia electrica
  • Heterodino
  • Código de línea
  • Módem
  • Orden de modulación
  • Neuromodulacion
  • Modulador de RF
  • Modulación de anillo
  • Telecomunicación
  • Tipos de emisiones de radio

Referencias [ editar ]

  1. ^ Rory PQ (8 de mayo de 2019). "Qué es la modulación y cómo mejora tu música" . Colectivo de iconos . Consultado el 23 de agosto de 2020 .
  2. ^ "Métodos de modulación | Conceptos básicos de electrónica | ROHM" . www.rohm.com . Consultado el 15 de mayo de 2020 .
  3. ^ Valipour, M. Hadi; Homayounpour, M. Mehdi; Mehralian, M. Amin (2012). "Reconocimiento automático de modulación digital en presencia de ruido mediante SVM y PSO". VI Simposio Internacional de Telecomunicaciones (IST) . págs. 378–382. doi : 10.1109 / ISTEL.2012.6483016 . ISBN 978-1-4673-2073-3. S2CID  9456048 .
  4. ^ Dobre, Octavia A., Ali Abdi, Yeheskel Bar-Ness y Wei Su. Comunicaciones, IET 1, no. 2 (2007): 137-156. (2007). "Estudio de las técnicas de clasificación de modulación automática: enfoques clásicos y nuevas tendencias" (PDF) . Comunicaciones IET . 1 (2): 137-156. doi : 10.1049 / iet-com: 20050176 . CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ^ Ke-Lin Du y MNS Swamy (2010). Sistemas de comunicación inalámbrica: desde subsistemas de RF hasta tecnologías habilitadoras 4G . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 188. ISBN 978-0-521-11403-5.

Lectura adicional [ editar ]

  • Diálogo analógico de multiplicadores vs moduladores , junio de 2013

Enlaces externos [ editar ]

  • Presentación interactiva de soft-demapping para AWGN-channel en una demostración web del Instituto de Telecomunicaciones de la Universidad de Stuttgart
  • Módem (modulación y demodulación)