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:
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 :
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.
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:
En el lado del receptor, el demodulador normalmente realiza:
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:
La modulación por desplazamiento de frecuencia ( MSK) y la modulación por desplazamiento de fase ( GMSK ) son casos particulares de modulación de fase continua. De hecho, la modulación por desplazamiento de frecuencia (MSK) es un caso particular de la subfamilia de modulación por desplazamiento 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 equivalente al tiempo 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 modulación angular (FSK o PSK) y CDMA , pero no con QAM y OFDM. No obstante, aunque los amplificadores de conmutación son completamente inadecuados para constelaciones QAM normales, a menudo se utiliza el principio de modulación QAM para controlar 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 , pero deben considerarse como esquemas de codificación de fuente y, en algunos casos, técnicas de conversión de analógico a digital.
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