Un diagrama de constelación es una representación de una señal modulada por un esquema de modulación digital como la modulación de amplitud en cuadratura o la manipulación por desplazamiento de fase . [1] Muestra la señal como un diagrama de dispersión bidimensional en el plano xy en el plano complejo en instantes de muestreo de símbolos . De manera similar a la de un diagrama fasorial , el ángulo de un punto, medido en sentido antihorario desde el eje horizontal, representa el desplazamiento de fase de la onda portadora respecto de una fase de referencia; la distancia de un punto desde el origen representa una medida de la amplitud o potencia de la señal.
En un sistema de modulación digital , la información se transmite como una serie de muestras , cada una de las cuales ocupa un intervalo de tiempo uniforme. Durante cada muestra, la onda portadora tiene una amplitud y una fase constantes , que están restringidas a uno de un número finito de valores. Así, cada muestra codifica uno de un número finito de "símbolos", que a su vez representan uno o más dígitos binarios (bits) de información. Cada símbolo está codificado como una combinación diferente de amplitud y fase de la portadora, por lo que cada símbolo está representado por un punto en el diagrama de la constelación, llamado punto de constelación . El diagrama de constelación muestra todos los símbolos posibles que el sistema puede transmitir como una colección de puntos. En una señal modulada en frecuencia o fase, la amplitud de la señal es constante, por lo que los puntos se encuentran en un círculo alrededor del origen.
La portadora que representa cada símbolo se puede crear sumando diferentes cantidades de una onda coseno que representa la "I" o portadora en fase , y una onda sinusoidal , desplazada 90° con respecto a la portadora I, llamada "Q" o portadora en cuadratura . Así, cada símbolo puede representarse mediante un número complejo , y el diagrama de la constelación puede considerarse como un plano complejo , en el que el eje real horizontal representa la componente I y el eje imaginario vertical representa la componente Q. Un detector coherente es capaz de demodular estas portadoras de forma independiente. Este principio de utilizar dos portadoras moduladas independientemente es la base de la modulación en cuadratura . En la modulación de fase pura , la fase del símbolo modulador es la fase de la propia portadora y esta es la mejor representación de la señal modulada.
Un 'diagrama de espacio de señales' es un diagrama de constelación ideal que muestra la posición correcta del punto que representa cada símbolo. Después de pasar por un canal de comunicación , debido al ruido electrónico o la distorsión agregada a la señal, la amplitud y fase recibida por el demodulador pueden diferir del valor correcto para el símbolo. Cuando se traza en un diagrama de constelación, el punto que representa la muestra recibida se desplazará de la posición correcta para ese símbolo. Un instrumento de prueba electrónico llamado analizador vectorial de señales puede mostrar el diagrama de constelación de una señal digital muestreando la señal y trazando cada símbolo recibido como un punto. El resultado es una "bola" o "nube" de puntos que rodean la posición de cada símbolo. Los diagramas de constelaciones medidos se pueden utilizar para reconocer el tipo de interferencia y distorsión en una señal.
El número de puntos de la constelación en un diagrama proporciona el tamaño del "alfabeto" de símbolos que puede transmitir cada muestra y, por tanto, determina el número de bits transmitidos por muestra. Generalmente es una potencia de 2. Un diagrama con cuatro puntos, por ejemplo, representa un esquema de modulación que puede codificar por separado las 4 combinaciones de dos bits: 00, 01, 10 y 11, y así puede transmitir dos bits por muestra. Así, en general, una modulación con puntos de constelación transmite bits por muestra.
Después de pasar por el canal de comunicación la señal es decodificada por un demodulador . La función del demodulador es clasificar cada muestra como un símbolo. El conjunto de valores de muestra que el demodulador clasifica como un símbolo dado puede representarse mediante una región en el plano dibujada alrededor de cada punto de la constelación. Si el ruido hace que el punto que representa una muestra se desvíe hacia la región que representa otro símbolo, el demodulador identificará erróneamente esa muestra como el otro símbolo, lo que dará como resultado un error de símbolo. La mayoría de los demoduladores eligen, como estimación de lo que realmente se transmitió, el punto de la constelación más cercano (en un sentido de distancia euclidiana ) al de la muestra recibida; esto se llama detección de máxima probabilidad . En el diagrama de constelación, estas regiones de detección se pueden representar fácilmente dividiendo el plano por líneas equidistantes de cada par de puntos adyacentes.
La mitad de la distancia entre cada par de puntos vecinos es la amplitud del ruido aditivo o la distorsión necesaria para provocar que uno de los puntos se identifique erróneamente con el otro y, por tanto, provocar un error de símbolo. Por tanto, cuanto más separados estén los puntos entre sí, mayor será la inmunidad al ruido de la modulación. Los sistemas de modulación prácticos están diseñados para maximizar el ruido mínimo necesario para provocar un error de símbolo; en el diagrama de la constelación esto significa que la distancia entre cada par de puntos adyacentes es igual.
La calidad de la señal recibida se puede analizar mostrando el diagrama de constelación de la señal en el receptor en un analizador vectorial de señales . Algunos tipos de distorsión aparecen como patrones característicos en el diagrama:
Un diagrama de constelación visualiza fenómenos similares a los que visualiza un patrón ocular para señales unidimensionales. El patrón de ojo se puede utilizar para ver la fluctuación de tiempo en una dimensión de modulación.
