Modulación

Categorización para modulación de señales basada en tipos de datos y portadores

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 puede ser una señal de audio que represente el sonido de un micrófono, una señal de video que represente imágenes en movimiento de una cámara de video o una señal digital que represente una secuencia de dígitos binarios, un flujo de bits de una computadora. La portadora tiene una frecuencia más alta que la señal de modulación. 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 es transmitir múltiples canales de información a través de un solo medio de comunicación, usando multiplexación por división de frecuencia (FDM). Por ejemplo, en la televisión por cable que usa FDM, muchas señales portadoras, cada una modulada con un canal de televisión diferente, 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 señal de modulación portadora de información.

Un modulador es un dispositivo o circuito que realiza la modulación. Un demodulador (a veces detector) es un circuito que realiza la demodulación, lo contrario de la modulación. Un módem (de modulator–demodulator), utilizado en la comunicación bidireccional, puede realizar ambas operaciones. La banda de frecuencia 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.

En la modulación analógica, se imprime una señal de modulación analógica en la portadora. Los ejemplos son la modulación de amplitud (AM) en la que la señal de modulación varía la amplitud (fuerza) de la onda portadora, y la modulación de frecuencia (FM) en la que la señal de modulación varía la frecuencia de la onda portadora. 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 de dígitos binarios (bits), un flujo de bits, en la portadora, mediante la asignación de bits a elementos de un alfabeto discreto para ser transmitido. Este alfabeto puede consistir en un conjunto de números reales o complejos, o secuencias, como oscilaciones de diferentes frecuencias, la llamada modulación de manipulación 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 digital y transmisión de televisión por cable digital.

Métodos de modulación analógica

Una señal de mensaje de baja frecuencia (top) puede ser transportada por una onda de radio AM o FM.

Parcela de cascada de 146,52 portador de radio MHz, con modulación de amplitud por un sinusoid de 1000 Hz. Se muestran dos bandas laterales fuertes a + y - 1 kHz de la frecuencia de portador.

Un portador, frecuencia modulada por un sinusoide de 1000 Hz. El índice de modulación se ha ajustado a alrededor de 2.4, por lo que la frecuencia de portador tiene una pequeña amplitud. Varias bandas laterales fuertes son evidentes; en principio un número infinito se produce en FM pero las bandas laterales de mayor orden son de magnitud insignificante.

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 la amplificación (AM) (aquí la amplitud de la señal del transportista es variada de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal de modulación)
  • Modulación de banda doble (DSB)
    • Modulación de banda doble con portador (DSB-WC) (utilizado en la banda de radiodifusión AM)
    • Transmisión suprimida de banda doble (DSB-SC)
    • Transmisión reducida de banda doble (DSB-RC)
  • Modulación de banda única (SSB, o SSB-AM)
    • Modulación de banda única con portador (SSB-WC)
    • Modulación de banda única modulación de portador suprimido (SSB-SC)
  • Modulación de banda lateral vestigial (VSB, o VSB-AM)
  • Modulación de amplitud de cuadratura (QAM)
• Modulación en ángulo, que es aproximadamente sobre constante
  • Modulación de frecuencia (FM) (aquí la frecuencia de la señal de porteador es variada de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal de modulación)
  • Modulación de fase (PM) (aquí el cambio de fase de la señal de porteador es variado de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal de modulación)
  • Modulación Transposicional (TM), en la que se modifica la inflexión de onda, resultando en una señal donde cada ciclo trimestral se transpone en el proceso de modulación. TM es una modulación pseudo-analógica (AM). Cuando un portador de AM también lleva una fase variable fase f(ё). TM es f(AM, entendido)

Métodos de modulación digital

En la modulación digital, una señal portadora analógica es modulada por una señal discreta. Los métodos de modulación digital pueden considerarse como 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).

Schematic of 4 baud, 8 bit/s data link containing arbitrarily chosen values

Un ejemplo simple: Una línea telefónica está diseñada para transferir sonidos audibles, por ejemplo, tonos, y no bits digitales (zeros y otros). Las computadoras pueden, sin embargo, 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 (correspondiendo a un instrumento musical que puede generar cuatro tonos diferentes, uno a uno), el primer símbolo puede representar la secuencia de bits 00, el segundo 01, el tercero 10 y el cuarto 11. Si el módem juega una melodía que consiste en 1000 tonos por segundo, la tasa de símbolo es 1000 símbolos/segundo, o 1000 baud. Puesto que cada tono (es decir, símbolo) representa un mensaje consistente en dos bits digitales en este ejemplo, la tasa de bits es el doble de la tasa de símbolo, es decir, 2000 bits por segundo.

Según una definición de señal digital, 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 como una transmisión analógica.

Métodos fundamentales de modulación digital

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

• PSK (teclaje de fases): se utiliza un número finito de fases.
• FSK (frequency-shift keying): se utiliza un número finito de frecuencias.
• ASK (anclado de apertura-hift): se utilizan un número finito de amplitudes.
• QAM (modulación de amplitud cuadrada): 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 coseno) 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 resumió. Puede verse como un sistema de dos canales, cada canal usando 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. Normalmente, 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 ${displaystyle M=2^{N}$ símbolos alternativos, cada símbolo representa un mensaje consistente en N bits. Si la tasa de símbolo (también conocida como la tasa de baud) es ${displaystyle F_{S}$ símbolos/segundo (o baud), la tasa de datos es ${displaystyle Nf_{S}$ bit/second.

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 del detector

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 llamada 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 llamada señal de banda de paso o señal de RF).

Estos son los pasos generales utilizados por el modulador para transmitir datos:

1. Coloque los datos entrantes en las palabras clave, una para cada símbolo que se transmitirá.
2. Mapee las palabras clave a los atributos, por ejemplo, las amplitudes de las señales I y Q (la señal de paso inferior equivalente), o los valores de frecuencia o fase.
3. Adaptar el modelado de pulsos o algún otro filtro para limitar el ancho de banda y formar el espectro de la señal de paso inferior equivalente, utilizando típicamente el procesamiento de señales digitales.
4. Realizar la conversión digital a analógica (DAC) de las señales I y Q (ya que hoy todo lo anterior se consigue normalmente utilizando el procesamiento digital de señales, DSP).
5. Generar una onda sine de alta frecuencia, y quizás también un componente de cuadratura cosina. Realizar la modulación, por ejemplo multiplicando la forma de onda sine y cosine con las señales I y Q, dando lugar a la frecuencia de baja señal de paso equivalente que se desplaza a la señal de banda transmisora modulada o señal RF. A veces esto se logra utilizando la tecnología DSP, por ejemplo la síntesis digital directa usando una tabla de ondas, en lugar del procesamiento analógico de señales. En ese caso, el paso anterior del CAD debe hacerse después de este paso.
6. Amplificación y filtrado analógico de bandpass para evitar la distorsión armónica y el espectro periódico.

En el lado del receptor, el demodulador normalmente realiza:

1. Filtro de bandpass.
2. Control automático de ganancia, AGC (para compensar la atenuación, por ejemplo, el desvanecimiento).
3. Cambio de frecuencia de la señal RF a las señales de banda base I y Q equivalentes, o a una señal de frecuencia intermedia (IF), multiplicando la señal RF con una onda sine del oscilador local y frecuencia de onda cosina (ver el principio del receptor superheterodyne).
4. Conversión de muestreo y analógica a digital (ADC) (a veces antes o en lugar del punto anterior, por ejemplo, por medio de un submuestreno).
5. El filtrado de igualación, por ejemplo, un filtro emparejado, compensación para la propagación multipática, la propagación del tiempo, la distorsión de fases y la decoloración selectiva de frecuencia, para evitar interferencias intersímbolos y distorsión de símbolos.
6. Detección de las amplitudes de las señales I y Q, o la frecuencia o fase de la señal IF.
7. Cuantización de las amplitudes, frecuencias o fases a los valores de símbolos permitidos más cercanos.
8. Mapping of the quantized amplitudes, frecuencias or phases to codewords (bit groups).
9. Conversión paralela a serie de las palabras clave en un pequeño flujo.
10. Pase el flujo de bits resultante para el procesamiento posterior, tales 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 hacerse 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 para que realicen 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 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 síncrona.

Lista de técnicas comunes de modulación digital

Las técnicas de modulación digital más comunes son:

• Teclado de la fase (PSK)
  • binario PSK (BPSK), utilizando símbolos M=2
  • Quadrature PSK (QPSK), usando símbolos M=4
  • 8PSK, usando símbolos M=8
  • 16PSK, usando símbolos M=16
  • PSK diferencial (DPSK)
  • QPSK diferencial (DQPSK)
  • Offset QPSK (OQPSK)
  • π/4–QPSK
• Teclado de alta frecuencia (FSK)
  • Teclado de frecuencia de audio (AFSK)
  • Teclado multifrecuencia (M-ary FSK o MFSK)
  • Multifrecuencia de doble tono (DTMF)
• Amplificación de teclas (ASK)
• Keying on-off (OOK), la forma ASK más común
  • Modulación de la banda lateral con vestigio M, por ejemplo 8VSB
• Modulación de amplitud de cuadratura (QAM), una combinación de PSK y ASK
  • Modulación polar como QAM una combinación de PSK y ASK
• Métodos de modulación de fase continua (CPM)
  • Teclado mínimo (MSK)
  • Teclado de giro mínimo Gaussiano (GMSK)
  • Cierre continuo en fase de frecuencia (CPFSK)
• Modulación de frecuencia-división ortogonal (OFDM)
  • Discreta multitone (DMT), incluyendo modulación adaptativa y carga de bits
• Modulación de onda
• Modulación codificada Trellis (TCM), también conocida como modulación Trellis
• Técnicas de espectro
  • espectro de secuencia directa (DSSS)
  • espectro de propagación de Chirp (CSS) según IEEE 802.15.4a CSS utiliza codificación pseudoestócástica
  • El espectro de distribución de frecuencias (FHSS) aplica un esquema especial para la liberación del 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 en el tiempo (señalización de respuesta total).

OFDM se basa en la idea de la 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 ayudan a manejar las deficiencias del canal. OFDM se considera una técnica de modulación en lugar de una técnica multiplex, ya que transfiere un flujo de bits a través de un canal de comunicación utilizando una secuencia de los llamados símbolos OFDM. OFDM se puede extender al método de acceso de 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 dando diferentes subportadoras o códigos de difusión 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 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 totalmente 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 de FM y otras, y en ocasiones se utilizan demoduladores QAM para recibir las señales emitidas por estos amplificadores de conmutación.

Reconocimiento automático de modulación digital (ADMR)

El reconocimiento automático de la modulación digital en los sistemas de comunicación inteligente es uno de los temas más importantes en la radio definida por software y la radio cognitiva. De acuerdo con la expansión incremental de los receptores inteligentes, el reconocimiento de modulación automática 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 tales sistemas, hay información adicional para la configuración del sistema, pero considerando los enfoques ciegos en los 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 de la portadora y los desplazamientos de fase, información de temporización, etc., la identificación ciega de la modulación se hace bastante difícil. Esto se vuelve aún más desafiante en escenarios del mundo real con desvanecimiento de trayectos múltiples, canales selectivos de frecuencia y variables en el tiempo.

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

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 a una frecuencia portadora, o para comunicación directa en banda base. Estos últimos métodos involucran códigos de línea relativamente simples, como los que se usan a menudo en los buses locales, y esquemas de señalización de banda base complicados, como los que se usan en DSL.

Métodos de modulación de pulso

Los esquemas de modulación de pulso 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 pulso 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, alguna línea. código. 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 de análisis-sobre-análog

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

Métodos analógicos sobre dígitos

• Modulación de código de pulso (PCM)
  • PCM diferencial (DPCM)
    • Adaptive DPCM (ADPCM)
• Modulación del Delta (DM o Δ-modulación)
  • Modulación del Delta-Sigma (VÉNDICE)
  • Modulación continua de pendiente variable delta (CVSDM), también llamada modulación delta adaptativa (ADM)
• Modulación de densidad de pulso (PDM)

Técnicas de modulación diversas

• El uso de la tecla on-off para transmitir El código Morse en frecuencias de radio se conoce como operación continua de onda (CW).
• Modulación adaptativa
• La modulación espacial es un método por el que las señales se modulan en el espacio aéreo, como el utilizado en los sistemas de aterrizaje de instrumentos.
• El efecto auditivo de microondas ha sido modulado con forma de onda de audio para evocar números hablados comprensibles.