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2014 MODULACIÓN DIGITAL

Alarcón Cubas, Flor Ruiz Quiroz, Claudia Vallejos Sandoval, Rogger

20/03/2014

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO Facultad de ingeniería civil, sistemas y arquitectura

Ing. De Sistemas

SISTEMA DE COMUNICACIÓN DE DATOS

INTRODUCCION Gracias a las facilidades que aporta la informática al tratamiento automatizado de datos, el uso de sistemas informáticos se ha extendido prácticamente a la totalidad de los campos del desarrollo profesional. Entre las ventajas que introduce la informática destacan el incremento de la velocidad en el tratamiento de los datos, y el gran volumen de información que puede ser manejada. Pero este presente uso en el ámbito profesional, hace necesaria la introducción de mecanismos que permitan comunicar entre sí los distintos sistemas informáticos. Por ello, paralelamente al desarrollo ha venido generándose un mayor interés en la creación de sistemas orientados a la transmisión de información digital. Existen dos formas de transmitir una señal digital: 

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La primera consiste en transmitir directamente la señal a través del canal sin efectuar ningún tipo de modulación. Cuando esto ocurre se dice que la transmisión se realiza en banda base. La segunda forma consiste en modular la señal con alguna técnica de modulación digital antes de ser transmitida, recibe el nombre de transmisión en banda ancha.

Básicamente, modular consistirá en convertir una señal digital en una analógica que ira variando su amplitud, frecuencia, fase o bien amplitud y fase conjuntamente, según los valores que vaya tomando la señal digital de información. De esta manera, aparecen distintas técnicas de modulación de señales digitales según el tipo de modulación empleado. Conviene también destacar las ventajas que introduce el uso de las señales digitales en lugar de las señales analógicas:  

La facilidad en el tratamiento de la información digital. Posibilidad de introducir mecanismos que permitan la detección y corrección de posibles errores ocurridos durante la transmisión.

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MODULACION DIGITAL Es un proceso mediante el cual se trasforman los símbolos digitales en forma de onda adecuadas para la transmisión sobre un canal de comunicación. La función de una modulación digital es convertir los bits en señales adecuadas para su transmisión.

CARACTERÍSTICAS DE LA MODULACIÓN DIGITAL Filtrado del canal: Una particularidad del espectro en la transmisión digital es que en un instante de tiempo todo el espectro transmitido le corresponde al mismo bit (canal de información). El espectro de la señal digital antes del modulador es recortado mediante un filtro pasabajos; luego del modulador se filtra mediante un filtro pasabanda.

Modulación Coherente: Donde no ocurre variación de fase de la portadora para dígitos del mismo valor. Si la fase de la señal permanece, es decir no se

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experimenta un cambio brusco de ésta, el método se denomina Modulación de Frecuencia Coherente.

Modulación No Coherente: Donde puede ocurrir variación de fase de la portadora para dígitos del mismo valor.

VENTAJAS DE LA MODULACIÓN DIGITAL - Inmunidad frente al ruido. - Fácil de multiplicar. - Codificado, encriptación. - Modulación-Demodulación con DSPs.

TIPOS DE MODULACION DIGITAL 

MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE AMPLITUD (ASK)

Amplitude Shift Keying (ASK), también conocida como OOK (On-Off Keying), es una técnica de modulación digital en la que la información se encuentra modulada en amplitud. Así pues, ASK no es más que un caso particular de modulación AM.

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Es una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales como variaciones de amplitud de la onda portadora en función de los datos a enviar. Como la modulación AM, ASK es también lineal y sensible al ruido atmosférico, distorsiones, condiciones de propagación en rutas diferentes en la PSTN, entre otros factores. Esto requiere una amplitud de banda excesiva y es por lo tanto un gasto de energía. Tanto los procesos de modulación ASK como los procesos de demodulación son relativamente baratos. La técnica ASK también es usada comúnmente para transmitir datos digitales sobre la fibra óptica. 

MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA (FSK)

Frecuency Shift Keying (FSK) o también llamada Binary Frequency Shift Keying (BFSK), es otra técnica de modulación digital en la que la información, como su propio nombre indica, se encuentra modulada en frecuencia. FSK es simplemente un caso particular de modulación FM.

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El FSK binario es una Forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua

El módem usa un VCO, que es un oscilador cuya frecuencia varía en función del voltaje aplicado. El que la amplitud de la señal modulada sea constante y que la información se codifique con valores de frecuencia, hace que la señal FSK sea casi inmune al ruido aditivo del canal, dado que éste afecta sobre todo a la amplitud. A la modulación FSK no le afecta el ruido aditivo del canal, dado que la señal modulada codifica la información con los cambios de frecuencia, es decir, el receptor sólo tiene que contar el número de cruces por cero de la señal que recibe. Por tanto, suprime el ruido simplemente recortando la amplitud de la señal FSK, sin que ello afecte a la información.

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MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE FASE (PSK)

Phase Shift Keying (PSK) o también llamada Binary Phase Shift Keying (BPSK), es una técnica de modulación digital en la que la información se va a modular en fase, es decir, dependiendo de los valores de entrada digital, la señal analógica modulada va a tener una u otra fase de salida.

La gran ventaja de las modulaciones PSK es que la potencia de todos los símbolos es la misma, por lo que se simplifica el diseño de los amplificadores y etapas receptoras lo que significa reducción de costos, dado que la potencia de la fuente es constante.

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Dado que lo más común es codificar un número entero de bits por cada símbolo, el número de fases a tomar es una potencia de dos. Así tendremos BPSK con 2 fases (equivalente a PAM), QPSK con 4 fases (equivalente a QAM), 8-PSK con 8 fases y así sucesivamente. Las modulaciones BPSK y QPSK, derivadas de la modulación por desplazamiento de fase, son óptimas desde el punto de vista de protección frente a errores. En esencia, la diferencia entre distintos símbolos asociados a cada fase es máxima para la potencia y ancho de banda utilizados. No pasa lo mismo con otras variantes tales como la PSK de 8 niveles (8-PSK), la de 16 (16-PSK) o superiores, para las cuales existen otros esquemas de modulación digital más eficientes. Existen 2 alternativas de modulación PSK: PSK convencional, donde se tienen en cuenta los desplazamientos de fase, y PSK diferencial (DPSK), en la cual se consideran las diferencias entre un salto de fase y el anterior.

APLICACIONES PSK es una modulación ampliamente extendida. El estándar de red LAN inalámbrica, IEEE 802.11b-1999, usa una variedad de diferentes modulaciones PSK, dependiendo de la velocidad de transmisión. 

1Mbps usa DBPSK (BPSK diferencial),

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2Mbps emplea DQPSK

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5,5Mbps y 11Mbps, usa QPSK,

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El estándar IEEE 802.11g-2003, para LANs inalámbricas de alta velocidad, tiene 8 tasas de velocidad de datos: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. Los modos de 6 y 9 Mbps usan modulación OFDM con subportadoras que son moduladas con BPSK y OFDM con QPSK para 12 y 18Mbps. Los cuatro modos más rápidos usan la modulación OFDM con diversas formas de QAM. Por su simplicidad, la modulación BPSK es utilizada para transmisores pasivos de bajo coste y es utilizada en estándares RFID como el ISO 14443, que se ha adoptado en pasaportes biométricos o tarjetas de crédito, además de otras muchas aplicaciones. La norma Bluetooth 2.0 usa la modulación π/4 -DQPSK para su mínima velocidad de 2 Mbit/s y a la máxima, que es de 3 Mbps usa 8-DPSK cuando el enlace entre dos dispositivos sea robusto. En el Bluetooth 1 se usa la modulación de desplazamiento mínimo gaussiano, un esquema binario, así que cualquiera de las opciones de modulación en la versión 2 dará lugar a una mayor velocidad de datos.

COMPARACION DE TECNICAS DE MODULACION DIGITAL A) Capacidad de Transmisión Un primer criterio va a ser la capacidad de transmisión de cada una de estas técnicas a través de un canal con un ancho de banda determinado, es decir, la máxima velocidad a la que se podrá transmitir un mensaje por ese canal. Una de las desventajas de la modulación FSK respecto de las demás técnicas de modulación es el hecho de que el ancho de banda mínimo necesario para transmitirla sea considerablemente mayor que el de las restantes técnicas. Una técnica de modulación será más eficiente cuanto mayor sea su eficiencia del ancho de banda. Esta eficiencia se puede entender de manera que cuanto

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mayor sea la velocidad en bps mayor será la eficiencia del canal ya que por este se transmite mayor cantidad de información en un mismo tiempo empleado.

B) Inmunidad al Ruido Otro criterio empleado para comprobar las distintas técnicas de modulación digital, va a ser la inmunidad que presentan frente al ruido. PSK es la que presenta un mejor comportamiento frente al ruido, y a su vez FSK es más inmune al ruido que ASK. Si tenemos dos señales moduladas una ASK y otra PSK, y queremos que la probabilidad de error en las dos sea igual, la potencia que debemos suministrar a la señal ASK debe ser cuatro veces mayor que la suministrada a la señal PSK. Entonces si PSK presenta mayor inmunidad al ruido que FSK y ASK, cabría preguntarse por qué no se usaría siempre la modulación PSK. Recordemos que las señales ASK y FSK se pueden demodular tanto en detección síncrona como por detección de envolvente. Por el contrario, la señal de PSK al tener una envolvente constante requiere forzosamente la detección síncrona. Lo que ocurre es que los sistemas de detección de envolvente son más baratos, económicamente, que los de detección síncrona ya que estos últimos necesitan un circuito que recupere la señal portadora a partir de la señal recibida. Así pues, a la hora de elegir la técnica de modulación de nuestro sistema, habrá que sopesar entre elegir un sistema de menos coste (ASK, FSK) o el óptimo sistema en presencia de ruido (PSK). Los sistemas ASK no son comúnmente utilizados, mientras que el uso de sistemas FSK suele estar restringido a módems de bajo rendimiento y bajo

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coste, para la comunicación de datos a través de la banda de voz de la línea telefónica. Comparando entre sí los sistemas DPSK y PSK, comprobamos que la ventaja que presenta la modulación DPSK frente a PSK es la simplicidad con la que puede ser implementada, por no precisar un circuito recuperador de la portadora en el receptor para poder realizar la demodulación. Por el contrario su desventaja es que requiere una relación señal-ruido (SNR) entre 1 y 3 dB mayor que la modulación PSK para conseguir la misma probabilidad de error en un bit (BER = bit error rate) -PSK es más inmune al ruido que DPSK-.

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