3.3.2 Señales analógicas, datos digitales.
Dentro de este caso, la situación más conocida es la transmisión de datos digitales a través de la red telefónica. Esta red se diseñó originalmente para recibir, conmutar y transmitir señales analógicas en el rango de frecuencias de vos (300 a 3400Hz). Por lo tanto, esta red no era del todo adecuada para la transmisión de señales digitales. No obstante, se pueden conectar dispositivos digitales mediante el uso de módems (modulador-demodulador), los cuales convierten los datos digitales en señales analógicas y viceversa.
Los módems telefónicos, se utilizan en la red telefónica para producir señales en el rango de frecuencias de voz, los módems de banda ancha, por ejemplo, los módems ADSL y los módems de cable o cablemódems, utilizan las mismas técnicas, pero a frecuencias más altas que las de la voz humana.
Dentro del grupo de transmisiones con señales de transmisión analógicas y datos digitales tenemos los siguientes casos de técnicas de modulación o codificación, dependiendo del parámetro de la señal portadora que es afectado.
- Desplazamiento de amplitud ASK (Amplitudes-shift keying).
- Desplazamiento de frecuencia FSK (Frequency-shift keying).
- Desplazamiento de fase PSK (Phase-shift keying).
ASK - Desplazamiento de amplitud
ASK (Amplitudes-shift keying), es una modulación de amplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dos amplitudes sea cero; es decir, uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa mediante la ausencia de la señal portadora.
| En este caso la señal moduladora vale: |  |
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| Mientras que el valor de la señal de transmisión (señal portadora) es dado por: |  |
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Donde  es el valor pico de la señal portadora y es la frecuencia de la señal portadora. |
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| Como es una modulación de amplitud, la señal modulada tiene la siguiente expresión: |  |
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Como ya vimos, la en señal moduladora al ser una señal digital toma únicamente los valores 0 y 1. |
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| Con lo cual la señal modulada resulta: | |
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| La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera: Debido a que la señal moduladora es una secuencia periódica de pulsos, su espectro de frecuencias obtenido por medio del desarrollo en serie compleja de Fourier tiene la característica de la función sen x/x.
Este caso es similar a la modulación de amplitud para señales analógicas, o sea que se produce un desplazamiento de frecuencias, que en este caso traslada todo el espectro de frecuencias representativo de la secuencia de pulsos periódicos.
Por lo tanto, concluimos que el ancho de banda necesario para esta transmisión es mayor que el requerido para modulación de amplitud, debido a que la cantidad de señales de frecuencias significativas (las del primer tramo) que contiene el espectro, dependiendo dicha cantidad de la relación entre el período y el tiempo de duración de los pulsos. ASK es sensible a cambios repentinos de la ganancia, además, es una técnica de modulación ineficaz. La técnica ASK se utiliza para la transmisión de datos digitales en fibras ópticas, en los transmisores con LED, la expresión de la señal modulada sigue siendo válida. Es decir, un elemento de señal se representa mediante un pulso de luz, mientras que el otro se representa mediante la ausencia de luz. Los transmisores láser tienen normalmente un valor de desplazamiento, "bias", que hace que el dispositivo emita una señal de alta intensidad para representar un elemento y una señal de menor amplitud para representar al otro. |
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FSK - Desplazamiento de frecuencia
FSK (Frequency-shift keying), es una modulación de frecuencia donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos frecuencias diferentes próximas a la frecuencia de la señal portadora  |
Generalmente
El índice de modulación tiene gran incidencia en la señal modulada y determina los dos tipos fundamentales de FSK. |
| FSK de banda reducida o banda angosta |
Si el índice de modulación es pequeño, (esto significa que la variación de frecuencia de la señal modulada produce una diferencia de fase menor que ) , se tiene modulación de frecuencia en banda angosta y su espectro de frecuencias es similar al de ASK. La única diferencia es que en este caso, la amplitud de las armónicas se ve afectada por la frecuencia, o sea, se tiene una pequeña modulación de amplitud, superpuesta a la FSK.
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| FSK de banda ancha |
| Las ventajas de FSK sobre ASK se hacen notables cuando el índice de modulación es grande, es decir .
Con esta condición se aumenta la protección contra el ruido y las interferencias, obteniendo un comportamiento más eficiente respecto a ASK, puesto que en este caso la pequeña modulación de amplitud mencionada en el caso de FSK de banda angosta, se hace despreciable. La desventaja es que es necesario un mayor ancho de banda, debido a la mayor cantidad de bandas laterales (un par por cada armónica). |
| PSK - Desplazamiento de fase |
PSK (Phase-shift keying), es una modulación de fase donde la señal moduladora (datos) es digital. |
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Existen dos alternativas de modulación PSK: PSK convencional, donde se tienen en cuenta los desplazamientos de fase y PSK diferencial, en la cual se consideran las transiciones. Las consideraciones que siguen a continuación son válidas para ambos casos.
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En PSK el valor de la señal moduladora está dado por: |
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Mientras que la señal portadora vale: |
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En donde |
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La modulación PSK está caracterizada por: |
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O sea: |
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Luego para |
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y para |
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| Entre las dos últimas expresiones de v(t), existe una diferencia de fase de 180º, y la señal varía entre dos fases, es por ello que se denomina 2PSK.
Al sistema modulador de 2PSK se le suele comparar con una llave electrónica controlada por la señal moduladora, la cual conmuta entre la señal portadora y su versión desfasada 180º.
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| Esquema para 2 PSK | |||||||||||||||||||||||
| El radio de la circunferencia es igual a 1 y representa la amplitud normalizada de la portadora. En el sistema PSK convencional es necesario tener una portadora en el receptor para sincronización, o usar un código autosincronizante, por esta razón surge la necesidad de un sistema PSK diferencial. Es diferencial puesto que la información no está contenida en la fase absoluta, sino en las transiciones. La referencia de fase se toma del intervalo inmediato anterior, con lo que el detector decodifica la información digital basándose en diferencias relativas de fase. |
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| Modulación MPSK (Multi-PSK) | |||||||||||||||||||||||
Si recordamos que la velocidad de transmisión está dada por: |
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En este sistema la fase de la señal portadora puede tomar secuencialmente N valores posibles separados entre sí por un ángulo definido por:
Dado que la cadencia de una transmisión de datos binarios está dada por la cantidad de veces que una señal cambia de nivel, observaremos cómo podemos enviar dos unidades de información (dos bits), mediante un solo cambio de nivel. Tengamos la siguiente secuencia de bits:
Si a los bits de la cadena de información los tomamos de a dos, tendremos: 10 | 11 | 01 | 00 | 10 | 01 O sea que al tomar los bits de a dos de una señal binaria unipolar, hay sólo cuatro combinaciones a la cuales se las denomina dibits.
Si a cada par de bits, le asignamos diferentes niveles o amplitudes de señal, se obtiene la siguiente tabla:
Este tipo de señales son las que se emplean en MPSK. Para el caso particular de N = 4, se tiene 4PSK o QPSK. Como la señal portadora toma 4 valores posibles, se deberán producir 4 desplazamientos de fase que nos proveerán 4 fases distintas, correspondiendo cada uno de ellos a un dibit diferente. Para este caso, gráficamente tendremos los siguientes desplazamientos de fase:
Al aumentar N estamos incrementando la velocidad de transmisión para el mismo ancho de banda, puesto que no hemos aumentado la velocidad de modulación.
En consecuencia, para la misma velocidad de transmisión |
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