Unidad 3 Modulación

3.1 Técnicas de modulación analógica

Modulación

Es el proceso de modificar una señal de alta frecuencia de acuerdo a una señal de señal de frecuencia baja., Con el objeto de transmitir datos (texto, voz, audio, video). Estas dos señales pasan a través de un dispositivo modulador, resultando en una señal combinada.

La señal de frecuencia baja (7khz-30 kHz) recibe el nombre de señal pasa banda o señal moduladora, la señal de alta frecuencia (3- 30 GHZ), recibe el nombre de frecuencia portadora o simplemente portadora. La señal resultante, después de pasar por el modulador recibe el nombre de señal modulada.

3.1.1 Modulación en amplitud

Modulación en Amplitud

La frecuencia portadora varía su AMPLITUD, de acuerdo a las variaciones en amplitud de la señal moduladora. Lo anterior da como resultado (en la salida del modulador) una señal modulada en amplitud, ver figura.

Señal Modulada en Amplitud (AM).
(La señal modulada muestra variaciones en amplitud de la frecuencia portadora, de acuerdo a la amplitud de la señal moduladora)

3.1.2 Modulación en frecuencia

La frecuencia portadora cambia de acuerdo al signo y a la amplitud de la señal moduladora. La amplitud de la portadora no es afectada (mantiene la misma amplitud de la señal moduladora).

Señal Modulada en Frecuencia (FM).

La señal modulada muestra una variación (modulación en frecuencia de la señal portadora – La amplitud de la portadora no se modifica).

3.2 Técnicas de modulación digital

Técnicas de modulación digital

El término comunicaciones digitales abarca un área extensa de técnicas de comunicaciones, incluyendo transmisión digital y radio digital. La transmisión digital es la transmisión de pulsos digitales, entre dos o más puntos, de un sistema de comunicación.

El radio digital es la transmisión de portadoras analógicas moduladas, en forma digital, entre dos o más puntos de un sistema de comunicación. Los sistemas de transmisión digital requieren de un elemento físico, entre el transmisor y el receptor, como un par de cables metálicos, un cable coaxial, o un cable de fibra óptica. En los sistemas de radio digital, el medio de transmisión es el espacio libreo la atmósfera de la Tierra.

3.2.1 Modulación por desplazamiento de amplitud

Modulación por desplazamiento de amplitud

La modulación por desplazamiento de amplitud, en inglés Amplitude-shift keying (ASK), es una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales como variaciones de amplitud de la onda portadora.

La amplitud de una señal portadora análoga varía conforme a la corriente de bit (modulando la señal), manteniendo la frecuencia y la fase constante. El nivel de amplitud puede ser usado para representar los valores binarios 0s y 1s. Podemos pensar en la señal portadora como un interruptor ON/OFF. En la señal modulada, el valor lógico 0 es representado por la ausencia de una portadora, así que da ON/OFF la operación de pulsación y de ahí el nombre dado.

Como la modulación AM, ASK es también lineal y sensible al ruido atmosférico, distorsiones, condiciones de propagación en rutas diferentes en PSTN, etc. Esto requiere la amplitud de banda excesiva y es por lo tanto un gasto de energía. Tanto los procesos de modulación ASK como los procesos de modulación son relativamente baratos. La técnica ASK también es usada comúnmente para transmitir datos digitales sobre la fibra óptica.

La forma más simple y común de ASK funciona como un interruptor que apaga/enciende la portadora, de tal forma que la presencia de portadora indica un1 binario y su ausencia un 0. Este tipo de modulación por desplazamiento on-off es el utilizado para la transmisión de código Morse por radiofrecuencia, siendo conocido el método como operación en onda continua.

Para ilustrar mejor el tema del interruptor en el modulado ASK se puede ilustrar de la siguiente manera:

·         Señal coseno de amplitud = 0 por lo que en este estado se encontrará en estado 0.

Señal coseno de amplitud = 1 por lo que en este estado se encontrará en estado 1.

3.2.2 modulación por desplazamiento de frecuencia

La Modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK, (Frequency Shift Keying) es una técnica de transmisión digital de información binaria (ceros y unos) utilizando dos frecuencias diferentes. La señal moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde un cero representa un "1" o "marca" y el otro representa el "0" o "espacio".

En la modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del modulador se le llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo (bps).

A la relación de cambio a la salida del modulador se le llama baud-rate. En esencia el baud-rate es la velocidad o cantidad de símbolos por segundo.

En FSK, el bit rate = baud rate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2.

 El módem usa un VCO, que es un oscilador cuya frecuencia varía en función del voltaje aplicado.

3.2.3 modulación por desplazamiento de fase

Modulación por desplazamiento de fase
 
La modulación por desplazamiento de fase o PSK (Phase Shift Keying) es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado. Según el Profesor Doranse Hurtado de la Universidad Tecnológica de Panamá este tipo de modulación es esencial para transmitir diferentes portadoras de diferentes fases.

Dependiendo del número de posibles fases a tomar, recibe diferentes denominaciones. 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 2fases (equivalente a PAM), QPSK con 4 fases (equivalente a QAM), 8-PSK con 8 fases y así sucesivamente. A mayor número de posibles fases, mayor es la cantidad de información que se puede transmitir utilizando el mismo ancho de banda, pero mayor es también su sensibilidad frente a ruidos e interferencias.

3.2.4 modulación de amplitud en cuadratura

Modulación de amplitud en cuadratura

La Modulación de amplitud en cuadratura (conocida también como QAM por las siglas en inglés de Quadrature amplitude modulation) es una técnica que transporta datos, mediante la modulación de la señal portadora, tanto en amplitud como en fase. Esto se consigue modulando una misma portadora, desfasada en 90°. La señal modulada en QAM está compuesta por la suma lineal de dos señales previamente moduladas en Doble Banda Lateral con Portadora Suprimida.

Se asocian a esta tecnología aplicaciones tales como:

Modems telefónicos para velocidades superiores a los 2400bps. 

Transmisión de señales de televisión, microondas, satélite (datos a alta velocidad por canales con ancho de banda restringido). 

Modulación TCM (Trellis Coded Modulation), que consigue velocidades de transmisión muy elevadas combinando la modulación con la codificación de canal. 

Módems ADSL que trabajan en el bucle de abonado, a frecuencias situadas entre 24KHz y 1104KHz, pudiendo obtener velocidades de datos de hasta 9Mbps, modulando en QAM diferentes portadoras. 

3.3 Conversión analógico-digital

Muestreo, cubanización y codificación

Conversión analógico-digital: Muestreo, cubanización y codificación

¿Qué es ANALOGICO y que es DIGITAL?

El término ANALÓGICO en la industria de las telecomunicaciones y el cómputo significa todo aquel proceso entrada/salida cuyos valores son continuos. Algo continuo es todo aquello se puede tomar una infinidad de valores dentro de un cierto límite, superior e inferior.

El término DIGITAL de la misma manera involucra valores de entrada/salida discretos. Algo discreto es algo que puede tomar valores fijos. El caso de las comunicaciones digitales y el cómputo, esos valores son el CERO (0) o el UNO (1) o Bits (BInary DigiTs).

La conversión Analógico-Digital consta de varios procesos:

·         Muestreo

·         Cubanización

·         Codificación

3.4 Códigos de línea

 RZ, NRZ, NRZ-L, AMI, pseudo-ternaria, Manchester, Manchester diferencial, B8ZS, HDB3, entre otros

Códigos de línea: RZ, NRZ, NRZ-L, AMI, pseudo-ternaria, Manchester, Manchester diferencial, B8ZS, HDB3, entre otros

NRZ

Se pueden utilizan los código NonRetourn to Zero Level (NRZ-L), de los cuales los más empleados son el unipolar y el bipolar.

RZ

Se emplea el RZ (Retourn to Zero) polar. En este caso se tiene tensión positiva en una parte de la duración de un 1 lógico, y cero tensión durante el resto del tiempo. Para un 0 lógico se tiene tensión negativa parte del tiempo y el resto del tiempo del pulso la tensión es cero.

RZ Polar

Este código si es autosincronizante debido a que en reloj (clock) del receptor queda sincronizado por la cadencia de los pulsos que llegan del transmisor puesto que todos los bits tienen una transición, esto permite identificar a cada bit en una larga cadena de unos o ceros.

RZ Bipolar

A la ventaja de ser autosincronizante se le contrapone el hecho de requerir mayor ancho de banda, pues los pulsos son de menor duración que en otros códigos, por ejemplo NRZ, lo cual es una gran desventaja.

Código Manchester

En este código siempre hay una transición en la mitad del intervalo de duración de los bits. Cada transición positiva representa un 1 y cada transición negativa representa un 0.

Cuando se tienen bits iguales y consecutivos se produce una transición en el inicio del segundo bit la cual no es tenida en cuenta en el receptor al momento de decodificar, solo las transiciones separadas uniformemente en el tiempo son las que son consideradas por el receptor.

En está codificación no se tienen en cuanta los niveles de tensión sino que solo se consideran las transiciones positivas y negativas.

Esta técnica posibilita una transición por bit, lo cual permite autosincronismo.

Se puede eliminar la componente continua si se emplean valores positivos y negativos para representar los niveles de la señal.

Código Manchester diferencial

Durante la codificación todos los bits tienen una transición en la mitad del intervalo de duración de los mismos, pero solo los ceros tienen además una transición en el inicio del intervalo.

En la decodificación se detecta el estado de cada intervalo y se lo compara con el estado del intervalo anterior. Si ocurrió un cambio de la señal se decodifica un 1 en caso contrario se decodifica un 0.

El código Manchester diferencial tiene las mismas ventajas de los códigos Manchester con la adición de las ventajas derivadas de la utilización de una aproximación diferencial.

Código HDB3

Este es un sistema de codificación utilizado en Europa, Asia y Sudamérica. La denominación HDB3 proviene del nombre en inglés High Density Bipolar-3 Zerosque puede traducirse como código de alta densidad bipolar de 3 ceros.

En el mismo un 1 se representa con polaridad alternada mientras que un 0 toma el valor 0. Este tipo de señal no tiene componente continua ni de bajas frecuencias pero presenta el inconveniente que cuando aparece una larga cadena de ceros se puede perder el sincronismo al no poder distinguir un bit de los adyacentes.

3.5 Módem estándares y protocolos

ESTÁNDARES

·         Son recomendaciones estándares para la operación de los módems, han sido establecidas por varias organizaciones y corporaciones.

·         Los estándares cubren la modulación y técnica de transmisión, usados por los módems así como otros elementos de su operación.

·         Hasta la mitad de los 80's todos los módems en Estados Unidos usaban técnicas de modulación basados en estándares de los laboratorios Bell con velocidades de 300 hasta 1200 bps. Estos son conocidos como Bell103 y Bell 212A, respectivamente.

·         Estos módems trabajan bien dentro de Estados Unidos. Otros países como Europa por instancia, usan diferentes estándares. El estándar internacional es llamado ITU-T, International Telecommunications Unión-Telecommunications Sector (antes conocido como CCITT Comité Consultivo Internacional de Telegrafía y Telefonía).

·         Sumado a los estándares de velocidad, existen también estándares para verificación, errores y compresión de datos.

·         A continuación se muestra una lista de los estándares de facto e internacionales con sus características operacional

ü  V.22. Proporciona 1200 bits por segundo a 600 baudios (cambios de estado por segundo).

ü  V.22bis. El primer estándar mundial verdadero, permite 2400 bits por segundo a 600 baudios.

ü  V.32. Proporciona 4800 y 9600 bits por segundo a 2400 baudios.

ü  V.32bis. Proporciona 14,400 bits por segundo o baja a 12,000, 9600, 7200, y 4800 bits por segundo.

ü  V.32terbo.. Proporciona 19,200 bits por segundo o baja a 12,000, 9600, 7200, y 4800 bits por segundo; puede operar a mayores tasas de transmisión de datos con compresión, no fue estándar de CCITT/ITU.

ü  V.34.Proporciona 28,800 bits por segundo o baja a 24,000 y 19,200 bits por segundo y compatibilidad hacia atrás con V.32 y V.32bis.

ü  V.34bis. Proporciona hasta 33,600 bits por segundo o baja a tasas de transferencia de 31,200 o V.34.

ü  V.35. Interfaz troncal de paquetes entre un dispositivo de acceso a una red y una red a tasas de transmisión de datos mayores a 19.2 Kbps. El V.35 puede usar los anchos de banda de varios circuitos telefónicos como grupo. Existen Transformadores de Género y Adaptadores V.35.

ü  V.42. La misma tasa de transferencia que V.32, V.32bis y otros estándares pero con mejor corrección de errores y por tanto más fidedigno.

ü  V.90. Proporciona hasta 56,000 bits por segundo corriente abajo (pero algo menos en la práctica). Derivado de la tecnología x2 de 3Com (US Robotics) y la tecnología K56flex de Rockwell.

PROTOCOLOS.

Los Protocolos en un ambiente de comunicación de datos sirven para dirigir la trasferencia de información entre dos entidades de comunicación. Para ambiente MAINFRAME,redes locales o servicios públicos son las redes de paquetes, se usan los módem protocolos , para dirigir el flujo de mensajes entre las maquinas en conversación. Para dirigir el intercambio de mensajes entre PCs independientemente, usando circuitos telefónicos. Estos protocolos garantizan la transmisión y recepción de estos mensajes de forma segura y ordenada.

Protocolos más Utilizados:

1.       XMODEM : Referenciado con CHECKSUN . Envía bloques de 128 bytes , uno es de CHECK (verifica).

2.        

3.       XMODEM _ CRC : Envía bloques de 128 bytes , con dos bytes de CRC (Cyclic Redundancy Checking - Rutina de verificación de Errores) .

4.       XMODEM 1K : Envía bloques de 1K con dos bytes de verificación CRC.

5.       YMODEM batch : Envía bloques de 1024b bytes con dos bytes CRC. Hace la verificación de cada bloque trasmitido y envía fin de transmisión y repite el proceso en el próximo archivo .

6.       YMODEM G : Protocolo "Streaming " donde los módem tienen su propio protocolo de corrección. Si un archivo es enviado y errores son detectados , la transferencia es interrumpida.

7.       ZMODEM : Protocolo " Full Streaming" que permite detección y corrección de errores . Rápido y confiable , indicado para líneas deficientes.

8.       SEALINK : Protocolo " Full Duplex" derivado del padrón XMODEM.

9.       KERMIT : Posee la excepcional características de integrar varios tipos de computadores (PCs y Mainframe). Gobierna la trasferencia de informaciones de sistemas con caracteres de 7 bits. No es recomendable para transferencias entre PCs.

10.   COMPUSERVE :Su módem protocolo privado es : B Y QUICKB.

11.   WINDOWED Y XMODEM : Usado a través de redes de conmutación de paquetes como TYMNET y TELENET .

12.   TELINK : Usado para transferencia "multi-file " con servicio de correo electrónico FIDONET.

13.   MODEM7 : Comunicación con sistemas CP/M .