Modulacion
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Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una
onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor
aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma
simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. Según la
American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso, o el resultado
del proceso, de variar una característica de una onda portadora de acuerdo con una señal que
transporta información. El propósito de la modulación es sobreponer señales en las ondas
portadoras.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de
valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos
transmitir.
Frecuencia portadora
Una señal portadora es una onda eléctrica modificada en alguno de sus parámetros por la señal de
información (sonido, imagen o datos) y que se transporta por el canal de comunicaciones.
El uso de una onda portadora también soluciona muchos otros problemas de circuito, antena,
propagación y ruido. Por ello, una antena práctica debe tener un tamaño aproximado al de la
longitud de onda de la onda electromagnética de la señal que se va a transmitir. Si las ondas de
sonido se difundieran directamente en forma de señales electromagnéticas , la antena tendría que
tener más de un kilómetro de altura. Usando frecuencias mucho más altas para la portadora, el
tamaño de la antena se reduce significativamente porque las frecuencias más altas tienen
longitudes de ondas más cortas.1
Una emisora de radio AM normalmente tiene una serie de letras asociadas: por ejemplo, KPBS. Sin
embargo, una forma más práctica de referirse a una emisora de radio es por su frecuencia
portadora, como 101.1 MHZ, que es la frecuencia con la que se debe sintonizar la radio. En el caso
de las FM, la frecuencia portadora es de 87 a 108 MHZ. El uso de frecuencias portadoras en las FM
ha añadido complejidad en cuanto que la frecuencia portadora cambia con el salto de frecuencia o
la secuencia de chipping directa para que la señal sea más inmune a la interferencia y el ruido. El
chipping es el proceso consistente en convertir cada bit de datos en una cadena de chips
expandida denominada secuencia de chipping. Es el mecanismo que permite a los dispositivos
inalámbricos leer datos cuando se pierden porciones de señal.1
El proceso de recuperar la información de las ondas portadoras se denomina desmodulación. En
esencia, es invertir los pasos utilizados para modular los datos. En general, a medida que los
esquemas de transmisión o modulación(compresión) se hacen más complejos y la velocidad de
transmisión de datos aumenta, la inmunidad al ruido se reduce y la cobertura disminuye.
Técnicas de modulación básicas
Uno de los objetivos de las comunicaciones es utilizar una frecuencia portadora como frecuencia
básica de una comunicación, pero modificándola siguiendo un proceso denominado modulación
para codificar la información en la onda portadora.1
Las formas básicas de Modulación Analógica son:
Amplitud
Modulación en Amplitud - Doble banda lateral con portadora - AM
Doble banda lateral sin portadora - DBL-SP
Banda lateral única - BLU
Angular
Modulación en Frecuencia - FM
Modulación en Fase - PM
Modulación Analógica[editar]
Las tres técnicas de modulación básica son:
Modulación de la amplitud (AM o amplitud modulada).
Modulación de la frecuencia (FM o frecuencia modulada).
Modulación de la fase (PM o fase modulada).
La mayoría de los sistemas de comunicación utilizan alguna de estas tres técnicas de modulación
básicas, o una combinación de ellas.
Modulación Digital[editar]
Los siguientes son algunos de casos extremos de estas técnicas:1
Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying)
Desactiva la amplitud durante toda la trayectoria
Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK,Frecuency Shift Keying)
Salta a una frecuencia extrema.
Modulación por desplazamiento de fase (PSK, Phase Shift Keying)
Desplaza la fase 180 grados.
– Señales portadoras: es una forma de onda, que es modulada por una señal que se quiere
transmitir.
Esta onda portadora es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal moduladora.
Al modular una señal desplazamos su contenido en frecuencia, ocupando un cierto ancho de
banda alrededor de la frecuencia de la onda portadora, permitiéndonos multiplexar en frecuencia
varias señales simplemente utilizando diferentes ondas portadoras y conseguir así un uso más
eficiente.
Otra ventaja es la mayor facilidad en la transmisión de la información. Resulta más barato
transmitir una señal de frecuencia alta (como es la modulada) y el alcance es mayor.
En comunicaciones de radio, la longitud de onda (λ), expresada en metros, de la señal se
relaciona con la frecuencia (f), en MHz de acuerdo con la expresión:
Así, por ejemplo, para transmitir una señal de 30 MHz necesitaríamos una antena de varios
kilómetros.
Las ondas portadoras son usadas cuando se transmiten señales de radio a un radiorreceptor.
Tanto las señales de modulación de amplitud (AM) como las de frecuencia modulada (FM) son
transmitidas con la ayuda de frecuencias portadoras.
– Señal moduladora: es la señal que contiene la información a transmitir.
La modulacion es la adición de informacion a una señal electrónica u óptica de transmisión
principal pudiendo ser aplicada desde una corriente directa como onda principal (apagándola y
encendiéndola), a una corriente alterna y a señales ópticas como las usadas en fibra óptica.
– Las señales moduladas que se pueden obtener son:
– Modulación de amplitud: consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de forma
que ésta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la
información que se va a transmitir.
La AM es usada en la radiofonía, en las ondas medias y en las ondas cortas. Permite llegar a
más lugares, pero con una calidad de sonido menor.
– Modulación de frecuencia: es una modulación angular que transmite información a través
de una onda portadora variando su frecuencia.
La FM permite llegar a menos sitios, pero con menor nitidez de sonido.
– Modulación de fase (PM): Es el caso de modulación donde tanto las señales de transmisión
como las señales de datos son analógicas. Es un tipo de modulación exponencial al igual que la
modulación de frecuencia. Se caracteriza porque la fase de la onda portadora varía directamente
de acuerdo con la señal modulada.
QUE ES UN OPAMP
Los amplificadores operacionales, también llamados Op Amp por sus siglas en inglés, son
dispositivos electrónicos capaces de realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito
electrónico , dependiendo de la como se coloque dentro del mismo.
El amplificador operacional posee 5 patas, las cuales poseen distintas funciones:
Terminal Descripción
– input Entrada Inversora
+ input Entrada no inversora
Output Salida
+Vss Alimentación Positiva
-Vss Alimentación Negativa
En los amplificadores operacionales se cumplen algunas condiciones:
La impedancia entre las entradas inversora y no inversora es infinita, por lo que no hay corriente
de entrada.
La diferencia de potencial entre las terminales inversora y no inversora es, o debe ser nula.
No hay corriente entrando o saliendo de las patas inversora y no inversora.
Con dichas condiciones basta para conocer el funcionamiento de los amplificadores operacionales.
El símbolo del amplificador operacional es el de un triángulo en cuya base de colocan las patas
inversora y no inversora. En el vértice superior se coloca la salida.
En los lados del triángulo se colocan las entradas del voltaje que se necesita para hacer efectiva la
amplificación.
Como su nombre lo indica, el amplificador operacional es un dispositivo que puede aumentar
cualquier tipo de señal, sea de voltaje o de corriente, de corriente alterna o de corriente directa.
El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene capacidad de
manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene además
límites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltio (especificacion
también definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales se caracterizan por su
entrada diferencial y una ganancia muy alta, generalmente mayor que 105 equivalentes a 100dB.
El A.O es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con
fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por
debajo de tierra (o el punto de referencia que se considere).
El nombre de Amplificador Operacional proviene de una de las utilidades básicas de este, como lo
son realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos (características operativas).
El Amplificador Operacional ideal se caracteriza por:
1. Resistencia de entrada,(Ren), tiende a infinito.
2. Resistencia de salida, (Ro), tiende a cero.
3. Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a infinito
4. Ancho de banda (BW) tiende a infinito.
5. vo = 0 cuando v+ = v-
Ya que la resistencia de entrada, Ren, es infinita, la corriente en cada entrada, inversora y no
inversora, es cero. Además el hecho de que la ganancia de lazo abierto sea infinita hace que la
tensión entre las dos terminales sea cero, como se muestra a continuación:
CIRCUITO TANQUE
Un circuito tanque es un circuito electrónico utilizado en muchas aplicaciones, incluyendo
osciladores, aparatos de radio y televisión. En su forma más básica, el circuito se compone de sólo
dos componentes electrónicos, a saber, un condensador y un inductor (una bobina). En la
aplicación real, a diferencia de un diseño teórico, otros componentes entran en juego que afectan
al funcionamiento del circuito. Estos incluyen una carga resistiva y una fuente de corriente alterna.
Cuando se da a la señal la estructura adecuada para llegar hasta el receptor, se necesita un
elemento que realice las funciones de interfaz entre el sistema emisor o receptor y el medio por el
que se propagan las ondas. Esto será la antena, que se considera como un transductor de energía
eléctrica en electromagnética, o viceversa.
El principio de una antena se basa en la asociación en paralelo de un condensador y una bobina,
conocido como circuito resonante o circuito tanque.
En esta asociación, la energía aplicada se almacena en el condensador que crea un campo
eléctrico entre sus armaduras. Después, el condensador se descargará a través de la bobina,
creando un campo magnético. Estos dos campos serán portadores de la señal.
CIRCUITO TANQUE
El campo eléctrico está encerrado entre las armaduras del condensador, y en el campo
magnético se encuentra concentrado en las proximidades del eje de la bobina.
Una antena es como un circuito tanque al que se le han separado las armaduras del condensador y
se ha estirado el hilo de la bobina. El resultado será un hilo recto en cuyos extremos se sitúan las
placas del condensador. Cuando se le aplica una señal eléctrica, la corriente atraviesa este cable
provocando un campo magnético, que será coaxial respecto al eje del conductor, mientras que las
líneas de campo eléctrico unen sus extremos. Estos dos campos se propagan de forma
perpendicular entre sí.
Las direcciones de propagación serán aquellas en las que existen los campos, es decir, la máxima
propagación se produce en la dirección perpendicular a la antena, decreciendo a medida que nos
alejamos de ella, hasta llegar a un nulo en la dirección del eje de la antena.
La cantidad de energía transferida dependerá de la frecuencia, a la cual se producirá la máxima
radiación. Esta frecuencia de resonancia dependerá directamente de la longitud de la antena.
No existen diferencias importantes entre una antena emisora y una receptora, ya que el principio
de transformación es reversible. Las diferencias reales se deben a que para emitir señales, la
antena deberá estar construida con materiales de suficiente grosor para poder disipar la potencia
que se le aplique.
Frecuencia modulada
Una señal moduladora (la primera) puede transmitirse modulando una onda portadora en AM (la
segunda) o FM (la tercera), entre otras.
La modulación de frecuencia,1 2 o frecuencia modulada (FM),3 es una técnica de modulación que
permite transmitir información a través de una onda portadora variando su frecuencia. En
aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor
instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de
la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación conocida como
modulación por desplazamiento de frecuencia.
La modulación de frecuencia es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia
por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla. El sonido de la televisión analógica
también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para
comunicaciones de voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado
en la radiodifusión FM es generalmente llamado amplia-FM o W-FM (de la siglas en inglés "Wide-
FM"). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (de la siglas en inglés "Narrow-FM") es
utilizada para ahorrar ancho de banda. Además, se utiliza para enviar señales al espacio.
La modulación de frecuencia también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los
sistemas de vídeo analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la
señal de video. La modulación de frecuencia es el único método factible para la grabación de video
y para recuperar de la cinta magnética sin la distorsión extrema, como las señales de vídeo con
una gran variedad de componentes de frecuencia - de unos pocos hercios a varios megahercios,
siendo también demasiado amplia para trabajar con equalisers con la deuda al ruido electrónico
debajo de -60 dB. La FM también mantiene la cinta en el nivel de saturación, y, por tanto, actúa
como una forma de reducción de ruido del audio, y un simple corrector puede enmascarar
variaciones en la salida de la reproducción, y que la captura del efecto de FM elimina a través de
impresión y pre-eco. Un piloto de tono continuo, si se añade a la señal - que se hizo en V2000 o
video 2000 y muchos formatos de alta banda - puede mantener el temblor mecánico bajo control
y ayudar al tiempo de corrección.
Dentro de los avances más importantes que se presentan en las comunicaciones, la mejora de un
sistema de transmisión y recepción en características como la relación señal – ruido, sin duda es
uno de los más importantes, pues permite una mayor seguridad en las mismas. Es así como el
paso de modulación de amplitud (AM), a la modulación de frecuencia (FM), establece un
importante avance no solo en el mejoramiento que presenta la relación señal ruido, sino también
en la mayor resistencia al efecto del desvanecimiento y a la interferencia, tan comunes en AM.
La modulación de frecuencia también se utiliza en las frecuencias de audio para sintetizar sonido.
Está técnica, conocida como síntesis FM, fue popularizada a principios de los sintetizadores
digitales y se convirtió en una característica estándar para varias generaciones de tarjetas de
sonido de computadoras personales.
Aplicaciones en radio
Dentro de las aplicaciones de FM se encuentra la radio, en donde los receptores emplean un
detector de FM y el sintonizador es capaz de recibir la señal más fuerte de las que transmiten en la
misma frecuencia. Otra de las características que presenta FM, es la de poder transmitir señales
estereofónicas, y entre otras de sus aplicaciones se encuentran la televisión, como sub-portadora
de sonido; en micrófonos inalámbricos; y como ayuda en navegación aérea..
Edwin Armstrong presentó su estudio Un Método de reducción de Molestias en la Radio Mediante
un Sistema de Modulación por Frecuencia, que describió por primera vez a la FM, antes que la
sección neoyorquina del Instituto de Ingenieros de Radio el 6 de noviembre de 1935. El estudio fue
publicado en 1935 4
La FM de onda larga (W-FM) requiere un mayor ancho de banda que la modulación de amplitud
para una señal moduladora equivalente, pero a su vez hace a la señal más resistente al ruido y la
interferencia. La modulación de frecuencia es también más resistente al fenómeno del
desvanecimiento, muy común en la AM. Por estas razones, la FM fue escogida como el estándar
para la transmisión de radio de alta fidelidad, resultando en el término "Radio FM" (aunque por
muchos años la BBC la llamó "Radio VHF", ya que la radiodifusión en FM usa una parte importante
de la banda VHF).
Los receptores de radio FM emplean un detector para señales FM y exhiben un fenómeno llamado
efecto de captura, donde el sintonizador es capaz de recibir la señal más fuerte de las que
transmitan en la misma frecuencia. Sin embargo, la desviación por frecuencia o falta de
selectividad puede causar que una estación o señal sea repentinamente tomada por otra en un
canal adyacente. La desviación por frecuencia generalmente constituyó un problema en
receptores viejos o baratos, mientras que la selectividad inadecuada puede afectar a cualquier
aparato.
Una señal FM también puede ser usada para transportar una señal estereofónica (vea FM
estéreo). No obstante, esto se hace mediante el uso de multiplexación y demultiplexación antes y
después del proceso de la FM. Se compone una señal moduladora (en banda base) con la suma de
los dos canales (izquierdo y derecho), y se añade un tono piloto a 19 kHz. Se modula a
continuación una señal diferencia de ambos canales a 38 kHz en doble banda lateral, y se le añade
a la moduladora anterior. De este modo se consigue compatibilidad con receptores antiguos que
no sean estereofónicos, y además la implementación del demodulador es muy sencilla.
Una amplificación de conmutación de frecuencias radiales de alta eficiencia puede ser usada para
transmitir señales FM (y otras señales de amplitud constante). Para una fuerza de señal dada
(medida en la antena del receptor), los amplificadores de conmutación utilizan menos potencia y
cuestan menos que un amplificador lineal. Esto le da a la FM otra ventaja sobre otros esquemas de
modulación que requieren amplificadores lineales, como la AM y la QAM.
Modulador de FM
La modulación de una portadora sobre FM, aunque se puede realizar de varias formas, resulta un
problema delicado debido a que se necesitan dos características contrapuestas: estabilidad de
frecuencia y que la señal moduladora varíe la frecuencia. Por ello, la solución simple de aplicar la
señal moduladora a un oscilador controlado por tensión (VCO) no es satisfactoria.
Modulación del oscilador. En oscilador estable, controlado con un cristal piezoeléctrico, se añade
un condensador variable con la señal moduladora (varactor). Eso varía ligeramente la frecuencia
del oscilador en función de la señal moduladora. Como la excursión de frecuencia que se consigue
no suele ser suficiente, se lleva la señal de salida del oscilador a multiplicadores de frecuencia para
alcanzar la frecuencia de radiodifusión elegida.
Moduladores de fase. Un modulador de FM se puede modelar exactamente como un modulador
de PM con un integrador a la entrada de la señal moduladora.
Modulador con PLL. Vuelve a ser el VCO, pero ahora su salida se compara con una frecuencia de
referencia para obtener una señal de error, de modo que se tiene una realimentación negativa
que minimiza dicho error. La señal de error se filtra para que sea insensible a las variaciones
dentro del ancho de banda de la señal moduladora, puesto que estas variaciones son las que
modulan la salida del VCO. Este método se ha impuesto con la llegada de los PLL integrados ya que
ha pasado de ser el más complejo y costoso a ser muy económico. Presenta otras ventajas, como
es poder cambiar de frecuencia para pasar de un canal a otro y mantiene coherentes todas las
frecuencias del sistema...
Demodulador de FM[editar]
También es más complejo que el de AM. Se utilizan sobre todo dos métodos:
Discriminador reactivo. Se basa en llevar la señal de FM a una reactancia, normalmente bobinas
acopladas, de forma que su impedancia varíe con la frecuencia. La señal de salida aparece,
entonces, modulada en amplitud y se detecta con un detector de envolvente. Existían válvulas
específicas para esta tarea, consistentes en un doble-diodo-triodo. Los dos diodos forman el
detector de envolvente y el triodo amplifica la señal, mejorando la relación señal/ruido.
Detector con PLL. La señal del PLL proporciona la señal demodulada. Existen muchas variaciones
según la aplicación, pero estos detectores suelen estar en circuitos integrados que, además,
contienen los amplificadores de RF y frecuencia intermedia. Algunos son una radio de FM
completa (TDA7000).