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Edison Coimbra G.TELECOMUNICACIONE

S

Tema 6 de:

Manual de clases

ObjetivoExplicar las razones para modular y describir las diferencias entre los diferentes esquemas de modulación analógica y digital.

Última modificación:29 de marzo de 2015

TÉCNICAS DE MODULACIÓN

1.- RAZONES PARA MODULAR

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Todo comienza con la transmisión por radio

LA TRANSMISIÓN POR RADIO

Descripción

La transmisión por radio se usa para transmitir señales de voz, video, datos, cuando las distancias son grandes, o cablear es caro, o por razones de movilidad.

En esta transmisión, las señales viajan a través del aire como ondas de radio, pero necesitan mecanismos de transmisión y recepción, entre ellos antenas.

La teoría de las antenas establece que si los extremos de una línea de transmisión se doblan en 90º, se obtiene una antena dipolo que posibilita la radiación de la onda. La radiación será óptima si la longitud de la antena es /2 en la frecuencia de operación.

Respuesta a Ejemplo 1

a) 50 km, si se toma como frecuencia significativa el tono de voz de 3 kHz, que genera una = 100 km. Es una longitud absurda.b) No, porque se producirían interferencias entre ellas, pues ocupan los mismos rangos de frecuencias.

Ejemplo 1.- Transmisión por radio

¿Qué sucedería si una señal de voz se transmitiera en sus frecuencias originales, es decir en su banda base, de 300 a 3.400 Hz?:a) ¿Qué longitud tendría la

antena?b) Se podrían transmitir varias

señales de voz al mismo tiempo?

SoluciónRecurrir a la técnica de modulación, mediante la cual la información se “imprime” en una onda seno de alta frecuencia conocida como señal portadora.

Conceptos de modulación

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La transmisión por radio solo permite la propagación de portadoras analógicas.

CONCEPTOS DE MODULACIÓN

¿En qué consiste?

En hacer variar el valor de un parámetro de la portadora (amplitud, frecuencia o fase), al ritmo de las variaciones de la señal moduladora o de información que se quiere transmitir.

Se utiliza un dispositivo electrónico llamado modulador.

Tipos de modulación

Analógica Digital

Si la señal moduladora es analógica (voz y video).

Si la señal moduladora es digital (voz y video digitalizados y datos de PC.

AM. Modulación de amplitud.

ASK. Modulación por desplazamiento de amplitud.

FM. Modulación de frecuencia

FSK. Modulación por desplazamiento de frecuencia.

PM. Modulación de fase.

PSK. Modulación por desplazamiento de fase.

QAM. Modulación de amplitud en cuadratura.

Parámetros de la portadora

= amplitud instantánea, en V. = amplitud pico, en V.

= frecuencia portadora, en Hz. = fase, en rad.

2.- MODULACIÓN ANALÓGICA AM

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AM en el dominio del tiempo

Si m 1, hay sobremodulación; la envolvente ya no se asemeja a la moduladora.

MODULACIÓN AM

¿En qué consiste?En hacer variar la amplitud de la portadora al ritmo de las variaciones de la señal moduladora o de información que se quiere transmitir. Por lo general, la moduladora es de baja frecuencia, en su banda base. La portadora es de alta frecuencia.

Modulación AMCaso de una onda simple

Ecuación AM

, , = amplitudes instantáneas, en V. , = amplitudes pico, en V.

= frecuencias, en Hz.

Condición idealQue el Índice de modulación sea: m = Am/Ac ≤ 1. Si es 1, se tendrá 100% de modulación y una máxima potencia de salida en el transmisor.

Ejemplos con modulación AM

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.

Respuesta Ejemplo 1

a) b) m = 0,5

Ejemplo 1.- Ecuación AM

Una portadora de 1,5 MHz y voltaje efectivo de 2 V, es modulada en AM por una onda seno de 500 Hz y amplitud efectiva de 1 V. a) Escriba la ecuación AM resultante. b) Calcule el índice de modulación m.

Ejemplo 2.- Índice de modulación

Calcule el índice de modulación para la forma de onda mostrada en la pantalla de un osciloscopio según muestra la figura.

Respuesta Ejemplo 2

b) m = Am/Ac = 18,75/56,25 = 0,33 o 33%.

AM en el dominio de la frecuencia

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(Forouzan, 2007)

AM EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA

Contenido espectral

Hasta el momento, se ha visto la señal AM en el dominio del tiempo, es decir, cómo se ve en un osciloscopio. A fin de indagar más acerca de ella, es necesario considerar su contenido espectral.

Podría usarse el análisis de Fourier, pero para una forma simple de la ecuación AM es más fácil y válido usar identidades trigométricas.

Espectro de AMTiene 3 componentes: 1.Portadora.2.USB - Banda lateral superior.3.LSB - Banda lateral inferior.Lo cual se puede verificar con un analizador de espectro.

AM

en

osciloscop

io

AM en analizador de espectro

Usando identidades trigonométricas

Espectro de la señal AM

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(Forouzan, 2007)

ESPECTRO DE LA SEÑAL AM

Conceptos

Los sistemas AM prácticos pocas veces se utilizan para transmitir una sola onda seno. La señal moduladora (información) tiene más probabilidades de ser una señal de voz, la cual, según el análisis de Fourier, está compuesta por múltiples ondas seno de distintas frecuencias.

El espectro de la señal AM permite visualizar el ancho de banda de dicha señal, que se define como el rango de frecuencias contenidas en ella.

El ancho de banda de una señal es la diferencia entre la frecuencia más alta y más baja contenidas en la señal.

Ejemplo 3.- Espectro AM

Una señal de información de 2 componentes (uno de 2kHz y 2V de amplitud pico y otro de 4 kHz y 6V), se transmite usando modulación AM. La portadora es una señal de 600 kHz y 6V de amplitud pico. Dibuje el espectro de frecuencias de la señal AM:

Respuesta Ejemplo 3

Ancho de banda AMLa modulación AM crea un ancho de banda igual al doble de la frecuencia moduladora más alta, centrado alrededor de la frecuencia portadora.

𝐵=2 𝑓 𝑀 á 𝑥

B = ancho de banda de señal AM, en Hz. = frecuencia moduladora más alta, en Hz.

Transmisión AM

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(Forouzan, 2007)

En AM convencional, la potencia de la portadora no se desperdicia, la usan en el receptor los circuitos de demodulación.

TRANSMISIÓN AM

Descripción

La portadora no contiene información. Con un análisis de potencia se demuestra que se “desperdicia” hasta el 66% de la potencia PT transmitida.

En AM convencional hay 2 bandas laterales que contienen la misma información. Esto hace que se duplique el ancho de banda.

Existen 2 variantes de AM

Está claro que AM contiene componentes innecesarios. Las variantes de AM las suprimen para ahorrar potencia y optimizar el uso de ancho de banda.

Ejemplo 5.- Transmisión AM de señal de voz

Una señal de voz se transmite usando modulación AM, con una portadora de 1 MHz. La banda base de la señal de voz se extiende en un intervalo de frecuencia de 300 Hz a 3.400 Hz.a) Dibuje el espectro de la señal AM. b) Calcule el ancho de banda de la señal AM.

Señ

al d

e v

oz

Respuesta Ejemplo 5

Transmisión AM DSB–SC

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La transmisión AM DSB–SC es utilizada por las estaciones de radio AM comerciales.

TRANSMISIÓN AM DSB-SC

¿En qué consiste?

En transmitir las 2 bandas laterales y suprimir la portadora.

Beneficio

Al suprimir la portadora, toda la potencia del transmisor se destina a las bandas laterales.

Ejemplo 6.- Transmisión AM de señal de voz

Una señal de voz se transmite usando modulación AM DSB–SC, con una portadora de 1 MHz. Dibuje el espectro de la señal AM, considerando la distribución de la potencia PT disponible.

Respuesta Ejemplo 6

Respuesta Ejemplo 7

a) 1.345 kHz y 1.335 kHz.b) B = 10 kHz.

Ejemplo 7.- Radiodifusión AM

La radio Grigotá AM de Santa Cruz transmite frecuencias moduladoras hasta de 5 kHz. Utiliza una portadora de 1.340 kHz. Calcule. a) Las frecuencias de las bandas laterales

máxima superior y mínima inferior. b) El ancho de banda total ocupado por

dicha estación de AM.

Transmisión AM SSB–SC

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(Forouzan, 2007)

La transmisión AM SSB–SC es utilizada por los operadores de telefonía.

TRANSMISIÓN AM SSB-SC

¿En qué consiste?

En transmitir sólo una de las bandas laterales y suprimir la otra y la portadora.

Beneficio

Al suprimir la portadora y una de las bandas, se ahorra potencia o, si se prefiere, toda la potencia del transmisor se destina a la banda que se transmite.

Al suprimir una de las bandas, el ancho de banda para la transmisión se reduce hasta más de la mitad.

¿Qué implica reducir el ancho de banda?

1.- Se puede transmitir el doble de señales en un determinad espectro.

2.- El ancho de banda del receptor también se reduce y se elimina la mitad del ruido, por lo que aumenta la relación señal a ruido.

Ejemplo 8.- Transmisión SSB-SC

Calcule la reducción de ancho de banda que se logra al transmitir una señal de voz usando AM SSB-SC, comparada con DSB-SC. La portadora es de 1 MHz.

Respuesta Ejemplo 8

Se reduce de 6,8 kHz a 3,1 kHz

Modulador balanceado

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Para la generación de AM DSB–SC

Mezclar y modular la amplitud son en esencia el mismo proceso.

MODULADOR BALANCEADO

¿Qué es?

Es un circuito electrónico que genera una señal AM DSB–SC, es decir suprime la portadora y deja las bandas laterales superior e inferior.

Este resultado se logra mezclando la moduladora con la portadora mediante una operación de multiplicación.

Mezclador + Filtro

A la salida del mezclador se utiliza un filtro pasabanda para suprimir una de las bandas, lo que resulta en AM SSB–SC.

Modulación AM DSB–SCCaso de una onda simple

Ecuación AM DSB–SC

Usando identidades trigonométricas

, , = amplitudes instantáneas, en V. = amplitudes pico resultante, en V.

= frecuencias, en Hz.

Ejemplo con modulador balanceado

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Para la generación de AM DSB–SC (Forouzan, 2007)

Mezclar y modular la amplitud son en esencia el mismo proceso.

Respuesta Ejemplo 9

a) 5 GHz.b) 22 y 12 GHz, se elimina la de 22 GHz.

Ejemplo 9.- Traslado de frecuencia

El transpondedor de un satélite opera en la banda Ku alta, cuyo enlace de subida es 17 GHz. a) ¿Cuál es la frecuencia del oscilador local? b) ¿Qué frecuencias produce y cuál es la que se

elimina para que el enlace de bajada sea 12 GHz?

3.- AM EN LA MULTIPLEXACIÓN FDM

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FDM Multiplexación por división de frecuencia

MULTIPLEXACIÓN FDM

¿Por qué multiplexar?

Porque las tecnologías de transmisión incluyen medios de gran ancho de banda, como cable coaxial, fibra óptica y microondas. Cualquiera de ellos tiene una capacidad que sobrepasa las necesidades medias para transmitir una señal.

Y para optimizar la utilización de estos medios, se desarrollaron técnicas que permiten la transmisión simultanea de múltiples señales analógicas a través de un único enlace. Entre ella está la multiplexación por división de frecuencia FDM.

MultiplexorLos dispositivos de entrada envían sus flujos de transmisión a un MUX (multiplexor), que los combina en un único flujo.

Enlace y canalesEl enlace es el camino físico por el cual va el único flujo. El canal es una porción de camino reservado para cada flujo de entrada.

Estructura de la FDM

DemultiplexorEn el receptor, el flujo único se introduce en un DEMUX (demultiplexor), que separa los flujos componentes y los dirige a sus correspondientes receptores.

(Forouzan, 2007)

El objetivo de la multiplexación es el buen uso del ancho de banda.

El proceso en FDM

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Es similar a producir una señal AM SSB–SC

Mezclar y modular la amplitud son en esencia el mismo proceso.

El proceso de FDMCada fuente de entrada genera una señal en banda base con similar rango de frecuencias. Son los canales de entrada. Cada señal y una portadora asociada (, ,…) se aplican a un mezclador.Las señales resultantes SSB–SC pasan por un filtro pasabanda para dejar una banda, la inferior.Por último, las señales se suman y se transmiten por el mismo enlace.

CanalesLa cantidad de canales que se transmiten, depende del ancho de banda disponible, el cual varía según el medio.

PortadorasLas portadoras se sintetizan a partir de un oscilador único y se separan a intervalos semejantes.

Ejemplos con FDM

15www.coimbraweb.com Mezclar y modular la amplitud son en esencia el mismo proceso.

Respuesta Ejemplo 9

a) Portadoras: 24, 28 y 32 kHz.b) Vea la figura.

Ejemplo 9.- FDM en telefonía

Asuma que el canal de voz ocupa un B = 4 kHz. Se necesita combinar 3 canales de voz en un enlace que tiene un B = 12 kHz, entre 20 y 32 kHz. a) Indique las portadoras utilizadas. b) Dibuje el espectro resultante.

En recepciónEl proceso se invierte. Primero, un filtro pasabanda separa las señales. Luego, cada señal y una portadora asociada se aplican a un mezclador. La salida es la señal original en banda base. La sincronización se consigue transmitiendo una portadora piloto; a partir de ella, se generan las portadoras en el receptor. Es decir, uno de los canales no suprime su portadora.

Ejemplo 10.- FDM en radioenlaces

Se multiplexan 5 canales de radio, cada uno con un B = 100 kHz. Calcule el B del enlace si se necesita una banda de guarda de 10 kHz entre los canales para evitar interferencias.

Respuesta Ejemplo 10

Ejemplos con FDM

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(Forouzan, 2007)

Ejemplo 11.- Radio AM y FM

La radio AM tiene asignada una banda entre 530 y 1.700 kHz. Cada estación necesita 10 kHz de ancho de banda y una portadora.

La radio FM tiene asignada una banda entre 88 y 108 MHz. Cada estación necesita 200 kHz de ancho de banda y una portadora.

Se implementa fácilmente; no hay necesidad de un MUX o DEMUX físico; siempre que las estaciones transmitan utilizando diferentes frecuencias portadoras.

La señal que viaja por el aire es una combinación de señales. Un receptor recibe todas las señales, pero filtra, mediante la sintonización, sólo la que desea.

Radio AM

Radio FM

Ejemplos con FDM

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(Forouzan, 2007)

Ejemplo 13.- Televisión por cable

La difusión de TV en redes HFC utiliza FDM. El ancho de banda del cable coaxial, entre 5 y 860 MHz, se divide en 3 bandas: una de ellas es la de canales de video (entre 54 y 550 MHz), las otras son de carga y descarga de datos que permiten el acceso a Internet por banda ancha.

Calcule la cantidad de canales de TV analógica que se pueden acomodar en una red HFC, considerando que cada canal de TV ocupa 6 MHz de ancho de banda.

Respuesta Ejemplo 9

Hasta 82 canales analógicos. En la TV digital, se acomodan hasta 320 canales.

FDM es una técnica analógicaSe considera a FDM como una técnica analógica; pero no significa que no se la pueda utilizar para combinar fuentes que envían señales digitales. Una señal digital se puede convertir a analógica antes de que FDM se utilice para multiplexarla.

Ejemplos con FDM

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Ejemplo 13.- Telefonía móvil

La 1G de teléfonos móviles utilizaba el acceso FDM. La señal de voz, modulada en FM, requiere un B=30 KHz, por ello, la estación base asignaba a cada usuario 2 canales de 30 kHz cada vez que realizaba una llamada, uno para enviar y otro para recibir.

Se usaba la banda de 824 a 849 MHz para el envío (teléfono → estación base) y de 869 a 894 MHz para recepción (estación base → teléfono). Calcule la cantidad de usuarios que podían utilizar sus teléfonos móviles simultáneamente en la celda atendida por una estación base.

Respuesta Ejemplo 13

En cada dirección se dispone de 25 MHz. 25 MHz/30 KHz = 833,33. En realidad, la banda se divide en 832 canales: 42 para control y 790 para los usuarios.

Actualmente, con el acceso TDM, cada 6 usuarios comparten un canal 30 kHz en cada dirección, es decir cerca 5.000 usuarios pueden hablar simultáneamente.

Referencias bibliográficas

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¿Cuáles son las referencias bibliográficas?

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASApablaza, F. (18 de Mayo de 2012). Redes de telecomunicaciones. Obtenido de http://es.slideshare.net/fapablaza/redes-de-telecomunicaciones-cap-4-3.Blake, Roy (2004). Sistemas electrónicos de comunicaciones . México: Thomson.Creative, C. (4 de 2009). http://guimi.net. Obtenido de http://guimi.net: http://guimi.net.Forouzan, B. A. (2007). Transmisión de datos y redes de comunicaciones. Madrid: McGraw-Hill.Mendioroz, A. (13 de Enero de 2015). Sistemas de conmutación. Obtenido de http://es.slideshare.net/fernandomendioroz/sdh-43476118?related=1.

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Tema 5 de:TELECOMUNICACIONE

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FIN

Links de los documentos de la colección

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Telecomunicaciones

LINKS DE LOS DOCUMENTOS0.Introducción. (En construcción)1.Generación de ondas de voltaje. (En construcción)2.Datos y señales analógicas y digitales3.PCM Digitalización de señal analógica4.TDM Multiplexación por división de tiempo

5.SONET/SDH Red óptica síncrona

6.Introducción a la transmisión por radio7.Transmisión analógica. (En construcción)9.Transmisión digital. (En construcción)9.Deterioro de la transmisión. (En construcción)