MODULACIN

Modulacin engloba el conjunto de tcnicas que se usan para transportar informacin sobre una onda portadora, tpicamente una onda sinusoidal. Estas tcnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicacin lo que posibilita transmitir ms informacin en forma simultnea adems de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias.

Bsicamente, la modulacin consiste en hacer que un parmetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la seal moduladora, que es la informacin que queremos transmitir.

Se denomina modulacin al proceso de colocar la informacin contenida en una seal, generalmente de baja frecuencia, sobre una seal de alta frecuencia.

A la seal resultante de este proceso se la denomina seal modulada y la misma es la seal que se transmite.

Dependiendo del parmetro sobre el que se acte, tenemos los distintos tipos de modulacin: Modulacin en doble banda lateral (DSB) Modulacin de amplitud (AM) Modulacin de fase (PM) Modulacin de frecuencia (FM) Modulacin banda lateral nica (SSB, BLU) Modulacin de banda lateral vestigial (VSB, VSB-AM, BLV) Modulacin de amplitud en cuadratura (QAM) Modulacin por divisin ortogonal de frecuencia (OFDM), tambin conocida como 'Modulacin por multitono discreto' (DMT) Modulacin por longitud de onda Modulacin en anillo

Es necesario modular las seales por diferentes razones: Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la seal original o moduladora, no ser posible reconocer la informacin inteligente contenida en dicha seal, debido a la interferencia entre las seales transmitidas por diferentes usuarios. A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisin, de acuerdo al medio que se emplee. En caso de transmisin inalmbrica, las antenas tienen medidas ms razonables.

En resumen, la modulacin permite aprovechar mejor el canal de comunicacin ya que posibilita transmitir ms informacin en forma simultnea por un mismo canal y/o proteger la informacin de posibles interferencias y ruidos.

Demodulacin
Es el proceso mediante el cul es posible recuperar la seal de datos de una seal modulada.

Ventajas y desventajas
Una gran ventaja de AM es que su demodulacin es muy simple y, por consiguiente, los receptores son sencillos y baratos , todo esto gracias a Robert Herzenbert que en 1932 patento el termino AM. La propagacin de las ondas de AM es por ondas superficiales, esto no quiere decir que las ondas viajen por tierra, van por el aire pero copiando el perfil del terreno. En cambio en FM la propagacin es por rayo directo o rebote ionosfrico. Este ltimo tipo de propagacin es mucho ms susceptible a la interferencia por obstculos, por lo que, en general, las transmisiones de AM suelen tener ms alcance con menor potencia transmitida.

Otra ventaja de AM, que era significativa hace 60 aos, es que es muchsimo ms fcil de demodular, es decir que los receptores de AM son muy sencillos de disear y construir. Por otro lado, la modulacin FM es mucho ms inmune al ruido, adems de que permite transmitir en un ancho de banda mucho mayor, lo que a su vez se traduce en ms informacin transmitida.

La desventaja principal de la modulacin de amplitud est en que la afectan fcilmente diversos fenmenos atmosfricos (esttica), seales electrnicas con frecuencias parecidas y las interferencias ocasionadas por los aparatos elctricos tales como motores y generadores. Actualmente, el avance de la tecnologa electrnica, ha hecho que las ventajas de AM sobre FM sean prcticamente nulas.

Tipos de Modulacin en AM
DSB(Doble Banda Lateral) DSB-SC(Doble Banda Lateral con Portadora Suprimida)

Doble Banda Lateral

Es el tipo de modulacin conocido como modulacin de gran portadora. Como las estaciones de radio comerciales usan este mtodo de transmisin, se conoce comnmente como modulacin de amplitud(AM). La seal portadora se incorpora como parte de la seal transmitida.

Doble Banda Lateral

La forma de onda de esta seal AM esta dada por la ecuacin:

Ac = Nivel de potencia de la seal portadora m(t) = Seal moduladora o mensaje. fc = Frecuencia de la seal portadora. seal envolvente de la seal AM

Doble Banda Lateral

ndice de modulacin:

Porcentaje de modulacin:

Doble Banda Lateral

Efectos de la variacin del ndice de modulacin.

Cuando m>1 entonces se dice que la seal esta sobremodulada.

Cuando m=1 entonces se dice que la seal esta 100% modulada.

Este es el caso que comnmente se busca en una modulacin AM ya que aqu y cuando m=1 se puede hallar fcilmente la envolvente.

Doble Banda Lateral

Veremos que pasara de no escogerse una amplitud de la portadora lo suficientemente grande (m>1). La seal modulada puede escribirse de la siguiente forma:

De esto se deduce que en todo instante:

Espectro de una seal de AM

Banda lateral inferior: De Wc-W a Wc

Banda lateral superior: De Wc a Wc+W

Por lo tanto el ancho de Banda ser 2W.

Espectro de una seal de AM

Potencia de la portadora y las bandas laterales de AM

En las seales de AM, el termino portador no contiene informacin alguna sobre la seal moduladora f(t). La potencia empleada en la portadora se desperdicia para cualquier transferencia de informacin. Es el precio que se paga debido a la simplicidad de sus receptores.

Potencia de la portadora y las bandas laterales de AM

Para una carga de 1 ohm, y usando la expresin expuesta anteriormente: Se asume que el valor medio de f(t) es cero.

Luego:

Potencia de la portadora y las bandas laterales de AM

Tomemos un caso simple para ver la eficiencia que nos ofrece la modulacin de AM, f(t) senoidal:

Se tiene: Luego: Como se puede apreciar en el caso optimo la eficiencia de transmisin de un sistema AM ascender a lo mas a un 33%.

Generacin de seales AM

Modulador de AM
A continuacin presentaremos un modulador sencillo de AM, llamado modulador de conmutacin o rectificador.

En este caso la accin del diodo se puede ver como la multiplicacin de mi seal modulada por pT(t) de frecuencia Wc.

Modulador de AM
La densidad espectral conmutada resultante puede calcularse por convolucion en frecuencia. El espectro de la seal modulada sern trminos centrados en 0,Wc,3Wc,5Wc, etc. De estos solo nos importa el termino centrado en Wc y para ello es el filtro pasa banda con frecuencia central Wc.

Este modulador no permite la sobre modulacin ya que cuando el diodo haga la rectificacin habr problemas y el espectro ya no ser el mismo.

Demodulador de AM
El tpico y mas sencillo demodulador de AM es el siguiente:

Este demodulador tampoco acepta sobre modulaciones.

Ventajas y desventajas de AM
Ofrecen ventaja en cuanto a la simplicidad y el precio de sus moduladores y receptores. La gran desventaja es la potencia que se debe de utilizar para mandar cierta informacin. Como vimos anteriormente la portadora consume gran parte de la potencia y no forma parte del mensaje. Con la transmisin de la doble banda lateral, las dos bandas laterales y la portadora pueden propagarse a travs del medio de transmisin por diferentes trayectorias y, por lo tanto, pueden experimentar diferentes deterioros en la transmisin, a esto se le llama desvanecimiento selectivo.

Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)

La Modulacin AM Convencional ( DSB) debido a su sencillez y efectividad, es un mtodo de modulacin muy ineficaz. En una seal de AM-DSB, la portadora no tiene ninguna informacin. Toda la informacin transmitida est exclusivamente en las bandas laterales. Por ello, La portadora puede suprimirse y no transmitirse. La seal de AM con la portadora suprimida se denomina DSB-SC.

Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)

La seal de DSB-SC tendr la siguiente forma: Aplicado la transformada de Fourier:

Como podemos ver el espectro casi igual solo difieren en que ahora ya no hay impulsos.

Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)

Para la demodulacin, podemos hacer el siguiente artificio y aplicar la transformada de Fourier.

Hallando la transformada de Fourier en ambos lados: Los principios sobre la modulacin DSB-SC son de aplicacin general para cualquier moduladora f(t), siempre que w<Wc.

Compensacin de los receptores

Existen algunas consideraciones que hay que tomar en cuenta cuando de demodular se trata ya que veremos que sucede cuando existe aunque sean pequeos errores en la frecuencia y fase en el coseno que multiplica a la seal modulada:

Como vemos la salida ya no es *f(t) sino: Es por ello que se dice que los receptores de DSB-SC deben de ser compensados. En ese error hay casos que son aceptados como lo seria y constante ya que solo afectara multiplicando por un factor constante, pero en general no se toma el riesgo de un error as.

Generacin de seales DSB-SC

Se generan seales DSB-SC usando la funcin pT(t) que usamos anteriormente (los pulsos rectangulares de frecuencia Wc). Multiplicamos pT(t) y f(t) y luego aplicando Fourier de la siguiente manera:

Modulador de DSB-SC
Este modulador se puede explicar de la misma manera que el anterior modulado de AM.

Cuando el coseno es positivo de izquierda a derecha ei(t) es cero y cuando es negativo de izquierda a derecha ei(t) toma el valor de f(t).

Modulador de DSB-SC
Se podra ilustrar de la siguiente manera:

Tambin se usan como conmutacin fotodiodos, FET y rayos de luz interrumpidos de forma mecnica e interruptores operados magnticamente como en el grafico pero a bajas frecuencias, a altas frecuencias es comn usar diodos como en el grafico anterior.

Demodulador de DSB-SC
Propondremos el siguiente circuito como demodulador:

Se puede explicar de la misma forma que el modulador hasta los puntos 34 de 3-4 a 5-6 vemos que el conmutador pasa a tierra cada medio ciclo as que la respuesta paso a paso de este circuito lo mostraremos a continuacin.

Demodulador de DSB-SC

Ventajas y desventaja de DSB-SC

Requieren mucho menos potencia para transmitir la misma informacin. Los receptores de portadora suprimida son mas complicados y costosos. Los sistemas con portadora suprimida son menos susceptibles al desvanecimiento selectivo. Ofrecen una mayor eficiencia.

Modulacin AM-SSB Modulacin AM-SSB (BANDA LATERAL UNICA)

Cada banda lateral lleva la misma informacin referente a la seal moduladora original, por lo que slo es necesario transmitir una de las dos bandas laterales. Si se transmite una nica banda lateral sin portadora no se est perdiendo informacin referente a la seal moduladora. En este caso sera necesario el mismo ancho de banda de transmisin que el ocupado por la seal moduladora original, no el doble como en AM o DSB. Este tipo de modulacin se denomina banda lateral nica (SSB: Single Side Band). La descripcin precisa en el dominio de la frecuencia depende de cul de las dos bandas laterales se elija para su transmisin.

Modulacin AM-SSB

Espectro de la seal SSB empleando la banda lateral superior.

Espectro de la seal SSB empleando la banda lateral inferior.

La modulacin en banda lateral nica se puede clasificar segn la existencia de la portadora en la modulacin:  Modulacin en banda lateral nica con portadora, en ingls single sidebandamplitude modulation (SSB, SSB-AM)  Modulacin en banda lateral nica con portadora suprimida, en ingls single sideband-suppressed carrier modulation (SSB-SC)

Tambin se puede clasificar segn cual de las dos bandas laterales se trasmita en la modulacin:  Modulacin en banda lateral superior, en ingls upper sideband modulation (USB)  Modulacin en banda lateral inferior, en ingls lower sideband modulation (LSB)

GENERACIN DE SEALES SSB

En forma general:

Dominio de la Frecuencia

Asumamos que m(t) tiene una magnitud espectral que es de forma triangular, como muestra la figura a. Luego, para el caso de una USSB, el espectro de g(t) es cero para frecuencias negativas, mostrado en la figura b. El espectro de s(t) es mostrado en la figura c.

Dominio de la Frecuencia
El signo superior (+) es usado para una USSB, mientras que el signo inferior (-), es para una LSSB. Si resolvemos la ecuacin para una USSB (banda lateral nica superior), queda expresado de la siguiente manera:

El espectro de la seal modulada s(t) queda de la siguiente manera:

Dominio de la Frecuencia

DEMODULACIN DE SEALES SSB La densidad espectral de la seal SSB debe trasladarse de nuevo a w=0

La superioridad tecnolgica de la Banda Lateral nica sobre la Amplitud Modulada reside en esa necesidad de gastar slo un cuarto de la energa para transmitir la misma informacin. En contrapartida, los circuitos de transmisores y receptores son ms complejos y ms caros. Otra ventaja de esta modulacin sobre la AM estriba en que la potencia de emisin se concentra en un ancho de banda ms estrecho (normalmente 2,4 kHz); por lo tanto, es muy sobria en el uso de las frecuencias, permitiendo ms conversaciones simultneas en una banda dada.

FORMAS DE PROPAGACIN DE UNA O.E.M

1.-ONDAS TERRESTRES(prdidas por resistencia y por dielctrico)

2.-ONDAS ESPACIALES(Prdidas por absorcin)

LA REFLEXIN .-Es el cambio de direccin de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separacin entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.

LA REFRACCIN .- Es el cambio de direccin respecto a la NORMAL ,que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro.

LA DIFRACCIN .-Es un fenmeno caracterstico de las ondas, ste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstculo o al atravesar una rendija.

INFLUENCIA DE LA IONSFERA EN LAS TRANSMISIONES DE RADIO Sabemos que en la parte superior de la atmsfera, la actividad de la energa solar es muy intensa, y es donde se concentran las partculas cargadas de electricidad como lo son los iones y electrones.(Se encuentra ionizada por la radiacin solar) A estas capas invisibles de cargas elctricas, se le conoce como la Ionsfera(80km-650km) Las diferentes capas de la Ionsfera posibilitan la comunicacin radial a larga distancia por la propagacin de ondas cortas de longitud . Una parte de la energa radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es reflejada de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este ltimo efecto permite la recepcin de seales de radio a distancias mucho mayores de lo que sera posible con ondas que viajan por la superficie terrestre.

Una parte de la energa radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es reflejada de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este ltimo efecto permite la recepcin de seales de radio a distancias mucho mayores de lo que sera posible con ondas que viajan por la superficie terrestre. La ionosfera suele dividirse en dos capas principales: * Capa Inferior E (Heaviside ): 80 -112 Km, refleja las ondas de radio de baja frecuencia. *Capa Superior F (Appleton) :112km-650km,refleja ondas de radio con frecuencias mayores

ZONA DE FRESNEL
Se llama zona de fresnel al volumen de espacio entre el emisor de una onda electromagntica, acstica, etc, y un receptor, de modo que el desfase de las ondas en dicho volumen no supere los 180. As, la fase mnima se produce para el rayo que une en lnea recta emisor y receptor. Tomando su valor de fase como cero, la primera zona de Fresnel abarca hasta que la fase llegue a 180, adoptando la forma de un elipsoide de revolucin. La segunda zona abarca hasta un desfase de 360, y es un segundo elipsoide que contiene al primero. Del mismo modo se obtienen las zonas superiores.

 La obstruccin mxima permisible para considerar que no hay obstruccin es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstruccin mxima recomendada es el 20%. Para el caso de radiocomunicaciones depende del Factor K (curvatura de la tierra)

Donde:

rn = radio de la ensima zona de Fresnel. (n=1,2,3...) d1 = distancia desde el transmisor al objeto en km. d2 = distancia desde el objeto al receptor en km. d = distancia total del enlace en km. d = d1 + d2 f = frecuencia en MHz.

Espectro Radioelectrico
El espectro radioelctrico consiste en las frecuencias del espectro electromagntico usadas para los servicios de difusin y servicios mviles, radioastronoma, meteorologa y fijos. Este no es un concepto esttico, pues a medida que avanza la tecnologa se aumentan (o disminuyen) rangos de frecuencia utilizados en comunicaciones, y corresponde al estado de avance tecnolgico.

DISTRIBUCIN CONVENCIONAL DEL ESPECTRO RADIOELECTRICO

SIGLA DENOMINACION VERY LOW FRECUENCIES Frecuencias Muy Bajas LONGITUD DE ONDA GAMA DE FRECUENC. 10 KHz a 30 KHz CARACTERISTICAS Propagacin por onda de tierra, atenuacin dbil. Caractersticas estables. USO TIPICO

VLF

30.000 m a 10.000 m

ENLACES DE RADIO A GRAN DISTANCIA

LF

LOW FRECUENCIES Frecuencias Bajas

10.000 m. a 1.000 m.

30 KHz a 300 KHz

Similar a la anterior, Enlaces de radio a pero de gran distancia, ayuda caractersticas a la navegacin menos estables. area y martima. Similar a la precedente pero con una absorcin elevada durante el da. Prevalece propagacin ionosfrica durante la noche. Prevalece propagacin Ionosfrica con fuertes variaciones estacionales y en las diferentes horas del da y de la noche.

MF

MEDIUM FRECUENCIES Frecuencias Medias

1.000 m. a 100 m.

300 KHz a 3 MHz

RADIODIFUSIN

HF

HIGH FRECUENCIES Frecuencias Altas

100 m. a l0 m.

3 MHz a 30 MHz

COMUNICACIONES DE TODO TIPO A MEDIA Y LARGA DISTANCIA

VHF

VERY HIGH FRECUENCIES Frecuencias Muy Altas

10 m. a 1 m.

30 MHz a 300 MHz

Prevalece propagacin directa, ocasionalmente propagacin Ionosfrica o Troposfrica.

Enlaces de radio a corta distancia, TELEVISIN, FRECUENCIA MODULADA

UHF

ULTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias Ultra Altas

1 m. a 10 cm.

300 MHz a 3 GHz

Solamente propagacin directa, posibilidad de enlaces por reflexin o a travs de satlites artificiales.

Enlaces de radio, Ayuda a la navegacin area, Radar, TELEVISIN

SHF

SUPER HIGH FRECUENCIES Frecuencias Superaltas EXTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias ExtraAltas EXTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias ExtraAltas

10 cm. a 1 cm.

3 GHz a 30 GHz

COMO LA PRECEDENTE

Radar, enlaces de radio

EHF

1 cm. a 1 mm.

30 GHz a 300 GHz

COMO LA PRECEDENTE

COMO LA PRECEDENTE

EHF

1 mm. a 0,1 mm.

300 GHz a 3.000 GHz

COMO LA PRECEDENTE

COMO LA PRECEDENTE

RESULTADOS