Fundamentos de la Modulación de Señales

La modulación nace de la necesidad de transportar una información a través de un canal de comunicación a la mayor distancia y menor costo posible.

Consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora.

¿Por qué es necesaria la modulación?

La modulación es fundamental en las telecomunicaciones por las siguientes razones:

• Permite enviar señales que ocupan el mismo espectro en banda base por el mismo canal.
• Facilita la propagación de la señal de información (por cable o por el aire).
• Disminuye las dimensiones de las antenas.
• Optimiza el ancho de banda de cada canal.
• Evita la interferencia entre canales.

Componentes de la Modulación

• Señal en banda base (Señal Moduladora): Es la señal que se desea transmitir.
• Señal Portadora: Es la señal de alta frecuencia (RF) que sirve de “vehículo” para transportar la señal moduladora.
• Señal Modulada: Es la combinación de las señales moduladora y portadora.

En la modulación analógica, la portadora siempre será analógica.

Modulaciones Analógicas

En las modulaciones analógicas, la señal portadora siempre será una onda sinusoidal de frecuencia mucho mayor que la señal moduladora.

Modulación de Amplitud (AM)

La Modulación de Amplitud (AM), o modulación lineal, consiste en modificar la amplitud de una portadora en función de la amplitud de la señal moduladora.

La información de la señal moduladora está contenida por igual en ambas bandas laterales, es decir, la información está duplicada.

La amplitud y frecuencia del tono de modulación determinan la forma de la señal modulada, conocida como la “envolvente de modulación”.

Parámetros y Características de AM

• Coeficiente de Modulación: Define cuánto varía la amplitud de la señal modulada en relación con la señal sin modular.
• Porcentaje de Modulación: Es el coeficiente de modulación establecido como un porcentaje. Se expresa en % desde 0 a 100.

Es deseable mantener el porcentaje de modulación alto, en torno al 95% – 99%. Sobrepasado este valor se produce sobremodulación.

• Sobremodulación: Un índice de modulación superior a 1 producirá, en la parte negativa de la señal moduladora, un corte de la portadora, lo que se traduce en una distorsión de la envolvente y, por lo tanto, una distorsión de la señal.
• El ancho de banda de una señal AM es igual al doble de la frecuencia más alta de la señal moduladora.
• En la práctica, este ancho de banda es limitado (9 KHz en la banda de onda media), por lo que la frecuencia más alta que puede tener la señal moduladora también es limitada. Este ancho de banda tan reducido limita la fidelidad del audio, y por lo tanto, la calidad de las emisiones de AM es más baja que en FM.
• La envolvente depende de las bandas laterales, que a su vez dependen de la señal moduladora, la cual determina la relación de fases entre portadora y bandas laterales y con ello la envolvente de la señal modulada.
• La amplitud de las bandas laterales determinará también el porcentaje de modulación.

Variantes de la Modulación de Amplitud

• Modulación en Banda Lateral Única (BLU): Consiste en una modulación AM a la que se suprime la portadora y una de las bandas laterales.
• Cada una de las bandas laterales de AM contiene la misma información, por lo que si eliminamos una de ellas, la otra puede proporcionar la información útil de la señal moduladora (Modulación USB y LSB).
• El ancho de banda es el de la señal moduladora, la mitad que en AM, lo que ofrece mejor eficacia ante el ruido.
• Banda Lateral Vestigial (VSB): Se filtra parcialmente una de las dos bandas laterales resultantes de una modulación BLU.
• Banda Lateral Independiente (ISB): Consiste en emitir dos señales independientes en cada una de las bandas laterales usando una sola portadora (utilizado en señales estéreo).

Modulación Angular

La modulación angular consiste en hacer variar la frecuencia de la señal, o su fase, en función de la amplitud de la señal moduladora.

Modulación por Frecuencia (FM)

La Modulación por Frecuencia (FM) es el proceso de codificar información en una onda portadora mediante la variación de su frecuencia instantánea de acuerdo con la señal de entrada.

• También se generan bandas laterales debido al desplazamiento en frecuencia. Aparecen infinitas frecuencias laterales separadas alrededor de la portadora, aunque la mayor parte de ellas tienen poca amplitud.
• La señal en FM tiene una amplitud constante y buena inmunidad al ruido.
• La variación de frecuencia se denomina desvío. En el caso de FM para difusión, la excursión máxima será de ± 75 kHz de la frecuencia de portadora.
• El ritmo de desvío está determinado por la frecuencia moduladora. Si la moduladora es de 1 kHz, el desvío pasará desde el máximo al mínimo con igual frecuencia.
• La cantidad de desvío de la frecuencia central será directamente proporcional a la amplitud de la señal moduladora.
• Aunque el número de bandas laterales es infinito, la mayoría de ellas son despreciables.
• El número de bandas laterales, sus niveles y el nivel de portadora varían en función del índice de modulación, y por lo tanto, el ancho de banda también dependerá de dicho índice.

Modulación de Fase (PM)

La Modulación de Fase (PM) no es adecuada para la transmisión de voz o música, ya que ante pequeños cambios de amplitud o frecuencia de la señal, es difícil detectar pequeños cambios de fase.

Por otra parte, es ideal para la transmisión de datos, ya que para transmitir la misma cantidad de datos utiliza menos ancho de banda que la modulación FM.

Modulación con Datos Digitales

La transmisión de señales digitales sobre una onda senoidal recibe los nombres de ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) y PSK (Phase Shift Keying), que equivalen respectivamente a los métodos AM, FM y PM analógicos.

Una señal binaria puede modular en amplitud, frecuencia y fase una portadora senoidal.

Tipos de Modulación Digital

Modulación ASK (Amplitude Shift Keying)

• Se genera conmutando la portadora en función de la señal moduladora.
• El ancho de banda de la señal modulada es el doble que el original. Se suele utilizar para el teletexto.
• Es habitual que no se utilice un nivel de amplitud cero, sino dos niveles de amplitud diferentes. Se suelen utilizar diagramas de constelaciones para representar los diferentes estados.

Modulación FSK (Frequency Shift Keying)

• Se basa en asignar, mediante dos osciladores, diferentes frecuencias para diferentes valores binarios de la moduladora.
• Es muy robusta y utilizada en datos telefónicos.

Modulación PSK (Phase Shift Keying)

• Consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos.
• El ancho de banda es parecido a la modulación ASK.
• Podemos definir múltiples cambios de fases denominados: BPSK (con 2 fases), QPSK (con 4 fases), 8-PSK (con 8 fases), y así sucesivamente.
• Con más fases, más cantidad de información se puede transmitir utilizando el mismo ancho de banda, pero mayor es también su sensibilidad frente a ruidos e interferencias.

Modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

La Modulación QAM consiste en modular por desplazamiento en amplitud (ASK) y de forma independiente, dos señales portadoras que tienen la misma frecuencia, pero que están desfasadas entre sí 90°. La señal modulada QAM es el resultado de sumar ambas señales ASK.

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