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Modulacion en fase, frecuencia y amplitud de cuadratura

Transmisón por desplazamiento de frecuencia



La transmisión por desplazamiento de frecuencia (FSK), es una forma, en alguna medida simple, de modulación digital de bajo rendimiento. El FSK binario es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua. La expresión general para una señal FSK binaria es

donde v(t) = forma de onda FSK binaria
Vc = amplitud pico de la portadora no modulada
wc, = frecuencia de la portadora en radianes
vm(t) = señal modulante digital binaria
D w = cambio en frecuencia de salida en radianes

De la ecuación anterior puede verse que, con el FSK binario, la amplitud de la portadora Vc se mantiene constante con la modulación. Sin embargo, la frecuencia en radianes de la portadora de salida (wc) cambia por una cantidad igual a ± Aw/2. El cambio de frecuencia (D w/2) es proporcional a la amplitud y polaridad de la señal de entrada binaria.

Por ejemplo, un uno binario podría ser +l volt y un cero binario -1 volt produciendo cambios de frecuencia de + D w/2 y -D w/2, respectivamente. Además, la rapidez a la que cambia la frecuencia de la portadora es igual a la rapidez de cambio de la señal de entrada binaria vm(t) (o sea, la razón de bit de entrada). Por tanto, la frecuencia de la portadora de salida se desvía (cambia), entre wc + D w/2 y wc - D w/2 a una velocidad igual a fm.

Transmisor de FSK



Con el FSK binario, la frecuencia central o de portadora se desplaza (se desvía), por los datos de la entrada binaria. En consecuencia, la salida de un modulador de FSK binario es una función escalón en el dominio del tiempo. Conforme cambia la señal de entrada binaria de 0 lógico a 1 lógico, y viceversa, la salida del FSK se desplaza entre dos frecuencias: una frecuencia de marca o de 1 lógico y una frecuencia de espacio lógico o de 0 lógico. Con el FSK binario, hay un cambio en la frecuencia de salida, cada vez que la condición lógica de la señal de entrada binaria cambia. Así, la razón de salida del cambio es igual a la razón de entrada del cambio. En la modulación digital, la razón (rapidez de cambio en la entrada del modulador se llama razón de bit y tiene las unidades de bits por segundo (bps). La rapidez (razón) de cambio en la salida del modulador se llama baudio o razón de baudio y es igual al recíproco del tiempo de un elemento de señalizacion de salida. En esencia, el baudio es la razón de línea en símbolos por segundo. En el FSK binario, las razones de cambio de entrada y salida son iguales; en consecuencia, la razon de bit y la razón de baudio son iguales. Un transmisor de FSK binario sencillo se muestra en la siguiente figura.

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Transmisión por desplazamiento de fase



Transmitir por desplazamiento en fase (PSK) es otra forma de modulación angular, modulación digital de amplitud constante. El PSK es similar a la modulación en fase convencional, excepto que con PSK la señal de entrada es una señal digital binaria y son posibles un número limitado de fases de salida.

Transmisión por desplazamiento de fase binaria



Con la transmisión por desplazamiento de fase binaria (BPSK), son posibles dos fases de salida para una sola frecuencia de portadora ("binario" significa "2 elementos"). Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180o fuera de fase. Otros nombres que se le dan a BPSK son transmisión inversa defase (PRK) y modulación bifásica. El BPSK es una forma de modulación de onda cuadrada de portadora suprimida de una señal de onda continua (CW).

Transmisor de BPSK



La figura siguiente muestra un diagrama a bloques simplificado de un modulador de BPSK. El modulador balanceado actúa como un conmutador para invertir la fase. Dependiendo de la condición lógica de la entrada digital, la portadora se transfiere a la salida, ya sea en fase o 180º fuera de fase, con el oscilador de la portadora de referencia.

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La figura 1 muestra el diagrama esquemático de un modulador de anillo balanceado. El modulador balanceado tiene dos entradas: una portadora que está en fase, con el oscilador de referencia, y los datos digitales binarios. Para que el modulador balanceado opere correctamente, el voltaje de entrada digital tiene que ser mucho más grande que el voltaje pico de la portadora. Esto asegura que la entrada digital controle el estado de activado/desactivado de los diodos D1-D4. Si la entrada binaria es un 1 lógico (voltaje positivo), los diodos D1 y D2 están directamente polarizados y "activados", en tanto que los diodos D3 y D4 están inversamente polarizados y "desactivados". Con las polaridades mostradas, el voltaje de la portadora se desarrolla a través del transformador T2, en fase con el voltaje de la portadora, a través de TI. En consecuencia, la señal de salida está en fase con el oscilador de referencia.

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Figura 1

Si la entrada binaria es un 0 lógico (voltaje negativo), los diodos D1 y están inversamente polarizados y "desactivados", mientras que los diodos D3 y D4 directamente polarizados y "activados". Como resultado, el voltaje de la portadora se desarrolla a través del transformador T2, 180o fuera de fase, con voltaje de la portadora a través de T1. En consecuencia, la señal de salida está 180o de fase con el oscilador de referencia. La figura de abajo muestra la tabla de verdad, diagrama fasorial, y diagrama de constelación para un modulador de BPSK. Un diagrama de constelación que, a veces, se denomina diagrama de espacio de estado de señal, es similar a un diagrama fasorial, excepto que el fasor completo no está dibujado. Un diagrama de constelación, sólo se muestran las posiciones relativas de los pico los fasores.

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Modulación de amplitud en cuadratura



La modulación de amplitud en cuadratura (QAM), es una forma de modulación digital en donde la información digital está contenida, tanto en la amplitud como en la fase de la portadora transmitida.

QAM DE OCHO



El QAM de ocho (8-QAM), es una técnica de codificación M-ario, en donde M=8. A diferencia del 8-PSK, la señal de salida de un modulador de 8-QAM no es una señal de amplitud constante.

Transmisor de QAM de ocho



La figura siguiente muestra el diagrama a bloques de un transmisor de 8-QAM. Como puede verse, la única diferencia, entre el transmisor de 8-QAM y el transmisor de 8-PSK es la omisión del inversor entre el canal C y el modulador de producto Q.

Así como con el 8-PSK, los datos que están entrando se dividen en grupos de tres bits (tribits): los flujos de bits I, Q y C, cada uno con una tasa de bits igual a un tercio de la tasa de datos que están entrando. Nuevamente, los bits 1 y Q, determinan la polaridad de la señal PAM, a la salida de los convertidores de nivel 2 a 4, y el canal C determina la magnitud. Debido a que el bit C se alimenta sin invertir a los convertidores de niveles 2 a 4 canal I/Q, las magnitudes de las señales PAM, I/Q, siempre son iguales. Sus polaridades dependen de la condición lógica de los bits I/Q y, por consiguiente, pueden ser diferentes.

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La figura muestra la relación de la fase de salida contra de tiempo para un modulador de 8-QAM. Observe que hay dos amplitudes de salida y sólo son posibles cuatro fases.

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QAM DE DIECISEIS



Así como el 16-PSK, el 16-QAM es un sistema M-ario, en donde M= 16. Actúa sobre los datos de entrada en grupos de cuatro (24 = 16). Como con el 8-QAM, tanto la fase y la amplitud de la portadora transmisora son variados.

Transmisor QAM de dieciséis



El diagrama a bloques para un transmisor de 16-QAM se muestra en la figura siguiente. Los datos de entrada binaria se dividen en cuatro canales: El I, I', Q y Q'. La tasa de bits de cada canal es igual a un cuarto de la tasa de bits de entrada (fb/4). Los cuatro bits se introducen en forma serial al derivador de bits; luego se introducen simultáneamente y en paralelo con los canales I, I', Q y Q'. Los bits I y Q determinan la polaridad a la salida de los convertidores de niveles 2 a 4 un 1 lógico = positivo y un 0 lógico = negativo). Los bits I' y Q' determinan la magnitud (un 1 lógico = 0.821 V y un 0 lógico = 0.22 V). En consecuencia, los convertidores de niveles 2 a 4 generan una señal PAM de nivel 4. Dos polaridades y dos magnitudes son posibles a la salida de cada convertidor de 4. Son ±0.22 V y ±0.821 V. Las señales PAM modulan las portadoras en cuadratura, en los moduladores de producto. Son posibles cuatro salidas para cada modulador de producto. Para el modulador de producto I son +0.821 sen wct, -0.821 sen wct, +0.22 sen wct, y -0.22 sen wct. Para el modulador de producto Q son +0.821 cos wct, +0.22 cos wct, -0.821 cos wct, y -0.22 cos wct. El sumador lineal combina las salidas de los moduladores de producto de canal I y Q y produce las 16 condiciones de salida necesarias para el 16-QAM.

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