Seguimos con nuestro pequeño curso.
3. MODULACION Y CODIFICACION
3.1. INTRODUCCION
Las comunicaciones utilizan una gran cantidad de medios para transmitir diferentes tipos de datos. Las
estaciones de radio transmiten voz y música por medio de señales analógicas, mientras que las redes de amplio
alcance y algunas redes metropolitanas utilizan también señales analógicas para transmitir datos digitales
(como las microondas). En las redes locales se transmiten en forma digital tanto datos como voz y vídeo.
La modulación es el proceso por el cual las características del medio de transmisión se modifican para
representar una señal analógica codificada de tal forma que puedan viajar grandes distancias.
La codificación es un proceso por el cual las características de una señal analógica son discretizadas
para que dicha señal sea transmitida y procesada por una computadora.
3. MODULACION Y CODIFICACION
3.2. DATOS DIGITALES – SEÑALES DIGITALES
Ahora se describirán los formatos usados para codificación de datos digitales usando señales digitales
y, en particular, señales binarias. En estos formatos se utilizan solamente 2 niveles de voltaje y cada bit dura el
mismo tiempo en transmisión (Tb segundos).
NRZ - L
Uno de los formatos más simples conocidos como NRZ - L (non return to zero-level), utiliza un nivel de
voltaje positivo (+V) para representar un 1 y un nivel de voltaje negativo (-V) para representar un cero.
NRZ - I
El formato NRZ - I (non retum to zero, invert on ones) utiliza los cambios de voltaje al inicio de la
transmisión del bit para representar los unos y la ausencia de cambio de voltaje para representar los
ceros. Este formato es de tipo diferencial.
Manchester
En el formato Manchester cada periodo de bit se divide en dos intervalos. Un bit binario con valor 1 se
envía con un voltaje alto durante el primer intervalo y bajo durante el segundo. Un bit binario de valor 0
se envía con un voltaje bajo durante el primer intervalo y alto durante el segundo. La desventaja es que
requiere el doble de ancho de banda dado que los pulsos tiene la mitad del ancho pero proporciona un
excelente sincronismo.
Manchester Diferencial
Uno de los formatos más utilizados es el Manchester Diferencial este es una variación del anterior, pues
un bit con valor 1 se indica por la ausencia de transición al inicio del intervalo y un bit con valor 0 se
indica por la presencia de una transición al inicio del intervalo. En ambos casos existe una transición en
la parte media.
Existen otros formatos de codificación además de los ya mencionados. Los formatos Manchester y
Manchester Diferencial son del tipo bifásico, cuya característica principal es la posibilidad de incluir una señal de
sincronización (reloj) la cual va con los datos, garantizando así una transición por bit, no que no sucede con los
comandos NRZ-L y NRZI. Estos formatos bifásicos utilizan mayor ancho de banda que los otros formatos,
debido a que tienen un mayor número de cambios de nivel de voltaje por bit.
Los formatos diferenciales como el Manchester Diferencial y NRZI tienen la ventaja de que la polaridad
de la señal no influya para la correcta detección de los datos, ya que se basan en las transiciones de voltaje,
independientemente de que esta sean positivas o negativas. Otra ventaja de los formatos bifásicos es que no
tienen componentes de corriente directa, lo cual les permite tener acoplamientos a través de transformadores
para aislamiento eléctrico.
Los formatos NRZ-L y NRZ son poco utilizad os para comunicaciones ya que tienen problemas de
sincronización y además tienen un componente de corriente directa. Son más utilizados para grabación en
medios magnéticos.
Componente de corriente directa significa que existe un promedio en el voltaje diferente de cero. En
teoría el voltaje debe oscilar entre un nivel positivo y, otro negativo, -5 +5 por ejemplo, lo cual da un promedio
de cero. Sin embargo, puede suceder que existan mas símbolos de un nivel que de otro. Esto tiene como
consecuencia un efecto acumulativo que hace que la señal se vaya desplazando en los niveles de señalización
(-5,+5,+5,-4,+6,-3,+7 ... ) haciendo difícil su detección.
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3.3. DATOS DIGITALES – SEÑALES ANALOGICAS
Al principio, el uso de señales analógicas para transmitir datos digitales se debió al empleo de líneas
telefónicas para comunicar equipos de computo. Las líneas telefónicas fueron diseñadas para transmitir señales
analógicas (voz) cuyo intervalo de frecuencias varía entre 300 y 3300 Hertz.
Los dispositivos que se utilizan para la transmisión y la recepción de señales en líneas telefónicas son
llamados Módems (modulator - demodulator). La comunicación en este caso se realiza utilizando una señal
senoidal pura como señal portadora, a la cual se le modula alguno de sus tres parámetros:
Amplitud
En la modulación de amplitud o ASK (Amplitude - Shift Keying), la amplitud de la señal portadora se
adecua a la señal digital de la siguiente forma:
S(t) = A cos (2*3.14159 fct) ? 1 binario
S(t) = 0 ? 0 binario
Frecuencia
La modulación de frecuencia o FSK (Frecuency - Shift Keying) modula, como su nombre lo indica, la
frecuencia de la señal portadora, utilizando una frecuencia f1 para transmitir un cero y una frecuencia f2
para transmitir un uno. La amplitud de la señal se mantiene constante.
S(t) = A cos (2*3.14159 f2t) ? 1 binario
S(t) = A cos (2*3.14159 f1t) ? 0 binario
Fase
En la modulación de fase o PSI (Phase - Shift Keying), la señal digital se usa para adecuar la fase de la
señal portadora, manteniéndose constantes su amplitud y su frecuencia.
S(t) = A cos (2*3.14159 fct + 3.14159) ? 1 binario
S(t) = A cos (2*3.14159 fct) ? 0 binario
En líneas telefónicas normales, la modulación de amplitud se usa hasta 1200 bits por segundo. Los
otros tipos de modulación pueden usarse con seguridad hasta 2400 bits por segundo. La frecuencia de la señal
portadora sirve en este caso para realizar la sincronización entre el transmisor y el receptor.
Los Módems que transmiten datos en líneas telefónicas normales, cuyo ancho de banda es de 3400
Hertz, a velocidades mayores utilizan combinaciones de modulación en amplitud y en fase. Por ejemplo, un
módem que transmite a 9600 bits por segundo sobre una portadora de 2400 Hertz, utiliza tres amplitudes y
doce fases diferentes. Esto da como resultado treinta y seis combinaciones posibles, sin embargo, solamente
son válidas dieciséis de ellas. En dieciséis combinaciones se pueden codificar cuatro bits en cada una por cada
ciclo de la portadora, lo cual equivale a 2400*4=9600 bits por segundo.
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3.4. DATOS ANALOGICOS – SEÑALES DIGITALES
Para transmitir datos analógicos utilizando señales digitales primero es necesario digitalizar el dato
analógico, para lo cual se realizan los siguientes pasos:
Muestrear la señal analógica
La señal analógica, que presenta al dato analógico, debe muestrearse a una frecuencia que sea al
menos el doble del máximo contenido de frecuencia de la señal analógica, de acuerdo con el teorema
del muestreo (Teorema de Nyquist o Teorema de Shannon). En la practica se muestrea a un frecuencia
mayor al doble.
Cuantización de la señal muestreada
Debido a que los datos digitales solamente pueden tomar numero finito de valores diferentes y los datos
analógicos pueden tomar un numero infinito de valores dentro de un cierto intervalo, es necesario
asignar un valor finito a la muestra de la señal, tomando el valor más cercano
Codificación del valor cuantizado en un patrón de bits
Una vez que sé a asignado un valor discreto, o nivel, al valor muestreado, es necesario codificar este
valor en bits. Si se van a utilizar N bits para codificar el valor discreto, entonces se pueden tener
solamente 2n valores discretos.
Los dispositivos comerciales que realizan las tres funciones descritas se conocen como convertidores
analógicos - digitales o DAC (Digital to Analog Converter). Una vez que se tienen los datos digitalizados, es
decir, que están representados en un cierto patrón de bíts; estos bits se pueden transmitir utilizando cualquiera
de la técnicas mencionadas anteriormente para transmitir datos digitales.
Por ejemplo, en telefonía digital se toman muestras de la señal de voz, cuyo máximo de frecuencia se
supone que es de 3300 Hertz, a una razón de 8000 muestras por segundo. Cada muestra se codifica en los
puntos lo cual permite tener 256 valores de cuantización diferentes. Para transmitir la voz a tiempo real se
necesita enviar 64000 bits por segundo, es decir, 8 x 8000.
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3.5. DATOS ANALOGICOS – SEÑALES ANALOGICAS
Este tipo de comunicación es quizás él mas conocido por su antigüedad. Las estaciones de radio de AM
y FM utilizan estas técnicas para transmitir señales de audio. Existen tres técnicas básicas de modulación, de
acuerdo con el parámetro de la señal portadora que se desea modular:
La señal que contiene la información y que se utiliza como señal moduladora se denominara m(t) y la
señal portadora es una curva senoidal simple descrita por:
c(t) = Ac Cos (2pfct)
Donde:
Ac es la amplitud
f la frecuencia
t el tiempo
p es igual a pi.
Modulación de la amplitud
La señal modulada s(t) esta determinada por: s(t)= Ac (l+ ka m(t) ) Cos (2pfct)
Modulación de la frecuencia
La señal modulada s(t) esta determinada por: s(t) = Ac Cos (2p (fc + kf m(t) ) t )
Modulación de la fase
La señal modulada s(t) esta determinada por: s(t) = Ac Cos (2pfct + kf m(t))
Donde:
ka es una constante.
La modulación de la amplitud es más sensible al ruido de los otros dos tipos de modulación, debido a
que este afecta mas fácilmente la amplitud de la señal que su frecuencia o su fase.
Las modulaciones de frecuencia y fase son mucho más inmunes al ruido y mantienen la potencia de la
señal portadora constante, independientemente de la señal moduladora; sin embargo, necesitan un mayor
ancho de banda para su transmisión que la señal equivalente modulada en amplitud.
Espero les sirva, exitos
