MODULACION DE DESPLAZAMIENTO DE AMPLITUD

( ASK )

La modulación por desplazamiento de amplitud, en inglés Amplitude-shift keying (ASK), es

una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales como variaciones

de amplitud de la onda portadora en función de los datos a enviar.

La amplitud de una señal portadora analógica varía conforme a la corriente de bit

(modulando la señal), manteniendo la frecuencia y la fase constante. El nivel de amplitud

puede ser usado para representar los valores binarios 0s y 1s. Podemos pensar en la

señal portadora como un interruptor ON/OFF. En la señal modulada, el valor lógico 0 es

representado por la ausencia de una portadora, así que da ON/OFF la operación de

pulsación y de ahí el nombre dado.

Como la modulación AM, ASK es también lineal y sensible al ruido atmosférico,

distorsiones, condiciones de propagación en rutas diferentes en la PSTN, entre otros

factores. Esto requiere una amplitud de banda excesiva y es por lo tanto un gasto de

energía. Tanto los procesos de modulación ASK como los procesos de demodulación son

relativamente baratos. La técnica ASK también es usada comúnmente para transmitir

datos digitales sobre la fibra óptica. Para los transmisores LED, el valor binario 1 es

representado por un pulso corto de luz y el valor binario 0 por la ausencia de luz. Los

transmisores de láser normalmente tienen una corriente "de tendencia" fija que hace que

el dispositivo emita un nivel bajo de luz. Este nivel bajo representa el valor 0, mientras una

onda luminosa de amplitud más alta representa el valor binario1.

CODIFICACION:

La forma más simple y común de ASK funciona como un interruptor

que apaga/enciende la portadora, de tal forma que la presencia de portadora indica

un 1 binario y su ausencia un 0. Este tipo de modulación por desplazamiento on-off es el

utilizado para la transmisión de código Morse por radiofrecuencia, siendo conocido el

método comooperación en onda continua.

Para ilustrar mejor el tema del interruptor en el modulado ASK se puede ilustrar de la

siguiente manera:

Señal coseno de amplitud = 0 por lo que en este estado se encontrará en estado 0

Señal coseno de amplitud = 1 por lo que en este estado se encontrará en estado 1

Otros procedimientos más sofisticados de codificación operan sobre la base de utilizar

distintos niveles de amplitud, de forma que cada nivel representa un grupo de datos

determinado. Por ejemplo, un esquema de codificación que utilice cuatro niveles puede

representar dos bits con cada cambio de amplitud; uno con ocho niveles puede

representar tres bits y así sucesivamente. Esta forma de operación requiere una

alta relación señal/ruido en el medio de transmisión para una correcta recuperación de la

información en recepción, por cuanto gran parte de la señal es transmitida a baja

potencia.

En este caso la señal moduladora vale

Mientras que el valor de la señal de transmisión (señal portadora) es dado por

vp(t) = Vp sen(2π fp t)

Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.

Como es una modulación de amplitud, la señal modulada tiene la siguiente expresión

v(t) = Vp vm(t)sen(2π fp t) como ya vimos en la señal moduladora vm(t) al ser una señal

digital toma únicamente los valores 0 y 1, con lo cual la señal modulada resulta

La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera

Debido a que la señal moduladora es una secuencia periódica de pulsos, su espectro de

frecuencias obtenido por medio del desarrollo en serie compleja de Fourier tiene la

característica de la función sen x/x.

Este caso es similar a la modulación de amplitud para señales analógicas, o sea que se

produce un desplazamiento de frecuencias, que en este caso traslada todo el espectro de

frecuencias representativo de la secuencia de pulsos periódicos.

Por lo tanto concluimos que el ancho de banda necesario para esta transmisión es mayor

que el requerido para modulación de amplitud, debido a que la cantidad de señales de

frecuencias significativas (las del primer tramo) que contiene el espectro, dependiendo

dicha cantidad de la relación entre el período y el tiempo de duración de los pulsos.

En un sistema de comunicaciones digital la forma de onda moduladora será de la forma de una onda cuadrada, o un tren de impulsos. ASK es una forma de modulación de amplitud donde la portadora es modulada por el tren de impulsos. Esta modulación puede estar entre dos niveles de amplitud o, más usualmente, intercambiando la portadora entre presente y ausente, conocido como encendido y apagado (on y off). Esto es conocido como ASK on-off, o clave on-off  Si la forma de onda moduladora no es una sinusoide pero es una onda cuadrada, o un tren de impulsos, utilizando 00K la ecuación se hace durante un periodo y cero en otra parte

Las señales digitales pueden ser transmitidas sobre canales de baja frecuencia, tal como circuitos de telefonía, o líneas directamente acopladas. Esto es referido como transmisión banda base. Sin embargo, la comunicación digital de ningún modo esta confinada a tales

circuitos y puede haber ventajas económicas y técnicas al utilizar canales de alta frecuencia para la transmisión de señales digitales. Por ejemplo, puede ser requerida para enviar diferentes mensajes por el mismo circuito simultáneamente, o para cubrir largas distancias por un enlace de radio.

Esto puede ser logrado por el proceso de modulación, en el cual la amplitud, frecuencia, o la fase de una señal de alta frecuencia, conocida como la portadora, es alterada de acuerdo con los datos digitales. En el receptor, la señal de alta frecuencia de entrada es demodulada para restaurar el mensaje a su forma original. El desplazamiento de amplitud (ASK) provee la forma más directa de modulación para señales digitales.

En su forma más simple la portadora es ‘afinada es decir, que es cambiada on y off (encendido — apagado) por períodos establecidos para ajustar con el patrón de bits de la señal moduladora. De este modo la información es transmitida como una onda discontinua, como se muestra a continuación en la figura:

MODULACION ASK

 

En ASK, la frecuencia de portadora es constante y la componente de portadora es de amplitud constante durante el período on. Ninguna información es llevada en la portadora; ya que diferentes patrones de bits de datos dan diferentes, cantidades de tiempo ‘on’ para la portadora, los espectros de estos patrones mostrarán diferentes magnitudes de portadora. También, como los patrones de bits de datos cambian, las frecuencias de los componentes de las bandas laterales cambiarán.

 Modulador ask

 El sistema de modulación que presentamos se compone de las siguientes etapas: generador de señal moduladora, generador de señal portadora, circuito modulador, amplificador y sistema de transmisión, como lo muestra la figura

ESQUEME DE UN MODULADOR ASK

A partir de los datos básicos del proceso de modulación en ASK, tenemos que producir una señal de salida que se encuentre en función de ello. En principio, podemos observar que de la ecuación 1, la relación es lineal, y si contamos con una señal digital que varíe entre n estados (para el análisis matemático hemos recurrido a una señal de dos estados) la amplitud de la señal a transmitir de igual forma será proporcional de tal manera que una simple convolución entre ambos será más que suficiente para cumplir con las condiciones totales del sistema de forma que gráficamente podemos representarlo como

Ventajas de la modulación ASK

 1. La fuerza de la señal portadora varia para representar valores

Binarios (1 o O).

2. Frecuencia y fase permanecen constar mientras la amplitud cambia.

3. La amplitud pico de la señal durante la duración de cada bit es

Constante y su valor depende del estado del bit (1 o O).         

 Desventajas de la modulación ASK

 1. La velocidad de transmisión usando ASK esta limitada por las características físicas del medio de transmisión.

2. La transmisión ASK es altamente susceptible a la interferencia del ruido. Es quizás el método más afectado por el ruido.

MODULACION POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA (FSK)

La modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK —del inglés Frequency Shift

Keying— es una técnica de modulación para la transmisión digital de información

utilizando dos o más frecuencias diferentes para cada símbolo.1 La señal moduladora solo

varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde uno

representa un "1" o "marca" y el otro representa el "0" o "espacio".

En la modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del modulador se le

llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo(bps).

A la relación de cambio a la salida del modulador se le llama baud-rate. En esencia

el baud-rate es la velocidad o cantidad de símbolos por segundo.

En FSK, el bit rate = baud rate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con

una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2.

El módem usa un VCO, que es un oscilador cuya frecuencia varía en función del voltaje

aplicado.

TRANSMISIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA (FSK)

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

v(t) = V c cos [ ( w c + v m(t) D w / 2 )t ] (1)

donde v(t) = forma de onda FSK binaria

V c = amplitud pico de la portadora no modulada

w c = frecuencia de la portadora en radianes

v m(t) = señal modulante digital binaria

D w = cambio en frecuencia de salida en radianes

De la ecuación 1 puede verse que con el FSK binario, la amplitud de la portadora V c se mantiene constante con la modulación. Sin embargo, la frecuencia en radianes de la portadora de salida ( w c) cambia por una cantidad igual a ± D w/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 +1 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 v m(t). Por tanto, la frecuencia de la portadora de salida se desvía entre ( w c + D w/2) y ( w c - D w/2) a una velocidad igual a f m (la frecuencia de marca).

Transmisor de FSK

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 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. Un transmisor de FSK binario sencillo se muestra en la figura l.

FIGURA 1

Consideraciones de ancho de banda del FSK

FIGURA 2

La figura 2 muestra un modulador de FSK binario que a menudo son osciladores de voltaje controlado (VCO). El más rápido cambio de entrada ocurre, cuando la entrada binaria es una onda cuadrada. En consecuencia, si se considera sólo la frecuencia fundamental de entrada, la frecuencia modulante más alta es igual a la mitad de la razón de bit de entrada.

La frecuencia de reposo del VCO se selecciona de tal forma que, cae a medio camino, entre las frecuencias de marca y espacio. Una condición de 1 lógico, en la entrada, cambia el VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de marca; una condición de 0 lógico, en la entrada, cambia cl VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de espacio. El índice de modulación en FSK es

MI = Df / f a (2)

donde MI = índice de modulación (sin unidades)

Df = desviación de frecuencia (Hz)

f a = frecuencia modulante (Hz)

El peor caso, o el ancho de banda más amplio, ocurre cuando tanto la desviación de frecuencia y la frecuencia modulante están en sus valores máximos. En un modulador de FSK binario, Df es la desviación de frecuencia pico de la portadora y es igual a la diferencia entre la frecuencia de reposo y la frecuencia de marca o espacio. La desviación

de frecuencia es constante y, siempre, en su valor máximo. f a es igual a la frecuencia fundamental de entrada binaria que bajo la condición del peor caso es igual a la mitad de la razón de bit (f b). En consecuencia, para el FSK binario,

FIGURA 3

donde ï f m - f s ï/ 2 = desviación de frecuencia

f b = razón de bit de entrada

f b /2 = frecuencia fundamental de la señal de entrada binaria

En un FSK binario el índice de modulación, por lo general, se mantiene bajo 1.0, produciendo así un espectro de salida de FM de banda relativamente angosta. Debido a que el FSK binario es una forma de modulación en frecuencia de banda angosta, el mínimo ancho de banda depende del índice de modulación. Para un índice de modulación entre 0.5 y 1, se generan dos o tres conjuntos de frecuencias laterales significativas. Por tanto, el mínimo ancho de banda es dos o tres veces la razón de bit de entrada.

Receptor de FSK

El circuito que más se utiliza para demodular las señales de FSK binarias es el circuito de fase cerrada (PLL), que se muestra en forma de diagrama a bloques en la figura 3. Conforme cambia la entrada de PLL entre las frecuencias de marca y espacio, el voltaje de error de cc a la salida del comparador de fase sigue el desplazamiento de frecuencia. Debido a que sólo hay dos frecuencias de entrada (marea y espacio), también hay sólo

dos voltajes de error de salida. Uno representa un 1 lógico y el otro un 0 lógico. En consecuencia, la salida es una representación de dos niveles (binaria) de la entrada de FSK. Por lo regular, la frecuencia natural del PLL se hace igual a la frecuencia central del modulador de FSK. Como resultado, los cambios en el voltaje de error cc, siguen a los cambios en la frecuencia de entrada analógica y son simétricos alrededor de 0 V.

Transmisión de desplazamiento mínimo del FSK:

La transmisión de desplazamiento mínimo del FSK (MSK), es una forma de transmitir desplazando la frecuencia de fase continua (CPFSK). En esencia, el MSK es un FSK binario, excepto que las frecuencias de marca y espacio están sincronizadas con la razón de bit de entrada binario. Con MSK, las frecuencias de marca y espacio están seleccionadas, de tal forma que están separadas de la frecuencia central, por exactamente, un múltiplo impar de la mitad de la razón de bit [f m y f s = n( f b / 2 ), con n = entero impar]. Esto asegura que haya una transición de fase fluida, en la señal de salida analógica, cuando cambia de una frecuencia de marca a una frecuencia de espacio, o viceversa.

Sin embargo, a la modulación FSK no le afecta el ruido aditivo del canal, dado que la

señal modulada codifica la información con los cambios de frecuencia, es decir, el

receptor sólo tiene que contar el número de cruces por cero de la señal que recibe. Por

tanto, suprime el ruido simplemente recortando la amplitud de la señal FSK, sin que ello

afecte a la información.

Sólo cuando el nivel de ruido es tan alto que llega a forzar el paso por cero de la señal, es

cuando se producen errores. Esto es tanto como suponer que S/N = 0dB, es decir, S = N.

El comportamiento frente al ruido de las señales moduladas en frecuencia es mucho

mejor que el de las señales moduladas en amplitud, pero a cambio, el ancho de banda de

las señales FM es mayor que el de las señales AM.

FSK DE BANDA REDUCIDA

Es una variante de FSK que se obtiene cuando la variación de frecuencia de la señal

modulada da como resultado una diferencia de fase menor que π/2. El índice de

modulación es pequeño. Su espectro de frecuencias es similar al de ASK. Se diferencian

en que la amplitud de las armónicas se ve afectada por la frecuencia, superponiéndose a

la FSK. Existe una coincidencia entre el ancho de banda necesario para ASK y para FSK

de banda reducida.