señal analógica: ▪ puede tomar cualquier valor de amplitud. ▪ variación continua de amplitud...
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Señal analógica: ▪ puede tomar cualquier valor de amplitud. ▪ variación continua de amplitud en el tiempo▪ normalmente la señal obtenida por el transductor es analógica
Señal digital:▪ sólo toma un numero finito de amplitudes▪ usualmente cambia la amplitud en instantes espaciados uniformemente▪ se adapta muy bien a la lógica binaria
Señales analógicas y digitales
La señal analógica no se podrá reconstruir La señal digital sí se puede regenerar
Efecto del ruido sobre la señal
Espectro de una señal
Instrumentos que reproducen la misma nota suenan distinto, ¿por qué?
Flauta, clarinete, oboe y saxofón reproduciendo una nota C en la menor (256 Hz)
Análisis espectral
Instalación empleada
Presentación en un analizador de espectros
Zoom efectuado en la representación del analizador de espectros
Representación tridimensional
Tono puro
Un tono puro es una señal sinusoidal de una amplitud y una frecuencia determinada
Las señales complejas formadas por combinación de diferentes señales sinusoidales forman un espectro discreto.
Espectro discreto
Las señales complejas formadas por combinación de infinitas señales sinusoidales tienen un espectro continuo. Éste es el caso, por ejemplo, de la señal de voz.
Espectro continuo
Representación espectral de dos notas idénticas: un RE de 293,7 Hz, producidas por un violín y una flauta. El contenido armónico de cada nota define el timbre y permite distinguir los instrumentos entre sí.
Descomposición armónica de un sonido explica por qué suenan distintos aún reproduciendo la misma nota: series de Fourier
Series de Fourier
Series de Fourier
Cualquier onda compleja de frecuencia f0 está formada por una combinación de ondas sinusoidales de frecuencias f, 2f, 3f, 4f, ... (esto es en síntesis el teorema de Fourier). La onda sinusoidal de frecuencia f coincide con la frecuencia de la señal compleja y se llama componente fundamental o primer armónico. Las demás señales sinusoidales puras que componen la onda se denominan armónicos: la de 2f se denomina segundo armónico, la de 3f es el tercer armónico, etc. Los armónicos de un sonido de una frecuencia determinada o fundamental se definen como las ondas que la acompañan y cuyas frecuencias son múltiplos de la fundamental.
Se dice que un sonido es rico en armónicos o bien timbrado cuando la onda fundamental está acompañada por el mayor número de armónicos.
Con el análisis de Fourier, se puede demostrar que cualquier señal está constituida por componentes sinusoidales de distintas frecuencias.
Toda señal puede representarse de dos formas:● en el dominio del tiempo: la amplitud de la señal en cada instante● en el dominio de la frecuencia: la amplitud de las frecuencias constitutivas de la señal. El espectro es el conjunto de frecuencias que la constituyen.
El ancho de banda de una señal es la anchura del espectro.
Ancho de banda
Para señales analógicas, el ancho de banda es la longitud, medida en Hz, del rango de frecuencias en el que se concentra la mayor parte de la potencia de la señal. Puede ser calculado a partir de una señal temporal mediante el análisis de Fourier.
En conexiones a Internet, el ancho de banda es la cantidad de información que se puede enviar a través de una conexión de red en un período de tiempo dado. El ancho de banda se indica generalmente en bits por segundo (bps).
Representación muy simplificada del teorema de Fourier
Contenido espectral de una onda
Análisis y síntesis de Fourier
Algunas señales de interés
A) Espectro de una señal vocal
Variación temporal y espectral de una señal vocal
Espectro de una voz femenina
B) Espectro de una señal musical
http://soundcloud.com/brisance/nbst
Fundamental y armónicos de diversos instrumentos musicales
Rango espectral de instrumentos musicales
Se pueden manipular todos los parámetros de la señal
B) Espectro de una señal cuadrada
Espectro de una señal cuadrada periódica
http://www.westga.edu/~jhasbun/osp/Fourier.htm
Algunos espectros de señales de
radiofrecuencia
ejemplo de observación en el medidor de espectros (corresponde a un canal de TV analógico)
ejemplo de observación en el medidor de espectros (corresponde a un canal de radio AM en onda media)
Modulación y demodulación
Esquema básico de transmisor y receptor
Modulación y demodulación
Se denomina modulación al proceso de colocar la información contenida en una señal, generalmente de baja frecuencia, sobre una señal de alta frecuencia.
Debido a este proceso la señal de alta frecuencia denominada portadora, sufrirá la modificación de alguna de sus parámetros, siendo dicha modificación proporcional a la amplitud de la señal de baja frecuencia denominada moduladora. A la señal resultante de este proceso se la denomina señal modulada y es la señal que se transmite.
Demodulación es el proceso mediante el cual se recupera la señal de datos de una señal modulada.
En telecomunicaciones, la modulación es la operación por la que una señal portadora varía alguna de sus características en función del mensaje que se quiere enviar, que se denomina señal moduladora, para dar lugar a la señal modulada, que es la que se transmite.
Las ventajas de la modulación son varias:- facilita la PROPAGACIÓN de la señal de información por cable o por el aire- reduce el ruido y las interferencias- ordena el RADIOESPECTRO, distribuyendo canales a cada información distinta- permite la multicanalización
La modulación es la alteración sistemática de una onda portadora de acuerdo con el mensaje (señal modulada) y puede ser también una codificación" "Las señales de banda base producidas por diferentes fuentes de información no son siempre adecuadas para la transmisión directa a través de un a canal dado. Estas señales son en ocasiones fuertemente modificadas para facilitar su transmisión."
Razones por la que es necesaria la modulación
1) Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora, no será posible reconocer la información útil contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales transmitidas por diferentes usuarios.2) A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee.3) Se aprovecha mejor el espectro electromagnético, ya que permite la multiplexación por frecuencias4) En caso de transmisión inalámbrica, las antenas tienen medidas más razonables.
En resumen, la modulación permite aprovechar mejor el canal de comunicación ya que posibilita transmitir más información en forma simultánea por un mismo canal y/o proteger la información de posibles interferencias y ruidos.
Razones por la que es necesaria la modulación
1) Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora, no será posible reconocer la información útil contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales transmitidas por diferentes usuarios.2) A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee.3) Se aprovecha mejor el espectro electromagnético, ya que permite la multiplexación por frecuencias4) En caso de transmisión inalámbrica, las antenas tienen medidas más razonables.
En resumen, la modulación permite aprovechar mejor el canal de comunicación ya que posibilita transmitir más información en forma simultánea por un mismo canal y/o proteger la información de posibles interferencias y ruidos.
Ventajas del proceso modulación-demodulación
● Facilita la PROPAGACIÓN de la señal de información por cable o por el aire● Ordena el RADIOESPECTRO, distribuyendo distintos canales a cada información● Disminuye DIMENSIONES de antenas● Optimiza el ancho de banda de cada canal● Evita interferencia entre canales● Protege a la Información de las degradaciones por RUIDO● Define la CALIDAD de la información trasmitida
Moduladora Analógica Digital
Portadora
AnalógicaAM ASK
FM FSK
PM PSK
Digital PAM
PCMPDM
PPM
Tipos de modulación
Tipos de modulaciones y codificaciones
Modulaciones analógicas: a) moduladora, b) portadora, c) AM, d) FM, e) PM
▪ modulación de amplitud: se varía la amplitud de la onda portadora proporcionalmente al valor de la amplitud de la señal moduladora
▪ modulación de frecuencia: el parámetro que se varía en función de la amplitud de la señal moduladora es la frecuencia de la señal portadora
▪ modulación de fase: consiste en variar la fase instantánea de la señal portadora en función de la amplitud de la señal moduladora
Modulaciones digitales: a) moduladora, b) portadora, c) ASK, d) FSK, e) PSK de dos niveles
▪ ASK, modulación por desplazamiento de amplitud: asigna dos amplitudes distintas de la señal portadora a los dos valores binarios de la señal moduladora
▪ FSK, modulación por desplazamiento de frecuencia: consiste en modificar la frecuencia de la señal portadora de manera que se transmitan dos valores diferentes de frecuencia, correspondientes cada uno a un valor de la señal binaria a transmitir
▪ PSK, modulación por desplazamiento de fase: se varía la fase de la señal portadora para representar la información digital a transmitir. Existen varios tipos de modulación PSK, según el número de fases diferentes de la portadora que se utilicen; dicho número de fases determinará el número de bits que se transmiten en un mismo intervalo
Modulación analógica de señales analógicas
Modulación AM
Modulación AM
Amplitud modulada (AM) o modulación de amplitud es un tipo de modulación que consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de forma que ésta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.
Modulador AM
Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud.
Señal de AM observada en el osciloscopio
Espectro de la portadora
Espectro de la moduladora
Espectro de la modulada
Espectros en la modulación AM con un tono
Espectros en AM con una señal de banda limitada
http://demonstrations.wolfram.com/AmplitudeModulation/
Bandas laterales
Índice de modulación
Índice de modulación: <1, =1 y sobremodulación
1. AM
2. Doble banda lateral, DBL
Double Sideband, DSB
3. Banda lateral única, BLU
Resumen modulación AM
http://demonstrations.wolfram.com/AmplitudeModulation/
Modulador AM
Receptor AM en Onda media
Modulación FM
La mayor diferencia práctica entre ambas es el ruido.
En el gráfico vemos perfectamente una señal sin ruido y la misma con el ruido. Si estamos utilizando AM es evidente que el ruido va a ser un problema grave, ya que afecta a la amplitud directamente, que es donde tenemos la información. En FM en cambio el ruido influye menos ya que lo que vamos a medir son los cambios de frecuencia. Entonces, ¿por qué seguir utilizando AM? Porque es barata, así de fácil. Demodular una señal en AM es muy sencillo y muy barato. Los moduladores y demoduladores de FM son bastante más caros y complejos en comparación
Comparación entre AM y FM
Modulación PM
En este caso el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo a señal moduladora es la fase.
La modulación de fase (PM) no es muy utilizada, principalmente por que se requiere de equipos de recepción más complejos que en FM y puede presentar problemas de ambigüedad para determinar la fase.
Modulación analógica de pulsos
Modulación ASK
Modulación ASK (Amplitude Shift Keying)
Asigna a cada valor de la señal moduladora (0 o 1) una amplitud determinada de la portadora, manteniendo constantes la frecuencia y la fase. No se utiliza ya que es muy sensible a los ruidos e interferencias. Además, su velocidad máxima de transmisión es 1.200 bps. Esta dificultad desparece en los enlaces de fibra óptica.
Modulación FSK
Modulación FSK (Frequency Shift Keying)
Asigna a cada valor de la señal moduladora (0 o 1) una frecuencia determinada de la portadora, manteniendo constantes la amplitud y la fase. La velocidad está limitada a 2.400 bps. Es el sistema ideal para operar a baja velocidad, sin embargo tiene una desventaja: el gran ancho de banda que consume.
Frecuencias utilizadas en el modem Bell 103
Cumplía la recomendación V.21, funcionando en modo dúplex. Empleaba modulación FSK asignando frecuencias distintas a los 0s y a los 1s de la comunicación ordenador-red (“originater”) y a los bits de la comunicación red-ordenador (“answer”)
Modulación PSK
Modulación PSK (Phase Shift Keying)
Asigna a cada valor de la señal moduladora (0 o 1) un ángulo de fase diferente, manteniendo constantes la amplitud y la frecuencia. Sólo se puede utilizar en sistemas síncronos, ya que no se podría detectar la fase con sistemas asíncronos. Es el método más eficiente para transmitir datos binarios en presencia de ruido; la desventaja es que el diseño del emisor y receptor se complica extraordinariamente.
Ejemplos de modulaciones ASK, FSK y PSK
Modulación BPSK
La modulación BPSK (Binary Phase Shift Keying) es la PSK más simple: cada bit se codifica con una fase diferente.
Modulación DPSK
En la modulación DPSK (Diferential Phase-Shift Keying) cada estado se codifica mediante un cambio de fase que se produce en la señal cuando se cambia de un bit al siguiente; los cambios de fase se obtienen en función de la fase que tenía la señal en el estado anterior. Con este sistema se garantiza que para cada bit transmitido habrá un cambio, con lo que se facilita la sincronización del reloj del receptor.
DPSK se utiliza en transmisiones a 1.200 baudios, pero admite una serie de variantes que permiten aumentar la velocidad de transmisión.
Modulación QPSK
La modulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) divide los datos en 2 bits (dibit) y cada bit se codifica como un cambio de fase de la portadora con respecto a la fase del símbolo anterior.
Modulación QPSK
Modulación QAM
En modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) se aplica una combinación de modulación de fase DPSK y de amplitud ASK, utilizándose para mejorar la eficiencia de los sistemas de transmisión de datos. Este tipo de modulación forma conjuntos de 3 bits (tribit) con los que se obtiene una portadora con 8 estados de fase y amplitud.
Modulación QAM de 16 puntos
Una modulación muy utilizada es la que combina la modulación ASK y la PSK, dando lugar a la modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Para su representación se emplean las llamadas constelaciones sobre los ejes I-Q. El eje I es el que está en fase y el Q el que está en cuadratura.
En la figura se muestra una constelación con 16 puntos. A cada punto de la constelación se le asocia un código, de manera que para este caso en concreto, cada punto está asociado con 4 bits.
Constelación 16 QAM
Constelación 64 QAM
Modulación por pulsos
Consiste en tomar muestras de la señal moduladora a intervalos regulares, de modo que el receptor a través de dichas muestras pueda reconstruir la señal original.
En modulación, la información no está contenida en toda la señal moduladora, sino que está codificada en forma digital a partir de un muestreo adecuado.
En la demodulación, en general, es suficiente con detectar la existencia o no de un pulso.
En la modulación, algún parámetro del pulso varía de acuerdo al valor de la muestra.
Modulación por pulsos
Modulación PAM
La señal de muestreo es una sucesión de pulsos unipolares, cuyas amplitudes son proporcionales a los valores muestra instantáneos del mensaje.
Modulación de pulsos por amplitud (PAM: Pulse Amplitude Modulation)
La modulación PAM como método de muestreo de señales analógicas
Modulación PDM
Modulación de pulsos en duración (PDM: Pulse During Modulation)
La duración del pulso es proporcional a la amplitud de la muestra
También se denomina modulación por anchura de pulsos (PWM: Pulse Width Modulation)
En la práctica se fija un flanco del pulso y se modula el otro flanco, con lo que se obtienen pulsos de distinta duración y espaciamiento variable; ello implica que el análisis espectral es matemáticamente muy complicado.
Cómo se efectúa la modulación PDM
Modulación PPM
Modulación de pulsos en posición (PPM: Pulse Position Modulation)
PPM se obtiene a partir de PDM
El proceso es el siguiente:
Tengamos una secuencia de pulsos modulados en duración, diferenciamos a los mismos y se los invierte, obteniéndose la siguiente figura:El principal uso de PPM es debido a que es más eficiente la generación y detección de los pulsos modulados en comparación en PDM. Esto es debido a que la información reside en la ubicación en el tiempo de los flancos de los pulsos y no en los pulsos en sí mismos. Por ello se generan pulsos de corta duración en los cuales sólo es importante la posición de los mismos.
http://www.academy.rpi.edu/projects/ccli/module_launch.php?ModulesID=9
PAM, PDM y PDM
Modulación PCM
Proceso de digitalización de una señal analógica