Modulación de señal

Las técnicas de modulación digital más fundamentales se basan en la conmutación : ^{[ 12 ]}

• PSK (modulación por desplazamiento de fase) : se utiliza un número finito de fases.
• FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia) : se utiliza un número finito de frecuencias.
• ASK (modulación por desplazamiento de amplitud) : se utiliza un número finito de amplitudes.

En la modulación de amplitud en cuadratura (QAM), una señal en fase (o I, por ejemplo, una onda coseno) y una señal en cuadratura (o Q, por ejemplo, una onda sinusoidal) se modulan en amplitud con un número finito de amplitudes y luego se suman. Puede considerarse como un sistema de dos canales, cada uno utilizando ASK. La señal resultante es equivalente a una combinación de PSK y ASK.

En todos los métodos mencionados, a cada una de estas fases, frecuencias o amplitudes se le asigna un patrón único de bits binarios . Generalmente, cada fase, frecuencia o amplitud codifica un número igual de bits. Este número de bits conforma el símbolo representado por dicha fase, frecuencia o amplitud.

Si el alfabeto consta de${\displaystyle M=2^{N}}$Símbolos alternativos, cada símbolo representa un mensaje que consta de N bits. Si la tasa de símbolos (también conocida como tasa de baudios ) es${\displaystyle f_{S}}$símbolos/segundo (o baudios ), la velocidad de datos es${\displaystyle Nf_{S}}$bits/segundo.

Por ejemplo, con un alfabeto compuesto por 16 símbolos alternativos, cada símbolo representa 4 bits. Por lo tanto, la velocidad de datos es cuatro veces la velocidad en baudios.

En el caso de PSK o ASK, donde la frecuencia portadora de la señal modulada es constante, el alfabeto de modulación se representa a menudo de forma conveniente en un diagrama de constelación , que muestra la amplitud de la señal I en el eje x y la amplitud de la señal Q en el eje y para cada símbolo.

Las señales PSK y ASK, y a veces también FSK, se generan y detectan mediante el principio de QAM. Las señales I y Q se pueden combinar en una señal de valor complejo I + jQ (donde j es la unidad imaginaria ). La señal resultante, denominada señal de paso bajo equivalente o señal de banda base equivalente, es una representación de valor complejo de la señal física modulada de valor real (la denominada señal de banda de paso o señal de RF ).

Estos son los pasos generales que utiliza el modulador para transmitir datos:

1. Agrupe los bits de datos entrantes en palabras clave, una por cada símbolo que se vaya a transmitir.
2. Asigne las palabras clave a atributos, por ejemplo, amplitudes de las señales I y Q (la señal de paso bajo equivalente), o valores de frecuencia o fase.
3. Adaptar la conformación de pulsos u otro tipo de filtrado para limitar el ancho de banda y formar el espectro de la señal de paso bajo equivalente, normalmente mediante procesamiento digital de señales.
4. Realizar la conversión digital a analógica (DAC) de las señales I y Q (ya que hoy en día todo lo anterior se logra normalmente mediante el procesamiento digital de señales , DSP).
5. Genera una forma de onda portadora sinusoidal de alta frecuencia y, posiblemente, también un componente de cuadratura coseno. Realiza la modulación, por ejemplo, multiplicando las formas de onda sinusoidal y coseno por las señales I y Q, lo que da como resultado una señal de paso bajo equivalente desplazada en frecuencia a la banda de paso modulada o señal de RF. A veces, esto se logra mediante tecnología DSP, por ejemplo, síntesis digital directa utilizando una tabla de formas de onda , en lugar de procesamiento de señal analógica. En ese caso, el paso de DAC descrito anteriormente debe realizarse después de este paso.
6. Amplificación y filtrado analógico de paso de banda para evitar la distorsión armónica y el espectro periódico.

En el lado del receptor, el demodulador normalmente realiza lo siguiente:

1. Filtrado de paso de banda.
2. Control automático de ganancia , AGC (para compensar la atenuación , por ejemplo, el desvanecimiento ).
3. Desplazamiento de frecuencia de la señal de RF a las señales I y Q de banda base equivalentes, o a una señal de frecuencia intermedia (FI), mediante la multiplicación de la señal de RF por una onda sinusoidal y una onda cosenoidal de frecuencia de oscilador local (véase el principio del receptor superheterodino ).
4. Muestreo y conversión analógica-digital (ADC) (a veces antes o en lugar del punto anterior, por ejemplo, mediante submuestreo ).
5. El filtrado de ecualización, por ejemplo, un filtro adaptado , compensa la propagación multitrayecto, la dispersión temporal, la distorsión de fase y el desvanecimiento selectivo en frecuencia, para evitar la interferencia entre símbolos y la distorsión de los símbolos.
6. Detección de las amplitudes de las señales I y Q, o de la frecuencia o fase de la señal IF.
7. Cuantización de las amplitudes, frecuencias o fases a los valores de símbolo permitidos más cercanos.
8. Mapeo de las amplitudes, frecuencias o fases cuantificadas a palabras clave (grupos de bits).
9. Conversión de las palabras clave en una secuencia de bits, de paralelo a serie.
10. Transfiera el flujo de bits resultante para su posterior procesamiento, como la eliminación de cualquier código de corrección de errores.

Como es común en todos los sistemas de comunicación digital, el diseño tanto del modulador como del demodulador debe realizarse simultáneamente. Los esquemas de modulación digital son posibles gracias a que el par transmisor-receptor posee conocimiento previo sobre cómo se codifican y representan los datos en el sistema de comunicación. En todos los sistemas de comunicación digital, tanto el modulador del transmisor como el demodulador del receptor están estructurados para realizar operaciones inversas.

Los métodos asíncronos no requieren una señal de reloj de referencia del receptor sincronizada en fase con la señal portadora del emisor . En este caso, los símbolos de modulación (en lugar de bits, caracteres o paquetes de datos) se transfieren de forma asíncrona . Lo contrario es la modulación síncrona .

Las técnicas de modulación digital más comunes son:

• Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
  • PSK binario (BPSK), utilizando M=2 símbolos
  • PSK en cuadratura (QPSK), utilizando M=4 símbolos
  • 8PSK, utilizando M=8 símbolos
  • 16PSK, utilizando M=16 símbolos
  • PSK diferencial (DPSK)
  • QPSK diferencial (DQPSK)
  • QPSK con desplazamiento ( OQPSK )
  • π/4–QPSK
• Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK)
  • Modificación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK)
  • Modulación por desplazamiento de frecuencia multifrecuencia ( FSK M-aria o MFSK)
  • Señalización multifrecuencia de doble tono (DTMF)
• Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
• La modulación por conmutación (OOK), la forma ASK más común
  • Modulación de banda lateral vestigial M-aria , por ejemplo 8VSB
• Modulación de amplitud en cuadratura (QAM), una combinación de PSK y ASK
  • Modulación polar como QAM, una combinación de PSK y ASK.
• Métodos de modulación de fase continua (CPM)
  • Modulación por desplazamiento mínimo (MSK)
  • Modulación por desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK)
  • Modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua (CPFSK)
• Modulación por multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
  • Multitono discreto (DMT), incluyendo modulación adaptativa y carga de bits.
• Modulación wavelet
• Modulación codificada en enrejado (TCM), también conocida como modulación en enrejado
• Técnicas de espectro ensanchado
  • Espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS)
  • El espectro ensanchado por chirrido (CSS) según IEEE 802.15.4a utiliza codificación pseudoestocástica.
  • El espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) aplica un esquema especial para la liberación del canal.

MSK y GMSK son casos particulares de modulación de fase continua. De hecho, MSK es un caso particular de la subfamilia de CPM conocida como modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua (CPFSK), que se define por un pulso de frecuencia rectangular (es decir, un pulso de fase que aumenta linealmente) con una duración de un símbolo (señalización de respuesta total).

OFDM se basa en la multiplexación por división de frecuencia (FDM), pero los flujos multiplexados son partes de un único flujo original. El flujo de bits se divide en varios flujos de datos paralelos, cada uno transmitido a través de su propia subportadora mediante un esquema de modulación digital convencional. Las subportadoras moduladas se suman para formar una señal OFDM. Esta división y recombinación ayuda a gestionar las deficiencias del canal. OFDM se considera una técnica de modulación, más que una técnica de multiplexación, ya que transmite un único flujo de bits a través de un canal de comunicación mediante una secuencia de los denominados símbolos OFDM. OFDM puede extenderse al método de acceso al canal multiusuario en los esquemas de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) y acceso múltiple por división de código multicarrier (MC-CDMA), lo que permite que varios usuarios compartan el mismo medio físico mediante la asignación de diferentes subportadoras o la distribución de códigos a diferentes usuarios.

De los dos tipos de amplificadores de potencia de RF , los amplificadores de conmutación ( amplificadores de clase D ) son más económicos y consumen menos energía que los amplificadores lineales de la misma potencia de salida. Sin embargo, solo funcionan con señales de modulación de amplitud relativamente constante, como la modulación angular (FSK o PSK) y CDMA , pero no con QAM ni OFDM. No obstante, aunque los amplificadores de conmutación son completamente inadecuados para las constelaciones QAM convencionales, a menudo se utiliza el principio de modulación QAM para controlarlos con estas formas de onda FM y otras, y en ocasiones se emplean demoduladores QAM para recibir las señales emitidas por estos amplificadores.

El reconocimiento automático de la modulación digital en sistemas de comunicación inteligentes es uno de los temas más importantes en la radio definida por software y la radio cognitiva . Debido a la creciente expansión de los receptores inteligentes, el reconocimiento automático de la modulación se ha convertido en un tema complejo en los sistemas de telecomunicaciones y la ingeniería informática. Dichos sistemas tienen numerosas aplicaciones civiles y militares. Además, el reconocimiento ciego del tipo de modulación es un problema importante en los sistemas comerciales, especialmente en la radio definida por software . Normalmente, en estos sistemas se dispone de información adicional para la configuración del sistema, pero al considerar enfoques ciegos en receptores inteligentes, podemos reducir la sobrecarga de información y aumentar el rendimiento de la transmisión. Obviamente, sin conocimiento de los datos transmitidos y con muchos parámetros desconocidos en el receptor, como la potencia de la señal, la frecuencia portadora, los desfases de fase, la información de temporización, etc., la identificación ciega de la modulación resulta bastante difícil. Esto se vuelve aún más complejo en escenarios reales con desvanecimiento multitrayecto, canales selectivos en frecuencia y canales variables en el tiempo. ^{[ 13 ]}

Existen dos enfoques principales para el reconocimiento automático de modulación. El primero utiliza métodos basados ​​en la probabilidad para asignar una señal de entrada a la clase adecuada. Otro enfoque reciente se basa en la extracción de características.

La modulación digital de banda base cambia las características de una señal de banda base, es decir, una señal sin portadora a una frecuencia más alta.

Esto puede utilizarse como una señal equivalente para su posterior conversión de frecuencia a una frecuencia portadora, o para la comunicación directa en banda base. Ambos métodos implican códigos de línea relativamente simples , como los que se utilizan a menudo en buses locales, y esquemas de señalización de banda base complejos, como los que se utilizan en DSL .