modulación am
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Para una exposición de modulacion en amplitudTRANSCRIPT
MODULACIÓN
Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir.
A la señal resultante de este proceso se la denomina señal modulada y la misma es la señal que se transmite.
Dependiendo del parámetro sobre el que se actúe, tenemos los distintos tipos de modulación:
• Modulación en doble banda lateral (DSB)• Modulación de amplitud (AM)• Modulación de fase (PM)• Modulación de frecuencia (FM)• Modulación banda lateral única (SSB, ó BLU)• Modulación de banda lateral vestigial (VSB, VSB-AM, ó BLV)• Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)• Modulación por división ortogonal de frecuencia (OFDM),
también conocida como 'Modulación por multitono discreto' (DMT)
• Modulación por longitud de onda• Modulación en anillo
Es necesario modular las señales por diferentes razones:
• Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora, no será posible reconocer la información inteligente contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales transmitidas por diferentes usuarios.
• A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee.
• 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.
Demodulación
Es el proceso mediante el cuál es posible recuperar la señal de datos de una señal modulada.
Ventajas y desventajasUna gran ventaja de AM es que su demodulación es
muy simple y, por consiguiente, los receptores son sencillos y baratos , todo esto gracias a Robert Herzenbert que en 1932 patento el termino AM.
La propagación de las ondas de AM es por ondas superficiales, esto no quiere decir que las ondas viajen por tierra, van por el aire pero copiando el perfil del terreno. En cambio en FM la propagación es por rayo directo o rebote ionosférico. Este último tipo de propagación es mucho más susceptible a la interferencia por obstáculos, por lo que, en general, las transmisiones de AM suelen tener más alcance con menor potencia transmitida.
Otra ventaja de AM, que era significativa hace 60 años, es que es muchísimo más fácil de demodular, es decir que los receptores de AM son muy sencillos de diseñar y construir.
Por otro lado, la modulación FM es mucho más inmune al ruido, además de que permite transmitir en un ancho de banda mucho mayor, lo que a su vez se traduce en más información transmitida.
La desventaja principal de la modulación de amplitud está en que la afectan fácilmente diversos fenómenos atmosféricos (estática), señales electrónicas con frecuencias parecidas y las interferencias ocasionadas por los aparatos eléctricos tales como motores y generadores.
Actualmente, el avance de la tecnología electrónica, ha hecho que las ventajas de AM sobre FM sean prácticamente nulas.
Tipos de Modulación en AM
DSB(Doble Banda Lateral)DSB-SC(Doble Banda Lateral con
Portadora Suprimida)
Doble Banda Lateral
• Es el tipo de modulación conocido como modulación de gran portadora.
• Como las estaciones de radio comerciales usan este método de transmisión, se conoce comúnmente como modulación de amplitud(AM).
• La señal portadora se incorpora como parte de la señal transmitida.
Doble Banda Lateral
• La forma de onda de esta señal AM esta dada por la ecuación:
Ac = Nivel de potencia de la señal portadoram(t) = Señal moduladora o mensaje.fc = Frecuencia de la señal portadora.
señal envolvente de la señal AM
Doble Banda Lateral
Porcentaje de modulación:
Índice de modulación:
Doble Banda Lateral
• Efectos de la variación del índice de modulación.
Cuando m>1 entonces se dice que la señal esta sobremodulada.
Cuando m=1 entonces se dice que la señal esta 100%modulada.
Este es el caso que comúnmente se busca en una modulación AM ya que aquí y cuando m=1 se puede hallar fácilmente la envolvente.
Doble Banda Lateral
• Veremos que pasaría de no escogerse una amplitud de la portadora lo suficientemente grande (m>1).
• La señal modulada puede escribirse de la siguiente forma:
De esto se deduce queen todo instante:
Espectro de una señal de AM
Banda lateral inferior:De Wc-W a Wc
Banda lateral superior:De Wc a Wc+W
Por lo tanto el ancho de Banda será 2W.
Espectro de una señal de AM
Potencia de la portadora y las bandas laterales de AM
• En las señales de AM, el termino portador no contiene información alguna sobre la señal moduladora f(t).
• La potencia empleada en la portadora se desperdicia para cualquier transferencia de información.
• Es el precio que se paga debido a la simplicidad de sus receptores.
Potencia de la portadora y las bandas laterales de AM
• Para una carga de 1 ohm, y usando la expresión expuesta anteriormente:
• Se asume que el valor medio de f(t) es cero.
• Luego:
Potencia de la portadora y las bandas laterales de AM
• Tomemos un caso simple para ver la eficiencia que nos ofrece la modulación de AM, f(t) senoidal:
• Se tiene:
• Luego:
• Como se puede apreciar en el caso optimo la eficiencia de transmisión de un sistema AM ascenderá a lo mas a un 33%.
Generación de señales AM
Modulador de AM• A continuación presentaremos un modulador sencillo de AM,
llamado modulador de conmutación o rectificador.
• En este caso la acción del diodo se puede ver como la multiplicación de mi señal modulada por pT(t) de frecuencia Wc.
Modulador de AM• La densidad espectral conmutada resultante puede calcularse por
convolucion en frecuencia.• El espectro de la señal modulada serán términos centrados en
0,Wc,3Wc,5Wc, etc. • De estos solo nos importa el termino centrado en Wc y para ello es el
filtro pasa banda con frecuencia central Wc.
Este modulador no permite la sobre modulación ya que cuandoel diodo haga la rectificación habráproblemas y el espectro ya no seráel mismo.
Demodulador de AM• El típico y mas sencillo demodulador de AM es el siguiente:
• Este demodulador tampoco acepta sobre modulaciones.
Ventajas y desventajas de AM
• Ofrecen ventaja en cuanto a la simplicidad y el precio de sus moduladores y receptores.
• La gran desventaja es la potencia que se debe de utilizar para mandar cierta información.
• Como vimos anteriormente la portadora consume gran parte de la potencia y no forma parte del mensaje.
• Con la transmisión de la doble banda lateral, las dos bandas laterales y la portadora pueden propagarse a través del medio de transmisión por diferentes trayectorias y, por lo tanto, pueden experimentar diferentes deterioros en la transmisión, a esto se le llama desvanecimiento selectivo.
Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)
• La Modulación AM Convencional (ó DSB) debido a su sencillez y efectividad, es un método de modulación muy ineficaz.
• En una señal de AM-DSB, la portadora no tiene ninguna información. Toda la información transmitida está exclusivamente en las bandas laterales. Por ello, La portadora puede suprimirse y no transmitirse.
• La señal de AM con la portadora suprimida se denomina DSB-SC.
Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)
• La señal de DSB-SC tendrá la siguiente forma:
• Aplicado la transformada de Fourier:
• Como podemos ver el espectro casi igual solo difieren en que ahora ya no hay impulsos.
Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC)
• Para la demodulación, podemos hacer el siguiente artificio y aplicar la transformada de Fourier.
• Hallando la transformada de Fourier en ambos lados:
• Los principios sobre la modulación DSB-SC son de aplicación general para cualquier moduladora f(t), siempre que w<Wc.
Compensación de los receptores• Existen algunas consideraciones que hay que tomar en cuenta cuando de
demodular se trata ya que veremos que sucede cuando existe aunque sean pequeños errores en la frecuencia y fase en el coseno que multiplica a la señal modulada:
• Como vemos la salida ya no es ½*f(t) sino:
• Es por ello que se dice que los receptores de DSB-SC deben de ser compensados.
• En ese error hay casos que son aceptados como lo seria y constante ya que solo afectaría multiplicando por un factor constante, pero en general no se toma el riesgo de un error así.
Generación de señales DSB-SC
• Se generan señales DSB-SC usando la función pT(t) que usamos anteriormente (los pulsos rectangulares de frecuencia Wc).
• Multiplicamos pT(t) y f(t) y luego aplicando Fourier de la siguiente manera:
Modulador de DSB-SC
• Este modulador se puede explicar de la misma manera que el anterior modulado de AM.
• Cuando el coseno es positivo de izquierda a derecha ei(t) es cero y cuando es negativo de izquierda a derecha ei(t) toma el valor de f(t).
Modulador de DSB-SC• Se podría ilustrar de la siguiente manera:
• También se usan como conmutación fotodiodos, FET y rayos de luz interrumpidos de forma mecánica e interruptores operados magnéticamente como en el grafico pero a bajas frecuencias, a altas frecuencias es común usar diodos como en el grafico anterior.
Demodulador de DSB-SC• Propondremos el siguiente circuito como demodulador:
• Se puede explicar de la misma forma que el modulador hasta los puntos 3-4 de 3-4 a 5-6 vemos que el conmutador pasa a tierra cada medio ciclo así que la respuesta paso a paso de este circuito lo mostraremos a continuación.
Demodulador de DSB-SC
Ventajas y desventaja de DSB-SC
• Requieren mucho menos potencia para transmitir la misma información.
• Los receptores de portadora suprimida son mas complicados y costosos.
• Los sistemas con portadora suprimida son menos susceptibles al desvanecimiento selectivo.
• Ofrecen una mayor eficiencia.
Cada banda lateral lleva la misma información referente a la señal moduladora original, por lo que sólo es necesario transmitir una de las dos bandas laterales. Si se transmite una única banda lateral sin portadora no se está perdiendo información referente a la señal moduladora. En este caso sería necesario el mismo ancho de banda de transmisión que el ocupado por la señal moduladora original, no el doble como en AM o DSB. Este tipo de modulación se denomina banda lateral única (SSB: Single Side Band).
La descripción precisa en el dominio de la frecuencia depende de cuál de las dos bandas laterales se elija para su transmisión.
Modulación AM-SSBModulación AM-SSB(BANDA LATERAL UNICA)
Espectro de la señal SSB empleando la banda lateral superior.
Espectro de la señal SSB empleando la banda lateral inferior.
Modulación AM-SSB
La modulación en banda lateral única se puede clasificar según la existencia de la portadora en la modulación:
Modulación en banda lateral única con portadora, en inglés single sideband-amplitude modulation (SSB, SSB-AM)
Modulación en banda lateral única con portadora suprimida, en inglés single sideband-suppressed carrier modulation (SSB-SC)
También se puede clasificar según cual de las dos bandas laterales se trasmita en la modulación:
Modulación en banda lateral superior, en inglés upper sideband modulation (USB)
Modulación en banda lateral inferior, en inglés lower sideband modulation (LSB)
GENERACIÓN DE SEÑALES SSB
En forma general:
Dominio de la Frecuencia
Asumamos que m(t) tiene una magnitud espectral que es de forma triangular, como muestra la figura a.
Luego, para el caso de una USSB, el espectro de g(t) es cero para frecuencias negativas, mostrado en la figura b.
El espectro de s(t) es mostrado en la figura c.
El signo superior (+) es usado para una USSB, mientras que el signo inferior (-),es para una LSSB.
Si resolvemos la ecuación para una USSB (banda lateral única superior), quedaexpresado de la siguiente manera:
Dominio de la Frecuencia
El espectro de la señal modulada s(t) queda de la siguiente manera:
Dominio de la Frecuencia
DEMODULACIÓN DE SEÑALES SSB
La densidad espectral de la señal SSB debe trasladarse de nuevo a w=0
La superioridad tecnológica de la Banda Lateral Única sobre la Amplitud Modulada reside en esa necesidad de gastar sólo un cuarto de la energía para transmitir la misma información. En contrapartida, los circuitos de transmisores y receptores son más complejos y más caros.
Otra ventaja de esta modulación sobre la AM estriba en que la potencia de emisión se concentra en un ancho de banda más estrecho (normalmente 2,4 kHz); por lo tanto, es muy sobria en el uso de las frecuencias, permitiendo más conversaciones simultáneas en una banda dada.
FORMAS DE PROPAGACIÓN DE UNA O.E.M
1.-ONDAS TERRESTRES(pérdidas por resistencia y por dieléctrico)
2.-ONDAS ESPACIALES(Pérdidas por absorción)
LA REFLEXIÓN .-Es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.
LA REFRACCIÓN .- Es el cambio de dirección respecto a la NORMAL ,que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro.
LA DIFRACCIÓN .-Es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija.
INFLUENCIA DE LA IONÓSFERA EN LAS TRANSMISIONES DE RADIO
Sabemos que en la parte superior de la atmósfera, la actividad de la energía solar es muy intensa, y es donde se concentran las partículas cargadas de electricidad como lo son los iones y electrones.(Se encuentra ionizada por la radiación solar)
A estas capas invisibles de cargas eléctricas, se le conoce como la Ionósfera(80km-650km)
Las diferentes capas de la Ionósfera posibilitan la comunicación radial a larga distancia por la propagación de ondas cortas de longitud .
Una parte de la energía radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es reflejada de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este último efecto permite la recepción de señales de radio a distancias mucho mayores de lo que sería posible con ondas que viajan por la superficie terrestre.
Una parte de la energía radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es reflejada de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este último efecto permite la recepción de señales de radio a distancias mucho mayores de lo que sería posible con ondas que viajan por la superficie terrestre.La ionosfera suele dividirse en dos capas principales:
* Capa Inferior E (Heaviside ): 80 -112 Km, refleja las ondas de radio de baja frecuencia.
*Capa Superior F (Appleton) :112km-650km,refleja ondas de radio con frecuencias mayores
ZONA DE FRESNEL• Se llama zona de fresnel al volumen de espacio entre
el emisor de una onda electromagnética, acústica, etc, y un receptor, de modo que el desfase de las ondas en dicho volumen no supere los 180º.
• Así, la fase mínima se produce para el rayo que une en línea recta emisor y receptor. Tomando su valor de fase como cero, la primera zona de Fresnel abarca hasta que la fase llegue a 180º, adoptando la forma de un elipsoide de revolución. La segunda zona abarca hasta un desfase de 360º, y es un segundo elipsoide que contiene al primero. Del mismo modo se obtienen las zonas superiores.
• La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstrucción máxima recomendada es el 20%. Para el caso de radiocomunicaciones depende del Factor K (curvatura de la tierra)
Donde:
rn = radio de la enésima zona de Fresnel. (n=1,2,3...)• d1 = distancia desde el transmisor al objeto en km.• d2 = distancia desde el objeto al receptor en km.• d = distancia total del enlace en km. d = d1 + d2
• f = frecuencia en MHz.
Espectro Radioelectrico
• El espectro radioeléctrico consiste en las frecuencias del espectro electromagnético usadas para los servicios de difusión y servicios móviles, radioastronomía, meteorología y fijos. Este no es un concepto estático, pues a medida que avanza la tecnología se aumentan (o disminuyen) rangos de frecuencia utilizados en comunicaciones, y corresponde al estado de avance tecnológico.
DISTRIBUCIÓN CONVENCIONAL DEL ESPECTRO RADIOELECTRICO
SIGLA DENOMINACION LONGITUD DE ONDAGAMA DE
FRECUENC.CARACTERISTICAS USO TIPICO
VLF
VERY LOW FRECUENCIES
Frecuencias Muy Bajas
30.000 ma
10.000 m
10 KHza
30 KHz
Propagación por onda de tierra,
atenuación débil.Características
estables.
ENLACES DE RADIO A GRAN DISTANCIA
LFLOW FRECUENCIESFrecuencias Bajas
10.000 m.a
1.000 m.
30 KHza
300 KHz
Similar a la anterior, pero de
características menos estables.
Enlaces de radio a gran distancia, ayuda
a la navegación aérea y marítima.
MFMEDIUM
FRECUENCIESFrecuencias Medias
1.000 m.a
100 m.
300 KHza
3 MHz
Similar a la precedente pero con
una absorción elevada durante el
día. Prevalece propagación
ionosférica durante la noche.
RADIODIFUSIÓN
HFHIGH FRECUENCIES
Frecuencias Altas
100 m.a
l0 m.
3 MHza
30 MHz
Prevalece propagación
Ionosférica con fuertes variaciones
estacionales y en las diferentes horas del
día y de la noche.
COMUNICACIONES DE TODO TIPO A MEDIA Y LARGA
DISTANCIA
VHF
VERY HIGH FRECUENCIES
Frecuencias Muy Altas
10 m.a
1 m.
30 MHza
300 MHz
Prevalece propagación
directa, ocasionalmente
propagación Ionosférica o Troposférica.
Enlaces de radio a corta distancia,
TELEVISIÓN, FRECUENCIA MODULADA
UHF
ULTRA HIGH FRECUENCIES
Frecuencias Ultra Altas
1 m.a
10 cm.
300 MHza
3 GHz
Solamente propagación directa,
posibilidad de enlaces por reflexión
o a través de satélites artificiales.
Enlaces de radio, Ayuda a la
navegación aérea, Radar, TELEVISIÓN
SHF
SUPER HIGH FRECUENCIESFrecuencias Superaltas
10 cm.a
1 cm.
3 GHza
30 GHz
COMO LA PRECEDENTE
Radar, enlaces de radio
EHF
EXTRA HIGH FRECUENCIES
Frecuencias Extra-Altas
1 cm.a
1 mm.
30 GHza
300 GHz
COMO LA PRECEDENTE
COMO LA PRECEDENTE
EHF
EXTRA HIGH FRECUENCIES
Frecuencias Extra-Altas
1 mm.a
0,1 mm.
300 GHza
3.000 GHz
COMO LA PRECEDENTE
COMO LA PRECEDENTE
RESULTADOS