3.1 Técnicas de modulación analógica
Es el proceso de modificar una señal de alta frecuencia de acuerdo a una señal de señal de frecuencia baja., Con el objeto de transmitir datos (texto, voz, audio, video). Estas dos señales pasan a través de un dispositivo modulador, resultando en una señal combinada.La señal de frecuencia baja (7khz-30 kHz) recibe el nombre de señal pasa banda o señal moduladora, la señal de alta frecuencia (3- 30 GHZ), recibe el nombre de frecuencia portadora o simplemente portadora. La señal resultante, después de pasar por el modulador recibe el nombre de señal modulada.
3.1.1 Modulación en amplitud
La manera de lograr que una señal se propague en el aire es mediante ondas electromagnéticas; Uno de los métodos utilizados es la amplitud modulada que como su nombre lo indica consiste en variar la amplitud de la onda de radio. La onda de radiofrecuencia modulada es transmitida a alta potencia los receptores reciben la señal con baja potencia. Esta señal se debe amplificar. Supongamos una señal de entrada “(E0)” se amplifica con una ganancia constante “(g)” la salida “(SM)” es el producto “SM=E.g”. Si g es variable en el tiempo entre 0 y un maximo, volviendo a cero.
3.1.2 Modulación en frecuencia
La modulación en frecuencia consiste en variar la frecuencia de la portadora proporcionalmente a la frecuencia de la onda moduladora (información), permaneciendo constante su amplitud. A diferencia de la AM, la modulación en frecuencia crea un conjunto de complejas bandas laterales cuya profundidad (extensión) dependerá de la amplitud de la onda moduladora.
Como consecuencia del incremento de las bandas laterales, la anchura del canal de la FM será más grande que el tradicional de la onda media, siendo también mayor la anchura de banda de sintonización de los aparatos receptores (especie de “ puerta electrónica “ de los aparatos receptores que permite que pase a la etapa de demodulación una determinada anchura de señal).
La principal consecuencia de la modulación en frecuencia es una mayor calidad de reproducción como resultado de su casi inmunidad hacia las interferencias eléctricas. En consecuencia, es un sistema adecuado para la emisión de programas (música) de alta fidelidad. Las características principales de la frecuencia modulada son: su modulación y su propagación por ondas directas como consecuencia de su ubicación en la banda de frecuencia de VHF.
3.2 Técnicas de modulación digital
La portadora y la señal modulada son analógicas como las señales AM y FM. La modulación digital se divide dos clases:
- PSK ( Phase shift keying ) Codificación por cambio de fase.
- QAM( Quadrature amplitude modulation ) En este caso se cambia la amplitud y fase de la
portadora según la modulación/señal digital que representa los datos.
- Ventajas de la modulación digital.
- Inmunidad frente al ruido.
- Fácil de multiplicar.
- Codificado, encriptación.
- Modulación-Demodulación con DSPs.
Formas de onda.
Un pulso rectangular contiene muchos armónicos y ocupa un ancho de banda. Este ancho de banda debe de limitarse antes de enviar el pulso para aprovechar el ancho de banda del sistema.
Si un pulso rectangular se pasa por un filtro limita-banda, a la salida se habrá “desparramado” la ñal ( en el dominio del tiempo) esto puede generar “interferencia intersimbolo” ( ISI ). A mayor limitación en frecuencia más pronunciado es el “spreading”.
3.2.1 Modulación por desplazamiento de amplitud
Amplitude Shift Keying (ASK) o Modulación por desplazamiento de amplitud (MDA)
En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de amplitud, determinados directamente por la señal de datos binaria. Normalmente el modulador transmite la portadora cuando el bit de datos es “1” y la suprime completamente cuando el bit es “0” (figura 1). Existen también formas de ASK denominadas “multinivel”, en las cuales la amplitud de la señal modulada toma más de dos valores.
La demodulación puede ser de tipo coherente o no coherente; en el primer caso, más complejo circuitalmente pero más eficaz contra los efectos del ruido, un demodulador de producto multiplica la señal ASK por la portadora regenerada localmente, mientras que en el segundo caso la envolvente de la señal ASK se detecta a través del diodo. En ambos casos el detector sigue un filtro paso bajo que elimina las componentes residuales de la portadora y un circuito de umbral que conforma la señal de los datos.
Los principales factores que caracterizan a la ASK son:
• Requiere circuitos poco complejos
• Muy sensibles a las interferencias (probabilidad de error elevada)
• Siendo Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal
modulada resulta mayor que Fb
• La eficiencia de transmisión, definida como la relación entre Fb y Bw resulta menor que 1
• El Baudio, definido como la velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la
velocidad de transmisión Fb
3.2.2 Modulación por desplazamiento de frecuencia
Frequency Shift Keying (FSK) o Modulación por desplazamiento de Frecuencia (MDF)
En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de frecuencia, determinados directamente por la señal de datos binaria (figura 1). El modulador puede realizarse en varios modos; entre los más difundidos podemos mencionar:
• Un oscilador controlado por tensión (VCO).
• Un sistema que transmite una de las dos frecuencias, en función de la señal de datos.
• Un divisor gobernado por la señal de datos.
La técnica de demodulación más difundida es la que se utiliza un circuito PLL (figura 2). La señal FSK en la entrada del PLL toma dos valores de frecuencia. La tensión de error proporcionada por el comparador de fase sigue dichas variaciones y, por consiguiente, constituye la representación binaria NRZ (nivel alto y nivel bajo), de la señal FSK de entrada. A continuación del demodulador PLL se encuentra un filtro paso bajo que elimina las componentes residuales de portadora y un circuito conformador que traza la señal de datos correcta.
Los principales factores que caracterizan a FSK son:
• Aplicaciones en los modems para transmisión de datos (ITU-T V21, ITU-T V23, BELL 103,
BELL 113,BELL 202), en la transmisión de radio digital, en el sistema telefónico celular
ETACS (transmisión de informaciones a través del Control Channel)
• Requiere circuitos de media complejidad
• Probabilidad de error elevada, pero inferior a la de ASK
• Siendo Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal
modulada resulta mayor que Fb
• La eficiencia de transmisión, definida como la relación entre Fb y Bw resulta menor que 1
• El Baudio o Baud Rate, definido como la velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión Fb
3.2.3 Modulación por desplazamiento de fase
Phase Shift Keying (PSK) o Modulación por desplazamiento de fase (MDF)
En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de fase o más, determinados directamente por la señal de datos binaria (modulación de 2 fases) o la combinación de un determinado número de bits de la señal de datos misma (modulación e N fases). En esta práctica se estudiará la modulación PSK de 2 fases. En la PSK de 2 fases, denominada 2-PSK, Binary PSK (BPSK) o Phase Reversal Keying (PRK), la portadora senoidal toma dos valores de fase, determinados por la señal de datos binaria (figura 1). Una técnica de modulación es la que utiliza un modulador balanceado. La sinusoide de salida del modulador es la portadora de entrada directa o inversa (o sea desfasada 180°), en función de la señal de datos.
Diagrama de constelación.
Los estados de modulación PSK se representan mediante puntos en un diagrama vectorial. Cada punto identifica un estado de modulación, caracterizado por una fase y una amplitud. Esta representación se denomina diagrama de constelación o simplemente constelación.
Aspectos principales.
Los principales factores que caracterizan a la BPSK son:
- Utilización en la transmisión de radio digital
- Requiere circuitos de complejidad medio – alta
- Probabilidad de error elevada pero menor a la FSK
- Denominada Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal modulada resulta mayor que Fb
- La eficiencia de transmisión, definida como relación entre Fb y Bw resulta menor que 1
- El Baudio o Baud rate se define como velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión Fb
3.2.4 Modulación de amplitud en cuadratura
Quadrature Amplitude Modulation (QAM) o Modulación de Amplitud en Cuadratura (MAK)
La QAM es una forma de modulación digital cuya información está contenida tanto en la fase como en la amplitud de la portadora transmitida.
8 QAM
En la 8 QAM los datos se dividen en grupos de 3 bits (Tribit), uno de los cuales varía la amplitud de la portadora y los otros dos la fase. La señal modulada puede así tomar 4 diferentes fases y dos diferentes amplitudes, por un total de 8 estados diferentes (figura 1)
16 QAM
En la 16 QAM los datos se dividen en grupos de 4 bits (cuadribits). Las 16 posibles combinaciones varían la amplitud y la fase de la portadora, la cual por tal razón puede tomar 16 estados diferentes (Figura 1).
n QAM
En el estado actual, se llega a una división de los datos en grupos de 9 bits, obteniendo constelaciones con 512 puntos de modulación.
Aspectos principales
Los principales factores que caracterizan la QAM son:
• Aplicaciones en módems para transmisión de datos de alta velocidad (ITU-T V22bis, V29, V32, V32bis, V33, V34, V34bis, BELL 209) y en la transmisión de radio digital
• Requiere circuitos de elevada complejidad
• Probabilidad de error de elevada complejidad
• Fb es la velocidad de transmisión de los bits y “n” el número de bits considerados para la modulación, el espectro mínimo Bw de la señal modulada resulta igual a Fb/n
• La eficiencia de transmisión, definida como relación entre Fb y Bw, resulta igual a “n”
• El Baudio o Baud rate, definido como la velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es
igual a Fb/n.
3.3 Conversión analógico-digital: Muestreo, cuantizacion y codificación.
La conversión analógica-digital o digitalización, consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de la señal de entrada y traducirlas a un lenguaje numérico. La conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC (analogic to digital converter).
COMPARACIÓN DE LAS SEÑALES ANALÓGICA Y DIGITAL
Una señal analógica es aquélla que puede tomar una infinidad de valores (frecuencia y amplitud) dentro de un límite superior e inferior. El término analógico proviene de análogo. Por ejemplo, si se observa en un osciloscopio, la forma de la señal eléctrica en que convierte un micrófono el sonido que capta, ésta sería similar a la onda sonora que la originó. En cambio, una señal digital es aquélla cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos también discretos. Estos valores fijos se toman del sistema binario, lo que significa que la señal va a quedar convertida en una combinación de ceros y unos, que ya no se parece en nada a la señal original. Precisamente, el término digital tiene su origen en esto, en que la señal se construye a partir de números (dígitos).
EL PROCESO DE CONVERSIÓN ANALÓGICO–DIGITAL
El proceso de conversión analógico digital consta básicamente de 4 etapas:
- Muestreo
- Cuantización
- Codificación
- Recodificación Digital-Digital para transmisión
EL MUESTREO
El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toman esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo y está en función del teorema de Nyquist, que indica que la frecuencia de muestreo (fs) será el doble de la frecuencia máxima (fm) de la señal a muestrear, por ejemplo, si tenemos una señal de audio con un ancho de banda de 20 Hz a 22,500 Hz, su frecuencia máxima sería fm =22,500 Hz, por lo tanto su frecuencia de muestreo sería:
LA CUANTIFICACIÓN
Básicamente, la cuantificación lo que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado. Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de tensión de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se les atribuye a un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado.
Los valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior más próximo.
En este momento, la señal analógica (que puede tomar cualquier valor) se convierte en una señal digital, ya que los valores que están preestablecidos, son finitos.
No obstante, todavía no se traduce al sistema binario. La señal ha quedado representada por un valor finito que durante la codificación, será cuando se transforme en una sucesión de ceros y unos.
Así pues, la señal digital que resulta tras la cuantificación es sensiblemente diferente a la señal eléctrica analógica que la originó, por lo que siempre va a existir una cierta diferencia entre ambas que es lo que se conoce como error de cuantificación, que se produce cuando el valor real de la muestra no equivale a ninguno de los escalones disponibles para su aproximación y la distancia entre el valor real y el que se toma como aproximación es muy grande. Un error de cuantificación se convierte en un ruido cuando se reproduzca la señal tras el proceso de decodificación digital.
Tipos de cuantificación
Para minimizar los efectos negativos del error de cuantificación, se utilizan distintas técnicas de cuantificación: Cuantificación uniforme o lineal. Se utiliza un bit rate constante. A cada muestra se le asigna el valor inferior más próximo, independientemente de lo que ocurra con las muestras adyacentes. Cuantificación no uniforme o no lineal. Se estudia la propia entropía de la señal analógica y se asignan niveles de cuantificación de manera no uniforme (bit rate variable) de tal modo que, se asigne un mayor número de niveles para aquellos márgenes en que la amplitud de la tensión cambia más rápidamente. Cuantificación logarítmica: Se hace pasar la señal por un compresor logarítmico antes de la cuantificación. Como en la señal resultante la amplitud del voltaje sufre variaciones menos abruptas la posibilidad de que se produzca un ruido de cuantificación grande disminuye. Antes de reproducir la señal digital, esta tendrá que pasa por un expansor. Cuantificación vectorial En lugar de cuantificar las muestras obtenidas individualmente, se cuantifica por bloques de muestras. Cada bloque de muestras será tratado como si se tratara de un vector, de ahí, el nombre de esta tipología.
LA CODIFICACIÓN
La codificación consiste en la traducción de los valores de tensión eléctrica analógicos que ya han sido cuantificados (ponderados) al sistema binario, mediante códigos preestablecidos. La señal analógica va a quedar transformada en un tren de impulsos digital.
ASPECTOS GENERALES DE LA CODIFICACIÓN
El códec es el código específico que se utiliza para la codificación/decodificación de los datos. Precisamente, la palabra Códec es una abreviatura de Codificador-Decodificador.
- Parámetros que definen el códec.
- Número de canales: Indica el tipo de señal con que se va a tratar: monoaural, binaural o multicanal
- Frecuencia de muestreo: La frecuencia o tasa de muestreo se refiere a la cantidad de muestras de amplitud tomadas por unidad de tiempo en el proceso de muestreo. De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, la tasa de muestreo sólo determinará el ancho de banda base de la señal muestreada, es decir, limitará la frecuencia máxima de los componentes sinusoidales que forman una onda periódica. De acuerdo con este teorema, y siempre desde la perspectiva metemática, una mayor tasa de muestreo para una señal no debe interpretarse como una mayor fidelidad en la reconstrucción de la señal. El proceso de muestreo es reversible, lo que quiere decir que, desde el punto de vista matemático, la reconstrucción se puede realizar en modo exacto (no aproximado). La tasa de muestreo se determina multiplicando por dos el ancho de banda base de la señal a muestrear y, añadiendo un margen (un 10% en CD-Audio, por ejemplo) para contemplar las limitaciones prácticas de los filtros no ideales (reales).
- Resolución (Número de bits): Determina la precisión con la que se reproduce la señal original. Se suelen utilizar 8, 10, 16 o 24 bits por muestra. Mayor precisión a mayor número de bits.
- Bit rate: El bit rate es la velocidad o tasa de transferencia de datos. Su unidad es el bit por segundo (bps).
- Pérdida: Algunos códecs al hacer la compresión eliminan cierta cantidad de información, por lo que la señal resultante, no es igual a la original (compresión con pérdidas).
3.4 Códigos de línea: RZ, NRZ, NRZ-L, AMI, pseudo-ternaria, Manchester, Manchester diferencial, B8ZS, HDB3, entre otros.
Los códigos de línea surgen ante la necesidad de trasmitir señales digitales a través de diversos medios de transmisión. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de la señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. En el caso más sencillo, habrá una correspondencia uno a uno entre los bits y dichos elementos, un cero se representa mediante un nivel bajo de tensión y un uno se representa por un nivel de tensión mayor.
Antes de nada se va a introducir un poco de terminología. Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o todos negativos, la señal se dice unipolar. En una señal polar, por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro, mediante un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. La duración o longitud de un bit se define como el tiempo empleado en el transmisor para emitir un bit; para una razón de datos R, la duración de un bit es 1/R. La razón de modulación, por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal, que dependerá del esquema de codificación elegido. La razón o velocidad de modulación se expresa en baudios, que equivale a un elemento de señal por segundo.
Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los sistemas de transmisión, el esquema de codificación es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal. A continuación se describen algunas de las más utilizadas.
inición de los formatos de codificación digital de señales.
No retorno a cero (NRZ-L)
0 = nivel alto
1 = nivel bajo
No retorno a cero invertido (NRZI)
0 = no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez)
1 = transición al comienzo del intervalo
Bipolar – AMI
0 = no hay señal
1 = nivel positivo o negativo, alternadamente
Pseudoternaria
0 = nivel positivo o negativo, alternadamente
1 = no hay señal
Manchester
0 = transición de alto a bajo en mitad del intervalo
1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo
Manchester diferencial
Siempre hay una transición en mitad del intervalo
0 = transición al principio del intervalo
1 = no hay transición al principio del intervalo
B8ZS
Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de ocho ceros se reemplaza por una cadena que tiene dos violaciones al código.
HDB3
Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de cuatro ceros se reemplaza por una cadena que contiene una violación al código
3.5 Modem estándares y protocolos
Estándares
Ya se mencionó antes que hay más de un estándar para transmisión vía módem, y las principales diferencias entre ellos son las frecuencias de modulación y las velocidades de transmisión. En este apartado se estudiarán estos temas con más detalle, así como el funcionamiento interno de un módem. Hay dos conjuntos de estándares de modems, los Bell americanos y los CCITT europeos. En el momento actual, los modems de estándar Bell no pueden ser utilizados legalmente en el Reino Unido, donde las frecuencias utilizadas no cumplen los requerimientos de la British Telcom. Para que los modems multi-estándar puedan ser aprobados, deben mortificarse para desactivar la operación Bell. El sistema Beli, por tanto, es de una importancia mera- mente académica para los usuarios europeos, y sólo será necesario conocerlos si se va a acceder, por alguna razón, a alguna base de datos americana. La tabla que sigue muestra las velocidades de transmisión y las frecuencias de modulación utilizadas por los sistemas Bell y CCM. Los dos sistemas Bell son similares a los dos sistema CCITT, pero en la práctica no son lo suficiente- mente iguales como para lograr la compatibilidad.
Dado que los sistemas Bell no son generalmente aplicables en Europa, no serán considerados en este libro. El sistema V21 es probablemente el mejor para propósitos generales, ya que permite una razonable velocidad de transmisión en ambas direcciones. También permite que el equipo receptor devuelva los datos al equipo transmisor, ya que funciona en sistema full duplex. Esto permite implementar un sistema efectivo de control de errores. Por otra parte, el sistema V23 permite una considerable velocidad de transmisión, pero sólo en funcionamiento half duplex.
Es interesante señalar que la operación half duplex, o semi dúplex, no significa que la comunicación sólo sea posible en un sentido (esto se conoce como simplex). Significa que el sistema puede emitir en una única dirección a la vez; utilizando protocolos convenientes, es posible transmitir en ambas direcciones. Es necesario un protocolo efectivo para evitar que los dos transmitan a la vez.
Protocolo
Los Protocolos en un ambiente de comunicación de datos sirve para dirigir la trasferencia de información entre dos entidades de comunicación. Para ambiente MAINFRAME ,redes locales o servicios públicos son las redes de paquetes ,se usan los módem protocolos , para dirigir el flujo de mensajes entre las maquinas en conversación. Para dirigir el intercambio de mensajes entre PCs independientemente , usando circuitos telefónicos. Estos protocolos garantizan la transmisión y recepción de estos mensajes de forma segura y ordenada.
Protocolos más Utilizados:
1. XMODEM : Referenciado con CHECKSUN . Envía bloques de 128 bytes , uno es de CHECK (verifica).
2. XMODEM _ CRC : Envía bloques de 128 bytes , con dos bytes de CRC (Cyclic Redundancy Checking - Rutina de verificación de Errores) .
3. XMODEM 1K : Envía bloques de 1K con dos bytes de verificación CRC.
4. YMODEM batch : Envía bloques de 1024b bytes con dos bytes CRC. Hace la verificación de cada bloque trasmitido y envía fin de transmisión y repite el proceso en el próximo archivo .
5. YMODEM G : Protocolo "Streaming " donde los módem tienen su propio protocolo de corrección. Si un archivo es enviado y errores son detectados , la transferencia es interrumpida.
6. ZMODEM : Protocolo " Full Streaming" que permite detección y corrección de errores . Rápido y confiable , indicado para líneas deficientes.
7. SEALINK : Protocolo " Full Duplex" derivado del padrón XMODEM.
8. KERMIT : Posee la excepcional características de integrar varios tipos de computadores (PCs y Mainframe). Gobierna la trasferencia de informaciones de sistemas con caracteres de 7 bits. No es recomendable para transferencias entre PCs.
9. COMPUSERVE :Su módem protocolo privado es : B Y QUICKB.
10. WINDOWED Y XMODEM : Usado a través de redes de conmutación de paquetes como TYMNET y TELENET .
11. TELINK : Usado para transferencia "multi-file " con servicio de correo electrónico FIDONET.
12. MODEM7 : Comunicación con sistemas CP/M .
Un pulso rectangular contiene muchos armónicos y ocupa un ancho de banda. Este ancho de banda debe de limitarse antes de enviar el pulso para aprovechar el ancho de banda del sistema.
Si un pulso rectangular se pasa por un filtro limita-banda, a la salida se habrá “desparramado” la ñal ( en el dominio del tiempo) esto puede generar “interferencia intersimbolo” ( ISI ). A mayor limitación en frecuencia más pronunciado es el “spreading”.
3.2.1 Modulación por desplazamiento de amplitud
La demodulación puede ser de tipo coherente o no coherente; en el primer caso, más complejo circuitalmente pero más eficaz contra los efectos del ruido, un demodulador de producto multiplica la señal ASK por la portadora regenerada localmente, mientras que en el segundo caso la envolvente de la señal ASK se detecta a través del diodo. En ambos casos el detector sigue un filtro paso bajo que elimina las componentes residuales de la portadora y un circuito de umbral que conforma la señal de los datos.
Los principales factores que caracterizan a la ASK son:
• Requiere circuitos poco complejos
• Muy sensibles a las interferencias (probabilidad de error elevada)
• Siendo Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal
modulada resulta mayor que Fb
• La eficiencia de transmisión, definida como la relación entre Fb y Bw resulta menor que 1
• El Baudio, definido como la velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la
velocidad de transmisión Fb
Frequency Shift Keying (FSK) o Modulación por desplazamiento de Frecuencia (MDF)
En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de frecuencia, determinados directamente por la señal de datos binaria (figura 1). El modulador puede realizarse en varios modos; entre los más difundidos podemos mencionar:
• Un oscilador controlado por tensión (VCO).
• Un sistema que transmite una de las dos frecuencias, en función de la señal de datos.
• Un divisor gobernado por la señal de datos.
La técnica de demodulación más difundida es la que se utiliza un circuito PLL (figura 2). La señal FSK en la entrada del PLL toma dos valores de frecuencia. La tensión de error proporcionada por el comparador de fase sigue dichas variaciones y, por consiguiente, constituye la representación binaria NRZ (nivel alto y nivel bajo), de la señal FSK de entrada. A continuación del demodulador PLL se encuentra un filtro paso bajo que elimina las componentes residuales de portadora y un circuito conformador que traza la señal de datos correcta.
Los principales factores que caracterizan a FSK son:
• Aplicaciones en los modems para transmisión de datos (ITU-T V21, ITU-T V23, BELL 103,
BELL 113,BELL 202), en la transmisión de radio digital, en el sistema telefónico celular
ETACS (transmisión de informaciones a través del Control Channel)
• Requiere circuitos de media complejidad
• Probabilidad de error elevada, pero inferior a la de ASK
• Siendo Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal
modulada resulta mayor que Fb
• La eficiencia de transmisión, definida como la relación entre Fb y Bw resulta menor que 1
• El Baudio o Baud Rate, definido como la velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión Fb
Phase Shift Keying (PSK) o Modulación por desplazamiento de fase (MDF)
En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de fase o más, determinados directamente por la señal de datos binaria (modulación de 2 fases) o la combinación de un determinado número de bits de la señal de datos misma (modulación e N fases). En esta práctica se estudiará la modulación PSK de 2 fases. En la PSK de 2 fases, denominada 2-PSK, Binary PSK (BPSK) o Phase Reversal Keying (PRK), la portadora senoidal toma dos valores de fase, determinados por la señal de datos binaria (figura 1). Una técnica de modulación es la que utiliza un modulador balanceado. La sinusoide de salida del modulador es la portadora de entrada directa o inversa (o sea desfasada 180°), en función de la señal de datos.
Diagrama de constelación.
Los estados de modulación PSK se representan mediante puntos en un diagrama vectorial. Cada punto identifica un estado de modulación, caracterizado por una fase y una amplitud. Esta representación se denomina diagrama de constelación o simplemente constelación.
Aspectos principales.
Los principales factores que caracterizan a la BPSK son:
- Utilización en la transmisión de radio digital
- Requiere circuitos de complejidad medio – alta
- Probabilidad de error elevada pero menor a la FSK
- Denominada Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal modulada resulta mayor que Fb
- La eficiencia de transmisión, definida como relación entre Fb y Bw resulta menor que 1
- El Baudio o Baud rate se define como velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión Fb
Quadrature Amplitude Modulation (QAM) o Modulación de Amplitud en Cuadratura (MAK)
La QAM es una forma de modulación digital cuya información está contenida tanto en la fase como en la amplitud de la portadora transmitida.
8 QAM
En la 8 QAM los datos se dividen en grupos de 3 bits (Tribit), uno de los cuales varía la amplitud de la portadora y los otros dos la fase. La señal modulada puede así tomar 4 diferentes fases y dos diferentes amplitudes, por un total de 8 estados diferentes (figura 1)
16 QAM
En la 16 QAM los datos se dividen en grupos de 4 bits (cuadribits). Las 16 posibles combinaciones varían la amplitud y la fase de la portadora, la cual por tal razón puede tomar 16 estados diferentes (Figura 1).
n QAM
En el estado actual, se llega a una división de los datos en grupos de 9 bits, obteniendo constelaciones con 512 puntos de modulación.
Aspectos principales
Los principales factores que caracterizan la QAM son:
• Aplicaciones en módems para transmisión de datos de alta velocidad (ITU-T V22bis, V29, V32, V32bis, V33, V34, V34bis, BELL 209) y en la transmisión de radio digital
• Requiere circuitos de elevada complejidad
• Probabilidad de error de elevada complejidad
• Fb es la velocidad de transmisión de los bits y “n” el número de bits considerados para la modulación, el espectro mínimo Bw de la señal modulada resulta igual a Fb/n
• La eficiencia de transmisión, definida como relación entre Fb y Bw, resulta igual a “n”
• El Baudio o Baud rate, definido como la velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es
igual a Fb/n.
3.3 Conversión analógico-digital: Muestreo, cuantizacion y codificación.
La conversión analógica-digital o digitalización, consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de la señal de entrada y traducirlas a un lenguaje numérico. La conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC (analogic to digital converter).
COMPARACIÓN DE LAS SEÑALES ANALÓGICA Y DIGITAL
Una señal analógica es aquélla que puede tomar una infinidad de valores (frecuencia y amplitud) dentro de un límite superior e inferior. El término analógico proviene de análogo. Por ejemplo, si se observa en un osciloscopio, la forma de la señal eléctrica en que convierte un micrófono el sonido que capta, ésta sería similar a la onda sonora que la originó. En cambio, una señal digital es aquélla cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos también discretos. Estos valores fijos se toman del sistema binario, lo que significa que la señal va a quedar convertida en una combinación de ceros y unos, que ya no se parece en nada a la señal original. Precisamente, el término digital tiene su origen en esto, en que la señal se construye a partir de números (dígitos).
EL PROCESO DE CONVERSIÓN ANALÓGICO–DIGITAL
El proceso de conversión analógico digital consta básicamente de 4 etapas:
- Muestreo
- Cuantización
- Codificación
- Recodificación Digital-Digital para transmisión
EL MUESTREO
El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toman esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo y está en función del teorema de Nyquist, que indica que la frecuencia de muestreo (fs) será el doble de la frecuencia máxima (fm) de la señal a muestrear, por ejemplo, si tenemos una señal de audio con un ancho de banda de 20 Hz a 22,500 Hz, su frecuencia máxima sería fm =22,500 Hz, por lo tanto su frecuencia de muestreo sería:
LA CUANTIFICACIÓN
Básicamente, la cuantificación lo que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado. Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de tensión de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se les atribuye a un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado.
Los valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior más próximo.
En este momento, la señal analógica (que puede tomar cualquier valor) se convierte en una señal digital, ya que los valores que están preestablecidos, son finitos.
No obstante, todavía no se traduce al sistema binario. La señal ha quedado representada por un valor finito que durante la codificación, será cuando se transforme en una sucesión de ceros y unos.
Así pues, la señal digital que resulta tras la cuantificación es sensiblemente diferente a la señal eléctrica analógica que la originó, por lo que siempre va a existir una cierta diferencia entre ambas que es lo que se conoce como error de cuantificación, que se produce cuando el valor real de la muestra no equivale a ninguno de los escalones disponibles para su aproximación y la distancia entre el valor real y el que se toma como aproximación es muy grande. Un error de cuantificación se convierte en un ruido cuando se reproduzca la señal tras el proceso de decodificación digital.
Tipos de cuantificación
Para minimizar los efectos negativos del error de cuantificación, se utilizan distintas técnicas de cuantificación: Cuantificación uniforme o lineal. Se utiliza un bit rate constante. A cada muestra se le asigna el valor inferior más próximo, independientemente de lo que ocurra con las muestras adyacentes. Cuantificación no uniforme o no lineal. Se estudia la propia entropía de la señal analógica y se asignan niveles de cuantificación de manera no uniforme (bit rate variable) de tal modo que, se asigne un mayor número de niveles para aquellos márgenes en que la amplitud de la tensión cambia más rápidamente. Cuantificación logarítmica: Se hace pasar la señal por un compresor logarítmico antes de la cuantificación. Como en la señal resultante la amplitud del voltaje sufre variaciones menos abruptas la posibilidad de que se produzca un ruido de cuantificación grande disminuye. Antes de reproducir la señal digital, esta tendrá que pasa por un expansor. Cuantificación vectorial En lugar de cuantificar las muestras obtenidas individualmente, se cuantifica por bloques de muestras. Cada bloque de muestras será tratado como si se tratara de un vector, de ahí, el nombre de esta tipología.
LA CODIFICACIÓN
La codificación consiste en la traducción de los valores de tensión eléctrica analógicos que ya han sido cuantificados (ponderados) al sistema binario, mediante códigos preestablecidos. La señal analógica va a quedar transformada en un tren de impulsos digital.
ASPECTOS GENERALES DE LA CODIFICACIÓN
El códec es el código específico que se utiliza para la codificación/decodificación de los datos. Precisamente, la palabra Códec es una abreviatura de Codificador-Decodificador.
- Parámetros que definen el códec.
- Número de canales: Indica el tipo de señal con que se va a tratar: monoaural, binaural o multicanal
- Frecuencia de muestreo: La frecuencia o tasa de muestreo se refiere a la cantidad de muestras de amplitud tomadas por unidad de tiempo en el proceso de muestreo. De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, la tasa de muestreo sólo determinará el ancho de banda base de la señal muestreada, es decir, limitará la frecuencia máxima de los componentes sinusoidales que forman una onda periódica. De acuerdo con este teorema, y siempre desde la perspectiva metemática, una mayor tasa de muestreo para una señal no debe interpretarse como una mayor fidelidad en la reconstrucción de la señal. El proceso de muestreo es reversible, lo que quiere decir que, desde el punto de vista matemático, la reconstrucción se puede realizar en modo exacto (no aproximado). La tasa de muestreo se determina multiplicando por dos el ancho de banda base de la señal a muestrear y, añadiendo un margen (un 10% en CD-Audio, por ejemplo) para contemplar las limitaciones prácticas de los filtros no ideales (reales).
- Resolución (Número de bits): Determina la precisión con la que se reproduce la señal original. Se suelen utilizar 8, 10, 16 o 24 bits por muestra. Mayor precisión a mayor número de bits.
- Bit rate: El bit rate es la velocidad o tasa de transferencia de datos. Su unidad es el bit por segundo (bps).
- Pérdida: Algunos códecs al hacer la compresión eliminan cierta cantidad de información, por lo que la señal resultante, no es igual a la original (compresión con pérdidas).
3.4 Códigos de línea: RZ, NRZ, NRZ-L, AMI, pseudo-ternaria, Manchester, Manchester diferencial, B8ZS, HDB3, entre otros.
Los códigos de línea surgen ante la necesidad de trasmitir señales digitales a través de diversos medios de transmisión. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de la señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. En el caso más sencillo, habrá una correspondencia uno a uno entre los bits y dichos elementos, un cero se representa mediante un nivel bajo de tensión y un uno se representa por un nivel de tensión mayor.
Antes de nada se va a introducir un poco de terminología. Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o todos negativos, la señal se dice unipolar. En una señal polar, por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro, mediante un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. La duración o longitud de un bit se define como el tiempo empleado en el transmisor para emitir un bit; para una razón de datos R, la duración de un bit es 1/R. La razón de modulación, por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal, que dependerá del esquema de codificación elegido. La razón o velocidad de modulación se expresa en baudios, que equivale a un elemento de señal por segundo.
Los códigos de línea fueron desarrollados para mejorar las prestaciones de los sistemas de transmisión, el esquema de codificación es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal. A continuación se describen algunas de las más utilizadas.
inición de los formatos de codificación digital de señales.
No retorno a cero (NRZ-L)
0 = nivel alto
1 = nivel bajo
No retorno a cero invertido (NRZI)
0 = no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez)
1 = transición al comienzo del intervalo
Bipolar – AMI
0 = no hay señal
1 = nivel positivo o negativo, alternadamente
Pseudoternaria
0 = nivel positivo o negativo, alternadamente
1 = no hay señal
Manchester
0 = transición de alto a bajo en mitad del intervalo
1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo
Manchester diferencial
Siempre hay una transición en mitad del intervalo
0 = transición al principio del intervalo
1 = no hay transición al principio del intervalo
B8ZS
Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de ocho ceros se reemplaza por una cadena que tiene dos violaciones al código.
HDB3
Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de cuatro ceros se reemplaza por una cadena que contiene una violación al código
3.5 Modem estándares y protocolos
Estándares
Ya se mencionó antes que hay más de un estándar para transmisión vía módem, y las principales diferencias entre ellos son las frecuencias de modulación y las velocidades de transmisión. En este apartado se estudiarán estos temas con más detalle, así como el funcionamiento interno de un módem. Hay dos conjuntos de estándares de modems, los Bell americanos y los CCITT europeos. En el momento actual, los modems de estándar Bell no pueden ser utilizados legalmente en el Reino Unido, donde las frecuencias utilizadas no cumplen los requerimientos de la British Telcom. Para que los modems multi-estándar puedan ser aprobados, deben mortificarse para desactivar la operación Bell. El sistema Beli, por tanto, es de una importancia mera- mente académica para los usuarios europeos, y sólo será necesario conocerlos si se va a acceder, por alguna razón, a alguna base de datos americana. La tabla que sigue muestra las velocidades de transmisión y las frecuencias de modulación utilizadas por los sistemas Bell y CCM. Los dos sistemas Bell son similares a los dos sistema CCITT, pero en la práctica no son lo suficiente- mente iguales como para lograr la compatibilidad.
Dado que los sistemas Bell no son generalmente aplicables en Europa, no serán considerados en este libro. El sistema V21 es probablemente el mejor para propósitos generales, ya que permite una razonable velocidad de transmisión en ambas direcciones. También permite que el equipo receptor devuelva los datos al equipo transmisor, ya que funciona en sistema full duplex. Esto permite implementar un sistema efectivo de control de errores. Por otra parte, el sistema V23 permite una considerable velocidad de transmisión, pero sólo en funcionamiento half duplex.
Es interesante señalar que la operación half duplex, o semi dúplex, no significa que la comunicación sólo sea posible en un sentido (esto se conoce como simplex). Significa que el sistema puede emitir en una única dirección a la vez; utilizando protocolos convenientes, es posible transmitir en ambas direcciones. Es necesario un protocolo efectivo para evitar que los dos transmitan a la vez.
Protocolo
Los Protocolos en un ambiente de comunicación de datos sirve para dirigir la trasferencia de información entre dos entidades de comunicación. Para ambiente MAINFRAME ,redes locales o servicios públicos son las redes de paquetes ,se usan los módem protocolos , para dirigir el flujo de mensajes entre las maquinas en conversación. Para dirigir el intercambio de mensajes entre PCs independientemente , usando circuitos telefónicos. Estos protocolos garantizan la transmisión y recepción de estos mensajes de forma segura y ordenada.
Protocolos más Utilizados:
1. XMODEM : Referenciado con CHECKSUN . Envía bloques de 128 bytes , uno es de CHECK (verifica).
2. XMODEM _ CRC : Envía bloques de 128 bytes , con dos bytes de CRC (Cyclic Redundancy Checking - Rutina de verificación de Errores) .
3. XMODEM 1K : Envía bloques de 1K con dos bytes de verificación CRC.
4. YMODEM batch : Envía bloques de 1024b bytes con dos bytes CRC. Hace la verificación de cada bloque trasmitido y envía fin de transmisión y repite el proceso en el próximo archivo .
5. YMODEM G : Protocolo "Streaming " donde los módem tienen su propio protocolo de corrección. Si un archivo es enviado y errores son detectados , la transferencia es interrumpida.
6. ZMODEM : Protocolo " Full Streaming" que permite detección y corrección de errores . Rápido y confiable , indicado para líneas deficientes.
7. SEALINK : Protocolo " Full Duplex" derivado del padrón XMODEM.
8. KERMIT : Posee la excepcional características de integrar varios tipos de computadores (PCs y Mainframe). Gobierna la trasferencia de informaciones de sistemas con caracteres de 7 bits. No es recomendable para transferencias entre PCs.
9. COMPUSERVE :Su módem protocolo privado es : B Y QUICKB.
10. WINDOWED Y XMODEM : Usado a través de redes de conmutación de paquetes como TYMNET y TELENET .
11. TELINK : Usado para transferencia "multi-file " con servicio de correo electrónico FIDONET.
12. MODEM7 : Comunicación con sistemas CP/M .
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