Fundamentos de Modulación Digital (FSK, PSK, QAM) y Técnicas de Multiplexación en Telecomunicaciones

Fundamentos de la Modulación en Sistemas de Comunicación

Se denomina modulación a la operación mediante la cual ciertas características de una onda denominada portadora, se modifican en función de otra onda denominada moduladora, que contiene la información.

El proceso de modulación precisa de dos señales, la moduladora y la portadora, y genera como resultado una tercera señal, denominada señal modulada.

Los parámetros de la señal portadora que son afectados por la onda de información son la amplitud, la frecuencia o la fase.

Técnicas de Modulación Digital-Analógica

La modulación digital permite la transmisión de datos digitales a través de canales analógicos. A continuación, se describen las técnicas principales:

FSK (Frequency Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de la frecuencia (FSK): Se modifica la frecuencia de la portadora según el valor del bit a transmitir. Durante las celdas de bit con valor uno se emplea la frecuencia $f_1$ y la frecuencia $f_2$ para los bits con valor cero.

• Ventaja: Presenta la ventaja de requerir circuitería simple para la demodulación y requisitos de ancho de banda bajos.

ASK (Amplitude Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de la amplitud (ASK): En esta técnica no se modifica la frecuencia de la portadora, sino su amplitud. Los dos valores binarios se representan mediante diferentes niveles de amplitud de la señal portadora.

Generalmente, una de las amplitudes es cero; es decir, el uno binario se representa por la presencia de portadora y el cero por la ausencia de la misma.

PSK (Phase Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de fase (PSK): La frecuencia y la amplitud se mantienen constantes y se varía la fase de la portadora para representar los niveles uno y cero con distintos ángulos de fase.

Con este tipo de modulación, el receptor debe mantener una señal portadora de referencia con la que comparar la fase de la señal recibida.

Esto implica circuitos de demodulación complejos. También este tipo de modulación es muy susceptible al cambio de fases al azar en las transmisiones en forma de onda.

En la forma más general de modulación PSK, la portadora se desplaza de forma sistemática 45º, 135º, 225º o 335º, en intervalos espaciados de manera uniforme.

DPSK (Differential Phase Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de fase diferencial (DPSK): Dada la necesidad del receptor de conocer el significado de cada fase en PSK, nace una variante más inteligente.

Esta nueva forma alternativa de modulación en fase emplea desplazamientos en la fase relativos a la señal anterior transmitida.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Modulación por amplitud en cuadratura (QAM): En módems más sofisticados suelen emplearse varias combinaciones de amplitud y fase. Con ello puede conseguirse, por ejemplo, que un elemento de señal represente cuatro bits, con lo que una transmisión a 2400 baudios permite una velocidad de transmisión de 9600 bps.

Procesos de Conversión de Señal Analógica a Digital

Cualquier señal analógica puede ser convertida a una forma digital al ejecutar tres procesos secuenciales:

1. Muestreo (Sampling)

   En la operación de muestreo, solo son conservados los valores muestreados de la señal analógica en instantes discretos de tiempo espaciados. Usualmente se muestrea al doble de la frecuencia más alta de la señal análoga enviada (Teorema de Nyquist).

2. Cuantificación (Quantization)

   En la operación de cuantificación, cada valor muestreado es aproximado al nivel más cercano en conjuntos finitos de niveles discretos.

3. Codificación (Coding)

   En la operación de codificación, el nivel seleccionado (en la cuantificación) es representado por una palabra de código que consiste en un número preestablecido de elementos pertenecientes a un código.

Técnicas de Multiplexación

Multiplexación por División de Frecuencia (FDM)

En la multiplexación por división de frecuencia (FDM), se divide el ancho de banda del canal entre las señales a multiplexar. Cada estación puede transmitir simultáneamente a las demás.

En este tipo de multiplexación, el ancho de banda del canal debe exceder a la suma de los anchos de banda de las señales que se transmiten, puesto que es necesario dejar bandas de seguridad entre las frecuencias asignadas a los diversos canales.

Multiplexación por División de Tiempo (TDM)

En la multiplexación por división de tiempo (TDM), se asigna a las diferentes estaciones un turno de transmisión rotativo. Durante un quantum de tiempo transmite una estación, luego la siguiente, y así sucesivamente.

Realmente, cada estación utiliza el canal alternativamente, no de forma simultánea.

• Nota: Obviamente, este es el método preferente para la transferencia de datos digitales.