Fundamentos y Tipos de Modulación de Señales Eléctricas

Conceptos Fundamentales

Dominio de frecuencia: Representación de una onda donde esta aparece como una línea vertical (o componente) en la frecuencia correspondiente a dicha onda, y cuya altura representa la amplitud de la misma.

Modulación de señales: Proceso electrónico mediante el cual se superpone la información que se desea enviar (señal moduladora) sobre una onda electromagnética de alta frecuencia (señal portadora) que servirá como vehículo de transmisión.

Razones para modular:

• Disminuir las dimensiones físicas de las antenas requeridas para una transmisión eficiente.
• Optimizar el uso del ancho de banda disponible en cada canal de comunicación.
• Evitar o minimizar la interferencia entre diferentes canales o señales.
• Permitir la multiplexación (transmitir varias señales por el mismo medio).
• Definir y mejorar la calidad e inmunidad al ruido de la información transmitida.

Señal en banda base (o Señal Moduladora): Es la señal original que contiene la información que queremos transmitir (voz, datos, video, etc.).

Señal Portadora: Señal, generalmente senoidal, de alta frecuencia (RF - Radiofrecuencia), que sirve para transportar la señal moduladora a través del medio de transmisión.

Señal Modulada: Es la señal resultante de la combinación de la señal moduladora y la señal portadora mediante el proceso de modulación.

Clasificación de la Modulación

Existen dos grandes grupos de técnicas de modulación, basados en qué parámetro de la portadora se modifica:

• Modulaciones Lineales: La amplitud de la señal portadora (y por tanto, de la señal modulada) varía en función de la señal moduladora.
• Modulaciones Angulares: La frecuencia o la fase de la señal portadora (y por tanto, de la señal modulada) varía en función de la señal moduladora.

Modulación Analógica

Modulación Lineal: Amplitud Modulada (AM)

Modulación de Amplitud (AM): Técnica que modifica la amplitud instantánea de una señal portadora de alta frecuencia en proporción directa a la amplitud instantánea de la señal moduladora (banda base).

Envolvente de modulación: Línea imaginaria que une los picos (puntos máximos) de la señal modulada AM. Idealmente, esta envolvente tiene la misma forma que la señal moduladora original.

Coeficiente (o Índice) de Modulación (m): Parámetro adimensional que indica cuánto varía la amplitud de la señal modulada en relación con la amplitud de la portadora sin modular. Define la 'profundidad' de la modulación. Se expresa como m = Am/Ac (Amplitud moduladora / Amplitud portadora).

Sobremodulación: Ocurre en AM cuando el índice de modulación es superior a 1 (m > 1). Esto provoca que la envolvente cruce el eje cero, generando un corte de la portadora en los valles de la señal moduladora, lo que resulta en una severa distorsión de la envolvente y, por lo tanto, una distorsión irrecuperable de la señal demodulada.

Ancho de banda en AM (DSB-LC): Es igual al doble de la frecuencia más alta (fmáx) contenida en la señal moduladora. BW = 2 * fmáx.

Espectro de frecuencias AM: La banda de radiodifusión comercial AM típicamente ocupa el rango de 500 kHz a 1600 kHz.

Variantes de AM

Banda Lateral Única (BLU o SSB - Single Sideband): Es una modulación derivada de la AM a la que se le suprime la señal portadora y una de las dos bandas laterales (superior o inferior). Esto permite un ahorro significativo de potencia y de ancho de banda (BW = fmáx).

Banda Lateral Vestigial (BLV o VSB - Vestigial Sideband): Técnica en la que se transmite una banda lateral completa y una pequeña parte (un vestigio) de la otra banda lateral, junto con la portadora (a menudo reducida). Se filtra parcialmente una de las dos bandas laterales resultantes de una modulación de doble banda lateral. Es un compromiso entre AM y BLU, usada comúnmente en la transmisión de la señal de video en televisión analógica.

Banda Lateral Independiente (BLI o ISB - Independent Sideband): Permite emitir dos señales de información independientes, una en la banda lateral superior y otra en la inferior, utilizando una única frecuencia portadora (generalmente suprimida o de nivel reducido).

Modulación Angular: Frecuencia Modulada (FM) y Fase Modulada (PM)

Modulación Angular: Conjunto de técnicas donde la información de la señal moduladora modifica el ángulo (fase o frecuencia) de la señal portadora.

Modulación de Frecuencia (FM): Consiste en hacer variar la frecuencia instantánea de la señal portadora de forma directamente proporcional a la amplitud instantánea de la señal moduladora.

• El desvío de frecuencia (cuánto cambia la frecuencia respecto a la frecuencia central de la portadora) es proporcional a la amplitud de la señal moduladora.
• La velocidad con que cambia la frecuencia instantánea es igual a la frecuencia de la señal moduladora.

Modulación de Fase (PM): Consiste en hacer variar la fase instantánea de la señal portadora de forma directamente proporcional a la amplitud instantánea de la señal moduladora.

MPX (Multiplex Estéreo FM): Es la señal compuesta (multiplexada en frecuencia) que se utiliza para transmitir audio estéreo en radiodifusión FM. Contiene la suma de los canales izquierdo y derecho (L+R, compatible con receptores mono), la diferencia (L-R) modulada en una subportadora, y una señal piloto a 19 kHz. Al visualizar esta señal en un osciloscopio o analizador de espectro, se pueden observar sus distintos componentes. Si se demodula solo la componente L+R, se escucha la señal en mono.

Modulación Digital

Conjunto de técnicas utilizadas para transmitir información digital (secuencias de bits) mediante la variación discreta de uno o más parámetros (amplitud, frecuencia, fase) de una señal portadora analógica.

Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK - Amplitude Shift Keying)

ASK: Se genera variando la amplitud de la portadora entre dos o más niveles discretos, en función de los valores binarios (0 o 1) de la señal moduladora digital. La forma más simple es OOK (On-Off Keying), donde un nivel es amplitud cero (portadora apagada) y el otro es una amplitud fija (portadora encendida). El ancho de banda de la señal modulada ASK es, teóricamente, el doble que el de la señal moduladora digital original en banda base.

Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK - Frequency Shift Keying)

FSK: Asigna dos frecuencias diferentes a la señal portadora, f1 y f2, para representar los dos valores binarios ('0' y '1') de la señal moduladora digital. Se puede generar mediante dos osciladores conmutados o un Oscilador Controlado por Voltaje (VCO).

Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK - Phase Shift Keying)

PSK: Modifica la fase de la señal portadora en función de los datos digitales. La forma más simple es BPSK (Binary PSK), que provoca un cambio (desplazamiento) de fase de 180° en la portadora cuando la señal moduladora digital cambia de valor binario (por ejemplo, 0° para '0' y 180° para '1').

Modulación por Desplazamiento de Fase en Cuadratura (QPSK - Quadrature PSK)

QPSK: Es una forma de PSK que utiliza cuatro ángulos de fase distintos (típicamente 0°, 90°, 180° y 270°, o 45°, 135°, 225°, 315°) para representar combinaciones de dos bits (dígitos binarios o 'dibits': 00, 01, 10, 11) en cada instante de símbolo. Conceptualmente, equivale a dos moduladores BPSK trabajando en cuadratura (con portadoras desfasadas 90° entre sí). Permite transmitir el doble de bits por segundo que BPSK utilizando el mismo ancho de banda.

Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM - Quadrature Amplitude Modulation)

QAM: Técnica de modulación digital que combina la modulación de amplitud (ASK) y la modulación de fase (PSK) de forma simultánea. Utiliza múltiples niveles de amplitud y múltiples ángulos de fase para crear una 'constelación' de puntos en el plano complejo. Cada punto (o símbolo) representa una combinación única de múltiples bits (por ejemplo, 4 bits en 16-QAM, 6 bits en 64-QAM). Es una técnica muy eficiente en términos de uso del ancho de banda.

Ejemplos de aplicación: Tecnologías como ADSL, Wi-Fi, DVB-T (Televisión Digital Terrestre), DVB-C (Televisión Digital por Cable).