3.2 Técnicas de modulación digital

Las técnicas de modulación digital son esenciales en los sistemas de comunicación modernos, ya que permiten transmitir datos digitales de manera eficiente y confiable a través de diferentes medios. A diferencia de la modulación analógica, en la modulación digital, las señales de información se representan mediante niveles discretos, lo que reduce el impacto del ruido y permite una transmisión más precisa. 

Las técnicas de modulación digital son métodos que permiten la transmisión de información digital mediante señales analógicas, haciendo posible la comunicación de datos en medios como cables, aire o fibra óptica. En la actualidad, estos métodos son fundamentales para el funcionamiento de diversas tecnologías de comunicación, como internet, telefonía móvil, redes inalámbricas y transmisión de televisión.

La modulación digital convierte una secuencia de bits en señales analógicas mediante variaciones específicas en uno o más parámetros de la señal portadora, como la amplitud, frecuencia o fase. Esto permite que la información digital sea transmitida a través de medios que, por naturaleza, suelen soportar solo señales continuas. Las principales técnicas de modulación digital incluyen ASK (modulación por desplazamiento de amplitud), FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia), PSK (modulación por desplazamiento de fase) y QAM (modulación de amplitud en cuadratura). Cada una de estas técnicas emplea distintos enfoques y presenta ventajas y desventajas específicas, lo que las hace adecuadas para diferentes aplicaciones y entornos de comunicación.

Para comprender las conversiones de señales digitales en los distintos modos de codificación (unipolar, polar y bipolar), veamos qué significa cada uno y cómo se aplica:

1. Unipolar

En codificación unipolar, las señales solo tienen un nivel de voltaje (normalmente positivo) o están en cero. Así, los 1s son representados por un nivel alto (por ejemplo, +5V) y los 0s se representan por un nivel bajo (0V).

Ventajas: Es fácil de implementar.

Desventajas: Requiere más energía y no tiene protección contra el ruido, ya que no hay cambios de polaridad.

2. Polar

En la codificación polar, las señales pueden tener tanto valores positivos como negativos. En un esquema polar típico como NRZ (Non-Return to Zero), el "1" puede estar representado como +5V y el "0" como -5V.

Ventajas: Mejor eficiencia de energía, ya que utiliza tanto valores positivos como negativos, y la detección de errores puede ser más fácil.

Desventajas: Puede tener problemas de sincronización si hay una secuencia prolongada de 1s o 0s.

3. Bipolar

En la codificación bipolar, también llamada AMI (Alternate Mark Inversion), los ceros se representan con un voltaje neutro (0V), y los unos alternan entre voltajes positivos y negativos.

Por ejemplo, el primer "1" puede ser +5V, el segundo "1" -5V, el tercero +5V, y así sucesivamente.

Ventajas: Reduce el uso de ancho de banda y es resistente al ruido, porque un error en la

secuencia de voltaje alternante puede detectarse fácilmente.

Desventajas: La alternancia puede complicar el diseño en comparación con el unipolar.

Para convertir una señal digital en cualquiera de estos esquemas:

1. Determine los niveles de voltaje según el tipo (por ejemplo, +5V y 0V para unipolar).

2. Aplique una regla de asignación:

a. Unipolar: 0 y 1 se representan como niveles de voltaje fijo.

b. Polar: Los bits 0 y 1 tienen polaridades opuestas.

c. Bipolar: Los unos alternan entre positivo y negativo, y los ceros son neutros.

La conversión de una señal analógica a digital consiste en tres procesos clave: muestreo, cuantización y codificación. Además, los métodos PAM (Modulación por Amplitud de Pulso) y PCM (Modulación por Código de Pulsos) son técnicas fundamentales para esta conversión.

1. Muestreo

En el muestreo, se toma una muestra de la señal analógica en intervalos de tiempo uniformes. La frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal analógica para evitar el aliasing (según el Teorema de Nyquist). Frecuencia de muestreo: Representa la cantidad de muestras por segundo. Para señales de audio, por ejemplo, una frecuencia de muestreo común es 44.1 kHz.

2. Cuantización

En este paso, cada muestra de la señal se asigna al valor más cercano de un conjunto de niveles discretos predefinidos, conocidos como niveles de cuantización.

La cuantización introduce un error llamado ruido de cuantización, que aumenta si hay menos niveles de cuantización. Sin embargo, más niveles de cuantización requieren más bits para codificar cada muestra.

3. Codificación

En esta etapa, cada valor cuantizado se convierte en una secuencia de bits (código binario) que representa el valor cuantizado. La cantidad de bits utilizados por muestra determina la resolución. Por ejemplo, si se utilizan 8 bits, hay 256 niveles de cuantización.

Técnicas: PAM y PCM

PAM (Modulación por Amplitud de Pulso)

La PAM genera pulsos cuya amplitud es proporcional a las muestras de la señal analógica. No es completamente digital; genera pulsos de amplitud continua que todavía contienen información analógica.

Ventaja: Es simple y se usa como paso previo en PCM.

Desventaja: Las señales PAM son más susceptibles al ruido.

PCM (Modulación por Código de Pulsos)

La PCM toma las muestras PAM, las cuantiza y las codifica en binario, creando una señal completamente digital.

En PCM, cada muestra cuantizada es representada por una serie de bits, permitiendo la transmisión de señales digitales libres de ruido y menos afectadas por interferencias.

Ventaja: Mayor robustez frente al ruido y capacidad de corrección de errores.

Desventaja: Requiere más ancho de banda que PAM, debido a que convierte cada muestra a un código binario.

La conversión de señal digital a analógica se utiliza en la modulación de señales digitales para su transmisión en medios analógicos. Los métodos más comunes para este tipo de conversión son ASK (Modulación por Desplazamiento de Amplitud), FSK (Modulación por Desplazamiento de Frecuencia), PSK (Modulación por Desplazamiento de Fase) y QAM (Modulación de Amplitud en Cuadratura).

1. ASK (Modulación por Desplazamiento de Amplitud)

En ASK, la amplitud de la señal portadora varía de acuerdo con los datos binarios de entrada, mientras que la frecuencia y fase de la portadora permanecen constantes.

Un bit "1" puede representarse con una amplitud alta, y un bit "0" con una amplitud baja o cero.

Ventajas: Es simple y fácil de implementar.

Desventajas: Es sensible al ruido, ya que las fluctuaciones en la amplitud pueden alterar la

interpretación de los datos.

2. FSK (Modulación por Desplazamiento de Frecuencia)

En FSK, la frecuencia de la señal portadora cambia según el bit transmitido. Una frecuencia representa el "1", y otra frecuencia representa el "0".

FSK Binaria (2-FSK): Emplea dos frecuencias, una para el 0 y otra para el 1.

Ventajas: Más robusto ante el ruido que ASK.

Desventajas: Requiere mayor ancho de banda y es menos eficiente en comparación con

PSK y QAM.

3. PSK (Modulación por Desplazamiento de Fase)

En PSK, la fase de la señal portadora cambia para representar los bits de datos. PSK Binaria (BPSK): Usa dos fases (por ejemplo, 0° para el bit 0 y 180° para el bit 1). QPSK (PSK en Cuadratura): Utiliza cuatro fases para representar dos bits a la vez (por ejemplo, 0°, 90°, 180°, y 270°).

Ventajas: Más eficiente en el uso del ancho de banda y menos sensible al ruido que ASK y FSK.

Desventajas: Los sistemas PSK pueden ser más complejos de implementar,

especialmente con un mayor número de fases.

4. QAM (Modulación de Amplitud en Cuadratura)

QAM combina tanto cambios de amplitud como de fase para codificar múltiples bits en cada símbolo transmitido. QAM-16: Usa 16 combinaciones posibles de amplitud y fase, permitiendo que cada

símbolo represente 4 bits.

QAM-64, QAM-256, etc.: Aumentan el número de niveles para representar más bits por

símbolo, mejorando la eficiencia.

Ventajas: Es una de las técnicas más eficientes en términos de ancho de banda, y es ampliamente utilizada en sistemas modernos como WiFi y televisión digital.

Desventajas: Es sensible al ruido y requiere una señal con buena relación señal-ruido para funcionar correctamente.

Referencias bbiliograficas:

https://es.slideshare.net/slideshow/codificaciones-unipolar-polar-bipolar/7417361

https://openaccess.uoc.edu/bitstream/10609/141046/10/PLA3_Conversi%C3%B3n%20a

nal%C3%B3gico-digital.pdf

https://es.scribd.com/document/485801005/Modulacion-pam-y-pcm