Modulación de fase Es una modulación que se caracteriza porque la fase de la onda portadora varía en forma directamente proporcional de acuerdo con la señal modulante. La modulación de fase no suele ser muy utilizada porque se requieren equipos de r ecepción más complejos que los de frecuencia modulada. modulada. Además puede presentar problemas de ambigüedad para determinar si una señal tiene una fase de 0º o 180º.
Teoría [editar ]
Ejemplo de Modulación de fase. El diagrama superior muestra la señal moduladora superpuesta sobre la onda portadora, trazada en color verde. El diagrama inferior muestra la señal resultante.
Supongamos que la señal a ser transmitida o moduladora es
y que la señal portadora se expresa
como:
Donde: = Frecuencia angular de la portadora. La señal resultante es descrita por la siguiente ecuación:
Esto demuestra como
modula la fase; mientras mayor sea el valor de la señal en
determinado punto en el tiempo, mayor será el desfase de la onda portadora en ese punto.
Esto también puede ser visto como un cambio en la frecuencia de la onda portadora y así la Modulación de Fase se puede considerar como un caso especial de la FM en la cual la modulación en frecuencia es dada por la derivada respecto al tiempo de la modulación de fase. Las matemática del comportamiento de la densidad espectral revela que existen dos regiones de interés particular:
Para señales de amplitud pequeña, la modulación de fase es similar a la AM y muestra, por tanto, el "doblado" de su ancho de banda base y pobre eficiencia.
Para señales senoidales grandes, esta modulación es similar a la FM, y su ancho de banda es aproximadamente: ,
donde
y
es el índice de modulación. Esto también se conoce como
la Regla de Carson para la modulación de fase. El índice de modulación, en es te caso, indica cuanto varía la fase alrededor del valor sin modulación en la onda portadora: . Donde
es la desviación pico en fase.
Modu lación de fase
Sistema de modulación en el cual la fase de la señal portadora varía o es modulada conforme al valor instantáneo de la amplitud de la señal moduladora. Basada en variaciones instantáneas de la fase de la portadora en relación a un ángulo de fase de referencia. Una onda senoidal normal empieza con una amplitud nula y un ángulo de fase nulo, aumenta hasta una amplitud positiva de pico a 90 grados, disminuye a cero a los 180 grados y pasa por un mínimo negativo a los 270 grados antes de volver a pasar por cero a los 360 grados. Un nivel lógico "1" puede representarse como una señal que tiene un determinado ángulo de fase, y un nivel lógico "0", con una portadora de la misma frecuencia y amplitud pero con una fase desplazada 180 grados. Para detectar la fase de la portadora puede emplearse un circuito detector de fase y, por tanto, puede determinar si existe un nivel lógico "1" o un nivel lógico "0". Esta técnica se denomina PSK (phase-Shlft Keying = Variación de fase mediante una señal digital).
La modulación de fase es un medio indirecto para obtener una señal de FM que tenga una frecuencia central alta y estable. El principio en que se basa la modulación de fase es que todo cambio en la fase de una onda sinusoidal automáticamente causa un cambio en la frecuencia de la onda. En la modulación de fase, la fase instantánea de la portadora se desvía del estado de reposo en una cantidad que es proporcional a la amplitud de la señal moduladora. La máxima desviación de fase, al igual que la máxima desviación de frecuencia de la FM, está determinada por las máximas amplitudes positivas y negativas de la señal moduladora. Cada vez que la señal moduladora produce una desviación de fase en la portadora, también varía la frecuencia de la misma. Estas variaciones de frecuencia constituyen una señal de FM equivalente que se una en el receptor para recuperar la información de la señal. La diferencia entre la PM y la FM es el efecto de la señal moduladora sobre la frecuencia portadora. En FM, la desviación de la frecuencia portadora depende sólo de la amplitud de la señal moduladora, y no de su frecuencia. En la PM, la desviación de la frecuencia portadora depende tanto de la amplitud como de la frecuencia de la señal moduladora. Las frecuencias altas producen desviaciones proporcionalmente mayores, lo cual significa que la desviación producida por una moduladora de 10Kc será hasta diez veces mayor que la obtenida con la moduladora de 1Kc.
La modulación de fase produce señales del mismo tipo que las producidas por la modulación de frecuencia directa. Por lo tanto, las señales de PM se pueden transmitir y recibir con equipo convencional FM.
DIFERENCIAS Aunque en muchos aspectos se parecen la modulación de frecuencia y la modulación de fase, si hay diferencias entre ellas y, en consecuencia hay ventajas y desventajas en ambas formas de modulación angular. Alguna vez se prefirió la FM para aplicaciones a gran escala, como emisión comercial, porque la PM requiere una demodulación coherente, casi siempre mediante un lazo de fase cerrada. Por otra parte en la FM se puede demodular usando demoduladores no coherentes. Sin embargo, hoy es probable que los PLL sean menos costosos que sus contrapartes no coherentes, principalmente porque se consiguen como circuitos integrados y no requieren transformadores ni circuitos tanques LC. En la PM, el índice de modulación es independiente de la frecuencia de la señal moduladora. Asi, la PM ofrece mejor desempeño de señal a ruido que la FM, y la PM no requiere una red de preénfasis. Otra ventaja importante de la PM es que la modulación de fase se hace en un circuito separado del oscilador de portadora. En consecuencia se pueden usar osciladores de cristal muy estables como fuente de portadora. Con la FM, la señal moduladora se aplica en forma directa al oscilador de portadora, por lo que no se pueden usar osciladores de cristal para producir la señal
de potadora. Por lo anterior, los moduladores FM requieren circuitos de control automatico de frecuencia para lograr la estabilidad de frecuencia que dicta la FCC.
Una ventaja notable de la FM sobre la PM es que los VCO que se usan en la FM se pueden modular de forma directa y producir salidas con grandes desviaciones de frecuencia y altos índices de modulación. En general, los moduladores de PM requieren multiplicadores de frecuencia para aumentar el índice de modulación y la desviación de frecuencia hasta niveles útiles.
TIPOS DE MODULACIÓN Existen básicamente dos tipos de modulación: la modulación ANALÓGICA, que se realiza a partir de señales analógicas de información, por ejemplo la voz humana, audio y video en su forma eléctrica y la modulación DIGITAL, que se lleva a cabo a partir de señales generadas por fuentes digitales, por ejemplo una computadora. • Modulación Analógica: AM, FM, PM • Modulación Di gital: ASK, FSK, PSK, QAM
MODULACIÓN POR AMPLITUD (AM). Este es un caso de modulación donde tanto las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas. Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud. En otras palabras, la modulación de amplitud (AM) es un tipo de modulación lineal que consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.
Consideremos que la expresión matemática de la señal modulada en amplitud está dada por:
De la ecuación anterior que describe a una señal modulada en amplitud, se observa que tiene tres términos. El primero de ellos corresponde a una señal cuya frecuencia es la de la portadora, mientras que el segundo corresponde a una señal cuya frecuencia es diferencia entre portadora y moduladora y el tercero a una frecuencia suma de las frecuencias de la portadora y moduladora. Todo este conjunto da lugar a un espectro de frecuencias de las siguientes características.
Debido a que en general una señal analógica moduladora no es senoidal pura, sino que tiene una forma cualquiera, a la misma la podemos desarrollar en serie de Fourier y ello da lugar a que dicha señal esté compuesta por la suma de señales de diferentes frecuencias. De acuerdo a ello, al modular no tendremos dos frecuencias laterales, sino que tendremos dos conjuntos a los que se denomina banda lateral inferior (fp-fm) y banda lateral superior (fp+fm). Como la información está contenida en la señal moduladora, se observa que en la transmisión dicha información se encontrará contenida en las bandas laterales, ello hace que sea necesario determinado ancho de banda para la transmisión de la información. Veamos un ejemplo: Si consideramos que la información requiere de 10KHz de ancho de banda, se necesitaran 10KHz para cada banda lateral, lo que hace que la transmisión en amplitud modulada de dicha señal requiera un ancho de banda de 20KHz. Como la información se repite en cada banda lateral, se han desarrollado equipos denominados de Banda Lateral Única (BLU) o Single Side Band (SSB), en los cuales se requiere la mitad del ancho de banda del necesario para la transmisión en amplitud modulada. En el ejemplo anterior una transmisión en banda lateral única requiere solo 10KHz de ancho de banda. Si consideramos la banda lateral superior, el espectro de frecuencias tiene la siguiente forma. Dependiendo de la banda lateral que se transmita, superior o la inferior, se puede tener Upper Side Band (USB): En este caso lo que se transmite es la banda lateral superior y son suprimidas la banda lateral inferior y la señal portadora. Lower Side Band (LSB): En este caso lo que se transmite es la banda lateral inferior y son suprimidas la banda lateral superior y la señal portadora. La principal característica de la modulación de amplitud es que , en su recepción , los desvanecimientos de señal no provocan demasiado ruido , por lo que es usado en algunos casos de comunicaciones móviles ,como ocurre en buena parte de las comunicaciones entre un avión y la torre de control , debido que la posible lejanía y el movimiento del avión puede dar lugar a desvanecimientos. Sin embargo , la modulación en amplitud tiene un inconveniente , y es la vulnerabilidad a las interferencias.
MODULACIÓN POR FRECUENCIA (FM). Este es un caso de modulación donde tanto las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas y es un tipo de modulación exponencial.
En este caso la señal modulada mantendrá fija su amplitud y el parámetro de la señal portadora que variará es la frecuencia, y lo hace de acuerdo a como varíe la amplitud de la señal moduladora. En otras palabras, la modulación por frecuencia (FM) es el proceso de codificar información, la cual puede estar tanto en forma digital como analógica, en una onda portadora mediante la variación de su frecuencia instantánea de acuerdo con la señal de entrada.
La expresión matemática de la señal modulada en frecuencia, está dada por:
La frecuencia de la portadora oscila más o menos rápidamente, según la onda moduladora, esto es , si aplicamos una moduladora de 100 Hz , la onda modulada se desplaza arriba y abajo cien veces en un segundo respecto de su frecuencia central , que es la portadora; además el grado de esta variación dependerá del volumen con que modulemos la portadora, a lo que d enominamos “índice de modulación”.
Al analizar el espectro de frecuencias de una señal modulada en frecuencia, observamos que se tienen infinitas frecuencias laterales, espaciadas en fm, alrededor de la frecuencia de la señal portadora fp; sin embargo la mayor parte de las frecuencias laterales tienen poca amplitud, lo que indica que no contienen cantidades significativas de potencia.
El análisis de Fourier indica que el número de frecuencias laterales que contienen cantidades significativas de potencia, depende del índice de modulación de la señal modulada, y por lo tanto el ancho de banda efectivo también dependerá de dicho índice. De igual forma el contenido de potencia de la señal portadora disminuye conforme aumenta mf, con lo que se logra poner la máxima potencia en donde está la información, es decir en las bandas laterales. Como consecuencia de estas características de modulación podemos observar cómo la calidad de sonido o imagen es mayor cuando modulamos en frecuencia que cuando lo hacemos en amplitud. Además al no alterar la frecuencia de la portadora en la medida que aplicamos la información, podemos transmitir señales sonoras o información de otro tipo (datos o imágenes), que comprenden mayor abanico de frecuencias moduladoras, sin por ello abarcar mayor ancho de banda. Éste es el motivo por el que las llamadas “radiofórmulas” utilizan la frecuencia modulada, o dicho de otro modo,
el nacimiento de las estaciones que a mediados de los sesenta eligieron este sistema para emitir sus programas con mayor calidad de sonido lo cual dio origen a la radiodifusión musical.
MODULACIÓN POR FASE (PM). Este también es un caso de modulación donde las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas y es un tipo de modulación exponencial al igual que la modulación de frecuencia. En este caso el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo a señal moduladora es la fase. La modulación de fase (PM) no es muy utilizada principalmente por que se requiere de equipos de recepción más complejos que en FM y puede presentar problemas de ambigüedad para determinar por ejemplo si una señal tiene una fase de 0º o 180º.
La forma de las señales de modulación de frecuencia y modulación de fase son muy parecidas. De hecho, es imposible diferenciarlas sin tener un conocimiento previo de la función de modulación. Por lo tanto los espectros de frecuencias de la modulación de fase tienen las mismas características generales que los espectros de modulación de frecuencia.
