Ingeniería en Sistemas ComputacionalesFundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Unidad 3: Modulación 3.1 Técnicas de modulación analógica (Datos analógicos – señales analógicas): Importancia de la modulación Modulación en amplitud (AM) y modulación en frecuencia (FM). Modulación en Fase (PM) 3.2 Técnicas de modulación digital: Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). modulación por desplazamiento de fase (PSK) y Modulación de amplitud en cuadratura (QAM). 3.3 Conversión analógica – digital: Muestreo, cuantización y codificación. 3.4 Códigos de línea: RZ, NRZ, NRZ-L, AMI, pseudo-ternaria, Manchester, Manchester diferencial, B8ZS, HDB3, entre otros. 3.5 Modem, estándares y protocolos ¿Porque Modular ? Es necesario que la información (datos digitales o analógicos) que se va a transferir (a través de un medio de comunicación – guiado o inalámbrica), sea convertida, para una transmisión exitosa. 3.1 Técnicas de modulación analógica Modulación (Datos analógicos – señales analógicas): Es el proceso de modificar una señal de alta frecuencia de acuerdo a una señal de señal de frecuencia baja, con el fin 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 pasabanda 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. En la figura 2.1, se observan los diferentes componentes y señales del proceso de Modulación y Demodulación. Frecuencia Portadora Señal Moduladora (Datos analógicos ) Señal Modulada Señal Modulada Modulador Demodulador Modem Remueve la frecuencia portadora Señal Original Medio de Transmisión Figura 3.1. Proceso de Modulación y Demodulación Existen tres tipos básico de modulación (para datos analógicos y señales analógicas) que son: Modulación en Amplitud ( Amplitude Modulation - AM), Modulación en Frecuencia (Frecuency Modulation FM) y Modulación en Fase (Phase Modulation - PM). La modulación se realiza en el transmisor. la señal modulada resultante es enviada al receptor. En el receptor se realiza el proceso de demodulación, el cual consiste en remover la frecuencia portadora de la señal modulada, recuperando la señal original (los datos). 1 ver figura 1 Frecuencia Portadora Señal Moduladora (Datos analógicos ) Señal Modulada en Amplitud Modulador Modem Figura 3. La amplitud de la portadora no es afectada (mantiene la misma amplitud de la señal moduladora) Frecuencia Portadora Señal Moduladora (Datos analógicos ) Modulador t Modem Señal Modulada en Frecuencia Figura 3. de acuerdo a la amplitud de la señal moduladora) Modulación en Frecuencia La frecuencia portadora cambia de acuerdo al signo y a la amplitud de la señal moduladora. de acuerdo a las variaciones en amplitud de la señal moduladora.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Modulación en Amplitud La frecuencia portadora varía su AMPLITUD. Lo anterior da como resultado (en la salida del modulador) una señal modulada en amplitud.4 Variaciones en amplitud y signo en la Modulación en Frecuencia 2 .3. Modulación en Amplitud (La señal modulada muestra variaciones en amplitud de la frecuencia portadora.2. Modulación en Frecuencia (FM) (La señal modulada muestra una variación (modulación en frecuencia de la señal portadora – La amplitud de la portadora no se modifica En la siguiente figura se muestran las diferentes variaciones de la portadora. con respecto a la señal moduladora Figura 3. 5 Modulación en Fase Figura 3. La frecuencia portadora varia el ángulo (se realiza un corrimiento) de acuerdo a las variaciones de voltaje de la señal moduladora.6.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Modulación en fase En este tipo de modulación. La modulación en fase es una variación de la modulación en frecuencia ya que los dos presentan variaciones con respecto al tiempo Frecuencia Portadora Señal Moduladora (Datos analógicos ) Modulador t Modem Señal Modulada en Fase Figura 3. Modulación en fase (Corrimiento del ángulo de la portadora de acuerdo a las variaciones de la señal moduladora) 3 . la señal portadora tiene una amplitud de cero. de tal forma que surgió la necesidad de agregar dispositivos digitales que convirtieran los datos digitales a señales analogías antes de transmitirlas. Para un valor de ‘0’. BSK o PSK) Modem Datos recibidos (Después de la Demodulación) Datos Digitales Señales Analógicas Figura 3. Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Modulación de Amplitud en Cuadratura (Quadrature Amplitude Modulation.7 Esquema general de Modulación y Demodulación datos digitales y señales analógicas Existen cuatro técnicas de modulación (llamada también Modulación Digital) para transformar datos digitales en señales analógicas: 1. Modulación por Desplazamiento de Fase (Phase Shift Keying – PSK) 4. El dispositivo que realiza la conversión de datos digitales a señales analógicas es el modem. Modulación por desplazamiento de fase (PSK) y Modulación de amplitud en cuadratura (QAM). Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (Frecuency Shift Keying – FSK ) 3. Modulación por Desplazamiento de Amplitud (Amplitude Shift Keying – ASK) En esta técnica los dos valores binarios de los datos de entrada. Datos Digitales Señales Analógicas ) La red telefónica comercial fue diseñada para recibir. (el cual consta de dos dispositivos principalmente : modulador –convierte datos digitales a señales analógicas en el extremo transmisor y el demodulador – el cual convierte de señales analogías a señales digitales en el extremo receptor. para un valor de ‘1’. conmutar y transmitir señales analógicas en el rango de frecuencias de voz ( 300 a 3400 Hz).Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 3. FSK o PSK) Medio de Transmisión (Línea Telefónica) Señal Modulada (En alguna técnica: ASK.2 Técnicas de modulación digital: ( Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK). son representados por dos diferentes amplitudes de la frecuencia portadora. se observa donde inicia la portadora cuando el dato es 1 (esto se debe al valor Acos ( 2πfct)) Frecuencia Portadora 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Modulador 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Dato digital Modem Señal Modulada por Desplazamiento de Amplitud (Amplitude Shift Keying . Modulación por Desplazamiento de Amplitud (Amplitude Shift Keying – ASK) 2. La técnica ASK se emplea para trasmitir sobre fibra óptica con tecnología LED ( light emitting diode). se muestra un esquema general transmisión de señales analógicas (modulación y Demodulación de señales analógicas con datos digitales). la portadora presenta una amplitud máxima constante: ‘0’ = Amplitud cero de la portadora ‘1’ = Acos ( 2πfct) – Amplitud máxima constante de la portadora Nota: en la figura 2.8 Modulación por Desplazamiento de Amplitud 4 . Frecuencia Portadora Modulador Demodulador Dato digital Modem Señal Modulada (En alguna técnica: ASK.QAM). Anteriormente no era posible recibir señales digitales del extremo emisor y transmitirlas directamente. En la figura 1.ASK) Figura 3. BFSK) Figura 3. Frecuencia Portadora Amplitud 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Modulador t Dato digital Modem Señal Modulada por Desplazamiento de Frecuencia Binario (Binary Frequency Shift Keying .11 Desplazamientos de frecuencia (BFSK) de acuerdo a los datos digitales de entrada 5 . se observa un esquema general de modulación y demodulación de BSFK.9 Se muestran los ‘Desplazamientos’ en amplitud de la frecuencia portadora de la señal modulada. es usada para velocidades de 1200 bps.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 En la figura 3.10 Modulación por desplazamiento de Frecuencia (BFSK) En la figura 5. de acuerdo a los valores de los datos digitales de entrada Dato digital de entrada 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Amplitud t Señal Modulada por Desplazamiento de Amplitud (ASK) “O” = Cero amplitud de la portadora “1” = máxima amplitud de la portadora Figura 3. La técnica BFSK.9 Desplazamientos en Amplitud en ASK **** Modulación por desplazamiento de Frecuencia (Frecuency Shift Keying –FSK)) La forma más común de este técnica se denomina Modulación por desplazamiento de frecuencia Binaria (Binary Frecuency Shift Keying –BFSK) en la cual dos valores binarios ( 1 y 0)son representados por dos diferentes frecuencias ( f1 y f2 las cuales tiene desplazamientos cercanos a la frecuencia potadora cuyos valores son de la siguiente forma: 0 = f2 (frecuencia cercana a la portadora) 1 = f1 (en donde f1= 2f2). En la figura 4. también para transmisiones de alta frecuencia ( 3 a 30 MHz) y para aplicaciones en redes are local con cable coaxial. se muestran los desplazamientos de frecuencia (BFSK) de acuerdo a los datos digitales de entrada Dato digital de entrada 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Amplitud f1 f2 t Señal Modulada por desplazamiento de Frecuencia Binaria (BSFK) Figura 3. se muestra un esquema general de Modulación por Desplazamiento de Fase Binaria. En la figura 6. Desplazamientos de las dos fases 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK) Modulación por Desplazamiento de Frecuencia Binaria (BFSK) Modulación por Desplazamiento de Fase Binaria (ASK) Figura 3. En la figura 3-12.14. Esquemas de Modulación ASK.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Modulación por Desplazamiento de Fase (Phase Shift Keying – PSK) En la Modulación PSK .13. desplazamiento de 1800. Esta técnica es conocida como Modulación por Desplazamiento de Fase binaria (Binary Phase Shift Keying – BPSK). se muestran los desplazamientos de fase de la frecuencia portadora de acuerdo a los valores binarios de los datos de entrada. Los valores de las dos fases de la portadora son de la siguiente forma: ‘0’= fase 1. la portadora tiene corrimientos ( desplazamientos) de la fase. BFSK. Modulación por Desplazamiento de Fase binaria (Binary Phase Shift Keying – BPSK). con respecto a la fase1 Dato digital 0 de entrada 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Amplitud t fase 1 fase 2 Señal Modulada por Desplazamiento de Fase Binaria (BPFK) Figura 3. con respecto a fase 2(función consenoidal) ‘1’= fase 2. BPSK 6 . El esquema más simple de PSK usa dos fases para representar dos dígitos binarios . Frecuencia Portadora Amplitud 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Modulador t Dato digital Modem Señal Modulada por Desplazamiento de Fase Binario (Binary Phase Shift Keying . desplazamiento de 1800.12.BPSK) Figura 3. 2 9 15. Manchester.1 9. El dispositivo que convierte los datos analógicos a dato digitales se le nombra CODEC ( COder –DECoder) o digitalizador.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 3.16 Modulación PCM 7 Magnitud normalizada .2 15 10.8 10 5. Una vez que se tiene los datos digitales se tienen varias opciones: --.8 2 2. requiere 8000 muestras por segundo.transmitirlos por algún esquema de Codificación (NRZ. entonces las muestras contienen toda la información de la señal original” Ejemplo: una señal de 3800 Hz. Modulación PCM Se obtiene a partir de los tres pasos siguientes: a) se obtienen muestras PAM intervalos iguales b) se normalizan las muestras c) se obtiene el valor binario del código PCM Para este ejemplo cada muestra es representada por 4 bits Valor del código 15 14 13 12 11 10 9 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1.7 2 Valor de muestra PAM 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0001 1001 1111 1010 0101 0010 0010 Código PCM Figura 3.…. Modulación Delta Las dos técnicas están basadas en el teorema de muestreo: “ Si una señal es muestreada a un número de intervalos regulares mayor que el doble de la frecuencia mas alta de esa señal.6 5 2. ) a técnica de Modulación digital(AASK. PSK ) Digitalizador Modulador Datos analógicos (Voz) Datos Digitales Modem Señal Modulada Analógica (ASK) Figura 3.15 proceso de digitalización y modulación digital Hay dos técnicas para convertir datos analógicos en datos digitales 1. Modulación por código de Pulsos (PCM –Pulse Code Modulation) 2.FAK.2 Conversión analógico a digital (Datos analógicos -> señales digitales) Primero se realiza la Digitalización (proceso de convertir e datos analógicos a datos digitales). Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Modulación Delta Ya que la modulación PCM es no lineal ( el espaciamiento entre muestras puede variar) surge la técnica de Modulación Delta. con los valores: “1” = movimiento de la muestra hacia arriba. entonces cada muestra se puede representar como un bit (como se observa en la figura 2. La función escalera puede moverse un nivel (abajo o arriba) en cada intervalo de la muestra.9). Tiene un comportamiento binario: puesto que la función solamente se mueve un paso hacia arriba o abajo en cada muestra. La señala analógica se muestrea usando una función de escalera (la amplitud y período son iguales en cada muestra). Figura 3. “0”= movimiento de la muestra hacia abajo. la cual aumenta el rendimiento de PCM y reducir su complejidad.17 Modulación delta 8 . las cuales se describen a continuación: Return –To-Zero (RZ) – Regreso a Cero Return To Zero Invertde (RZI) – Regreso – a-Cero. respectivamente 9 .4 Códigos de línea (Datos Digitales .18 Ejemplo de Dato Digital Señal digital.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 3. Es un conjunto de valores discretos.Invertido Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) – No Regreso a Nivel. del código binario ASCII Dato digital Valor binario Del caracter (ASCCI) “A” Representación (Señal digital) 0 b3 0 b7 0 b6 1 0 b5 b4 0b 1 2 b1 Figura 3.Señales Digitales) También se conoce como modulación en banda base o codificación digital Existen diferentes técnicas de Codificación digital.19 Ejemplo de Señal digital y Elementos de Señal Figura 3.Bipolar Ami Pseudoternario Manchester Manchester Diferencial Bipolar with 8-zeros substitution (B8ZS) – Bipolar con substitución de 8 ceros High-density bipolar-3 zeros (HDB3) Bipolar de alta densidad de tres ceros Terminología: Dato Digital: una representación binaria de un dato por ejemplo el carácter A”.20 Ejemplo de elemento de Señal Señal Unipolar. Los datos binarios (el dato digital) son codificados en elementos de señal antes de ser transmitidos ** 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 Dato digital Nivel alto 0 Nivel cero Elementos de señal Señal digital codificada Figura 3.Cero Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) – No Regreso A Cero – Invertido Bipolar –AMI (alternate Mark Inversion). Todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico puede ser positivo o negativo Señal Polar: Un estado lógico (“1”) es representado por un voltaje positivo y el otro estado lógico (“0”) es representado por un voltaje negativo Taza de datos (Velocidad de Transmisión): Transmisión de datos en bits pos segundo (bps) Duración de la longitud del bit: Tiempo de transmisión de un bit (intervalo del bit) Velocidad de Modulación: Número de cambios de nivel de la señal o número de elemento de señal por segundo (medida en bauds) Marca y Espacio: “1” binario y “0” binario. “0” = Transición negativa de nivel cero a nivel bajo. al principio del intervalo del bit. 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 El pulso de voltaje es constante durante la duración del bit. Los datos digitales se codifican como la presencia o ausencia de transición de la señal. NRZ. NRZI RETURN .23 Codificación NRZ NON. a principio del intervalo.RZ 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 Siempre hay una transición a mitad del intervalo del bit Dato digital Nivel alto “1” = Transición positiva de nivel alto a nivel cero. la señal se mantiene en nivel cero 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 Dato digital Nivel alto “0” = Transición positiva de nivel alto a nivel cero.INVERTED (RZI) REGRESO A CERO INVERTIDO Siempre hay una transición a mitad del intervalo del bit ”1”= No hay pulso. al principio del intervalo. El voltaje es constante durante el intervalo del bit. “0”= no hay transición en el pulso de voltaje Figura 3.TO -ZERO (RZ) REGRESO A CERO . alternado.25 esquema NRZI 10 . al principio del intervalo del bit Nivel cero 0 Señal digital codificada con esquema RZ Figura 3.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 *Esquemas de codificación RZ.21 esquema RZ RETURN –TO –ZERO. Dato digital No hay Transición (NRZ-I) Transición de bajo a alto Transición de alto a bajo “1”= Transición de alto a bajo o de bajo a – alto.22 Codificación RZ NON.24 esquema NRZ-L NON. “0”= el pulso de voltaje es positivo “1”= el pulso de voltaje es negativo Dato digital (NRZ-L) Figura 3. NRZL.RETURN – TO.INVERTED in ones (NRZ-I) NO REGRESO A CERO INVERTIDO EN UNOS.ZERO. no hay regreso al nivel cero de voltaje.RETURN – TO – ZERO (NRZ) Dato digital NO REGRESO A CERO 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 “1”= es representado por un voltaje positivo “0”= es representado por un voltaje negativo NRZ Figura 3. RZI. al principio del bit. 0 Señal digital codificada RZI Nivel cero Figura 3.RETURN TO ZERO-LEVEL (NRZ-L) NO REGRESO AL NIVEL CERO 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 Hay dos diferentes niveles de voltaje para los bits 0 y 1. Figura 3. alternado.5 Token Ring Dato digital Codificación Manchester Diferencial Figura 3. “1”: es representado por ausencia de pulso Dato digital (Pseudoternaria) Figura 3. Figura 3. 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 “0”: es representado por un pulso positivo o pulso negativo. consiste en el complemento de Bipolar AMI.29 Codificación Manchester diferencial 11 . Se utiliza en redes IEEE 802.26 codificación AMI PSEUTERNARIA Esta técnica. se representa por ausencia de transición al principio del bit time.27 multinivel Pseudo ternaria Técnicas de codificación Bifase (Manchester y Manchester diferencial ) CODIFICACIÓN MANCHESTER 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Siempre hay transición a mitad del período del bit La transición sirve como reloj y datos *Transición de bajo a alto representa un “1” Dato digital *Transición de alto a bajo representa un “0”. Dato digital (AMI) Nota: El pulso (representado por 1) puede ser usado para sincronización.28 Codificación Manchester MANCHESTER DIFERENCIAL Se usa en Redes IEEE 802. Un “1”. alternado.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Técnicas de Codificación Multinivel binaria (Bipolar AMI – Alternate Mark Inversion)) y Pseuternaria) Bipolar AMI – Alternate Mark Inversion 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 En Esta técnica se conoce como binaria multinivel) “0 ”: es representado por ausencia de pulso “1”: es representado por un pulso positivo o pulso negativo. 3 Ethernet Codificación Manchester Diferencial 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 Siempre hay transición a mitad del período del bit Un “0”: se representa por una transición al principio del bit time. Está basado en la codificación AMI. valores 000-+0+BIPOLAR DE ALTA DENSIDAD CON 3 CEROS HIGH DENSITY BIPOLAR -3 ZEROS (HDB3) Este esquema de codificación se usa comúnmente en Europa y Japón. es negativo.Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 Técnicas de Cifrado B8ZS y HDB3 BIPOLAR WITH 8-ZEROS SUBSTITUTION (B8ZS) BIPOLAR CON SUBSTITUCIÓN DE 8 CEROS 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 Dato digital Este esquema de codificación se usa comúnmente en Norteamérica. que presenta AMI.31 codificación HDB3 + 000 000 + +00 + -000 - B8ZS y HDB3 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 Dato digital AMI 0 B8ZS 0 0 _ + 0 + _ Bipolar with 8-Zeros Substitution (B8ZS). El cuarto cero es substituido por un código de violación (no permitido en AMI). Valores: Figura 3. Si el pulso de voltaje que precede a los 8 ceros. es positivo Entonces los 8 ceros son codificados con los sig. 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 Dato digital AMI 0 HDB3 0 0 V _ B + 0 0 V B 0 0 V Cada grupo de cuatro ceros binarios son substituidos por secuencias de uno o dos pulsos. 0 HDB3 0 0 V _ B + 0 0 V B 0 0 V High-Density Bipolar-3 zeros (HDB3) Figura 3. Esta basado en la codificación AMI. entonces los 8 ceros son codificados con los sig. Las reglas de substitución son: Bipolar with 8-Zeros Substitution (B8ZS).30 codificación B8Zs Si 000+-0-+ el pulso de voltaje que precede a los 8 ceros. AMI 0 B8ZS 0 0 _ + 0 + _ B8ZS resuelve el problema de sincronización con cadenas grandes de ceros. Los códigos V (violation) y B(Bipolar) se alternan en polaridad Las reglas de substitución son de la siguiente forma: Numero de Pulsos Bipolares ( 1’s ) Desde la última substitución Impar Par Código (HDB3) Código (HDB3) High-Density Bipolar-3 zeros (HDB3) Polaridad del pulso precedente _ Figura 3. Los tres primeros son substituidos por pulsos.32 codificación B8ZS y HDB3 12 . 33 Tabla ASCII 13 .Ingeniería en Sistemas Computacionales Fundamentos de Telecomunicaciones AEC-1034 PLAN ISIC-2010224 American Standard Code for Information Interchange (ASCII) Figura 3.