3.1 Técnicas de modulación analógica.

Modulación

Es el proceso de modificar una señal de alta frecuencia de acuerdo con una señal de señal de frecuencia baja., Con el objeto 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 pasa banda 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 este video, se explica de forma sencilla y detallada en qué consiste la modulación.

Frecuencia portadora

Una señal portadora es una onda eléctrica modificada en alguno de sus parámetros por la señal de información (sonido, imagen o datos) y que se transporta por el canal de comunicaciones.

El uso de una onda portadora también soluciona muchos otros problemas de circuito, antena, propagación y ruido. Por ello, una antena práctica debe tener un tamaño aproximado al de la longitud de onda de la onda electromagnética de la señal que se va a transmitir. Si las ondas de sonido se difundieran directamente en forma de señales electromagnéticas, la antena debería tener más de un kilómetro de altura. Usando frecuencias mucho más altas para la portadora, el tamaño de la antena se reduce significativamente porque las frecuencias más altas tienen longitudes de ondas más cortas.

Una emisora de radio AM normalmente tiene una serie de letras asociadas: por ejemplo, KPBS. Sin embargo, una forma más práctica de referirse a una emisora de radio es por su frecuencia portadora, como 101.1 MHZ, que es la frecuencia con la que se debe sintonizar la radio. En el caso de las FM, la frecuencia portadora es de 2,4 ó 5 GHZ. El uso de frecuencias portadoras en las FM ha añadido complejidad en cuanto que la frecuencia portadora cambia con el salto de frecuencia o la secuencia de chipping directa para que la señal sea más inmune a la interferencia y el ruido. El chipping es el proceso consistente en convertir cada bit de datos en una cadena de chips expandida denominada secuencia de chipping. Es el mecanismo que permite a los dispositivos inalámbricos leer datos cuando se pierden porciones de señal.

El proceso de recuperar la información de las ondas portadoras se denomina desmodulación.

 En esencia, es invertir los pasos utilizados para modular los datos. En general, a medida que los esquemas de transmisión o modulación (compresión) se hacen más complejos y la velocidad de transmisión de datos aumenta, la inmunidad al ruido se reduce y la cobertura disminuye.

Técnicas de modulación básica

Uno de los objetivos de las comunicaciones es utilizar una frecuencia portadora como frecuencia básica de una comunicación, pero modificándola, siguiendo un proceso denominado modulación para codificar la información en la onda portadora.

Tres aspectos de la onda portadora básica que se pueden modular son:

· Amplitud

· Frecuencia

· Fase o ángulo

Modulación analógica

Las tres técnicas de modulación básica son:

· Modulación de la amplitud (AM o amplitud modulada).

· Modulación de la frecuencia (FM o frecuencia modulada).

· Modulación de la fase (PM o fase modulada).

La mayoría de los sistemas de comunicación utilizan alguna de estas tres técnicas de modulación básicas, o una combinación de ellas.

Modulación de la amplitud (am o amplitud modulada).

La modulación de altitud (AM) es una técnica utilizada en la comunicación electrónica, más comúnmente para la transmisión de información a través de una onda transversal de televisión. La modulación en altitud (AM) funciona mediante la variación de la amplitud de la señal transmitida en relación con la información que se envía. Contrastando esta con la modulación de frecuencia, en la que se varía la frecuencia, y la modulación de fase, en la que se varía la fase. A mediados de la década de 1970, una forma de modulación de amplitud, inicialmente llamada "corrientes ondulatorias"-fue el primer método para enviar con éxito audio a través de líneas telefónicas con una calidad deprimente.

Modulación de la frecuencia (fm o frecuencia modulada).

La frecuencia modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite a través de una portadora variando su frecuencia. En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación conocida como FSK.

La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla (véase Radio FM). El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión FM es generalmente llamado amplio-FM o W-FM (de las siglas en inglés "Wide-FM"). En la radio de dos vías, la banda estrecha o N-FM (de las siglas en inglés "Narrow-FM") es utilizada para ahorrar banda estrecha. Además, se utiliza para enviar señales al espacio.

La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los sistemas de vídeo analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la señal de video. La frecuencia modulada es el único método factible para la grabación de video y para recuperar de la cinta magnética sin la distorsión extrema, como las señales de vídeo con una gran variedad de componentes de frecuencia - de unos pocos hercios a varios megahercios, siendo también demasiado amplia para trabajar con equalisers con la deuda al ruido electrónico debajo de -60 dB. La FM también mantiene la cinta en el nivel de saturación, y, por tanto, actúa como una forma de reducción de ruido del audio, y un simple corrector puede enmascarar variaciones en la salida de la reproducción, y que la captura del efecto de FM elimina a través de impresión y pre-eco. Un piloto de tono continuo, si se añade a la señal - que se hizo en V2000 o video 2000 y muchos formatos de alta banda - puede mantener el temblor mecánico bajo control y ayudar al tiempo de corrección.

Dentro de los avances más importantes que se presentan en las comunicaciones, la mejora de un sistema de transmisión y recepción en características como la relación señal – ruido, sin duda es uno de los más importantes, pues permite una mayor seguridad en las mismas. Es así como el paso de Modulación en Amplitud (A.M.), a la Modulación en Frecuencia (F.M.), establece un importante avance no solo en el mejoramiento que presenta la relación señal ruido, sino también en la mayor resistencia al efecto del desvanecimiento y a la interferencia, tan comunes en A.M.

La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias de audio para sintetizar sonido. Está técnica, conocida como síntesis FM, fue popularizada a principios de los sintetizadores digitales y se convirtió en una característica estándar para varias generaciones de tarjetas de sonido de computadoras personales.

Modulación de la fase (pm o fase modulada).

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 recepción más complejos que los de frecuencia modulada. Además puede presentar problemas de ambigüedad para determinar si una señal tiene una fase de 0º o 180º.

Modulación en fase Codec Codificación del sonido

La codificación del sonido implica transformar una señal de audio analógica en una forma digital para su almacenamiento y transmisión. Los codecs (codificadores-decodificadores) son herramientas clave en este proceso. Algunos aspectos importantes son:

• Muestreo: La señal analógica se muestrea a una frecuencia específica, siguiendo el teorema de Nyquist, que establece que la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta en la señal.
• Cuantificación: Los valores muestreados se convierten en niveles discretos. Esto introduce un error de cuantificación, que puede afectar la calidad del sonido.
• Codificación: Los datos cuantificados se convierten en un formato digital. Aquí es donde se aplican técnicas como la modulación en fase o la modulación por amplitud (AM) para optimizar la transmisión.
• Compresión: Para reducir el tamaño del archivo, se pueden utilizar métodos de compresión, que pueden ser con pérdida (como MP3) o sin pérdida (como FLAC).

Aplicaciones

Telecomunicaciones: La PM se utiliza en sistemas de telefonía móvil y comunicaciones de datos.

Audio digital: En la codificación de audio, técnicas como la modulación en fase pueden mejorar la eficiencia y la calidad del sonido transmitido.

Codificación en el entorno de la TV digital

MPEG-2: Uno de los formatos más utilizados en la transmisión de televisión digital, especialmente en DVB (Digital Video Broadcasting).

H.264/AVC: Ofrece una mejor compresión y calidad de imagen en comparación con MPEG-2 y se usa en la mayoría de las transmisiones HD.

HEVC (H.265): Utilizado para la transmisión de video 4K y 8K, permite una compresión aún mayor, manteniendo la calidad.

Muestreo y compresión

Muestreo: El video se digitaliza mediante un proceso de muestreo que captura diferentes cuadros de la señal analógica.

Compresión: Se aplican algoritmos de compresión para reducir el tamaño del archivo sin perder calidad. Esto es esencial para la transmisión a través de medios limitados.

Transmisión y recepción

Modulación: La señal digital se modula (por ejemplo, mediante COFDM - Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) para su transmisión. Esto permite que múltiples señales se envíen simultáneamente en el mismo canal.

Decodificación: En el receptor, el codec decodifica la señal para que el televisor pueda mostrarla correctamente.

Interactividad y servicios adicionales

La televisión digital permite la implementación de servicios interactivos, como la guía electrónica de programas (EPG), y otros servicios adicionales como subtítulos y audio descriptivo, gracias a la codificación y el uso de estándares como DVB-MHP (Multimedia Home Platform).