3.2 - 3.3 Técnicas de modulación digital.

   La conversión digital a digital se refiere a los métodos usados para transmitir datos binarios en forma de señal digital a través de un medio de transmisión. En este proceso, el tipo de señal digital cambia según las técnicas de codificación, donde los bits de datos (0s y 1s) se representan mediante niveles específicos de voltaje o cambios en la señal. Esta conversión tiene distintas clasificaciones que incluyen las técnicas Unipolar, Polar y Bipolar. A continuación, te explico cada una.

Conversión Digital a Digital

La conversión digital a digital es el proceso mediante el cual una señal digital representa datos binarios para que puedan ser transmitidos entre dispositivos digitales. La representación de estos datos se realiza a través de técnicas de codificación, que buscan una transmisión eficiente y minimizar los errores en el medio de transmisión.

Características generales:

Ø Velocidad: Aumenta la eficiencia y la velocidad de transmisión.

Ø Sincronización: Es fundamental para que el receptor interprete correctamente los datos.

Ø Simetría de la señal: Para evitar problemas de desplazamiento de corriente continua.

Ø Integridad de la señal: Permite una mejor detección de errores.

Técnicas de Codificación Digital a Digital

Unipolar

En la codificación unipolar, el sistema utiliza solo un tipo de voltaje para representar los datos binarios. Generalmente, se usa el nivel de voltaje alto para representar el bit 1, y la ausencia de voltaje (nivel bajo o cero) representa el bit 0.

Características:

Ø Simples: Son fáciles de implementar, ya que solo usan un nivel de voltaje para los bits 1.

Ø Problema de Corriente Continua (DC): La ausencia de voltaje o nivel de corriente constante puede hacer que sea propensa a problemas de sincronización.

Ø Uso de energía: No es eficiente en el uso de energía, ya que siempre está en un estado alto para representar 1, lo que puede consumir más energía en comparación con otros métodos.

 

Polar

En la codificación polar, se usan dos niveles de voltaje diferentes para representar los 1s y 0s. Uno de los niveles se encuentra en el rango positivo y el otro en el negativo.

Características:

Ø Dos niveles de voltaje: Generalmente, se utilizan dos niveles simétricos (positivo y negativo).

Ø Sincronización: Puede mejorar la sincronización al variar constantemente el voltaje entre positivo y negativo.

Ø Menos problemas de DC: Comparado con unipolar, ya que los voltajes alternados ayudan a reducir el problema de la corriente continua.

Tipos de codificación Polar:

Ø NRZ-L (Non-Return-to-Zero-Level): Un bit 1 se representa con un nivel de voltaje específico (positivo) y un bit 0 con un nivel de voltaje opuesto (negativo).

Ø NRZ-I (Non-Return-to-Zero Inverted): Cada 1 cambia el nivel de voltaje, mientras que el 0 mantiene el nivel del voltaje anterior.

Ø RZ (Return-to-Zero): Los bits 1 y 0 regresan al nivel de voltaje cero entre cada bit, lo que mejora la sincronización.

Ø Manchester: La codificación cambia de un nivel positivo a uno negativo en la mitad del intervalo de cada bit.

Ø Differential Manchester: Cambia el voltaje al inicio de cada bit si se trata de un 0, y no cambia si es un 1.

Secuencia de Bits (0s y 1s)	Niveles de Voltaje Correspondientes (+5V / 0V)	Interpretación de Transmisión	Equipos Utilizando Transmisión Unipolar
1010	+5V, 0V, +5V, 0V	Bit 1: +5V, Bit 0: 0V. Alternancia entre bits altos y bajos.	Computadoras de bajo costo (en sistemas simples)
1100	+5V, +5V, 0V, 0V	Dos bits altos seguidos, seguidos de bits bajos.	Sensores básicos de estado (ON/OFF)
1001	+5V, 0V, 0V, +5V	Bit alto, dos bits bajos, luego bit alto.	Controles remotos básicos
1111	+5V, +5V, +5V, +5V	Transmisión de todos los bits en alto.	Sistemas de encendido/apagado
0000	0V, 0V, 0V, 0V	Transmisión sin voltaje (todos los bits en bajo).	Indicadores digitales simples

Bipolar

En la codificación bipolar, también conocida como AMI (Alternate Mark Inversion), se utilizan tres niveles de voltaje: positivo, negativo y cero. Los bits 1 se alternan entre voltajes positivos y negativos, mientras que los 0s se representan con un nivel de voltaje cero.

Características:

Ø Tres niveles de voltaje: Positivo, negativo y cero.

Ø Sincronización: Mejora la sincronización y evita problemas de corriente continua (DC) al alternar la polaridad de los 1s.

Ø Balance de carga: Este esquema reduce problemas de desplazamiento de corriente debido al equilibrio de los niveles de voltaje.

Valor binario (0 o 1)	Conversión bipolar	Descripción del sistema	Equipos que utilizan esta conversión
0	-1 (negativo)	AMI (Alternate Mark Inversion)	Transmisores de datos, líneas de comunicación de telecomunicaciones, dispositivos de transmisión en larga distancia.
1	+1 (positivo)	AMI (Alternate Mark Inversion)	Equipos de red, sistemas de transmisión de datos, algunos protocolos de comunicación.
0	0 (ningún cambio)	NRZ-B (Non-Return to Zero Bipolar)	Sistemas de comunicación digital, como Ethernet o comunicaciones de alta velocidad.
1	0 (ningún cambio)	NRZ-B (Non-Return to Zero Bipolar)	Dispositivos de red que utilizan señales digitales, modems, y otros equipos de telecomunicaciones.

Polar

En la codificación polar, se usan dos niveles de voltaje diferentes para representar los 1s y 0s. Uno de los niveles se encuentra en el rango positivo y el otro en el negativo.

Características:

Ø  Dos niveles de voltaje: Generalmente, se utilizan dos niveles simétricos (positivo y negativo).

Ø  Sincronización: Puede mejorar la sincronización al variar constantemente el voltaje entre positivo y negativo.

Ø  Menos problemas de DC: Comparado con unipolar, ya que los voltajes alternados ayudan a reducir el problema de la corriente continua.

Tipos de codificación Polar:

Ø  NRZ-L (Non-Return-to-Zero-Level): Un bit 1 se representa con un nivel de voltaje específico (positivo) y un bit 0 con un nivel de voltaje opuesto (negativo).

Ø  NRZ-I (Non-Return-to-Zero Inverted): Cada 1 cambia el nivel de voltaje, mientras que el 0 mantiene el nivel del voltaje anterior.

Ø  RZ (Return-to-Zero): Los bits 1 y 0 regresan al nivel de voltaje cero entre cada bit, lo que mejora la sincronización.

Ø  Manchester: La codificación cambia de un nivel positivo a uno negativo en la mitad del intervalo de cada bit.

Ø  Differential Manchester: Cambia el voltaje al inicio de cada bit si se trata de un 0, y no cambia si es un 1.

Bit	Valor Binario	Señal Polar	Equipos que utilizan esta codificación
0	0	Voltaje Negativo (-V)	Comunicaciones digitales, transmisión por cables de red (Ethernet)
1	1	Voltaje Positivo (+V)	Comunicaciones digitales, transmisión por cables de red (Ethernet)
101	1 0 1	+V, -V, +V	Sistemas de telecomunicaciones, módems, redes de datos
1101	1 1 0 1	+V, +V, -V, +V	Redes de transmisión de datos, sistemas de multiplexión
010	0 1 0	-V, +V, -V	Transmisión de datos en sistemas de almacenamiento y procesamiento

Conversión Analógico - Digital

La Conversión Analógico-Digital (A/D) es el proceso de transformar una señal continua (analógica) en una señal digital (discreta) que pueda ser procesada, almacenada o transmitida por dispositivos digitales, como computadoras y otros sistemas electrónicos. Este proceso se divide en tres etapas: muestreo, cuantización y codificación.

La conversión A/D permite que las señales analógicas, como el sonido o la imagen (que son continuas), sean convertidas en datos digitales para su procesamiento en aplicaciones como la grabación de audio, la transmisión de datos, la comunicación digital y el análisis de señales.

 

Proceso de Conversión A/D

El proceso de conversión de una señal analógica a una digital implica tres pasos principales:

Muestreo

El muestreo es el proceso de tomar muestras de la señal analógica a intervalos de tiempo regulares, produciendo así una secuencia de valores discretos que representan la amplitud de la señal en puntos específicos del tiempo. Este paso convierte la señal continua en una señal de tiempo discreto.

Principios:

Ø Frecuencia de Muestreo: Según el teorema de muestreo de Nyquist, para capturar todos los detalles de una señal sin perder información, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal analógica original. Por ejemplo, para capturar una señal de audio de hasta 20 kHz, se necesita una frecuencia de muestreo mínima de 40 kHz.

Ø Alias: Si la frecuencia de muestreo es menor a la requerida, se produce un error llamado "alias", donde diferentes señales pueden aparecer idénticas después del muestreo, perdiendo así la fidelidad de la señal original.

Cuantización

La cuantización es el proceso de asignar cada valor de la señal muestreada a un valor discreto dentro de un rango específico de amplitud. Esto implica redondear los valores de la señal a niveles predeterminados, creando una señal digital en el dominio de amplitud.

Principios:

Ø Resolución: La resolución de la cuantización depende de la cantidad de niveles de cuantización, que a su vez dependen del número de bits utilizados para representar cada muestra. A mayor número de bits, mayor es la precisión y la calidad de la señal digital resultante.

Ø Error de Cuantización: Este error se produce al redondear los valores continuos de la señal al nivel discreto más cercano. Un mayor número de niveles de cuantización reduce este error, lo que mejora la calidad de la señal digital.

Codificación

La codificación es el paso final, en el que los valores cuantizados se convierten en un código binario que representa la señal muestreada y cuantizada. Esta secuencia de bits es la señal digital final que se puede almacenar o transmitir.

Principios:

Ø Codificación Binaria: Se asigna un código binario único a cada valor de cuantización, que representa la señal en un formato digital.

Ø Compresión: En algunos casos, la codificación incluye técnicas de compresión para reducir el tamaño de la señal digital transmitida o almacenada.

PAM (Pulse Amplitude Modulation) - Modulación por Amplitud de Pulso

PAM es una técnica de modulación en la que la amplitud de cada pulso de una señal de pulsos se varía de acuerdo con la amplitud de la señal analógica original en cada momento de muestreo. La señal PAM contiene pulsos cuya amplitud representa el valor de la señal analógica en los instantes de muestreo.

Características:

Ø Usada en Conversión A/D: PAM es el primer paso en la codificación PCM, ya que ayuda a crear pulsos que representan los niveles de la señal analógica.

Ø Aplicaciones: Aunque PAM es principalmente un paso intermedio en la conversión digital, también se utiliza en ciertas transmisiones de datos, como en redes Ethernet de baja velocidad.

Ø Desventajas: PAM es sensible a las interferencias y al ruido, ya que las variaciones de amplitud pueden distorsionarse fácilmente en la transmisión.

Valor Analógico	Valor Digital (PAM)	Valor Binario (0 o 1)	Ejemplo de Equipos que utilizan PAM
0.0	Bajo (0)	0	Sistemas de transmisión de datos analógicos (p.ej., teléfonos analógicos adaptados)
0.5	Medio Bajo (1)	1	Transmisión de audio en algunos sistemas de codificación de voz
1.0	Alto (2)	10	Modem de transmisión de datos a través de líneas telefónicas
1.5	Muy Alto (3)	11	Comunicaciones por fibra óptica, transmisores de vídeo
2.0	Máximo (4)	100	Sistemas de comunicación digital de alta velocidad (p.ej., Ethernet en configuraciones PAM-4)

PCM (Pulse Code Modulation) - Modulación por Codificación de Pulsos

PCM es una técnica de codificación digital que toma la señal PAM, la cuantifica y la convierte en un código binario para cada muestra de la señal analógica. Es la forma más común de convertir una señal analógica en digital y es ampliamente utilizada en telecomunicaciones, audio digital y video digital.

Etapas en PCM:

1. Muestreo: Se toma una muestra de la señal analógica.

2. Cuantización: Se asigna cada muestra a un nivel discreto.

3. Codificación: Cada nivel de cuantización se representa en un código binario.

Características:

Ø Precisión: Ofrece una señal digital de alta precisión y baja distorsión.

Ø Reducción de Ruido: PCM es más resistente al ruido en comparación con PAM, ya que las señales se convierten en pulsos codificados digitalmente que pueden ser regenerados.

Ø Aplicaciones: Es el estándar en telecomunicaciones digitales (telefonía digital) y formatos de audio digital (como CD y DVD de audio).

Valor Analógico (Entrada)	Valor Digital (Salida)	Equipo/Aplicación que utiliza PCM
0.0 V	00000000 (8 bits)	Telefonía digital, Audio digital
0.25 V	00111111 (8 bits)	Audio digital (CD, MP3), Radio digital
0.5 V	01111111 (8 bits)	Comunicación por fibra óptica, TV digital
0.75 V	10000000 (8 bits)	Sonido en sistemas de grabación digital (Ej. grabadoras, micrófonos)
1.0 V	11000000 (8 bits)	Transmisión de datos digitales, comunicaciones satelitales
1.25 V	11111111 (8 bits)	Teléfonos móviles (voz digital)
2.0 V	11111111 (8 bits)	Música en streaming (formatos como WAV, FLAC)

Conversión Digital a Analógico

La Conversión Digital a Analógico es el proceso que convierte una señal digital (serie de 0s y 1s) en una señal analógica que pueda ser transmitida por medios de comunicación analógicos, como ondas de radio. En este proceso, se utilizan diversas técnicas de modulación para representar la información digital en una señal analógica, adaptándose a diferentes frecuencias y fases para la transmisión. Estas técnicas se clasifican principalmente en ASK, FSK, PSK y QAM, cada una con sus características y aplicaciones específicas.

Modulación Digital a Analógico

La modulación convierte los datos digitales en una onda portadora analógica variando ciertos parámetros de la onda (como amplitud, frecuencia o fase) según el valor de los bits. Las técnicas de modulación digital a analógico permiten transmitir información digital a través de canales analógicos de manera eficiente y con menos interferencias.

Tipos de Modulación Digital a Analógico

Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK)

La modulación ASK (Amplitude Shift Keying) cambia la amplitud de la señal de acuerdo con los datos digitales. Un bit 1 podría representarse con una amplitud mayor y un bit 0 con una amplitud menor o ninguna amplitud.

Características:

Ø Simplicidad: Es una de las modulaciones más simples de implementar.

Ø Sensibilidad al Ruido: ASK es muy sensible al ruido, ya que cualquier interferencia puede afectar la amplitud y, por lo tanto, distorsionar la señal.

Ø Aplicaciones: Se utiliza en transmisiones de corto alcance y sistemas de baja velocidad, como algunos tipos de comunicaciones de radio.

Símbolo (Digital)	Amplitud (Analógica)	Descripción	Equipos que utilizan ASK
0	Amplitud baja o nula	Enviar un 0 digital se representa como una señal de baja amplitud o sin señal (en algunos casos, nula).	Módems: antiguos módems de 300 bps a 2400 bps.
1	Amplitud alta	Enviar un 1 digital se representa como una señal de alta amplitud.	Sistemas de transmisión de datos en radio: antiguos sistemas de comunicación por radio.
Modulación ASK	Variación en la amplitud	La señal digital se modula variando la amplitud de la onda portadora en función de los bits 0 y 1.	Módems DSL y transmisores de datos inalámbricos.

Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK)

En la modulación FSK (Frequency Shift Keying), la frecuencia de la señal portadora cambia según los valores de los bits. Un bit 1 se representa con una frecuencia diferente a la de un bit 0.

Características:

Ø Resistencia al Ruido: Es más resistente al ruido en comparación con ASK, ya que se basa en variaciones de frecuencia.

Ø Variantes: El tipo más común es el 2-FSK (dos frecuencias), pero existen variantes como 4-FSK que usan más frecuencias para representar datos, aumentando la velocidad de transmisión.

Ø Aplicaciones: Es ampliamente utilizado en sistemas de comunicación de radio, especialmente en dispositivos que requieren alta fiabilidad, como módems y radiocomunicaciones.

Valor Digital (0 o 1)	Frecuencia	Descripción	Equipos que utilizan FSK
0	Frecuencia baja (f0)	Se utiliza una frecuencia baja para representar un '0' en la señal modulada.	Módems de radio de 2 tonos, dispositivos de comunicación por radio
1	Frecuencia alta (f1)	Se utiliza una frecuencia alta para representar un '1' en la señal modulada.	Módems de radio, comunicaciones inalámbricas de datos (wireless)
Secuencia digital (0, 1)	Desplazamiento entre f0 y f1	La señal FSK varía entre las dos frecuencias (f0 y f1) según el valor binario que se esté transmitiendo.	Dispositivos de comunicación como los Módems, sistemas de telecomunicaciones, transmisión de datos a larga distancia

Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK)

PSK (Phase Shift Keying) es una técnica en la que se varía la fase de la señal portadora para representar los datos digitales. Cada cambio de fase representa un bit o grupo de bits.

Características:

Ø Estabilidad: Es más robusta frente al ruido en comparación con ASK y FSK, especialmente en entornos donde la amplitud puede verse afectada por interferencias.

Ø Tipos:

o BPSK (Binary Phase Shift Keying): Cambia entre dos fases, cada una representando un bit (0 o 1).

o QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): Utiliza cuatro fases, representando dos bits en cada cambio de fase, duplicando la velocidad de transmisión de BPSK.

o 8-PSK y 16-PSK: Usan 8 y 16 fases, respectivamente, para transmitir más bits en cada cambio de fase, incrementando así la eficiencia de transmisión.

Ø Aplicaciones: Es común en sistemas de comunicación satelital y de datos de alta velocidad, como en redes de telecomunicaciones y comunicaciones inalámbricas.

Valor Digital	Fase de la Portadora	Señal Analógica Resultante	Equipos que utilizan PSK
0	0 grados	Señal de fase 0	Radio digital, sistemas de comunicación satelital
1	180 grados	Señal de fase 180	Enlaces de datos de alta velocidad, redes Wi-Fi
0	90 grados	Señal de fase 90	Comunicaciones en sistemas de telefonía móvil 3G/4G
1	270 grados	Señal de fase 270	Sistemas de televisión digital, comunicaciones en banda ancha

Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM)

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) combina tanto la modulación de amplitud (ASK) como la modulación de fase (PSK) para transmitir información. Utiliza variaciones simultáneas de amplitud y fase para representar diferentes combinaciones de bits.

Características:

Ø Alta Eficiencia Espectral: QAM permite transmitir más bits por símbolo que ASK, FSK o PSK, ya que combina cambios en la fase y la amplitud.

Ø Variedades: QAM tiene diferentes versiones según el número de combinaciones posibles:

o 16-QAM: Utiliza 16 combinaciones (4 bits por símbolo).

o 64-QAM y 256-QAM: Utilizan 64 y 256 combinaciones, respectivamente, aumentando la eficiencia de datos transmitidos.

Ø Requiere Buenas Condiciones de Señal: QAM es más susceptible al ruido y la distorsión en comparación con otras técnicas, ya que depende tanto de la fase como de la amplitud de la señal.

Ø Aplicaciones: Es ampliamente utilizado en sistemas de comunicación de datos de alta velocidad, como en redes de televisión digital por cable, redes de comunicación de banda ancha y sistemas LTE.

Valor de QAM	Valor Digital (0s y 1s)	Representación en QAM (Constelación)	Equipos que lo utilizan
QAM-16	0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111	4 niveles de amplitud y 4 fases diferentes	Wi-Fi (802.11a/g/n/ac), Modem de cable, LTE
QAM-64	000000, 000001, 000010, 000011, ..., 111111	8 niveles de amplitud y 8 fases diferentes	Fibra óptica, 5G, Comunicaciones satelitales