Modulación QAM 16, PAM y PWM PDF

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1 de Junio del 2020

TÉCNICAS DE MODULACIÓN DIGITAL: Modulación QAM 16, PAM Y PWM.

Materia: Introducción a las Telecomunicaciones. Alumno: Erick Orlando Portales Posada. Núm. Control: 17380616.

Modulación QAM 16 (16-QAM) Introducción. La modulación de amplitud en cuadratura, en ingles Quadrature Amplitude Modulation (QAM), es una modulación lineal que consiste en modular en doble banda lateral dos portadoras de la misma frecuencia desfasadas 90º. Cada portadora es modulada por una de las dos señales a transmitir. Finalmente, las dos modulaciones se suman y la señal resultante es transmitida. La modulación QAM es una modulación en amplitud y cuadratura. Esto quiere decir que la señal portadora será modificada en amplitud y fase, atendiendo a la señal moduladora. Este proceso de batido da lugar a la señal modulada. Así, se pueden obtener distintas combinaciones de amplitud y fase, dando lugar a los diferentes tipos de modulación QAM que existen: 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM; donde los números indican las posibles combinaciones de amplitud y fase. La modulación QAM, también, al usar distintas combinaciones de amplitud y fase, permite obtener, para una misma velocidad de modulación, una mayor tasa de bits (velocidad de transmisión).

Ventajas. Mayor inmunidad al Ruido. Menor consumo de energía eléctrica. Menor costo. Mayor capacidad para acarrear grandes cantidades de información respecto a los métodos de modulación analógica.  Proveen transmisiones de mejor calidad.  Compatibilidad con servicios digitales de datos.  Mayor seguridad en la transmisión de información.    

Desventajas. Tiene como inconveniente que es necesario realizar la demodulación con demoduladores síncronos. La sincronización es: cuando determinados fenómenos ocurran en un orden predefinido o a la vez. Aplicaciones.  Módems superiores a 2400 bps (ejemplo V.22 bis y V.32).  Multitud de sistemas de transmisión de televisión, microondas, satélite, etc.  En la modulación TCM (Trellis Coded Modulation) .  Módems ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line). Ecuación Matemática. Las amplitudes de las dos señales moduladas en ASK (a y b), toman de forma independiente los valores discretos an y bn correspondientes al total de los “N” estados de la señal moduladora codificada en banda base multinivel N= n x m. Las amplitudes de las dos señales moduladas en ASK (a y b), toman de forma independiente los valores discretos an y bn correspondientes al total de los “N” estados de la señal moduladora codificada en banda base multinivel N= n x m. Una modulación QAM se puede reducir a la modulación simultanea de amplitud ASKn,m y fase PSKn,m de una única portadora, pero solo cuando los estados de amplitud An,m y de fase Hn,m que esta dispone, mantienen con las amplitudes de las portadoras originales an y bn.

QAM DE DIECISÉIS (16-QAM). Así como en 16-PSK, el 16-QAM es un sistema M-ario, en donde M= 16. Actúa sobre los datos de entrada en grupos de cuatro (2 4 = 16). Como con el 8-QAM, tanto la fase y la amplitud de la portadora transmisora son variados. Transmisor QAM de dieciséis. El diagrama a bloques para un transmisor de 16-QAM se muestra en la figura 16. Los datos de entrada binaria se dividen en cuatro canales: El I, I’, Q y Q'. La tasa de bits de rada canal es igual a un cuarto de la tasa de bits de entrada (f b/4).

FIGURA 16. Consideración del ancho de banda para el QAM de dieciséis. Con el 16-QAM, ya que los datos de entrada se dividen en cuatro canales, la tasa de bits en el canal 1, I', Q o Q' es igual a un cuarto de la tasa de datos de entrada binarios (f b/4). (El derivador de bits estira los bits I, Q y Q', a cuatro veces su longitud de bits de entrada). Además, debido a que estos bits tienen salidas de manera simultánea y en paralelo, los convertidores de nivel 2 a 4 ven un cambio en sus entradas y salidas a una fase igual a un cuarto de la tasa de datos de entrada.

Modulación PAM Es la más sencilla de las modulaciones digitales. Consiste en cambiar la amplitud de una señal, de frecuencia fija, en función del símbolo a transmitir. En la modulación por amplitud de pulsos, la señal no necesariamente es de dos niveles, sino que el nivel de la señal puede tener cualquier valor real, si bien la señal es discreta, en el sentido de que se presenta a intervalos definidos de tiempo, con amplitudes, frecuencias, o anchos de pulso variables.

En el caso de PAM, la anchura y la separación de los pulsos permanece constante, siendo la amplitud de los mismos lo que varía de acuerdo con la amplitud de la moduladora, tal y como se ve en la figura anterior. Como puede observarse en la figura la señal analógica sería la envolvente del conjunto de pulsos obtenidos tras la modulación.

Muestreo. El proceso de muestreo es común a todos los sistemas de modulación de pulsos y por lo general, su descripción se hace en el dominio del tiempo. Mediante el muestreo, una señal analógica continua en el tiempo, se convierte en una secuencia de muestras discretas de la señal, a intervalos regulares. El teorema de muestreo establece que: Una señal continua, de energía finita y limitada en banda, sin componentes espectrales por encima de una frecuencia fmax, queda descrita completamente especificando los valores de la señal a intervalos de 1/2fmax segundos. La señal así muestreada puede recuperarse mediante un filtro de paso bajo.

En la figura anterior, una señal analógica (a), se multiplica, por ejemplo, mediante un mezclador, por un tren de pulsos (b), de amplitud constante y se tiene como resultado un tren de pulsos (c) modulado en amplitud. La envolvente de este tren de pulsos modulados se corresponde con la señal analógica. Para recuperar ésta, basta con filtrar a paso bajo el tren de pulsos (c), como se ilustra en la figura 7.8.

La transmisión de las señales moduladas por amplitud de pulsos impone condiciones severas respecto a las respuestas en magnitud y fase del sistema, a causa de la corta duración de los pulsos. Por otra parte, el comportamiento de un sistema PAM respecto al ruido nunca puede ser superior al de transmisión en banda base. Sin embargo, la modulación por amplitud de pulsos es el primer paso indispensable en la conversión de señales analógicas a digitales, entendiéndose aquí por señal digital aquélla que solamente tiene dos niveles. La señal PAM es una señal discreta, no necesariamente digital.

Aplicaciones. Algunas versiones del protocolo Ethernet se basan en la modulación PAM para la transmisión de los datos. En concreto, 100BASE-TX (fast ethernet) usa una modulación de 3 niveles (3-PAM), mientras que 1000BASE-T (gigabit ethernet) usa una modulación de 5 niveles o 5-PAM. Ventajas. El método de prueba usado en PAM es más eficaz en otras áreas de ingeniería que en la comunicación de datos (informática). Aunque PAM está en la base de un importante método de codificación analógica - digital llamado modulación de código de pulso (PCM). Desventajas. Ineficaz en comunicaciones debido a que, aunque traduzca la forma actual de la onda a una serie de pulsos, siguen teniendo la amplitud de pulsos todavía señal analógica y no digital. Para hacerlos digitales, se deben de modificar usando modulación de código de pulso (PCM). La transmisión de las señales moduladas por amplitud de pulsos impone condiciones severas respecto a las respuestas en magnitud y fase del sistema, a causa de la corta duración de los pulsos. Por otra parte, el comportamiento de un sistema PAM respecto al ruido nunca puede ser superior al de transmisión en banda base.

Modulación PWM El PWM es un tipo de señal de tensión que usamos en electrónica con muchos objetivos distintos y para muchas tareas distintas. Vivimos rodeados de dispositivos que usan PWM para realizar alguna operación. PWM son siglas en inglés que significan Pulse Width Modulation y que lo podemos traducir a español como Modulación de ancho de pulso. La modulación por ancho de pulso o PWM (Pulse Width Modulation) se usa para controlar el ancho de una señal digital con el propósito de controlar a su vez la potencia que se entrega a ciertos dispositivos. Modificando el ancho del pulso activo (que está en On) se controla la cantidad de corriente que fluye hacia el dispositivo. El PWM nace de la necesidad de tener varios niveles de tensión a partir de una señal continua, ya sea que venga del mundo digital (microcontroladores) o del mundo analógico (una simple «señal» de continua) que queremos que «parezca de menos» tensión. Funciona como un interruptor, que constantemente se activa y desactiva, regulando la cantidad de corriente y por ende de potencia, que se entrega al dispositivo que se desea controlar. Estos dispositivos pueden ser motores CC o fuentes de luz en CC, entre otros. La modulación de ancho de pulso está formada por una señal de onda cuadrada que no siempre tiene la misma relación entre el tiempo que está en alto y el tiempo que está en bajo. En la siguiente imagen vemos una señal que varía entre 5 voltios y 0 voltios. A lo largo del tiempo la señal varía entre dos valores de tensión. Durante un tiempo determinado la señal se encuentra en el nivel alto (en este caso 5v) y durante otro periodo de tiempo se encuentra en el segundo valor de tensión (en este caso 0v).

El tiempo que la señal se encuentra en el nivel alto ( 5 voltios ) lo denominamos como tiempo on ( Ton ) mientras que el tiempo que está en nivel bajo lo denominamos tiempo off ( Toff ). La suma del tiempo on y el tiempo off es el periodo de la señal (T). Y como en toda señal periódica, el inverso de del periodo ( 1 / T ) es la frecuencia de la señal. Variando su valor de tensión entre dos valores conocidos, por ejemplo, Vcc y GND en periodos concretos de tiempo y con una frecuencia fija. Estos periodos reciben nombres especiales.

Ciclo de trabajo o Duty Cycle La variación de ancho de pulso consiste en variar el tiempo de encendido y apagado, es decir Ton y Toff. Al cambiar el valor de un PWM, en realidad se están modificando estos tiempos. El ciclo de trabajo no es otra cosa que la relación entre el tiempo de encendido y el periodo o tiempo total del PWM.

Si un motor es alimentado con 12 voltios, recibe todo el tiempo la corriente que este pide y entrega la máxima potencia, si es alimentado con 0 voltios, no recibe corriente y no obtiene potencia. En un sistema PWM el motor recibe corriente por un tiempo y deja de recibirlo por otro, repitiéndose este proceso continuamente. Si se aumenta el tiempo en que el pulso está en nivel alto (12 V en nuestro ejemplo), se entrega más potencia y si se reduce el tiempo entrega menos potencia. Para entender mejor esta idea observar la siguiente imagen.  Si el ciclo de trabajo es de 0% significa que no hay tiempo con pulso en nivel alto y el motor está apagado.  Si el ciclo de trabajo es de 25% significa que el 25% del tiempo el pulso está en nivel alto y el 75% en nivel bajo.  Si el ciclo de trabajo es de 50% el tiempo que el voltaje está en bajo es igual al que está en alto.  Si el ciclo de trabajo es de 100%, significa que el pulso está todo el tiempo en nivel alto. Esto causa que el motor esté trabajando al máximo porque recibe corriente todo el tiempo.  Si se necesita aumentar la velocidad de un motor se incrementa la potencia que se le entrega (ciclo de trabajo mayor)  Si se necesita disminuir la velocidad de un motor se disminuye la potencia que se le entrega. (ciclo de trabajo menor) Ventajas. La principal ventaja es la eficiencia energética. El circuito que tenga este método de control, entrega a la carga una cantidad de potencia que es proporcional a la potencia que necesita para realizar su trabajo. Aplicaciones. En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, además de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones....