3.2.-Técnicas de modulación digital.

Conversión digital a digital

La codificación o conversión digital a digital, es la representación de la información digital mediante una señal digital. Por ejemplo, la transmisión de datos desde su computadora a su impresora es digital. 

En este tipo de codificación, los unos y ceros binarios se traducen a una secuencia de pulsos de voltaje que se pueden propagar por un cable.

Unipolar

Los esquemas de codificación unipolar utilizan un solo nivel de voltaje para representar datos. En este caso, para representar el 1 binario, se transmite un voltaje alto y para representar el 0, no se transmite voltaje. También se le llama Unipolar-No retorno a cero, porque no hay una condición de reposo, es decir, representa ya sea 1 o 0.

Ejemplo

Polar

La codificación polar usa dos niveles de voltaje: uno positivo y uno negativo. Estos dos niveles en su mayoría de los métodos de codificación polar se reducen el nivel de voltaje medio de la línea y se alivia el problema de la componente DC.

Ejemplo:

Los métodos mas populares son 3 

NRZ-L: El nivel de la señal depende del tipo de bit que representa. Habitualmente, un valor de voltaje positivo indica que el bit es un O y un valor de voltaje negativo significa que el bit es un 1 (o viceversa); por tanto, el nivel de la señal depende del estado del bit.

 NRZ-I: Es una inversión del nivel de voltaje representa un bit 1. Es la transición entre el valor de voltaje positivo y negativo, no los voltajes en sí mismos, lo que representa un bit 1.Un bit O se representa sin ningún cambio.

 NRZ-I es mejor que NRZ-L debido a la sincronización implícita provista por el cambio de señal cada vez que se encuentra un 1, la señal se invierte si se encuentra un 1.

CATEGORIA RZ

 En este se puede ver que los datos originales contienen tiras de unos o ceros consecutivos, el receptor puede sufrir pérdidas. Una forma de asegurar la sincronización es enviar una señal específica para temporización de un canal distinto. Sin embargo, esta solución es cara y genera sus propios errores. 

Una solución mejor es incluir de alguna forma la sincronización dentro de la señal codificada.

Ejemplo:

CATEGORÍA BIFASICA 

Probablemente, la mejor solución existente para el problema de la sincronización

 Como en RZ, estas transiciones a mitad del intervalo permiten la sincronización.. 

 Codificación Manchester. Usa la inversión en mitad de cada intervalo de bit para sincronizar y para representar bits. Una transición de negativo a positivo representa un 1 binario y una transición positivo a negativo representa un O binario. Usando una transición con ese doble objetivo, la codificación Manchester logra el mismo nivel de sincronización que RZ pero con dos valores de amplitud. 

 Manchester diferencial. La inversión en la mitad del intervalo de bit se usa para sincronización, pero la presencia o ausencia de una transición adicional al principio de cada intervalo se usa para identificar el bit. Una transición significa un O binario, mientras que la ausencia de transición significa un 1 binario. 

Ejemplo:

Bipolar
 Bipolar con Inversión de marca alternada (AMI) 

Es la forma más sencilla de codificación bipolar, AMI (Infraestructura de Medición Avanzada)

Un valor neutral, es decir, un voltaje O, representa el O binario. Los unos binarios se representan alternando valores de voltaje positivos y negativos.

Ejemplo:

BIPOLAR CON SUSTITUCIÓN DE 8 CEROS (B8ZS)

 B8ZS proporciona sincronización de secuencias largas de ceros. En la mayoría de los casos, B8ZS funciona de forma idéntica a AMI bipolar. 

La diferencia entre B8ZS y la AMI bipolar se produce cuando se encuentran ocho o más ceros consecutivos dentro del flujo de datos. La solución provista por B8ZS es forzar cambios artificiales de señal, denominadas violaciones, dentro de la tira de ceros. 

Cada vez que hay una sucesión de ocho ceros, B8ZS introduce cambios en el patrón basados en la polaridad del 1 anterior.  Si el valor del 1 anterior era positivo, los ocho ceros se codificarán entonces como cero, cero, cero, positivo, negativo, cero, negativo, positivo.

Ejemplo:

BIPOLAR 3 DE ALTA DENSIDAD (HDB3)

 Esta convención, denominada HDB3, introduce cambios dentro del patrón AMI bipolar cada vez que se encuentran cuatro ceros consecutivos en lugar de esperar por los ocho del método B8ZS. Aunque el nombre es HDB3, el patrón cambia cada vez que se encuentra cuatro ceros seguidos. 

• En HDB3 si hay cuatro ceros seguidos, se cambia el patrón usando una de las cuatro formas basadas en la polaridad del 1 anterior y el número de unos desde la última sustitución.

Si la polaridad del bit anterior era positiva, la violación es positiva. Si la polaridad del bit anterior era negativa, la polaridad es negativa.  Siempre que el número de unos de la última sustitución sea par, B8ZS coloca una violación en el lugar del primer y cuarto consecutivo.

 Si la polaridad del bit anterior era positiva, ambas violaciones son negativas. Si la polaridad del bit anterior era negativa, ambas violaciones son positivas.

Ejemplo:

Conversión Analógico-Digital

La conversión de señales de analógico a digital es un proceso fundamental en sistemas de telecomunicaciones y procesamiento de señales. Permite que señales continuas, como el audio y el video, se conviertan en datos digitales que pueden ser procesados y transmitidos por dispositivos digitales. Esta conversión se realiza en tres etapas principales: muestreo, cuantización y codificación.

Muestreo es el primer paso, en el cual se toma una serie de muestras de la señal analógica a intervalos regulares. La frecuencia de muestreo debe ser lo suficientemente alta para capturar con precisión las variaciones de la señal original. De acuerdo con el teorema de muestreo de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta de la señal original para evitar el problema de aliasing o pérdida de información.

Después del muestreo, se procede a la cuantización, donde cada muestra se asigna a un valor discreto dentro de un rango finito. Este paso introduce un grado de error, conocido como error de cuantización, ya que los valores originales continuos se aproximan a niveles específicos. Cuantos más niveles de cuantización se utilicen, menor será el error, pero también mayor será la cantidad de datos a almacenar o procesar.

El último paso es la codificación, que convierte los niveles cuantizados en un formato binario (usualmente en bits) que puede ser procesado y almacenado digitalmente. Un ejemplo común de codificación es PCM (Modulación por Código de Pulso), un método ampliamente utilizado en comunicaciones digitales, como el almacenamiento y transmisión de señales de audio. En PCM, cada muestra cuantizada se convierte en una cadena de bits según su valor, creando una representación binaria de la señal.

PAM (Modulación por Amplitud de Pulso) es una técnica de modulación en la que la amplitud de cada pulso representa una muestra de la señal analógica original, siendo una etapa importante en la preparación para la cuantización y codificación.

Conversión Digital a Analógico

El proceso de conversión digital a analógico es el paso inverso, en el cual los datos digitales se convierten nuevamente en señales continuas. Esto es crucial en los sistemas de transmisión, ya que permite que las señales digitales se transporten como señales analógicas a través de medios como el aire o el cable.

Técnicas:

Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK): En ASK, la señal digital modula la amplitud de la portadora analógica. Dependiendo del valor de los datos digitales (por ejemplo, 0 o 1), la amplitud de la portadora cambia, permitiendo que se transmitan datos digitales mediante la variación de la amplitud.

Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK): En FSK, la frecuencia de la portadora cambia de acuerdo con los valores digitales. Cada valor de la señal digital corresponde a una frecuencia específica de la señal analógica, permitiendo la transmisión de datos por medio de cambios en la frecuencia.

Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK): En PSK, la fase de la señal portadora se altera para representar los datos digitales. Los cambios de fase corresponden a diferentes valores digitales, y esta técnica es útil en sistemas donde se necesita una alta eficiencia en la transmisión.

El siguiente ejemplo menciona a detalle las modulaciones ASK, FSK Y PSK

Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM): La QAM combina modulación de amplitud y de fase para transmitir datos en dos dimensiones, aumentando la cantidad de información transmitida en un solo ciclo de la señal portadora. Esto permite una transmisión más eficiente de datos y es ampliamente utilizado en sistemas de comunicación de alta capacidad.

Diagrama de constelación QAM

En la modulación de señales digitales, se suele utilizar un diagrama de constelación para representar un gráfico de modulación QAM bidimensional. En comparación con la modulación IQ, el diagrama de constelación asigna información de modulación de datos (incluida la información de amplitud y fase de las señales) a coordenadas polares.

Cada punto de la constelación representa un símbolo. Los componentes de un punto en los ejes I y Q representan el ajuste de amplitud de las portadoras ortogonales. La distancia A desde el punto hasta el origen (0,0) representa la amplitud después de la modulación y el ángulo φ del punto representa la fase después de la modulación.

Diagrama de constelación QAM

En un diagrama de constelación, los puntos se distribuyen simétricamente en una cuadrícula cuadrada. La cantidad de puntos de constelación en la cuadrícula determina la cantidad de bits que contiene cada símbolo. A continuación, se enumeran dos ejemplos típicos de QAM:

• 256-QAM: 256 es la octava potencia de 2, por lo que cada símbolo puede transportar datos de 8 bits.
• 1024-QAM: 1024 es la décima potencia de 2, por lo que cada símbolo puede transportar datos de 10 bits.

Por lo tanto, el 1024-QAM de orden superior logra una tasa máxima de transmisión de datos un 25 % mayor que el 256-QAM.

¿Cómo funciona QAM con Wi-Fi?

Modos QAM adoptados por los estándares Wi-Fi

Para obtener velocidades de transmisión de datos más altas, los estándares Wi-Fi adoptan órdenes QAM cada vez más altos.

Modos QAM adoptados por diferentes estándares de Wi-Fi

Integrantes

Carreón Núñez Jaime Arturo 

Hernández Castro Hugo 

Vazquez Arriaga Angel Ignacio