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lunes, 10 de agosto de 2015

Modulación - 5ta parte - Transmisión de Datos

El canal para transmisión de Datos
Para transmitir datos a distancia es necesario utilizar un canal de comunicación, que podrá consistir en un cable de cobre, o bien en un canal de un radio, o en un haz de una fibra óptica. Estas son las tres formas posibles, que podrán tener características particulares según la aplicación de que se trate y que representaremos de manera genérica como se muestra en la Fig.1. Dentro de los bloques, que hemos denominado equipo local y equipo remoto, debemos imaginar a los equipos que generan los datos (como computadoras), a los transmisores, receptores, moduladores, demoduladores, etc.

Fig.1 – Canal de transmisión de Datos entre un equipo local y un equipo remoto


 En todos los casos mencionados (cable, radio o fibra), por el canal de transmisión de datos, tenemos que pensar que los datos van a fluir con la forma de una portadora sinusoidal modulada por ellos.
En las partes 1ra, 2da y 3ra de esta nota sobre modulación, mostramos tres formas de modular portadoras sinusoidales con los datos generados en forma binaria: ASK (Amplitude Shift Keying) (Manipulación por Desplazamiento de Amplitud); FSK (Frequency Shift Keying) (Manipulación por Desplazamiento de Frecuencia) y  PSK (Phase Shift Keying) (Manipulación por Desplazamiento de Fase).
Un ejemplo que nos ayudará a entender lo que sigue
Supongamos que dos hermanos tienen a su madre enferma y que uno de ellos debe ralizar un viaje impostergable. Como ambos andan cortos de finanzas y el que viajará desea estar comunicado con su hermano mientras se encuentre ausente, acuerdan un código para acortar la duración de las comunicaciones telefónicas y así elcosto de las mismas. Establecen que a todas las frases que intercambiarán durante las coversaciones telefónicas las realizarán mediante números, de la siguiente manera:
El número 1, significará ¿Cómo está mamá?
El número 2, significará Está mejor
El número 3, significará Ha empeorado
El número 4, sinificará Sigue igual
etc
El hermano que está de viaje llama por teléfono al día siguiente al hermano que se quedó en casa de la madre y dice: Uno, a lo que su hermano responde Cuatro.
La información transferida entre los hermanos fue: ¿Cómo está mamá? en un sentido y Sigue igual, en sentido contrario, es decir 5 palabras. Pero por la línea telefónica solo se transmitieron dos palabras: Uno y Cuatro.
Este ejemplo muestra que es posible transferir más información entre los extremos de un canal de comunicación, que la cantidad de datos que fue necesario transmitir por el canal para realizar el envío de la información, si se usan los mecanismos adecuados. Podríamos llamar información a los mensajes útiles que los hermanos se enviaron y podríamos llamar símbolos a los datos que realmente se transmitieron por la línea telefónica, para transferir la información entre ellos.
En el caso del canal de transmisión de datos de la Fig.1, la información que queremos transferir de un extremo al otro será la generada por los equipos de los extremos, tales como computadoras, y estarán disponibles en forma binaria, es decir en bits, circulando en serie y serán entregados a una determinada velocidad dada en bits/seg. al modulador, constituyendo la modulante. Los símbolos estarán constituídos por las variaciones que vaya sufriendo la señal modulada dentro del canal, en función de la modulación que le vayan imprimiendo los bits de la modulante.
Velocidad de transferencia de la información
La velocidad de transferencia de la información  entre los extremos de un canal de datos se define como la velocidad a la que la información binaria (bits) puede transferirse desde el origen hasta el destino y se expresa en bits por segundo (Bits/segundo).
Velocidad de Símbolos de un canal de transmisión de datos
Es la velocidad a la que cambia el estado de la señal modulada por la información dentro del canal de transmisión de Datos y no es necesariamente igual a la velocidad de transferencia de la información.
La velocidad de los símbolos se mide en símbolos por segundo (Símbolos/segundo), lo que se llama Bauds (o Baudios, según el término castellanizado).
La modulación
El tipo de modulación que se utilice para que la información (modulante) en bits, module a la señal portadora, determinará cuantos bits representará cada símbolo.  En los tipos de modulación vistos hasta ahora (ASK, FSK y PSK), cada símbolo representaba 1 bit. En estos casos coincidían los valores de velocidad de transferencia de la información (en bits/seg) con la velocidad de los símbolos (en Bauds).
A continuación veremos algunos de los tipos de modulación donde cada símbolo representa más de un bit. Esto permitirá que la velocidad de transferencia de la información para un canal dado, con un ancho de banda y una relación S/N dada, pueda transferir la información a mayor velocidad, que cuando un símbolo representaba un solo bit de información.
Eficiencia Espectral
Se define a la eficiencia espectral de un enlace de datos dado, como el cociente entre la velocidad de transferencia de la información en bits/seg  y el ancho de banda en Hz del enlace.
Eficiencia Espectral [Bits/seg/ Hz] = Vel. de transf. de la información [Bits/seg] / A. de Banda [Hz].
La eficiencia espectral nos indica el grado de aprovechamiento del espectro radioeléctrico por un enlace dado. Hoy en día es un objetivo prioritario que su valor sea tan alto como sea posible, a causa de que con la creciente cantidad de servicios  y el requerimiento por parte de los usuarios de cada vez mayor velocidad y siendo el espectro radioeléctrico un recurso finito, hay que cuidarlo para que no se desperdicie.
En el lenguaje técnico diario muchas veces nos referimos erroneamente a la velocicidad de transferencia de la información como “ancho de banda” y esto es un mál habito que se observa en todo el mundo. El ancho de banda se mide en Hz y la velocidad de transferencia de un enlace de datos en Bits/seg. Podríamos decir que el ancho de banda es un recurso que nos provee la naturaleza y la velocidad de transferencia dentro de un ancho de banda dado es algo que depende del ingenio de los hombres.
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying modulation) – (Manipulación por desplazamiento de fase en cuadratura)
Este tipo de modulación, hace que se produzca un desplazamiento de la fase de la portadora sinusoidal en función de pares de bits de la señal modulante, según lo expresa la tabla de la Fig.2.

Fig. 2 – Modulación QPSK- Los pares de bits de la columna de
       la izquierda constituyen todas las formas posibles de ser agrupados 2 bits.
En la Fig. 3 se representa, por medio de un diagrama fasorial, la portadora modulada en fase por medio de los pares de bits de la señal modulante y se puede observar lo mismo que en la Fig. 2 en cuanto a la asignación de los pares de bits a cada desplazamiento de fase de la señal modulada respecto a la portadora sin modular que está en 0º.

Fig.3 – Representación fasorial de QPSK
De esta forma se logra que la velocidad de transferencia de la información sea el doble que la velocidad de los símbolos.
Supongamos, por ejemplo, que la fase de la portadora se cambia una vez cada 0,5mseg. La velocidad de los símbolos será 1/ 0,5mseg = 2 símbolos/mseg = 2.000 símbolos /seg = 2.000 Bauds. Sin embargo la velocidad de transferencia de la in formación será 4.000 Bits/seg, ya que con cada símbolo se transfieren 2 bits.
Podemos decir que la modulación QPSK nos permite lograr una eficiencia espectral que es el doble que la que podíamos conseguir con PSK, ASK o FSK.
Manipulación por Desplazamiento de Fase Múltiple (M-PSK)
QPSK transfiere dos bits por símbolo, haciéndolo espectralmente muy eficiente. QPSK se puede decir que es 4-PSK, a causa de que hay cuatro desplazamientos de fase. Usando desplazamientos de fase más pequeños, más bits pueden ser transferidos por símbolo. Algunas variaciones muy usadas son 8-PSK y 16-PSK.

Fig.4 – 8PSK
8-PSK usa ocho símbolos con amplitud de portadora constante  desfasadas 45º entre ellas, habilitando 3 bits para ser transferidos por cada símbolo. 16-PSK usa desplazamientos de 22,5º de señales de portadoras de amplitud constante. Esta disposició resulta en una transferencia de 4 bits por símbolo.
Mientras que la Manipulación por Desplazamiento de Fase Múltiple (M-PSK) es mucho más espectralmente eficiente, cuanto mayor sea el número de desplazamientos de fases más pequeñas, pero más dificil resulta demodular la señal en presencia de ruido. El beneficio de la M-PSK es que la amplitud de la portadora constante, permite que más eficiente amplificación  no lineal de potencia pueda ser usada
Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM)
Este método es llamado modulación de amplitud en cuadratura (QAM), utiliza una mezcla de diferentes niveles de amplitud y cambios de fase para crear los símbolos que representan múltiples bits. Por ejemplo, 8QAM usa cuatro fases de portadora más dos niveles de amplitud para transmitir 3 bits por símbolo. Otras populares variantes son 16QAM (Fig.5), 64QAM y 256QAM, que transmiten 4, 6 y 8 bits por símbolo respectivamente.

Fig.5 – 16QAM - Cada punto representa una amplitud  y un desplazamiento de fase específica de la señal modulada. Un total de 16 símbolos, con cuatro bits por símbolo, cuadruplica la velocidad de transferencia de la información, con respecto a la velocidad de los símbolos. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_de_amplitud_en_cuadratura


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