Métodos de modulación de frecuencia

Enviado por velascoale

Laboratorio de radiocomunicaciones 2

INTRODUCCION

El importante desarrollo y avance de las telecomunicaciones ha tenido varios factores para ayudas de su progreso y una de ellas es la modulación de frecuencia, inyectándole dinamismo, popularidad e interés en todo el mundo, dando estímulos a la generación de ambiciosos planes tanto técnicos como empresariales.

El inicio de la FM hizo lograr importantes progresos en el cumplimiento del compromiso por parte de las organizaciones mundiales, de expandir la cobertura de las comunicaciones a lo largo del mundo, de tal forma que se garantizó el acceso a la comunicación como un derecho fundamental de todos a un futuro no lejano.

La FM fue utilizada en un principio por la radiodifusión para crear canales radiofónicos, a continuación daremos a conocer los diferentes métodos de modulación de frecuencia que han aportado un gran desarrollo a las telecomunicaciones.

1. CARACTERISTICAS DE FM

El primer sistema operativo de comunicación radiofónica fue descrito por el inventor norteamericano Edwin H. Armstrong en 1936.

La frecuencia modulada posee varias ventajas sobre el sistema de modulación de amplitud (AM) utilizado alternativamente en radiodifusión. La más importante es que al sistema FM apenas le afectan las interferencias y descargas estáticas. Algunas perturbaciones eléctricas, como las originadas por tormentas o sistemas de encendido de los automóviles, producen señales de radio de amplitud modulada que se captan como ruido en los receptores AM.

Las características principales de la frecuencia modulada son: su modulación y su propagación por ondas directas como consecuencia de su ubicación en la banda de frecuencia de VHF.

La modulación en frecuencia consiste en variar la frecuencia de la portadora proporcionalmente a la frecuencia de la onda moduladora (información), permaneciendo constante su amplitud. A diferencia de la AM, la modulación en frecuencia crea un conjunto de complejas bandas laterales cuya profundidad (extensión) dependerá de la amplitud de la onda moduladora. Como consecuencia del incremento de las bandas laterales, la anchura del canal de la FM será más grande que el tradicional de la onda media, siendo también mayor la anchura de banda de sintonización de los aparatos receptores (especie de " puerta electrónica " de los aparatos receptores que permite que pase a la etapa de demodulación una determinada anchura de señal). La principal consecuencia de la modulación en frecuencia es una mayor calidad de reproducción como resultado de su casi inmunidad hacia las interferencias eléctricas. En consecuencia, es un sistema adecuado para la emisión de programas (música) de alta fidelidad.

Las características derivadas de su mayor anchura de canal no son consecuencia directa de la tecnología de FM (aunque este tipo de modulación necesita un mayor consumo de espectro), sino de una decisión política de comunicación. Cuando se desarrolló la frecuencia modulada, la banda de MF (tradicional en los servicios de radio) estaba completamente saturada, por lo que se adjudicó la banda de VHF, espectro que ofrecía grandes posibilidades de expansión para los nuevos servicios de radiodifusión. La televisión también se aprovechó de la saturación de media frecuencia. La ausencia de una limitación de la banda de VHF y el ánimo de otorgar a la FM la posibilidad de emitir programación de alta fidelidad, hizo que los canales de frecuencia modulada tuvieran una capacidad muy superior a sus necesidades. Aunque la anchura de los canales depende de decisiones concretas de cada Estado, la mayoría de las naciones han adjudicado a la FM unos canales con una anchura entre 100 y 200 KHz. Si consideramos que todo el espectro de audiofrecuencia necesita una amplitud de 20 KHz, podemos concluir que un canal de FM puede emitir simultáneamente por medio de una multiplexión de frecuencias entre cinco y diez canales completos de alta fidelidad (esta división no es exacta ya que se necesita la ubicación de frecuencias de separación entre cada una de las señales).

La propagación de la banda de VHF (al igual que la UHF y frecuencias superiores) se realiza por medio de las llamadas ondas directas o espaciales, que se caracterizan por su direccionalidad y, en consecuencia, su limitada cobertura (las ondas directas se pierden en el espacio cuando confluyen con la línea del horizonte). Esta direccionalidad hace que las señales de FM puedan ser fácilmente absorbidas o " apagadas " por los obstáculos que encuentra en su trayectoria. La banda de VHF tiene un índice de refracción atmosférica (pequeño declive que hace que su cobertura máxima sea superior al simple horizonte óptico) superior a las bandas de frecuencia más altas (UHF por ejemplo) y en consecuencia pueden alcanzar mayores coberturas. A pesar de la refracción troposférica, la propagación de la banda de VHF se caracteriza por su pequeña cobertura, comparada con la alcanzada por la AM, como consecuencia de la direccionabilidad de las ondas directas o espaciales.

Su pequeña cobertura convierte a la frecuencia modulada en un servicio de radio fundamentalmente local (el empleo de repetidores puede incrementar su cobertura). La escasa longitud de onda de esta banda de frecuencia hace que las antenas sean de pequeñas dimensiones y consecuentemente tengan una polarización horizontal. Sus semejanzas con las antenas de televisión (en longitud y polarización) produce que en la mayoría de los hogares la antena de FM esté incorporada en la propia antena de TV, y en definitiva las antenas de televisión sirvan para la captación de señales de modulación en frecuencia.

Las dificultades de recepción de la FM en los automóviles (generalmente antenas de polarización vertical) ha motivado que las estaciones de frecuencia modulada empleen con frecuencia antenas diseñadas para radiar la señal en ambos planos, horizontal y vertical. Estas antenas, denominadas de polarización circular, permiten que los receptores capten la misma intensidad de señal independientemente de la polarización de la antena receptora.

La propagación de la señal de la frecuencia modulada debe ser en línea de vista.

Las torres solo sirven para soporte de las antenas irradiantes.

Deben normarse que las plantas transmisoras se ubiquen fuera del perímetro urbano.

2. ESPECTRO DISPERSO

Spread Spectrum ('espectro disperso') es una técnica de comunicación que por los altos costes que acarrea, se aplicó casi exclusivamente para objetivos militares, hasta comienzos de los años noventa. Sin embargo, comienza a surgir lentamente un mercado comercial.

Seguramente mucha gente ha escuchado alguna vez nombrar a LAN (Local Area Networks: Area de redes locales). Estas son redes que comunican ordenadores entre sí a través de cables, lo que hace posible que por ordenador se pueda enviar correo dentro de un edificio determinado, por ejemplo. Actualmente se venden también 'Radio LAN' (RLAN), que constituyen una comunicación inalámbrica entre una cantidad determinada de ordenadores. Para poder captar un programa radial hay que sintonizar con un emisor que está en una determinada frecuencia. Emisores diferentes están en diferentes frecuencias. Cada emisor ocupa un pequeño trozo de la banda emisora dentro de la cual se concentra la potencia de emisión irradiada. Ese pequeño trozo, también llamado amplitud de banda, tiene que ser lo suficientemente grande como para que los emisores cercanos no sean interferidos. A medida que la amplitud de banda es más angosta, pueden funcionar más emisores en una banda de frecuencia.

Un ejemplo:

La banda emisora FM cubre la zona de frecuencia de 88-108 MHz. Si la amplitud de banda de un emisor es 1 MHz, entonces pueden caber (108-88)/1 = 20 emisores en la banda emisora FM.

Si la amplitud de banda de un emisor es 0,2 MHz (= 200 KHz), entonces pueden caber (108-88)/0,2 = 100 emisores en la banda emisora FM.

Si ahora, por ejemplo, quisiera colocar 200 emisores en la banda emisora FM, eso sólo se pudiese si la amplitud de banda de cada emisor disminuyera. Sin embargo, esto ocasiona problemas porque en la emisora FM se maneja una amplitud de banda de 200 KHz. Una amplitud de banda más pequeña produce una menor transmisión de información por lo cual es imposible obtener una calidad Hi-fi. Este principio no es sólo válido para la banda emisora FM, sino también para otras bandas de frecuencia como la banda emisora AM, bandas de radioaficionados, bandas de la policía, etc.

La radio-receptora se puede sintonizar siempre en una frecuencia. Esa frecuencia es retransmitida por el emisor con una amplitud de banda lo más pequeña posible, pero lo suficientemente grande como para transmitir la información deseada. Este tipo de receptores se llama receptores de banda angosta (estrecha).

Por el contrario, en Spread Spectrum no se elige por una amplitud de banda lo más pequeña posible, sino justamente por una lo más grande posible. La amplitud de banda es mayor de lo que se necesita estrictamente para la transmisión de la información. Esta mayor amplitud de banda puede obtenerse de dos maneras. La primera es codificar la información con una señal seudo-fortuita (aleatoria). La información codificada se transmite en la frecuencia en que funciona el emisor para lo cual se utiliza una amplitud de banda mucho mayor que la que se usa sin codificación (secuencia directa). La segunda posibilidad es codificar la frecuencia de trabajo con una señal seudo-fortuita(aleatoria), por lo que la frecuencia de trabajo cambia permanentemente. En cada frecuencia se envía un pequeño trozo de información (Frecuencia Hopping).

Esta difusión a través del Spread Spectrum puede ser tan grande que un receptor-radio sólo capta un zumbido. Un receptor-radio 'oye', pues, sólo una pequeña parte de la banda de frecuencia. Para poder captar la señal dispersa se necesita receptores con amplitud de banda especial que transformen el zumbido recibido en información. Este receptor de banda ancha tiene que disponer del decodificador apropiado para transformar la señal del emisor en información. De lo anterior se puede deducir en forma sencilla porqué los militares están tan interesados en esta técnica. A eso se agrega que es difícil interferir un emisor de este tipo. Si se interfiere toda la banda de frecuencia, se vuelve imposible cualquier radiocomunicación.

Determinados emisores de escuchas hacen uso también del principio Spread Spectrum. Las ondas de radio están sumergidas en el zumbido (ruido de fondo), en el Spread Spectrum, por lo cual el emisor no es fácil de descubrir con la ayuda de los aparatos de detección corrientes (véase además el artículo 'Escuchas de recintos').

La expectativa general es que comercialmente se vaya a ir haciendo cada vez más uso de Spread Spectrum para la transmisión de datos. A causa de que la potencia de emisión se difunde sobre una banda ancha, puede ser usada por encima de bandas de frecuencia existentes, sin interferir la recepción de banda angosta. Por eso es posible admitir más usuarios en una banda de frecuencia. Otra ventaja es la seguridad de la comunicación. Al fin y al cabo, la información se envía cifrada. En un sistema RLAN con 100 usuarios que utilizan Spread Spectrum es suficiente con 1 frecuencia emisora y 100 señales-codificadoras diferentes. La información se codifica, entonces, directamente.

La técnica Spread Spectrum se puede usar sobre bandas de frecuencia diferentes. Walkie-talkies en el trabajo o teléfonos inalámbricos en casa son aplicaciones que desde el punto de vista técnico se esperan en el porvenir. Sin embargo, este tipo de aparatos no están aún comercializados o son apenas adquiribles (o están a la venta en forma reducida).

La aplicación de esta técnica podría caer fuera del sistema de permisos de emisión, debido a que para un receptor de banda angosta parece como si hubiera zumbido y las emisoras radiales normales en su conjunto, no sufren interferencias por la técnica Spread Spectrum.

3. SALTO EN FRECUENCIA (FHSS: FREQUENCY HOPPING SPREAD SPECTRUM)

FHSS de banda estrecha consiste en que una trama de bits se envía ocupando ranuras específicas e tiempo en diversos canales de radio-frecuencia.
FHSS de banda ancha consiste en que durante el intervalo de 1 bit se conmutan diversos canales de radio-frecuencia.

Al igual que Ethernet los datos son divididos en paquetes de información, solo que estos paquetes son enviados atraves de varias frecuencias, esto es conocido como "Hopping Pattern", la intención de enviar la información por varias frecuencias es cuestión de seguridad, ya que si la información fuera enviada por una sola frecuencia sería muy fácil interceptarla.

Además, para llevar acabo la transmisión de datos es necesario que tanto el aparato que envia como el que recibe información coordinen este denominado "Hopping Pattern". El estandard IEEE 802.11 utiliza FHSS, aunque hoy en dia la tecnologia que sobresale utilizando FHSS es Bluetooth

4. ¿QUÉ ES ACCESO INALÁMBRICO?

En muchos casos usuarios quieren acceder a un medio común para obtener un servicio.
Ejemplos: computadoras conectadas a una red, teléfonos fijos y móviles, etc.
El acceso inalámbrico es aquél en que los usuarios obtienen su servicio mediante un enlace óptico o de radio-frecuencias.
Muchos piensan que esta será la tecnología de acceso del futuro porque evitará el uso de diferentes modos de conexión existentes hoy en día: RS-232C, RJ-45, RJ-11, Centronics, etc.
Para tener acceso, se han creado protocolos que garantizan que el acceso obedezca a algún criterio acordado: acceso justo, dar prioridad a la información sensible a retardos, ofrecer garantías de transporte confiable, etc.
El acceso puede ser mantenido indefinidamente o ser asignado temporalmente por demanda de cada usuario:
FAMA ( Fixed Assigned Multiple Access )
DAMA ( Demand Assigned Multiple Access )
Por lo general, estas modalidades se utilizan en enlaces satelitales, aunque también es factible encontrarlo en enlaces terrestres.
Un buen ejemplo de una asignación fija de canales FAMA operando en FDMA ( Frequency Division Multiple Access ), usando modulación FM, son los satélites Intelsat IV y V.
Sin embargo, estos satélites también pueden ser usados en modo DAMA operando en FDMA con una frecuencia portadora modulada en QPSK por cada canal telefónico (SCPC: Single Channel per Carrier ).
El acceso inalámbrico en modo de asignación dinámica puede presentar diversas variantes, cada una de las cuales se adapta mejor a la aplicación específica.
En telefonía inalámbrica los protocolos que controlan el acceso operan de acuerdo a los parámetros de frecuencia, tiempo y código.
- FDMA: Frequency Division Multiple Access
- TDMA: Time Division Multiple Access
- CDMA: Code Division Multiple Access
En telefonía inalámbrica la necesidad de comunicación es en ambos sentidos. Para proveer canales bidireccionales (en dirección directa y de retorno) simétricos se han ideado 2 métodos:
- FDD: Frequency Division Duplex: canales separados en frecuencia
- TDD: Time Division Duplex: canales separados en el tiempo

5. FDMA

<>
<>En este caso cada usuario tiene un canal de frecuencia asignado para la comunicación, mientras ésta dure.
Este canal puede estar permanentemente asignado (como es el caso de los canales satelitales FAMA asignados a los carrier internacionales) o puede ser usado transitoriamente por el usuario, (como en la telefonía celular analógica AMPS).
El esquema es relativamente fácil de desarrollar y sencillo de administrar, cuando hay pocos usuarios.
Las desventajas son muchas: el sistema es relativamente rígido y cada equipo de estar provisto de las componentes necesarias para usar la frecuencia disponible. No es muy eficiente cuando el número de usuarios es elevado, por lo cual no se usa exclusivamente en los sistemas celulares de 2a generación. Tampoco se adapta muy bien a la transmisión de datos.
Los canales son asignados de acuerdo a la demanda.
Normalmente FDMA se combina con multiplexing FDD.
Los canales sin uso no pueden utilizados por otros para aumentar el BW.
BW de FDMA es de 30 KHz.
FDMA utliza un filtro RF para evitar las interferencias con canales adyacentes.

6. FRECUENCIAS PARA SISTEMAS SPREAD SPECTRUM, WI-FI, BLUETOOTH Y WLAN

Desde 912.00 hasta 928.00 MHz Interior y Exterior

Desde 2,400.00 hasta 2,483.75 MHz Interior y Exterior

Desde 5,150.00 hasta 5,350.00 MHz Uso Bajo Techo

Desde 5,725.00 hasta 5,850.00 MHz Interior y Exterior

Todas las bandas antes citadas son de uso libre, sin embargo, a pesar que su utilización puede ser en interiores o exteriores, no se deberá exceder de las siguientes condiciones técnicas de operación:

– La Potencia no deberá exceder a 1 Watt a la salida del transmisor

– La ganancia máxima de las antenas deberá ser de 6 dBi,

– La potencia máxima radiada no debe sobrepasar los 6 dBW (aprox. 3.98 vatios).

Se podrá compensar la ganancia de antena con la potencia de salida del transmisor, de tal forma que la potencia máxima radiada nunca sobrepase los 6 dBW.

IMPORTANTE: No se ofrecerá protección contra interferencias perjudiciales, a quienes utilicen estas tecnologías.

Las bandas de uso libre pueden ser compartidas con bandas de uso Oficial y de uso Regulado, en el caso de las frecuencias de uso libre, éstas deberán dar protección a las de uso oficial y regulado. Esta disposición no es aplicable en el sentido opuesto, es decir, las frecuencias de uso oficial y regulado, no darán protección contra interferencias perjudiciales a las emisiones de uso Libre, cuando frecuencias dentro de esta banda sean compartidas.

Los sistemas que usen estas tecnologías, deberán cesar su operación, si se comprueba que sus emisiones están produciendo interferencias en frecuencias de Uso Regulado o Uso Oficial. Solamente se autorizará su operación, si se demuestra haber solventado el problema de interferencia.

Tipos de Espectro Amplio (Spread Spectrum)

DSSS ("Direct Sequence Spread Spectrum")

FHSS ("Frequency Hopping Spread Spectrum")

Fue la primera implementación de Espectro Amplio y funciona de la siguiente manera:

6.1. BLUETOOTH

Es un estandard que utiliza FHSS, capaz de transmitir a velocidades de 1 Mbps y es apoyado por más de 2000 empresas de tecnologia.Bluetooth ha surgido ultimamente como un posible substituto a todo tipo de cable anexado a una computadora , debido a su costo y el apoyo de cientos de empresas. A su velocidad (1 Mbps) será capaz de substituir las conexiones clasicas de cables paralelos y seriales, ya que es 3 y 6 veces más rápido (respectivamente) que estas conexiones en amplio uso en cualquier computadora.

Esto trae una cantidad interminable de posibilidades desde impresoras, monitores, conexiones de portatiles (Laptops),teclados,mouses ..etc.Esta tecnología es capaz de transmitir información efectivamente hasta una distancia de 10 metros entre aparatos que utilicen transmisores "Bluetooth", debido que se emplea FHSS el "Hopping Pattern" de Bluetooth es de 1600 veces por segundo, lo cual asegura que la transmisión de datos sea altamente segura.

En cuanto a su implementación Bluetooth utiliza el término piconet . Un piconet es un grupo de 2 u 8 aparatos que utilizan "Bluetooth", estos aparatos que forman parte del piconet comparten el mismo rango que es utilizado por un "Hopping Sequence", a su vez cada piconet contiene un aparato principal ("master") que es el encargado de coordinar el "Hopping Pattern" del piconet para que los demás aparatos ("slaves") sean capaces de recibir información.

7. (OFDM) ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING

Técnica Multiportadora convencional
Modulación con portadoras ortogonales

Durante los últimos años, la aceptación del OFDM como tecnología de base para el 802.16a que es un estándar de IEEE para redes de área metropolitana inalámbrica que puede proveer extensión inalámbrica para acceso de última milla de banda ancha en instalaciones de cable y DSL. El mismo cubre el rango de frecuencias de 2 a 11 GHz y alcanza hasta 50 kilómetros lineales, brindando conectividad de banda ancha inalámbrica sin necesidad de que exista una línea directa de visión a la estación de base. La velocidad de transmisión de datos puede llegar a 70 Mbps. Una estación de base típica puede albergar hasta seis sectores. La calidad de servicio está integrada dentro del MAC, permitiendo la diferenciación de los niveles de servicio.

El origen del OFDM es en la década del 50/60 en aplicaciones de uso militar que trabaja dividiendo el espectro disponible en múltiples subportadoras. La trasmisión sin línea de vista ocurre cuando entre el receptor y el transmisor existen reflexiones o absorciones de la señal lo que resulta en una degradación de la señal recibida lo que se manifiesta por medio de los siguientes efectos: atenuación plana, atenuación selectiva en frecuencia o interferencia Inter.-símbolo. Estos efectos se mantienen bajo control con el W-OFDM que es una tecnología propietaria de WI LAN quién recibió, en 1994, la patente 5,282,222 para comunicaciones inalámbricas de dos vías y banda ancha OFDM (WOFDM). Esta patente es la base para los estándares 802.11a, 802.11g, 802.11a R/A, 802.16 a estándares para HiperMAN. Los sistemas W-OFDM incorporan además estimación de canal, prefijos cíclicos y códigos Reed-Solomon de corrección de errores.

Wi-LAN introdujo su línea de productos BWS 3000 basada en W-OFDM en octubre del 2001. Actualmente ya ha introducido al mercado la tercera generación de equipos OFDM siendo el único proveedor mundial con una sólida experiencia en esta tecnología probada a través de la excelencia de sus productos.

Es indudable que la gran mayoría de las redes de área local de hoy en día funcionan bajo el estándar 802.11b. Sin embargo, la creciente disponibilidad en el mercado de tarjetas de radio y access points con tecnología 802.11a es la más clara señal de la existencia de otra poderosa tendencia en soluciones para las redes conocidas como LAN. La presencia de ambas tecnologías lleva a los usuarios a confusiones sobre cuál es "mejor" para decidir cuál de las dos deben usar.

Como probablemente sabe, las tecnologías 802.11a y 802.11b definen cada una capa física diferente. Los radios 802.11b transmiten a 2.4 GHz y envían datos a tasas tan altas como 11Mbps usando modulación DSSS (Espectro Disperso de Secuencia Directa); mientras que los radios 802.11a transimiten a 5 GHz y envían datos a tasas de hasta 54 Mbps usando OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing o en español Multiplexación de División de Frecuencia Ortogonal).

OFDM es una tecnología de modulación digital, una forma especial de modulación multi-carrier considerada la piedra angular de la próxima generación de productos y servicios de radio frecuencia de alta velocidad para uso tanto personal como corporativo. La técnica de espectro disperso de OFDM distribuye los datos en un gran número de carriers que están espaciados entre sí en distintas frecuencias precisas. Ese espaciado evita que los demoduladores vean frecuencias distintas a las suyas propias.

OFDM tiene una alta eficiencia de espectro, resilencia a la interface RF y menor distorsión multi-ruta. Actualmente OFDM no sólo se usa en las redes inalámbricas LAN 802.11a, sino en las 802.11g, en comunicaciones de alta velocidad por vía telefónica como las ADSL y en difusión de señales de televisión digital terrestre en Europa, Japón y Australia.

El espectro de OFDM se traslapa

8. W-OFDM – WIDEBAND ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING

Esquema de transmisión que codifica la información en múltiples radio frecuencias simultaneamente. Dando como resultado, mayor seguridad y mayor velocidad. Esto lo convierte en el esquema más eficiente en el uso del ancho de banda en la industria.

W-OFDM es la base del estándar IEEE 802.11a que a su vez es la base para el estándar propuesto IEEE 802.16

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Características

Ancho de Banda: 30Mbps
Altamente inmune a interferencias
Punto-a-Punto, 8 a 10Km
Multi-Punto, 3 a 5Km
Proximamente: 45Mbps, 90Mbps, 155Mbps

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Patente

Wi-Lan
USA 5,282,222
CANADA 2,064,975

El reto de todos los días para la industria es lograr mayores velocidades de transmisión en las redes de datos/Internet. Una propuesta es el esquema de transmisión W-OFDM (Wide-band Orthogonal Frequency Division Multiplexing), este método como otros codifica los datos dentro de una señal de radio frecuencia (RF). Transmisiones convencionales como AM/FM envian solamente una señal a la vez sobre una frecuencia de radio, mientras que OFDM envia una señal de alta velocidad concurrentemente sobre frecuencias diferentes. Esto nos permite hacer un uso muy eficiente del ancho de banda y tener una comunicación robusta al enfrentar ruido y reflejos de señales.

La tecnología OFDM parte una señal de alta velocidad en decenas o centenas de señales de menor velocidad, que son transmitidas en paralelo. Esto crea un sistema altamente tolerante al ruido, al mismo tiempo es muy eficiente en el uso del ancho de banda y por lo tanto permite una amplia covertura de área punto a punto y multipunto.

Actualmente existen equipos con la capacidad de transmitir desde 1.5Mbps hasta 30Mbps en 25MHz de ancho de banda y pronto se estarán produciendo equipos que superaran velocidades de 100Mbps. Adicionalmente a la velocidad, se cuenta con opciones de seguridad que hacen virtualmente imposible decifrar la señal que se transmite.

Los equipos con tecnología OFDM ayudan a las empresas a evitar los altos costos de instalación de cable, a eliminar rentas mensuales o cargos por licenciamiento. Son la solución ideal en distancias moderadas para redes de información punto a punto, multipunto, acceso de alta velocidad a Intenet, extensiones de LAN/WAN, Videoconferencia, Telefonía, Telemetría, Control, Etc.

9. (FSK) TRANSMISÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA

La transmisión por desplazamiento de frecuencia (FSK), es una forma, en alguna medida simple, de modulación digital de bajo rendimiento. El FSK binario es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua. La expresión general para una señal FSK binaria es

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donde v(t) = forma de onda FSK binaria

Vc = amplitud pico de la portadora no modulada

wc, = frecuencia de la portadora en radianes

vm(t) = señal modulante digital binaria

D w = cambio en frecuencia de salida en radianes

De la ecuación anterior puede verse que, con el FSK binario, la amplitud de la portadora Vc se mantiene constante con la modulación. Sin embargo, la frecuencia en radianes de la portadora de salida (wc) cambia por una cantidad igual a ± Aw/2. El cambio de frecuencia (D w/2) es proporcional a la amplitud y polaridad de la señal de entrada binaria.

Por ejemplo, un uno binario podría ser +l volt y un cero binario -1 volt produciendo cambios de frecuencia de + D w/2 y -D w/2, respectivamente. Además, la rapidez a la que cambia la frecuencia de la portadora es igual a la rapidez de cambio de la señal de entrada binaria vm(t) (o sea, la razón de bit de entrada). Por tanto, la frecuencia de la portadora de salida se desvía (cambia), entre wc + D w/2 y wc – D w/2 a una velocidad igual a fm.

9.1. TRANSMISOR DE FSK

Con el FSK binario, la frecuencia central o de portadora se desplaza (se desvía), por los datos de la entrada binaria. En consecuencia, la salida de un modulador de FSK binario es una función escalón en el dominio del tiempo. Conforme cambia la señal de entrada binaria de 0 lógico a 1 lógico, y viceversa, la salida del FSK se desplaza entre dos frecuencias: una frecuencia de marca o de 1 lógico y una frecuencia de espacio lógico o de 0 lógico. Con el FSK binario, hay un cambio en la frecuencia de salida, cada vez que la condición lógica de la señal de entrada binaria cambia. Así, la razón de salida del cambio es igual a la razón de entrada del cambio. En la modulación digital, la razón (rapidez de cambio en la entrada del modulador se llama razón de bit y tiene las unidades de bits por segundo (bps). La rapidez (razón) de cambio en la salida del modulador se llama baudio o razón de baudio y es igual al recíproco del tiempo de un elemento de señalización de salida. En esencia, el baudio es la razón de línea en símbolos por segundo. En el FSK binario, las razones de cambio de entrada y salida son iguales; en consecuencia, la razón de bit y la razón de baudio son iguales.

10. (WBFM Y NBFM) FM DE BANDA ANCHA Y ANGOSTA

Cuando una señal es modulada en frecuencia, la portadora cambia en frecuencia en línea con la modulación. Esto se llama la desviación. De la misma manera que el nivel de modulación puede ser variado para una señal en modulación de amplitud, es lo mismo que AM, aunque no hay un nivel máximo o una modulación al 100% como en el caso de AM.

El nivel de modulación está regido por un número de factores. El ancho de banda que está disponible es una. También se encuentra que las señales con una desviación grande pueden apoyar transmisiones más de alta calidad aunque ocupan naturalmente un mayor ancho de banda. Como resultado de estos requisitos que están en conflicto de los diversos niveles de la desviación se utilizan según la aplicación a usar.

Estas aplicaciones con los niveles bajos de la desviación se llaman, modulación de frecuencia en banda angosta (NBFM) y típicamente los niveles de +/- 3 KHz o más son usados dependiendo del ancho de banda disponible. NBFM se utiliza generalmente para comunicaciones punto a punto. Para niveles de desviación mucho más altos se utilizan para broadcasting. Esto es llamado Wide Band FM (WBFM), FM de Banda Ancha, y es usado para broadcasting con niveles de desviación de +/- 75 KHz.

Para recibir, un scanner FM puede tener dos diversos modos, uno etiquetado WBFM y el otro NBFM. El modo correcto se debe seleccionar obviamente para la recepción correcta. También si se anticipa que la recepción de ambos modos es requerida, entonces el receptor debe tener la capacidad de recibir a cada uno de ellos.

10.1. ¡BANDA ANGOSTA VS BANDA ANCHA!

El funcionamiento y el costo van tomados de la mano. Las altas ratas de datos requieren altas anchuras de banda mientras que para las largas distancias la operación de banda estrecha es la manera a seguir. Las regulaciones alrededor del globo permiten el uso de la tecnología de banda ancha y de banda estrecha. Generalmente, confinamos nuestro interés a FM donde la banda estrecha (NBFM) se define como un sistema que funciona sobre una anchura de banda entre 6.5 y 25KHz mientras que los sistemas banda ancha (WBFM) son ésos que funcionan con una anchura de banda ocupada que excede 50KHz.

Con los sistemas (WBFM) la rata de datos puede ser alta, pero esta tiene que ser negociada con respecto a inmunidad del ruido pues la cantidad de ruido que entra en un receptor es proporcional a la raíz cuadrada de su anchura de banda. Por lo tanto el sistema (WBFM) tienen típicamente sensibilidades de alrededor -100 a -102 dBm mientras que los sistemas de banda estrecha varían a partir de -107 a -125dBm. El sistema (WBFM) también por razones de economía es diseñado para funcionar con los osciladores de referencia menos estables (arriba de 100ppm sobre -20 a + 55) que requieren otra anchura de banda más amplia en el receptor, mientras que el sistema de banda estrecha de peor estabilidad tiene sobre la región de los 5ppm del mismo rango. En hecho ahora disponemos de la estabilidad de 1.5ppm en un número de productos sobre el rango de -30C + 70C, requerida bajo regulaciones del EN y de la FCC.

10.2. MODULADOR FM EN BANDA ANGOSTA, NBFM

10.3. MODULADOR FM EN BANDA ANCHA INDIRECTO, Indirect WBFM

11. (FDM) MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN FRECUENCIA

El empleo de técnicas de multiplexación por división en frecuencia requiere el uso de circuitos que tengan un ancho de banda relativamente grande. Este ancho de banda se divide luego en subcanales de frecuencia.

Cuando una portadora usa FDM para la multiplexación de conversaciones de voz en un circuito ordinario, el paso-banda de 3 Khz de cada conversación se traslada hacia arriba en la frecuencia según un incremento fijo de frecuencia. Este cambio de frecuencia coloca la conversación de voz en un canal predefinido del circuito multiplexado de FDM.

En el destino, otro FDM demultiplexa la voz, cambiando el spectrum de frecuencia de cada conversación hacia abajo con el mismo incremento de frecuencia que se hizo al principio hacia arriba.

El principal uso de FDM es para permitir a las portadoras llevar un gran número de conversaciones de voz simultáneamente en un único circuito común enrutado entre dos oficinas portadoras.

El proceso actual para asignar bandas de frecuencia a cada conversación de voz ha sido estandarizado por la CCITT. Las recomendaciones FDM de la CCITT gobiernan las asignaciones de canal de conversaciones de voz multiplexada basadas en el uso de 12, 60 y 30 canales de voz derivados.

Las técnicas de multicanalización son formas intrínsecas de modulación, permitiendo la transición de señales múltiples sobre un canal, de tal manera que cada señal puede ser captada en el extremo receptor. Las aplicaciones de la multicanalización comprenden telemetría de datos, emisión de FM estereofónica y telefonía de larga distancia. FDM es un ambiente en el cual toda la banda de frecuencias disponible en el enlace de comunicaciones es dividida en subbandas o canales individuales. Cada usuario tiene asignada una frecuencia diferente. Las señales viajan en paralelo sobre el mismo canal de comunicaciones, pero están divididos en frecuencia, es decir, cada señal se envía en una diferente porción del espectro. Como la frecuencia es un parámetro analógico, por lo regular el uso de esta técnica de multicanalización es para aplicaciones de televisión. Las compañías de televisión por cable utilizan esta técnica para acomodar su programación de canales.

11.1. WDM

Esta técnica conceptualmente es idéntica a FDM, excepto que la multicanalización y involucra haces de luz a través de fibras ópticas. La idea es la misma, combinar diferentes señales de diferentes frecuencias, sin embargo aquí las frecuencias son muy altas (1×1014 Hz) y por lo tanto se manejan comúnmente en longitudes de onda (wavelenght). WDM, así como DWDM son técnicas de multicanalización muy importantes en las redes de transporte basadas en fibras ópticas.

En resumen, los multicanalizadores optimizan el canal de comunicaciones, son pieza importante en las redes de transporte y ofrecen las siguientes características:

Permiten que varios dispositivos compartan un mismo canal de comunicaciones
Útil para rutas de comunicaciones paralelas entre dos localidades
Minimizan los costos del comunicaciones, al rentar una sola línea privada para comunicación entre dos puntos
Normalmente los multicanalizadores se utilizan en pares, un mux en cada extremo del circuito
Los datos de varios dispositivos pueden ser enviados en un mismo circuito por un mux. El mux receptor separa y envía los datos a los apropiados destinos
Capacidad para compresión de datos que permite la eliminación de bits redundantes para optimizar el ancho de banda.
Capacidad para detectar y corregir errores entre dos puntos que están siendo conectados para asegurar que la integridad y precisión de los datos sea mantenida.
La capacidad para administrar los recursos dinámicamente mediante con niveles de prioridad de tráfico.

12. MODULACION EN FRECUENCIA (FM, AFM)

Normalmente, la modulación en frecuencia se abrevia como FM o AFM (Advanced Frecuency Modulation). Este tipo de síntesis fue en gran medida el responsable de la gran expansión comercial de los sintetizadores digitales durante la segunda mitad de la década de los 80. Básicamente se trata de controlar la frecuencia de un oscilador de audio por medio de la frecuencia de otro oscilador de audio. Lo más interesante que ofrece este método es la posibilidad de generar una amplia paleta de sonidos con espectros amplios y unos transitorios de ataque muy poderosos y definidos; recuérdese que los primeros sintetizadores FM, como el DX7, popularizaron unos sonidos de piano, campanas y similares muy característicos. Pero, a pesar de que muchos tienden a asociar a los sintetizadores FM con este tipo de sonidos, sus posibilidades de creación sonora van mucho más allá. La síntesis FM fue 'inventada' por John M. Chowning en la universidad de Stanford, y se estuvo utilizando en el entorno musical académico mucho tiempo antes de que Yamaha se fijara en el invento y decidiera comercializarlo. Esta implementación comercial de Yamaha introdujo en esta técnica un gran número de restricciones, pero también alguna ampliación importante, como el uso de la realimentación.

El concepto de modulación en frecuencia es muy antiguo pero, en lo que a tareas de síntesis sonora se refiere, podemos encontrarla en diferentes formatos. De entrada la mayoría de los sintetizadores analógicos. O incluso los híbridos digitales/analógicos, son capaces de realizar síntesis FM básica; Sin embargo, dado que el FM se apoya fundamentalmente en las relaciones de frecuencia entre los osciladores involucrados en el proceso, resulta fundamental que la estabilidad de la afinación sea muy alta. Por otro lado, la síntesis FM se convierte en una herramienta versátil solo cuando se cuenta con varios osciladores con envolventes múltiples para controlar su amplitud; esto hace que su implementación analógica precise de un número demasiado elevado de componentes o módulos, lo que lo hace poco rentable. La solución real y comercialmente viable llegó de la mano de la implementación digital del método, que consiguió Yamaha a través del diseño de unos circuitos integrados que incorporaban todos los elementos necesarios.

El FM digital se presenta en diferentes variantes:

Dependiendo del número de osciladores (mínimo, obviamente, dos, aunque la mayoría de sintetizadores comerciales utilizan 4 o 6, y algunos han llegado a incorporar hasta 10).

Si incorporan o no una envolvente para cada oscilador (algunos de los chips fabricados por Yamaha para su utilización en productos de otras marcas carecían de ella).

Las posibilidades de variación en la interconexión de los diferentes osciladores o, como es más conocido, él número de algoritmos y conexiones de modulación y realimentación.

Yamaha utilizó 3 tipos de FM: la de 6 operadores utilizada en el famoso DX7, algunas variantes de 4 operadores (los chips de este tipo se vendieron también a otras marcas que fabricaron sintetizadores FM mucho menos exitosos que los de Yamaha) y la configuración ampliada de 6 operadores (o AFM) utilizada en los sintetizadores SY77, TG77 y SY99.

13. OTRAS APLICACIONES

Nuevo instrumento de medición de nivel por radar SITRANS LR 400 para medir a través del polvo

Peterborough, Canadá, 17 de enero de 2002 – El nuevo instrumento de radar SITRANS LR 400 de Siemens Milltronics brinda una solución para la medición continua de nivel en el almacenamiento de líquidos y en aplicaciones difíciles de sólidos pulverulentos.

Su capacidad de penetrar en el polvo lo hace ideal para aplicaciones en cementos, harina, cenizas volantes, polvo negro de carbón, coque de petróleo y otras sustancias en polvo. En la industria cementera, por ejemplo, el polvo ha sido por tradición un reto para otros instrumentos de medición. Los silos de homogeneización producen cantidades ingentes de polvo, dado que el material se está alimentando y aireando continuamente para obtener una mezcla correcta. Los tanques que almacenan escoria, polvo del secador y cemento terminado también son entornos muy polvorientos. SITRANS LR 400 penetra en el polvo y brinda lecturas fiables, contribuyendo a la mejora de la eficiencia de la planta y a la reducción de costes de explotación.

Este instrumento, que incorpora un cable de potencia de 4 hilos y una frecuencia de 24 GHz, ofrece un excelente rendimiento en aplicaciones de largo alcance (hasta 45 m o 147') para sectores como la industria cementera, la producción de energía eléctrica, la industria química y petroquímica y otras industrias. Incorpora una tecnología de radar con onda continua de frecuencia modulada (FMCW), además de funciones avanzadas de procesamiento de eco como la supresión automática de falso eco.

Con su elevado cociente señal/ruido y su alta frecuencia, SITRANS LR 400 obtiene excelentes resultados en líquidos almacenados en tanques. Es especialmente efectivo en líquidos poco dieléctricos como solventes, productos petroquímicos, aceites o GLP (gas licuado de petróleo), incluso sin tubo tranquilizador. Casi no se ve afectado por los vapores, las altas presiones o las temperaturas extremas que a menudo se encuentran en la industria química y petroquímica.

Como es una tecnología sin contacto directo, su mantenimiento es mínimo. No lleva cables ni pesos que puedan romperse o caerse en el tanque. La instalación es sencilla, normalmente sin necesidad de interrumpir el proceso. El instrumento se atornilla en una boquilla, con bridas de 3" ANSI (DIN 80) a 6" ANSI (DIN 150). La puesta en marcha es sencilla, con una configuración automática por menús en ocho pasos. El usuario puede elegir los parámetros en los menús plurilingües mediante teclas ópticas especiales de activación táctil. SIMATIC PDM se puede usar para la programación remota mediante HART o Profibus-PA. La autocalibración incorporada garantiza la repetibilidad.

Siemens Milltronics Process Instruments Inc. es parte del grupo Siemens, y una marca líder de sofisticados instrumentos de medición para su aplicación en diversos sectores como potabilización y tratamiento de aguas residuales, conglomerados, cemento, minería, industria química, molturación, alimentación y otros procesos. Entre las principales líneas de productos destacan la medición de nivel, de caudal de sólidos secos y los dispositivos de protección de procesos. Los productos Milltronics están disponibles en todo el mundo a través de una red de representantes y distribuidores.

CONCLUSIONES

El ancho de banda teórico de una señal modulada en FM es infinito.
FM presentó otras ventajas distintas con respecto a la modulación de amplitud pero no una reducción en el ancho de banda.
La modulación FM es inmune a las no linealidades. Las no linealidades en este caso generan ondas moduladas con portadoras múltiplos de la original.
Permite diseñar multiplicadores de frecuencia (generadores de ondas FM con portadora múltiplo de la original) a partir de sencillos elementos no lineales.
Hay que tener cuidado con el corrimiento de fase o con la distorsión por retardo.
El ancho de banda de una señal WBFM depende exclusivamente del valor pico de la señal moduladora m(t) y es independiente de su ancho de banda.
El ancho de banda de una señal WBPM depende del espectro de la señal moduladora m(t) el cual depende del valor pico y del ancho de banda de la señal moduladora m(t).
La modulación exponencial es no lineal por lo que el espectro de la señal modulada no está tan claramente relacionado con la banda base como en el caso de AM.
La modulación exponencial es menos vulnerable ante señales interferentes de amplitud pequeña que la modulación lineal.
La FM es menos vulnerable que la PM cuando la señal interferente tiene frecuencia próxima a la portadora.
En la transmisión de señales FM se puede intercambiar de forma efectiva potencia por ancho de banda de transmisión o lo que es lo mismo se puede mejorar la relación S/N en el receptor sin necesidad de aumentar la potencia de transmisión. Esta característica hace que WBFM se utilice frecuentemente en los sistemas de comunicación vía satélite.
NBFM se utiliza por ejemplo en los sistemas telefónicos para transmitir las señales multiplexadas con modulación SSB.
El intercambio ancho de banda de transmisión potencia transmitida en el transmisor tiene un límite conocido como efecto umbral de FM.
La modulación FM tiene características superiores de reducción de ruido que la PM para modulación de tono y para señales que tienen su espectro concentrado en las frecuencias más altas.
En Spread Spectrum la información se dispersa en un rango de frecuencias más amplio de lo que en realidad ocupa.
En Spread Spectrum el ancho de banda de la señal transmitida es más grande que el ancho de banda del mensaje original.
Spread Spectrum es resistente a la interferencia, es redundante ya que los mensajes pueden estar en diferentes frecuencias de donde fueron transmitidos en caso de errores.
Spread Spectrum utiliza baja densidad de potencia, la energía transmitida es dispersada a lo ancho del canal, y por lo tanto, la cantidad de energía para cada frecuencia específica es muy baja. Además no requiere licenciamiento.
En FHSS la frecuencia de la portadora es modificada periódicamente (Hopping) siguiendo una secuencia específica de frecuencias.
Las velocidades típicas conseguidas con FHSS son de 1 y 2 Mbps.
Los canales asignados en FDMA se hacen de acuerdo a la demanda.

BIBLIOGRAFIA

Sistemas de comunicaciones electrónicas, TOMASI WAYNE
Sistemas de comunicación, CARLSON BRUCE
Curso redes LAN inalámbricas, NFC ELECTRÓNICA
Manual del radioaficionado moderno, PUBLICACIONES MARCOMBO
Radio frecuency and microwave electronics illustrated, RADMANESH MATTHEW
Saber electrónica: Transmisores y receptores de AM y FM, VALLEJO HORACIO

FUENTES DE INTERNET

ALEJANDRO VELASCO

BOGOTA D.C.