«En realidad no me preocupa que quieran robar mis ideas, me preocupa que ellos no las tengan». Nikola Tesla

lunes, 17 de abril de 2017

Técnicas de Modulación Digital: QAM

INTRODUCCION

Sistemas M-ario

Las técnicas de modulación digital hasta ahora estudiadas solo emplean un bit cada vez para modular la señal portadora.

Cada bit de entrada produce una portadora modulada en amplitud, frecuencia o fase, durante el tiempo de duración de cada bit.

M-ario es un término derivado de la palabra binario. “M” es un número que representa la cantidad de condiciones o combinaciones posibles para la agrupación binaria que se considere.
Con la modulación M-aria se logra tener mayores velocidades, debido a que un solo evento de por portadora representa más de un bit.

Modulación QAM

Figura 1: Cuadro de Modulaciones Digital/Analógica

La modulación de amplitud de la cuadratura es un sistema de la modulación en el cual los datos son transferidos modulando la amplitud de dos ondas de portador separadas, sobre todo sinusoidal, que son fuera de fase por 90 grados (seno y coseno). Debido a su diferencia de fase, se llaman los portadores de la cuadratura, la modulación de amplitud de la cuadratura es la combinación de afinar de la modulación de amplitud y de desplazamiento de fase. Es una modulación digital avanzada, en la que su eficiencia se utiliza para la transmisión de datos a alta velocidad por canales con ancho de banda restringido.



Figura 2: Transmisión y Recepción de Modulación QAM

La amplitud y la fase de una señal pueden modularse simultáneamente o por separado, aunque esto resulta difícil de generar y principalmente de detectar. En vez de ello, es muy práctico separar la señal en dos componentes independientes conocidos como I (componente "en fase") y Q (componente "en cuadratura"), ambos ortogonales entre sí. 

Cuando nos referimos a comunicaciones digitales, es común expresar la modulación en términos de estas dos componentes, razón por la cual, la representación de una constelación bidimensional I-Q es particularmente útil y puede asociarse a la mayor parte de los métodos de modulación digital. En una "constelación I-Q", la componente "en fase" se proyecta en el eje de las abscisas (eje x) y la componente "en cuadratura" se proyecta en el eje de las ordenadas (eje y) de un plano cartesiano. Se dice que una señal estará "en fase" cuando su ángulo de fase sea de cero grados (situada en el eje I) y que una señal estará "en cuadratura" cuando se encuentre desfasada 90° respecto a la señal en fase (situada en el eje Q).

Figura 3: Señales en fase (Cos) y Cuadratura (Sen)
Una de las características principales de la modulación m-QAM es que modula la mitad de los símbolos con una frecuencia y la otra mitad con la misma frecuencia, pero desfasada 90°.

El resultado de las componentes después se suma, dando lugar a la señal m-QAM. De esta forma, QAM permite llevar dos canales en una misma frecuencia mediante la transmisión ortogonal de uno de ellos con relación al otro. Como ya se ha dicho, la componente "en cuadratura" de esta señal corresponderá a los símbolos modulados con una frecuencia desfasada 90°, y la componente "en fase" corresponde a los símbolos modulados sobre una portadora sin fase.

La expresión de la señal transmitida o modulada viene dada por la ecuación



TIPOS DE MODULACION
La cantidad de niveles se puede calcular con la siguiente expresión: donde k es el número de bits por símbolo.
                  ·         8 QAM
                    ·         16QAM
                  ·         64QAM
                  ·         128QAM
                  ·         265QAM

EXPLICACION

8-QAM utiliza dos amplitudes diferentes y cuatro fases que confieren a ocho símbolos diferentes. Puesto que hay 8 símbolos diferentes, cada símbolo podría ser usado para representar 3 dígitos binarios (por ejemplo símbolo 1 representa 000, símbolo 2 representa 001,.. y símbolo 8 representa 111), dando así una velocidad de datos que es 3 veces mayor que la de la velocidad de símbolos.




Figura 4: Modulación 8-QAM y diagrama de constelación

16-QAM utiliza cuatro amplitudes y cuatro fases, dando dieciséis símbolos diferentes. En 16-QAM se puede representar 4 dígitos binarios por símbolo y, por lo tanto, la velocidad de datos de 16-QAM es cuatro veces mayor que la de la velocidad de símbolos.
Usando técnicas similares con más valores de amplitudes y fases, las tasas de datos más altas se pueden conseguir.


Figura 5: Modulación 16-QAM y diagrama de constelación
Una cosa a destacar es que un mayor número de símbolos significa la complejidad general del procesamiento de los aumentos en el emisor y receptor. Sobre todo, la complejidad es mayor en el receptor, ya que no conoce los símbolos de entrada y por lo tanto necesita la capacidad para decodificar de forma instantánea entre los diferentes símbolos que están llegando a velocidad de línea.


Figura 6: Tabla de Modulaciones QAM

ANCHO DE BANDA Y ESPECTRO DE LA SEÑAL QAM
El mínimo ancho de banda necesario para transmitir una señal QAM es el doble del ocupado por la señal digital original que lleva la información

Donde
BF= Ancho de banda de la señal digital de información

Se sabe que la velocidad de Nyquist viene determinado por la siguiente formula

Se ha observado en este capitulo que en la modulación QAM que en un simbolo se transmiten k bits de información
 por lo que:

Entonces


PSD
Los cálculos son los mismos que una modulación MPSK

El ancho de banda de lóbulo principal

Eficiencia espectral



Figura 7: PSD para la envolvente compleja de MPSK y QAM
La siguiente tabla presenta un resumen de las velocidades de bits de diferentes formas de QAM y PSK.

MODULACIÓN
BITS POR SÍMBOLO
VELOCIDAD DE SÍMBOLO
BPSK
1
velocidad de bits de 1 x
QPSK
2
tasa de bits media
8PSK
3
1/3 tasa de bits
16QAM
4
1/4 tasa de bits
32QAM
5
1/5 tasa de bits
64QAM
6
1/6 tasa de bits

VENTAJAS
DESVENTAJAS
Menor consumo de energía eléctrica
Sensibilidad ante el ruido
Menor Costo
Es necesario realizar la demodulación con demodulares síncronos
Mejor aprovechamiento del ancho de banda disponible.
El ancho de banda minimo necesario es el mismo que el de PSK y ASK (2.5 MHz)
Pruebas de transmisión de mejor calidad
Mayor Compatibilidad con los servicios digitales de datos
Provee transmisiones de mejor calidad


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