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PULSOS
La modulacin de pulsos incluye muchos mtodos diferentes para
convertir informacin a forma de pulso para transferirlos de una
fuente a un destino. Los cuatro mtodos predominantes se describen a
continuacin: 1. PAM. La amplitud de un pulso de longitud constante
y de ancho constante varia de acuerdo a la amplitud de la seal
analgica. 2. PPM. La posicin de un pulso de ancho constante, dentro
de una ranura de tiempo prescrita, varia de acuerdo a la amplitud
de la seal analgica. 3. PWM. Este mtodo a veces se llama modulacin
de duracin del pulso (PDM) o modulacin de longitud del pulso (PLM).
El ancho del pulso (porcin activa del ciclo de trabajo) es
proporcionar a la amplitud de la seal analgica. 4. PCM. La seal
analgica se prueba y se convierte a una longitud fija, numero
binario serial para transmisin. El numero binario varia de acuerdo
a la amplitud de la seal analgica.
PAM
La modulacin por amplitud de pulsos (Pulse Amplitude-Modulation)
es la ms sencilla de las modulaciones digitales. Consiste en
cambiar la amplitud de una seal, de frecuencia fija, en funcin del
smbolo a transmitir. Esto puede conseguirse con un amplificador de
ganancia variable o seleccionando la seal de un banco de
osciladores. (incluir dibujo de un modulador con amplificador
variable) (incluir dibujo de un banco de osciladores).
La seal de muestreo es en general una sucesin de pulsos
unipolares, cuyas amplitudes son proporcionales a los valores
muestra instantneos del mensaje de datos.
Puesto que en este caso tiene
las mismas caractersticas que modulacin de amplitud, se
desprende que el espectro de frecuencias tendr las mismas
caractersticas, repitindose a fs, 2fs, etc.
Dichas amplitudes pueden ser reales o complejas. Si
representamos las amplitudes en el plano complejo tenemos lo que se
llaman constelaciones de seal (incluir dibujo). En funcin del nmero
de smbolos o amplitudes posibles se llama a la modulacin N-PAM. As
podemos tener 2PAM, 4PAM, 260PAM. De la correcta eleccin de los
puntos de la constelacin (amplitudes) depende la inmunidad a ruido
(distancia entre puntos) o la energa por bit (distancia al
origen).
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Es la forma ms sencilla de modulacin de impulsos. Esta tcnica
transmite los datos por diferentes la tensin o potencia amplitudes
de cada uno de los pulsos en el tiempo de una secuencia de pulsos
electromagnticos. En otras palabras, los datos que se transmitirn
est codificada en la amplitud de una serie de impulsos de seal. PAM
tambin puede utilizarse para la generacin de modulaciones
adicionales de pulso. Si se mira desde un punto de vista puramente
terico, la posible amplitud de pulso en pulso de modulacin de
amplitud puede ser infinito.
Este es el caso analgico con modulacin de amplitud de pulso. A 2
nivel de modulacin de amplitud de pulso hace que la seal resultante
a ser digitalizados, mientras que un 4, modulacin de amplitud de
pulso tiene 22 posibles amplitudes de pulso discreto. 8-un nivel de
modulacin de amplitud de pulso tiene 23, y 16 a nivel de modulacin
de amplitud de pulso tiene 24 amplitudes de pulso discreto. En
cuanto a los diversos modulacin de amplitud de pulso, algunos
sistemas de mantener la amplitud de cada pulso directamente
proporcional a la instantnea la seal de modulacin de amplitud en el
momento de la aparicin de pulso. En otras pulso sistemas de
modulacin de amplitud, a la inversa es verdad - es decir,
inversamente proporcional a la instantnea la seal de modulacin de
amplitud en el momento de la aparicin de pulso. En otras pulso
sistemas de modulacin de amplitud, la amplitud depende de otros
factores relacionados con la modulacin de la seal, tales como la
frecuencia y fase, que puede ser diferente de su fuerza.
Sin embargo, en la prctica las aplicaciones de
telecomunicaciones, modulacin de amplitud de pulso es un raro uso
de la tecnologa, habiendo sido sustituida por otras tcnicas tales
como la posicin de la modulacin de impulsos y la modulacin de cdigo
de pulso. Adems, una tecnologa llamada modulacin de amplitud en
cuadratura es ampliamente utilizado en los mdems telefnicos con una
velocidad de transferencia de datos de ms de 300 Kbps.
Si bien las tecnologas ms recientes son rpidos haciendo conocer
su presencia, cabe sealar que la modulacin de amplitud de pulso es
todava til en el popular Ethernet estndar de comunicacin. Por
ejemplo, 100BASE-T2 - operativos en 100Mb / s - Ethernet utilizando
el medio es 5, modulaciones PAM ejecutando a 25 mega pulsos / seg
ms de cuatro cables. Ms tarde la evolucin de incluir la 100BASE-T
medio que plante la barra a 4 pares de alambre, la ejecucin de cada
mega en 125 pulsos / seg con el fin de alcanzar 1000 Mbps tasas de
transferencia de datos, pero todava con el mismo PAM5 para cada
par. Ms recientemente, PAM12 y PAM8 han adquirido en consideracin
la nueva propuesta de estndar IEEE 802.3an para 10GBASE-T - diez
Gigabyte Ethernet sobre cable de cobre.
PPM
La Modulacin por Posicin de Pulso, o en ingls, Pulse Position
Modulation (PPM), es un tipo de modulacin en la cual una palabra de
M bits es codificada por la transmisin de un nico pulso que puede
encontrarse en alguna
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de las 2M posiciones posibles. Si esto se repite cada T
segundos, la tasa de transmisin es de M/T bits por segundo.
Este tipo de modulacin se usa principalmente en sistemas de
comunicacin ptica, donde tiende a haber poca o ningn tipo de
interferencia por caminos mltiples. La modulacin en posicin y la
modulacin en duracin estn ntimamente ligadas, ya que PPM se obtiene
a partir de PDM.
El proceso es el siguiente: Tengamos una secuencia de pulsos
modulados en duracin, diferenciamos a los mismos y se los invierte,
obtenindose la siguiente figura: El principal uso de PPM es debido
a que es ms eficiente la generacin y deteccin de los pulsos
modulados en comparacin en PDM. Esto es debido a que la informacin
reside en la ubicacin en el tiempo de los flancos de los pulsos y
no en los pulsos en s mismos. Por ello se generan pulsos de corta
duracin en los cuales slo es importante la posicin de los
mismos.
Una de las principales dificultades en la implementacin de esta
tcnica es que el receptor debe estar debidamente sincronizado para
poder alinear el reloj local con el inicio de cada smbolo. Por este
motivo, se implementa usualmente de manera diferencial, como
Modulacin por Posicin de Pulso Diferencial, donde la posicin de
cada pulso es elegida en funcin del pulso anterior, y de esta
manera, el receptor slo debe medir la diferencia de tiempo entre la
llegada de los sucesivos pulsos. Con este tipo de modulacin, un
error en el reloj local se podra propagar slo a la medicin de dos
pulsos adyacentes, en vez de a toda la transmisin.
Dejando de lado las cuestiones relativas a la sincronizacin del
receptor, la principal desventaja de la MPP es que es de por s muy
sensible a la interferencia por caminos mltiples que surge en
canales con desvanecimientos selectivos en frecuencia, donde la
seal en el receptor contiene ecos de los pulsos transmitidos. Dado
que la informacin est codificada en el tiempo de llegada, ya sea de
manera diferencial o relativa a un reloj comn, la presencia de
estos ecos hace que sea extremadamente difcil, si no imposible,
poder determinar con precisin la posicin correcta del pulso
transmitido Por otro lado, una de las principales ventajas de este
tipo de modulacin es que es una modulacin M-aria que puede ser
implementada de forma no coherente, de manera tal que el receptor
no necesita utilizar un lazo de
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seguimiento de fase. Esto hace que sea un candidato adecuado
para los sistemas de comunicaciones pticas, donde una modulacin y
deteccin coherente es difcil y muy cara. La nica otra modulacin
comn M-aria no coherente es la tcnica de modulacin por
desplazamiento de frecuencia, que es la tcnica anloga pero en el
dominio de la frecuencia.
PWM
La modulacin por ancho de pulsos (o PWM, de pulse-width
modulation en ingls) es una tcnica en la que se modifica el ciclo
de trabajo de una seal peridica (por ejemplo sinusoidal o
cuadrada).
La construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante
un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se
conecta a un oscilador de onda triangular, mientras que la otra
queda disponible para la seal moduladora. En la salida la
frecuencia es generalmente igual a la de la seal triangular y el
ciclo de trabajo esta en funcin de la portadora.
Un circuito PWM arroja como resultado una onda cuadrada con
ciclo variable de ON y Off, variando en el tiempo del 0 al 100 %.
De esta manera, una cantidad variable de potencia es transferida a
la carga. Los pulsos inician siempre en un valor de referencia y
terminan segn los valores de amplitud de una seal de entrada f(t)
en los instantes de muestreo.
La relacin de amplitudes entre la seal portadora y la
moduladora, siendo recomendable que la ltima no supere el valor
pico de la portadora y est centrada en el valor medio de sta. La
relacin de frecuencias, donde en general se recomienda que la
relacin entre la frecuencia de la portadora y la de seal sea de 10
a1.
Modulacin por ancho de pulso tambin es explotado en la sntesis
de sonido, especialmente sntesis sustractiva, ya que el proceso da
un efecto de coro o de algo que detuned osciladores jugado juntos.
Otra aplicacin de PWM, como se mencion anteriormente, es la clase D
amplificadores, mejor conocido por la claridad de audio junto con
su funcin bsica - amplificacin.
El amplificador de clase D PWM produce un equivalente de la
entrada de seal analgica, que es a su vez alimenta el altavoz
despus de la filtracin de la onda portadora mediante el envo a
travs de una red de filtro adecuado. Amplificadores de clase D estn
creciendo en demanda debido a su mayor eficiencia, ligero, y el
costo. Asimismo, debido a la plena activacin / desactivacin de la
naturaleza de salida PWM, por ejemplo, amplificadores de producir
menos calor que sus contrapartes convencionales analgicas.
En actualidad, existen muchos circuitos integrados que integran
la funcin PWM, adems de otros muy particulares para lograr
circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas,
controles de motores, controles de elementos termoelctricos,
choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras
aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados
compaas como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y
algunas
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otras ms. PWM se utiliza en un anemmetro para excitar un
termistor que funciona como sensor de flujo.
La principal ventaja de un circuito de PWM sobre un controlador
que se base en la variacin lineal de la potencia suministrada a una
carga mediante cambio resistivo es la eficiencia. A una seal de
control del 50%, el PWM usar cerca del 50% de la potencia total, de
la cual casi toda ser transferida a la carga. En un controlador
tipo resistivo, de un 50% de potencia que se quiera transferir a la
carga se estima que le puede llegar cerca de un 71%.
El otro 21% se pierde en forma de calor. Otra ventaja que
presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya
interferencias generadas por radiofrecuencia. Estas pueden
minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando
un filtrado de la fuente de alimentacin. La principal desventaja de
los circuitos de PWM es la posibilidad de que exista interferencia
por radiofrecuencia (RFI). El RFI puede minimizarse ubicando el
controlador cerca de la carga y utilizando un filtrado de la fuente
de alimentacin. Este circuito posee una pequea proteccin contra RFI
y produce una mnima interferencia.
Un modulador por ancho de pulso (PWM) es un dispositivo que
puede usarse como un eficiente dimmer de luz o para controlar la
velocidad en motores DC. Los motores DC grandes son controlados ms
eficientemente con tiristores de alta potencia, mientras los
motores DC pequeos y medianos de imn permanente, son controlados ms
exitosamente con transistores de conmutacin por ancho de pulso. El
circuito descrito es un dispositivo para controlar motores que
manejen unos cuantos amperios o tambin se puede utilizar para
controlar el brillo en lmparas.
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PCM
Se basa en el teorema de muestreo: " Si una seal f(t) se
muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor
que el doble de la frecuencia significativa ms alta de la seal,
entonces las muestras as obtenidas contienen toda la informacin de
la seal original. La funcin f(t) se puede reconstruir a partir de
estas muestras mediante la utilizacin de un filtro paso - bajo". Es
decir, se debe muestrear la seal original con el doble de
frecuencia que ella, y con los valores obtenidos, normalizndolos a
un nmero de bits dado (por ejemplo, con 8 bits habra que distinguir
entre 256 posibles valores de amplitud de la seal original a
cuantificar) se ha podido codificar dicha seal.
En el receptor, este proceso se invierte, pero por supuesto se
ha perdido algo de informacin al codificar, por lo que la seal
obtenida no es exactamente igual que la original (se le ha
introducido ruido de cuantizacin). Hay tcnicas no lineales en las
que es posible reducir el ruido de cuantizacin muestreando a
intervalos no siempre iguales.
PROCESO MODULACIN PCM Codificacin Analgica - Digital
Este tipo de codificacin es la representacin de informacin
analgica en
una seal digital. Por ejemplo para grabar la voz de un cantante
sobre un CD se usan se usan significados digitales para grabar la
informacin analgica. Para hacerlos, se debe de reducir el n
infinito potencial posible de valores en un mensaje analgico de
modo que puedan ser representados como una cadena digital con un
mnimo de informacin posible. La figura 1 nos muestra la codificacin
analgica - digital llamada codec (codificador-decodificador).
Figura 1 Codificacin analgica digital
En la codificacin analgica-digital, estamos representando la
informacin
contenida a partir de una serie de pulsos digitales (1s 0s). La
estructura de la seal traducida no es el problema. En su lugar el
problema es como hacer pasar
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informacin de un nmero de valores infinitos a un nmero de
valores limitados sin sacrificar la calidad.
Modulacin de amplitud de pulso (PAM) El primer paso en la
codificacin analgica - digital se llama PAM. Esta
tcnica recoge informacin anloga, la muestra ( la prueba), y
genera una serie de pulsos basados en los resultados de la prueba.
El trmino prueba se refiere a la medida de la amplitud de la seal a
intervalos iguales.
El mtodo de prueba usado en PAM es ms eficaz en otras reas de
ingeniera que en la comunicacin de datos (informtica). Aunque PAM
est en la base de un importante mtodo de codificacin analgica -
digital llamado modulacin de cdigo de pulso (PCM).
En PAM, la seal original se muestra a intervalos iguales como lo
muestra la figura 2. PAM usa una tcnica llamada probada y tomada.
En un momento dado el nivel de la seal es ledo y retenido
brevemente.
El valor mostrado sucede solamente de modo instantneo a la forma
actual de la onda, pero es generalizada por un periodo todava corto
pero medible en el resultado de PAM
Figura 2 PAM
El motivo por el que PAM sea ineficaz en comunicaciones es por
que
aunque traduzca la forma actual de la onda a una serie de
pulsos, siguen teniendo amplitud (pulsos)(todava seal analgica y no
digital). Para hacerlos digitales, se deben de modificar usando
modulacin de cdigo de pulso (PCM) Modulacin PCM
PCM modifica los pulsos creados por PAM para crear una seal
completamente digital. Para hacerlo, PCM, en primer lugar,
cuantifica los pulsos
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de PAM. La cuantificacin es un mtodo de asignacin de los valores
ntegros a un rango especfico para mostrar los ejemplos. Los
resultados de la cuantificacin estn representados en la figura
3.
Figura 3 Seal PAM cuantificada
La figura4 muestra un mtodo simple de asignacin de signo y
magnitud de
los valores para muestras cuantificadas. Cada valor es traducido
en su equivalente binario 7-bits. El octavo bit indica el
signo.
Figura 4 Cuantificacin usando signo y magnitud
Los dgitos binarios son transformados en un seal digital usando
una de
las tcnicas de codage digital-digital. La figura 5 muestra el
resultado de la modulacin de codage de pulso de la seal original
codificada finalmente en seal unipolar. Solo se muestran los 3
primeros valores de prueba.
Figura 5 PCM
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PCM se construye actualmente a travs de 4 procesos separados:
PAM, cuantificacin, codage digital-digital. La figura 6 muestra el
proceso entero en forma de grfico. PCM es el mtodo de prueba usado
para digitalizar la voz en la transmisin de lnea-T en los sistemas
de telecomunicaciones en Amrica del Norte.
Figura 6 De seal analgica a cdigo digital PCM
Tasa de Prueba
Como se puede ver a partir de las figuras anteriores, la
exactitud de la reproduccin digital de una seal analgica depende
del nmero de pruebas tomadas. Usando PAM y PCM se puede reproducir
una onda con exactitud si se toman una infinidad de pruebas, o se
puede reproducir de forma ms generalizada si se tomas 3 pruebas. La
cuestin es: cuntas muestras son suficientes?. Actualmente , se
requiere poca informacin para la reconstruccin de seal analgica. En
lo referente al Teorema de Nyquist, para asegurarse que la
reproduccin exacta de una seal analgica original usando PAM, la
tasa de prueba debe ser al menos el doble de la frecuencia mxima de
la seal original. De este modo, si deseamos hacer muestra con la
informacin de voz de un telfono que tiene como frecuencia mxima
3300 HZ, la tasa de muestra debe ser de 6600 pruebas/s. En la
prctica, actualmente se toman 8000 muestras para compensar las
imperfecciones del proceso.
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Figura 7 Teorema de Nyquist
