Facultad de Informática, UAQ. Luis Ángel Reyes Cruz Exp.163986 Redes Inalámbricas Modulación, Antenas y Filtros.

Modulación Las señales de transmisión se transportan entre un transmisor y un receptor a través de alguna

forma de medio de transmisión. Sin embargo, casi nunca tienen las señales de información una

forma adecuada para su transmisión. En consecuencia se deben transformar a una forma más

adecuada. El proceso de imprimir señales de información de baja frecuencia de una señal

portadora de alta frecuencia se llama modulación. La demodulación es el proceso inverso, donde

las señales recibidas se regresan a su forma original.

Las principales ventajas de utilizar modulación para transmitir señales por el aire son:

Adaptar la señal: a las frecuencias radioeléctricas la atenuación que sufre la señal al

propagarse por el aire es menor. Por otro lado, las antenas deben tener un tamaño similar a la

longitud de onda de la señal radiada. Una señal en banda base tiene una longitud de onda de

centenares de kilómetros, mientras que la misma señal, una vez modulada, tiene una longitud

de onda que puede ir de unos metros a unos pocos milímetros, facilitando la construcción de

la antena.

Aprovechamiento del espectro: como la mayoría de señales son paso bajo, si enviáramos las

señales sin modular, se interferirían todas entre sí. Por eso es necesario modular las señales, y

elegir frecuencias que no estén siendo ya utilizadas en las cercanías del sistema. Por ejemplo,

cada canal de radio FM utiliza una frecuencia diferente, de forma que no se interfieran entre sí.

Hay dos tipos de modulación, las analógicas y las digitales.

Modulaciones analógicas La modulación de amplitud (AM) es el proceso de cambiar la amplitud de una señal portadora de

frecuencia relativamente alta, en proporción al valor instantáneo de la señal modulante o

moduladora. La modulación por amplitud es una forma de modulación relativamente poco costosa

y de baja calidad, que se usa para emisiones comerciales de señales de audio y de video. También

se usa para radiocomunicaciones móviles en dos sentidos, como por ejemplo los radios de banda

civil (CB).

Los moduladores AM son dispositivos no lineales, con dos entradas y una salida. Una entrada es

una sola señal de portadora de alta frecuencia y amplitud constante, y la segunda formada por

señales de información, de frecuencia relativamente baja, que puede tener una sola frecuencia,

ser una forma compleja de onda, formada a su vez por muchas frecuencias. Las frecuencias que

son los suficientemente altas como para irradiarse en forma eficiente en una antena, y propagarse

por el espacio libre suelen llamar radiofrecuencias, o simplemente RF. En el modulador, la

información actúa sobre, o modula, la portadora RF y produce una forma modulada de onda. La

señal de información puede tener una sola frecuencia, o con más probabilidad, puede consistir en

un intervalo de frecuencias. Por ejemplo, en un sistema normal de comunicaciones de voz se usa

un intervalo de frecuencias de información de 300 a 3000hz. A la forma de onda modulada de

salida de un modulador AM se le llama con frecuencia envolvente de AM.

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La modulación angular se produce siempre que se varía el ángulo de fase, θ, de una onda

senoidal, con respecto al tiempo. Una onda con modulación angular se describe matemáticamente

como sigue.

𝑚(𝑡) = 𝑉𝑐cos[𝜔𝑐𝑡 + 𝜃(𝑡)]

En donde 𝑚(𝑡) = onda con modulación angular 𝑉𝑐 = amplitud máxima de portadora (volts) 𝜔𝑐 = frecuencia de la portadora en radianes, es decir, velocidad angular 2πf. 𝜃(𝑡) = desviación instantánea de la fase La diferencia entre modulación de frecuencia y modulación de fase es, en esencia, cual propiedad de la portadora se hace variar de forma directa con la señal moduladora: la frecuencia o la fase, y cual se hace variar en forma indirecta. Siempre que se varía la frecuencia de una portadora también se varía la fase y viceversa. Por consiguiente, la FM y la PM deben estar presentes al mismo tiempo siempre que se hace cualquier forma de modulación angular. Modulación directa de frecuencia (FM): Varía la frecuencia de una portadora de amplitud constante en proporción directa a la amplitud de la señal moduladora, con una rapidez igual a la frecuencia de la señal moduladora. Modulación directa de fase (PM): Varía la fase de una portadora de amplitud constante en proporción directa a la amplitud de la señal moduladora, con una rapidez igual a la frecuencia de la señal moduladora.

Modulaciones digitales Modulación en frecuencia (FSK).

Modulación en fase (PSK).

Modulación en cuadratura (QAM).

En la modulación FSK la información se transmite en la frecuencia de la portadora, igual que en la

modulación FM. Sin embargo, ahora el conjunto de valores que puede tomar dicha fase es finito.

Por ejemplo, en la modulación BFSK (Binary FSK) la frecuencia solamente puede tomar dos valores.

Si el bit a transmitir es un 0, se transmitirá una frecuencia. Si el bit a transmitir es un 1, se

transmitirá otra diferente. El receptor conoce el bit transmitido midiendo en cada tiempo de bit la

frecuencia recibida.

PSK: Ahora la información viaja en la fase de la señal. Por ejemplo, en la modulación BPSK (Binary

PSK) si el bit a transmitir es un 0, se transmite la portadora tal cual. Si el bit a transmitir es un 1, se

invierte la fase de la portadora. El receptor sabe qué bit le ha llegado midiendo la fase de la

portadora que llega. En función del número de fases diferentes que se pueda utilizar se obtendrán

diferentes modulaciones: BPSK (dos fases, 0 y 180º), QPSK (cuatro fases, 0º, 90º, 180º y 270º), etc.

QAM: Aquí la información viaja tanto en la amplitud como en la fase de la señal, pudiéndose

obtener modulaciones con muchas más posibilidades. También hay diferentes tipos, en función del

número de posibles señales que conforman la modulación: 4-QAM, con 4 posibles señales, 16-

QAM con 16 posibles señales, etc.

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Antenas Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicaciones específicamente diseñadas para

radiar o recibir ondas electromagnéticas.

También se pueden definir como los dispositivos que adaptan las ondas guiadas, que se transmiten

por conductores o guías, a las ondas que se propagan en el espacio libre.

Una guía de ondas es un tipo especial de línea de transmisión formado por un tubo metálico

conductor, a través del cual se propaga energía electromagnética. Una guía de onda se usa para

interconectar en forma eficiente ondas electromagnéticas entre una antena y transceptor.

Tipos de antenas y aplicaciones. Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres son:

Antenas Dipolo

Antenas Dipolo multi-elemento

Antenas Yagi

Antenas Panel Plano (Flat Panel)

Antenas parabólicas (plato parabólico)

Antenas Dipolo:

Todas las antenas de dipolo tienen un patrón de radiación generalizado. Primero el patrón de

elevación muestra que una antena de dipolo es mejor utilizada para transmitir y recibir desde el

lado amplio de la antena. Es sensible a cualquier movimiento fuera de la posición perfectamente

vertical. Se puede mover alrededor de 45 grados de la verticalidad antes que el desempeño de la

antena se degrade más de la mitad. Otras antenas de dipolo pueden tener diferentes cantidades

de variación vertical antes que sea notable la degradación.

Físicamente las antenas dipolo son cilíndricas por naturaleza, y pueden ser ahusadas o con formas

especificas en el exterior para cumplir con especificaciones de medidas. Estas antenas son

usualmente alimentadas a través de una entrada en la parte inferior, pero también pueden tener el

conector en el centro de la misma.

Usada en frecuencias arriba de 2MHz

Ganancia baja: 2.2 dBi

Angulo de radiación ancho

En el espacio ideal, la impedancia del dipolo simple es de 73 Ohm

Antenas Dipolo Multi-Elemento:

Las antenas multi-elemento tipo dipolo cuentan con algunas de las características generales del

dipolo simple. Cuentan con un patrón de elevación y azimuth similar al de la antena dipolo simple.

La diferencia más clara entre ambas es la direccionalidad de la antena en el plano de elevación, y el

incremento en ganancia debido a la utilización de múltiples elementos. Con el uso de múltiples

elementos en la construcción de la antena, esta puede ser configurada para diferentes ganancias,

lo cual permite diseños con características físicas similares.

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Antenas Yagi:

Estas se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos

transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el número de elementos

directores) determina la ganancia y directividad. Las antenas Yagi no son tan direccionales como las

antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.

Antenas Panel Plano (Flat Panel):

Las antenas de panel plano como su nombre lo dice son un panel con forma cuadrada o

rectangular y están configuradas en un formato tipo patch. Las antenas tipo Flat Panel son muy

direccionales ya que la mayoría de su potencia radiada es una sola dirección ya sea en el plano

horizontal o vertical. Las antenas Flat Panel pueden ser fabricadas en diferentes valores de

ganancia de acuerdo a su construcción. Esto puede proveer excelente directividad y considerable

ganancia.

Utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas, comúnmente en frecuencias

de 30Mhz y 3Ghz, (canal 2 al canal 6 de 50MHz a 86 MHz).

Ganancia elevada: 8-15 dBi

Para el servicio 802.11 pueden tener ganancias entre el dBi 12 y 18. Manejan una

impedancia de 50 a 75 Ohms

Desventajas: Direccionarlas en la posición correcta no son tan difícil como una antena

parabólica, pero aun así puede llegar a ser difícil.

Antenas Parabólicas:

Las antenas parabólicas usan características físicas así como antenas de elementos múltiples para

alcanzar muy alta ganancia y direccionalidad. Estas antenas usan un plato reflector con la forma de

una parábola para enfocar las ondas de radio recibidas por la antena a un punto focal. La parábola

también funciona para capturar la energía radiada por la antena y enfocarla en un haz estrecho al

transmitir. Al concentrar toda la potencia que llega a la antena y enfocarla en una sola dirección,

este tipo de antena es capaz de proveer muy alta ganancia.

Se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.

Ganancia alta: 12-25 dBi

Directividad alta

Ángulo de radiación bajo

Antena de Ranura:

Las antenas de ranura cuentan con características de radiación muy similares a las de los dipolos,

tales como los patrones de elevación y azimuth, pero su construcción consiste solo de una ranura

estrecha en un plano. Las antenas de ranura proveen poca ganancia, y no cuentan con alta

direccionabilidad. Su más atractiva característica es la facilidad de construcción e integración en

diseños existentes, así como su bajo costo. Estos factores compensan por su desempeño poco

eficiente.

Antenas Microstrip:

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Estas antenas pueden ser hechas para emular cualquiera de los diferentes tipos de antenas antes

mencionados. Las antenas microstrip ofrecen varios detalles que deben de ser considerados.

Debido a que son manufacturadas con pistas en circuito impreso, pueden ser muy pequeñas y

livianas. Esto tiene como costo no poder manejar mucha potencia como es el caso de otras

antenas, además están hechas para rangos de frecuencia muy específicos. En muchos casos, esta

limitación de frecuencia de operación puede ser benéfico para el desempeño del radio. Debido a

sus características las antenas microstrip no son muy adecuadas para equipos de comunicación de

banda amplia.

Filtros Los filtros son dispositivos que toman una forma de onda de entrada y modifican el espectro de

frecuencia para producir la forma de onda de salida. Pueden clasificarse de varias maneras, y una

de ellas es por ejemplo el tipo de material empleado, como elementos LC o de cristal de cuarzo.

Otra clasificación es por el tipo de función de transferencia que se lleva acabo, como las respuestas

de Butterworth o Chebyshev.

Los filtros utilizan elementos de almacenamiento de energía para obtener una discriminación de

frecuencia. En cualquier filtro físico, los elementos de almacenamiento de energía son

imperfectos. Por ejemplo, una bobina o inductor físico posee cierta resistencia en serio e

inductancia, mientras un condensador o capacitor tiene algunas resistencias a fugas y capacitancia.

En base a la función principal de los filtros que es permitir el paso libre de la banda de frecuencias

que se desea, mientras que deben presentar una atenuación elevada para las frecuencias

indeseables, estos pueden ser:

• Pasa Bajos

Pasa Altas

Pasa Banda

Supresor de Banda

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Filtros pasa bajos. Son aquellos que permiten el paso de señales de frecuencias cero hasta un

cierto valor predeterminado que se denomina “frecuencia de corte superior” del filtro.

Entendiendo por frecuencia de corte, a aquella para la cual la atenuación que produce el filtro es

de 3 db. Esto significa que en ese lugar la mitad de la potencia de entrada es eliminada.

Filtros pasa altos. Son aquellos que permiten el paso de señales desde una frecuencia

denominada “frecuencia de corte inferior”, hasta una superior, que teóricamente en un filtro ideal

se extiende hasta el infinito.

Filtros pasa banda. Son aquellos que permiten el paso de señales cuyas frecuencias se encuentran

comprendidas entre dos, denominadas “frecuencia de corte superior e inferior” respectivamente.

Se puede construir un pasa banda o suprime banda, mediante la combinación de pasa baja y pasa

alta.

Referencias 1. Wayne Tomasi, “Sistemas de comunicaciones electrónicas”, PEARSON-PRENTICE HALL,

4ta edición, 2003.

2. Leon W. Couch, II, “Sistemas de comunicación digitales y analógicos”, PEARSON-

PRENTICE HALL, 7ma edición, 2008.

3. Douglas K. Lindner, “Introducción a las señales y los sistemas”, Mc Graw Hill. 2001.

4. http://www.tsc.urjc.es/Master/RETEPAD/sites/default/files/Curso0_Ficha4.pdf

5. http://www.upv.es/antenas/Documentos_PDF/Notas_clase/Tema_1.PDF

6. http://www.wni.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=62:antenassoporte&ca

tid=31:general&Itemid=79