Todos los estándares de telefonía móvil desde 2G utilizan modulaciones digitales.
Las modulaciones digitales básicas manipulan amplitud, frecuencia y fase, igual que las analógicas. Así, tenemos ASK, FSK y PSK como evolución natural a AM, FM y PM. La señal portadora sigue siendo analógica. Son los datos (señal moduladora) los que son digitales.
Niveles y constelaciones
La magia de las modulaciones digitales viene al jugar con amplitud y ángulo de fase a la vez, lo que se llaman “modulaciones de cuadratura”. Éstas permiten enviar más de un bit cada vez que se envía un símbolo. Las más populares:
PSK: un bit por símbolo, dos niveles posibles.
QPSK / 4-QAM: dos bits por símbolo, cuatro niveles posibles.
8-PSK / 8-QAM : tres bits por símbolo, ocho niveles posibles.
16-QAM : cuatro bits por símbolo, dieciséis niveles posibles.
64-QAM : seis bits por símbolo, sesenta y cuatro niveles posibles.
256-QAM : ocho bits por símbolo, doscientos cincuenta y seis niveles posibles.
1024-QAM : diez bits por símbolo, mil veinticuatro niveles posibles.
…
Los diagramas de constelación son la representación de amplitud y fase:
Constelaciones PSK, QPSK (arriba) y 8-PSK/8-QAM (abajo)Constelaciones QAM
El diagrama de constelación tiene el su fundamento en los diagramas de fase usados en corriente alterna. ¿Recuerdas la ecuación?
$$ v(t) = V_p \cdot \sin(2\pi f t + \theta) $$
Como ya habrás notado, en las modulaciones de cuadratura se cumple que:
Cuanto mayor sea el número de bits por símbolo, mayor será la velocidad de bits (Mbps) (ancho de banda), pero más “débil” será la señal. Cuando te alejas del punto de acceso o hay obstáculos, la señal baja (dBm), la tasa de errores de bit empeora (BER, MER), y el punto de acceso decide bajarte bajarte el número de bits por símbolo (ejemplo Wi-Fi).
Cuando te alejas o hay obstáculos, se baja la velocidad de transferencia para tratar de mantener el enlace estable.
Otra peculiaridad de las señales digitales es que se pueden agregar. Por ejemplo, si tienes que enviar la trama 10101111 usando señales de 4 bits por símbolo (16-QAM), tardarás dos ciclos en enviar la información. Pero, podrías juntar dos señales de 4 bits por símbolo, en una enviar 1010 y en la otra 1111, y así enviar todo en un solo ciclo (la mitad de tiempo). Esta técnica, que seguro te suena familiar por la TDT, se llama OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
Juntando muchas señales portadoras (habitualmente miles), se puede lograr una señal de mucho bitrate (velocidad de transferencia).
Señal OFDM formada por "n" portadoras. Fuente: electronics-notes.com
El límite lo pone el ancho de banda disponible (MHz) y la separación entre subportadoras.
La constelación representan los símbolos (amplitud y la fase) de una de las miles de señales que componen una señal digital OFDM durante un espacio de tiempo. Esta subportadora se toma como referencia para saber la calidad general de toda señal:
Radioenlace con routers Ubiquiti visto desde un controlador Web. Cada router muestra el nivel de señal que recibe del otro (RSSI) y su constelación.
Cantidad de señal (dB)
Parámetros de cantidad:
PTx es la potencia de la señal transmitida (dBm).
RSSI (received signal strength indicator ) es la potencia de la señal recibida en el otro extremo del enlace (dBm).
C/N o bien SNR (dB) es la diferencia en decibelios entre la cantidad de señal (dBm) y el suelo de ruido (dBm).
El transmisor tiene -40 dBm de potencia. Si el cliente se ubica en el primer círculo, tendrá un RSSI de -60. En el segundo, de -80...
El RSSI siempre es mucho menor que la potencia transmitida esto depende de la distancia del enlace, la frecuencia, los obstáculos, materiales reflectantes… Puedes calcular las pérdidas en el espacio libre en este enlace.
¿Por qué el RSSI toma valores negativos? Te pongo el ejemplo de la Wi-Fi: Tu router emite con una potencia de 20 dBm, pero tú recibes la señal a unos -80 dBm. Por el camino se han perdido 100 dBm. Que sea negativo no es raro, sólo quiere decir que es menor de la referencia del decibelio (1 mW).
Enlace Wi-Fi típico. Si lo compruebas en la web mcsindex.com, en Wi-Fi N, el índice 7 implica unos 73 Mbps con modulación 64-QAM
Preguntas
¿Si aumento el número de portadoras, debo aumentar el ancho de banda (MHz)?
¿Si duplico el número de portadoras sin cambiar el tipo de modulación ni ningún otro parámetro, se duplicará también la velocidad de transferencia máxima (Mbps)?
Tengo una señal 16-QAM formada por 8000 subportadoras en un ancho de banda total de 8 MHz. Si decido duplicar el ancho de banda (MHz) bajando la modulación a 8-PSK, ¿la velocidad de transferencia se mantiene intacta?
Acceso múltiple y duplexado
Acceso múltiple (muchos usuarios a un nodo central):
FDMA: consiste en dividir el ancho de banda total en múltiples canales, uno (o varios) para cada usuario.
FDM. Fuente: ElectronicDesign
OFDM: es la agregación de múltiples portadoras para el mismo usuario.
TDMA: toma todo el ancho de banda disponible y lo divide en ranuras de tiempo. A cada usuario le corresponde una o varias ranuras.
FDM. Fuente: ElectronicDesign
CDMA: (NO ENTRA). Sólo utilizado en 3G. Es una técnica de espectro ensanchado. En CDMA la señal se emite con un ancho de banda mucho mayor que el que precisa (es una técnica de espectro ensanchado). A los datos a transmitir (moduladora) se les aplica función XOR con el código pseudoaleatorio de transmisión único para cada usuario. (NO ENTRA).
Duplex: consiste en cómo se divide la subida y la bajada para un sólo usuario. Dos técnicas: FDD (dividir el canal en dos subcanales) y TDD (dividir el canal en dos ranuras de tiempo). La mayoría de los sistemas de telefonía móvil usan FDD, aunque también es posible usar TDD.
