Uno de los visitantes del blog me hizo un comentario sobre uno de los artículos anteriores Uso de frecuencias no licenciadas donde yo hablaba someramente sobre las modulaciones. Me pedía que extendiera más la explicación sobre ellas.

En el artículo conceptos básicos de WiFi hablo un poco sobre las modulaciones, pero me parece interesante volver a los conceptos técnicos para poder entender mejor cómo funciona la tecnología. Estos conceptos de los que hablaré se aplican no solo a Wi-Fi sino a la mayoría de las tecnologías utilizadas en radio, particularmente la modulación, desde las emisoras de radio AM y FM hasta los enlaces de gran ancho de banda utilizados para transmitir las emisiones de televisión por todo el país.

La modulación tiene que ver con la cantidad de información que podemos transmitir por Hz. Los Hertz (espectro radioeléctrico) son fijos, es la frecuencia con la que transmitimos y dos equipos no pueden transmitir en la misma frecuencia en sitios cercanos sin interferirse. Tampoco se puede ampliar el espectro radioeléctrico, las frecuencias son las que hay y solo se pueden asignar a diferentes usos o subdividir en canales más pequeños, pero son las que hay. Para poder transmitir más información en el mismo espectro disponible se utiliza la modulación, en cada Hertz de frecuencia se mandan más bits con modulaciones cada vez más complicadas.

No voy a meterme en definiciones teóricas o presentar las fórmulas para modular una señal, me interesa más explicar los efectos prácticos de modular una señal. Hay dos efectos principales:

Al modular una señal podemos trasmitir más información que al no modularlo.

Cuantos más datos podamos transmitir, más compleja la modulación y por lo tanto más sensible a interferencias y errores.

Actualmente las técnicas de modulación digital más usadas son Modulación por desplazamiento de fase (PSK) y Modulación de amplitud en cuadratura (QAM). El primer tipo es el más sencillo y típicamente se usa binario o de 4 estados.

Modulación BPSK y QPSK

La información en un enlace radio viaja en forma de ondas y con esta modulación lo que se hace es cambiar la fase de la onda para cambiar el símbolo o bit mandado. En BPSK tenemos dos posiciones para cambiar de fase representando el 0 y el 1. En QPSK tenemos cuatro posiciones representando 00, 01, 10 y 11, de esta manera en QPSK se manda más información que en BPSK utilizando en mismo espectro de frecuencias o ancho de canal.

Modulación QAM

En la modulación QAM se utiliza tanto un cambio de fase como un cambio de amplitud o potencia. De esta manera tenemos más formas de decisión y podemos mandar más bits. Hay varios tipos dependiendo del número de puntos de decisión 16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM, etc. Cuantos más puntos de decisión tenemos, más difícil es discernir entre uno y otro y saber si lo que se está mandando es un 1 o un 0.

La modulación 16QAM se representa como en la figura, donde cada uno de los puntos negros representa 4 bits. Cada uno de estos puntos tiene una amplitud (distancia respecto al centro) y una fase (grados respecto a la línea vertical). Cuando la onda es recibida en alguno de estos puntos, el receptor sabe qué bits fueron mandados.

Para 64QAM hay 64 puntos en vez de 16 como se muestra en la siguiente figura, por lo que la diferencia en fase y amplitud entre dos puntos es mucho menor. Con esta modulación se pueden mandar más bits que en 16QAM, 6 por cada periodo de muestra, en vez de 4 en 16QAM.

El problema estriba en que en el mundo real las interferencias, obstrucciones y propagación de la información por el aire hace que la fase y amplitud varíe, por lo que en el receptor no todas las muestras llegarán exactamente en el punto deseado, sino en los alrededores. Si la dispersión es suficientemente grande, los puntos se confundirán y podrá haber errores. Se puede pensar en una diana de tiro con arco, si la flecha cae en el centro tenemos 100% de certeza de la información que nos mandaron, si cae en el siguiente anillo ya no se puede estar 100% seguro. Si cae alejado del centro tenemos pocas posibilidades de conocer la información enviada.

Hay forma de graficar en un enlace real cada símbolo enviado. Como ven en las siguientes figuras, para 16QAM tenemos 16 puntos de decisión y relativamente fácil diferenciarlos, pero al subir a 64QAM, donde tenemos 64 puntos y están todos mucho más juntos es más complicado y hay más posibilidad de errores.

Cuanto más alta es la modulación, más puntos de decisión y más información podemos mandar por Hertz.

Para evitar o minimizar los errores y poder trabajar en modulaciones cada vez más altas necesitamos que el receptor en un enlace radio tenga una muy buena señal, que la reciba con la máxima potencia posible y que no haya interferencias o minimizarlas. Para esto los ingenieros de radio hacen la planificación del sistema, utilizan calculadoras de enlaces y la regulación sienta las bases para que las frecuencias se utilicen por todos según unas reglas únicas y prefijadas.

Si les interesa el tema y quieren averiguar más, en este blog hay un artículo muy bien explicado acerca de las modulaciones http://flowersfour14.blogspot.com.es/

«Este artículo habla de una tecnología que tiene mucho que ver con la física y la matemática y no se pone obsoleta fácilmente, se mejora, pero sigue estando vigente. Por eso después de varios años, no es necesario actualizar esta entrada del blog, pero si hablo de las nuevas tecnologías que han aparecido particularmente de Wifi 6 y las modulaciones que usa en este otro artículo mucho más reciente. No dejen de verlo».