Cuando estudiamos las señales digitales solemos representarlas como ondas cuadradas. Sin embargo, gracias a la serie de Fourier, sabemos que una onda cuadrada puede descomponerse en la suma de muchas ondas senoidales de distintas frecuencias (armónicos).
Esto tiene una consecuencia muy importante en las comunicaciones:
Cuanto más rápidos sean los cambios de una señal (pulsos más estrechos), mayor será el número de frecuencias que necesitamos para representarla.
El problema: los medios de transmisión tienen un ancho de banda limitado
Ningún medio de transmisión es perfecto. Ya sea un cable de cobre, una fibra óptica o un enlace inalámbrico, todos presentan una limitación física denominada ancho de banda.
Esto significa que el medio solo puede transportar correctamente un determinado rango de frecuencias. Las componentes de frecuencia más elevada sufren una mayor atenuación y, en muchos casos, también una mayor dispersión, por lo que llegan al receptor muy debilitadas o incluso desaparecen.
Como consecuencia, la señal recibida ya no es exactamente igual que la enviada: los armónicos de mayor frecuencia se han perdido durante la transmisión.
¿Qué es la modulación?
La modulación es el proceso mediante el cual la información que queremos transmitir modifica una señal denominada portadora.
En lugar de enviar directamente la señal original, la utilizamos para variar alguna característica de la portadora. De esta forma, la señal resultante se adapta mucho mejor a las características del medio de transmisión.
En el receptor se realiza el proceso inverso, denominado demodulación, que permite recuperar la información original.
¿Por qué es necesaria?
Cada medio de transmisión funciona mejor dentro de un determinado rango de frecuencias.
La modulación permite adaptar la información a ese rango, consiguiendo:
aprovechar mejor el ancho de banda disponible;
reducir el efecto del ruido y las interferencias;
transmitir a mayores distancias;
permitir que varios canales compartan el mismo medio de transmisión.
Tipos básicos de modulación
Las primeras técnicas de modulación modificaban una única característica de la onda portadora.
Modulación en amplitud (AM)
La amplitud de la portadora varía siguiendo la información que queremos transmitir, mientras que la frecuencia permanece constante.
Es una técnica sencilla, aunque bastante sensible al ruido.
Modulación en frecuencia (FM)
La amplitud permanece constante y lo que cambia es la frecuencia de la portadora.
Es mucho más resistente a las interferencias que la AM y por ello se utiliza ampliamente en radiodifusión.
Modulación en fase (PSK)
En este caso la amplitud y la frecuencia permanecen constantes, pero se modifica la fase de la onda.
Es una técnica muy utilizada en comunicaciones digitales porque permite representar bits de forma muy eficiente.
La modulación en las redes de datos
Las redes actuales utilizan técnicas de modulación digitales mucho más avanzadas que la AM o la FM.
Una de las más utilizadas es la QAM (Quadrature Amplitude Modulation), que combina cambios en la amplitud y en la fase de la portadora para representar varios bits en cada símbolo transmitido.
Gracias a ello es posible alcanzar velocidades muy elevadas en tecnologías como:
Ethernet sobre cable.
Wi-Fi.
Redes móviles 4G y 5G.
ADSL y VDSL.
Cable módem (DOCSIS).
Cuantos más estados diferentes puede distinguir la modulación (por ejemplo, 16-QAM, 64-QAM o 256-QAM), más bits pueden transmitirse por símbolo. Sin embargo, también aumenta la sensibilidad al ruido, por lo que se necesita una señal de mayor calidad.
Una analogía
Una buena forma de entender la modulación es compararla con el transporte de energía eléctrica.
En las líneas de alta tensión no se transporta la electricidad al mismo voltaje con el que llega a nuestras viviendas. Antes de transportarla se eleva el voltaje, reduciendo así las pérdidas durante el recorrido. Una vez llega a la zona de consumo, el voltaje vuelve a reducirse mediante transformadores.
Con las comunicaciones ocurre algo parecido: no siempre es conveniente transmitir directamente la señal original. En su lugar, se "adapta" mediante la modulación para que pueda viajar por el medio con la menor degradación posible y, al llegar al destino, se recupera mediante la demodulación.
Actividad práctica
¿Qué ocurre cuando el ancho de banda es insuficiente?
Imagina que una empresa quiere transmitir datos a través de un cable antiguo de cobre cuyo ancho de banda es muy limitado.
Explica por qué una señal digital con pulsos muy estrechos necesita un mayor ancho de banda.
Describe qué le ocurrirá a la señal cuando los armónicos de alta frecuencia no puedan atravesar el medio.
Razona por qué la modulación permite mejorar la transmisión de la información.
Investiga qué tipo de modulación utiliza una de las siguientes tecnologías: Wi-Fi, Ethernet, 4G, 5G o ADSL. Indica el nombre de la modulación y explica brevemente por qué resulta adecuada para esa tecnología.
Reto: Busca información sobre las modulaciones 16-QAM, 64-QAM y 256-QAM y explica cuál de ellas permite transmitir más información y cuál requiere una señal de mejor calidad.