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1 Teddy Valencia Diego Maire Técnicas de Modulación para Comunicaciones Móviles. Capítulo V , “Wireless Communications, Principles & Practices”, (Part 1) Dr. Theodore Rappaport 2 Técnicas de Modulación para Comunicaciones Móviles (cap V) 5.1 AM vs FM 5.2 AM – 5.2.1 Banda Lateral Única AM – 5.2.2 Tono Piloto SSB – 5.2.3 Demodulación de señales AM 5.3 Modulación Angular – 5.3.1 Espectro y Ancho de Banda – 5.3.2 Métodos de modulación FM – 5.3.3 Técnicas de Detección FM – 5.3.4 Cambio entre relación SNR y BW en señales FM 5.4 Modulación Digital – 5.4.1 Factores para la elección de Modulación Digital. – 5.4.2 Ancho de Banda y Densidad Espectral de Potencia – 5.4.3 Códigos de Línea 3 Modulation Techniques for Mobile Radio (cap V) 5.5 Técnicas de Formación de Pulsos – 5.5.1 El criterio de Nyquist para la cancelación de ISI – 5.5.2 Filtro Reductor de Coseno Alzado – 5.5.3 Filtro Gausiano 5.6 Representación Geométrica de Señales Moduladas 5.7 Técnicas Lineales de Modulación – 5.7.1 Binary Phase Shift Keying (BPSK) – 5.7.2 Differential Phase Shift Keying (DPSK) – 5.7.3 Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) – 5.7.4 QPSK Técnicas de Transmisión y Detección – 5.7.5 Offset QPSK – 5.7.6 /4 QPSK – 5.7.7 /4 QPSK Técnicas de Transmisión – 5.7.8 /4 QPSK Técnicas de Detección 4 Introducción OBJETIVO El objetivo principal de la modulación es el de transportar con la mejor calidad posible, señales de información a través de canales afectos a desvanecimientos, multitrayectos y limitados en ancho de banda. 5 FM v/s AM : Relación No lineal Amplitud Constante del Carrier Información en la fase o frecuencia Crecimiento de la calidad sobre cierto umbral Señal envolvente constante, señal modulante no altera el carrier Potencia no depende de amplitud de la información por lo se pueden utilizar amplificadores de RF no-lineales y de gran eficiencia (70 % en clase C). Relación Lineal Calidad - Potencia Superposición de Amplitud Información en la Amplitud del carrier Mantener linealidad en potencia y amplitud de mensaje implica Amplificadores clase A-B. 30- 40 % de eficiencia. Todas las interferencias son recibidas y demoduladas. 6 FM vs AM VENTAJAS Mejor inmunidad al ruido (señales representadas como variaciones de frecuencia) Menos susceptible a Ruido impulsivo, (fluctuaciones rápidas en amplitud) Desvanecimientos de pequeña escala causan fluctuaciones Intercambio de BW por S/N Indice de Modulación, y por lo tanto BW puede variar para mejor S/N. Efecto Captura Ocupa menos BW, pues sistema de transmisión lineal Mejoró susceptibilidad a desvanecimientos usando tonos pilotos que ajustan rápidamente la ganancia para compensar fluctuaciones de amplitud Menor complejidad Se demodula fácilmente AM puede ser detectada coherentemente con un detector de producto. Superará a FM cuando se tenga señales débiles. 7 VENTAJAS DE FM Resumiendo lo importante : Efecto Captura - Si dos señales en la misma banda de frecuencia llegan al receptor, será demodulada la de mayor potencia. La otra será rechazada. Por lo tanto más inmune a la interferencia co-canal. Eficiencia de Potencia - La potencia de una señal FM no depende de amplitud de la información, por lo tanto, se puede utilizar amplificadores de RF no-lineales, gran eficiencia (70 % en clase C). Intercambio de BW por S/N 8 Modulación de Amplitud (AM) • Si Accos(2fct) es la señal portadora y m(t) la señal modulante, la señal de AM puede ser representada por: cm A/Ak )tf2cos()]t(m1[A)t(S ccAM • El índice de modulación “k” para una señal m(t)=Amcos(2fmt) viene dado por: • Este índice es usualmente llamado “porcentaje de modulación”. Un porcentaje de modulación mayor del 100% distorsionará la información transmitida no pudiendo ser demodulada por un detector de envolvente. 9 Modulación de Amplitud (AM) • El espectro de una señal de AM está dado por : )]ff(M)ff()ff(M)ff([A 2 1 )f(S cccccAM • El ancho de banda de la señal de AM es : BAM = 2fm • La potencia total en una señal de AM, donde <·> representa el valor medio, es : ])t(m)t(m21[A 2 1 P 22cAM 10 AM de Banda Lateral Única • Una señal SSB se expresa matemáticamente así : )]tf2(sin)t(m̂)tf2cos()t(m[AS cccSSB |AdB| f fc fc + fmfc - fm Banda lateral Superior Banda lateral Inferior |AdB| f fc fc + fm Banda lateral Superior (+)(-) 11 AM de Banda Lateral Única t 1 )t(m)t(h)t(m)t(m̂ HT • El término corresponde a la transformada de Hilbert de m(t) la cual está dada por : )t(m̂ • Las 2 maneras más comunes de generar una señal SSB son : A) Filtro pasabanda : Bandpass Filterm(t) Accos(2fct) SSSB(t) 12 AM de Banda Lateral Única B) Modulador Balanceado : m(t) Accos(2fct) SSSB(t) Carrier Oscillator -90º -90º Phase Shift )t(m̂ )]tf2(sin)t(m̂)tf2cos()t(m[AS cccSSB 13 SSB con Tono Piloto • Aunque los sistemas SSB ocupan poco BW, su desempeño en canales con desvanecimiento es muy pobre. • Esto puede mejorarse introduciendo un pequeño tono piloto dentro de la banda transmitida. • El receptor detectará este tono y lo utilizará para ajustar la frecuencia y fase del oscilador local. Debido a la alta correlación entre los desvanecimientos sufridos por la banda de información y el tono piloto, podremos emplear una suerte de control de ganancia que compense las pérdidas por multitrayectorias. • Este proceso se llama “Feedforward Signal Regeneration (FFSR)”. 14 Transparent Tone-In-Band (TTIB) f2 - f1 a f f f g f2 - f1l f f f1 f1f2 f2 Transmitter Receiver a a b c d e f,g h i j k l 15 f1 f2 f2 f1 Transmisor Receptor f a g b c d e f h i j k l 16 Demodulación de Señales AM • Las técnicas de recuperación de señales de AM se dividen en 2 grandes categorías : Demodulación Coherente y No-Coherente. • La Demodulación Coherente requiere del conocimiento de la frecuencia y fase de portadora en el receptor. La No-Coherente no requiere información de fase. • Un tipo de detección coherente de señal AM es “El detector de producto” o “Detector de fase”. La detección no coherente se lleva a cabo generalmente con un “Detector de envolvente”. 17 Demodulación de Señales AM )cos()t(RA 2 1 )t(v 0r0out )tf2cos()t(R rc )tf2cos(A 0c0 LPF v1(t) A) Detector de fase : B) Detector de envolvente : Un detector de envolvente ideal es un circuito que tiene una salida proporcional a la envolvente real de la señal. Si la entrada es , la salida será :)tf2cos()t(R rc Vout(t) = K|R(t)| 18 Modulación de ángulo Modulación de frecuencia (FM) dxxfktfAS fccFM )(2cos Kf: Constante del sistema tf AK tfAS m m mf ccFM 2sen2cos Si usamos una señal modulante sinusoidal 19 Características de FM La máxima desviación de frecuencia de la señal portadora es: Indice de modulación: fmW Âf fmd f Relación entre Âm y el BW de la señal transmitida El ancho de Banda (BT) de una señal FM (Banda Ancha), está definido como el intervalo en frecuencia que contiene el 98 % de la potencia transmitida. mfT fB 12 (Regla de Carson) Amf ÂmKf f d 2 df Constante de desviación de frecuencia. [Hz/V 20 Técnicas de modulación FM Forma Directa Forma Indirecta • Forma Directa: La frecuencia del carrier varía directamente en concordancia con la señal modulante de entrada. VCO son utilizados para variar la frecuencia de la portadora • Forma Indirecta: Se genera una señal FM de banda angosta usando un modulador balanceado y un multiplicador de frecuencia para elevar la frecuencia portadora y la desviación en frecuencia al nivel requerido 21 Técnicas de modulación FM Forma indirecta m(t) Integrador portadora -90º limitador Multiplicador de Frec. FM banda anchaFM banda angosta X S tftAtfAS ccccFM 2sen)(2cos 22 Técnicas de detección FM Se busca el efecto contrario. Frecuencia instantánea a amplitud instantánea. En receptores prácticos, la señal RF es recibida, amplificada y filtrada en el carrier. Luego convertida a una frecuencia intermedia que contiene el mismo espectro. Los métodos utilizados son: - Zero-crossing detection - Slope Detection - PLL 23 Técnicas de detección FM Zero-crossing detection • Este es un buen método cuando se necesita linealidad sobre un amplio rango de frecuencias • Idea: Utilizar los cruces por cero para generar un tren de pulsos cuyo valor medio sea proporcional a la frecuencia de la señal. 24 Técnicas de detección FM Slope Detection • Se basa en derivar la señal de entrada y luego filtrar pasa bajo. La señal pasa a través de un limitador de amplitud que remueve las perturbaciones debidas al fading en el canal (Vi) • Luego pasa a un filtro con una función de transferencia que incrementa la ganancia linealmente con la frecuencia. • Se observa que la Ec., tiene un término variante en el tiempo proporcional a m(t) y otro DC que se filtra con un condensador. )(22 )( 2)( )(22cos)(2cos)( tmKVfV t t fVtv dmKtfVttfVtv fcco t fcci 25 Técnicas de detección FM PLL • Esquema de control en lazo cerrado consistente en un VCO cuya frecuencia de salida varía en función del voltaje de salida demodulado. DETECTOR DE FASE Amplificador y LPF vco M(t) señal demodulada SFM señal de entrada 26 Compromiso entre SNR y ancho de banda de la señal FM La razón señal a ruido después de la detección, depende de SNRin , f,,f,max. La razón señal a ruido antes de la detección, es función del Ancho de Banda (B) del filtro pasabanda en la etapa IF, de la Potencia e Interferencia recibidas. in p ffout SNR V tm SNR )( )( )1(6)( 2 2 BN A SNR f c in )1(2 2 )( 0 2 Donde Vp es el valor peak a cero de la señal modulante mfT fB 12 fmW Âf fmd f 27 Compromiso entre SNR y ancho de banda de la señal FM inAMfout inffout SNRSNR SNRSNR )(3)( )()1(3)( 2 2 Entonces, para una señal tAtm mm sen)( Comparación: La señal recibida en la entrada de un receptor AM, (con un filtro en la entrada de ancho B), tiene un BW = 2B. Luego, la relación Señal Ruido está dada por: BN A SNR cinAM 0 2 2 )( fmW Âf fmd f mfT fB 12 28 Modulación Digital Compresión de datos para ahorro de ancho de banda Mayor inmunidad al ruido que la modulación de ángulo Más robusto a imperfecciones del canal Fácil multiplexión Mayor seguridad 29 Diagrama de bloques funcional de un sistema de telecomunicaciones digital Formateo Codif. de Fuente Mux Codif. de Línea Modulac. de portadora Tx Sincronismo de Trama/Cuadro Acceso al Medio de Tx Formateo Inverso Decodif. de Fuente Ecualiz. de canal Amplific. en FI y selectivid. RxMux Recuperación de Sincronismo de Trama/Cuadro Detector M-ario Recuperación de Sincronismo 30 Factores que influyen en la elección de un esquema de modulación Baja tasa de error en una baja relación señal a ruido Funcionando en múltiples condiciones y en las peores Mínimo ancho de banda Bajo costo y fácil implementación Idealmente 31 Factores que influyen en la elección de un esquema de modulación Eficiencia de Potencia para cierto BER típicamente Eficiencia de Ancho de banda Describe la habilidad de un esquema para acomodar la información dentro de un ancho de banda limitado. o b N E p HzbpsB B R 510 32 Factores que influyen en la elección de un esquema de modulación Teorema de Shannon El valor máximo para la transmisión sin errores N S B C Bmax 1log 2 33 Factores que influyen en la elección de un esquema de modulación Compromiso: En general, existe un compromiso entre eficiencia de potencia y eficiencia de ancho de banda. • Agregar código de control de error reduce la tasa de errores pero además reduce la tasa de transmisión. • Modulación M-aria reduce requerimientos de ancho de banda pero aumenta tasa de errores. 34 Factores que influyen en la elección de un esquema de modulación Otros factores: • Fading tipo Rayleigh y tipo Rician • Dispersión por Multitrayectos • Costos y simplicidad de la modulación 35 Factores que influyen en la elección de un esquema de modulación Complejidad relativa de esquemas de modulación digital 36 Codificación de Línea Proporciona características como: » Sincronización y Transparencia » Capacidad de detectar errores » Baja probabilidad de error » Eficiencia Espectral Es utilizada para entregar al tren de pulsos de banda base características espectrales especiales: NRZ, RZ, Manchester, etc. 37 Codificación de Línea: espectros de señales típicas Rb 1.5Rb 0.5Rb Rb 1.5Rb 0.5Rb Rb 1.5Rb NRZ RZ Manchester 38 Técnicas de Formación de Pulsos Cuando pulsos rectangulares pasan por un canal de BW limitado, se producen deformaciones del pulso, lo que genera ISI (Inter Symbol Interference) Por esto se filtran los pulso rectangulares para adaptarlos a la característica del canal de forma que en el extremo receptor se evita ISI en el instante de muestreo con un requerimiento de BW finito en el canal. 39 Criterio de Nyquist 00 0 )( n nK nTh seff Donde heff(t) es la forma de onda recibida (pulso transmitido y efecto de los filtros del canal completo) Ts es el período del símbolo, (se asume que se muestrea una vez por símbolo, al final de este) n es entero y K es una constante real cualquiera. “1º criterio de Nyquist para cancelación de ISI” 40 Criterio de Nyquist Criterio de Nyquist para cero ISI: solución de mínimo ancho de banda T 2T 3T-3T -2T -T Forma de pulso ideal para cero ISI (Nyquist) s s eff T t T t sin th )( 41 Criterio de Nyquist Criterio de Nyquist para cero ISI: Existen diversos filtros que cumplen con el criterio de Nyquist • El filtro rectangular ideal presenta complejidades en su implementación, al decaer muy lentamente las colas de los pulsos resultantes. Así la acumulación de ISI sólo es cero si se muestrea sin ningún error de posición temporal • Es preferible otro tipo de filtraje del pulso, más fácilmente realizable, y más tolerante a errores en el instante de muestreo. 42 Filtro Reductor Coseno Alzado Respuesta a impulso 2 s ss RC )T2/t4(1 )T/tcos( t )T/tsen( )t(h = factor de reducción conserva los cruces por cero del pulso, pero decae mas rapido sugun el factor de reducción 43 Filtro Reductor Coseno Alzado Ancho de banda de RF requerido, B s s T 1 )1(R)1(B = factor de reducción 44 Filtro Reductor Coseno Alzado respuesta en frecuencia, banda base : = 0 = 1 = 0.5 frecuencia0 fs/2 fs 45 Filtro Reductor Coseno Alzado respuesta en tiempo = 0 = 1 tiempo0 Ts 2Ts 46 Filtro Reductor Coseno Alzado • De los mas populares en las comunicaciones móviles • Satisface el criterio de Nyquist • Requiere de modulación lineal para preservar forma temporal (o amplificadores con potencia de salida adaptable a la señal) • Para “construir” digitalmente estos pulsos, en lugar de generarlos bit a bit es más eficiente agrupar secuencias (por ejemplo 3 bits consecutivos) y tener almacenada la forma temporal de cada una de las combinaciones (8 posibilidades para 3 bits) 47 Filtro Gaussiano Pulso Gaussiano (Gaussian Pulse-shaping Filter) La repuestaen frecuencia (banda base) es: Y la respuesta en tiempo respectiva: )fexp()f(H 22 G )texp()t(h 2 2 2 G 48 Filtro Gaussiano Pulso Gaussiano (Gaussian Pulse-shaping Filter) El ancho de banda de -3[dB] (banda base) está relacionado con y resulta ser igual a: 1774.1 B 49 Filtro Gaussiano Pulso Gaussiano (Gaussian Pulse-shaping Filter) Se observa que: • No cumple con criterio de Nyquist ya que la señal temporal no tiene cruces por cero • Cuanto mayor el valor de , menor el ancho de banda y mayor la dispersión temporal o sea mayor ISI para una determinada tasa de transmisión. • El espectro de frecuencias decae rápidamente fuera de la banda 50 Filtro Gaussiano Filtro de pulso Gausiano 0 Ts /2 3Ts/2 = 2.0 = 0.5 = 1 2 2 2 G 22 G texp)t(h )fexp()f(H 51 Filtro Gaussiano Filtro de pulso Gaussiano Se ha comprobado que este tipo de pulsos exhibe mejor inmunidad a los efectos de amplificación no- lineal que los pulsos coseno alzado 52 Técnicas de Modulación Lineal La modulación lineal se caracteriza por que la amplitud de la señal transmitida s(t) varía linealmente con la amplitud de la señal modulante m(t) )]tf2sen()t(m)tf2cos()t(m[A )]tf2jexp()t(m ARe[)t(s cIcR c Donde: A = amplitud (constante real) fc = frecuencia de la portadora m(t) = mR(t) + jmI(t) es la envolvente compleja de la señal 53 Técnicas de Modulación Lineal La modulación lineal es eficiente desde el punto de vista de utilización del ancho de banda, pero requiere amplificación lineal de RF, lo que implica mala eficiencia en el uso de la potencia. HzbpsB B R 54 Técnicas de Modulación Lineal BPSK (Binary Phase Shift Keying) DPSK (Differential Phase Shift Keying) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) OQPSK (Offset QPSK) /4 QPSK 55 Técnicas de modulación Lineal BPSK (Binary Phase Shift Keying) b c c Tt0 tcos)t(a)t(p0 tcos)t(a)t(p1 Espectros: • Para BPSK, pulsos rectangulares el “ancho espectral entre nulos” es igual a 2/Tb = 2Rb. El 90% de la energía está en un ancho de banda de 1,6Rb • Si se usan pulsos coseno alzado con 0,5 toda la energía de los pulsos está contenida en un ancho de banda de 1,5Rb 56 Técnicas de Modulación Lineal BPSK (Binary Phase Shift Keying) fc-2Rb fc-Rb fc fc+Rb fc+2Rb Pulsos rectangulares Coseno alzado =0.5 57 Técnicas de Modulación Lineal DPSK (Differential Phase Shift Keying) • El tren de pulsos es codificado diferencialmente con la muestra anterior a modular y luego se modula la diferencia bajo BPSK. Mk 1 0 0 1 0 1 1 0 Dk-1 1 1 0 1 1 0 0 0 Dk 1 1 0 1 1 0 0 0 1 XOR Ret Ts Mk Dk 58 Técnicas de Modulación Lineal DPSK (Differential Phase Shift Keying) Circuito Lógico Delay Tb Modulador de producto Señal DPSK Señal entrada (Mk) (Dk-1) (Dk) Cos(2fct) 59 Técnicas de Modulación Lineal Probabilidades de error Si Eb = energía 1 bit y N0 = densidad espectral de potencia unilateral de ruido aditivo gaussiano 0 b DBPSK ,e 0 b 0 b BPSK ,e N E exp 2 1 P N E erfc 2 1 N E2 QP 60 Técnicas de Modulación Lineal QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) • Posee el doble de eficiencia de BW que BPSK, ya que 2 bits son transmitidos por símbolo sE sE2 11 10 00 01 Desfase corresponde a cambio de ambos bits 61 Técnicas de Modulación Lineal QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 0 b 0 b QPSK ,e N E erfc 2 1 N E2 QP La probabilidad de error es la misma que en BPSK!! Recordar que : bS EE 2 62 QPSK Densidad espectral de Potencia Técnicas de Modulación Lineal fc-Rb fc-Rb/2 fc fc+Rb/2 fc+Rb Pulsos rectangulares Coseno alzado =0.5 63 QPSK Transmisor Técnicas de Modulación Lineal 90º Serial to Parallel Converter LPF Local Oscillator BPF LPF QPSK signalInput Data, Rb Transmisor QPSK )(tmI )(tmQ 64 QPSK Receptor Técnicas de Modulación Lineal 90º LPF Recuperación de portadora BPF Recuperación del tiempo de símbolo Señal recibida LPF Circuito de decisión Circuito de decisión Multiplexor Receptor QPSK Señal recuperada 65 Técnicas de Modulación Lineal • Si se usan pulsos NRZ en banda base, QPSK debería tener una amplitud de portadora constante. Sin embargo cuando se usa formación de pulsos para limitar el ancho de banda (como coseno alzado) la amplitud de los pulsos y por lo tanto de la envolvente deja de ser constante. • Otra forma de ver esto es considerando que en un ancho de banda limitado, las transiciones no pueden ser instantáneas, y por lo tanto en los saltos de fase de radianes; la amplitud de la envolvente pasará por cero 66 Técnicas de Modulación Lineal • En consecuencia habría que usar amplificación lineal (ineficiente!) para preservar la característica espectral de la señal modulada • Los cambios en fase de ocurren sólo cuando cambian ambos bits a la vez • Para contrarrestar esto es que se desarrolló OQPSK, que consiste en defasar los cambios en las dos secuencias de bits 67 OQPSK (Offset QPSK) • El tren de pulsos (par e impar) es separado y se desplaza temporalmente uno de ellos en un periodo de bit, de manera que las transiciones y no ocurran en forma simultánea. • Con esto se evitan las transiciones de fase de 180º • El espectro en frecuencia es el mismo que para QPSK • Desde el punto de vista de la generación de bandas laterales espectrales, la señal resultante es mucho más tolerante a no linealidades en la amplificación, Técnicas de Modulación Lineal 68 /4 QPSK y /4 DQPSK • Es una modulación QPSK que ofrece un compromiso entre OQPSK y QPSK en términos de permitir máximas transiciones de fase (135º). • Ofrece el atractivo de permitir demodulación no coherente (diferencial) • En canales con multitrayectoria se comporta mejor que OQPSK {Liu89} • Se basa en conmutar entre dos constelaciones diferentes en cada período de símbolo y con ello se facilita la recuperación de reloj. Técnicas de Modulación Lineal 69 Técnicas de Modulación Lineal 4 10 4 300 4 301 4 11 fase de cambiodibits k1kk (t)}{sen Q(t)y (t)}{cost)donde I( ))t(t c cos( )t c sen()}t(sen{)t c cos()}t(cos{ )t c sen()t(Q)t c cos()t(I)t( QPSK 4 s k 70 Técnicas de Modulación Lineal Constelaciones de /4 QPSK y /4 DQPSK 71 Técnicas de Modulación Lineal Detección de /4 QPSK y /4 DQPSK • Facilidad de implementación de /4 DQPSK • BER casi 3dB inferior al detector coherente /4 QPSK • En baja tasa de bit, canales con fading rápido tipo Rayleigh, detección diferencial ofrece bajo error, porque no depende de la sincronización 72 Técnicas de Modulación Lineal Standarts que las utilizan – BPSK: IS-95 – QPSK: IS-95 – /4 DQPSK: USDC, PACS, PDC,PHS
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