LABORATORIO 03 - QPSK

UNTECS IET 2013 - II TELECOMUNICACIONES III

LABORATORIO 03

MODULACION Y DEMODULACION QPSK

La modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) es una variante de la modulación por desplazamiento de fase (PSK). Recuerde que BPSK es básicamente un esquema de modulación AM-DBL-PS con información digital como mensaje. La información digital en BPSK es enviada un bit a la vez por cada símbolo de la señal portadora. QPSK es también un esquema de modulación AM-DBL-PS pero envía dos bits de información digital por símbolo de la señal portadora. Ambos variantes de PSK usan una sola frecuencia portadora.

Ya que QPSK envía dos bits de datos a la vez, podría pensarse que es dos veces más rápido que BPSK, pero no es así. La conversión de los datos digitales, desde una ráfaga serial de bits individuales, a dos ráfagas seriales de bits reduce a la mitad la tasa de bits. Esto elimina la necesidad de mayor velocidad al enviar dos bits a la vez.

¿Por qué el interés por QPSK? La reducción a la mitad de la tasa de bits tiene una ventaja significativa. La cantidad de espectro de radiofrecuencia requerida para transmitir QPSK es la mitad que la requerida para BPSK. En concreto, se aprovecha mejor el espectro y permite la disponibilidad de más canales de transmisión.

La Figura 01 muestra el diagrama de bloques de la implementación matemática de QPSK.

Figura 01 – Diagrama de bloques de un modulador QPSK

A la entrada del modulador, los bits pares de los datos digitales (esto es, bits 0, 2, 4 y demás) son retirados de la ráfaga de datos por un “bit-splitter” (divisor de bits) y multiplicados con una portadora para generar una señal BPSK (denominada PSKI). Al mismo tiempo, los bits de datos impares (esto es, los bits 1, 3, 5 y así sucesivamente) son retirados de la ráfaga de datos y multiplicados con la misma portadora, pero desfasada en 90°, para generar una segunda señal

BPSK (llamada PSKQ). Esta es la clave de la modulación QPSK, es la suma de dos BPSKs.

Las dos señales BPSK sumadas conforman la señal QPSK para transmisión y, como tienen la misma frecuencia portadora, ocupan la misma porción del espectro de radiofrecuencia. Esto podría sugerir que las dos señales se mezclan irremediablemente; sin embargo, la separación de fase de 90° entre las portadoras permite la demodulación usando discriminación de fase (visto en experimentos previos).

Guía de laboratorio Pág. 1


La Figura 02 muestra el diagrama de bloques de una implementación de la demodulación QPSK.

Figura 02 – Diagrama de bloques de un demodulador QPSK

Note que el arreglo usa DOS DETECTORES de producto para, simultáneamente, demodular las dos señales BPSK. Simultáneamente se recuperan los pares de bits de los datos originales. Las dos señales son acondicionadas usando un comparador, luego los bits son puestos nuevamente en orden usando un conversor paralelo a serie.

Para comprender como cada DETECTOR toma solamente una de las señales BPSK y no ambas, recuerde que la detección de producto de las señales AM-DBL-PS es sensible a la fase. Esto es, la recuperación del mensaje es óptimo si las portadoras local y transmitidas están en fase una con respecto a la otra. El mensaje recuperado es atenuado si las dos portadoras no están exactamente en fase (este punto se discute en experimentos previos).

El demodulador QPSK toma ventaja de este hecho. Note que los dos DETECTORES de producto reciben señales desfasadas 90° entre sí, pero comparten la misma portadora local. Siendo este el caso, una vez que la fase de la portadora local, de uno de los detectores, iguala a la fase de la portadora de transmisión para una de las señales BPSK, existe automáticamente un error de fase de 90° entre la portadora local y la portadora de transmisión de la otra señal BPSK. Así, el detector recupera los datos de una de las señales BPSK y rechaza a la otra señal BPSK, esto ocurre en forma alternada.

Preguntas 01

01.- ¿Cuántos bits por símbolo transmiten BPSK y QPSK? __________ y __________, respect.

02.- ¿Puede afirmar que QPSK es un caso de modulación AM? ¿Por qué? ________________

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03.- Si QPSK envía más bits por símbolo de la portadora que BPSK, ¿por qué no ocupa mayor ancho de banda o espectro de RF?

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04.- Para una misma señal digital como banda base, ¿qué ventaja tiene usar QPSK sobre BPSK?

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05.- ¿Qué función cumple un BIT SPLITTER? _______________________________________

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06.- ¿Qué entiende por discriminación de fase? ______________________________________

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El experimentoEn este experimento usará el EMONA TELECOMS-TRAINER 101 para generar una señal QPSK implementando su modelo matemático. Una vez generada, observará la señal QPSK usando el osciloscopio. Entonces, examinará como la discriminación de fase, mediante detección de producto, puede emplearse para retirar los datos de las señales BPSK.

Equipamiento 01 EMONA TELECOMS-TRAINER 101 (incluyendo adaptador de poder) 01 osciloscopio de doble canal 03 terminales para osciloscopio de EMONA TELECOMS-TRAINER 101 20 cables de conexión del para EMONA TELECOMS-TRAINER 101

PROCEDIMIENTOPARTE A – GENERANDO UNA SEÑAL QPSK01.- Consiga todo el equipamiento requerido.02.- Configure el osciloscopio 03.- Fije el control TRIGGER SOURCE del osciloscopio a la posición EXT.04.- Fije del control TRIGGER SOURCE COUPLING del osciloscopio a la posición HF REJ.05.- Fije los controles INPUT COUPLING de los canales 1 y 2 del osciloscopio a la posición DC.06.- Fije el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 0.5ms/DIV.07.- Ubique el módulo DIVIDER y fíjelo en divisor por 2 empujando hacia arriba el switch del lado

izquierdo y hacia abajo el switch del lado derecho. El módulo DIVISOR está debajo del módulo SEQUENCE GENERATOR.

08.- Realice las conexiones mostradas en la Figura 03.

Las conexiones de la Figura 03 pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 04. El módulo SEQUENCE GENERATOR se emplea para proveer los datos digitales. El módulo SERIAL-TO-PARALLEL de dos bits se emplea para separar los bits de datos en ráfagas de bits pares e impares. Como se mencionó en la discusión preliminar, separando los datos de esa manera se reduce a la mitad la tasa de bits de los nuevos datos. Por ello, la salida SYNC del módulo SEQUENCE GENERATOR deberá ser dividido entre dos para ser usado como señal de disparo por el osciloscopio.



Figura 03 – Conexiones para el diagrama de bloques de la Figura 4

Figura 04 – Generación de DIBITs

09.- Fije el control MODE del osciloscopio a la posición DUAL para ver las dos salidas del módulo SERIAL-TO-PARALLEL CONVERTER.

10.- Compare las señales. Debe apreciar dos señales digitales diferentes entre sí.

Preguntas 02

01.- ¿Por qué se divide entre dos la frecuencia de la señal SYNC del generador de secuencia antes de ingresarlo como sincronismo de disparo al osciloscopio?

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02.- ¿Cuál es la tasa de bits de la banda base y de las señales a la salida del SPLITTER digital?

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11.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 05. Las líneas punteadas son conexiones existentes.

Estas conexiones pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 06. Note que las dos salidas del separador de bits están conectadas a módulos MULTIPLIER Independientes. La otra entrada de los módulos MULTIPLIER son senoidales de 100KHz. No obstante, están desfasadas 90° entre si lo cual es un requerimiento de QPSK.


12.- Compare los bits pares de los datos con la salida del módulo MULTIPLIER (PSKI).13.- Fije el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 0.2ms/DIV.14.- Active el SWEEP MULTIPLIER del osciloscopio para ver las señales más de cerca.15.- Use el control HORIZONTAL POSITION del osciloscopio para encontrar una transición en la

secuencia de datos.16.- Examine la portadora y note de qué forma cambia durante la transición de la secuencia.

Figura 06 – Multiplicación del DIBIT por las portadoras respectivas



Preguntas 03

01.- ¿Qué característica de la salida del MULTIPLIER le sugiere que se trata de una señal BPSK?

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02.- ¿Cuántas portadoras emplea para la modulación? ________________________________

03.- Cada símbolo de la portadora, ¿a cuántos bits corresponde? ______________________

04.- ¿Cuántos periodos contiene la portadora durante un bit? ___________________________

17.- Desactive el SWEEP MULTIPLIER del osciloscopio.18.- Mueva las conexiones del osciloscopio para reconectar según se muestra en la Figura 07.


Estos cambios se pueden representar por el diagrama de bloques de la Figura 08.

Figura 08 – Visualización del canal PAR



19.- Active el SWEEP MULTIPLIER del osciloscopio para ver las señales más de cerca.20.- Use el control HORIZONTAL POSITION del osciloscopio para ubicar una transición en la

secuencia de datos.21.- Examine la portadora y note en qué forma cambia en la transición de la secuencia.

Preguntas 0401.- ¿Qué tipo de señal está presente a la salida del MULTIPLIER?

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22.- Desactive el SWEEP MULTIPLIER del osciloscopio y retorne el control TIMEBASE a 0.5ms/DIV.

23.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 09.

La configuración de la Figura 09 puede ser representada por el diagrama de bloques de la Figura 10. El módulo sumador se emplea para sumar las señales PSKI y PSKQ. Esto convierte al circuito en modulador QPSK completo.


Figura 10 – Diagrama de bloques del modulador QPSK completo



24.- Gire el control G del módulo ADDER totalmente en sentido antihorario. Esto elimina la señal BPSKI de la señal en la salida del módulo ADDER.

25.- Ajuste el control g del módulo ADDER para obtener 4Vp-p en la salida.26.- Desconecte el cable de la entrada B del módulo ADDER. Esto elimina la señal BPSKQ de la

señal en la salida del módulo ADDER.27.- Ajuste el control G del sumador para obtener 4Vp-p.28.- Reconecte el cable a la entrada B del módulo ADDER.

Preguntas 05

01.- De acuerdo a la teoría, ¿qué tipo de transmisión de señal está presente sobre la salida del módulo ADDER?

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02.- ¿Por qué existe solamente una onda senoidal cuando la señal QPSK está compuesta de dos señales BPSK?

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PARTE B – USO DE DISCRIMINACION DE FASE PARA EXTRAER UNA DE LAS SEÑALES BPSK DE LA SEÑAL QPSKNo es posible implementar a la vez un modulador y un demodulador QPSK con un EMONA TELECOMS-TRAINER 101. Sin embargo, es posible demostrar cómo se emplea la discriminación de fase en el demodulador QPSK para extraer cualquiera de las dos señales BPSK que conforman la señal QPSK. A continuación realizará lo descrito.

29.- Desactive la función SWEEP MULTIPLIER del osciloscopio y retorne el control TIMEBASE a la posición 1ms/DIV.

30.- Ubique el módulo TUNEABLE LPF y gire el control CUT-OFF FREQUENCY completamente en sentido horario.

31.- Fije el control GAIN (ganancia) del módulo TUNEABLE LPF aproximadamente a la mitad de su recorrido.

32.- Ubique el módulo PHASE SHIFTER y fije su control PHASE CHANGE a la posición 0°.

33.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 11.Como existen muchas conexiones, puede serle útil marcarlas conforme las agrega.

Las conexiones realizadas pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 12. Si lo compara con la Figura 02, notará que corresponde a una sección (ya sea I o Q) del demodulador QPSK.




Figura 12 – Extracción de señal de uno de los canales QPSK

34.- Compare los bits de datos pares en la salida X1 del módulo SERIAL-TO-PARALLEL CONVERTER con la salida del módulo TUNEABLE LPF.

35.- Varíe hacia la derecha e izquierda el control PHASE ASJUST del módulo PHASE SHIFTER y observe el efecto sobre la señal demodulada. El objetivo es recuperar una señal bipolar (dos niveles) similar a las señales X1 o X2 del módulo SERIAL-TO-PARALLEL CONVERTER.

36.- Fije el control PHASE CHANGE del módulo PHASE SHIFTER a la posición 180° y repita el paso 35.

Pregunta 0601.- ¿En qué caso se recupera la banda base? _________________________________

02.- ¿Cuál es la causa que el módulo TUNEABLE LPF arroje señales de 3 y 4 niveles durante el ajuste de fase de la Figura 12?


SINE


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37.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 13.


La adición del comparador del módulo UTILITIES puede ser representado por el diagrama de bloques de la Figura 14. Si lo compara con el diagrama de bloques de la Figura 02, notará que este cambio completa una rama del demodulador QPSK.

38.- Fije el control PHASE SHIFTER del módulo PHASE SHIFTER a la posición 0°.39.- Compare los bits de datos pares en la salida X1 del módulo SERIAL-TO-PARALLEL

COVERTER con la salida del módulo BANDPASS LPF.40.- Ajuste el control PHASE ADJUST del módulo PHASE SHIFTER hasta que recupere los bits

de datos pares (ignore el desfase).

Figura 14 – Recuperación de datos de unos de los canales que conforman la señal QPSK

Preguntas 07

01.- ¿Cuál es la relación de fase entre la portadora local (en el lado demodulador o receptor) y la portadora usada para generar las señales PSKI y PSKQ? (lado modulador o transmisor).

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41.- Desconecte la entrada del canal 1 del osciloscopio de la salida X1 del módulo SERIAL-TO-PARALLEL CONVERTER y conéctelo a su salida X2 para ver los bits de datos impares.

42.- Compare los bits de datos impares con los datos recuperados. Pueden ser diferentes.43.- Fije el control PHASE CHANGE del módulo PHASE SHIFTER a la posición 180°.44.- Ajuste el control PAHSE ADJUST del módulo PHASE SHIFTER hasta que recupere los bits

de datos impares (ignore el desfase).

02.- ¿Cuál es la nueva relación de fase entre la portadora local y la portadora usada para generar las señales PSKI y PSKQ?

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03.- ¿Por qué el demodulador analizado es solamente la mitad de un receptor QPSK?

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________________________________________________________________________Edgard Oporto – NOVIEMBRE de 2013


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LABORATORIO 03 - QPSK