Sistemas de Modulación derivados de QPSK - ulpgc.es · 1 Departamento de Señales y comunicaciones ULPGC ETSI Telecomunicación ULPGC Grupo de Tecno.ogía Fotónica y Comunicaciones

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Departamento de Señales y

comunicacionesULPGC

ETSI Telecomunicación

ULPGC

Grupo de Tecno.ogía Fotónicay Comunicaciones

Sistemas de Modulaciónderivados de QPSK

Departamento de Señales y Comunicaciones


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Problema: - QPSK es una modulación muy utilizada en sistemas no guiados- Diseñar esquemas de modulación que mejoren el rendimiento de QPSK

básico frente a varias características

L Consumo de potencia

L Ancho de banda requerido

L Robustez frente al ruido de fase (jitter) y el ruido blanco

L Simplicidad en el diseño del receptor

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S/P

Canal Q

Canal I

SeñalEntrada

La envolvente de laseñal tiene saltos del

100%

0 50 100 150 200 250 300-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Las Transiciones simultáneas en los canales I y Q ocasionan cruces por cero en la envolvente

Señal QPSK

X

X

+

PPB

PPB

- /4

/4

Generadorportadora

π

π


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No se conserva la información en las componentes de amplitud

Señal QPSK- Efecto de la amplificación no lineal

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Problema I: Reducir el consumo de potencia

Envolvente plana

Menor distorsión alusar amp. No

linealesMayor

rendimientoMenor

consumo

- La forma de la envolvente condiciona el uso de amplificadoresno lineales

- Si hay componentes de amplitud se produce distorsión


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Transición QPSK

(1,1)

(0,0)

A

AA

AVariación=100%

Transición OQPSK

(1,1)

(0,0)

A

A

A

A

A

A

Variación=30%

Solución: Evitar transiciones simultáneas en ambos canales, (señal OQPSK)se retrasa un tiempo de bit uno de los canales

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Canal Q

S/P

Canal I

SeñalEntrada

TB

0 100 200 300 400-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Señal Offset-QPSK

La envolvente es casi constante

Introduce un retardo de un biten el canal en cuadratura

X

X

+

PPB

PPB

- /4

/4

Generadorportadora

π

π


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Problema II: Reducir el ancho de banda

L Solución típica: filtrar la señal de salida

- Distorsión de fase- Necesidad de introducir un circuito adicional

L Otra forma de filtrado: modificar la forma de onda

- La señal de entrada es similar a una señal filtrada- Se produce mediante tablas de sólo lectura- Se puede producir una salida . a un filtro de cosenoalzado ideal configurable- Problema: ruido de cuantificación, muy dependientedel número de muestras a utilizar

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Problema II: Reducir el ancho de bandaSeñales FQPSK1

Forma de onda

FQPSK-1 Vs. QPSK

Biti Biti-1 Salida

1 1 11 0 p(t)0 1 -p(t)0 0 0

Forma del flanco:

p(t)=0'5·cos[1+cos((π· t)/Ts )]; para |t| Ts<


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0 500 1000 1500 2000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

X

+

FiltroFQPSK-1

-π/4

/4

S/P

Canal Q

Canal I

SeñalEntrada

TB

Generadorportadora

Señal Filtered-QPSK-1

0 500 1000 1500 2000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Mantiene el retardo de OQPSK

Envolvente convariaciones del 30%

0 200 400 600 800 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

FiltroFQPSK-1

π

X

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0 50 100 150 200 25010 -10

10 -5

10 0

10 5

QPSK Vs. FQPSK-1

SimulaciónMedida

Reducción al 30% del ancho de banda

- Las señales FQPSK-1 requieren un ancho de banda mucho menor queQPSK (y OQPSK) debido a su forma de onda

-Incorporan un filtro de coseno alzado en la etapa de procesadobanda base

Problema II: Reducir el ancho de bandaSolución: esquemas QPSK filtrados


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Esquema FQPSK-1, conclusiones

La forma de onda del esquema FQPSK-1 permite aumentar larobustez de la señal frente al ruido de fase ( problema III , semanifiesta como errores de sincronización)

Disminuye hasta un 30% el ancho de banda requerido para unmisma BER

La forma de la envolvente no es plana, peores prestaciones queOQPSK con amplificadores no lineales

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Esquema FQPSK-2, premisas

Mantener las características “beneficiosas” de FQPSK-1logrando una envolvente constante

Se pueden utilizar circuitos para “combinar” las formas de ondade los dos canales y forzar una envolvente constante

Se usan 16 salidas posibles para combinar las estados presentesy anteriores en los dos canales

Diferencia con los esquemas vistos hasta ahora: los doscanales (I y Q) ya no son independientes


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X

X

+-π /4

π/4

Generadorportadora

S/P

Canal Q

Canal I

SeñalEntrada

TB

Señal Filtered-QPSK-2

Correladorcruzado

0 500 1000 1500 2000 2500-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 500 1000 1500 2000 2500-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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Forma de ondaFQPSK-2 Vs. QPSK

Problema II: Reducir el ancho de bandaSeñales FQPSK-2

0 50 100 150 200 25010-10

10-5

100

105

El ancho de banda es similar al de FQPSK-1


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Problema IV: Robustez frente al ruido blanco

; Las Señales FQPSK-2 presentan un diagrama de ojo máscerrado que FQPSK-1, OQPSK o QPSK,

FQPSK-1

FQPSK-2 FQPSK-1 (100%) FQPSK-2 (70%)

10-9

10-6

10-3

BER

C/N15 dB

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Problema V: Reducir la complejidad de losreceptores.

- Es necesario buscar un método de modulación que pueda serdemodulado de forma no coherente => mayor sencillez

FQPSK-1 y 2, y OQPSK necesitan recuperación de portadora =>demodulación coherente.

Solución: utilizar un esquema de modulación diferencial


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Constelación

+

+ +

+

X X

X X

Esquemas π/4-DQPSK

Ak =Ak-1·cos θ k - Bk-1·sen θ kBk =Ak-1·sen θ k + Bk-1·cos θ k

θ k viene dado por los estados delos canales I y Q

Ik Qk ∆θ

1 1 -135º0 1 135º0 0 45º1 0 - 45º

Utilizados en telefonía celular en EE.UU y Japón debido a su facildemodulación (ya que es un esquema diferencial)

Menor eficiencia espectral que FQPSK (60% que la de FQPSK)

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Esquemas π/4-DQPSK

Ejemplo de evolución

Bk =1Ak=1

Bk=0A k=21/2

B k=-1A k= -1

X X

X X

+

+ +

+

X X

X X

+

+ +

+

X X

X X

(1,1)

(0,0)∆θ=45º

(0,1)∆θ=135º


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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Envolvente(variación 12%)

X

X

+-π /4

π/4

S/P

Canal Q

Canal I

SeñalEntrada

Generadorportadora

Mapeador

Ak

Bk

Ik

Qk

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20010-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

QPSK π/4-DQPSK

FQPSK

Esquemas π/4-DQPSK

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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Conclusiones (I):L Es necesario modificar los esquemas QPSK básicos para

adaptarlo a las necesidades del sistema de transmisión

L No existe una solución óptima: soluciones de compromiso enfunción de la magnitud más crítica

• Ancho de banda: FQPSK-1 o 2• Consumo: OQPSK o FQPSK-2• Simplicidad de diseño: π/4-DQPSK

L Aplicación: Sistemas no guiados (RF, IR)


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OFDM: ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION

MULTIPLEXING

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ÍNDICE

• ¿Qué es OFDM?

• Ventajas de OFDM

• Generación y recepción de señales OFDM

• Aplicaciones


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CONCEPTO DE OFDM

Dominio del tiempo

Dominio de la frecuencia

• Modulación Multi-portadora con portadoras de banda estrecha

• Se divide el ancho de banda entre varios subcanales

• Conversión de datos serie-paralelo

• Los símbolos se transmiten a través de varias subportadoras

• Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales

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• El procesado de señal se hace en el dominio de la frecuencia (usando operaciones IFFT/FFT

• El periodo de guardia se añade para reducir los efectos de propagación por multipropagación

• Es un sistema tolerante al fading selectivo en frecuencia – La información perdida en casos de fading profundo se recupera mediante códigos FEC

• Tasas de transmisión flexibles (e. g. IEEE 802.11a/g entre 6–54 Mbit/s) – Diferentes tasas de código

• Permite diferentes modelos de modulación (mapping)

CONCEPTO DE OFDM


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CONDICIONES DE ORTOGONALIDAD

• Necesidad de estricto sincronismo entre transmisor y receptor

• Requiere componentes analógicos de muy alta calidad

• Evita efectos multitrayecto mediante la inserción del intervalo de guarda)

El espaciado entre canales es tal que sean matemáticamente ortogonales entre ellos

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• Los pilotos se transmiten primero en cada ráfaga de datos – 802.11a/g usa 4 subcanales como pilotos– algunos intervalos de tiempo ’timeslots’ pueden usarse como pilotos, estos deben ser fáciles de detectar y se usan para la estimación de canal

• Permiten – Detectar valores de frequencia y fase– fácil sincronización

PILOTOS


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VENTAJAS DE OFDM

• Sistema multiportador vs monoportador (reducción de la ISI)

• OFDM vs FDMA: eficiencia espectral

• Bajo coste y simplicidad

• Tolerancia ante el multitrayecto (intervalo de guarda)

• Tolerancia ante el desvanecimiento selectivo en frecuencia (fading)

• Posibilidad de implantar redes de frecuencia única (SFN, Single Frecuency Network)

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• El canal selectivo en frecuencia se divide en zonas de respuesta plana

• El flujo de datos de alta velocidad (serie) se transforma en flujos de datos de baja velocidad (paralelo)– Mayores longitudes de símbolo

SUBCANALES


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SÍMBOLO OFDM

• El final del símbolo a transmitir se copia y se inserta al principio del mismo

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GENERACIÓN DE SEÑALES OFDM

• Modulaciones empleadas: QAM, QPSK, BPSK

• Emplea 100 – 8000 portadoras de banda estrecha

• COFDM: OFDM que emplea códigos FEC (se repone al fading, ruido en el canal, etc)

S/P Modulador IFFT Datos CD/A S/P IG Señal OFDM


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Usa codificación convolucional y/o Reed-Solomon (códigos bloque)– Añade redundancia a la información– La codificación convolucional opera sobre las secuencias de bit en paralelo- DVB-T usa interleaving y codificación interior y exterior

C- OFDM

Interleaving:Un ejemplo: escribir por filas y leer por

columnas

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MAPEADO

• Los datos en OFDM las subportadoras se mapean (se modulan usando esquemas de modulación digital)

(p ej. IEEE 802.11a/g WLANs usa BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM)

• Los datos binarios-serie se convierten en números complejos de una constelación (con mapeo Gray)


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El par IFFT / FFT es el factor clave en OFDM

– IFFT: del dominio de la frequencia al del tiempo– FFT: Viceversa

• Todo el procesado se realiza en el dominio de la frecuencia

• El par IFFT / FFT tiene un coste bajo de implementación

IFFT / FFT

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Los periodos de guarda se insertan entre símbolos OFDM consecutivos

• Ayuda a reducir la ISI• El tiempo de guarda es mayor que la dispersión temporal• Las componentes de multipropagación se atenúan antes de iniciar la extracción de la información.• Reduce la efiencia espectral

PERIODO DE GUARDA


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RECEPCIÓN DE SEÑALES OFDM

• Extracción del intervalo de guarda (IG)

• Mediante la FFT recuperamos cada señal

• Demodulación

Extracción IG FFT Datos rx Señal

OFDM CA/D Demodulador S/P

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APLICACIONES

• Estándar DAB (Digital Audio Broadcasting)

• Transmisión en redes inalámbricas (originariamente en UMTS)

• Comunicaciones WLAN

• Estándar HDTV (High-Definition TV)


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Difusión de radio digital (DAB, Digital Audio Broadcasting)

• Solución a las limitaciones de la FM analógica:– Degradación de la calidad en zonas urbanas (fading, multitrayecto, efecto Doppler)– Imposibilidad de realizar la distribución de una emisora en toda una zona (región o país)– Baja eficiencia espectral

APLICACIONES (I)

Difusión de video digital terrenal (DVB-T, Digital Video Broadcasting)

• Emplea 8192 portadoras

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APLICACIONES (II)

• Aplicaciones en comunicaciones inalámbricas:– WLAN (Wireless-OFDM)– Originariamente se pensó su uso para UMTS (finalmente se utilizará FHSS)

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