Sistemas de Modulación derivados de QPSK

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Juan Ignacio Coronel Salas
hace 6 años
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1 Comunicaciones Sistemas de Modulación derivados de QPSK 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

2 Señal QPSK Señal Entrada S/P Canal I PPB - π/4 π/4 La envolvente de la señal tiene saltos del 100% 1.5 Canal Q PPB Generador portadora Las Transiciones simultáneas en los canales I y Q ocasionan cruces por cero en la envolvente Señal QPSK - Efecto de la amplificación no lineal No se conserva la información en las componentes de amplitud

3 Problema I: Reducir el consumo de potencia - La forma de la envolvente condiciona el uso de amplificadores no lineales - Si hay componentes de amplitud se produce distorsión Envolvente plana Menor distorsión al usar amp. No lineales Mayor rendimiento Menor consumo Solución: Evitar transiciones simultáneas en ambos canales, (señal OQPSK) se retrasa un tiempo de bit uno de los canales A A (1,1) A A Variación=100% (0,0) Transición QPSK A (1,1) A A A A A (0,0) Transición OQPSK Variación=30%

4 Señal Offset-QPSK Canal I PPB Señal Entrada S/P - π/4 π/4 Canal Q T B PPB Generador portadora Introduce un retardo de un bit en el canal en cuadratura La envolvente es casi constante 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 coseno alzado ideal configurable - Problema: ruido de cuantificación, muy dependiente del número de muestras a utilizar

5 0 500 1000 1500 2000 Canal I Filtro FQPSK-1 Señal Entrada S/P - π /4 π/4 Canal Q Mantiene el retardo de OQPSK T B Filtro

5 Problema II: Reducir el ancho de banda Señales FQPSK1 Forma del flanco: p(t)=0'5 cos[1cos(( π t)/t s )]; para t < T s Bit i Bit i-1 Salida Forma de onda FQPSK-1 Vs. QPSK p(t) 0 1 -p(t) Señal Filtered-QPSK Canal I Filtro FQPSK-1 Señal Entrada S/P - π /4 π/4 Canal Q Mantiene el retardo de OQPSK T B Filtro FQPSK-1 Generador portadora Envolvente con variaciones del 30%

Problema II: Reducir el ancho de banda Solución: esquemas QPSK filtrados - Las señales FQPSK-1 requieren un ancho de banda mucho menor que QPSK (y OQPSK) debido a su forma de onda -Incorporan un

6 Problema II: Reducir el ancho de banda Solución: esquemas QPSK filtrados - Las señales FQPSK-1 requieren un ancho de banda mucho menor que QPSK (y OQPSK) debido a su forma de onda -Incorporan un filtro de coseno alzado en la etapa de procesado banda base Reducción al 30% del ancho de banda Simulación Medida QPSK Vs. FQPSK-1 Esquema FQPSK-1, conclusiones La forma de onda del esquema FQPSK-1 permite aumentar la robustez de la señal frente al ruido de fase ( problema III, se manifiesta como errores de sincronización) Disminuye hasta un 30% el ancho de banda requerido para un misma BER La forma de la envolvente no es plana, peores prestaciones que OQPSK con amplificadores no lineales

Esquema FQPSK-2, premisas Mantener las características beneficiosas de FQPSK-1 logrando una envolvente constante Se pueden utilizar circuitos para combinar las formas de onda de los dos canales y

7 Esquema FQPSK-2, premisas Mantener las características beneficiosas de FQPSK-1 logrando una envolvente constante Se pueden utilizar circuitos para combinar las formas de onda de los dos canales y forzar una envolvente constante Se usan 16 salidas posibles para combinar las estados presentes y anteriores en los dos canales Diferencia con los esquemas vistos hasta ahora: los dos canales (I y Q) ya no son independientes Señal Filtered-QPSK Canal I Señal Entrada S/P Correlador cruzado -π/4 π/4 T B Canal Q 1.5 Generador portadora

Problema II: Reducir el ancho de banda Señales FQPSK-2 10 5 10

un diagrama de ojo más cerrado que FQPSK-1, OQPSK o QPSK, BER

8 Problema II: Reducir el ancho de banda Señales FQPSK Forma de onda FQPSK-2 Vs. QPSK El ancho de banda es similar al de FQPSK-1 Problema IV: Robustez frente al ruido blanco ; Las Señales FQPSK-2 presentan un diagrama de ojo más cerrado que FQPSK-1, OQPSK o QPSK, BER 10-3 FQPSK C/N 15 db FQPSK-2 FQPSK-1 (100%) FQPSK-2 (70%)

9 Problema V: Reducir la complejidad de los receptores. - Es necesario buscar un método de modulación que pueda ser demodulado 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 Esquemas π/4-dqpsk Utilizados en telefonía celular en EE.UU y Japón debido a su facil demodulación (ya que es un esquema diferencial) Menor eficiencia espectral que FQPSK (60% que la de FQPSK) A k =A k-1 cos θ k -B k-1 sen θ k B k =A k-1 sen θ k B k-1 cos θ k θ k viene dado por los estados de los canales I y Q I k Q k θ º º º º Constelación

10 Esquemas π/4-dqpsk Ejemplo de evolución (1,1) (0,0) θ =45º (0,1) θ =135º B =1 k A k =1 B =0 k B A k =2 1/2 k =-1 A k = -1 Esquemas π/4-dqpsk 10 2 QPSK π/4-dqpsk FQPSK Canal I I k A k Señal Entrada S/P Mapeador -π /4 π/4 Envolvente (variación 12%) Canal Q Q k B k Generador portadora

11 Conclusiones (I): L L Es necesario modificar los esquemas QPSK básicos para adaptarlo a las necesidades del sistema de transmisión No existe una solución óptima: soluciones de compromiso en función 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) OFDM: ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEING

12 ÍNDICE Qué es OFDM? Ventajas de OFDM Generación y recepción de señales OFDM Aplicaciones CONCEPTO DE OFDM Modulación Multi-portadora con portadoras de banda estrecha Se divide el ancho de banda entre varios subcanales Dominio de la frecuencia Conversión de datos serie-paralelo Los símbolos se transmiten a través de varias subportadoras Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales Dominio del tiempo

CONCEPTO DE OFDM 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

13 CONCEPTO DE OFDM 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 a/g entre 6 54 Mbit/s) Diferentes tasas de código Permite diferentes modelos de modulación (mapping) CONDICIONES DE ORTOGONALIDAD El espaciado entre canales es tal que sean matemáticamente ortogonales entre ellos 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)

14 PILOTOS Los pilotos se transmiten primero en cada ráfaga de datos a/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 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)

SUBCANALES 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

15 SUBCANALES 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 SÍMBOLO OFDM El final del símbolo a transmitir se copia y se inserta al principio del mismo

GENERACIÓN DE SEÑALES OFDM Datos S/P Modulador IFFT S/P IG CD/A Señal OFDM Modulaciones

emplea códigos FEC (se repone al fading, ruido en el canal, etc) C- OFDM Usa codificación

codificación convolucional opera sobre las secuencias de bit en paralelo - DVB-T usa

16 GENERACIÓN DE SEÑALES OFDM Datos S/P Modulador IFFT S/P IG CD/A Señal OFDM Modulaciones empleadas: QAM, QPSK, BPSK Emplea portadoras de banda estrecha COFDM: OFDM que emplea códigos FEC (se repone al fading, ruido en el canal, etc) C- OFDM 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 Interleaving: Un ejemplo: escribir por filas y leer por columnas

17 MAPEADO Los datos en OFDM las subportadoras se mapean (se modulan usando esquemas de modulación digital) (p ej. IEEE a/g WLANs usa BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM) Los datos binarios-serie se convierten en números complejos de una constelación (con mapeo Gray) IFFT / FFT 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

PERIODO DE GUARDA 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

18 PERIODO DE GUARDA 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 RECEPCIÓN DE SEÑALES OFDM Señal OFDM Extracción CA/D FFT Demodulador S/P IG Datos rx Extracción del intervalo de guarda (IG) Mediante la FFT recuperamos cada señal Demodulación

19 APLICACIONES Estándar DAB (Digital Audio Broadcasting) Transmisión en redes inalámbricas (originariamente en UMTS) Comunicaciones WLAN Estándar HDTV (High-Definition TV) APLICACIONES (I) 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 Difusión de video digital terrenal (DVB-T, Digital Video Broadcasting) Emplea 8192 portadoras

20 APLICACIONES (II) Aplicaciones en inalámbricas: WLAN (Wireless-OFDM) Originariamente se pensó su uso para UMTS (finalmente se utilizará FHSS)

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