Comunicaciones en Audio y Vídeo Laboratorio Práctica 2: Modulaciones Digitales Binarias Curso 2008/2009 Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 1 de 14
1 ESQUEMA DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DIGITAL A/D Serializador y Cod.Canal Modulador (salvo Banda Base) Transmisor Canal Receptor Demodulador (salvo Banda Base) Decod. Canal y deserializador D/A El equipo sobre el que se hacen las medidas implementa el esquema de transmisión mediante una configuración ligeramente distinta. La principal diferencia es que el canal real se implementa con una circuitería (CH.SIMULATION) previa al transmisor, que simula las degradaciones del canal real, mientras que el canal entre los entrenadores suele ser un canal ideal realizado mediante una conexión corta de cable coaxial. A/D Serializador y Cod.Canal Modulador (salvo Banda Base) Simulador Canal Transmisor Canal ideal Receptor Demodulador (salvo Banda Base) Decod. Canal y deserializador D/A El siguiente apartado muestra en mayor detalle los módulos transmisor (emisor) y receptor del entrenador y las selecciones que se pueden realizar. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 2 de 14
2 ENTRENADOR DE COMUNICACIONES DIGITALES PROMAX EC-796 TPE1 TPE2 TPE4 ESQUEMA DE BLOQUES DEL EQUIPO EMISOR TPR36 TPR41 ESQUEMA DE BLOQUES DEL EQUIPO RECEPTOR Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 3 de 14
3 INTRODUCCIÓN En esta práctica se va a experimentar con varias modulaciones y demodulaciones digitales binarias. Se verán ASK (Amplitude Shift-Keying) y BPSK (Binary Phase Shift-Keying). Las modulaciones pueden estudiarse en paralelo, pero las demodulaciones presentan varias diferencias. Configuración: Transmisor Receptor INPUTS Sig. RECEPTION Coax. FILTER/COMP. Antialiasing DEMODULATION ASK/BPSK MODULATION ASK/BPSK FILTER/EXPANDOR Filter CH. Direct OUTPUTS Signal SIMULATION TRANSMISSION Coax. Objetivos que se irán cubriendo a lo largo de la práctica: Visualizar formas de onda de modulaciones digitales, que usan portadora senoidal. Identificar el símbolo y T s. Relacionar con T b de banda base. Ver que algunas modulaciones dan espectros que consisten en la repetición en DBL del espectro de banda base. Constelaciones similares dan lugar a comportamientos similares aunque las modulaciones parezcan ser distintas. Relacionar T s con los nulos del espectro. Ver efectos del filtrado de la señal digital. Ver efectos de las degradaciones del canal. 4 MODULACIÓN 4.1 Esquema general de la modulación: Moduladora A 1 x(t) MODULADOR Modulada y(t) PORTADORA A c cos(ω c t) f c 4.2 Señal moduladora La señal moduladora o banda base será la salida de la UART que ya conocemos de la práctica anterior. Encienda el generador para que las tramas no sean repetitivas y los espectros digitales medidos sean tipo sinc. 4.3 Medida de la señal portadora ASK Conecte el CH2 en el punto de prueba TPE7 dentro del bloque de modulación ASK. Determine las características de la portadora en tiempo y en frecuencia: Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 4 de 14
Señal portadora en tiempo. Sñal portadora en frecuencia. f portadora Veficaz Vpp Nivel 1º armónico Nivel 2º armónico Los moduladores profesionales requieren una portadora lo más pura posible, idealmente sin armónicos. 4.4 Forma de onda de la señal modulada Con el generador encendido, conecte el CH1 en el punto de prueba TPE4 (salida de la UART del emisor = señal banda base digital) y el CH2 en el punto de prueba TPE27 (salida del modulador y del simulador del canal), ambos del emisor. Visualice simultáneamente la señal moduladora y la modulada ASK, identificando el símbolo ASK. Mida la anchura del símbolo modulado T s =. Señal moduladora y señal modulada. Cambie a modulación BPSK y visualice simultáneamente la señal moduladora y la modulada BPSK, identificando el símbolo BPSK. Fíjese que ahora la portadora es una onda cuadrada y no senoidal. Esa es una limitación del equipo entrenador que no ocurre en equipos profesionales, Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 5 de 14
por lo que usted deberá imaginar que la portadora es senoidal. Mida la anchura del símbolo modulado T s =. Señal moduladora y señal modulada. Conocida la anchura del símbolo modulado en ambos casos, indique la relación con el T s del símbolo banda base y con el T b. Calcule a su vez el R s y el R b. Justifique con los datos anteriores que a estas modulaciones se les llame binarias. T s mod ASK T s mod BPSK T s banda base T b R s R b Son binarias porque. 4.5 Constelación La constelación es una representación vectorial de los símbolos modulados, que se usa para caracterizar cada modulación. Constelación ASK-unipolar Constelación BPSK La similitud de ambas constelaciones hace pensar en similitudes en el espectro. De hecho, existe la ASK-bipolar, cuya constelación coincide totalmente con la de BPSK. 4.6 Espectro de la señal modulada En el TPE27 (CH2) y seleccionando primero ASK y luego BPSK mida y dibuje los espectros. [Recomendamos 2.5 MS/s y zoom x2] La ASK presenta una delta en la frecuencia de portadora, pero no es que se trate de una modulación con portadora añadida, sino que la señal banda base tiene bastante componente continua al ser ASK-unipolar. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 6 de 14
La BPSK presenta un espectro en el que se puede ver que los armónicos de la onda cuadrada que se usa como portadora también quedan modulados y sus bandas laterales se mezclan entre sí. Debe imaginarse que esas componentes no existen y analizar sólo las cercanas al fundamental de la portadora. Mida el ancho entre nulos del lóbulo principal y relaciónelo con T s :. Mida el ancho de banda a -15 db y a -20dB. BW -15 =. BW -20 = Señal modulada: BW -15 y BW -20. Mida el espectro de la señal moduladora y compare con los espectros anteriores. Son una réplica en doble banda lateral del espectro banda base?... Señal moduladora. La modulación BPSK, a pesar de ser modulación de fase, presenta un espectro tipo Doble Banda Lateral. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 7 de 14
5 MODELADO DEL CANAL En las transmisiones digitales es normal que se recorte intencionadamente el ancho de banda de la señal digital modulada mediante un filtro. El filtro tiene un ancho de banda que se encuentra entre el valor dado por el límite de Nyquist y el doble de dicho valor. En lo que a la transmisión se refiere, este filtro suele ser más limitativo que el propio canal físico, por lo que se dice que el filtro modela el canal efectivo. En este entrenador, para la modulación ASK, dicho filtro se encuentra exclusivamente en el receptor (no es lo habitual en equipos profesionales), entre los puntos TPR2 y TPR3. Sus datos son aproximadamente: f central 348 khz f inferior 311 khz f superior 377 khz BW 66 khz Q 5.3 Mantenga CH2 en TPE27 y conecte CH1 a la salida del filtro (TPR3). Compare el espectro de la señal modulada con el inicialmente obtenido. Espectros ASK inicial y tras el filtrado para modelado del canal. Indique qué ancho de banda, respecto al límite de Nyquist se está dejando pasar Visualice la forma de onda de los símbolos modulados iniciales y tras el filtrado. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 8 de 14
Forma de onda de señal filtrada. Se aprecia la interferencia entre símbolos (ISI). 6 DEMODULACIÓN Se analizan dos métodos distintos de demodulación: 1. No-coherente mediante detección de envolvente. 2. Coherente o síncrona. Este entrenador usa el primero para la ASK-unipolar y el segundo para la BPSK. 6.1 Demodulador ASK TPR2 360 khz TPR3 DET. ENVOLV. TPR6 TPR36 MODELADO CANAL DEMODULADOR ENVOLVENTE Demodulador ASK. V TPR10 DECISIÓN BINARIA 6.1.1 Formas de onda En ASK-unipolar, la demodulación consiste en una detección de envolvente de la señal vista en TPR3. Mantenga el CH1 en TPR3 y conecte el CH2 en TPR6, a la salida del detector de envolvente. Visualice ambas formas de onda. Señal envolvente y señal filtrada. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 9 de 14
Puede verse que el detector de envolvente no es muy bueno pues deja pasar rizado. A continuación, mediante un comparador se toman decisiones binarias de nivel sobre la señal envolvente. Así se recuperan los pulsos banda base originales (salvo que haya errores en estas decisiones). Visualice y dibuje dicha señal demodulada en TPR36 y la señal de envolvente de TPR6. Visualice a continuación la señal demodulada en TPR36 y la señal modulada filtrada de TPR3. Demodulación de la señal ASK. Pueden apreciarse pequeños defectos en la forma de onda de la señal de pulsos demodulada. Además se ve que la decisión binaria con un umbral compensa en parte la ISI de los símbolos modulados. Calcule el nivel de disparo del comparador, llamado umbral de decisión V =. Visualice simultáneamente la señal demodulada y la señal banda base original que sale de la UART. Compruebe que coinciden y mida el retardo entre ambas señales: T =.. Señales moduladora / señal demodulada. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 10 de 14
6.2 Demodulador BPSK 6.2.1 Formas de onda En BPSK, la demodulación tiene que ser coherente o síncrona pues la envolvente no representa a la señal banda base. Para ello se requiere multiplicar la señal modulada por una réplica de la señal portadora sin modular y luego filtrar paso bajo para recuperar la señal banda base continua. Como en toda recepción digital, esta señal demodulada continua se somete a un proceso de decisión para recuperar o regenerar los pulsos iniciales. Conecte el CH1 a TPE27 (señal modulada) y el CH2 en TPR16, a la salida del multiplicador. Visualice las formas de onda y los espectros. Señal modulada y señal multiplicada. Espectro modulada (centrado en la portadora). Espectro multiplicada (desplazado a BB). La señal multiplicada se filtra paso bajo (FPB) para quedarse sólo con la componente desplazada hacia BB y eliminar la componente centrada en 2f p. Conecte el CH1 a la salida del FPB (TPR20) y visualice esa señal junto con la de la salida del multiplicador, tanto en forma de onda como en espectro. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 11 de 14
Espectro Multiplicada. Espectro tras FPB. El FPB elimina la componente en 2xf p, pero también, en este caso, recorta mucho la parte de Banda Base, provocando que los pulsos demodulados presenten ISI. A continuación, mediante un comparador se toman decisiones binarias de nivel sobre la señal continua demodulada. Así se recuperan los pulsos banda base originales (salvo que haya errores en estas decisiones). Visualice las dos señales antes y después del comparador (TPR20 y TPR36). Señal detectada o demodulada. Visualice simultáneamente la señal demodulada (TPR36) y la señal banda base original que sale de la UART (TPE4). Nótese que existe un retardo total de unos 11μs. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 12 de 14
Señal moduladora / señal demodulada. 7 EFECTOS DE LAS DEGRADACIONES DEL CANAL 7.1 Recorte de ancho de banda: BW Tanto el modelado de canal en ASK como el filtro paso-bajo del demodulador en BPSK provocan bastante recorte de ancho de banda y aparición de ISI, por lo que poco más se puede recortar el ancho de banda sin que aparezcan enseguida errores. Por ello, en esta práctica no se va a recortar más el ancho de banda con este control de CH. SIMULATION. 7.2 Baja relación S/N Con la visualización anterior de las dos señales banda base, ponga a la mitad ambos potenciómetros de degradación: Atten y Noise. Compruebe si los pulsos demodulados coinciden con los originales. En efecto existen errores. La luz indicadora de errores se enciende. No siempre ocurren, por lo que para visualizarlos deberá realizar varios disparos únicos del osciloscopio hasta visualizar errores. Si pone ambos potenciómetros a la izquierda, los errores son más evidentes. Señal demodulada con errores. En esta figura algunos pulsos se hacen el doble de largos (información 11 en vez de 10 ). Repita esta prueba para ASK. En este caso puede visualizar fácilmente la degradación en la forma de onda de la señal modulada (TPE 27) junto con la demodulada con errores. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 13 de 14
Señal demodulada con errores. Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS 14 de 14