UNIDADE II Aula 2 – Modulação – parte 5

UNIDADE II
Aula 2 – Modulação – parte 5
Fonte: Rodrigo Semente e TELECO
Técnicas de Modulação Digital
•As técnicas de modulação
ç de sinais com p
portadoras se utilizam de
características como a amplitude, a freqüência e a fase da onda (senoide). As
três formas básicas de modulação usadas na transmissão de sinais digitais são
(Rodrigues, 2000):
•ASK;
•FSK;
•PSK.
•Muitas técnicas de modulação digital são usadas nos sistemas modernos de
comunicação sem fio, alguns possuem diferenças sutis entre si pertencendo a
uma família
f íli d
de té
técnicas
i
específicas.
ífi
Cabe
C b ao projetista
j ti t analisar
li
o objetivo
bj ti a ser
atendido levando em consideração os seguintes parâmetros (Rappaport, 2008):
•Baixa
Baixa taxa de erro de bit e relação sinal ruído;
•Bom funcionamento em múltiplos percursos;
•Ocupação de largura de banda mínima.
Modulação PSK (Phase Shift Keying)
•A modulação por chaveamento da fase modula alterando apenas a fase da onda
portadora (amplitude e freqüência permanecem iguais).
•Estas alterações ocorrem através do deslocamento de fase a fim de representar
os bits a serem transmitidos. Este tipo de modulação é bastante resistente a
ruídos
íd sendo
d dificilmente
difi il
t d
degradadas
d d por completo
l t ao llongo d
de um percurso.
•À seguir, apresentam-se alguma técnicas que usam o PSK como base
(Rodrigues, 2000).
•BPSK (Binary Phase Shift Keying)
•O chaveamento por deslocamento de fase binário é a forma mais simples de
modulação PSK
PSK. Nele somente a cada transição de bit “0”
0 para “1”
1 e vice
versa faz-se uma alteração de fase da portadora de 180° em relação ao
ângulo anterior.
Modulação BPSK - Simulação
•O diagrama
g
de blocos q
que representa
p
a simulação
ç da modulação
ç BPSK no
Simulink é vista abaixo. Note que o ruído branco, agora foi inserido (AWGN):
Modulação BPSK – parâmetros da simulação
•Bloco
Bloco Bernoulli Binary – probabilidade de zero: 0
0,5;
5; alimentação inicial: 61;
tempo de amostragem: 1s
•Bloco BPSK Modulado (BPSK Modulator Baseband) – deslocamento de fase 0
rad;; amostragem
g
p
por símbolo: 5
•Bloco AWGN Channel – alimentação inicial: 67; modo: relação sinal/ruído (SNR);
SNR(dB): -10 dB (devido ao fato de estarmos provocando a diminuição da
potência do sinal transmitido é q
p
que o valor é expresso
p
negativamente);
g
) p
potência
de entrada do sinal (watts): 0,001 w (1e-3). Esse valor é geralmente o mesmo
valor do transmissor de um roteador/placa de rede Wi-Fi.
•Quadrature Sine (Sine Wave) – Tipo de seno: baseado no tempo; tempo: usar o
tempo de simulação; amplitude: 1; bias: 0; frequência: 2*pi*4 rad/seg; phase: pi
(rad); tempo de amostragem: 0.0001.
•I-phase Cosine (Sine Wave) – mesmos parâmetros do bloco de quadratura, com
a diferença
f
na fase,
f
que deve ser pi/2
/ rad (cosseno).
(
)
•Error Rate Calculation – Atraso de recebimento e de computação: 0 s; Modo de
computação: quadro inteiro; dados de saída: porta.
•BER%
BER% - Formato:
F
t bank;
b k aproximação
i
ã d
decimal:
i l 1
1; ttempo d
de amostragem:
t
-1
1
•Tempo de simulação: 5s.
Modulação BPSK – gráficos da simulação
•O
O resultado da simulação corresponde à modulação real BPSK:
Modulação DPSK (Differential Phase Shift Keying)
• Na modulação por chaveamento de fase diferencial a fase da
portadora não muda a cada transição de bit “0” para “1” e vice versa e
sim na mudança
ç ou não da fase. Nela as seqüências
q
de bits de
informação passam por um processo de codificação diferencial antes de
serem modulados por um modulador BPSK, onde ao final o símbolo
modulado permanece inalterado caso o anterior seja “0”
0 e alterado se for
“1”.
• Perceba que o bit “1”
1 representa uma modificação da fase da
portadora em 180° e o bit “0” que a fase da mesma será mantida.
Entretanto mesmo possuindo, pelos fatores apresentados, complexidade
reduzida
d id do
d receptor perde
d em eficiência
fi iê i energética
éi
para a técnica
é i
BPSK (Rappaport, 2008).
Modulação DPSK - Simulação
•O diagrama
g
de blocos q
que representa
p
a simulação
ç da modulação
ç DPSK no
Simulink é vista abaixo. Note a presença do ruído branco (AWGN):
Modulação DPSK – gráficos e parâmetros da simulação
•O
O resultado da simulação corresponde à modulação real DPSK
DPSK. Os parâmetros
da simulação se equivalem ao BPSK. A taxa de erro de bits (BER%) é bem maior
que o BPSK, atestando a teoria vista. O tempo de simulação foi de 2,5 s.
Modulação QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
•O chaveamento por deslocamento de fase em quadratura veio aperfeiçoar as
técnicas anteriores através do aumento da eficiência espectral. Esta se utilizada
de variação de fase a cada 90° podendo assim representar dois bits (dobro do
BPSK) aumentando
BPSK),
t d a velocidade
l id d d
de ttransmissão
i ã d
dos d
dados
d (d
(dobro
b d
da eficiência
fi iê i
de banda) (Rappaport, 2008).
• Mantém probabilidade de erro idêntica ao BPSK com exatamente a mesma
eficiência de energia
energia, entretanto necessitam de mecanismos que recuperam a
informação de freqüência e fase da portadora (detecção coerente) o que para
ambientes sujeitos a degradação multipercuso (Ex: telefonia celular) resulta em
pobre desempenho (Rodrigues
(Rodrigues, 2000)
2000).
Modulação QPSK - Simulação
•O diagrama
g
de blocos q
que representa
p
a simulação
ç da modulação
ç QPSK no
Simulink é vista abaixo. Note a presença do ruído branco (AWGN):
Modulação QPSK – gráficos e parâmetros da simulação
•O
O resultado da simulação corresponde à modulação real QPSK
QPSK. Os parâmetros
da simulação se equivalem ao BPSK. O sinal foi gerado pelo bloco Random
Integer Generator, com 4 bits/símbolo e tempo de amostragem de 0,5s O tempo
de simulação
ç foi de 5 s.
Modulação OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift
g
Keying)
•O OQPSK também conhecido como QPSK deslocado surge para minimizar os
efeitos de alargamento
g
espectral,
p
p
permitindo amplificação
p
ç com amplificadores
p
não-lineares, mais eficientes que os lineares.
•Com ele o sinal pode passar por amplificação não linear e continuar ocupando a
mesma largura de banda da técnica anterior (não formação de lobos laterais).
• O termo off-set surge pois alternativamente ao QPSK, onde os bits dos feixes
que serão modulados em fase e em quadratura possuem transição em tempos
iguais, o OQPSK os bits relativos ao feixe em quadratura sofrem um
deslocamento no tempo em relação aos bits do feixe
f
em fase,
f
de meio símbolo
í
(Rodrigues, 2000).
•Este deslocamento não altera o espectro de freqüência sendo ideal sua
aplicação
li
ã em meios
i nos quais
i a eficiência
fi iê i d
de llargura d
de b
banda,
d ab
baixa
i potência
tê i
(baixo consumo de energia), são priorizados (Rappaport, 2008).
•Em relação à taxa de erro de bits, a modulação OQPSK mostra-se muito mais
eficiente.
eficiente
Modulação OQPSK - Simulação
•O diagrama
g
de blocos q
que representa
p
a simulação
ç da modulação
ç OQPSK no
Simulink é vista abaixo. Note a presença do ruído branco (AWGN):
Modulação OQPSK – gráficos e parâmetros da simulação
•O resultado da simulação
ç corresponde
p
à modulação
ç real OQPSK. Os
parâmetros da simulação se equivalem ao BPSK. O sinal foi gerado pelo bloco
Random Integer Generator, com 4 bits/símbolo e tempo de amostragem de 0,5s
O tempo de simulação foi de 5 s. Note que a BER% é bem melhor que as
modulações anteriores
Modulação QPSK π/4 (Phase Shift Keying π/4)
•Esta técnica de modulação é o meio termo entre QPSK e OQPSK. Nela tem-se o
chaveamento por deslocamento de fase e em quadratura, os conjuntos de bits
são escolhidos de duas constelações QPSK deslocadas de π/4 entre si
resultando
lt d em 8 dif
diferentes
t ffases. Alternando
Alt
d entre
t d
duas constelações
t l õ dif
diferentes,
t
a cada bit garante deslocamento de fase igual a múltiplo de 45º realizando
recuperação de relógio e sincronização do receptor (Rappaport, 2008).
•Desta maneira os dados enviados ficam contidos na diferença de fase entre dois
pontos visinhos na constelação. Não se faz necessária a utilização de detecção
coerente, o que simplifica o projeto do receptor (Rodrigues, 2000).
Modulação QPSK π/4 - Simulação
•O diagrama
g
de blocos q
que representa
p
a simulação
ç da modulação
ç QPSK π/4 no
Simulink é vista abaixo. O ruído branco foi suprimido por não ter efeito nesta
simulação.
Modulação QPSK π/4 – gráficos e parâmetros da simulação
•O resultado da simulação
ç corresponde
p
à modulação
ç real QPSK π/4 . Os
parâmetros da simulação se equivalem ao BPSK. O sinal foi gerado pelo bloco
Random Integer Generator, com 4 bits/símbolo e tempo de amostragem de 0,5s
O tempo de simulação foi de 5 s.
Modulações Digitais: Modulação PSK – Trabalho 1 – Unidade 2 –
grupo 4:
1 Baseado na modulação BPSK (BPSK
1.
(BPSK_novo_otimo.mdl),
novo otimo mdl) modifique o
parâmetro do ruído gaussiano branco (WGN) para uma relação
sinal/ruído (S/N) de 10, 20, 30, 40 e 50 dB negativos.
2 Gere
2.
G
a simulação
i l ã (5
(5s)) para cada
d um d
dos valores
l
d
de S/N e veja
j o
comportamento da portadora e do sinal de saída, bem como a taxa
de erro de bits (BER%).
3. Pergunta-se: O comportamento da portadora modificou-se? Se sim,
como ela se apresentou em cada um dos valores de S/N? E em
relação
ç ao BER%,, ele permaneceu
p
igual
g
ou alterou-se p
para cada um
dos valores de S/N? Caso tenha ficado igual em alguns valores,
porque isso ocorreu? Baseado nos valore de BER% de cada um dos
cinco parâmetros S/N inseridos
inseridos, faça a média aritmética do BER%
BER%.
4. Realize o mesmo estudo para a modulação OQPSK
(OQPSK_novo_otimo.mdl)
5 Faça uma comparação da média aritmética de erros (BER%) entre o
5.
BPSK e o OQPSK e confirme, através desta comparação, que o
OQPSK é, de fato, mais eficiente em termos de BER% que o BPSK.