UNIDADE II Aula 2 – Modulação – parte 5
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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.
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