COMUNICAÇÃO DIGITAL

MODULAÇÃO DIGITAL

Evelio M. G. Fernández - 2011

Espaço de Sinais 4-PAM

1

Modulações Digitais Básicas

ASK – Amplitude Shift Keying

PSK – Phase Shift Keying

FSK – Frequency Shift Keying

Representação Canônica de Sinais Passa-Faixa

Energia de um Pulso de RF

inteiro,se,2

4

4sin

2

2cos

2

0

2

0 0

222

nT

nf

TAE

f

tftA

dttfAdttsE

c

T

c

c

T T

c

T

t

+ A

- A

1/fc

s(t)

Espaço de Sinais – PSK Binário Coerente

Geração e Detecção Coerente de Sinais BPSK

Espaço de Sinais – QPSK Coerente

QPSK Deslocado (Off-Set QPSK, OQPSK)

Duas Constelações QPSK

/4 – QPSK

Constelação de Sinais 8-PSK

Constelação 16-QAM

2

1 1

Padrão ITU Tipo de Modulação Taxa de bits, b/s

Taxa de símbolos,

bauds V.21 FSK binário 300 300 V.22 bis QPSK 1200 600 V.26 QPSK 2400 1200 V.27 8-PSK 4800 2400 V.32 16-QAM 9600 3429 V.34 1024-QAM 28800

a) Modems Simétricos

V.34 Alta velocidade

4 constelações 240-QAM 33600

V90: Descida Digital 56000 b) Modems assimétricos Subida V.34 alta vel. 33600

Padrões de Modem de Banda de Voz

Constelação V.32

Constelação V.34

Espaço de Sinais – FSK Binário Coerente

Geração e Detecção de Sinais FSK Binários

Receptor FSK Binário não Coerente

Espaçamento Mínimo de Freqüências FSK não Coerente

Pulso Formatador - GMSK

Espectro de Potência MSK e GMSK

Espectro de Potência GSM

Espectro de Potência – M-FSK

Modulação OFDM

OFDM é utilizada nos seguintes sistemas:

• IEEE 802.11a&g (WLAN)• IEEE 802.16a (WiMAX)• ADSL (DMT = Discrete MultiTone) systems• DAB (Digital Audio Broadcasting)• DVB-T (Digital Video Broadcasting)

OFDM é espectralmente eficiente, mas não é eficiente em termos de potência (devido aos requerimentos de linearidade dos amplificadores de potência).

Diagrama de Blocos de um Sistema OFDM

IFFTIFFTCoding

& Interl.

Coding &

Interl.

Bit-to-symbol

mapping

Bit-to-symbol

mapping S/PS/P Add

CPAddCP

FFTFFT P/SP/SSyncSync

Modu-lationModu-lation

Demod. Demod. Deinterl.

& Decoding

Deinterl. &

Decoding

ChannelChannel

Modulação das Subportadoras e Codificação

N subportadoras ou subcanais carregam N símbolos em paralelo (= transmitidos ao mesmo tempo). Um símbolo pode carregar 1 bit (BPSK), 2 bits (4-PSK), 4 bits (16-QAM), or 6 bits de dados (64-QAM). N símbolos em paralelo formam um símbolo OFDM.

Para cada método de modulação existem diferentes opções de codificação para controle de erros. O código utilizado será determinante no cálculo da taxa de transmissão de dados. Ex: códigos convolucionais de taxa 1/2, e puncionados com taxas 2/3 e 3/4.

Sinal de uma Subportadora no Domínio do Tempo

Tempo

Intervalo de guarda para prevenir interferência intersimbólica

No receptor, a FFT é calculada somente neste intervalo de tempo

Tempo de Símbolo

Próximo símbolo

TG

IEEE 802.11a&g: TG = 0.8 s, TFFT = 3.2 s

IEEE 802.16a oferece alocação de banda flexível (i.e. símbolos de comprimento variável) e escolha de TG: TG/TFFT = 1/4, 1/8, 1/16 or 1/32

TFFT

Subportadoras Ortogonais

Tempo guarda

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subportadora n

Subportadora n+1

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Ortogonalidade neste intervalo

Ortogonalidade entre Subportadoras

Guard time

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subcarrier n

Subcarrier n+1

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Ortogonalidade neste intervalo

Cada subportadora tem um número inteiro de ciclos no intervalo de cálculo da FFT.

Se esta condição é válida, o espectro de um subcanal contém nulos espectrais nas freqüências de todas as outras subportadoras.

Subcanais no Domínio da Freqüência

Um subcanal Espectro OFDM

Nulos espectrais nas freqüências das outras subportadoras

Efeito do Multi-Percurso na Subportadora n

Tempoguarda

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subportadora n

Símbolo anterior

Próximosímbolo

Réplicas da subportadora n

Efeito do Multi-Percurso na Subportadora n

Guard time

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subportadora n

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Réplicas da subportadora n

Tempo de guarda não excedido:

As réplicas não afetam as propriedades de ortogonalidade da subportadora no domíno da freqüência. Ainda há nulos espectrais nas freqüências das outras subportadoras.

Efeito do Multi-Percurso na Subportadora n

Guard time

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subportadora n

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Réplicas da subportadora n

Explicação Matemática:

A soma de senoides (da mesma freqüência e com amplitudes e fases diferentes) = ainda uma senoide pura com a mesma freqüência

Efeito do Multi-Percurso na Subportadora n

Tempoguarda

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subportadora n

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Réplicas com retardo grande

Efeito do Multi-Percurso na Subportadora n

Guard time

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subportadora n

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Réplicas com retardo grande

Tempo de guarda excedido:

As réplicas afetam as propriedades de ortogonalidade dos subcanais no domínio da freqüência. Não haverão mais nulos espectrais nas freqüências das outras subportadoras => interferência inter-portadoras.

Efeito do Multi-Percurso na Subportadora n

Tempoguarda

Parte do símbolo que é usada no cálculo da FFT no receptor

Subcarrier n

Símbolo anterior

Próximo símbolo

Réplicas com retardo grande

Explicação Matemática:

Réplicas com muito retardo não são mais senoides puras!

Resumo: Características da Modulação OFDM

O desvanecimento devido à propagação por múltiplos percursos (fading) não provoca interferência intersimbólica ou interferência inter-portadoras se o intervalo de guarda é suficientemente longo.

Porém, o fading provoca seletividade em freqüências na banda de transmissão. Portadoras piloto são utilizadas para corrigir (equalizar) a magnitude e a fase das subportadoras recebidas nas freqüências das portadoras piloto.

OFDM exemplo 1: IEEE 802.11a&g (WLAN)

48 subportadoras moduladas + 4 subportadoras piloto. Centrado em cada subportadora há um subcanal transportando dados com taxa de transmissão baixa (taxa de transmissão baixa sem interferência intersimbólica).

52 subportadoras

Freqüência16.25 MHz

Subportadoras moduladas

Subportadora Piloto

OFDM exemplo 2: IEEE 802.16a (WiMAX)

Somente 200 das 256 subportadoras são usadas: 192 subportadoras moduladas + 8 portadoras piloto.

Aplicações de Modulações Digitais

Tipo de Modulação Aplicação

MSK, GMSK GSM, CDPD (Cellular Digital Packet Data

BPSK Deep space telemetry, cable modems

QPSK, /4 DQPSK Satélite, CDMA, DVB-S, cable modems

OQPSK CDMA, Satelite

FSK, GFSK Paging, AMPS, land mobile

8, 16-VSB ATSC, broadcast, cable (TV digital)

8-PSK Satélite, aviação

16-QAMRádio digital (microondas), modems, ISDB-T, DVB-T,

redes sem fio

32-QAM Microondas terrestres, ISDB-T, DVB-T

64-QAM DVB-C, modems, set top boxes, redes sem fio

256-QAM, Modems, DVB-C, Vídeo Digital