Modulaciones Digitales Multinivel

Comunicaciones en Audio y Vídeo
Comunicaciones en Audio y Vídeo
Laboratorio
Práctica 3: Modulaciones Digitales
Multinivel
Curso 2008/2009
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
1 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
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 de un 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 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
2 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
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 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
3 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
3
INTRODUCCIÓN
En esta práctica se va a experimentar con varias modulaciones y demodulaciones digitales
multinivel. Se verán QPSK (Quadrature Phase Shift-Keying) y QAM (Quadrature Amplitude
Modulation).
Las modulaciones pueden estudiarse en paralelo. Las demodulaciones, al ser síncronas no difieren
demasiado de las analizadas en la práctica anterior.
Configuración.
Transmisor
INPUTS
FILTER/COMP.
MODULATION
CH.
SIMULATION
TRANSMISSION
Sig.
Antialiasing
QPSK/QAM
Direct
Receptor
RECEPTION
DEMODULATION
FILTER/EXPANDOR
OUTPUTS
Coax.
QPSK/QAM
Filter
Signal
Coax.
Comprobar en el TPE1 que se introduce una señal sinusoidal de 1 kHz, Vpp = 2 V.
Objetivos:
• Visualizar formas de onda de modulaciones digitales, que usan portadora senoidal.
Identificar el símbolo y Ts. Relacionar con Tb de banda base.
4
4.1
•
Ver que algunas modulaciones multinivel dan espectros que consisten en la repetición en
DBL del espectro de banda base considerado multinivel.
•
Relacionar Ts con los nulos del espectro.
•
Comparar modulaciones en cuanto a ancho de banda necesario para transmitir un mismo Rb.
MODULACIÓN MULTINIVEL
Esquema general de la modulación multinivel:
Moduladora
A 1x(t)
MODULADOR
Modulada
y(t)
PORTADORA
Ac·cos(ωct)
En modulaciones multinivel, cada símbolo modulado lleva la información de varios bits. Para
entender mejor el proceso, se puede analizar la señal moduladora de dos formas:
1. Se puede considerar que la moduladora es una secuencia de bits implementada como
secuencia de pulsos o símbolos binarios en banda base. En este caso se considera que el
modulador incluye un circuito que asocia o ‘mapea’ cada ‘n’ bits para dar un símbolo
modulado.
2. Se puede considerar que la moduladora es una secuencia de símbolos o pulsos en banda base
que ya son multinivel, es decir, que cada símbolo lleva la información de varios bits. En este
caso se considera que en banda base existe un circuito que cambia la señal binaria a
multinivel.
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
4 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
4.2
Modulación QPSK
•
Se trata de una modulación de 4 niveles (o símbolos distintos) en la que cada símbolo lleva la
información de 2 bits. Evidentemente se tendrá que Ts = 2·Tb.
•
Su constelación es:
Constelación QPSK típica / Constelación QPSK del entrenador
•
El proceso de ‘mapeo’ supone que cada 2 bits dan lugar a un símbolo. Es habitual hacer que el
tren de bits se divida, bit a bit, en dos trenes de pulsos o símbolos, que son los que entran al
modulador. Cada uno de esos nuevos trenes debe consistir en una secuencia de símbolos banda
base de duración Ts = 2·Tb, pues cada uno de ellos no vuelve a tener un nuevo valor de bit hasta
después de 2 bits. Cada uno de estos símbolos de duración doble de Tb se llaman ‘dibit’.
•
De esta forma, en QPSK es normal tener dos señales banda base binarias controlando la
modulación en lugar de tener una señal banda base multinivel.
4.3
Modulador del entrenador
La constelación descrita para este entrenador, se obtiene mediante la elección, por conmutación, de
uno de los cuatro posibles símbolos. El control de la conmutación lo realiza la señal banda base
dividida en dos trenes binarios. El esquema de funcionamiento es el siguiente:
TPR2
TPE14
TPE20
TPE4
TPE21
MODULADOR QPSK del ENTRENADOR
Los moduladores profesionales NO usan este método, pero los aspectos claves de la señal modulada
sin similares.
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
5 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
4.4
Medida de la señal portadora
La frecuencia portadora para la generación de la señal QPSK se puede medir en TPE14. Una vez
más es una señal cuadrada que deberá considerarse como si fuese senoidal.
Mida la frecuencia: fc = ……….Medida de la señal moduladora
Con el generador encendido, compruebe que la duración de un dibit es el doble de Tb. Conecte
CH1 en TPE4 y CH2 en TPE20 y visualice ambas formas de onda. Mida la duración del símbolo
(el pulso más corto) en cada caso. Realice varios disparos si es necesario.
SEÑAL MODULADORA/DIBIT
Ancho bit: Tb
4.6
Ancho dibit: Ts
Medida de la señal modulada
•
Cambie ahora CH1 a TPR2 y visualice señal moduladora y modulada. Existe un retardo de 2·Tb
de modo que hasta que no finaliza el segundo bit del grupo, no se tiene el símbolo modulado
correspondiente. Verifique que los cambios de fase ocurren cada 2 bits, siempre que no se repita
la pareja de bits.
•
Compruebe que el símbolo modulado (salva más corta con una cierta fase inicial) tiene una
duración de Ts = 2·Tb.
Visualice el espectro de la señal modulada QPSK en el punto TPR2 que tiene en CH2, con el
generador encendido. Compruebe que el espectro se corresponde con una función sinc centrada
a la frecuencia de la portadora, siendo del tipo DBL. Mida distancia entre nulos y ancho de
banda a -15 dB.
•
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
6 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
•
Visualice el espectro de la moduladora en TPE4 que tiene en CH1 y mida su ancho de banda a 15 dB.
Distancia entre nulos
Ancho de banda a -15 dB
Ancho de banda BB a -15 dB
SEÑAL MODULADA
SEÑAL MODULADA
ESPECTRO BANDA BASE
4.7
Modulación QAM
•
Se trata de una modulación cuyo número de niveles puede ser casi cualquier potencia de 2,
obtenida por modulación de dos portadoras de igual frecuencia pero desfasadas en cuadratura.
Esto equivale a tener cambios de fase y amplitud.
•
Suele especificarse M-QAM. Se tienen M niveles (o símbolos distintos) de forma que en cada
uno se lleva la información de lg2 M bits. Evidentemente se tendrá que Ts = lg2 M · Tb.
•
Como ejemplo, 16QAM tiene 16 símbolos con 4 bits cada uno. 8QAM tiene 8 símbolos con 3
bits cada uno.
•
Su constelación puede ser:
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
7 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
Constelación 16-QAM
Constelación 8QAM del entrenador (en cada símbolo sólo se modula una de los dos
portadoras en cuadratura)
•
El proceso de ‘mapeo’ supone que cada M bits dan lugar a un símbolo. Es habitual hacer que el
tren de bits se divida, bit a bit, en dos trenes de pulsos o símbolos, que son los que entran al
modulador. Cada uno de esos nuevos trenes debe configurar una secuencia de símbolos banda
base MULTINIVEL de duración Ts = M·Tb, pues cada uno de ellos no vuelve a tener un nuevo
valor de bit hasta después de M bits. Cada uno de estos símbolos de duración M veces Tb se
llama ‘m-tupla’.
•
De esta forma, en QAM es normal tener dos señales banda base multinivel controlando la
modulación.
4.8
Modulador del entrenador
La constelación descrita para este entrenador, se obtiene mediante la elección, por conmutación, de
uno de las cuatro posibles fases y una de las dos posibles amplitudes. El control de la conmutación
lo realiza la señal banda base.
4.9
Medida de la señal modulada QAM
Con la misma posición de las sondas que en la última medida, visualice el espectro de la señal
modulada 8QAM, y mida:
Distancia entre nulos
Ancho de banda a -15 dB
Ancho de banda BB a -15 dB
Espectro señal 8-QAM
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
8 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
•
Verifique que la distancia entre nulos vuelve a ser 2 veces 1/Ts, teniendo en cuenta que en
8QAM se cumple Ts = 3·Tb.
•
Pase a visualizar la forma de onda de la señal 8QAM. Compruebe que no sólo hay cambios de
fase sino también de nivel y que cualquier cambio ocurre al menos cada Ts = 3·Tb. Nota: La
señal moduladora y la modulada están retardadas 3·Tb.
4.10 Demoduladores
La demodulación se realiza en dos fases. Primero se demodulan los dibits o tribits (m-tupla de 3
bits) de forma síncrona y luego se multiplexan para dar la señal definitiva. El funcionamiento de la
demodulación síncrona ya ha sido estudiado en la práctica anterior.
5
COMPARATIVA DE MODULACIONES
Rellene la siguiente tabla resumen de sus medidas
Modulación
Parámetro
Valor
BINARIAS
Rb
Rs
Dist.entre nulos
BW a -15 dB
QPSK
Rb
Rs
Dist.entre nulos
BW a -15 dB
8-QAM
Rb
Rs
Dist.entre nulos
BW a -15 dB
Banda Base
Rb
Rs
Dist.al nulo
BW a -15 dB
•
Relaciones
Siempre entre nulos hay 2·Rs, con independencia del Rb que se transmita.
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
9 de 10
Comunicaciones en Audio y Vídeo
•
•
5.1
Para el mismo Rb se necesita menos distancia entre nulos y menos ancho de banda al usar
modulación multinivel, en una relación dada por el número de bits en cada símbolo.
El mismo Rb da lugar a distintos Rs según el número de niveles de la señal usada.
Fórmulas importantes
RS
(1 + α ) con RS = Rb
2
B ASKóBPSK = RS (1 + α ) con RS = Rb
B BB =
1
Rb
2
1
= RS (1 + α ) con RS = Rb
3
BQPSK = RS (1 + α ) con RS =
B8QAM
La circuitería del modulador impone un valor límite del ancho de banda de la señal emitida,
estableciendo un valor para el término (1+α) de las fórmulas anteriores. En el entrenador, el valor
de α puede ser distinto para las distintas modulaciones.
Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL
10 de 10