Comunicaciones en Audio y Vídeo Laboratorio Práctica 2

Comunicaciones en Audio y Vídeo
Comunicaciones en Audio y Vídeo
Laboratorio
Práctica 2: Modulaciones Digitales
Binarias
Curso 2008/2009
Práctica 2. MODULACIONES DIGITALES BINARIAS
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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.
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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
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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
INPUTS
FILTER/COMP.
MODULATION
CH.
SIMULATION
TRANSMISSION
Sig.
Antialiasing
ASK/BPSK
Direct
Receptor
RECEPTION
DEMODULATION
FILTER/EXPANDOR
OUTPUTS
Coax.
ASK/BPSK
Filter
Signal
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 Ts. Relacionar con Tb de banda base.
4
4.1
•
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 Ts con los nulos del espectro.
•
Ver efectos del filtrado de la señal digital.
•
Ver efectos de las degradaciones del canal.
MODULACIÓN
Esquema general de la modulación:
Moduladora
A1x(t)
MODULADOR
Modulada
y(t)
PORTADORA
Ac·cos(ωct)
4.2
fc
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:
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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’ Ts = …….
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,
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por lo que usted deberá imaginar que la portadora es senoidal. Mida la anchura del símbolo
‘modulado’ Ts= …….
Señal moduladora y señal modulada.
•
Conocida la anchura del símbolo ‘modulado’ en ambos casos, indique la relación con el Ts del
símbolo banda base y con el Tb. Calcule a su vez el Rs y el Rb. Justifique con los datos
anteriores que a estas modulaciones se les llame ‘binarias’.
Ts mod ASK
Ts mod BPSK
Ts banda base
Tb
Rs
Rb
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.
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•
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 Ts:…….
•
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.
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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
f inferior
f superior
BW
Q
•
348 kHz
311 kHz
377 kHz
66 kHz
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.
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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
V
MODELADO
CANAL
TPR36
TPR10
DEMODULADOR
ENVOLVENTE
DECISIÓN
BINARIA
Demodulador ASK.
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.
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•
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.
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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 2fp. 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.
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Espectro Multiplicada.
Espectro tras FPB.
•
El FPB elimina la componente en 2xfp, 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.
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Señal moduladora / señal demodulada.
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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.
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Señal demodulada con errores.
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