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Comunicaciones en Audio y Vídeo

Práctica 3. MODULACIONES DIGITALES MULTINIVEL 1 de 10


Laboratorio

Práctica 3: Modulaciones Digitales Multinivel

Curso 2008/2009



1 ESQUEMA DE UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN DIGITAL

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.

El siguiente apartado muestra en mayor detalle los módulos transmisor (emisor) y receptor del entrenador y las selecciones que se pueden realizar.

Demodulador (salvo

Banda Base)

Decod. Canal y

deserializador

D/A

Canal ‘ideal’

Receptor

Serializador y

Cod.Canal

Modulador (salvo

Banda Base)

Transmisor A/D Simulador Canal

Demodulador (salvo

Banda Base)

Decod. Canal y

deserializador

D/A

Canal

Receptor

Serializador y

Cod.Canal

Modulador (salvo

Banda Base)

Transmisor A/D



2 ENTRENADOR DE COMUNICACIONES DIGITALES PROMAX EC-796

ESQUEMA DE BLOQUES DEL EQUIPO EMISOR

ESQUEMA DE BLOQUES DEL EQUIPO RECEPTOR

TPE1

TPR41

TPE4

TPE2

TPR36



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 Receptor INPUTS Sig. RECEPTION Coax. FILTER/COMP. Antialiasing DEMODULATION QPSK/QAM MODULATION QPSK/QAM FILTER/EXPANDOR Filter CH. SIMULATION

Direct OUTPUTS Signal

TRANSMISSION 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.

• 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.

4 MODULACIÓN MULTINIVEL 4.1 Esquema general de la modulación multinivel:

Moduladora A1x(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.



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:

MODULADOR QPSK del ENTRENADOR

Los moduladores profesionales NO usan este método, pero los aspectos claves de la señal modulada sin similares.

TPE4

TPE14

TPE20

TPE21

TPR2



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 Ancho dibit: Ts

4.6 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.



• 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:



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



• 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 Relaciones

Rb Rs Dist.entre nulos

BINARIAS

BW a -15 dB


QPSK

BW a -15 dB


8-QAM

BW a -15 dB

Rb Rs Dist.al nulo

Banda Base

BW a -15 dB

• Siempre entre nulos hay 2·Rs, con independencia del Rb que se transmita.



• 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.

5.1 Fórmulas importantes

bSSQAM

bSSQPSK

bSSASKóBPSK

bSS

BB

RRconRB

RRconRB

RRconRB

RRconR

B

31)1(

21)1(

)1(

)1(2

8 =+=

=+=

=+=

=+=

α

α

α

α

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.

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