Transcript Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK)

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
Departamento de Ingeniería Electrónica
Especialización en Telecomunicaciones Digitales
Transmisión Digital
Tema 2
Modulación Digital
MULTI-Bit
Sumario
• Técnicas de Modulación M-arias, Utilidad y
Características
• Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de
Fase (QPSK)
• Modulación PSK de 8 Fases
• Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM)
• Modulación 8-QAM
• Modulación 16-QAM
Sumario
•
•
•
•
•
•
Eficiencia del Ancho de Banda
Comparación de Modulaciones
Demodulación QPSK
Demodulación 8-PSK
Demodulación 8-QAM
Actividades de Autodesarrollo
Modulaciones M-arias
Las técnicas de modulación digital hasta
ahora estudiadas solo empleaban un bit
cada vez para modular la señal portadora.
Cada bit de entrada, produce una portadora
modulada en amplitud, frecuencia o fase,
durante el tiempo de duración de cada bit.
Modulaciones M-arias
A continuación se analizan otras técnicas que
emplean combinaciones de más de un bit
cada vez, para producir un cambio en la
señal portadora.
De esta manera, cada cambio de algún
parámetro de la portadora, representa más
de un bit de señal modulante cada vez.
Modulaciones M-arias
M-ario es un término derivado de la palabra
binario. “M” es un número que representa
la cantidad de condiciones o combinaciones
posibles para la agrupación binaria que se
considere.
Los sistemas FSK y BPSK son M-arios en los
que M=2 (BI-nario, dos combinaciones
posibles).
Modulaciones M-arias
Con la modulación M-aria se logra tener
mayores velocidades, debido a que un solo
evento de portadora representa más de un
bit.
Por ejemplo, un sistema PSK con cuatro fases
de salidas posibles, es un sistema M-ario en
el que M=4 y se denota como 4-PSK.
Modulaciones M-arias
La cantidad de condiciones de salida se
calcula con la ecuación:
N  log2 M 
Donde:
N= Cantidad de bits Codificados
M=
Cantidad
de
condiciones
o
combinaciones posibles de salida con N bits.
Modulaciones M-arias
La cantidad de condiciones posibles de
salida para varios valores de N se muestran en
la siguiente tabla:
N
1
2
3
4
5
M
2
4
8
16
32
Manipulación por
Desplazamiento Cuaternario
de Fase (QPSK)
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Es una forma de manipulación digital angular
de amplitud constante.
La QPSK es una técnica
modulación con M=4.
M-aria
de
Con esta codificación, son posibles cuatro
fases de salida para la señal portadora.
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Como hay cuatro fases distintas de salida,
debe haber 4 condiciones distintas de
entrada.
Entradaes binaria, para producir 4
Su entrada
ba
condiciones
distintas,
se necesita
más de un
Salida
Modulador
bb
bit de entrada.
Con Los
2 bits
cuatro
condiciones
posibles:
datoshay
binarios
de entrada
se combinan
en
grupos de 2 bits cada vez, llamados dibits.
00,01,10,11.
Cada dibits genera una de las 4 fases posibles.
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Diagrama de un modulador QPSK
Datos de
Entrada
 senwct 
 senwct 
Rama I
fb/2
-1V
Divisor
de bits
I
0
 senwct   coswct 
Osc
Sen(wct)
FPB
Q
0
-1V
Desfase +90°
fb/2
QPSK
Rama Q
 coswct 
 coswct 
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
FUNCIONAMIENTO:
Dos bits se sincronizan en el divisor de bits, después
de haber entrado ambos bits en serie, salen en
forma simultanea (en paralelo). Un bit se dirige al
canal I y el otro al canal Q.
El bit I modula a la portadora en fase mientras que
el bit Q modula la portadora luego de desfasarla
en 90º grados.
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
FUNCIONAMIENTO:
Se puede ver que una vez que el dibit se
ha dividido en los canales I y Q, la operación
es igual que en un modulador BPSK.
En esencia un modulador QPSK son dos
moduladores BPSK en paralelo. De igual
manera:
 1 V  "1" lógico
 1 V  "0" lógico
Tabla de la Verdad
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Son posibles dos fases a la salida del
modulador balanceado I, dependiendo del bit
de entrada:
 1* senwct  o 1* senwct 
También son posible dos fases a la salida
del modulador balanceado Q:
 1* coswct  o 1* coswct 
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Cuando el sumador lineal combina las dos
señales en cuadratura, es decir, desfasadas 90°, hay
cuatro fasores resultantes posibles, definidos por las
siguientes expresiones.
 1* senwct   1* coswc t 
 1* senwct   1* coswc t 
 1* senwc t   1* coswc t 
 1* senwc t   1* coswct 
Todas las funciones
trigonométricas tienen
amplitud unitaria por
conveniencia.
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
En la modulación QPSK cada uno de los
cuatro fasores posibles de salida, tienen
exactamente la misma amplitud, solo se
diferencian en la fase que posee cada uno.
45º
-135º
-45º
135º
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Q
I
Q
I
1
-1
1
-1
Q
I
Diagrama Fasorial
Q
I
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
Constelación para QPSK
Entrada
I Q
Fase
0 0
-135°
0 1
-45°
1 0
+135°
1 1
+45°
Debe recordarse que los ejes
se referencian según: eje “X”
como Sen wct y eje “Y” como
Cos wct
cos(wct)
Sen(wct)
Manipulación por Desplazamiento
Cuaternario de Fase (QPSK)
El ancho de banda mínimo para una
señal QPSK se calcula a través de la ecuación:
f N ,Q  PSK
fb
B
2
Demodulación QPSK
sen(wct)(-sen(wct)+cos(wct))
LPF
X
-1/2 V (0 Lógico)
0
sen(wct)
Señal
QPSK
FPB
Divisor de
Potencia
Recuperador
de Portadora
Q I
-sen(wct)+cos(wct)
90°
cos(wct)
X
LPF
1
1/2 V (1 Lógico)
cos(wct)(-sen(wct)+cos(wct))
Manipulación por
Desplazamiento de
8-Fases (8-PSK)
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fases (8-PSK)
El número de bits agrupados a la entrada del
modulador se puede incrementar para
obtener la PSK de 8 fases (8-PSK), que es
una técnica de modulación M-aria en la que
M=8.
Existen 8 fases posibles de salidas, para este
caso se consideran a los bits en grupos de 3,
llamados tribits.
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fases (8-PSK)
Descripción de los bits involucrados
I
C
Salida
Q
C negada
Salida
0
0
-0,541 V
0
1
-1,307
0
1
-1,307 V
0
0
-0,541
1
0
+0,541 V
1
1
+1,307
1
1
+1,307 V
1
0
+0,541
Los bits Q e I son los datos de entrada, C es un bit de
control y Cnegado es el valor de C complementado.
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fases (8-PSK)
Modulador 8-PSK con entrada binaria 101
Conv de 2
a 4 niveles
fb/3
-1,307
Señal PAM
-1,307Sen (wct)
X
Sen (wct)
0
Q
I
1
Tabla de
Verdad
C
1
1
Osc
Sen (wct)
fb/3
S
FPB
+90° -1,307Sen (wct) +0,541Cos (wct)
fb/3
Cos (wct)
0
Conv de 2
a 4 niveles
Señal PAM
0,541
X
0,541Cos (wct)
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
La corriente de bits llegan al divisor de bits,
donde se convierten en una salida paralela
de tres canales, en canal I (en fase), el canal
Q (en cuadratura) y el canal C (control)
Los bits de los canales I y C entran al
convertidor del canal I y los bits de Q y
Cnegado entran al convertidor del canal Q
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
El bit Q y I determinan la polaridad de la
señal analógica de salida
 1 V  "1" lógico
 1 V  "0" lógico
Mientras que el bit C determina su magnitud
1,307V  "1" lógico
0,541V  "0" lógico
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
Señal modulada en 8-PSK
La figura muestra las ocho combinaciones de fases
que se obtienen a la salida del modulador 8-PSK.
Observe que la amplitud es constante.
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
Como se ha observado se tienen 8 posibles
fasores como respuesta a los 3 bits de entrada.
Cada fasor estará desfasado uno del otro en:
360º ÷ 8 = 45º
Es importante dicha separación para evitar
que por ruido en las amplitudes se pueda desviar
una fase hacia otra y producir un error.
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
Se ve que la separación angular entre los
fasores adyacentes es de 45°
Diagrama Fasorial 8-PSK
Constelación 8-PSK
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
Entrada binaria
Tabla resumen de
ángulos de fase
de los ocho
fasores de la
Modulación
Digital 8-PSK
Q
I
C
Fase de
Salida
de 8-PSK
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
-112,5
-157,5
-67,5
-22,5
+112,5
+157,5
+67,5
+22,5
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
Características de 8-PSK:
1. Tiene 8 fasores separados 45º entre ellos.
2. La amplitud de los fasores es constante.
3. Posee un proceso de conversión de nivel antes de
la modulación
4. Posee un bit de control que controla la magnitud
de la salida del conversor de nivel.
5. Los bits Q e I controlan el signo del nivel de
salida.
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
Características de 8-PSK: Cont….
6. Cada evento de salida representa 3 bits.
7. El flujo de datos por las ramas Q, I y C es igual a
fb/3.
Manipulación por Desplazamiento de
8-Fase (8-PSK)
El ancho de banda mínimo para una señal 8PSK se calcula a través de la ecuación:
f N ,8 PSK
fb
B
3
Demodulación 8-PSK
El diagrama de bloques para un demodulador
8-PSK, es el siguiente:
C
Canal I
X
CAD
I
Señal
8-PSK
FPB
Divisor de
Potencia
Recuperador
de Portadora
Q I
90°
Q
X
Canal Q
CAD
Cnegado
C
Modulación de Amplitud
en Cuadratura
(QAM)
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
Es posible modificar dos parámetros
simultáneamente en una portadora: la
AMPLITUD y la FASE.
Cuando este proceso se produce la
modulación
que
resulta
se
llama
Modulación de Amplitud en Cuadratura
debido a que los fasores resultantes forman
ángulo de 90º entre ellos.
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
Es una forma de modulación digital, donde la
información digital está contenida tanto en
amplitud como en la fase de la portadora
transmitida.
Se designa por las siglas QAM por su nombre
en ingles
Quadrature Amplitude
Modulation.
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
Diagrama de Bloques del Modulador 8-QAM
Conv de 2
a 4 niveles
-1,307
-1,307Sen (wct)
X
FPB
0
Q
I
C
1
1
1
Osc
Sen (wct)
-1,307Sen (wct) +1,307cos (wct)
S
FPB
+90°
Conv de 2
a 4 niveles
1,307
X
FPB
1,307cos (wct)
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
Se puede ver que la única diferencia entre los
transmisores 8-PSK y 8-QAM es la omisión
del inversor entre el canal C y el
convertidor de nivel del canal Q.
Como en la 8-PSK, los datos se dividen en
tribits. Los bits I y Q determinan la
polaridad de la señal en la salida del
convertidor y C determina su magnitud.
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
La
polaridad
depende del estado
lógico de los bits I y
Q, mientras que C
controla
la
magnitud.
I/Q
C
Salida
0
0
-0,541 V
0
1
-1,307 V
1
0
+0,541 V
1
1
+1,307 V
Tabla de la verdad
Modulador 8-QAM
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
Señal modulada en 8-QAM: Observe que se
modifica la fase y la amplitud de la señal
modulada.
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
Diagrama fasorial y constelación
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 8-QAM
El ancho de banda mínimo para una señal 8QAM se calcula a través de la ecuación:
f N ,8QAM
fb
B
3
Demodulación 8-QAM
C
Canal I
X
CAD
I
Señal
8-QAM
FPB
Divisor de
Potencia
Recuperador
de Portadora
Q I
90°
Q
X
Canal Q
CAD
C
C
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
Es un sistema M-ario con M=16. Los
datos de entrada se manejan en grupos de 4
bits cada vez.
Por ser una modulación QAM, se
manipula tanto la amplitud como la fase de la
portadora a transmitir.
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
Modulador 16-QAM
Conv de 2 -0,22V
a 4 niveles
Q
1
1
Q´ I
1
X
-0,22sen(wct)
0
I´
Osc
Sen(wct)
-0,22sen(wct)+0,821cos(w
FPB
ct)
S
90°
Conv de 2 0,821V
a 4 niveles
X
0,821cos(wct)
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
Los datos binarios de entrada se dividen
en 4 canales I, I´,Q y Q´. Se sincronizan 4 bits
de entrada en serie en el divisor de bits; a
continuación salen en forma simultanea por
los canales I, I´,Q y Q´.
Los bits I y Q determinan la polaridad de
salida:
"1" lógico  Vout
"0" lógico  Vout
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
Los bits I´ y Q´ determinan la magnitud
0,821V  "1" lógico
0,22 V  "0" lógico
En consecuencia los convertidores
generan una señal de cuatro niveles
0,821V
0,22 V
o  0,821V
o  0,22 V
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
Estos valores pasan al modulador de
producto, con lo cual cada modulador genera
4 posibles salidas en función del seno o el
coseno según sea el caso.
El sumador lineal combina las salidas de
los moduladores de productos de los canales I
y Q y producen las 16 combinaciones para la
modulación 16-QAM
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
Diagrama fasorial y constelación
Modulación de Amplitud en
Cuadratura 16-QAM
El ancho de banda mínimo para una señal 16QAM se calcula a través de la ecuación:
f N ,16 QAM
fb
B
4
Comparación de Modulaciones
La Eficiencia del Ancho de Banda o Densidad
de Información, se usa con frecuencia para
comprobar el funcionamiento de dos
técnicas de modulación digital.
Es la relación de rapidez de transmisión de
bits entre el ancho de banda mínimo
necesario para un esquema de modulación
dado.
Eficiencia del Ancho de
Banda
En general, la eficiencia del AB se normaliza a
un AB de 1 Hz y en consecuencia indica la
cantidad de bits que se puede propagar a
través de un medio, por cada Hertz de AB.
Rápidez de T ransmisión bps
Eficienciade AB 
Anchode Banda MínimoHz
Comparación de Modulaciones
Modulación
Codificación
AB (Hz)
Baudios
Eficiencia AB
FSK
Un Bit
>= fb
fb
<=1
BPSK
Un Bit
fb
fb
1
QPSK
Dibit
fb/2
fb/2
2
8-PSK
Tribit
fb/3
fb/3
3
8-QAM
Tribit
fb/3
fb/3
3
16-PSK
Cuadribit
fb/4
fb/4
4
16-QAM
Cuadribit
fb/4
fb/4
4
Actividades de Autodesarrollo
1. Deduzca los fasores que se obtienen para la
cadena binaria 100011001100, empleando:
• A) 8-PSK
B)16-PSK B)
• C)8-QAM
D) 16-QAM
2. Determine la velocidad de salida de cada
modulador si los datos provienen de una
fuente que los produce a 28.800 bps.
3. Proponga modelos de simulación para 8PSK y 8-QAM
Gracias
por su atención