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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ.

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1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica Especialización en Telecomunicaciones Digitales Tema 1-B Modulación Digital MULTI-Bit Transmisión Digital 1

2 Sumario Técnicas de Modulación M-arias, Utilidad y CaracterísticasTécnicas de Modulación M-arias, Utilidad y Características Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK)Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) Modulación PSK de 8 FasesModulación PSK de 8 Fases Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM)Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) Modulación 8-QAMModulación 8-QAM Modulación 16-QAMModulación 16-QAM 2

3 Eficiencia del Ancho de BandaEficiencia del Ancho de Banda Comparación de ModulacionesComparación de Modulaciones Demodulación QPSKDemodulación QPSK Demodulación 8-PSKDemodulación 8-PSK Demodulación 8-QAMDemodulación 8-QAM Actividades de AutodesarrolloActividades de Autodesarrollo Sumario 3

4 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. 4

5 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. 5

6 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). 6

7 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 7

8 La cantidad de condiciones de salida se calcula con la ecuación: Donde: N= Cantidad de bits Codificados M= Cantidad de condiciones o combinaciones posibles de salida con N bits. Modulaciones M-arias 8

9 La cantidad de condiciones posibles de salida para varios valores de N se muestran en la siguiente tabla: NM Modulaciones M-arias 9

10 El ancho de banda mínimo necesario para pasar portadoras M-arias moduladas digitalmente, se determina con la siguiente ecuación: B= Ancho de banda mínimo f b = rápidez de entrada en bps M=Cantidad de estados de salida Modulaciones M-arias 10

11 Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) 11

12 Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) Es una forma de manipulación digital angular de amplitud constante. La QPSK es una técnica M-aria de modulación con M=4. Con esta codificación, son posibles cuatro fases de salida para la señal portadora. 12

13 Como hay cuatro fases distintas de salida, debe haber 4 condiciones distintas de entrada. Su entrada es binaria, para producir 4 condiciones distintas, se necesita más de un bit de entrada. Su entrada es binaria, para producir 4 condiciones distintas, se necesita más de un bit de entrada. Con 2 bits hay cuatro condiciones posibles: 00,01,10,11. Modulador Entrada Salida baba b Los datos binarios de entrada se combinan en grupos de 2 bits cada vez, llamados dibits. Cada dibits genera una de las 4 fases posibles. Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) 13

14 Diagrama de un modulador QPSK Osc Sen( c t) Divisor de bits I Q Desfase +90° FPB Datos de Entrada V Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) Rama I Rama Q f b /2 QPSK 14

15 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) 15

16 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: Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) Tabla de la Verdad 16

17 Son posibles dos fases a la salida del modulador balanceado I, dependiendo del bit de entrada: También son posible dos fases a la salida del modulador balanceado Q: Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) 17

18 Cuando el sumador lineal combina las dos señales en cuadratura, es decir, desfasadas 90°, hay cuatro fasores resultantes posibles, definidos por las siguientes expresiones. Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) Todas las funciones trigonométricas tienen amplitud unitaria por conveniencia. 18

19 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. Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) 45º-135º-45º135º 19

20 Diagrama Fasorial Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) 1 1 Q I 20 Entrada Q I Fase ° ° ° 1 +45°

21 Constelación para QPSK Entrada Q I Fase ° ° ° 1 +45° Sen( c t) cos( c t) Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) Debe recordarse que los ejes se referencian según: eje X como Sen w c t y eje Y como Cos w c t 21

22 El ancho de banda mínimo para una señal QPSK se calcula a través de la ecuación: Manipulación por Desplazamiento Cuaternario de Fase (QPSK) 22

23 Demodulación QPSK FPB SeñalQPSK Divisor de PotenciaRecuperador de Portadora X X LPF LPF QI 90° -sen( c t)+cos( c t) sen( c t) cos( c t) sen( c t)(-sen( c t)+cos( c t)) cos( c t)(-sen( c t)+cos( c t)) -1/2 V (0 Lógico) 1/2 V (1 Lógico)

24 Manipulación por Desplazamiento de 8-Fases (8-PSK) 24

25 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) 25

26 Descripción de los bits involucrados Manipulación por Desplazamiento de 8-Fases (8-PSK) ICSalidaQ C negada Salida 00 -0,541 V 01-1, ,307 V 00-0, ,541 V 11+1, ,307 V 10+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. 26

27 Modulador 8-PSK con entrada binaria 101 QIC Conv de 2 a 4 niveles Conv de 2 a 4 niveles Osc Sen ( c t) X X +90° FPB ,541 -1,307 -1,307Sen ( c t) 0,541Cos ( c t) -1,307Sen ( c t) +0,541Cos ( c t) Manipulación por Desplazamiento de 8-Fases (8-PSK) f b /3 Señal PAM Sen ( c t) Cos ( c t) Tabla de Tabla de Verdad 27

28 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 C negado entran al convertidor del canal Q Manipulación por Desplazamiento de 8-Fase (8-PSK) 28

29 El bit Q y I determinan la polaridad de la señal analógica de salida Mientras que el bit C determina su magnitud Manipulación por Desplazamiento de 8-Fase (8-PSK) 29

30 Señal modulada en 8-PSK Manipulación por Desplazamiento de 8-Fase (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. 30

31 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) 31

32 Se ve que la separación angular entre los fasores adyacentes es de 45° Manipulación por Desplazamiento de 8-Fase (8-PSK) Diagrama Fasorial 8-PSK Constelación 8-PSK 32

33 Manipulación por Desplazamiento de 8-Fase (8-PSK) Entrada binaria Fase de Salida de 8-PSK QIC , , , , , , , ,5 Tabla resumen de ángulos de fase de los ocho fasores de la Modulación Digital 8-PSK 33

34 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) 34

35 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) 35

36 El ancho de banda mínimo para una señal 8- PSK se calcula a través de la ecuación: Manipulación por Desplazamiento de 8-Fase (8-PSK) 36

37 Demodulación 8-PSK FPB Señal8-PSK Divisor de PotenciaRecuperador de Portadora X X CAD CAD QI 90° Canal I Canal Q C I QC C negado El diagrama de bloques para un demodulador 8-PSK, es el siguiente: 37

38 Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) 38

39 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. 39

40 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 40

41 Diagrama de Bloques del Modulador 8-QAM QIC Conv de 2 a 4 niveles Conv de 2 a 4 niveles Osc Sen ( c t) X X +90° FPB ,307 -1,307 -1,307Sen ( c t) 1,307cos ( c t) -1,307Sen ( c t) +1,307cos ( c t) Modulación de Amplitud en Cuadratura 8-QAM 41

42 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 42

43 La polaridad depende del estado lógico de los bits I y Q, mientras que C controla la magnitud. Modulación de Amplitud en Cuadratura 8-QAM Tabla de la verdad Modulador 8-QAM I/QC Salida 00-0,541 V 01-1,307 V 10+0,541 V 11+1,307 V 43

44 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 44

45 Diagrama fasorial y constelación Modulación de Amplitud en Cuadratura 8-QAM 45

46 El ancho de banda mínimo para una señal 8- QAM se calcula a través de la ecuación: Modulación de Amplitud en Cuadratura 8-QAM 46

47 Demodulación 8-QAM FPB Señal8-QAM Divisor de PotenciaRecuperador de Portadora X X CAD CAD QI 90° Canal I Canal Q C I QCC 47

48 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. 48

49 Modulador 16-QAM QQ´II´ Conv de 2 a 4 niveles Conv de 2 a 4 niveles X X FPB 90° Osc Sen( c t) ,22V 0,821V -0,22sen( c t) 0,821cos( c t) -0,22sen( c t)+0,821cos( c t) Modulación de Amplitud en Cuadratura 16-QAM 49

50 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: Modulación de Amplitud en Cuadratura 16-QAM 50

51 Los bits I´ y Q´ determinan la magnitud En consecuencia los convertidores generan una señal de cuatro niveles Modulación de Amplitud en Cuadratura 16-QAM 51

52 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 52

53 Diagrama fasorial y constelación Modulación de Amplitud en Cuadratura 16-QAM 53

54 El ancho de banda mínimo para una señal 16- QAM se calcula a través de la ecuación: Modulación de Amplitud en Cuadratura 16-QAM 54

55 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. Comparación de Modulaciones 55

56 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. Eficiencia del Ancho de Banda 56

57 Comparación de Modulaciones ModulaciónCodificaciónAB (Hz)BaudiosEficiencia AB FSK Un Bit >= f b fbfbfbfb <=1 BPSK Un Bit fbfbfbfb fbfbfbfb1 QPSKDibit f b /2 2 8-PSKTribit f b /3 3 8-QAMTribit 3 16-PSKCuadribit f b / QAMCuadribit 4 57

58 Actividades de Autodesarrollo 1.Deduzca los fasores que se obtienen para la cadena binaria , empleando: A) 8-PSK B)16-PSKB)A) 8-PSK B)16-PSKB) C)8-QAMD) 16-QAMC)8-QAMD) 16-QAM 2.Determine la velocidad de salida de cada modulador si los datos provienen de una fuente que los produce a bps. 3.Proponga modelos de simulación para 8- PSK y 8-QAM 58

59 Gracias por su atención 59


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