XIX Encontro de Iniciação à Pesquisa Universidade de Fortaleza 21 à 25 de Outubro de 2013

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1 XIX Encontro de Iniciação à Pesquisa Universidade de Fortaleza 21 à 25 de Outubro de 2013 Sistema de Modulação OFDM Conforme a Recomendação do Padrão DVB- T Maurício Moreira Neto 1* (IC), Antonio Macilio Pereira de Lucena 2 (PQ), Igor Le Lonnés Brito da Silva 3 (IC), Miguel Maia Neto 4 (IC). 1. Universidade de Fortaleza PIBIT/CNPQ - 2. Universidade de Fortaleza (UNIFOR) e Instituto Nacional de Pesquisa Espaciais (INPE). 3.Universidade de Fortaleza - PAVIC/UNIFOR 4. Universidade de Fortaleza - UNIFOR maumneto@gmail.com Palavras-chave: OFDM, DVB-T, modulador, demodulador, Rayleigh. Resumo Este artigo apresenta o projeto de um transmissor e de um receptor OFDM seguindo as recomendações do padrão DVB-T. O sistema foi implementado com a ferramenta Simulink do MATLAB. Detalha-se a implementação lógica de todos módulos funcionais do transmissor e do receptor. Descreve-se também a simulação que foi feita com o objetivo de verificar o funcionamento e desempenho do sistema proposto em um canal AWGN. Os resultados da simulação computacional em termos de espectro de potência do sinal OFDM transmitido e da taxa de erro de bits evidenciam um funcionamento correto do sistema projetado. Introdução A modulação OFDM (do inglês, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utiliza de multiportadoras para transmissão paralela de dados com um fluxo de R bps que é dividido por M linhas de dados a uma taxa de R/M bps para modular M portadoras ortogonais com superposição espectral. Esta superposição espectral tem uma economia significativa em relação ao tradicional FDM (do inglês, Frequency Division Multiplexing) e com isso pode-se obter uma economia de banda de até cinquenta por cento [1,3]. O padrão DVB-T (do inglês, Digital Video Broadcasting Terrestrial) utiliza a técnica de modulação COFDM (do inglês, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que é o sistema OFDM codificado, para transmissão de video digital em canais seletivos em freqüência como é o caso de enlaces terrestres urbanos [3]. Este padrão pode ter transmissão em até dois canais de dados e por isso oferece a possibilidade de usar um dos canais para transmissão de áudio e vídeo e o outro para transmissão de dados. No padrão DVB-T, existem duas opções previstas para o número de portadores que são o 2K que utiliza 1705 portadoras durante a transmissão e o 8K que utiliza 6817 portadoras durante a transmissão [2]. Neste este artigo, objetiva-se apresentar detalhadamente um sistema OFDM completo, com modulador, canal e demodulador, que implementa as recomendações do padrão de TV digital DVB-T nãohierárquico. O protótipo lógico do sistema foi desenvolvido com a ferramenta Simulink do MATLAB através de simulação computacional, o seu desempenho em termos da taxa de erro de bits foi avaliado para um canal AWGN. e Metodologia ISSN

2 O diagrama de blocos do transmissor e receptor OFDM para o padrão DVB-T (blocos em verde, vermelho e azul), mais a geração de dados, o canal de comunicação e blocos de medidas utilizado na simulação do sistema estão representados na figura 1. O transmissor OFDM consiste dos módulos Modução QPSK (do inglês, Quadrature Phase Shift Key), Modulador OFDM e Adição de prefixo cíclico. Enquanto o receptor OFDM é implementado pelos blocos Remoção de prefixo cíclico, Demodulador OFDM e Demodulação QPSK. Figura 1 - Simulação do sistema OFDM utilizando o padrão DVB-T. A informação a ser transmitida, representadas por uma seqüência de dados aleatórios, é convertida em uma sequência de símbolos QPSK e posteriormente é segmentada em blocos e paralelizada para gerar os símbolos OFDM. O bloco Adição de prefixo cíclico adiciona o prefixo cíclico a cada símbolo OFDM e em seguida serializa as amostras para entregá-los ao canal. Após passar pelo canal, cada símbolo OFDM entra no bloco remoção de prefixo cíclico que remove o prefixo cíclico adicionado no transmissor. Após a remoção do prefixo cíclico, é feita a FFT (Do inglês, Fourier Fast Transform) dos símbolos OFDM recebidos e a serialização das amostras. Finalmente os dados transmitidos são recuperados pela Demodulação QPSK. Para o simular o padrão DVB-T, utilizam-se 3410 bits por símbolo OFDM, que depois do mapeamento QPSK, geram as 1705 portadoras necessárias para o padrão [2]. É preciso preencher 343 portadoras QPSK são com zeros para que a IFFT (do inglês, Inverse Fast Fourier Transform) tenha comprimento de 2048, conforme recomendado o padrão. O Modulador QPSK é implementado com o próprio bloco modular QPSK do Simulink conforme está ilustrado na Figura 2. ISSN

3 Figura 2 Modulador QPSK A cada instante de tempo k, os M símbolos QPSK X n,k passam pelo bloco da IFFT que efetua a transformada inversa de Fourier conforme a Equação 1. em que 0 l M-1, l Z. A Figura 3 mostra a estrutura do Modulador OFDM. (1) Figura 3 - Modulador OFDM. Após o bloco do Modulador OFDM, o sinal passa pelo bloco de Adição de prefixo cíclico que é responsável pela a adição do intervalo de guarda e é implementado como indicado na Figura 4. O prefixo cíclico copia as últimas amostras da IFFT e as justapõe com as M amostras de saída da IFFT, formando assim o símbolo OFDM. Foi utilizado nas simulações um intervalo de guarda de 1/4, fazendo com que as informações contidas nas últimas 512 subportadoras do quadro sejam superpostas na sequência de 2048 subportadoras geradas após a IFFT [1,3]. Figura 4 Bloco de adição do prefixo cíclico. O sinal transmitido passa por um canal AWGN (Do inglês, Additive White Gaussian Noise) que é implementado por um bloco básico do Simulink. Após sofrer o efeito do canal, o sinal recebido é paralelizado e no bloco Remoção do prefixo cíclico, indicado na Figura 5, descarta-se o prefixo cíclico que foi inserido no transmissor em cada símbolo OFDM. Figura 5 Bloco de remoção do prefixo cíclico. No bloco Demodulador OFDM é feito a FFT das 2048 subportadoras recebidas e posteriormente retira-se os 343 zeros, resultando assim nas 1705 subportadoras transmitidas inicialmente. A Figura 6 mostra a estrutura do Demodulador OFDM. ISSN

4 Figura 6 - Demodulador OFDM simulado. Depois de serializada, as amostras passam pelo Demodulador QPSK implementado conforme indicado na Figura 7. Figura 7 Demodulador QPSK. O sistema inteiro, tal como apresentado na Figura 1, foi simulado objetivando a determinação do espectro de potência do sinal e da taxa de erro de bits. Resultados e Discussão Nesta sessão apresentam-se os resultados da simulação do sistema OFDM recomendado pelo o padrão DVB-T em um canal AWGN e implementado de acordo com o diagrama da Figura 1. Na tabela 1, detalha-se os parâmetros utilizados. Tabela 1 Parâmetros utilizados na simulação. A Figura 8 apresenta o espectro do sinal transmitido, comprovando a largura de banda de 6 MHz para o padrão DVB-T no modo 2k. ISSN

5 Figura 8 Densidade espectral do sinal. A Figura 9.a mostra o scatterplot da constelação de símbolos QPSK transmitidos e a Figura 9.b apresenta os símbolos QPSK recebidos com a energia de bits pela densidade de ruído (Eb/No) fixada em 10 db. Nota-se que o ruído do canal AWGN gerou distorção na constelação, causando como consequência perda de informação das subportadoras OFDM. a) b) Figura 9 - (a) Constelação de símbolos QPSK transmitidos (b) Constelação de símbolos QPSK recebidos. A Figura 10 apresenta a curva de desempenho do sistema em termos da taxa de erro de bits. Foram plotadas duas curvas, a primeira indica o desempenho teórico e a segunda é o desempenho do sistema simulado. Figura 10 - Curva da tava de erro de bit do sistema. Nota-se pela Figura 10 que desempenho do sistema simulado está idêntico ao desempenho teórico como era de se esperar pois na simulação utilizou-se um canal AWGN ideal. Este resultado indica que modelo de sistema proposto está correto. Conclusão Neste trabalho, foi implementado e simulado o transmissor e o receptor OFDM, recomendado pelo padrão DVB-T, com o objetivo de analisar a funcionalidade de desempenho do sistema em um canal ISSN

6 AWGN. Para isso, comparou-se o desempenho teórico em canal AWGN com o desempenho do sistema simulado. Através dos gráficos de scatterplots, ficou evidente o bom desempenho do sistema proposto quando exposto a um canal AWGN. Ao analisar a taxa de erro de bits global, foi constatada que a curva do sistema proposto teve o mesmo comportamento da curva teórica. Em estudos futuros, seria interessante introduzir outros tipos de canais nesse sistema para avaliar o seu desempenho. Referências [1] Louis Litwin, An introduction to multi carrier modulation, IEEE Potential, Volume 19, no.20, April-May [2] Miguel Maia Neto, "Um estudo sobre modulação OFDM aplicada ao padrão DVB-T", Julho [3] Bruin R. and Smits J.; Digital Video Broadcasting: Technology, Standards, and Regulations, [4] PINTO, Ernesto Leite ALBUQUERQUE, Claudio Penedo de, A técnica de transmissão OFDM, Revista Cientifica Periodica Telecomunicacoes INATEL, Vol. 5, N. 1, p. 1 10, Jun/2002. [5] PANDHARIPANDE, Ashish, Principles of OFDM, IEEE Potentials, May [6] B. Sklar, Rayleigh Fading Channel in Mobile Digital Communications Systems Part I: Characterization, IEEE Magazine Communications, September 1997 [7] J. Proakis, Digital Communications. New York: McGraw-Hill, 3 ed., Agradecimentos Agradecimento a Universidade de Fortaleza por ceder os laboratórios, softwares e salas de aula para o desenvolvimento e conclusão da nossa pesquisa. ISSN