DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR DE COMUNICAÇÃO DIGITAL PARA FINS EDUCACIONAIS

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR DE COMUNICAÇÃO DIGITAL PARA FINS EDUCACIONAIS Ivanes L. C. Araújo Universidade Federal do Pará, Faculdade de Engenharia Elétrica Rua Augusto Corrêa, 01 Guamá Belém Pará Resumo: O objetivo deste trabalho é criar uma ferramenta para aumentar o aprendizado em engenharia através de um simulador de comunicação digital capaz de realizar atividades variadas de transmissão de dados com uma interface gráfica simples de ser utilizada. Para atingir este objetivo, o software livre e open source Scilab foi usado para desenvolver a interface da ferramenta, suas funções de simulações e telecomunicações, bem como para realizar testes de transmissão de dados com as opções do simulador. Os resultados deste desenvolvimento consistem em curvas de transmissão de dados em comparação com valores teóricos, funções de transmissão de texto e imagem, um gerador de gráficos de desempenho, e uma interface gráfica que suporta as operações desta ferramenta de aprendizagem. A análise destes resultados mostra a precisão do simulador, a sua aplicação para a análise e compreensão da área de comunicação digital e sua facilidade de uso para a educação em engenharia. Palavras-chave: Comunicação Digital, Simulador, Scilab 1. INTRODUÇÃO A área de comunicação digital tem crescido ao longo dos anos, com o avanço das aplicações baseadas em redes e na transmissão de dados, como a telefonia celular, internet e TV digital. Com o avanço destas tecnologias, cresceu também a importância da compreensão dos conceitos de telecomunicações. No entanto, esta área de estudo, como muitos outros assuntos em engenharia, pode ser abstrata e possuir pouco apelo visual. Para compensar isso, existem muitos equipamentos que podem ser utilizados para a compreensão deste assunto, como osciloscópios e outros que apesar de sua eficiência podem ser caros de se adquirir. A fim de facilitar a aprendizagem de transmissão de dados, este trabalho propõe um simulador de comunicações digitais, criado no Scilab, que aplica conhecimentos de modulações, modelos de canal e telecomunicações em geral, em condições variadas visando o desenvolvimento e a compreensão de comunicações digitais com um método fácil e sem custo.

2 2. COMUNICAÇÃO DIGITAL Uma comunicação digital é uma transmissão de dados através de um canal que pode ser, por exemplo, um fio de cobre, uma fibra óptica ou sem fio. Esta transmissão pode ser feita seja a partir de um ponto (transmissor) para outro (receptor), ou de um ponto para vários pontos. Mas, antes de enviar os dados, a informação é modulada de modo a atender diferentes necessidades de comunicação Modulação Modulações visam a mudança de características dos sinais para que sejam melhor transmitidos. Servem para a multiplexação, resultando no envio de mais informação ao mesmo tempo, e também para deslocar as transmissões no domínio da frequência, que são ferramentas úteis para telecomunicações. Ao lidar com modulação digital, a intenção é alterar informações binárias, a fim de enviá-las de uma forma mais adaptada. Após a chegada do sinal no receptor, a informação deve ser reconstruída para seu formato binário original. Este processo é chamado de demodulação. Assim, um método de modulação implica num método de demodulação. Para modulações digitais mais simples, a alteração no sinal consiste na transformação de cada número binário num número complexo, chamado de símbolo. O grupo de símbolos complexos num plano complexo corresponde a uma constelação de uma modulação. Esta constelação pode mudar com a quantidade de bits suportada por cada modulação, tal como mostrado nos dois esquemas seguintes de modulação. Modulação por deslocamento de fase Nesta modulação, cada bit é tratado como um número no plano complexo de módulo igual, mas fase diferente, como ilustrado na figura abaixo para as constelações BPSK e 4- PSK.

3 Figura 1 Modulações BPSK e 4-PSK Este grupo de configurações é definido como M-PSK, onde M é uma indicação da quantidade de símbolos suportados em cada constelação. Modulação de amplitude em quadratura Nesta modulação, cada bit é tratado no plano complexo, com um número diferente em módulo e fase, como ilustrado na figura abaixo para as constelações 4-QAM e 16-QAM. Figura 2 Modulações 4-QAM e 16-QAM Este grupo de configurações é definido como M-QAM, onde M é uma indicação da quantidade de símbolos suportados em cada constelação Canal de transmissão O canal de transmissão é, basicamente, o meio pelo qual um dado é transmitido. A propagação de dados através do canal de transmissão pode sofrer perturbações. Por consequência, a informação enviada não será necessariamente igual à informação recebida. Um elemento de perturbação presente numa comunicação é o ruído, que pode ser descrito matematicamente como ruído branco Gaussiano aditivo (AWGN), e que pode interferir nos dados transmitidos devido às alterações de temperatura, modificações nos dispositivos usados para estabelecer uma comunicação digital, entre outras causas. As perturbações também dependem do canal utilizado. No caso de um canal de transmissão sem fio, uma vez que a informação pode vir de muitos caminhos, vários fatores

4 podem influenciar numa comunicação, tal como o fenômeno da refração, reflexão e difração de ondas eletromagnéticas no ar. A chegada de um sinal a partir de diferentes caminhos no receptor é chamada de propagação multipercurso. Para a propagação multipercurso assim como para o ruído branco Gaussiano aditivo, modelos são definidos para descrever matematicamente as características de um canal. Modelos de canal Um modelo de propagação pode ser definido por: ( ) ( ) ( ) ( ) (1) Onde x(t) é o sinal transmitido, y(t) é o sinal recebido, n(t) é um ruído com densidade espectral constante e distribuição Gaussiana de amplitude, e h(t) a influência do canal na comunicação. Tratando-se de AWGN, a Equação (1) pode ser reduzida para: ( ) ( ) ( ) (2) O efeito da propagação multipercurso pode ser modelado por um canal Rayleigh, que pode ser definido a partir da Equação (1) como: ( ) ( ) ( ) ( ) (3) Onde α(t) é uma variável aleatória complexa com distribuição Gaussiana de média zero Parâmetros de avaliação de uma comunicação digital Numa comunicação digital há várias maneiras de analisar o desempenho de uma transmissão. Um parâmetro importante para estas análises é a razão sinal-ruído (SNR), que pode ser entendida como a razão da potência de um sinal transmitido pela potência do ruído presente na comunicação. Outro parâmetro importante é a taxa de erro de símbolo (SER). Numa transmissão utilizando uma modulação, o valor de SER representa a taxa de símbolos incorretos no receptor. Estes dois parâmetros, SNR e SER podem ser relacionado em algumas expressões matemáticas que podem servir como referência teórica para analisar o desempenho de uma transmissão. Valores teóricos de SER e SNR Muitos fatores podem ser levados em consideração para a formulação de valores teóricos de SER e SNR. A escolha destes elementos depende de especificações do sistema de

5 comunicação como, por exemplo, a modulação considerada na transmissão e o modelo de canal utilizado. Para uma comunicação com modulação M-QAM, e um canal AWGN, SER e SNR podem ser relacionadas na seguinte equação (Proakis & SALEHI, 2007): ( ) ( ) (4) Onde M é a ordem de uma modulação do grupo M-QAM e Q uma função estatística chamada Q-function. Para uma modulação M-QAM em um canal Rayleigh, usando uma representação alternativa para o quadrado da Q-function, a relação entre SER e SNR é dada por (SIMON & ALOUINI, 2005): (5) Onde g e B são usados para simplificação e correspondem a: ( ) (6) ( ) (7) 3. METODOLOGIA O simulador foi totalmente desenvolvido com o software Scilab, consistindo de uma interface gráfica, simulação de transmissão de imagem, transmissão de texto e um gerador gráfico de SER versus SNR. Primeiramente, as bases para todas as simulações de comunicação digital do simulador foram testadas levando em consideração um referencial teórico de modulações, modelos de canal e transmissões digitais. As bases são as mesmas, porque, em qualquer caso, imagem, texto ou geração de gráficos, apenas o tipo de informação é modificado, mas as especificações de modulação e modelo de canal permanecem inalteradas. O segundo passo foi a criação de transmissões com diferentes dados (imagem e texto) e a possibilidade de analisar gráficos de SER versus SNR. A fim de aumentar a facilidade de utilização destes instrumentos de comunicação, o último passo foi a criação de uma interface. O software Scilab foi escolhido para a criação do simulador de comunicação digital por ser um software livre e open-source e devido a sua eficiência em computação numérica, proporcionando um ambiente computacional poderoso, capaz de atender a todas as necessidades de alguém que use o simulador.

6 4. RESULTADOS 4.1. Análise do desempenho das simulações Para garantir o bom funcionamento das simulações, testes foram feitos considerando-se a SER versus SNR das transmissões do simulador em comparação com valores teóricos. A Figura 3 mostra os resultados para M-QAM modulações e um canal AWGN, em comparação com a Equação (4). Figura 3 SER versus SNR em db para um canal AWGN A Figura 4 mostra os resultados para M-QAM modulações e um canal Rayleigh em Comparação com a Equação (5).

7 Figura 4 SER versus SNR em db para um canal Rayleigh 4.2. Transmissão de texto e imagem Estas duas simulações possuem a mesma base, mas com diferentes tipos de dados. Antes da transmissão, o usuário deve escolher especificações de modulação, modelo de canal e um dos arquivos de imagem ou de texto predefinidos disponíveis. Em seguida, um valor de SNR deve ser estabelecido. Após o término da simulação, além do parâmetro SER o simulador exibe o arquivo enviado e recebido. Para um exemplo de transmissão de imagem, na Figura 4 uma imagem com SNR de 1dB foi enviada, e é possível constatar pelo valor de SER de 24,68% assim como pela imagem, que alguns pixels, devido ao efeito das perturbações durante a transmissão, não foram recebidos corretamente.

8 Figura 5 Figura enviada (acima) com SNR de 1dB e recebida (abaixo) com SER de 24,68% Para um exemplo de transmissão de texto, na Figura 6, um texto com SNR de 10 db foi enviado, e é possível constatar pelo valor de SER de 0,14% assim como pelo texto, que apenas algumas partes da informação enviada foram afetadas por perturbações durante a transmissão. Figura 6 Texto enviado (acima) com SNR de 10dB e recebido (abaixo) com SER de 0,14% 4.3. Gerador de gráfico e interface Através da utilização do gerador de gráfico, são obtidas ilustrações de SER versus SNR compatíveis com as mostradas na Figura 3 e Figura 4. O usuário também pode escolher o intervalo de valores de SNR a serem representados no gráfico. A interface gráfica torna possível escolher entre qualquer um dos três modos de simulações, dando sempre a opção de escolher o tipo de canal de transmissão entre AWGN e canal Rayleigh, e o tipo de modulação entre 4-QAM, 16-QAM e 64-QAM, além de outras

9 características dependendo da simulação a ser realizada, como pode ser visto na Figura 7, que mostra parte da interface gráfica. Figura 7 Parte da interface gráfica correspondente à transmissão de imagem A interface também permite que o usuário possa seguir a progressão das operações executadas pelo simulador, como mostrado na figura 8.

10 Figura 8 Parte da interface gráfica correspondente à geração de SERxSNR 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS O simulador criado fornece resultados confiáveis, possibilitando seu uso na aplicação e validação de conhecimentos teóricos. Além disso, contém diferentes tipos de simulações, onde várias combinações podem ser feitas para o estudo das transmissões de um modo adequado ao usuário, possuindo também uma interface gráfica que simplifica a operação da ferramenta. Todos esses recursos podem ajudar os alunos a compreender melhor a comunicação digital. Além de que o desenvolvido do simulador em Scilab, software livre e open-source, facilita o futuro desenvolvimento, uso e distribuição do simulador para fins educacionais em engenharia. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SIMON, Marvin Kenneth.; ALOUINI, Mohamed-slim. Digital communication over fading channels.2. ed. New Jersey: Wiley-Interscience, 2005.

11 PROAKIS, John; SALEHI, Masoud. Digital communications.5. ed. McGraw-Hill Companies, ISLAM, M. S.; BARAI, G. R.; MAHMOOD, A.. Performance analysis of different modulation schemes using OFDM techniques in Rayleigh fading channel. International Journal of Fundamental Physical Sciences, v.1, n.1, p , SKLAR, B.. Rayleigh Fading Channels in Mobile Digital Communication Systems Part I : Characterization, IEEE Communications Magazine, v.35, n.7, p , LINNARTZ, J. M. G. Rayleigh fading. Disponível em: < Acessado in: 09 out DEVELOPMENT OF A DIGITAL COMMUNICATION SIMULATOR FOR EDUCATIONAL PURPOSES Abstract: The goal of this work is to create a tool to increase the learning in engineering with a digital communication simulator able to perform varied activities of data transmission with an easy to use interface. To achieve this purpose, the free and open source software Scilab was used to develop the interface of the tool, its telecommunications and simulations functions as well as to perform tests with the data transmission options of the simulator. The results of this development consist in curves of data transmission in comparison to theoretical values, image and text transmission functions, a generator of performance graphics, and the guide user interface that supports the operations of this learning tool. The analysis of these results show the simulator accuracy, its application for the analysis and comprehension of the digital communications area and its facility to use for education in engineering. Key-words: Digital Communications, Simulator, Scilab