UBERABA MG 2º SEMESTRE 2008 COMUNICAÇÃO DIGITAL II AUTOR: ENG. ANTONIO CARLOS LEMOS JÚNIOR acjunior@facthus.edu.br
MODULAÇÃO DIGITAL Transmissão dos dígitos binários através de um canal passa banda. O trem de pulsos binários modula algum parâmetro de uma portadora senoidal.
MODULAÇÃO DIGITAL As técnicas de modulação digital são empregadas quando se quer transmitir dados digitais através de canais de comunicação passa-banda. Canais: Link de microondas, canais de satélite, ou uma linha telefônica. Neste caso modula-se uma portadora senoidal pelos dados digitais. O sinal de informação consiste de um trem de pulsos digitais do tipo NRZ (polar ou bipolar).
MODULAÇÃO DIGITAL Assim, o processo de modulação digital envolve o chaveamento de algum parâmetro de uma portadora senoidal: Amplitude, freqüência ou fase Do mesmo modo que na modulação analógica tem-se três tipos básicos de modulação: ASK, FSK e PSK ASK: modulação por chaveamento de amplitude FSK: modulação por chaveamento de freqüência PSK: modulação por chaveamento de fase
TIPOS BÁSICOS DE MODULAÇÃO DIGITAL
MODULAÇÃO ASK AMPLITUDE-SHIFT KEYING Modula-se a amplitude da portadora pelo sinal binário na banda básica: Amplitude: 2 E b 1 - marca ou nula 0 - espaço Corresponde a uma modulação AM com índice de modulação 100% Geração: Moduladores AM ou chaveamento da portadora de RF Largura de faixa mínima de transmissão: Bw ASK = 2 B min = f b em que B min = f b /2
MODULAÇÃO ASK AMPLITUDE-SHIFT KEYING Inconvenientes da modulação ASK: 50% da energia do sinal é gasta na transmissão da portadora. O detector de envoltória apresenta baixa relação sinal-ruído Tem-se outros sistemas mais eficientes: AMDSB-SC onde não há desperdício da portadora (semelhante ao PSK) A detecção coerente melhora a SNR Nomeclatura ASK -> BASK -> transmissão binária MASK -> transmissão de M símbolos
MODULAÇÃO FSK FREQUENCY SHIFT KEYING Duas senóides de mesma amplitude e freqüência diferentes transmitem os bits 0 e 1 Ela corresponde a dois sistemas ASK tal que: ASK 1 -> f 1 -> para o sinal digital ASK 2 -> f 2 -> para o complemento do sinal digital O sistema FSK é encarado como a soma de dois sistemas ASK complementares Bw FSK = (f 2 + B MIN ) (f 1 - B MIN ) = 2 B MIN + f 2 f 1 Considerando Δf = (f 2 f 1 )/2 -> Bw FSK = 2 B MIN + 2Δf Desvio definido por: ΔΦ = Δf / B MIN Freqüência central: f 0 = (f 1 + f 2 )/2
MODULAÇÃO FSK FREQUENCY SHIFT KEYING Demodulação com dois detectores de envoltória Problemas: O mesmo da modulação AM Ruído no processo de detecção
MODULAÇÃO FSK FREQUENCY SHIFT KEYING Demodulação com PLL Vantagem da modulação FSK: Propriedades da modulação angular (menor sensibilidade ao ruído) Desvantagem: Bw duas vezes a do sistema ASK e transmissão de portadoras.
MODULAÇÃO FSK FREQUENCY SHIFT KEYING Modulação MFSK
MODULAÇÃO PSK PHASE SHIFT KEYING Dois ângulos de fase 0º (0) e 180º (π) da portadora senoidal são utilizados para representar os estados - E 0 (0) e E 0 (1) do sinal digital. Um deslocamento de 180º na portadora => inversão de sinal O sistema PSK corresponde a uma modulação (AMDSB-SC) Largura de faixa B w = 2 B min, igual ao ASK
Vantagens: MODULAÇÃO PSK PHASE SHIFT KEYING Apresenta as propriedades da modulação angular Largura de faixa menor do que o sistema FSK Economia de 50% de potência na transmissão Demodulação do sinal PSK detector coerente:
Problemas: MODULAÇÃO PSK PHASE SHIFT KEYING Deve-se recuperar a portadora com sincronismo de freqüência e fase Necessidade de se transmitir um pequeno nível da portadora Caso contrário recuperação com ambigüidade de fase: 0º ou 180º Pode-se detectar o complemento do sinal Nomenclatura: BPSK => PSK => transmissão binária PRK => reversão de fase 0º ou 180º QPSK => 4 níveis (fases) MPSK => transmissão de M símbolos
MODULAÇÃO PSK PHASE SHIFT KEYING MPSK Multinível Phase Shift Keying
MODULAÇÃO DEPSK DIGITAL ENCODED PHASE SHIFT KEYING É um sistema insensível à ambigüidade de fase O sinal digital codificado de tal modo que a informação fique contida nas transições de estado e não nós níveis lógicos de tensão O bit 1 é transmitido na ausência de transição => estado anterior O bit 0 é transmitido quando ocorre uma transição de estado Este codificador é composto por uma porta X-NOR e um bloco de atraso interligados como mostra a figura abaixo: Decodificação
Exemplo: MODULAÇÃO DEPSK DIGITAL ENCODED PHASE SHIFT KEYING Considere a seguinte seqüência A = {1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1} Caso a seqüência recebida fosse o complemento a seqüência decodificada seria a mesma. Considere que um bit da seqüência S foi recebido errado: Problema: O erro se propaga => dobra a probabilidade de erro
MODULAÇÃO DEPSK DIGITAL ENCODED PHASE SHIFT KEYING Vantagens: Facilidade no processo de demodulação Insensibilidade à ambigüidade de fase Não há necessidade de se transmitir uma parcela da portadora Apresenta demoduladores mais simples como abaixo: Simplificação na demodulação: O circuito se comporta como uma porta lógica X-NOR O estágio de decodificação foi eliminado Problemas Aumenta em 1.4 a probabilidade de erro Utilizado em transmissão através de linhas telefônicas
MODULAÇÃO QPSK PSK EM QUADRATURA OU 4 - PSK Quatro fases (45º, 135º, -45º e -135º) são utilizadas para codificar os bits A cada dois bits consecutivos (DBIT) associa-se uma das fases Vantagem Redução na taxa de transmissão de símbolos pela metade Esquema de geração:
MODULAÇÃO QPSK PSK EM QUADRATURA OU 4 - PSK Distribuidor de seqüências: Coloca alternadamente nas duas saídas os bits do sinal digital. Uma das saídas é atrasada Tb segundos. Tem-se duas seqüências, S1 e Sq, que formam os dbits. Observe que a taxa de símbolos destas seqüências foi reduzida para a metade. A seqüência S1 modula uma portadora com fase nula e a Sq modula a portadora com fase 90º Tem-se dois sinais BPSK e1(t) e eq(t) Estes dois sinais são somados para gerar o sinal QPSK
MODULAÇÃO QPSK PSK EM QUADRATURA OU 4 - PSK Observe que e1 apresenta fases 0º e 180º e eq apresenta fases 90º e -90º. A soma: e1 + eq apresenta fases 45º, 135º, -45º e -135º. O intervalo entre símbolos vale 2Tb -> a taxa de transmissão é reduzida para a metade Sistemas QPSK com mesma largura de banda que o PSK transmitem o dobro de informação.
MODULAÇÃO QPSK PSK EM QUADRATURA OU 4 - PSK Demodulação coerente para o sistema QPSK Na entrada: Eles são filtrados e aplicados nos regeneradores para recuperar S1 e Sq. O circuito intercalador de seqüências recupera a seqüência de bits
MODULAÇÃO QAM QAM => Modulação em amplitude e quadratura É uma extensão do sistema M-PSK (fases múltiplas) Combina deslocamentos amplitude (ASK) e de fase (PSK) Representação: M-QAM Em que: Resultando nos sistemas 4-QAM, 8 QAM, 16 QAM,... 256 QAM Para v = 2 tem-se o sistema QPSK Cada estado está relacionado com v bits o que premite uma redução na largura de faixa para 1/v em relação ao sistema BPSK Constelação para os sistemas 16-PSK e 16-QAM
MODULAÇÃO QAM
MODULAÇÃO QAM Composição dos sinais 16-QAM
MODULAÇÃO QAM Diagrama em blocos do demodulador - 16QAM
MODULAÇÃO QAM Comparação de sistemas M-PSK e M-QAM Probabilidade de erro: P E = 10-6. Densidade de informação:
MODULAÇÃO QAM Probabilidade de erro Admitindo ruído branco gaussiano erfc x =1 erf x = 2 x e t 2 dt
MODULAÇÃO QAM Probabilidade de erro 1 PSK ; 2 FSK e ASK ; 3 - DEBPSK
BIBLIOGRAFIA HAYKIN, S. Sistemas de Comunicação Analógicos e Digitais, 4ª ed, Porto Alegre: Bookman, 2004. GOMES, A. Telecomunicações Transmissão e Recepção, 20ª ed, São Paulo: Érica, 2005. YOUNG, P. H. Técnicas de Comunicação Eletrônica, 5ª ed, São Paulo: Prentice-Hall, 2006. HWEI P. HSU. Comunicação Analógica e Digital, 2ª ed, Porto Alegre: Bookman, 2006.