Transmissão digital em banda passante

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Introdução

Na transmissão de dados banda base a sequência de dados de entrada é representada na forma de uma onda discreta modulada por amplitude de pulso que pode ser transmitida em um canal passa-baixa. O problema é quando deseja-se transmitir dados digitais em canais que a largura largura de banda é compartilhada por vários sistemas, como é o caso do canal de comunicação sem fio ou de satélite denominado canal passa-faixa. Assim, na transmissão de dados por um canal passa-faixa (bandpass modulation) optamos por trabalhar com uma estratégia onde a modulação dos pulsos é configurada ao redor de uma portadora senoidal cuja amplitude, fase ou freqüência é variada de acordo com a seqüência de dados contendo a informação. Deste modo torna-se possível, ao contrário da transmissão em banda base, enviar dados de diversas fontes distintas simultaneamente, configurando o denominado FDM (Multiplexação por Divisão de Frequência). Basicamente deslocamos o espectro do sinal para uma banda de frequêcia onde a atenuação do canal seja aceitável.

Modelo em Simulink

Modulaçao banda passante simulink.png

Primeiramente baixe o arquivo a seguir Sistema.zip (que é uma versão parametrizável daquele encontrado na pasta em /opt/MATLAB/R20xxx/toolbox/comm/commdemos). Descompacte e certifique-se que no Matlab você esteja no diretório onde descompactou o arquivo. Digite no terminal do Matlab:

open_system('bandpass_modulation')

ou

'bandpass_modulation'

Toolbox e blocos necessários

Para realização da simulação, são necessários os Communications System Toolbox html, pdf e DSP System Toolbox™ html, pdf fornecido pelo próprio Simulink. A seguir temos os blocos utilizados no modelo de simulação:

Simulink
Communications System Toolbox
DSP System Toolbox
Subsistemas Subsystem
  • Upconverter;
  • Interference;
  • Upconverted Spectra;
  • Downconverter;
  • Compute BER;
  • Calculate RMS EVM.

Para uma melhor visualização dos blocos e subsistemas usar [Tools>Model Explorer]

Subsistemas

Alguns dos blocos do diagrama citado acima, correspondem a um conjunto de partes inter-relacionadas integrante de um sistema mais amplo, em outras palavras um subsistema. Os blocos utilizados em cada subsistema são especificados abaixo.

Upconverter
Interference
Upconverted Spectra
Downconverter
Compute BER
Calculate RMS EVM

Descrição do Modelo

Este modelo mostra uma maneira simples para executar a modulação de banda passante, multiplicando um sinal complexo modulado com uma onda senoidal para transladar o sinal na frequência. Mais informações [1]. O modelo realiza a transmissão em banda passante de sinais modulados digitalmente por um canal ruidoso ou com desvanecimento por multipercurso (Rayleigh ou Rician). Uma fonte de interferência pode ser combinada com o canal. A interferência tem uma não-linearidade cúbica que pode ser ativada ou desativada. Quando a não-linearidade está desligado, a interferência cai completamente fora de banda, mas quando ativada, o terceiro harmônico desta interferência é introduzido na banda desejada, causando interferência co-canal. A transmissão dos símbolos é realizado em frames.

Parâmetros e Seleção das Configurações do Modelo

Neste modelo é possível controlar através das variáveis do bloco "Parâmetros do modelo", os parâmetros para realização do mesmo bem como eventual testes. Os parâmetros fornecidos por este bloco são:

Parâmetros do modelo
  • symbolRate -> Taxa de símbolos (bauds);
  • symbolPerFrame -> Número de símbolos por frame;
  • Modulação digital utilizada -> Escolha da modulação usada (M-QAM,BPSK,QPSK,M-DPSK);
  • M_ary -> Ordem da modulação;
  • maxDopplerShift -> Maximum Doppler shift of diffuse components (Hz);
  • delayVector -> Discrete delays of channel (s);
  • gainVector -> Average path gains (dB);
  • LOSDopplerShift -> Doppler shift of line-of-sight component (Hz);
  • KFactor -> Ratio of specular power to diffuse power;
  • inputSignal -> Potência do sinal de entrada (watts);
  • snr -> Relação sinal-ruído (SNR);
  • EbNo -> Relação sinal-ruído (Eb/No);
  • Ativar/Desativar interferencia não-linear;
  • fci -> Frequência do oscilador de interferência (Hz);
  • fc -> Frequência do oscilador (Hz);
  • samplesPerSymbol -> Amostras por símbolo;
Ver também
Dicas para o uso e configuração do Analisador de Espectros do Simulink

Possibilidades de Testes

Os testes foram realizados nas versões 2014a e 2015a do software Matlab, funcionando perfeitamente nas mesmas. A seguir alguns testes que podem ser feitos com este modelo.

  • Analise no dominio da frequência do sinal pós Upconverter e Downconverter;
  • Podemos ver o mapeamento dos bits modulados após o mesmo sofrer as degradações impostas pelo canal através de pontos em uma constelação pelo bloco Received Constellation;
  • Outro teste válido é alterar o tipo de modulação utilizada para fins de comparação;
  • Observar a taxa de erro de bit, bem como o número de bits errados e transmitidos;
  • Observar o diagrama de olho dos símbolos transmitidos após os mesmos terem passado pelo canal;
  • Analisar a constelação dos símbolos transmitidos alterando da relação sinal-ruído com a simulação rodando para fins de comparação;
  • Observar o valor RMS do EVM(Error Vector Magnitude), que corresponde a diferença em vetores entre o sinal de entrada e o sinal recebido.

Podemos ativar ou desativar a interfêrencia co-canal e observar as seguintes caracteristicas:

OFF

  • Podemos ver após o processo de Upconverter, que no espectro esta interferência cai completamente fora da banda do sinal desejado.

ON

  • Diante da não-linearidade, a terceira harmônica da interferência cai na banda do sinal desejado.
  • Podemos observar após o processo de Downconverter, que no espectro você pode ver o tom de interferência presente com o sinal de banda base.