Transmissão digital em banda passante

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

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

• Goto;
• Sum;
• Display;

Communications System Toolbox

• Random Integer Generator;
• QPSK Modulator Baseband;
• Raised Cosine Transmit Filter;
• AWGN Channel;
• QPSK Demodulator Baseband;
• Constellation Diagram;
• Eye Diagram.

DSP System Toolbox

• Spectrum Analyzer.

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

• Inport;
• Sine Wave;
• Product;
• Outport;

Interference

• Sine Wave;
• Constant;
• Math;
• Gain;
• Outport;

Upconverted Spectra

• Inport;
• Concatenate;
• Spectrum Analyzer;

Downconverter

• Inport;
• Sine Wave;
• Product;
• Math (conj);
• Outport;

Compute BER

• Inport;
• Error Rate Calculation;
• Integer to Bit Converter;
• Constant;
• Outport;

Calculate RMS EVM

• From;
• Delay;
• Inport;
• Outport;
• EVM Measurement;

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.