31/08/2012
INSTITUCION UNIVERSITARIA DE
ENVIGADO
Tecnología en Gestión de Redes 2012-1
Modulación
Modulaciones analógicas
Modulaciones digitales
Codificación
Duplexación
FDM, TDM, CDM
Técnicas de acceso al medio
FDMA, TDMA, CDMA
OFDM/OFDMA
RADIOCOMUNICACIONES
Modulación
La modulación es una operación que consiste básicamente en hacer
variar, con arreglo a una ley determinada (otra señal por ejemplo), una
de las características de una onda (generalmente la amplitud, la
frecuencia, la fase o una combinación de éstas), de modo que las
modificaciones de la misma permitan a continuación, y en otro sitio,
identificar las señales moduladoras, y/o reconstruir la ley según la cual
se ha producido la modulación.
Para qué modular ???
• Para adaptar las señales al medio.
• Para multiplexar señales.
• Para optimizar consumo de recursos (espectro y potencia).
• Para reducir efectos del ruido y la interferencia.
• Para superar limitaciones de los equipos.
• Para simplificar componentes y facilitar su construcción (antenas,
transmisores y receptores.
Básicamente hay dos tipos de modulación según las características de las señales utilizadas: Modulación analógica y Modulación digital.
Portadora ModuladoraSeñal
ModuladaNombre
Analógica Analógica Analógica Analógica
Digital Analógica Digital De pulsos
Analógica Digital Analógica Digital
Digital Digital Digital Codificación
Tipo/Parámetro Analógicas Digitales Digitalización
En amplitud
AM-DSBFC
AM-SSBFCAM-SSBSCAM-SSBRC
AM-ISB
AM-VSB
ASKSC-ASK
xQAMPAM
En frecuencia FM
FSKCP-FSK
MSK
GMSK
PWM
PPM
En fase PM
BPSKD-PSKQ-PSKxPSK
xQAM
Otros
PCMDPCM
DM
Modulación analógica:
(t) = A(t) cos ( 2fct + (t) )
Modulación
de amplitud
Aplicaciones:
• Usos militares
• Radioaficionados
• Televisión (crominancia)
• Radiodifusión
• Video en TV
• Telemetría y comunicaciones móviles
• Comunicaciones analógicas por satélite
Modulación angular
Modulación de
frecuencia
Aplicaciones:
• Radiodifusión
• Comunicaciones móviles
• Ingeniería de sonido
• Comunicaciones analógicas por satélite
Modulación de
fase
Aplicaciones:
• Radiodifusión
• Ingeniería de sonido
Modulación digital:
ASK (Amplitude Shift Keying) → SC-ASK (Suppressed Carrier
ASK)
FSK (Frquency Shift Keying) → MSK/CP-FSK (Minimum Shift
Keying)/(Continuous Phase FSK) y GMSK (Gaussian MSK)
PSK (Phase Shift Keying) → BPSK, DPSK y xPSK
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) → xQAM
La modulación digital se utiliza principalmente para adaptar
señales binarias al medio de transmisión. Las principales
modulaciones de este tipo son:
Señal que ha de modular la portadora
ASK (frecuencia y fase constantes)
FSK (amplitud y fase constantes)
PSK (amplitud y frecuencia constantes)
tiempo
tiempo
tiempo
tiempo
Los puntos a, b, c , d y e corresponden a un
cambio de f ase de 180°
amplit
udam
plitud
amplit
udam
plitud
a bc
de
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Q I C
0,765V
1,848V
0,765V
1,848V
0,765V
1,848V
0,765V
1,848V
-135°
-135°
-45°
-45°
+135°
+135°
+45°
+45°
Entrada
Binaria Fase y amplitud
de salida de
8QAM
twccos
twccos
twsen c twsen c
101
100
111
110
000
001 011
010
Constelación para 8QAM
ciclo
bits
Hzbandadeanchomínimo
bpsntransmisiódetasaEspectralEficiencia
)(___
)(__
Esquema de
modulaciónCodificación
Ancho de banda fN
(Hz)
Eficiencia espectral
(bps/Hz)
FSK Bit sencillo fb 1
BPSK Bit sencillo fb 1
QPSK/QAM Dibit fb/2 2
8-PSK Tribit fb/3 3
8-QAM Tribit fb/3 3
16-PSK Quadbit fb/4 4
16-QAM Quadbit fb/4 4
No: Densidad espectral de potencia de
ruido
E: Energía de símbolo (E=nEb, donde
Eb es la energía de bit)
Eo: Energía de la señal con la máxima
amplitud
n: Número de bits por símbolo (n=Log2
M)
Probabilidad de error en modulaciones digitales:
Constelaciones para 16PSK y 16QAM con E=Eo=Es
1
2
sE
sEsE
sE
Símbolo QAM Símbolo PSK Símbolos QAM y PSK
Modulación de pulsos (digitalización):
PCM (Pulse Coded Modulation)
→ DPCM (Differential PCM) y
A-DPMC (Adaptative DPCM)
DM (Delta Modulation) → ADM
(Adaptative DM)
Señal que ha de modular la portadora
PAM (ancho y posición constantes)
PWM (amplitud y posición constantes)
PPM (ancho y amplitud constantes)
tiempo
tiempo
tiempo
tiempo
ampl
itud
ampl
itud
ampl
itud
ampl
itud
Codificación
Codificación de voz
Codificación para adaptación de señales al medio
Codificación para compresión de datos
Codificación para corrección y detección de errores
Codificación para seguridad de la información
La codificación es básicamente una “modulación” en la cual ambasseñales (portadora y moduladora) son digitales y se operansiguiendo cierto “algoritmo”. Existen cinco dominios amplios parala codificación, los cuales son:
PCM (Pulse Coded Modulation) en codificación de voz:
Filtro
pasabanda
Señal
de voz
Muestreador/Retenedor
(Modulador PAM)
PCM lineal
300Hz
3,4KHz
ts,f
s
Señal limitada en
banda Señal PAM
q
CODEC
n
00101101
Cuantización y
codificación
Compresor
digital
Tx
PCM
comprimido
0100110
MEDIO DE TRNASMISIÓN
300Hz
3,4KHz
Expansor
digital
Rx
CODEC
n
Retenedor
PCM
comprimido
0100110
PCM lineal
00101101
Señal PAM Señal
de voz
El muestreo se realiza a una f recuencia fs=8KHz, se ubica en
uno de los q niv eles de cuantif icación y se codif ica a n bits.
Las etapas Tx y Rx son de adaptación al medio e incluy en otra
serie de procesos.
Decodificación
y retención
Filtro
pasabanda
El muestreo se realiza a una frecuencia fs=8 KHz, se ubica cada
muestra en uno de los q niveles de cuantificación y se codifica
con n bits.
Las etapas Tx y Rx son de adaptación al medio e incluyen otra
serie de procesos.
Códigos de línea:
Códigos Unipolar, Polar y Bipolar
Código Manchester
Código Duobinario
Dicode, Bifase Space, Bipolar de Alta Densidad
HDB3
M-aria
2B1Q, 3B2T, 4B3T
Espectro de potencia de diferentes codificaciones
Codificación HDB3
Codificación M-aria
Dígitos de entrada
Dígitos codificados
Forma de onda
transmitida y(t)
Codificación para compresión de datos:
La codificación para comprimir datos (como la compansión digital
por ejemplo) se realiza con el fin de aprovechar la redundancia en
los datos, transmitir menos información y por lo tanto reducir los
requerimientos de ancho de banda y velocidad para la
transmisión.
La mayoría de las codificaciones realizadas con estos propósitos
se efectúan en niveles muy superiores al nivel físico y de enlace.
Algunos formatos de compresión muy conocidos son el MPG para
video, el JPG para imágenes, el MP3 para audio, el RAR para datos
en general, entre muchos otros.
Consiste en adicionar una cantidad determinada de bits a lainformación transmitida de tal manera que una variación en ellosrefleje una alteración en los datos y pueda ser reconocido por elreceptor.
Detección de errores:• Redundancia• Codificación de cuenta exacta• Paridad• Chequeo de redundancia vertical y horizontal• Revisión de redundancia cíclica
Corrección de errores:• Sustitución de símbolos• Retransmisión• Seguimiento de corrección de error
ARQ
FEC
Usan ACks
y NACs
• De bloque
•
Convolucionale
s
Codificación para detección y corrección de errores:
Codificación para seguridad de la información:
Por lo general son llamados sistemas de encriptación o cifrado, loscuales implementan algoritmos complejos para “convertir” lainformación a un formato que solo pueda ser entendido(desencriptado o descifrado) por un receptor que conozca tanto elalgoritmo utilizado como uno o dos parámetros adicionalesdenominados keys o claves (passwords).
• Síncronos
•
Autosincronizante
s
Algoritmos
criptográfico
sDe
clave
pública
De
clave
privada
Utilizan los
principios de
ocultación,
transposición y
sustitución
Cifrado
de flujo
Cifrado de
bloque
Ejemplos de estándares: RC4, DES, 3DES, PGP, AES, PKI, WEP,MD5, Rijndael, CMEA, A1/A5 y A5/A2
El modelo de sistema de comunicaciones
Medio
de Tx
Procesamiento
de señal
Modulador
Transmisor
Desti
no
Procesamiento
de señal
Demodulador
Receptor
Fu
en
te
m(t)
s(t)
n(t)
r(t)
m(t)
Este es un modelo simple de comunicaciones, pero en la mayoría de las
aplicaciones hay requerimientos y características particulares que hacen
que el modelo sea más complejo pues considera que:
1. Los sistemas deben permitir comunicación bidireccional.
2. El medio es compartido por múltiples usuarios.
Entonces de momento se dirá que los sistemas inalámbricos, en la mayoría
de los casos, tendrán que implementar técnicas y mecanismos para
hacerle frente a estos requerimientos.
Duplexación
Duplexación es la técnica para hacer que la comunicación sea full
duplex. Existen dos tipos de duplexación desarrolladas e
implementadas hasta el momento: Frequency Division Duplex (FDD)
y Time Division Duplex (TDD).
Normalmente en la práctica, una comunicación duplex o full duplex se
establece utilizando dos canales simplex, uno para cada dirección de
transmisión.
La duplexación es muy importante a la hora de considerar las
tecnologías a desplegar en un área determinada (un país por
ejemplo), porque determina el esquema de funcionamiento y la ruta
evolutiva hacia sistemas de mayores prestaciones en el futuro.
Frequency Division Duplex (FDD):
Time Division Duplex (TDD):
Code Division Duplex (CDD):
Es una técnica basada en codificación.
No tiene hasta el momento demasiadas implementaciones
comerciales debido a su complejidad junto con las técnicas
de acceso al medio.
Una aplicación importante ha sido en algunos sistemas
satelitales modernos.
La idea con CDD es que el canal de subida (UpLink) y el de bajada
(DownLink) utilicen la misma frecuencia, al mismo tiempo, pero
utilizando codificaciones ortogonales de las señales con un “código
clave” diferente en cada dirección.
Técnicas de acceso al medio
Se definen para el subnivel MAC de la capa de Enlace en el
modelo OSI.
Su implementación es física.
Implican “únicamente” a la interfaz de radio del sistema.
Están relacionadas con la capacidad, calidad, eficiencia,
seguridad, confiabilidad, disponibilidad, velocidad de
transmisión, flexibilidad y compatibilidad/interoperabilidad
del sistema particular.
Las técnicas de acceso al medio comprenden ciertos esquemas que se
han propuesto e implementado para asignar los recursos de la red a
los usuarios de la misma; específicamente, determinan la manera
como los usuarios acceden al medio de transmisión para utilizarlo.
Cada usuario en una frecuencia diferente
Un canal es una frecuencia
Ejemplos: AMPS, TACS, TD-SCDMA
Cada usuario en un periodo de tiempo (TS - Time Slot)
Un canal es una frecuencia específica usada durante un periodo específico
Ejemplos: IS-136, PDC, GSM, EDGE, TD-SCDMA
Cada usuario usa la misma frecuencia todo el tiempo pero su patrón de
código cambia constantemente
Un canal es un patrón de código único
Ejemplos: IS-95, WLAN, CDMA2000, WCDMA, BlueTooth, TD-SCDMA
OFDMA
Cada usuario usa un subconjunto de subportadoras de frecuencia y se
usa multiplexación en el tiempo sobre cada una de ellas
Un canal de tráfico es un subconjunto de subportadoras usado durante
un periodo específico
Examples: Mobile WiMAX, LTE, UMB
Frequency Division Multiple Access (FDMA):
El sistema es analógico.
El “factor de reutilización” puede ser de 0,25 o 0,1428; es
decir, 4 y 7 celdas por cluster respectivamente.
Predominante durante la primera generación de sistemas
celulares.
Su base técnica es FDM (Frequency Division Multiplex).
En FDMA, la banda asignada se subdivide en bandas mas pequeñas
(canales) que son asignados a cada usuario para la comunicación. La
modulación empleada es típicamente FM.
...Ch1 Ch4 Ch6 ...f
Canales paraUplink
Ancho de bandaasignado
Canales paraDownlink
Usuario 2
Voz Modulación con fch6
Usuario 1
Voz Modulación con fch4
Usuario 3
Voz Modulación con fch1
Ventajas de FDMA:
• Es simple y de fácil implementación.• Económico en la fabricación de componentes.• Las técnicas empleadas inciden “indirectamente” pero de formafavorable en el cubrimiento del sistema.
Desventajas de FDMA:
• Baja capacidad y dificultad a escalar el sistema en este aspecto.• Limitaciones de espectro.• Es pobre en las comunicaciones de datos.• La privacidad es mínima.• El fraude (clonación) es muy simple de realizar.• Tiene poca inmunidad frente a casi todos los fenómenos nocivospresentes en la propagación.
Time Division Multiple Access (TDMA):
El sistema es por definición digital.
El “factor de reutilización” puede ser de 0,25 o 0,1428; es
decir, 4 y 7 celdas por cluster respectivamente.
Predominante durante la segunda generación de sistemas
celulares.
Su base técnica es TDM (Time Division Multiplex).
En TDMA, la banda asignada se subdivide en bandas mas pequeñas –
igual que en FDMA – pero cada sub-banda es asignada a cada usuario
solo durante cierto periodo de forma cíclica durante la comunicación.
La modulación empleada es típicamente FM/GMSK.
...Ch1 Ch6 ...f
Canales paraUplink
Ancho de bandaasignado
Canales paraDownlink
Usuario 2
Voz Modulación con fch6
Usuario 1
Voz Modulación con fch1
Usuario 3
Voz Modulación con fch1
...t
Longitud de latrama
TS4
...TS1 TS4
t
Longitud de latrama
Ventajas de TDMA:
• Capacidad 3 a 6 veces mayor que la de TDMA.• Permite jerarquización de celdas.• Mejor desempeño en comunicaciones de datos.• Mayor seguridad debido a la digitalización.• Mayor inmunidad al ruido.• Mejora el rendimiento de las baterías en los terminales.• Facilita la prestación de nuevos servicios.• Es bastante efectivo en cuanto a costos.
Desventajas de TDMA:
• La capacidad aun no es considerable.• Limitaciones de espectro.• La asignación de time slots es generalmente rígida.• Muy vulnerable al fenómeno de multitrayectoria.• Su evolución hacia esquemas avanzados de acceso es muy compleja ycostosa.• Requiere sincronización.
Code Division Multiple Access (CDMA):
Es un sistema completamente digital.
El “factor de reutilización” es de 1 !!!.
Predominante para la tercera generación de sistemas
celulares.
Su base técnica es CDM (Code Division Multiplex).
En CDMA, la banda asignada se subdivide en bandas de anchura
considerable que son asignadas a cada usuario para la comunicación,
pero cada usuario codifica dicha comunicación con códigos (PN y
Walsh) diferentes y ortogonales entre sí (canales). La modulación
empleada es típicamente PM/xPSK.
Las técnicas de espectro ensanchado:
Las técnicas de Spread Spectrum (SS) fueron desarrolladas para
optimizar la utilización del espectro en los sistemas inalámbricos.
La idea básica es lograr – mediante ciertas operaciones y procesamiento
de las señales – que la información que se va a transmitir ocupe un
ancho de banda considerablemente mayor al que realmente necesita
para ser radiada.
Hay básicamente dos tipos de técnicas SS:
• DS-SS (Direct Sequence – Spread Spectrum)
• FH-SS (Frequency Hopping – Spread Spectrum)
Señal ensanchada a 1,2288 Mcps
Aplicada al transmisor
(Mcps = MegaChips por segundo)
Mezclador
Secuencia PN a
1,2288 Mcps
Fuente de datos a
19,2 Kbps
b. Espectro ensanchado por
secuencia directab. Espectro ensanchado por saltos
en frecuencia
DS-SS:
FH-SS:
Ventajas de CDMA:
• Capacidad muy superior a la de los sistemas FDMA y TDMA.• Factor de reutilización igual a 1.• Desempeño optimizado en comunicaciones de datos.• Seguridad innata en el sistema debido a la codificación.• Buena inmunidad al ruido y al fenómeno de multitrayectoria.• Mejora considerable en rendimiento de las baterías en los terminales.• Facilita la prestación de nuevos servicios.• Fácil migración hacia esquemas avanzados.
Desventajas de CDMA:
• Intensivo en procesamiento de señal.• Esquemas complejos para el control de potencia.• Cell brithing presente.• Cubrimiento relativamente menor que en TDMA.• Electrónica compleja y costosa.• Evolución relativamente lenta.• Tecnología muy costosa.
Orthogonal Frquency Division Multiple Access (OFDMA):
Al igual que CDMA tiene muy fuerte fundamentación
matemática; no obstante, el sistema final es relativamente
simple y no es tan intensivo en procesamiento de señal.
Las implementaciones más notables son en sistemas DAB y
DVB, en algunas de las tecnologías xDSL y en parte del
estándar 802.11. Otras son aplicaciones en WiMAX y otras
tecnologías, incluyendo las celulares B3G y 4G.
Su base técnica es OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplex).
En OFDMA, la banda asignada se subdivide en bandas muy angostas
que son asignadas dinámicamente a los usuarios para en envío de
información. La modulación empleada es típicamente PM/xPSK o
AM/QAM.
Qué es OFDM?:
Es una técnica de multiplexación y acceso al medio que utiliza
básicamente FDM para asignación del espectro.
En OFDM, las señales de información de múltiples fuentes son
combinadas para formar un solo flujo de datos multiplexado creado a
partir de un denso paquete de subportadoras de reducido ancho de
banda (típicamente de 100 a 8000 subportadoras); lo que quiere decir
que se necesita tanto sincronización como coordinación para el
funcionamiento de todo el sistema.
Todas las subportadoras se traslapan en el dominio de la frecuencia (se
interfieren mutuamente) pero no causan un destructivo nivel de
Interferencia Inter-Portadora (Inter-Carrier Interferente, ICI) debido a
que la modulación tiene una naturaleza de ortogonalidad en frecuencia.
(1b)
(5b)
(4b)
(3b)
(2b)
(1a)
(5a)
(4a)
(3a)
(2a)
20
10
0
20
10
0
20
10
0
20
10
0
20
10
00 2 4 6 8 10 12 14 165 10 15 20 25 30
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-1
2
0
-2
Portadora en tiempo
(tomando 32 muestras)Portadora en frecuencia
(usando FFT de 32 puntos)
T
o
jiji
jiCdttStS
0)()(
El conjunto de señales Si(t) son
ortogonales unas con otras si se
cumplen las condiciones impuestas
por la Ecuación 1. Si cualquier par
de diferentes funciones del
conjunto son multiplicadas e
integradas en el periodo de un
símbolo, el resultado es cero.
donde:
- C: número real
- T: periodo del símbolo
casootroen
MkTttkfsentSk
__0
,...2,10)2()(
0donde:
- fo: espaciamiento de portadora
- M: número de portadoras
Lo bueno de OFDM:
Disminución de los efectos nocivos a la señal por multitrayectoria, lo que a su vez
reduce la ISI y facilita la sincronización.
En un futuro, las tasas de datos obtenidas con OFDM podrían resultar imposibles
de alcanzar con sistemas de portadora única.
Alta tolerancia a otros efectos de propagación como la atenuación Doppler, el
peak power clippling y el ruido gaussiano.
Ofrece mayor capacidad en cuanto a número de usuarios posibles en una celda
individual.
La característica “rectangular” del espectro de señal OFDM facilita la prevención
de interferencia con sistemas OFDM vecinos.
Aunque actualmente hay esquemas CDMA avanzados que ofrecen prestaciones
muy superiores, OFDM ofrece una enorme simplicidad comparativamente
hablando, además de que su desempeño empieza a incrementarse a un ritmo
exponencial en el tiempo.
Lo malo de OFDM:
Aunque los adelantos que han permitido proponer a OFDM como tecnología
candidata para la 4G son significativos, aun existen problemas relacionados con el
costo de los componentes.
Todavía existe cierta inseguridad por parte del mercado (fabricantes y operadores)
sobre la viabilidad de implementación de OFDM en sistemas celulares.
Los organismos de estandarización y normalización a nivel mundial han
especificado poco hasta el momento.
Las tecnologías actualmente establecidas también siguen una evolución
acelerada, que comparativamente podrían causar una subestimación de OFDM por
parte del sector.
Hay una necesidad muy marcada de proteger las inversiones hechas para 3G, por
lo que un sistema OFDM de 4G deberá satisfacer dicha necesidad para que
comercialmente sea aceptado.
N2 subportadoras
durante Tf
N1 subportadoras
durante Tf
N3 subportadoras
durante Tf
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