Practica sobre IQTUTOR - Escuela Colombiana de Ingeniería

PRACTICA SOBRE IQTUTOR
1. OBJETIVOS:
•
General:
Identificar los tipos de modulación en cuadratura mediante el software
IQTUTOR.
•
Especificos:
•
•
Conocer el funcionamiento del software IQTUTOR, sus comandos y
características para poder aprovechar los servicios que ofrece en la
evaluación de la calidad de una señal digital transmitida.
Realizar análisis sobre las señales que se pueden observar en el transmisor
y receptor de sistemas de comunicación que aplican modulación en
cuadratura.
2. MARCO TEORICO:
Desde los inicios de las comunicaciones electrónicas se ha buscado optimizarlas
reduciendo el ancho de banda de transmisión, emitiendo menor potencia y
buscando mayor cobertura. Así fue como surgieron las comunicaciones digitales y
dentro de estas, versiones de modulación digital mejoradas, tales como las
modulaciones en fase y en amplitud en cuadratura M-árias.
En esta práctica se pretende dar a conocer el software IQTUTOR, su
funcionamiento, sus comandos y características para aprovechar al máximo los
servicios que ofrecen en el análisis de señales presentes en un sistema de
comunicación digital con modulaciones en fase y en amplitud en cuadratura M-árias.
Además con el IQTUTOR se puede modificar el método de modulación, examinado
la calidad de la señal bajo ciertas condiciones de transmisión (S/N, “α” factor de
caída del filtro de coseno realzado, etc.)
Uno de los aspectos mas importantes que
trabaja el software es el patrón de ojo,
este es un método visual que permite
evaluar la calidad de la señal recibida.
Consiste en monitorear mediante un
osciloscopio la información digital recibida
en el sistema según el punto de interés.
Esta figura está formada por la
superposición de los bits que constituyen
la señal recibida y se sucede en el
tiempo. La superposición de todas las
combinaciones posibles de los bits forma
el diagrama del ojo. El procedimiento es
explicado gráficamente para una serial AMI o HDB3 suponiendo que todas las
secuencias de bits posibles (sólo 8 en la figura) se superponen, de forma que se
produzca la situación que se indica en lo figura.
En la figura anterior ET representa el instante optimo de muestreo, Y la distorsión en
los instantes de muestreo, S umbral de decisión, X la sensibilidad al error de
sincronización (dada por la pendiente de la apertura del ojo evaluada en los
instantes de paso por el nivel O) y Z el margen de ruido (dado por la altura de la
apertura del ojo).
Debido a que los filtros redondean las esquinas, transformando una onda cuadrada
de trazo grueso, en la onda que se indica con trazo delgado, es suficiente
superponer todas las ondas mostradas (A - H) para obtener el diagrama de ojo. Este
diagrama se usa para verificar la calidad de la señal PCM recibida, puesto que
cualquier distorsión de los impulsos, superposición de ruido, reconstrucción
imperfecta del reloj, etc., provoca un cierre del ojo, es decir, una reducción de sus
dimensiones.
3. MATERIALES:
Computador con software IQTUTOR.
4. PROCEDIMIENTO :
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•
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•
•
•
•
Influencia de la relación señal a ruido (SNR) en la constelación de las
señales, el diagrama de ojo y la P(e).
Ajustar la modulación QPSK, SNR=40dB y α=0.3
Observar y representar la constelación de las señales a la salida del
modulador de amplitud y fase del filtro transmisor y del demodulador IQ.
Observar el diagrama de ojo de la señal Q a la salida del demodulador
IQ. Indicar el instante óptimo de muestreo y el nivel de decisión. ¿Cuál es
el margen de defensa contra el ruido? (medir en cm.) ¿Cuál es el margen
contra errores de muestreo? (medir en nseg).
Cambiar el SNR a 10dB. Observar el diagrama de ojo de la
señal Q y la constelación a la salida del demodulador. Compararlos con los
anteriores (SNR =40dB) ¿Qué diferencias se encuentran?
Ajustar el SNR a 4dB. Observar el diagrama de ojos de la
señal Q y la constelación a la salida del demodulador. Explicar lo que ocurre.
Observar la salida del detector de bit y completar la siguiente
tabla:
SNR (dB)
8
6
4
2
0
Errores (E)
P(e) Medido = (E)/100
P(e) ideal
0.00132
0.01986
0.0859
0.19679
0.32359
¿A que se deben las diferencias del P(e) ideal y el P(e) medido?
•
•
•
Influencia de la SNR en el tipo de modulación.
Ajuste de la modulación a 8PSK, SNR = 40dB y α=0.3
Observar y representar la constelación de señales y el diagrama de ojo
de la señal Q la salida del demodulador IQ. Indicar el instante óptimo de
muestreo ¿Se puede hablar de niveles de decisión? Si es afirmativo
¿Qué valores tendrían? ¿Cual es el margen de defensa contra el ruido
(en cm)? ¿Cuál es el margen contra errores de muestreo (en nseg)?
ii. Cambiar el SNR a 10dB y observar le constelación de señales y el diagrama
de ojo de la señal Q a la salida del demodulador IQ. Comparar con las
observaciones anteriores (SNR=40) ¿Qué diferencias se observan?
Compararlos con la modulación QPSK ¿Con que modulación se encuentra
un mayor P(e)?
•
Influencia del factor de redondeo “α” en el espectro de la señal transmitida.
o
Observar el espectro de la señal de entrada del filtro
¿Por qué tiene forma irregular? ¿Corresponde lo anterior con la forma que
dicen los libros? ¿Cuál es el efecto del filtro?
o
Obtener el BW de la señal transmitida y almacenar la
pantalla con S para referencias siguientes.
o
Fijar α=0.9. Observar el espectro de la señal a la salida
del filtro. Recuperar la pantalla almacenada y comparar ¿Cuál es el nuevo
BW? En este sentido ¿Cuál seria el valor ideal para α?
•
Influencia de α en el diagrama de ojos de la señal recibida.
i.
Ajustar la modulación a 16QAM, SNR=40dB, y α=0.1. Observar el diagrama
de ojos de Q a la salida del demodulador IQ y almacenarlos usando S. ¿Cuál
es el margen contra errores de muestreo? ¿Cuál es el margen de defensa
contra ruido?
ii. Cambiar α=0.9 y repetir el apartado anterior. Comparar los diagramas de ojo
usando repetidas veces R. ¿Cuál es el margen contra errores de muestreo?.
¿Cuál es el margen de defensa contra el ruido?.
Considerando
los parámetro medidos ¿Cual seria el valor de α más interesante y por qué?
5. DIAGRAMAS:
Para la óptima realización del procedimiento (Numeral 4); es de vital importancia tener
en cuenta los siguientes aspectos:
¾
¾
¾
Tiempo óptimo de muestreo es el escogido para muestrear y se localiza en el
punto donde la abertura vertical del ojo es mayor.
El Instante Óptimo de Muestreo es el punto donde la abertura del ojo es mayor
(Color Azul).
El Nivel de Decisión es el lugar donde hay cruce de señales en el tiempo óptimo
de muestreo (Color Rojo).
¾
¾
El Margen de defensa contra el Ruido del sistema esta dado por la mitad de la
mayor abertura vertical del ojo (medida en cm).
Para el Margen contra Errores de Muestreo, es necesario tomar dos valores en cm
(x1 y x2) a lo ancho del ojo de manera que su división sea un factor positivo y
menor a 1, luego se asume una velocidad transmisión, ejemplo E1=2048 Kbps, el
factor dado se multiplica por la velocidad transmisión y el resultado se invierte.
Para hallarlo, se tiene:
•
x1 y x2
•
•
•
x2
x1
x2
(E1)
x1
1
x2
(E1)
x1
(Datos Tomados de la grafica)
(Factor de multiplicación)
(Multiplicación del Factor por la tasa de Transmisión)
(Margen contra errores de Muestreo (nseg).)
Nivel de Decisión
Mayor
Abertura
(cm)
x2
Instante Óptimo de
Muestreo
Diagrama de ojo
x1
Señal de Salida del Modulador en f y t
Diagrama de Constelación
6. COMPARACION, ANÁLISIS Y CONCLUSIONES:
•
•
•
•
Realizar un análisis comparativo de la influencia de la SNR al patrón de ojo.
Realizar un análisis comparativo de la influencia del tipo de modulación.
Realizar un análisis comparativo de la influencia del factor de redondeo.
Realizar un análisis comparativo de la influencia de α al patrón de ojo.
7. CUESTIONARIO:
•
¿Qué es transmisión digital y radio digital? Cuales son sus diferencias?
Mencione dos ejemplos para cada una.
¿Qué es modulación en cuadratura? De ejemplos
¿Qué es la ley de HARTLEY? Y que relación tiene con el limite de SHANNON?
Y ¿cuál es la relación de ambas con el ancho de banda y la relación S/N?.
¿Qué ventajas tiene en ancho de banda las diferentes modulaciones de
cuadratura?
¿Qué es un Dibit?
•
•
•
•
8. ENTREGABLES:
Se debe realizar un artículo en Formato IEEE que contenga la siguiente
información. Este articulo no debe superar las 6 paginas (3 hojas por lado y lado)
•
•
•
•
Breve descripción de la práctica, incluye procedimiento.
Resultados (graficas y tablas).
Análisis de los resultados obtenidos.
Conclusiones.
El desarrollo del cuestionario en entregara en una hoja aparte. Con el mismo
formato de texto del articulo.
9. HORAS DE TRABAJO:
4 horas
BIBLIOGRAFÍA:
COUCH León, Digital and Analog Communication System, Editorial Maswell
MacMillan.
SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons.
ANEXO:
MANUAL DE OPERACIÓN I*QTUTOR
1. INTRODUCCIÓN
La variedad de tecnologías inalámbricas, la complejidad de detalles y el conjunto de
criterios que deben ser abordados rápidamente por un Ingeniero de telecomunicaciones
exige que los métodos de aprendizaje y la claridad de conceptos a adquirir, sean
soportados en ayudas didácticas como el tutorial cuyo Manual de Operación se describe
a continuación.
1.1 QUÉ ES?
Es un tutorial de comunicaciones digital que se instala en un computador personal que
opera sobre un sistema operativo DOS.
Como todo programa tiene unas entradas y unas salidas. Las entradas son controladas
mediante un teclado y las salidas son representaciones gráficas elegibles por el
operador, que se muestran en un monitor.
1.2 QUE HACE?
Este programa permite controlar un sistema de comunicaciones como si fuera real, es
decir, simula los parámetros fundamentales que caracterizan un radio enlace digital y
muestra sus efectos.
1.3 COMO LO HACE?
Utilizando las flechas del teclado se puede mover el apuntador de prueba hacia las
diferentes señales, diagramas y textos que están representados por iconos en la
primera figura que aparece en el software.
En caso de duda respecto a las teclas activas en el teclado para utilizar y para conocer
la descripción de todas ellas, oprimir la barra espaciadora.
1.4 PARA QUE?
Para que el usuario mediante la observación, el análisis y las mediciones sobre las
señales gráficas representadas en el dominio del tiempo y de la frecuencia, así como en
el diagrama de simulación vectorial o de constelaciones, precise los efectos que
producen las modificaciones de los parámetros que se varían en el modo de edición,
para aprender, comprobar y afianzar los conceptos fundamentales que caracterizan los
enlaces reales de comunicaciones digitales y pueda obtener beneficios aplicables a los
campos del mantenimiento, ingeniería, interventoría, etc.
1.5 CON QUE?
Con la variación de los siguientes parámetros:
• El tipo de modulación,
• La relación señal a ruido y
• El factor de redondeo de los filtros
Y la verificación de:
• La probabilidad de error
• Los diagramas de ojo
• Los diagramas de constelaciones y
• Las gráficas espectrales
Sobre las cuales el usuario realizará las mediciones y los análisis.
Los posibles valores que pueden tomar los parámetros mencionados son los siguientes:
• Tipos de modulación: 8PSK, BPSK, QPSK, 16QAM, 0QPSK, y 016QAM.
• La relación señal a ruido se puede cambiar entre -4 dB y +40 dB, en pasos de 2dB.
• El factor de redondeo del filtro se puede modificar entre 0,1 y 0,9, en pasos de
0,1.
Es importante aclarar desde ahora que el diagrama de ojo y el diagrama vectorial y de
constelaciones, que se utilizan para los análisis, son dos proyecciones bidimensionales
diferentes de una figura tridimensional, cuyos ejes se denominan I, Q y t (tiempo). Así el
diagrama de constelaciones es la gráfica I versus Q y el diagrama de ojo es la gráfica I
o Q versus Tiempo.
2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS
2.1 HARDWARE Y SOFTWARE:
Se requiere como mínimo un computador que opere bajo DOS o versiones posteriores a
la 3.0, que era la configuración difundida cuando este programa fue registrado (1986).
No obstante en el sistema operativo Windows presenta dificultades, pues no deja
capturar imágenes.
Aunque puede trabajar con procesador 286, se sugiere algo mejor que minimice el
tiempo de cálculo requerido para las operaciones.
Como el programa consta de 23 archivos que no ocupan más de 280 KB, se puede
concluir que cualquier computador que opera en la actualidad es suficiente para este
programa.
Tampoco requiere de un mouse para su operación y es suficiente un monitor
monocromático.
2.2 INSTALACIÓN:
Para instalar el programa que cabe en un diskette de 3.5 pulgadas, haga lo siguiente:
1. Cree un directorio denominado IQ tutor.
2. Copie todos los archivos del diskette a este directorio.
3. Ejecute el programa denominado “Iqtutorc”, para poner en operación el
programa y probar.
3. FORMA DE USO
3.1 DESCRIPCIÓN DE TECLAS:
A continuación se presenta un listado de las teclas empleadas para manejas el
IQTutor
TECLA
Space Key
(Barra Espaciadora)
Flecha a la Derecha
Flecha a la Izquierda
Flecha Arriba
Flecha Abajo
Q
E
S
R
Enter
End
DESCRIPCIÓN
Tecla para avanzar de Pagina
•
•
•
•
•
•
Cambia de posición a la derecha el patrón de ojo por Q.
Moverse en los módulos de comunicación digital.
Cambia de posición a la izquierda el patrón del ojo Q.
Moverse en los módulos de comunicación digital.
Cambia la posición arriba del patrón del ojo por I.
Ir a la siguiente página (estando en la principal) donde
están los gráficos de la señal tanto análoga como
digital, además de una ayuda que ofrece al sistema en
este módulo.
• Cambia la posición abajo del patrón del ojo por I.
• Ir a la siguiente página (estando en la principal) donde
están los gráficos de la señal tanto análoga como
digital, además de una ayuda que ofrece al sistema en
este módulo.
Salir del IQtutor
Editar parámetros del IQtutor (debe estar la tecla Bloq
Mayús en off)
Coloca en memoria el gráfico que se presente en ese
momento en la pantalla.
Al presionar esta tecla hace una comparación entre el
gráfico en memoria (S) y el nuevo (donde está ubicado)
Ubicado en los gráficos análogos y digitales ubica al
usuario en el patrón del ojo / Salir del gráfico del patrón del
ojo
Rota el patrón del ojo por t.
Rota el patrón del ojo por t
Cambia la constelación de On a Off
Decremento del tamaño del patrón del ojo.
Incremento del tamaño del patrón del ojo.
Page Down Key
/
<
>
3.2 DESCRIPCIÓN GENERAL:
5
1
2
3
6
4
7
8
9
10
11
12
13
1
14
15
Conversor Análogo Digital:
El conversor toma el signo a ser transmitido y lo digitaliza. El signo original se
prueba a una proporción regular, y el nivel analógico resultante de cada muestra
se convierte en un nivel discreto. Realiza las etapas del PCM (Muestreo
Cuantificación y Codificación).
2
MAP: Da origen a las señales I y Q.
Filtro: Pasabajo
3
Una vez que los signos han sido generados por el MAP, ellos normalmente son
filtrados antes de la transmisión. La razón para esto se manifiesta en el espectro
de filtrado de las señales I y Q.
Se puede controlar la anchura del filtro de los datos en este sistema usando la
función Edit para cambiar el valor de α (Alpha) del filtro (“es el coeficiente del
filtro”).
4
Moduladores:
Este modulador consiste esencialmente en dos mezcladores, uno para la
entrada de canal de fase I y otro para el canal de cuadratura de fase Q. Este
proceso permite que ambas señales puedan ser transmitidas en un solo canal de
radio.
5
Satélite:
Siguiendo la modulación (I-Q) la señal se modula una vez más por
Radiofrecuencia (RF), incorporándolo por eso en el cause de la transmisión.
6
Demodulador RF:
En la recepción se pasa inicialmente por un convertidor descendente que coloca
la señal en el rango de IF.
7
Demodulador I-Q:
Entrega la señal I y Q al detector de Bit.
8
Detector de Bit:
Recupera la señal de reloj, devolviéndole todas las componentes que se habían
filtrado en la estación de origen. Es por eso que se puede ver completamente
cuadrada de nuevo.
9
Conversor Digital Análogo:
Finalmente se obtiene la misma señal generada por el transmisor.
10
Indicador:
Señala la ubicación donde el usuario esta ubicado, sirve de guía para conocer
en que modulo esta.
11
Gráficas que contienen en la parte superior la señal codificada I en el tiempo
que es análoga a Q, y en la parte posterior encontramos la señal I - Q en el
dominio de la frecuencia (para los módulos 2, 3, 7 y 8 aunque en este ultimo en
la parte posterior se encuentra el espectro de la señal a la salida). En los demás
se encuentran gráficas congruentes con su modulo.
12
Son textos alusivos al modulo en el que s encuentra ubicado, con el fin de dar
mas claridad acerca de las señales recibidas y/o enviadas allí.
13
Selecciona el tipo de modulación que se desee, esta entre: QPSK, BPSK,
8PSK, 16QAM, O16QAM, OQPSK. (Para seleccionar el tipo de modulación es
necesario presionar la tecla ¨E¨).
14
Selecciona el SNR (Nivel de Señal a Ruido) que desee, esta entre 40dB a 4dB con intervalos de 2 en 2.
15
Selecciona el coeficiente del filtro α (alpha) que desee, se encuentra entre 0.1 a
0.9.