Modem Bandabase (Nivel Físico)

MODEM BANDABASE (NIVEL FÍSICO) BASADO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11B
Jesús Viñas, Neil Díaz, Humberto Campanella
Grupo de Telecomunicaciones y Señales. Universidad del Norte, Km 5 antigua vía Puerto Colombia
E-mail: [email protected]
SUMMARY
This article describes an implementation of the IEEE 802.11b base band physical layer. The prototype performs both
Direct Sequence Spread Spectrum Barker and Direct Sequence Spread Spectrum CCK modulation. These modulation
schemes coexist in the 802.11b PHY layer, to modulate both the header and data fields, respectively. The Barker scheme
was demodulated by means of a matched filter working at 4 times the chip rate. On the other hand, CCK demodulation was
suited by a Fast Walsh Transform. Functional testing was conducted, by modulation and demodulation of the binary input
signal, with an emulation of the AWGN channel as the perturbance element. The system was prooved to achieve a BER of
10-6 when 16 and 13 dB of Eb /N0 were reached, for Barker and CCK, respectively. The prototype exhibits a 1 Mbps TX/RX
data rate, implemented on a FLEX 10K50RC240-4 FPGA of ALTERA.
RESUMEN
Este artículo describe el desarrollo de la capa física de un módem banda base que se basa en el estándar IEEE 802.11b para
redes inalámbricas. Este mó dem realiza modulación y demodulación Direct Sequence Spread Spectrum Barker y Direct
Sequence Spread Spectrum CCK , los cuales coexisten en el módem para el ensanchamiento de las tramas de encabezado y
datos 802.11b, respectivamente. La demodulación para el esquema Barker se ejecutó mediante un filtro acoplado que
funciona a 4 veces la tasa de chip, en tanto que el esquema CCK hace uso de la Transformada Rápida de Walsh. Para
ambos esquemas de modulación, el sistema fue probado introduciendo la señal modulada en una emulación de canal
AWGN, y demodulándola para medir la tasa de bits errados (BER) en el receptor. Se realizaron medidas para diferentes
niveles de energía y ruido, logrando un BER de 10-6 cuando se alcanzaban relaciones Eb/N0 de 16 dB y 13 dB, para el
modulador Barker y CCK, respectivamente. Se logró alcanzar una tasa de datos de 1Mbps, utilizando para la realización de
este proyecto una FPGA 10k50RC240 -4 de ALTERA.
MODEM BANDABASE (NIVEL FÍSICO) BASADO EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.11B
J. J. Viñas, N. O. Díaz, H. Campanella
Grupo de Telecomunicaciones y Señales. Universidad del Norte, Km 5 antigua vía Puerto Colombia
E-mail: [email protected]
RESUMEN
Este artículo describe el desarrollo de la capa física de un
módem banda base que se basa en el estándar IEEE 802.11b
para redes inalámbricas. Este modem realiza modulación y
demodulación Direct Sequence Spread Spectrum Barker y
Direct Sequence Spread Spectrum CCK, los cuales coexisten
en el módem para el ensanchamiento de las tramas de
encabezado y datos 802.11b, respectivamente. La
demodulación para el esquema Barker se ejecutó mediante un
filtro acoplado que funciona a 4 veces la tasa de chip, en tanto
que el esquema CCK hace uso de la Transformada Rápida de
Walsh. Para ambos esquemas de modulación, el sistema fue
probado introduciendo la señal modulada en una emulación de
canal AWGN, y demodulándola para medir la tasa de bits
errados (BER) en el receptor. Se realizaron medidas para
diferentes niveles de energía y ruido, logrando un BER de 10-6
cuando se alcanzaban relaciones Eb/N 0 de 16 dB y 13 dB, para
el modulador Barker y CCK, respectivamente. Se logró
alcanzar una tasa de datos de 1Mbps, utilizando para la
realización de este proyecto una FPGA 10k50RC240-4 de
ALTERA.
1. INTRODUCCIÓN
En años recientes, se ha observado y comprobado la
necesidad de interconectar estaciones de trabajo para
compartir información y recursos, como software y
hardware, mediante algún tipo de red, es decir, cada día
se hace más imperiosa la necesidad de estar on-line [3].
La Universidad del Norte, cuenta con una red de
computadores con la cual, estudiantes, profesores y
funcionarios, comparten información y recursos como
software y hardware, mediante accesos a esta red en salas
de usuario, salas de Internet, laboratorios y oficinas. Pero
debido al creciente número de miembros de la
universidad, la red institucional hoy en día ya no puede
garantizar una cobertura para todos sus miembros.
Además, el desarrollo del mercado de los laptops y los
PDA (Personal Digital Assistant), así como en general,
sistemas y equipos de informática portátiles, harán
posible que estudiantes, profesores y funcionarios puedan
estar en continuo movimiento, al mismo tiempo es
necesario que estén en contacto con los servidores de la
red, para que éstos le presten los servicios que demanden,
es decir, que se les proporcione movilidad y acceso a la
red. La falta de cobertura de la red de la Universidad del
Norte, y la escasa flexibilidad que esta red ofrece, para
proporcionar movilidad y acceso a los estudiantes,
profesores y funcionarios, hace que se busque una
solución óptima y viable, con la cual se satisfagan las
necesidades anteriormente mencionadas. La solución que
se propone, se basa en ofrecer conexiones a los puntos de
red mediante el uso de un sistema inalámbrico. Dicho
sistema actuaría como un camino confiable y seguro para
los datos emitidos por una estación de trabajo y el punto
de red, este punto de red a su vez brindará conexión con
la red cableada institucional. La selección de este sistema
inalámbrico, satisface la necesidad de tener acceso a la
red, desde lugares donde sería funcionalmente imposible
tenerlos, por medio de la ampliación de la red cableada
actual, como en las zonas de estudio y los jardines. Al
evitar la instalación de muchos puntos de red, se estaría
ahorrando el coste de instalación de acometidas en el
campus. No habría que instalar complejos esquemas de
cableado, ni contratar a especialistas en cableado, y
tampoco habría que preocuparse por los daños
estructurales, causados por el tendido de cables en la
estructura física de la universidad. Con el sistema
inalámbrico, se podría llevar cobertura de la red, a los
laboratorios o bloques nuevos, sin necesidad de instalar
un complejo cableado, economizándose los costos que
implicaría llevar puntos de red fijos, hasta áreas un poco
apartadas de los bloques principales de la universidad,
donde se encuentra la mayor parte de la infraestructura de
la red. En resumen, el sistema inalámbrico que se
propone llamado sistema Wireless IP, consigue la
flexibilidad y la movilidad que complementaría a la
actual red cableada de la Universidad del Norte,
brindándoles a todos los usuarios: profesores, estudiantes
y funcionarios, una posibilidad que nunca antes se había
tenido, que es movilidad por todo el campus universitario
sin perder la productividad que ofrece el trabajo en red.
Por las necesidades anteriores fue creado el proyecto
Wireless IP siendo su objetivo general: desarrollar un
prototipo de red de comunicaciones ‘Wireless IP’ para el
campus de la Universidad del Norte. El Modem
bandabase basado en el estándar IEEE 802.11b hace parte
del sistema Wireless IP, ya que el propósito de todo
sistema de comunicaciones es transmitir señales de
información a través de un canal de comunicaciones, para
lo cual se necesita un modem que adecue las señales para
la transmisión al canal. El Modem bandabase tiene como
objetivos:
• Definir y evaluar el tipo de modulación en espectro
ensanchado que el dispositivo utilizaría para la
transmisión de los datos.
• Diseñar y construir un sistema de procesado en
bandabase para la modulación en espectro
ensanchado.
• Construir una interfaz que permita la integración
futura con un bloque para el manejo de potencia y
radioemisión del módem.
• Desarrollar los diferentes filtros necesarios para
garantizar, que el rendimiento del sistema cumpla
con los estándares de calidad que apliquen para este
tipo de sistemas.
En las siguientes secciones se presentará el estado del
arte sobre las trabajos similares o tecnologías
comerciales; una descripción general del Sistema
Wireless IP, en la cual se explica brevemente que
elementos conforman al sistema; la descripción detallada
de la realización del Modem bandabase, en la cual se
muestra los detalles de realización de los moduladores
Barker y CCK; las pruebas y los resultados que se
obtuvieron, las conclusiones, los agradecimientos y las
referencias bibliográficas.
2. DISPOSITIVOS EXISTENTES BASADOS EN
IEEE 802.11B
Actualmente en el mercado existen numerosos
fabricantes que ofrecen dispositivos para redes
inalámbricas basados en el estándar IEEE 802.11 y sus
extensiones. En este numeral se describirán algunos
dispositivos ofrecidos por 3COM, Intel e Intersil.
2.1. 3 Com
3Com ofrece una gran variedad de productos
inalámbricos, tales como puntos de acceso, puentes,
dispositivos orientados hacia clientes y routers.
El 3Com® 11a/b/g Wireless PC Card es un dispositivo
orientado hacia clientes que utilizan computadores
portátiles y notebooks. Éste soporta los tres estándares de
redes inalámbricas, el IEEE 802.11a, 802.11b y 802.11g,
proporcionando una completa compatibilidad con todas
las redes inalámbricas. Adicionalmente existe un modo
turbo, con el cual la tarjeta logra velocidades hasta 104
Mbps. En este modo la tarjeta debe ser utilizada con un
punto de acceso 3Com [8].
2.2. Intel
Intel tiene un producto conocido como Intel®
PRO/Wireless 2100, el cual funciona de forma conjunta
con el resto de componentes de la tecnología móvil Intel
Centrino (tecnología móvil de Intel para portátiles) para
ofrecer la libertad y la flexibilidad de trabajar y jugar en
cualquier lugar sin tener que buscar un conector
telefónico, un cable de red, o tener que conectar una
tarjeta especial [9]. Con compatibilidad con 802.11b y
velocidades hasta 11 Mbps, la conexión de red Intel
PRO/Wireless 2100 hace posibles las conexiones de red
rápidas.
2.3. Intersil
Intersil ofrece el procesador bandabase Direct Sequence
Spread Spectrum HFA3861B. Éste a diferencia de los
productos de los otros fabricantes no es una tarjeta que se
conecta a un computador, sino un chip en el cual se
realizan las funciones de capa física definidas por el
estándar IEEE 802.11b.
El HFA3861B tiene incorporados un conversor A/D y
D/A para las entradas y salidas análogas I y Q, realiza los
esquemas de modulación diferenciales DBPSK, DQPSK
y CCK [6]. Además cuenta con un bus de propósito
general a través del cual se realiza la configuración de
éste.
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA
WIRELESS IP
A continuación se describirá de forma general el sistema
Wireless IP y el sistema MODEM bandabase basado en
el estándar IEEE 802.11b.
3.1. Wireless IP
El diagrama general del sistema ‘Wireless IP’ (Wi IP)
se muestra en la figura 1, en este diagrama se muestran
los componentes del sistema. El sistema está compuesto
por dos tipos de dispositivos: dos terminales inalámbricos
y un punto de acceso. El punto de acceso, es el
dispositivo encargado de la comunicación entre la red de
área local inalámbrica Wi IP, con la red cableada
institucional de la Universidad del Norte. El segundo tipo
de dispositivo, es el terminal inalámbrico, este consta de
una interfaz, un MODEM bandabase y una etapa de RF y
potencia. La interfaz es el módulo encargado de traducir
los formatos de trama de la red de área local inalámbrica
Wi IP basada en la norma IEEE 802.11 y la red de área
local cableada de la Universidad del Norte basada en la
norma IEEE 802.3. El MODEM bandabase, está
encargado de la adecuación de la señal entregada por la
interfaz, incluyendo las funciones de entramado,
modulación de la cabecera y datos en bandabase con una
técnica de espectro ensanchado. La etapa de RF y
potencia se encarga de transmitir por el canal de radio los
datos suministrados por el MODEM bandabase, así como
de manejar los niveles de potencia adecuados; todos éstos
dispositivo estarán basados en la norma IEEE 802.11 e
IEEE 802.11b.
•
Terminal inalámbrico
INTERFAZ
802.3 -802.11
MODEM
BANDABASE
RF Y
POTENCIA
•
Terminal inalámbrico
PUNTO DE
ACCESO
INTERFAZ
802.3 -802.11
•
MODEM
BANDABASE
RF Y
POTENCIA
•
RED
CABLEADA
UNINORTE
Fig. 1. Sistema Wireless IP
3.2. Modem Bandabase
En la figura 2, se muestra el diagrama de bloques del
sistema MODEM bandabase. Este sistema tiene como
funciones: establecer un protocolo de comunicaciones
con la capa MAC (interfaz 802.3 – 802.11) y con la etapa
de RF y potencia, realizar el entramado y desentramado
apropiado, modular y demodular correctamente la
cabecera y los datos.
A continuación se presenta una breve descripción de cada
bloque contenido en el diagrama de bloques.
• Manejo primitiva MAC. Este bloque se encarga de
establecer un protocolo de comunicación con la
entidad MAC, de tal forma que el MODEM
bandabase pueda prestarle un servicio adecuado a
ésta.
• Manejo primitiva RF. Al igual que el bloque
anterior, este bloque establece un protocolo de
comunicaciones con la etapa de RF y potencia, con
el fin de que la señal de datos modulada en
bandabase sea entregada correctamente a la etapa de
RF y viceversa.
• Controlador modulación. Este bloque tiene como
función seleccionar el tipo de modulación, de
acuerdo a si se esta transmitiendo la cabecera o los
datos. Si es la cabecera se escoge el modulador
Barker y si son los datos se escoge el modulador
CCK.
• Controlador demodulación. Al igual que el bloque
anterior, éste tiene como función seleccionar el tipo
de demodulación, de acuerdo a si se esta recibiendo
la cabecera o los datos. Si es la cabecera se escoge el
•
•
•
•
demodulador Barker y si son los datos se escoge el
demodulador CCK.
Entramado y modulador Barker. Este bloque tiene
como función realizar el entramado y la modulación
de la cabecera, dicha modulación es Barker.
Demodulación y sincronismo Barker. Este bloque
cumple una de las funciones más importantes y es la
de la sincronización del sistema. De una correcta
sincronización, depende una correcta demodulación
de datos y un correcto desempeño del sistema.
Desentramado y validación de trama. Posterior a la
etapa anterior, se debe realizar el desentramado, con
el fin de separar la cabecera de los datos y así poder
validar la trama y entregar los datos correctamente a
la MAC.
Modulador de datos CCK. Este bloque realiza la
modulación CCK para los datos.
Demodulación de datos CCK. Este bloque se
encarga de realizar la demodulación CCK de los
datos
Mux. Este bloque es un multiplexor, y la labor que
realiza consiste en que una de sus entradas
(modulador Barker) es la salida cuando se esta
transmitiendo la cabecera y luego cuando se van a
transmitir los datos, la otra entrada (modulador
CCK) es la salida.
Demux. Este bloque es un demultiplexor y cumple
la labor inversa del bloque Mux.
Adquisición de señal. Este bloque se encarga de la
parte de la adquisición de datos, que suministra la
etapa de RF y potencia, este bloque consta de
conversores análogos digitales.
INTERFAZ CON MAC
MANEJO
PRIMITIVA MAC
CCONTROLADOR
E MODULACIÓN
NCONTROLADOR
DEMODULACIÓN
T
R
A
DESENTRAMADO
Y
VALIDACIÓN
DE TRAMA
L
ENTRAMADO Y
MODULADOR BARKER
MODULADOR DE
DATOS CCK
M
U
X
DEMODULACIÓN DE
DATOS CCK
DEMUX
DEMODULACIÓN Y
SINCRONISMO BARKER
ADQUISICIÓN
DE SEÑAL
MANEJO
PRIMITIVA RF
INTERFAZ CON RF
Fig. 2. Sistema MODEM Bandabase.
4. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL SISTEMA
MODEM
A continuación se detallará la realización de los bloques
de modulación y demodulación Barker y CCK.
4.1. Modulador Barker
El modulador Barker se ilustra en la figura 3. Éste consta
simplemente de un modulador de producto que tiene
como entradas de datos los bits y de portadora el patrón
de código. La salida de éste también se ilustra en la figura
3, y en ésta se puede observar que cuando en la entrada
hay un bit ‘1’ la salida es el patrón de código desfasado
180°. La forma de realizar el modulador de producto fue
mediante una compuerta xor con su salida negada y la
generación del patrón de código Barker se realizó
mediante una máquina de estados.
MODULADOR CCK
ROM
I
PISO
RAMA I
DATOS
SIPO
ROTACIÓN
DQPSK
6
ROM
Q
RELOJ
1 MHz
RAMA Q
PISO
MAPEO DE 6 BITS A CÓDIGO
COMPLEJO DE 8 BITS
1
2
BITS
DQPSK
2
0100 1000 111
MODULADOR DE
PRODUCTO
CHIPS
Fig. 4. Modulador CCK.
PATRÓN
DE
CÓDIGO
10110 111 000
Fig. 3. Modulador Barker. [3].
4.2. Modulador CCK
Para la transmisión de los datos se utilizó el esquema de
modulación CCK (Complementary Code Keying). En la
figura 4 se muestra la realización del mismo. La entrada
de datos al multiplexor es serial, el multiplexor lo que
realiza es la conversión de entrada de datos en serie a una
salida en datos paralelos para ser usada por los demás
componentes del modulador. El mapeo de los seis bits de
entrada a una salida Ck, que está compuesta por un
conjunto de ocho elementos complejos, se lleva a cabo
mediante la siguiente ecuación:
ej(ϕ1+ϕ2+ϕ3+ϕ4),ej(ϕ1+ϕ3+ϕ4),ej(ϕ1+ϕ2+ϕ4),−ej(ϕ1+ϕ4),
Ck = j(ϕ+ϕ +ϕ ) j(ϕ +ϕ ) j(ϕ+ϕ ) j(ϕ )

e 1 2 3 ,e 1 3 ,−e 1 2 ,e 1

Si se factoriza por e
Ck = e
j(ϕ1 )
j (ϕ 1 )
Ec 1 [5].
se obtiene la expresión:
ej(ϕ2+ϕ3+ϕ4), ej(ϕ3+ϕ4), ej(ϕ2+ϕ4),−ej(ϕ4) ,
 j(ϕ2+ϕ3) j(ϕ3) j(ϕ2)

e

, e ,−e ,1
Ec 2 [6].
Donde Ck es la palabra código usada para ensanchar la
señal de entrada, es decir, Ck es el k-ésimo chip, donde
C0 es el que se transmite primero y los signos negativos
en C3 y C6 indican una rotación de 180 ° conocida como
covercode, éste optimiza las propiedades de correlación
de las secuencias complementarias y minimiza el offset
de los códigos [5]. Como se puede inferir de la segunda
ecuación, Ck depende de cuatro componentes, tres de los
cuales (ϕ2, ϕ3, ϕ4) arrojan un vector complejo de ocho
componentes y ϕ1 modifica la fase de ese vector de ocho
componentes complejos arrojado por las demás
componentes (ϕ 2, ϕ3, ϕ4). Los bits de datos d0 y d1
codifican la fase ϕ1, mediante una codificación DQPSK
que actúa dependiendo si el símbolo a ser codificado es
par o impar [7].
Los datos d2 y d3 codifican la fase ϕ2, los datos d4 y d5
codifican la fase ϕ3 y los datos d6 y d7 codifican la fase
ϕ4 [7].Todas estas codificaciones se realizan con una
codificación no diferencial QPSK.
Al recibirse 8 bits de datos en serie, el multiplexor envía
los 6 bits más significativos al módulo que mapea estos 6
bits en la palabra código. Luego envía los dos menos
significativos hacia el codificador DQPSK para alterar la
fase de la palabra código. Entonces, se tienen 64 códigos
diferentes y a estas 64 se les puede alterar la fase con una
de cuatro posibilidades, lo que da un total de 256 posibles
símbolos, cada uno con 8 chips.
4.3. Demodulación y sincronismo Barker
Este bloque es el encargado de sincronizar al sistema y
demodular la cabecera. La importancia de este bloque
radica en que éste se encarga de la sincronización del
sistema, la cual es pieza clave en el desempeño del
mismo ya que una vez lograda ésta, se puede identificar
el comienzo de cada bit y se puede realizar la decisión
sobre éstos con éxito.
La sincronización se logra a través de dos filtros
acoplados a la secuencia de chips Barker, un bloque que
realiza la operación de valor absoluto, un sumador, un
detector de picos y un bloque que regenera el reloj
transmitido. El esquema de sincronización es mostrado
en la figura 5.
I
Q
3
I
3
Q
FILTRO
ACOPLADO
FILTRO
ACOPLADO
7
7
Éste mismo bloque valida si el proceso de sincronización
ha terminado, y lo realiza de la siguiente forma: deben
ocurrir por lo menos tres picos de máxima salida de los
filtros acoplados igualmente espaciados, si no sucede esto
el reloj no se empieza a regenerar.
Una vez el proceso de sincronización ha finalizado,
empieza el proceso de demodulación Barker DBPSK. El
esquema de demodulación Barker DBPSK se muestra en
la figura 6.
7
 
1
7
 
Σ
DETECTOR
DE PICOS
7
1
REGENERADOR
DE RELOJ
FILTRO
ACOPLADO
I
CLK
7
3
I
RETRASO
1
4
BIT
Tb
4
MHz
÷
3
+S
4
MHz
CLK
12MHz
RETRASO
Tb
3
Q Q
FILTRO
ACOPLADO
7
1
4
1
DECISOR
1 si y>0
0 si y<0
Fig. 5. Esquema de Sincronización.
CLK
CLK 4MHz
Los filtros acoplados realizan la correlación cruzada entre
el código Barker y las señales I y Q. Cuando las señales I
y Q son iguales al código Barker, la salida del filtro
acoplado es máxima, ya que la señal de entrada se acopló
con el código Barker. Estos filtros acoplados funcionan a
cuatro veces la tasa de chips, esto con el fin de lograr una
sincronización más fina y, por ende, que el desempeño
del sistema mejore. Debido a que los filtros acoplados
pueden generar su máxima salida como un pico positivo
o un pico negativo dependiendo del bit transmitido, se
necesita un bloque que obtenga sólo el valor positivo de
cada muestra que arrojen los filtros acoplados, esto con el
fin de poder sumar las muestras de los dos filtros y poder
establecer un umbral para la detección de picos. Luego se
procede a sumar las muestras positivas de los filtros, para
luego entregárselas al detector de picos. El detector de
picos compara con un umbral previamente establecido si
efectivamente ocurrió una máxima salida en los filtros
acoplados. El umbral de decisión se escogió de la
siguiente forma, el máximo valor a la salida en los filtros
acoplados es 33 después de realizárseles la operación del
valor absoluto. El máximo valor es 33, ya que las
muestras que entran a los filtros acoplados varían entre 3
y –3, por lo tanto si se supone que el ruido corrompe al
sistema al punto que las muestras que valen 3 en realidad
valen 2, la máxima salida absoluta de los filtros
acoplados sería de 22 y la suma 44. Éste ultimo valor es
el que se elige como umbral para la comparación y la
detección de picos. La siguiente operación que se realiza
es la regeneración del reloj. Este bloque se encarga de
regenerar el reloj de transmisión de los datos de cabecera
una vez el proceso de sincronización haya terminado.
RELOJ
REGENERADO
Fig. 6. Demodulación Barker.
Los filtros acoplados que se utilizan en la
demodulación Barker DBPSK son los mismos que se
utilizan en el esquema de sincronización, por lo tanto lo
que se explicará ahora, será la detección diferencial.
En el esquema de demodulación Barker DBPSK , los
filtros acoplados funcionan a 4MHz, pero la parte de la
detección diferencial funciona con el reloj de datos de
cabecera, esto debido a que en esta etapa se realiza la
detección a nivel de bit y no de chip.
El esquema de detección diferencial funciona de la
siguiente forma. El reloj regenerado es el encargado de la
lectura de muestras de los filtros acoplados. Al haber
finalizado el proceso de sincronización, el reloj
regenerado está en la capacidad de decir donde sucede
cada bit, por lo tanto este es el reloj que alimenta al
esquema de detección diferencial. Con base en lo
anterior, al bloque de detección diferencial sólo entran las
máximas mu estras de los filtros acoplados y con estas se
realiza la decisión de bit. La decisión de bit se realiza con
la comparación de la suma de las muestras de los filtros
acoplados retrasadas y multiplicadas con un umbral
preestablecido, el cual es cero; si es mayor que cero se
decide por un bit cero si es menor que cero se decide por
un bit uno.
4.4. Demodulación CCK
Una vez se haya recibido completamente la cabecera,
empieza el proceso de demodulación de datos. La
demodulación de los datos se realiza a través de una
poderosa herramienta matemática, conocida como la
transformada Walsh, en esta sección se explicará la
implementación de esta herramienta.
En la figura 7 se muestra el esquema de la demodulación
CCK.
DECISIÓN
CHIP
I
I
3
Tc
∫0
2
2
Q
Q
5
Tc
∫0
M
U
X
/
S
I
P
O
M
A
R
I
P
O
S
A
1
I
5
M
U
X
/
E
S
T
A
D
.
.
.
5
I5
DECODIF
DE BIT
SELECCIÓN DE LA
MAYOR SALIDA B
R
1
6
.
R
R
5
5
I
M
A
G
N
I
T
U
D
1
0
I
G
G
E
S
T
P
I
C
K
E
R
P
I
S
O
6
2
2
DQPSK
TRANSFORM.
WALSH
CLK
4MHz
CLK
12MHz
Fig. 7. Esquema de demodulación CCK.
El primer bloque con que cuenta éste esquema es el de
decisión de chip, en este bloque se utilizan dos
integradores digitales, los cuales suman las muestras que
hay por cada chip, en este caso hay cuatro muestras por
chip. Una vez sumadas las muestras por cada chip, se
decide si se recibió un uno o un cero. El criterio utilizado
es el siguiente: si la suma da mayor que cero indica que
se recibió un uno y si da menor que cero se recibió un
cero. Una vez se efectué la decisión en ambas ramas ya se
tiene el chip recibido. El bloque MUX/SIPO, multiplexa
y coloca en paralelo a las ramas I y Q, de tal forma que a
su salida se obtienen los ocho chips, esto con el fin de
que los chips entren en paralelo a la mariposa. Una vez
estén los ocho chips a la salida del MUX/SIPO, la
mariposa empieza a funcionar. La mariposa es la forma
de realizar la transformada Walsh, y se muestra la figura
8 para 8 chips.
+
+
c0
+
ϕ1 = 1, j, -1, -j
ϕ2 = 1, j, -1, -j
1
j
-1
-j
φ2
c1
c2
φ2
+
-c3
c4
φ2
+
c5
-c6
c7
φ2
+
+
+
+
+
+
+
+
φ1
φ1
φ1
φ1
φ1
φ1
φ1
φ1
φ1
+
+
+
+
+
+
+
+
φ1
φ1
+
+
+
+
φ1
φ1
+
diferentes valores complejos y reales y se procede a
decidir cual fue la mayor magnitud que se obtuvo de la
mariposa. Vale la pena resaltar que sólo se construyó una
mariposa, y lo que se hizo fue variar la fase ϕ2 para un
solo bloque de la mariposa. Igualmente sólo existe un
solo bloque que realiza la operación de extraer la
magnitud a un número complejo, por lo tanto lo que se
realiza es un barrido de las 64 salidas de la mariposa, a
cada una se le extrae la magnitud y se compara
inmediatamente con el valor anterior de la magnitud.
+
+
φ1
φ1
φ1
Fig. 8. Realización de la transformada Walsh. [7].
Una vez la mariposa ha realizado las operaciones de
suma y multiplicación, aparecen en sus 64 salidas los
Al realizar estas operaciones de forma secuencial y no
combinacional, se debe utilizar un reloj lo
suficientemente rápido de tal forma que en el tiempo que
demoran los ocho chips a la salida del bloque MUX/SIPO
se pudieran realizar las operaciones de magnitud,
comparación y decisión de bit. Una vez se termina el
proceso anterior, el bloque de biggest picker arroja en su
salida los 6 bits correspondientes a la decodificación de
las fases ϕ2 , ϕ3 y ϕ4 , esta decodificación se realiza a
través de una memoria ROM interna en la FPGA, la cual
tiene almacenados los bits. Adicionalmente el biggest
picker obtiene de la salida con mayor magnitud de la
mariposa, la fase ϕ1, esta fase se codifica con 2 bits, los
cuales se ingresan
al bloque DQPSK para luego
realizarles la operación diferencial. El bloque final es la
decodificación de bits, en el cual se concatenan los 6 bits
provenientes del biggest picker y los dos bits
provenientes del bloque DQPSK.
5. PRUEBAS Y RESULTADOS
A los esquemas de modulación se le realizaron pruebas
de BER, excitando a los moduladores con una secuencia
seudoaleatoria de bits. La finalidad de estas pruebas es
determinar el rendimiento del sistema ante la presencia de
ruido. Para la realización de las anteriores pruebas fue
necesaria la construcción de un sistema de emulación de
canal el cual se muestra en en la figura 9. Este dispositivo
tiene como función emular el efecto que tendría el canal
sobre la señal de datos de salida del sistema MODEM. El
emulador consta de filtros pasabajos de 1 MHz de ancho
de banda en cada rama (I y Q) en el transmisor; a la
salida del filtro del transmisor se le agrega ruido blanco
gausiano y posteriormente se filtra de nuevo en el
receptor. Las pruebas se realizaron sobre el mismo
sistema MODEM empleado un lazo de re torno
(Loopback ) en lugar de emplear una configuración
extremo a extremo (e nd to end). Lo anterior se justifica
debido a la simplificación conseguida en la configuración
loopback en el momento de alinear los datos transmitidos
y recibidos para el cálculo del BER del sistema, este
esquema se muestra en la figura 10.
I
FILTRO
PASABAJO
1MHZ
FILTRO
PASABAJO
1MHZ
Gráficas de BER para el sistema MODEM
Q
1.0E-02
AWG
Q
FILTRO
PASABAJO
1MHZ
FILTRO
PASABAJO
1MHZ
Fig. 9. Emulador de canal.
BIT ERROR RATE
1.0E-03
I
DSSS -Barker-
1.0E-04
DSSS CCK
1.0E-05
1.0E-06
8
10
12
14
16
18
Eb/No (dB)
Fig. 11. Gráficas de BER del sistema MODEM.
Sistema
MODEM
Emulador
de canal
Fig. 10. Esquema para la realización de pruebas.
De igual manera y como sugiere la Figura 10 se
observaron las respectivas señales a la salida y a la
entrada del módem utilizando osciloscopio y analizador
de espectro digitales .
En la figura 11, se muestra las gráficas de BER obtenidas
de la prueba de BER realizada al sistema MODEM para
las dos clases de modulación. Estas curvas se generaron
tomando diferentes relaciones de energía de bit sobre
densidad espectral de potencia de ruido. Para ello se
modific ó sucesivamente la potencia del ruido gausiano
(AWG), tomando una lectura de BER para cada valor de
ruido e iniciando una nueva transmisión una vez se
ajustase el nuevo nivel de AWG. Se analizaron los dos
esquemas de modulación que utiliza el módem,
presentándose en una única gráfica con el ánimo de
apreciar mejor la relación entre sus condiciones de
operación.
Debido a que ambos sistemas de modulació n, Barker y
CCK, hacen parte funcional del módem para ensanchar el
encabezado y los datos respectivamente, es preciso
asegurar que las figuras de desempeño de ambos
esquemas sean satisfactorias. En tal caso, las condiciones
de operación del sistema deberían restringirse tomando
como base el modulador que peor rendimiento muestre,
en este caso el Barker, tal como se evidencia en la Figura
11. Esto implica que la potencia de transmisión para
lograr una tasa de BER objetivo debe ser la mínima que
requiera el sistema Barker.
6. CONCLUSIONES
El tipo de modulación en espectro ensanchado que se
definió para la transmisión de datos del prototipo está
basado en el estándar IEEE 802.11b. Específicamente se
utilizan el Direct Sequence Spread Spectrum Barker y el
Direct Sequence Spread Spectrum CCK, el primero para
la transmisión de la cabecera de la trama PLCP y el
segundo para la transmisión de datos. Estos dos tipos de
modulación se definieron, con base en un estudio de las
normas IEEE 802.11, IEEE 802.11b y otra serie de
documentos que se citan a lo largo de este proyecto. Se
definió la modulación Barker para la cabecera, debido a
que los códigos Barker son ampliamente utilizados para
la sincronización de sistemas de comunicaciones. Se
definió la modulación CCK, ya que esta es la que
presenta la mejor eficiencia espectral de todas las
modulaciones del estándar IEEE 802.11b, brindando así
la mayor velocidad.
Estos dos tipos de modulación se evaluaron mediante una
prueba de laboratorio que se realizó con el prototipo
sistema MODEM. En esta prueba se concluye que para
un BER de 1e -06 valor de referencia para la transmisión
de datos, el modulador Barker, necesitariá una Eb/No de
16 dB y para la modulación CCK se necesitaría una
Eb/No de 13 dB. Esto demuestra la mejora en la
desarrollo de la capa física de IEEE 802.11b, ya que
mejoran los dos recursos más preciados en un sistema de
comunicaciones: el ancho de banda y la potencia. Estos
valores prácticos de Eb/No le sirven de guía al sistema de
RF y Potencia, para que a la hora de modular transmitan
con suficiente energía.
El prototipo stand alone que se construyó desarrolla los
dos tipos de modulación el Direct Sequence Spread
Spectrum Barker y el Direct Sequence Spread Spectrum
CCK. Éstos son los que define el estándar IEEE 802.11b.
Con la construcción de este prototipo se concluye que la
tecnología utilizada para la realización de éste, es una de
las más adecuadas ya que permite acomodarse a las
diferentes exigencias del diseño, debido a que es un
sistema completamente abierto.
Se construyó y definió una interfaz que permitirá la
integración futura con el sistema de RF y Potencia y la
entidad MAC. Esta interfaz define características
eléctricas (niveles de voltajes), mecánicas (tipo de
conector) y funcionales (señal que va por cada terminal).
La construcción de esta interfaz facilitará la realización
del Sistema Wireless IP.
Se desarrollaron filtros acoplados en el receptor con el fin
de realizar la sincronización y la etapa de decisión de
chips. Estos filtros permiten un óptimo rendimiento del
sistema, ya que sin estos el sistema no se podría
sincronizar ni adquirir los chips. Se comprobó
efectivamente que el código Barker presenta excelentes
propiedades de autocorrelación.
7. REFERENCIAS
Libros:
[1]
[2]
[3]
S. Haykin. Communication Systems. 2000.
R. Dixon. Spread Spectrum with Commercial Applications. John
Wiley & Sons. 1994.
A. Tanenbaum. Redes de Computadores. Prentice Hall. 1997.
Estándares:
[4]
[5]
IEEE Wireless LAN Medium Acces Control (MAC) and Physical
Layer (PHY) Specifications, IEEE 802.11, 1999.
IEEE Wireless LAN Medium Acces Control (MAC) and Physical
Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer
Extension in the 2.4 GHz Band, IEEE 802.11b, Septiembre 1999.
Drafts:
[6]
A Carl y W Mark. CCK modulation Delivers 11 Mbps for High
Rate IEEE 802.11 Extension. 2000
[7] A Carl y W Mark. Harris/Lucent CCK Description: Additional
Covercode and Fast Transform Detail. Septiemnre 1998.
Páginas web
[8] http://www.3Com.com.
[9] http://www.intel.com.