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Tecnologías de Comunicación Inalámbrica
Capítulo 5: Sistemas de Múltiplex
Octubre, 2012
Julio Gutiérrez Ríos
Σ
Múltiplex por división en
Frecuencia
Múltiplex por división en Longitud de Onda (WDM: DWDM)
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
λn
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
Múltiplex por División en el Tiempo (TDM)
TDMA = Time Division Multiple Access
Múltiplex por División en el Tiempo (TDM)
A
A
B
B
C
D
A
B
C
Multiplexor
C
D
D
A
B
C
D
t
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
Múltiplex por División en Código (CDM)
CDMA = Code Division Multiple Access
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
Detección de la Señal y Adquisición de Datos
Código
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
Secuencia
Recibida
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
···
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
···
Secuencia
Generada
por el
Receptor
Correlación de la
Secuencia Recibida
con la Secuencia
Generada por el
Receptor
Datos
Recibidos
tu2
tu1
1
0
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
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Introducción a la Tecnología Espacial - J.G.R.
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Radio - Televisión Digital
•
•
Un canal de TV analógico tiene una anchura de banda de 5.5MHz en formato entrelazado y tamaño
normal (PAL: 625 líneas).
Un canal de radio tiene una anchura de banda de unos 20 KHz.
Un canal telefónico tiene una anchura de banda de 4 KHZ.
•
Radio Televisión Digital
•
–
–
Tiene todas las ventajas de una señal digital frente al ruido y degradación. Además es susceptible de
compresión en porcentajes elevados (10 % o más)
Transmisión:
•
•
•
•
•
–
Generación
Digitalización (Conversión A/D o Muestreo)
Compresión (Formato)
Modulación
Emisión
Recepción:
•
•
•
•
•
Captación
Demodulación
Descompresión
(Conversión D/A) ** con dependencia del visualizador
Presentación
Múltiplex por división en frecuancias ortogonales – OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing)
• OFDM es una FDM especializada: todas las portadoras utilizadas son ortogonales entre sí
• Por tanto, el acoplamiento entre sub-canales (cross-talk) es nulo
• Se simplifica drásticamente el transmisor y el receptor, ya que no va a ser necesario un filtro
por cada sub-canal
• La ortogonalidad requiere que la distancia entre portadoras sea de Δf = k/Tu siendo k entero
(habitualmente 1) y Tu la duración útil de cada símbolo
• La anchura de banda total es B=N· Δf
• La ortogonalidad proporciona una buena eficiencia espectral con una velocidad de
transmisión de símbolos cercana a la de Nyquist para la señal en banda base
• OFDM requiere una sincronización muy buena entre transmisor y receptor, ya que si existen
desviaciones en la frecuencia, las subportadoras dejarían de ser ortogonales y existiría ICI (Inter
Carrier Interference), el crosstalk entre subportadoras.
• Las desviaciones en frecuencia se deben habitualmente a desajustes entre los osciladores del
transmisor y el receptor, pero también pueden deberse a efecto Doppler.
Ejemplo:
Tu = 1 ms; Δf = 1 KHz; N = 1000; B = N· Δf = 1 MHz
Para el tiempo útil de símbolo , la anchura de banda reqwuerida de acuerdo con Nyquist es N/ 2Tu =
0.5 MHz que es la mitad de nuestros requisitos en OFDM.
Sin embargo, como establecemos bandas de guarda, la anchura de banda requerida por OFDM será
aún mayor.
Ahora bien, si modulamos, por ejemplo en DSB, al multiplicar por la portadora la anchura de banda se
duplica, quedando con requisit similar a Nyquist.
Sistema de Múltiples Portadoras
“Ortogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
Anchura de Banda
Una Portadora con toda la información digital
t
f
f
“n” Portadors con la misma información digital
f
f
t
Usos de OFDM
Wireless
Redes inalámbricas de área local: wireless LAN (WLAN) radio interfaces IEEE 802.11a, g, n and HIPERLAN/2.
Sistemas de radio digital DAB/EUREKA 147, DAB+, Digital Radio Mondiale (DRM), HD Radio, T-DMB y ISDB-TSB.
Televisión digital terrestre (TDT), sistemas DVB-T y ISDB-T.
Televisión móvil terrestre: sistemas DVB-H, T-DMB, ISDB-T y MediaFLO forward link.
Redes inalámbricas personales personal area network (PAN) ultra-wideband (UWB) IEEE 802.15.3ª.
Redes celulares y banda ancha para móviles estándares: 4G y pre-4G
Modo de movilidad de wireless MAN/broadband wireless access (BWA) standard IEEE 802.16e (or Mobile-WiMAX).
El mobile broadband wireless access (MBWA) standard IEEE 802.20.
Cable
ADSL y VDSL acceso de banda ancha via POTS cableado de cobre.
DVB-C2, versión mejorada de DVB-C estándar de cabledigital TV.
Power line communication (PLC).
ITU-T G.hn, estándar que proporciona redes domésticas de alta velocidad de redes cableadas existentes .
TrailBlazer telephone line modems.
Multimedia over Coax Alliance (MoCA) home networking.
Ventajas y desventajas de
OFDM
Resumen de Ventajas
• Se puede adaptar fácilmente a condiciones severas de canal sin procesos complejos
en el dominio del tiempo
• Robusto frente a interferencias entre canales de banda estrecha
• Robust against narrow-band co-channel interference.
• Alta eficiencia espectral comparada con otros modos de modulación, como espectro
extendido etc.
• Implementación muy eficiente utilizando Transformada Rápida de Fourier (FFT)
• Sensibilidad baja a desviaciones de sincronización entre símbolos
• No se requieren filtros individuales para cada subcanal, al contrasio de lo que sucede
en FDM
• Facilita redes de frecuencia única
Resumen de desventajas
• Sensible a desplazamientos Doppler
• Sensible a problemas de sincronización de frecuancias
• Alta relación Potencia de pico/potencia media (PAPR) y requiere de circuitería lineal
en el transmisor, de eficiendia energética pobre.
• Reducción de eficiencia debida a las bandas de guarda
OFDM – Intervalos de Guarda y Periodo de Integración
Frecuencias Ortogonales (OFDM)
Tiempo de Integración de un símbolo: Tu
Frecuencia de las portadoras ortogonales: f, f+1/ Tu, f+2/ Tu, f+3/ Tu ····
Portadora enésima:
τ +Tu
∫τ
ψn = e
τ +Tu
ψ n ·ψ m ·dt = ∫
*

n
j 2π ⋅ f +
Tu

τ
e

 ·t

 n−m 
 ·t
j 2π 
 Tu 
 0 si m ≠ n
dt = 
Tu si m = n
Distribución de subportadoras piloto como marcadores de sincronismo
xc ( t ) Ac ·∑ cos (ωc t + θ + φk )· pD ( t − kD )
=
Modulación multivaluada en fase
M-PSK
k
xi ( t ) Ac ·∑ I k · pD ( t − kD )
=
k
xq ( t ) Ac ·∑ Qk · pD ( t − kD )
=
k
I k = cos φk
Qk = sen φk
φk =π ·( 2ak + N ) / M ;
ak =0,1, 2,···, M − 1;
N =0 o 1
xq
xq
(010)
(011)
(010)
(001)
(001)
(011)
(100)
(000)
(000)
xi
xi
(100)
(101)
(111)
(110)
(111)
(101)
(110)
Modulación multivaluada en Amplitud
M-QAM
xq
5Ac
3Ac
Ac
Ac
36-QAM
3Ac
5Ac
xi
Transformada Rápida de Fourier (FFT).
=
X (k )
N −1
n )W
k
∑ x (=
kn
N
n =0
N −1
kn
N
=
n 0=
n 1
n par
n impar
=
X (k )
N −2
0, 1, 2, ··· , N − 1
∑ x ( n )W
+
∑ x ( n )W
kn
N
n 2r en la suma de los pares y =
n 2r + 1 en la de impres:
Haciendo el cambio de variable =
N −1
2
2 kr
N
=
r 0=
r 0
X=
(k )
N
2
−1
∑ x ( 2r ) W
N −1
N −1
2
2
k ( 2 r +1)
k
2 kr
N
N
N
=
r 0=
r 0
+ ∑ x ( 2r + 1) W
∑ x ( 2r ) W
=
+W
∑ x ( 2r + 1)W
2 kr
N


2π
 2π

WN2 kr =
exp  − j
2kr  =
exp  − j
kr  =
WNkr2
N
N





2 
N −1
2
k
N
N
2
=
r 0=
r 0
∴ X=
(k )
N
2
−1
∑ x ( 2r ) W
kr
+W
∑ x ( 2r + 1)W
kr
N
2
En estas circunstancias, para realizar la DFT se puede emplear el esquema de la siguiente:
X (k ) =
G ( k ) + WNk H ( k )
0, 1, 2, ··· , N 2 − 1
k=
Pero con ésto sólo se han obtenido la mitad de las muestras de X ( k ) . Sin embargo, dado que
G ( k ) y H ( k ) han de ser periódicas con periodo
X ( k ) = G ( k − N 2 ) + WNk H ( k − N 2 )
k=
N
2
N
2
, para k > N 2 se puede hacer:
, N 2 + 1, N 2 + 2, ··· , N − 1
G(0)
x(0)
x(2)
x(4)
DFT de
N/2
puntos
G(1)
G(2)
X(0)
WN0
WN1
X(1)
X(2)
WN2
G(N/2-1)
x(N-2)
X(N/2-1)
WNN/2-1
H(0)
x(1)
x(3)
x(5)
DFT de
N/2
puntos
X(N/2)
H(1)
WNN/2
H(2)
WNN/2+1
X(N/2+1)
X(N/2+2)
WNN/2+2
x(N-1)
H(N/2-1)
X(N-1)
WNN-1
x(0)
X(0)
x(4)
X(1)
x(2)
X(2)
x(6)
X(3)
r
WM
(r+M/2)
WM
x(1)
X(4)
x(5)
X(5)
x(3)
X(6)
x(7)
X(7)
WMr

WMr
WM(r+M/2)
-1
x(0)
x(4)
X(0)
W20
W40
x(2)
x(6)
X(1)
-1
W41
W20
-1
W80
-1
W81
W20
-1
-1
W40
x(3)
x(7)
X(3)
-1
x(1)
x(5)
X(2)
-1
W82
-1
W20
W83
W41
-1
-1
-1
X(4)
X(5)
X(6)
X(7)
-1
Influencia del Efecto Doppler para comunicaciones móviles
Desplazamiento Doppler:
Δf=
− V s,r
c
fo
Como se deduce de la fórmula anterior el desplazamiento de cada subportadora (Δfi) es diferente, por lo que la
separación de las mismas variará en función de la frecuencia originaria de las subportadoras (fi0). Cuando esto ocurre, se
pierde parcialmente la ortogonalidad. Esto implica que al integrar una subportadora no se elimina completamente el
resto de subportadoras y se produce una interferencia entre subportadoras o ICI (Inter-Carrier Interfierence).
 V
f 0′ = 1 − s ,r
c


· f 0

1
1 V
= 1 − s ,r
Tu′ Tu 
c



Tiempo de Integración de un símbolo: T’u
Frecuencia de las portadoras ortogonales: (f, f+1/ Tu, f+2/ Tu, f+3/ Tu ····)·(1-Vs,r/c)
Todas las sub-portadoras vuelven a ser ortogonales solamente variando la frecuencia
base y los tiempos de integración en función de la velocidad relativa Vs,r