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TEMA 3 MODULACIONES MULTIPULSO OFDM Y ESPECTRO...

Date post: 08-Feb-2019
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T EMA 3 M ODULACIONES MULTIPULSO : OFDM Y ESPECTRO ENSANCHADO MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 1 / 35 ´ Indice Modulaciones multiportadora (OFDM) OFDM en tiempo continuo OFDM en tiempo discreto Modulaciones de espectro ensanchado Espectro ensanchado por secuencia directa Espectro ensanchado por salto de frecuencia MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 2 / 35
Transcript

TEMA 3

MODULACIONES MULTIPULSO:OFDM Y ESPECTRO ENSANCHADO

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 1 / 35

Indice

Modulaciones multiportadora (OFDM)OFDM en tiempo continuoOFDM en tiempo discreto

Modulaciones de espectro ensanchadoEspectro ensanchado por secuencia directaEspectro ensanchado por salto de frecuencia

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 2 / 35

Modulacion con multiples portadoras - FDM

Division en N subcanales

Tasa de cada subcanal: Rs = 1T baudios

Tasa total: Rs!total = 1Ts

= NT baudios

Ancho de banda de cada subcanal W/N = 2!T · (1 + !) rad/s

Transmision de una senal en cada subcanal (p.e. PAM)

Transmisor

Conversion serie / paralelo: A[m] ! {A0[n], · · · , AN!1}N ramas con senales PAM

Filtro transmisor "k(t), k = 0, · · · , N " 1

Receptor

N filtros adaptados al transmisorConversion paralelo serie: {A0[n], · · · , AN!1}! A[m]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 3 / 35

Modulador FDM

!A[m]

S/P

!A0[n]

!0(t)

!A1[n]

!1(t)

!AN!1[n]

!N!1(t)

......

...

!x0(t)

!x1(t)

!xN!1(t)

! !x(t)

TN

T

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 4 / 35

Demodulador FDM

!y(t)

! !"N!1("t) "" !qN!1[n]

! !! !! !! !"1("t) "" !q1[n]

! !"0("t) "" !q0[n]

#

t = nT

P/S ! Decisor !A[m]q[m]

TN

TN

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 5 / 35

Inconvenientes solucion FDM

Se necesitan filtros idealesIntervalos de guarda

Perdida de eficiencia espectral

Complejidad del sistemaN filtros (complejos)N muestreadores sıncronos

Solucion:N pulsos ortogonales (con solapamiento)

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 6 / 35

Modulacion OFDM en tiempo continuo

Senal transmitida

x(t) =#

2 · Re{s(t) · ej"ct}

Senal compleja en banda base

s(t) =!

n

AT [n] · !(t " nT) =!

n

N!1!

k=0

Ak[n] · "k(t " nT).

N pulsos: Filtro prototipo $ N portadoras distintas

"k(t) =1#T

· ej 2!kT ·t · wT(t)

wT(t) =

"1 0 % t < T0 resto

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 7 / 35

Pulsos ortonormales

Base ortonormal

&!k,!#' =1T

# T

0ej 2!k

T ·t · e!j 2!"T ·t dt

=1T

# T

0cos

$2#(k " $)

T· t

%dt + j

1T

# T

0sen

$2#(k " $)

T· t

%dt

=%[k " $]

Relacion entre los pulsos

"k(t " nT) = "0(t " nT) · e2!k

T ·(t!nT) = "0(t " nT) · e2!k

T ·t

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 8 / 35

Espectro de OFDM en tiempo continuo

Respuesta en frecuencia de los pulsos

|!k(j&)|2 = T · sinc2

&'& " 2!k

T

(T

2#

), k = 0, · · · , N " 1.

Ak[n] y A#[n] incorreladas y Ak[n] blanca (k

Ss(j&) =1T

·N!1!

k=0

Es,k · |!k(j&)|2

Potencia de la senal transmitida

P =1

2#

# !

"!Ss(j&) d& =

1T

N"1!

k=0

Es,k ·1

2#

# !

"!|!k(j&)|2d& =

1T

N"1!

k=0

Es,k

Constelaciones identicas: P = EsT · N

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 9 / 35

Espectro OFDM en tiempo continuo - N = 8

-10 -5 0 5 10 15 20 250

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

" · T!

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""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 10 / 35

Espectro asintoticamente plano

Indices infinitos y constelaciones identicas

Ss(j&) =Es

#!

k=!#sinc2

&'& " 2!k

T

(T

2#

)

=Es · sinc2$

&T2#

%)

#!

k=!#%

$& " 2#k

T

%

Solo es plano si se cumple

Es

T· ("0(t) ) "0("t)) ·

#!

k=!#%(t " kT) = C · %(t)

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 11 / 35

Espectro OFDM en tiempo continuo - N = 16

-20 -10 0 10 20 30 40 500

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

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" · T!

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 12 / 35

Modulacion OFDM en tiempo discreto

Ancho de banda limitado (aprox. 2#N/T rad./s)

Muestras s[m] cumpliendo Nyquist: a T/N segundosConversion digital analogica

Muestras en el intervalo 0 % t < T (Primeras N muestras)

s[m] =N!1!

k=0

Ak[0] · "k(mT/N), m = 0, · · · , N " 1

Expresion equivalente

s[m] =1#T

·N!1!

k=0

Ak[0] · ej 2!kN ·m, m = 0, · · · , N " 1

IDFT de Ak[0], con k = 0, 1, · · · , N " 1

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 13 / 35

Expresion general

Muestras de la senal OFDM

s[m] =!

n

N!1!

k=0

Ak[n] · "k(mT/N " nT)

=1#T

!

n

N!1!

k=0

Ak[n] · ej 2!kN ·(m!nN) · wN [m" nN]

wN [m] =

"1 0 % m % N " 10 resto

Filtros reconstructores: a perıodo T/N

g(t) = sinc$

NT

· t%

, G(j&) =TN

· "$

&T2#N

%

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 14 / 35

Modulador OFDM en tiempo discreto

!A[m]S/P

!A0[n]

!A1[n]

!AN!1[n]

...IDFT

N puntos

!s0[n]

!s1[n]

!sN!1[n]

...P/S !s[m]

g(t) !sr(t)

TN

TN

T T

sr(t) =!

m

s[m] · g(t " mT/N)

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 15 / 35

Base ortonormal en tiempo discreto

Funciones base

'k[m] =1#N

· ej 2!kN ·m · wN [m], k = 0, · · · , N " 1

Base ortonormal

&'k, '#' =!

m

'k[m] · '"# [m] =1N

·N!1!

m=0

ej 2!(k!")N ·m = %[k " $]

Muestras de la senal

s[m] =*

NT

·!

n

N!1!

k=0

Ak[n] · 'k[m" nN]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 16 / 35

Funciones base en tiempo continuo

Senal reconstruida

sr(t) =*

NT

·!

n

N!1!

k=0

Ak[n] ·!

m

'k[m" nN] · g(t " mT/N)

sr(t) =!

n

N!1!

k=0

Ak[n] · "k(t " nT)

Funciones base en tiempo continuo

"k(t) =*

NT

·!

m

'k[m] · g(t " mT/N)

=1#T

·N!1!

m=0

ej 2!kN ·m · sinc

$NT

· (t " mT/N)%

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 17 / 35

Funciones base en tiempo discreto

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

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tT

. ....................... #0(t). ....................... #0(t)

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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tT

. ....................... #1(t). ....................... #1(t)

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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tT

. ....................... #2(t). ....................... #2(t)

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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tT

. ....................... #3(t). ....................... #3(t)

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 18 / 35

Funciones base en tiempo discreto

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

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tT

. ....................... #4(t). ....................... #4(t)

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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tT

. ....................... #5(t). ....................... #5(t)

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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tT

. ....................... #6(t). ....................... #6(t)

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

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tT

. ....................... #7(t). ....................... #7(t)

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 19 / 35

Base ortonormal

&!k, !#' =# #

!#"k(t) · ""#(t)dt

=1T

N!1!

m=0

N!1!

i=0

ej 2!kN ·me!j 2!"

N ·i ·# #

!#g(t " mT/N) · g(t " iT/N)dt

# #

!#g(( " mT/N) · g(( " iT/N)d( = (g(t) ) g("t))|t=(m!i)T/N

Como g(t) cumple el criterio de Nyquist# #

!#g(( " mT/N) · g(( " iT/N)d( =

TN

· %[m" i]

&!k, !#' =1N

N!1!

m=0

ej 2!(k!")N ·m = %[k " $]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 20 / 35

Espectro de OFDM en tiempo discreto

Densidad espectral de potencia

Ssr(j&) =1T

·N!1!

k=0

Es,k ·+++!k(j&)

+++2

Respuesta en frecuencia de las funciones base discretas

++#k'ej"(++2 =

1N

sen2[(& " 2#k/N)N/2]sen2[(& " 2#k/N)/2]

Respuesta en frecuencia de las funciones base continuas+++!k(j&)

+++2

=NT

·+++#k

,ej" T

N

-+++2·$

TN

%2

· "$

&T2#N

%

+++!k(j&)+++2

=T

N2 · sen2[(& " 2#k/T)T/2]sen2[(& " 2#k/T)T/2N]

, |&| <#

T· N

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 21 / 35

Espectro OFDM en tiempo discreto - N = 8

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

" · T!

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MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 22 / 35

Espectro OFDM en tiempo discreto - Periodicidad

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 250

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

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" · T!

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 23 / 35

Receptor OFDM en tiempo discreto

Salida de cada muestreador

qk[n] =,

v(t) ) ""k("t)-+++

t=nT

=*

NT

·!

m

'"k [m] · (v(t) ) g("t " mT/N))|t=nT

=*

1T

·N!1!

m=0

e!j 2!kN ·m (v(t) ) g("t))|t=nT+mT/N

Secuencia v[m]: muestrear v(t) ) g("t) a perıodo T/N

qk[n] =1#T

N!1!

m=0

e!j 2!kN ·m · v[nN + m]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 24 / 35

Receptor OFDM en tiempo discreto (II)

!v(t)g("t) ""

#

t = m · TN

!v[m]S/P

!q0[n]

!q1[n]

!qN"1[n]

...DFT

N puntos

!v0[n]

!v1[n]

!vN"1[n]

...P/SDec

!A[m]

T T

TN

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 25 / 35

Ruido en el receptor

Filtro receptor subcanal k:#

2 · fk(t)

Densidad espectral de potencia del ruido

Sz,k(ej") =2T

·!

i

Sn

$j&

T" j

&c

T" j

2#iT

%·++++Fk

$j&

T" j

2#iT

%++++2

fk(t) = ""k("t)

n(t): blanco, gausiano, Sn(j&) = N0/2

zk[n] blanco, circularmente simetrico

)2z,k = N0, k = 0, · · · , N " 1

Ortogonalidad de los pulsos en cada subcanal

E{zi[n] · z"k [n]} = 0, si i *= k

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 26 / 35

Canal discreto equivalente en banda base

Salida antes del muestreador

qk(t) =N!1!

i=0

!

#

Ai[$] · pk,i(t " $T) + zk(t), k = 0, · · · , N " 1

Respuesta conjunta: pk,i(t) = "i(t) ) heq(t) ) fk(t)

Salida muestreada

qk[n] =N!1!

i=0

!

#

Ai[$] · pk,i[n" $] + zk[n], k = 0, · · · , N " 1

qk[n] =N!1!

i=0

Ai[n] ) pk,i[n] + zk[n], k = 0, · · · , N " 1

N2 canales discretos equivalentes

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 27 / 35

Criterio de Nyquist generalizado

Interferencia entre sımbolos (ISI)

pi,i[n] = K · %[n]

Interferencia entre portadoras (ICI)

pk,i[n] = 0, para k *= i

Criterio de Nyquist generalizado en frecuencia

P(ej") = IN$N

Pk,i(ej"): transformada de Fourier de pk,i[n]P(ej"): matriz con elementos Pk,i(ej") (fila k, columna i)

Difıcil de satisfacer: N2 restricciones, N grados de libertad

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 28 / 35

Extension al caso discreto

Respuesta conjunta

pk,i(t) =NT

!

m

!

#

'i[m] · '"k [$] · (g(t"mT/N) ) heq(t) ) g("t" $T/N))

Canal discreto equivalente

pk,i[n] =1T

N!1!

m=0

N!1!

#=0

ej 2!iN ·m · e!j 2!k

N ·# · d[nN + $" m]

Secuencia d[m]

d[m] = (g(t) ) heq(t) ) g("t))|t=mT/N

Cumplimiento del criterio de Nyquist: d[n] = K · %[n]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 29 / 35

Eliminacion de la ISI y la ICI

Canal d[n] causal y de duracion K + 1

Nuevas funciones base en tiempo discreto

'k[m] =1#N

· ej 2!kN ·m · wN+M[m + M], k = 0, · · · , N " 1

Valores no nulos en ["M, N " 1] (en lugar de en [0, N " 1])Hipotesis para el desarrollo: M + K

Senal en tiempo discreto

s[m] =*

NT

·!

n

N!1!

k=0

Ak[n] · 'k[m" n(N + M)]

Senal en el demodulador

qk[n] =1#T

·N!1!

m=0

'"k [m] · v[n(N + M) + m]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 30 / 35

Canal discreto equivalente

pk,i[n] =1T

·N!1!

m=!M

N!1!

#=0

ej 2!iN ·m · e!j 2!k

N ·# · d[n(N + M) + $" m]

pk,i[n] =1T

·N!1!

#=0

#+M!

u=#!N+1

e!j 2!iN ·u · ej 2!(i!k)

N ·# · d[n(N + M) + u]

pk,i[n] =1T

·K!

u=0

e!j 2!iN ·u · d[u] · %[n] ·

N!1!

#=0

ej 2!(i!k)N ·#

=NT

· %[n] · %[k " i] ·K!

u=0

e!j 2!iN ·u · d[u]

ISI=ICI=0: siendo D[k] la DFT de N puntos de d[n]

qk[n] =NT

· Ak[n] · D[k]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 31 / 35

OFDM como proceso en bloques

Muestras: s(n)[m] obtenidas de IDFTN(Ak[n]), m = 0, · · · , N " 1

Extension cıclica de las muestras

s(n)[m] =

"s(n)[m + N] m = "M, · · · ,"1s(n)[m] m = 0, · · · , N " 1

Transmision a traves de d[m]

q(n)[m] = s(n)[m] ) d[m] + z(n)[m]

Eliminar extension cıclica

q(n)[m] = q(n)[m] · wN [m]

Estima Ak[n] = DFTN(q(n)[m])

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 32 / 35

OFDM como proceso en bloques (II)

Q(n)[k]: DFT de N puntos de q(n)[m]

Q(n)[k] =N!1!

m=0

q(n)[m] · e!j 2!kN ·m =

N!1!

m=0

q(n)[m] · e!j 2!kN ·m

Q(n)[k] = DFTN(q(n)[m]) = DFTN(q(n)[k]) = DFTN(s(n)[m] ) d[m])

Convolucion lineal de s(n)[k] y d[m] equivale a la convolucioncircular de s(n)[m] y d[m]

Q(n)[k] =DFTN(s(n)[k]) · DFTN(d[m])=IDFTN(DFTN(Ak[n])) · DFTN(d[m])=Ak[n] · D[k]

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 33 / 35

Modulador/demodulador OFDM con prefijo cıclico

!A[m]S/P

!A0[n]

!A1[n]

!AN"1[n]

...IDFT

N puntos

!

!

!

...P/S !s[m] Extension

cıclica!s[m] g(t) !sr(t)

TN

TN

TN + M

T T

!v(t) g("t) ""

#

t = m · TN+M

! Eliminarprefijocıclico

!v[m]S/P

!q0[n]

!q1[n]

!qN"1[n]

...DFT

N puntos

!

!

!

...P/SDec

!A[m]

TN

TNT T

MMC (UC3M) Comunicaciones Digitales Modulaciones multipulso 34 / 35

Cuestiones de interes practico

SincronizacionPortadorasMuestreoTrama

Estimacion de canal: pilotosIgualacion (parcial) de canalBit loading

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