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