Modulación Digital - Manual para Radialistas Analfatécnicos · Haykin/Communication Systems, 4th...
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Modulación DigitalComunicaciones Eléctricas
Leslie Murray
Area de Comunicaciones Electricas
Facultad de Ciencias Exactas, Ingenierıa y Agrimensura
Universidad Nacional de Rosario
Modulacion Digital – p. 1/65
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Modulacion Digital – p. 2/65
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadora
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadoraAfectando la fase de la portadora
Modulacion Digital – p. 2/65
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadoraAfectando la fase de la portadoraAfectando la frecuencia de la portadora
Modulacion Digital – p. 2/65
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadoraAfectando la fase de la portadoraAfectando la frecuencia de la portadora
¿Para qué?
Modulacion Digital – p. 2/65
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadoraAfectando la fase de la portadoraAfectando la frecuencia de la portadora
¿Para qué?
Para compartir un canal
Modulacion Digital – p. 2/65
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadoraAfectando la fase de la portadoraAfectando la frecuencia de la portadora
¿Para qué?
Para compartir un canalPara llevar una señal a f compatibles con el medio de Tx
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Objetivo
Montar Información de Carácter Digitalsobre una Portadora Senoidal
Afectando la amplitud de la portadoraAfectando la fase de la portadoraAfectando la frecuencia de la portadora
¿Para qué?
Para compartir un canalPara llevar una señal a f compatibles con el medio de Tx
Similares propósitos que la Modulación Continua
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Formas de Onda
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.1Illustrative waveforms for the three basic forms of signaling binary information. (a) Amplitude-shift keying. (b) Phase-shift keying. (c) Frequency-shift keying with continuous phase.
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Modelo de Transmisión Digital
{m1,m2, ...,mM} = Conjunto de símbolos a transmitir
a razón de uno cada T seg.
miTx7−→ si(t)
C7−→ x(t) = si(t) + w(t)Rx7−→ mi
Una estimación del símbolo mi transmitido
w(t): Una realización de AGWN (Ruido Blanco Aditivo Gaussiano)
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Diagrama en Bloques
Mensajes Tx Canal Rx
mi si(t)
w(t)
x(t) m
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Un resultado Importante
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 1: Random Processes
Figure 1.6Sample function of random binary wave.
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 1: Random ProcessesFigure 1.11Power spectral density of random binary wave.
x(t) SX(f) = A2Tsinc2(fT )
↓ ↓y(t) = x(t) cos 2πfct SY (f) = 1
4[SX(f − fc) + SX(f + fc)]
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Otra Forma de Obtenerlo
T
g(t)
t
+A
0
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 1: Random Processes
Figure 1.6Sample function of random binary wave.
x(t) = ±g(t) alternando en forma aleatoria
Eg(f) = |G(f)|2 = A2T 2sinc2(fT )
SX(f) = A2Tsinc2(fT ) =Eg(f)
T
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BPSK - Breve Descripción
Binary Phase Shift Keing = Modulación Binaria de Fase
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BPSK - Breve Descripción
Binary Phase Shift Keing = Modulación Binaria de FaseDos símbolos⇒ Dos valores de fase (0 y π)
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BPSK - Breve Descripción
Binary Phase Shift Keing = Modulación Binaria de FaseDos símbolos⇒ Dos valores de fase (0 y π)En cada ranura de ancho Tb una senoidal con fase 0 ó π
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BPSK - Breve Descripción
Binary Phase Shift Keing = Modulación Binaria de FaseDos símbolos⇒ Dos valores de fase (0 y π)En cada ranura de ancho Tb una senoidal con fase 0 ó π
La expresión correspondiente a una senoidal de,
Frecuencia fc
Duración Tb
Energía Eb
Fase θ
es:√
2Eb
Tbcos(2πfct + θ) 0 ≤ t ≤ Tb
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BPSK - Definiciones
{
s1(t) =√
2Eb
Tbcos(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
s2(t) =√
2Eb
Tbcos(2πfct + π) = −
√2Eb
Tbcos(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
φ1(t) =√
2Tb
cos(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
s1(t) = s11φ1(t) = +√
Eb φ1(t) 0 ≤ t ≤ Tb
s2(t) = s21φ1(t) = −√
Eb φ1(t) 0 ≤ t ≤ Tb
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BPSK - Espacio de Señales
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.3Signal-space diagram for coherent binary PSK system. The waveforms depicting the transmitted signals s1(t) and s2(t), displayed in the inserts, assume nc = 2.
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BPSK - Probabilidad de Error
x1 = Proyección de x(t) sobre φ1(t) :
∫ Tb
0
x(t)φ1(t) dt
x(t) = [si(t) + w(t)]
x1 =
∫ Tb
0
s1(t)φ1(t) dt = +√
Eb
↗w(t) = 0
↘
x1 =
∫ Tb
0
s2(t)φ1(t) dt = −√
Eb
w(t) 6= 0 → x1 se distribuye en forma Gaussiana alrededor de la media
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BPSK - Probabilidad de Error
−√
Eb
√Eb φ1
fx1(x1|0)
fx1(x1|0) =
1√πN0
exp
[
− 1
N0(x1 − s21)
2
]
fx1(x1|0) =
1√πN0
exp
[
− 1
N0
(x1 +√
Eb)2
]
p10 =
∫ ∞
0
fx1(x1|0) dx1
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BPSK - Probabilidad de Error
−√
Eb
√Eb φ1
fx1(x1|0)
p10 =1√πN0
∫ ∞
0
exp
[
− 1
N0(x1 +
√
Eb)2
]
dx1
z =1√N0
(x1 + Eb)
p10 =1√π
∫ ∞
√Eb/N0
e−z2
dz =1
2erfc
(√
Eb
N0
)
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BPSK - La Función erfc(u)
erfc(z)
u z
La función erfc(u) corresponde a la valuación del áreade una cola Gaussiana de la forma: 2√
πexp (−z2)
erfc(u) =2√π
∫ ∞
u
exp(−z2
)dz
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BPSK - Transmisor - Receptor
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.4Block diagrams for (a) binary PSK transmitter and (b) coherent binary PSK receiver.
Modulacion Digital – p. 15/65
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BPSK - Densidad Espectral de Potencia
T
g(t)
t
+A
0
g(t) =
√2Eb
Tb|t| ≤ Tb
0 |t| > Tb
SB(f) =Eg(f)
T= 2Eb sinc2(Tbf)
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BPSK - Densidad Espectral de Potencia
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.5Power spectra of binary PSK and FSK signals.
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QPSK - Breve Descripción
Quadriphase Shift Keing = Modulación Cuaternaria de Fase
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QPSK - Breve Descripción
Quadriphase Shift Keing = Modulación Cuaternaria de Fase
Cuatro símbolos⇒ Cuatro valores de fase (π4, 3π
4, 5π
4, 7π
4)
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QPSK - Breve Descripción
Quadriphase Shift Keing = Modulación Cuaternaria de Fase
Cuatro símbolos⇒ Cuatro valores de fase (π4, 3π
4, 5π
4, 7π
4)
En cada ranura de ancho Tb se transmite una senoidal confase π
4, 3π
4, 5π
4ó 7π
4
Modulacion Digital – p. 18/65
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QPSK - Breve Descripción
Quadriphase Shift Keing = Modulación Cuaternaria de Fase
Cuatro símbolos⇒ Cuatro valores de fase (π4, 3π
4, 5π
4, 7π
4)
En cada ranura de ancho Tb se transmite una senoidal confase π
4, 3π
4, 5π
4ó 7π
4
Las expresiones también derivan de la forma general:
√
2E
Tcos(2πfct + θ) 0 ≤ t ≤ Tb
Donde: E y T son la Energía y el Período de cada símbolo
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QPSK - Definiciones
i = 1, 2, 3, 4
si(t) =√
2ET
cos[2πfct + (2i− 1)π
4
]0 ≤ t ≤ Tb
si(t) =√
2ET
cos[(2i− 1)π
4
]cos(2πfct)
−√
2ET
sen[(2i− 1)π
4
]sen(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
φ1(t) =√
2T
cos(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
φ2(t) =√
2T
sen(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
si(t) = si1 φ1(t) + si2 φ2(t) 0 ≤ t ≤ Tb
si(t) = ∓√
E2
φ1(t)±√
E2
φ2(t) 0 ≤ t ≤ Tb
Modulacion Digital – p. 19/65
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QPSK - Caracterización del Espacio de Señal
Código Gray Fase de la Señal si1 si2
10 π/4 +√
E/2 −√
E/2
00 3π/4 −√
E/2 −√
E/2
01 5π/4 −√
E/2 +√
E/2
11 7π/4 +√
E/2 +√
E/2
Modulacion Digital – p. 20/65
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QPSK - Espacio de Señal
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data TransmissionFigure 6.6Signal-space diagram of coherent QPSK system.
Modulacion Digital – p. 21/65
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QPSK - Formas de Onda
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.7(a) Input binary sequence. (b) Odd-numbered bits of input sequence and associated binary PSK wave. (c) Even-numbered bits of input sequence and associated binary PSK
wave. (d) QPSK waveform defined as s(t) = si1φ1(t) + si2φ2(t).
Modulacion Digital – p. 22/65
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QPSK - Probabilidad de Error por Símbolo
En un canal BPSK: p10 = p01 = Pe = 12
erfc(√
Eb
N0
)
Para cada uno de los canales BPSK de QPSK:
P ′ =1
2erfc
(√
E
2N0
)
Los errores de cada canal en QPSK (en fase y en cuadratura)son estadísticamente independientes.
Pc = (1− P ′)2 = 1− 2P ′ + 2P ′2 → Pe = 1− Pc = 2P ′ − P ′2
Pe = erfc(√
E2N0
)
− 14
erfc2(√
E2N0
)
Pe ≈ erfc(√
E2N0
)
= erfc(√
Eb
N0
)
Modulacion Digital – p. 23/65
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QPSK - Probabilidad o Tasa de Error por Bit (BER)
b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b2N−1b2N
n n ~ n n ~ n . . . n n︸ ︷︷ ︸
S1
︸ ︷︷ ︸
S2
︸ ︷︷ ︸
S3
︸ ︷︷ ︸
SN
Símbolos Enviados: NBits Enviados: 2NSímbolos con error: Ne
P Se =
Ne
N
Admitiendo únicamente errores de un Bit por Símbolo:
PBite = BER =
Bits con error
Bits enviados=
Ne
2N=
P Se
2=
1
2
(√
Eb
N0
)
Modulacion Digital – p. 24/65
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QPSK - Observaciones sobre la BER
Tanto en QPSK como en BPSK→ BER = 12
(√Eb
N0
)
Para la misma relación Eb
N0
:
QPSK y BPSK transmiten la Ix a la misma tasaUn mismo mensaje “demora” el mismo tiempo en sertransmitido, ya sea mediante QPSK o BPSK
QPSK utiliza la mitad del Ancho de Banda que BPSKLa señal BPSK “cambia” el doble de veces que la señal QPSK
QPSK es más efectivo y por ende más utilizado que BPSK.
Modulacion Digital – p. 25/65
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QPSK - Transmisor - Receptor
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.8Block diagrams of (a) QPSK transmitter and (b) coherent QPSK receiver.
Modulacion Digital – p. 26/65
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QPSK - Densidad Espectral de Potencia
Para cada canal QPSK (en fase y en cuadratura) la envolvente es
g(t) =
{ √ET|t| ≤ Tb
0 |t| > Tb
Por lo tantoS(f) = E sinc2(Tf)
Dado que los canales son estadísticamente independientes
SB(f) = 2E sinc2(Tf)
SB(f) = 4Eb sinc2(2Tbf)
Más alta y más angosta que BPSK: SB(f) = 2Eb sinc2(Tbf)
Modulacion Digital – p. 27/65
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M-ARY PSK - Breve Descripción
Multinary Phase Shift Keing = Modulación Multinaria de Fase
Modulacion Digital – p. 28/65
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M-ARY PSK - Breve Descripción
Multinary Phase Shift Keing = Modulación Multinaria de Fase
M símbolos⇒M valores de fase: 2πM
(i− 1) i = 1, 2, . . . ,M
Modulacion Digital – p. 28/65
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M-ARY PSK - Breve Descripción
Multinary Phase Shift Keing = Modulación Multinaria de Fase
M símbolos⇒M valores de fase: 2πM
(i− 1) i = 1, 2, . . . ,M
En cada ranura de ancho Tb una senoidal con fase 2(i− 1)π/M
Modulacion Digital – p. 28/65
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M-ARY PSK - Breve Descripción
Multinary Phase Shift Keing = Modulación Multinaria de Fase
M símbolos⇒M valores de fase: 2πM
(i− 1) i = 1, 2, . . . ,M
En cada ranura de ancho Tb una senoidal con fase 2(i− 1)π/M
Las expresiones derivan de la forma general:
{si(t) =
√2ET
cos[2πfct + 2π
M(i− 1)
]0 ≤ t ≤ Tb
0 ∀ otro t
Modulacion Digital – p. 28/65
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M-ARY PSK - Breve Descripción
Multinary Phase Shift Keing = Modulación Multinaria de Fase
M símbolos⇒M valores de fase: 2πM
(i− 1) i = 1, 2, . . . ,M
En cada ranura de ancho Tb una senoidal con fase 2(i− 1)π/M
Las expresiones derivan de la forma general:
{si(t) =
√2ET
cos[2πfct + 2π
M(i− 1)
]0 ≤ t ≤ Tb
0 ∀ otro t
Las señales pueden describirse en un espacio determinado por lasmismas φ1(t) y φ2(t) que en QPSK
Modulacion Digital – p. 28/65
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M-ARY PSK - Espacio de Señales
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.15(a) Signal-space diagram for octaphase-shift keying (i.e., M = 8). The decision boundaries are shown as dashed lines. (b) Signal-space diagram illustrating the application of the union bound for octaphase-shift keying.
Modulacion Digital – p. 29/65
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M-ARY PSK - Probabilidad de Error
A diferencia de QPSK, en M-ARY PSK no hay dos canalesindependientes. La determinación exacta del error es complicada.
Pei≤ 1
2
M∑
K=1
K 6=i
erfc
(dik
2√
N0
)
Aceptando sólo la influencia de los dos puntos adyacentes:
Pei≤ 1
2
[
erfc
(
2√
E sen(π/M)
2√
N0
)
+ erfc
(
2√
E sen(π/M)
2√
N0
)]
Pei≤ erfc
[√
E
N0
sen( π
M
)]
Modulacion Digital – p. 30/65
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M-ARY PSK - Probabilidad de Error
Pei≤ erfc
[√
E
N0sen( π
M
)]
Pe = Pe1 p1 + Pe2 p2 + Pe3 p3 + . . . + PeM pM
Pe = Pei (p1 + p2 + p3 + . . . + pM)
︸ ︷︷ ︸
=1
Pe ≤ erfc
[√
E
N0
sen( π
M
)]
Modulacion Digital – p. 31/65
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M-ARY PSK - Densidad Espectral de Potencia
si(t) =√
2ET
cos[2πfct + 2π
M(i− 1)
]0 ≤ t ≤ Tb
si(t) =√
2ET
cos[
2πM
(i− 1)]cos 2πfct
−√
2ET
sen[
2πM
(i− 1)]sen2πfct 0 ≤ t ≤ Tb
SB(f) = 2E sinc2(Tf)
E = (log2 M)Eb
T = (log2 M)Tb
SB(f) = 2 log2 MEb sinc2(log2 M Tbf)
Modulacion Digital – p. 32/65
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M-ARY PSK - Densidad Espectral de Potencia
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.16Power spectra of M-ary PSK signals for M = 2, 4, 8.
Modulacion Digital – p. 33/65
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M-ARY PSK - Eficiencia del Ancho de Banda
B =2
T=
2
log2 M Tb
=2Rb
log2 MRb : tasa de bits
ρ =Rb
B=
log2 M
2
M 2 4 8 16 32 64
ρ (bits/s/Hz) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Modulacion Digital – p. 34/65
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QAM - Breve Descripción
φ1(t) =√
2T
cos(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
φ2(t) =√
2T
sen(2πfct) 0 ≤ t ≤ Tb
φ1
φ2
√E0
√E0
d
d
si ↔(
aid
2, bi
d
2
)
=(
ai
√
E0, bi
√
E0
)
ai = ±1,±3, · · · y bi = ±1,±3, · · ·
si(t) =√
2E0
Tai(cos 2πfct)−
√2E0
Tbi(sen 2πfct)
Modulacion Digital – p. 35/65
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QAM - Constelaciones
En general para sistemas digitales de M símbolos, M = 2K
Caso 1: Constelación Cuadrada, L =√
M es entero
L =√
M = M1
2 = 2K2 K debe ser par
Caso 2: Constelación en Cruz, L =√
M no es entero
Ejemplo:
M = 256 símbolos↔ K = 8 bits (256 = 28)
L =√
M =√
256 = 16→ Reja cuadrada de 16× 16 puntos
Modulacion Digital – p. 36/65
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QAM - Constelación Cuadrada
φ1
φ2
√E0
√E0
d
d
si(t) =√
2E0
Tai(cos 2πfct)
−√
2E0
Tbi(sen 2πfct)
(ai, bi) =
(−3, 3) (−1, 3) ( 1, 3) ( 3, 3)
(−3, 1) (−1, 1) ( 1, 3) ( 3, 1)
(−3,−1) (−1,−1) ( 1,−1) ( 3,−1)
(−3,−3) (−1,−3) ( 1,−3) ( 3,−3)
Modulacion Digital – p. 37/65
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QAM - Constelación Cuadrada
Caso General:
(ai, bi) =
(−L + 1, L− 1) (−L + 3, L− 1) · · · (L− 1, L− 1)
(−L + 1, L− 3) (−L + 3, L− 3) · · · (L− 1, L− 3)...
......
(−L + 1,−L + 1) (−L + 3,−L + 1) · · · (L− 1,−L + 1)
Resulta del Producto Cartesiano entre dos sistemas L-ARY PAM:
ai =[
(−L + 1) (−L + 3) · · · (L− 1)]
bi =[
(−L + 1) (−L + 3) · · · (L− 1)]
Modulacion Digital – p. 38/65
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QAM - Constelación Cuadrada
φ1
φ2
√E0
√E0
d
d
φ1
φ1
d2
d2
d2
d2
3d2
3d2
3d2
3d2
Aceptando la independencia estadística entre los sistemas lineales
Pc = P ′c2 = (1− P ′
e2) = 1− 2P ′
e2 + P ′
e2 → (1− Pc)
︸ ︷︷ ︸
Pe
≈ 2P ′e
Donde P ′e es la Probabilidad de error por cada sistema L-ARY PAM
Modulacion Digital – p. 39/65
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M-ARY PAM - Probabilidad de Error
1 2
i
i
j
j . . .. . .
√E0
√E0
L− 1 L
Pei= Pej
= 12
erfc(√
E0
N0
)
P ′e =
L∑
k=1
pk Pek= 1
L
L∑
k=1
Pek= 1
L
[
Pe1+ PeL
+L−1∑
k=2
Pek
]
P ′e = 1
L
[
12
erfc(√
E0
N0
)
+ 12
erfc(√
E0
N0
)
+L−1∑
k=2
2 12
erfc(√
E0
N0
)]
P ′e = 1
L
[
(L− 1) erfc(√
E0
N0
)]
=(
1− 1√M
)
erfc(√
E0
N0
)
Modulacion Digital – p. 40/65
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QAM - Constelación Cuadrada
Pe ≈ 2 P ′e = 2
(
1− 1√M
)
erfc
(√
E0
N0
)
Si las L amplitudes de componentes en fase y cuadratura sonequiprobables, un valor promedio de energía, Eav, resulta:
Eav = 2
2E0
L
L/2∑
k=1
(2k − 1)2
=2(L2 − 1)E0
3=
2(M − 1)E0
3
Y la Probabilidad de Error del esquema QAM:
Pe ≈ 2
(
1− 1√M
)
erfc
(√
3Eav
2(M − 1)N0
)
Modulacion Digital – p. 41/65
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QAM - Constelación en Cruz
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data TransmissionFigure 6.18Illustrating how a square QAM constellation can be expanded to form a QAM cross-constellation.
Modulacion Digital – p. 42/65
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QAM - Constelación en Cruz
K es impar→ L =√
M no es entero.
Pe ≈ 2
(
1− 1√2M
)
erfc
(√
E0
N0
)
Aproximación válida si E0
N0
es alto.
Modulacion Digital – p. 43/65
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BFSK - Breve Descripción
Binary Frequency Shift Keing = Modulación Binaria deFrecuencia
Modulacion Digital – p. 44/65
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BFSK - Breve Descripción
Binary Frequency Shift Keing = Modulación Binaria deFrecuencia
Dos símbolos⇒ Dos frecuencias (f1 y f2)
Modulacion Digital – p. 44/65
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BFSK - Breve Descripción
Binary Frequency Shift Keing = Modulación Binaria deFrecuencia
Dos símbolos⇒ Dos frecuencias (f1 y f2)
En cada ranura de ancho Tb una senoidal con frecuencia f1 ó f2
Modulacion Digital – p. 44/65
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BFSK - Breve Descripción
Binary Frequency Shift Keing = Modulación Binaria deFrecuencia
Dos símbolos⇒ Dos frecuencias (f1 y f2)
En cada ranura de ancho Tb una senoidal con frecuencia f1 ó f2
La expresión correspondiente a una senoidal de,
Frecuencia fi i = 1, 2
Duración Tb
Energía Eb
Es:√
2Eb
Tbcos(2πfit) 0 ≤ t ≤ Tb i = 1, 2
Modulacion Digital – p. 44/65
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BFSK - Definiciones
s1(t) =√
2Eb
Tbcos(2πf1t) 0 ≤ t ≤ Tb
s2(t) =√
2Eb
Tbcos(2πf2t) 0 ≤ t ≤ Tb
φ1(t) =√
2Tb
cos(2πf1t) 0 ≤ t ≤ Tb
φ2(t) =√
2Tb
cos(2πf2t) 0 ≤ t ≤ Tb
s1 =
√Eb
0
s2 =
0
√Eb
fi = nc+iTb
nc entero, i = 1, 2 ← Sunde´s FSK
Modulacion Digital – p. 45/65
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BFSK - Espacio de Señales
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data TransmissionFigure 6.25Signal-space diagram for binary FSK system. The diagram also includes two inserts showing example waveforms of the two modulated signals s1(t) and s2(t).
Modulacion Digital – p. 46/65
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BFSK - Composición de las Señales
Las componentes de la señal transmitida si(t) serán 0 y√
Eb
s1(t)→
√Eb
0
s2(t)→
0
√Eb
El vector de observación x(t) también tendrá dos componentes
x(t)→
x1
x2
x1 =∫ Tb
0x(t)φ1(t)dt y x2 =
∫ Tb
0x(t)φ2(t)dt, que en “el mejor de los
casos” se corresponderán con 0 y√
Eb, según si(t) sea s1(t) o s2(t)
Modulacion Digital – p. 47/65
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BFSK - Probabilidad de Error
Regiones de decisión:
x1 > x2, x1 < x2 y x1 = x2 para la frontera.
Sea y = x1 − x2 una función muestra del P.A. gaussiano Y
E[Y |1] = E[X1|1]− E[X2|1] = +√
Eb
E[Y |0] = E[X1|0]− E[X2|0] = −√
Eb
V AR[Y ] = V AR[X1]− V AR[X2] = N0
fy(y|0) =1√
2πN0
exp
[
−(y +√
Eb)2
2N0
]
Modulacion Digital – p. 48/65
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BFSK - Probabilidad de Error
fy(y|0) =1√
2πN0
exp
[
−(y +√
Eb)2
2N0
]
p10 =
∫ ∞
0
fy(y|0) dy=1√π
∫ ∞
√Eb/2N0
exp(−z2)dz =1
2erfc
(√
Eb
2N0
)
z = y+√
Eb√2N0
Análogamente:
p01 =1
2erfc
(√
Eb
2N0
)
Luego:
Pe =1
2erfc
(√
Eb
2N0
)
Modulacion Digital – p. 49/65
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BFSK - Transmisor - Receptor
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.26Block diagrams for (a) binary FSK transmitter and (b) coherent binary FSK receiver.
Modulacion Digital – p. 50/65
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BFSK - Densidad Espectral de Potencia
Otra forma de describir la señal BFSK:
s(t) =
√
2Eb
Tbcos
(
2πfct±πt
Tb
)
s(t) =
√
2Eb
Tb
cos
(
2πfct± 2π1
Tb
t
)
s(t) =
√
2Eb
Tbcos
[
2π
(
fc ±1
Tb
)
t
]
{
f1 = fc − 12Tb
f2 = fc + 12Tb
→{
fc = f1+f2
2
f2 − f1 = 1Tb
Modulacion Digital – p. 51/65
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BFSK - Densidad Espectral de Potencia
s(t) =√
2Eb
Tbcos(
2πfct± πtTb
)
s(t) =√
2Eb
Tbcos(
± πtTb
)
cos (2πfct)−√
2Eb
Tbsen(
± πtTb
)
sen (2πfct)
s(t) =√
2Eb
Tbcos(
πtTb
)
cos (2πfct)−[
±√
2Eb
Tbsen(
πtTb
)
sen (2πfct)]
√2Eb
Tbcos(
πtTb
)
→ Dos δ(f) en 12Tb
y − 12Tb
±√
2Eb
Tbsen(
πtTb
)
→ g(t) =
{ √2Eb
Tbsen(
πtTb
)
0
Envolvente : ±g(t)→ Eg(f) = 8EbTb cos2(πTbf)
π2(4T 2
b)
SB(f) =Eb
2Tb
[
δ
(
f − 1
2Tb
)
+ δ
(
f +1
2Tb
)]
+8Eb cos2(πTbf)
π2(4T 2b )
Modulacion Digital – p. 52/65
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BFSK - Densidad Espectral de Potencia
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.5Power spectra of binary PSK and FSK signals.
Modulacion Digital – p. 53/65
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M-ARY FSK - Definiciones
si(t) =
√
2E
Tcos[π
T(nc + i)t
]
0 ≤ t ≤ T i = 1, 2, . . . ,M
Donde nc es una constante entera.
φi(t) =
√
2
Tcos[π
T(nc + i)t
]
︸ ︷︷ ︸
2π
(nc
2T+
i2T
)
t
0 ≤ t ≤ T i = 1, 2, . . . ,M
fc Separación 12T
entre las fi consecutivas
Modulacion Digital – p. 54/65
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M-ARY FSK - Probabilidad de Error
si =
si1
si2...
sii...
siM−1
siM
=
0
0...√E...0
0
sj =
sj1
sj2...
sjj
...sjM−1
sjM
=
0
0...√E...0
0
‖si − sj‖2 =M∑
K=1
(sik − sjk)2 =
(√E)2
+(√
E)2
= 2E
‖si − sj‖ = dmin =√
2E
Pe ≤M − 1
2erfc
(dmin
2√
N0
)
=M − 1
2erfc
(√
E
2N0
)
Modulacion Digital – p. 55/65
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M-ARY FSK - Densidad Espectral de Potencia
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.36Power spectra of M-ary PSK signals for M = 2, 4, 8.
Modulacion Digital – p. 56/65
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M-ARY FSK - Eficiencia del Ancho de Banda
B =M
2T=
M
2 (log2 M Tb)=
MRb
2 log2 MRb : tasa de bits
ρ =Rb
B=
2 log2 M
M
M 2 4 8 16 32 64
ρ (bits/s/Hz) 1 1 0.75 0.5 0.3125 0.1875
Modulacion Digital – p. 57/65
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DPSK - Problema Introductorio
x(t): señal en el receptor, siendo si(t) =√
2Eb
Tbcos(2πfct)
x(t) x
φ1(t) =√
2Tb
cos(2πfct)
Tb∫
0
dt
x =
∫ Tb
0
x(t)φ1(t) dt =
∫ Tb
0
[si(t) + w(t)]φ1(t) dt
x =
∫ Tb
0
si(t)φ1(t) dt w(t)=0
x =
∫ Tb
0
√
2Eb
Tbcos(2πfct)
√2
Tbcos(2πfct) dt
x = +√
Eb
Modulacion Digital – p. 58/65
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DPSK - Problema Introductorio
x(t) x
φ1(t) =√
2Tb
cos(2πfct + θ)
Tb∫
0
dt
x =
∫ Tb
0
x(t)φ1(t) dt =
∫ Tb
0
[si(t) + w(t)]φ1(t) dt
x =
∫ Tb
0
si(t)φ1(t) dt w(t)=0
x =
∫ Tb
0
√
2Eb
Tb
cos(2πfct)
√2
Tb
cos(2πfct + θ) dt
x = +√
Eb cos θ
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DPSK - Codificación Diferencial
BPSK
DPSK
bk
bk
dk
dk
Tx
Tx d0
d1
d1
d2
d2
d3
d3
d4
d4
d5
d5
d6
d6
b1
b1
b2
b2
b3
b3
b4
b4
b5
b5
b6
b6
0 Tb 2Tb 3Tb 4Tb 5Tb
t
bit de referencia
Modulacion Digital – p. 60/65
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DPSK - Definiciones
bk dkTx d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6
b1b2 b3 b4
b5b6
bit de referencia
s1(t) =
√2Eb
Tbcos(2πfct + θ1) 0 ≤ t ≤ Tb
√2Eb
Tbcos(2πfct + θ1) Tb ≤ t ≤ 2Tb
s0(t) =
√2Eb
Tbcos(2πfct + θ0) 0 ≤ t ≤ Tb
√2Eb
Tbcos(2πfct + θ0 + π) Tb ≤ t ≤ 2Tb
Modulacion Digital – p. 61/65
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DPSK - Generación de la Señal
{bk} 1 0 0 1 0 0 1 1
{dk−1} 1 1 0 1 1 0 1 1
{dk} 1 1 0 1 1 0 1 1 1
Fase 0 0 π 0 0 π 0 0 0
Modulacion Digital – p. 62/65
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DPSK - Probabilidad de Error
Consideradas sobre ranuras de ancho 2Tb, las señales s1(t) ys0(t) son ortogonales
El receptor no necesita sincronizar la fase con la fase de laseñal recibida
El esquema se encuadra en una variedad conocida comoModulación Ortogonal No-Coherente
La determinación de la Probabilidad de Error se hace medianteanálisis diferentes a los precedentes
Pe =1
2exp
(
−Eb
N0
)
Modulacion Digital – p. 63/65
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DPSK - Espacio de Señales
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data TransmissionFigure 6.44Signal-space diagram of received DPSK signal.
Modulacion Digital – p. 64/65
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DPSK - Transmisor - Receptor
©2000, John Wiley & Sons, Inc.Haykin/Communication Systems, 4th Ed
Chapter 6: Passband Data Transmission
Figure 6.43Block diagrams of (a) DPSK transmitter and (b) DPSK receiver.
Modulacion Digital – p. 65/65