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5/17/2018 PracticaOFDM - slidepdf.com
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA
Y DE TELECOMUNICACIONESPerfecta combinación entre energía e intelecto
Laboratorio de Teoría de ComunicacionesPráctica de OFDM
I. OBJETIVOS
• Lograr que el estudiante, mediante la realización
de esta práctica, adquiera comprensión y
destrezas para analizar los sistemas de
comunicación con modulación OFDM.
• Brindar al estudiante un marco teórico resumido
sobre los principales aspectos a tener en cuenta
sobre la modulación OFDM, ya que aún la
literatura al respecto es poca.
• Cuestionar al estudiante sobre las principalescaracterísticas, ventajas y desventajas de los
sistemas basados en OFDM.
• Introducir al estudiante a una aplicación real de los
sistemas basados en OFDM: El estándar IEEE
802.11a WLAN.
Requisitos para la práctica
• Conocimiento previo de los sistemas de
modulación M-aria, así como conceptos claros
sobre transmisiones análogas.
• Familiarizarse con la utilización de MATLAB, más
especialmente de simulink , pues la práctica se
fundamente en un modelo diseñado para este
software.
II. INTRODUCCIÓN
La técnica OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) es un método de transmisión
multiportadora que ha sido reconocido recientemente
por su gran desempeño en comunicaciones digitales
inalámbricas bidireccionales de alta velocidad. Su
historia se remonta a la década de los 1960s, pero
hasta hace poco tomó popularidad debido a la espera
del desarrollo de circuitos integrados económicos que
fueran capaces de realizar las tareas que demanda
esta técnica. OFDM “comprime” múltiples portadoras
moduladas muy cerca las unas de las otras, ahorrando
así ancho de banda de transmisión en comparación
con su técnica madre, la FDM. Esto se logra gracias aque las señales transmitidas son ortogonales,
entonces no interfieren entre ellas. Hoy, este método
es usado en varios sistemas de comunicación
inalámbricos tales como ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line), y en los estándares IEEE 802.11a/g
(Wi-Fi) y IEEE 802.16 (WiMAX). También es usado en
transmisiones masivas (broadcasting) digitales de
audio y video.
III. MARCO TEORICO
Diferencia entre OFDM Y FDM
Como se dijo anteriormente, OFDM está basada en la
técnica FDM, la cual es una tecnología que utiliza
múltiples frecuencias de portadora para transmitir
múltiples señales en paralelo. Cada señal tiene su
propio rango de frecuencia (subportadora), que es
también modulada por los datos. Cada subportadora
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es separada por una banda de guarda para asegurar
que no se traslapen entre ellas. Después, las
subportadoras son remoduladas en el receptor usando
filtros para separar las bandas.
OFDM es similar a FDM pero espectralmente mucho
más eficiente, pues hace una separación mucho
menor de los subcanales (incluso, espectralmente
existe solapamiento). Esto se hace encontrando
frecuencias ortogonales (aplicando la transformadarápida inversa de Fourier <IFFT> a los subcanales), lo
que significa en un sentido matemático que son
perpendiculares. Esta condición permite al espectro de
cada subcanal traslapar al otro pero sin interferir con
el. Lo anterior se traduce en un ahorro de ancho de
banda debido a la eliminación de las bandas de
guarda y al solapamiento ortogonal de las señales.
A la hora de demodular la señal, se necesita aplicar la
transformada de Fourier discreta (DFT). Ya existen en
el mercado muchos chips capaces de ejecutar la
transformada rápida de Fourier (FFT), lo cual hace de
esta una operación relativamente fácil.
Estructura General de un Sistema OFDM
La arquitectura de bloques general de un sistema que
utiliza OFDM se muestra a continuación (el esquema
puede variar en cierta forma):
Ahora se describirá brevemente cada uno de los
bloques funcionales, mientes se hace el recorrido de
la señal original desde el modulador, pasando por el
canal hasta el demodulador:
Modulador
• Convertidor serial a paralelo: Su nombre
indica su función; toma una señal serial a la
entrada y la divide en M canales.• Signal mapper (Constelación): Se trata de
cualquiera de los ya bien conocidos bloques
de modulación M-aria que pueden ser
implementados en OFDM (BPSK, QPSK o en
su defecto QAM-aria).
• Bloque de señal piloto: Introduce a datos a las
tramas que asegurarán convergencia y
sincronía en la recepción.
• Bloque de intervalo de de guardia: Datos
adicionales que se insertan a la información
para disminuir la interferencia intersímbolo
(ISI).
• Bloque IFFT: Este bloque es el responsable
de la multiplexación en frecuencia.
• DAC: Convierte las tramas de datos digitales
en una señal análoga para ser transmitida.
• UpConverter: Traslada la frecuencia detransmisión a un nivel óptimo, facilitando el
transporte de la señal por el medio
inalámbrico.
Medio de transmisión (Channel)
En el medio inalámbrico se presentan fenómenos de
ruido y dispersión multicamino, los cuales afectan la
señal en mayor o menor medida. Estos efectos
deberán ser corregidos en el receptor a fin de poder
recuperar la señal con la mayor fidelidad posible.
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Demodulador
• DownConverter: Deshace el traslado de
frecuencia hecho en el modulador por el
UpConverter.
• ADC: Convierte la señal análoga que llega a
su entrada en tramas de tatos digitales.• Bloque FFT: Encargado de discriminar cada
subcanal para su demodulación, pues hace el
proceso inverso de la IFFT.
• Bloques de extracción de intervalo de guardia
y piloto: Sus nombres indican su función. A la
salida de estos bloques
• Signal Mapper: Encargado de la
decodificación final de los datos a recuperar.
• Convertidor Paralelo a serial: Convierte la
señal para obtener a su salida la versión
recuperada del mensaje original.
IV. DESARROLLO DE LA PRACTICA
La práctica está diseñada para el trabajo con el
archivo: ofdm_gito.mdl . Este archivo debe ser
copiado en la carpeta work de MATLAB. En laprimera parte del trabajo, el estudiante se
concentrará en el análisis global del modelo,
posteriormente se trabajará observando
internamente cada parte del sistema.
PARTE 1
ANALISIS GENERAL DEL SISTEMA OFDM
(CANAL)
A continuación se muestra el modelo de simulink
ofdm_gito.mdl; para abrirlo desde el prompt de
MATLAB simplemente escriba:
>>ofdm_gito
Se abrirá el modelo:
El modelo resalta en azul los tres grandes bloques
constitutivos del sistema: Modulador, Canal y
Demodulador. Los bloques de instrumentación
(switches) al estar activados despliegan ventanas
adicionales de simulación; en ellas se puede
visualizar las señales temporales transmitidas y
recibidas, lo mismo que sus PSD, y apreciar
mediante una gráfica de dispersión el efecto de la
compensación de canal en la calidad de la señal
recibida. Además, el modelo cuenta con
indicadores SER (Symbol Error Rate), para el
mensaje codificado y decodificado, donde se
visualizan el porcentaje de error, el número desímbolos erróneos y el número de símbolos
comparados.
Haga lo siguiente:
• Observe las características del modelo: la
simulación M-aria, la rata de bits de transmisión, el
tiempo de simulación (por practicidad se ha
ajustado a 0.2ms).
• Verifique que todos los switches de
instrumentación estén apagados.
Ahora active el switch de instrumentación “Espectro de
potencia”. Se desplegarán gráficas de PSD para la
señal a la salida del modulador y a la entrada del
demodulador.
a) ¿Qué pasa con el espectro de la señal modulada?
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b) ¿Cuál es el efecto de la dispersión multicamino
sobre la señal transmitida?
ANALISIS DEL MODULADOR OFDM
A continuación, desactive el switch de
instrumentación, abra el “Simulink Library Browser”,
busque en simulink>>sinks>>to workspace, arrastre
dos bloques al modelo: uno a la salida del generador
de Bernoulli (señal mensaje) y el otro a la salida del
decodificador RS (señal recuperada). Los bloques
deben quedar insertados así:
Ahora haga doble clic en cada uno de los bloques “to
workspace”. Aparecerá la ventana de ajuste de
parámetros de bloque. En el campo “Save Format”,
seleccione “Array” . Ejecute la simulación con tiempo
de 0.3us, diríjase al prompt y digite:
>>subplot(2,1,1);stem(simout);subplot(2,1,2);stem(sim
out1)
Observe la gráfica generada por MATLAB y responda:
c) ¿Son iguales la señal mensaje y la recuperada?;
¿A qué se deben las posibles diferencias entre
ellas?
Nota: El procedimiento manejado hasta ahora con los
bloques “to workspace” debe repetirse cuando la guía
lo indique. Esa es la forma de obtener las gráficas y
así hacer los análisis de todos los bloques del sistema.
Preste atención ahora al codificador RS (15,11).
Conecte el bloque “simout1” a la salida de este,
ejecute y grafique.
d) ¿Qué pasa con el mensaje a la salida de este
bloque?; ¿Con qué propósito se emplea estebloque? Indague por qué el bloque tiene la
relación 15/11
e) Ahora, trate de graficar los puntos de constelación
QPSK de la señal. ¿Cuál M-aria tiene mejor
desempeño? Argumente los criterios que utilizaría
para escoger una modulación M-aria en un
sistema OFDM.
f) Analice el bloque Training . Grafique la señal de
salida de este bloque. Diga para qué se usa. ¿Por
qué utiliza pseudocódigos?
g) Realice un análisis a fondo del bloque Modulador
OFDM, describiendo paso a paso las
transformaciones que ahí se la hacen al mensaje y
las funciones de los sub-bloques. Grafique las
entradas y salidas para todos los bloques del
subsistema.
h) Ahora haga lo mismo con el bloque “Training
Insertion” . Analícelo, descríbalo y grafique para
cada sub-bloque constitutivo de este.
i) Describa la función del Conversor Paralelo-Serie,
indicando su composición interna (la gráfica en eltiempo de la señal transmitida OFDM puede
obtenerse activando el switch “Señales en t”)
ANALISIS DEL DEMODULADOR OFDM
j) Haga una breve descripción sobre el proceso de
demodulación de una señal OFDM. ¿Son todos
los bloques el complemento del demodulador?
Infiera sobre el papel de los bloques adicionales
del demodulador.
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k) Describa la función del Conversor Serie-Paralelo,
indicando su composición interna (la gráfica en el
tiempo de la señal recibida OFDM puede
obtenerse activando el switch “Señales en t”)
l) Realice una breve descripción del proceso deseparación de training y grafique la entrada y al
salida de este bloque.
m) Realice un análisis a fondo del bloque
Demodulador OFDM, describiendo paso a paso
las transformaciones que ahí se la hacen al
mensaje y las funciones de los sub-bloques.
Grafique las entradas y salidas para todos los
bloques del subsistema. Enfatice en la función delbloque FFT y describa qué hace con la señal en el
espectro
n) ¿Con qué motivo se hace la estimación y
compensación de canal en el receptor OFDM?
Describa este proceso y las funciones de los
bloques que intervienen en el (“channel
estimation”, ”channel compensation”)
o) ¿Cómo funciona el bloque removedor de ceros?
grafique el resultado de esta remoción.
p) Explique brevemente la función del decodificador
RS; grafique las señales a la entrada y salida del
bloque.
No olvide dar sus observaciones y conclusionesgenerales sobre la práctica.
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