Laboratorio de Transmisión Digital

Práctica con Simulación IQTUTOR

Curso 1997-1998


Contenido




Introducción

En esta práctica se usa el programa de simulación IQTUTOR para analizar y medir las características de un sistema de transmisión digital completo, incluyendo los generadores y receptores de información; viendo como afectan algunos parámetros del sistema a la calidad de la transmisión.

Los parámetros existentes son:

Y los datos obtenidos para el análisis del sistema son:





Programa de Simulación IQTUTOR

Descripción de la pantalla

Durante la ejecución del programa IQTUTOR se trabaja esencialmente sobre una pantalla como la representada en la figura 1.

Esta pantalla esta estructurada en tres niveles que se describen a continuación.

Nivel 0

Es el representado en la parte superior. Simboliza el esquema de bloques de un sistema de transmisión digital completo, desde la entrada analógica de la izquierda hasta la salida analógica de la derecha. Al comenzar la ejecución del programa nos encontramos en este nivel.

Figura 1.

Nivel 1

Representado en la parte central de la pantalla. Cuando se desciende a este nivel se tiene acceso a todas o alguna (según el punto del sistema de comunicación en que nos encontremos) de las siguientes gráficas:

Nivel 3

Representado en la parte inferior de la pantalla. Cuando se desciende a este nivel, se tiene acceso a una página de texto en la que se describe el funcionamiento del bloque del sistema de comunicación en que nos encontramos.

Aparte de los tres niveles anteriormente descritos, en la pantala hay información acerca de la probabilidad de error ideal (en la parte superior izquierda) y de los parámetros del sistema: tipo de modulación, relación señal-ruido y factor de redondeo (alfa) de los filtros en coseno alzado de transmisión y recepción (en la parte inferior).

Por último, se dispone de un resumen de las teclas activas más interesantes.

Manejo del programa

Una vez encendido el ordenador, ejecutar:

iqtutorc

Inmediatamente comienza la ejecución del programa. Siga las instrucciones del mismo hasta que aparezca la pantalla descrita en el apartado nivel 0.

-

Observe que en la parte inferior aparece el mensaje WORKING!. Mientras esto sea así, el programa está realizando cálculos y no responde al teclado. Cuando desaparezca el mensaje, una línea contínua (puntero) señalando uno o dos nodos del diagrama de bloques le indicará en qué lugar del mismo se encuentra su punto de prueba. En este momento el programa está esperando las instrucciones dadas por usted desde el teclado.

Movimiento del puntero

Utilice las teclas y para mover el punto de prueba a lo largo de los distintos bloques del sistema y las teclas y para cambiar el nivel de pantalla (Ver figuras 2, 3, 4 ).

Pantalla correspondiente al nivel 0:

Figura 2

Tras presionar , se pasa al nivel 1:

Figura 3

Tras presionar se pasa al nivel 3:

Figura 4

Diagrama vectorial, diagrama de ojos y constelación de señales

Sitúe el puntero a la salida del filtro utilizando (ver figura 5). Descienda al nivel 1 con (ver figura 6). En este punto aparece en pantalla la señal digital en el tiempo y su espectro (una vez filtrada).

Pulse ENTER y obtendrá la proyección sobre el plano I-Q del diagrama vectorial (ver figura 7).

Figura 5

--

--

Figura 6

Figura 7
El paso de diagrama vectorial a constelación de señales y viceversa se consigue mediante / .

El diagrama vectorial es una representación tridimensional, aunque en el monitor aparezca una proyección bidimensional del mismo. Existe la posibilidad de girar esta proyección según cualquiera de los tres ejes mediante el uso de las teclas indicadas en (ver figura 8). Por ejemplo, el diagrama de ojos de la señal Q se obtiene pulsando hasta obtener la proyección del diagrama vectorial sobre el plano Q-t, dejando el eje I perpendicular al monitor.

Figura 8

Cambio de parámetros. Modo edición

Se pueden variar tres parámetros del sistema de comunicación simulado por el programa: Para ello, vuelva a la posición temporal de la señal pulsando ENTER y entre en modo edición pulsando E. Utilice y para ir de un parámetro a otro y y para cambiar el valor. Para abandonar el modo edición, utilice ENTER.

Tras cambiar el valor de algún parámetro, el programa debe realizar nuevos cálculos y durante el tiempo de cómputo no responde al teclado apareciendo el mensaje WORKING! en la parte inferior de la pantalla.

Parámetros fijos en IQTUTOR

La frecuencia de símbolo (Fs) es un parámetro fijo en el programa de simulación, su valor es Fs=30 MHz.

Almacenar y recuperar una pantalla

En cualquier momento de la ejecución del programa se puede guardar el contenido de la pantalla para hacer posterior uso de ella. Una pantalla se guarda en memoria pulsando S y se recupera con R. Observe que pulsando R varias veces, aparecen en el monitor la pantalla guardada y la actual alternativamente.

NOTA. Sólo puede haber una pantalla guardada en memoria en cada momento.

Tecla de ayuda

Si en alguna ocasión quiere saber cuál es el efecto de una tecla en un momento de la ejecución del programa, pulse la barra espaciadora y obtendrá un listado de las teclas activas.

Finalización del programa

Para acabar la ejecución del programa pulse la tecla Q. Esta tecla no se atiende en modo edición ni durante la visualización de los diagramas vectoriales.


Influencia de la SNR y el factor de redondeo sobre el sistema de transmisión digital

Modelo de sistema de comunicación empleado

El apartado anterior tiene toda la información necesaria para manejar el programa IQTUTOR. La información sobre el modelo de sistema de comunicación empleado está incluida en el propio programa, en los textos del nivel 2.

Descienda al nivel 2 y lea todos estos textos hasta comprender perfectamente la filosofía del sistema de comunicación utilizado.


Práctica a realizar. 1ª parte

Influencia de la SNR en la constelación de señales, el diagrama de ojos y la probabilidad de error

SNRErrores Pe = Errores/100Pe ideal
8 dB???
6 dB???
4 dB???
2 dB???
0 dB???

¿A que se pueden deber las diferencias entre la Pe ideal y la medida?.

Influencia de la SNR en el tipo de modulación

Influencia del factor de redondeo en el espectro de la señal transmitida

Influencia de alfa en el diagrama de ojos de la señal recibida



Influencia del canal y el amplificador de potencia en el sistema de transmisión digital.

En la primera parte de la práctica se ha estudiado la influencia del ruido y del factor de redondeo del filtro (coseno alzado) en diferentes puntos de la cadena que constituye un enlace punto-punto de microondas. En esta segunda parte se analizará (mediante la simulación) los efectos producidos por el canal radioeléctrico y el amplificador de potencia (HPA - High Power Amplifier).

Fenómeno de multipropagación. Modelo de canal.

En radioenlaces terrenos, el fenómeno de la multipropagación reviste una gran importancia. Este fenómeno se produce cuando la señal que viaja del transmisor al receptor recorre dos o más caminos diferentes, debido a reflexiones y/o refracciones de la onda electromagnética (véase figura 9).

En la antena receptora, la señal resultante es la suma (vectorial) de todos los componentes (rayos directo e indirectos) que alcanzan ese punto.

Figura 9

Un modelo simple de canal

El modelado de este tipo de canales es complejo, por lo que en una primera aproximación se adopta el siguiente modelo simplificado: la señal que llega a la antena receptora se supone constituida por la suma de dos rayos: el directo y uno reflejado.

Para unos caminos directo y reflejado dados, la resultante de ambos varía con la frecuencia, debido a sus amplitudes y fases relativas; por ejemplo, supóngase que A es la amplitud del rayo directo y A ß (ß <= 1) es la del rayo reflejado; la resultante de ambos tendrá una amplitud que varía entre A(1-ß) y A(1+ß), tal como se representa en la figura 10

Rayo directo
Rayo reflejado

Figura 10

En el modelo simple que se ha adoptado, la diferencia de fase entre el rayo directo y el reflejado es una consecuencia inmediata del retardo relativo entre ambos. Este retardo depende de la frecuencia, aunque puede considerarse sensiblemente constante dentro de anchos de banda mayores o iguales al ancho de banda de las señales que maneja el sistema simulado (son señales de banda estrecha).

Si el retardo, dentro del ancho de banda de la señal, es , la diferencia de fases entre la onda directa y la reflejada y la resultante de ambas componentes serán:

El módulo de la función de transferencia del canal, bajo la sola consideración del fenómeno de multipropagación, será de la forma indicada en la figura 11.

Figura 11

Tres parámetros definen completamente el modelo representado en la figura 11.: la localización espectral de los valles o desvanecimientos (fading), su profundidad (dB) y su separación (directamente relacionada con ).

En el paquete de simulación IQTUTOR utilizado en prácticas, la localización espectral de los valles (Notch Position) se expresa en % de Fs (frecuencia del reloj de los datos), siendo su margen de variación (-200%, 200%); la profundidad de desvanecimiento (Multipath Depth) se expresa en dB y está determinado por la siguiente relación entre las amplitudes del rayo directo y el reflejado:

y finalmente, el retardo, , se expresa en nanosegundos y se denomina Multipath Delay. La separación entre desvanecimientos está dada por .

En la figura 12 se representa el modelo de canal que corresponde a los datos que en ella figuran, siendo Fs = 30 MHz (Parámetro fijo en el paquete de simulación IQTUTOR).

Figura 12

En relación con la misma figura 12, se tienen los siguientes valores:

f1 = f0 - 0.8 Fs = f0 - 24 MHz.

Sistemas reales

Los efectos del fenómeno de multipropagación se pueden compensar en los sistemas prácticos de diferentes formas, dependiendo del comportamiento predominante del fenómeno. Así, por ejemplo, una cuidadosa elección de la ubicación de las antenas, evitando fuertes reflexiones, reducirá en gran medida los desvanecimientos persistentes o estáticos. En la mayoría de los casos, superpuesto al comportamiento estacionario del canal aparece un comportamiento variable con el tiempo, cuyos efectos se traducen en ráfagas de errores. Para reducir estos efectos se emplean técnicas como la recepción con diversidad espacial (utilización de más de una antena), igualadores adaptativos o técnicas de decisión con realimentación, entre otros.

Simulación del fenómeno de multipropagación

El modelo simulado con el paquete IQTUTOR es estacionario, definido por los tres parámetros anteriormente mencionados.

Cambio de parámetros

Con el programa de simulación IQTUTOR inicializado, entre en el modo de edición pulsando la tecla E; a continuación, pulse la tecla D y estará en el modo de edición avanzado. En la pantalla le aparecerá una imagen tal como la presentada en la figura 13, en la que se indican los parámetros de retardo (Multipath Delay), localización de valles (Notch Position) y profundidad de desvanecimiento (Multipath Depth).

Figura 13

El parámetro que puede modificarse en cada momento es el que aparece subrayado, pasando de uno a otro con las teclas:

Multipath delayNotch positionMultipath depth

El margen de valores que puede darse a cada parámetro y el paso de un valor al siguiente, se indica en la siguiente tabla:

Multipath delayNotch positionMultipath depth
100 ns200 %40 dB
.........
...0 %0 dB
.........
0,0 ns-200 %-4 dB

Modifique los valores de los tres parámetros y observe la influencia que tienen en la respuesta del canal (representada en pantalla en el recuadro inferior a los parámetros).

Del modo de edición avanzado se vuelve al modo de edición normal pulsando ENTER; pulsando nuevamente ENTER se pasa al modo de trabajo (WORKING).

Los valores de los parámetros que suprimen en el sistema simulado el fenómeno de multipropagación son:

Multipath delay0,0 ns
Notch position0 %
Multipath depth0 dB

Amplificadores de potencia (HPA)

En algunos sistemas de comunicaciones digitales deben cubrirse grandes distancias con un sólo salto, como sucede en las comunicaciones por satélite, siendo la potencia de los transmisores un factor muy importante. En estos, los HPA trabajan deliberadamente en las proximidades de su máxima potencia de salida, donde el rendimiento del amplificador es mayor. El inconveniente que presentan los HPA trabajando en estas circunstancias, es la no linealidad de su comportamiento, caracterizado en el contexto de los sistemas digitales por la conversión AM-AM y/o AM-PM, que sufre la señal amplificada.

Estas conversiones pueden entenderse mejor con la ayuda de la figura 14, en la que se representa la respuesta característica de un HPA. En esta figura se observa que para niveles bajos de la señal de entrada, el HPA se comporta linealmente, es decir, la relación entre las amplitudes de la señal de salida y entrada y la fase entre las mismas, no varía con el nivel de la señal de entrada; para niveles altos de señal de entrada, conforme aumenta el nivel de la señal, aumenta el nivel de salida y el desfasaje entre la señal de entrada y la de salida.

Figura 14

Este comportamiento del HPA se mantiene hasta que llega a dar la máxima señal de salida (saturación); a partir de este punto, posteriores aumentos en el nivel de la señal de entrada producen disminución del nivel de salida.

El punto de trabajo de los HPA suele especificarse por un parámetro (backoff) que expresa el cociente (en dB) entre la amplitud de la señal de entrada actual y la correspondiente a punto de saturación. Valores típicos de "Backoff" se sitúan próximos a -2 dB.

Generalmente, por razones de eficiencia espectral, se utilizan modulaciones de fase y/o amplitud (sistemas PSK y QAM). Por sencillez vamos a analizar cualitativamente qué sucede con la constelación de señales de una modulación de amplitud. En la figura 15 se representa la curva característica del HPA junto con las amplitudes de las diferentes señales y constelaciones de entrada y salida, en las que se pone de manifiesto la conversión AM-AM (comprensión de los niveles altos).

Figura 15

Una consecuencia menos obvia de las no linealidades de un HPA es el aumento de ancho de banda de la señal amplificada, debido a los recortes que sufre la señal por la saturación del amplificador.

Aunque no se ha representado en la figura 15, el HPA introduce un desfasaje fijo entre la señal de entrada y la de salida al que hay que añadir el desfasaje dependiente del nivel de la señal, representado en la figura 14. Estos desfasajes fijos, independientes del nivel de señal, son corregidos automáticamente por los circuitos de recuperación de portadora.

Sistemas de modulación con offset o transiciones de fase restringidas

En las modulaciones de fase, la envolvente de la señal modulada es teóriamente constante. En la práctica no sucede así, como puede comprobarse con los diagramas vectoriales de las señales a la salida del filtro transmisor. Por ejemplo, para una señal QPSK, las transiciones entre estados pueden llegar a anular la envolvente. Estas variaciones de la amplitud de portadora se traducen en variaciones de fase cuando la señal es amplificada por el HPA.

Una forma de disminuir esta conversión AM-PM consiste en hacer que las transiciones entre estados estén restringidas a aquellos estados que no supongan grandes variaciones de la envolvente. Por ejemplo, en el caso QPSK representado en la figura 16 , las transiciones desde un estado solamente se dan hacia los estados contiguos y nunca hacia el estado opuesto. Esta modulación se conoce como offset-QPSK (OQPSK) y en la figura 17 se representa su diagrama vectorial.

Figura 16 Figura 17

Simulación del comportamiento del amplificador de potencia

El paquete de simulación IQTUTOR simula el funcionamiento del HPA definido por su "backoff". Desde el modo de trabajo, pulsando secuencialmente las teclas E y D, se entra en el modo de edición avanzado. En la pantalla del ordenador aparece una figura como la indicada en la figura 13.

El valor de backoff se modifica de la misma forma que los parámetros de multipropagación.

El valor de backoff que suprime el efecto del HPA es -15 dB:


Práctica a realizar, 2ª parte

La práctica consiste en solucionar un conjunto de cuestiones sobre la influencia de la multipropagación y el HPA sobre el sistema de transmisión de datos, detallando también el procedimiento empleado para obtener la respuesta.

Influencia de la multipropagación en la señal recibida

Para determinar el efecto de un canal con multipropagación sobre un sistema de transmisión digital, se va a diseñar un radioenlace con modulación BPSK. Las antenas del transmisor y receptor están a una altura h y distanciadas d km., de forma que el retardo entre el rayo directo y reflejado es 8.3 ns. y la amplitud del rayo reflejado es 3 dB menor que la del directo. La relación señal ruido es 40 dB y el factor de redondeo de los filtros es 0.3.

Efectos del HPA sobre las constelaciones y el desfasaje de la señal

Determinar las siguientes cuestiones: Se sugiere emplear los siguientes valores:
SNR40 dB
Alfa0,3
MultipropagaciónSuprimida