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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



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.



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?



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.



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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