UTILIZAR SIMULINK DE
MATLAB PARA HACER UN MODULADOR QPSK
Introducción.
La
utilización de nuevas tecnologías nos obliga a realizar adaptaciones y
acoplarnos a estas. En este sentido lo mejores hacer cada vez más fácil el manejo e implementación de estas nuevas
tecnologías. Con este objetivo día tras día se trabaja el hacer más fácil la
programación de estas nuevas tecnologías para incentivar el mismo desarrollo.
La
utilización de la modulación en señales es sobreponerlas con portadoras, de
esta manera se aprovecha mejor el canal de comunicación, lo que nos ayuda a
transmitir más información de una forma simultánea y sin mencionar la mejora
contra ruidos e interferencias que se puedan presentar.
En este
manual se mostrara la modulación digital especifica QPSK (cuadratura Phase Shift Keying); Se utilizara la
herramienta “simulink” de Matlab para hacer la simulación de esta modulación.
Explicando paso a paso la modulación y simulación de este.
Objetivos:
·
Familiarizarse con el entorno de la herramienta System Generator.
·
Conocer y utilizar la herramienta “simulink” de Matlab
·
Por medio de la práctica, reconocer algunas ventajas y debilidades de la
herramienta para el diseño de soluciones.
·
Conocer los procedimientos para exportar, compilar y programar nuestro
diseño en un kit de desarrollo de la Familia Spartan.
·
Realizar el montaje práctico del diseño y analizar los resultados con los
elementos de medición disponibles en el laboratorio.
·
Comprender y analizar el funcionamiento de la
modulación QPSK y su aplicativo en Matlab.
MODULACION
Modulación engloba
el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal
de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma
simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e
interferencias. Según la American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso, o el
resultado del proceso, de variar una característica de una portadora de acuerdo
con una señal que transporta información. El propósito de la modulación es
sobreponer señales en las ondas portadoras.
Básicamente,
la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de
valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir.
Onda de baja
frecuencia (portadora, las dos de abajo) puede modularse en amplitud (AM, varía
la amplitud) o en frecuencia (FM, varía la frecuencia).
TIPOS DE MODULACION
Modulación
Analógica
Las tres técnicas de modulación analógica básica son:
- Modulación
de la amplitud (AM o amplitud modulada).
- Modulación
de la frecuencia (FM o frecuencia modulada).
- Modulación
de la fase (PM o fase modulada).
La mayoría de los sistemas de comunicación utilizan
alguna de estas tres técnicas de modulación básicas, o una combinación de
ellas.
Modulación
Digital
La función de una modulación digital es convertir los
bits en señales adecuadas para su transmisión. La gran ventaja de las
modulaciones digitales es que son más robustas frente al ruido, y además
permiten regenerar la señal con mayor calidad que las modulaciones analógicas
Los siguientes son algunas técnicas de modulación digital
- Modulación
por desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying)
- Modulación
por desplazamiento de frecuencia (FSK,Frecuency Shift Keying)
- Modulación
por desplazamiento de fase (PSK, Phase Shift Keying)
MODULACIÓN PSK
La modulación por desplazamiento de fase o PSK (Phase
Shift Keying) es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar
la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferencia con
la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variación de
fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal
moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados
limitado.
La modulación PSK se caracteriza porque la fase de la
señal portadora representa cada símbolo de información de la señal moduladora,
con un valor angular que el modulador elige entre un conjunto discreto de
"n" valores posibles.
Dependiendo del número de posibles fases a tomar, recibe
diferentes denominaciones. Dado que lo más común es codificar un número entero
de bits por cada símbolo, el número de fases a tomar es una potencia de dos.
Así tendremos BPSK con 2 fases (equivalente a PAM), QPSK con 4 fases
(equivalente a QAM), 8-PSK con 8 fases y así sucesivamente. A mayor número de
posibles fases, mayor es la cantidad de información que se puede transmitir
utilizando el mismo ancho de banda, pero mayor es también su sensibilidad
frente a ruidos e interferencias.
Se puede modelar como la conmutación de dos señales
sinusoidales de características similares pero desfasadas 180°, definidas
mediante las siguientes expresiones:
f1(t) = Asen(wct) (equivalente al 1 binario)
f2(t) = -Asen(wct) (equivalente al 0 binario)
Existen dos tipos de modulación PSK: BPSK con 2 fases
y QPSK con 4 fases.
BPSK (PSK Binario)
Este esquema es la modulación de desplazamiento de fase
de 2 símbolos. Es el más sencillo de todos, puesto que solo emplea 2 símbolos,
con 1 bit de información cada uno. Es también la que presenta mayor inmunidad
al ruido, puesto que la diferencia entre símbolos es máxima (180º). Dichos
símbolos suelen tener un valor de salto de fase de 0º para el 1 y 180º para el
0, como se muestra en un diagrama de constelación. En cambio, su velocidad de
transmisión es la más baja de las modulaciones de fase.
Diagrama de
constelación para BPSK.
QPSK
(Quadrature Phase-Shift Keying)
Esta modulación digital es representada en el diagrama
de constelación por cuatro puntos equidistantes del origen de las coordenadas.
Con cuatro fases, QPSK puede codificar dos bits por cada símbolo. La asignación
de bits a cada símbolo suele hacerse mediante el código Gray, que consiste en
que, entre dos símbolos adyacentes, los símbolos solo se diferencian en 1 bit,
con lo que se logra minimizar la tasa de bits erróneos, se dividen en grupos de
dos (11, 10, 01 o 00) y a cada posible par de bits se le asigna una forma de onda.
Diagrama de
constelación para QPSK con código Gray.
El
"PSK" en QPSK se refiere al uso de phased Shift Keying. Shift Keying
etapas es una forma de modulación de fase que se logra mediante el uso de un
discreto número de estados. QPSK se refiere a PSK con 4 estados.
Desplazamiento
de fase de 4 símbolos, desplazados entre sí 90º. Normalmente se usan como
valores de salto de fase 45º, 135º, 225º, y 315º. Cada símbolo aporta 2 bits.
Suele dividirse el flujo de cada bit que forman los símbolos como I y Q.
Primero
que todo se tiene que verificar que el software xilinx este asociado con Matlab
Si estamos en W7 debemos dar clic
derecho en System Generator MATLAB Configurator e ejecutar como administrador .
Seleccionamos nuestra versión de Matlab
y damos Apply
El siguiente esquema de bloques
representa en funcionamiento de un modulador QPSK, el cual implementaremos
durante el desarrollo del manual.
Modulador QPSK. El flujo binario es dividido dos
componentes, denominados canales I (inphase, en fase) y Q (quadrature, en
cuadratura) que modulan independientemente a dos portadoras ortogonales entre
sí. Después, las dos señales se superponen, y la señal resultante es la señal
QPSK. En la figura se muestran dos codificadores (NRZ Encoder) que se pueden
colocar antes de la entrada del flujo de datos binario, aunque han sido
colocados después para ilustrar la diferencia conceptual entre señales
digitales y analógicas involucradas en la modulación digital. La implementación
es semejante al modulador de QAM digital.
Después de iniciar Matlab, para llamar
la herramienta simulink simplemente escribimos simulink en la consola y damos
enter
En la herramienta de simulink encontramos gran variedad de toolbox,
estas son librerías que contienen
Blocksets. Si requerimos de una herramienta damos clic en nuevo y se abre una
nueva ventana donde se puede arrastrar los Blocksets e interconectarlos como se
ve en la siguiente imagen.
Para el desarrollo de este modulador QPSK es importante simular una
sucesión de bits para el ingreso de datos del modulador para ello debemos
arrastrar la siguiente Blocksets, el generador de Bernoulli que se encuentra en
el toolbox communications system, este genera un vector de bits aleatoriamente.
Para la configuración del Blocksets damos doble clic en la Blocksets y
observamos las opciones que nos ofrece el Blocksets, pero para el caso del
generador de Bernoulli se deja predeterminado.
Este modulador debe estar sincronizado con el tiempo para ello debemos generar
un reloj, esto se hace con el Blockset Pulse generator que se encuentra en el
toolbox simulink, este Blockset nos genera una onda cuadrada y con ello
simulamos el tiempo del modulador, para configurar el tiempo debemos calcular
la frecuencia que necesitamos y para ello configuramos en el periodo
Luego debemos incluir un NRZ encoder, este encoder convierte los bits
generados por el generador de Bernoulli en una onda de pulsos como un PWM. Para
esto se necesita la Blockset convert que se encuentra en la toolbox simulink.
Ingresamos a la configuracion y selecionamos en output data type y
seleccionamos boolean como se ve en la siguiente imagen, esto se debe a que es
un circuito digital entonces es necesario obtener numeros booleanos.
Luego debemos demultiplexar la señal de entrada para ello se implementa
un circuito lógico combinacional
Para el desfase de la señal debemos llamar el Blockset logic que nos
permite negar o invertir la señal de entrada.
Para configurarlo debemos establecer los elementos del vector pues ya
que esto funciona con la tabla de verdad de la negadora de un modo implícito.
Luego debemos incluir compuertas AND, estas están definidas en el
Blockset logical operator que se pueden
encontrar en el toolbox simulink
Su configuración queda predeterminada.
Luego incluimos constantes para el funcionamiento de los flip-flops tipo
D según la tabla de verdad
Su configuración la debemos hacer en el atributo de la señal, como
estamos trabajando en circuito lógico requerimos de datos booleanos,
modificaremos en output data type
Los flip flops tipo D se dejan
predeterminados.
Luego debemos convertir la señal unipolar a bipolar, para ello se
necesita multiplicar la señal en 2 veces, incluiremos los Blocksets constant y
product del toolbox simulink.
La configuración de las 4 constantes radica en el principal tenemos
constantes de 1 y 2 para la multiplicación, en signal attributes esta
predeterminada.
Luego la señales resultantes se suman con constantes para ello se debe
incluir el Blockset ADD de la toolbox simulink
Debemos configurar la señal como
un amplificador operacional con entradas inversoras y no inversoras
Se procede luego a multiplicar las señales, se necesita una señal
portadora que se encuentre en fase para ello incluimos la Q seno
Para generar nuestras componentes
i-coseno y q-seno introducimos para cada una, una señal seno con las siguientes
configuraciones
Para i-coseno
Debemos introducir la frecuencia que es 2*pi*4 y luego la desfasamos en
pi/2 y las muestras del tiempo deben ser por 0.01
Para q-seno: Debemos introducir la frecuencia que es 2*pi*4 y luego la
para la fase debe estar en pi y las
muestras del tiempo deben ser por 0.01
Los product y el add siguientes a la conexión se dejan con la configuración predeterminada
Uniendo todos los Blocksets debemos tener el siguiente esquema
Para comprobar si el esquema está funcionando, incluiremos de la toolbox
de simulink el Blockset scope.
Con esta herramienta observaremos la señal modula del modulador QPSK,
procedemos a dar play en simulink y damos doble clic en scope y podemos ver la
señal modulada
Se puede ver claramente que por cada uno o cero la señal se desfasada
Conclusiones:
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