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Análisis Vectorial de Modulaciones Digitales - Contenido educativo

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Subido el 2 de abril de 2022 por Pedro Luis P.

158 visualizaciones

Como se analiza vectorialmente la señal resultante de una modulación digital

Por ejemplo, vamos ahora el siguiente punto de agenda a ver en qué consiste el análisis de modulaciones vectoriales. Y bueno, pues una de las primeras cosas que tengo que contar es cuál es la diferencia entre una modulación vectorial y una modulación digital. 00:00:00

Es decir, la modulación digital o modulación digital es un término utilizado en comunicaciones terrestres de radio y satélite para hacer referencia a una modulación en la que los estados digitales, los unos y ceros, se van a representar por variaciones ya sea en amplitud, en frecuencia, en fase o en ambas. 00:00:18

Y esto son variaciones de la señal portadora. Entonces, aunque estamos hablando de modulación digital, realmente es una modulación completamente analógica y este tipo de modulación se puede conseguir mediante esquemas analógicos de modulación como pueda ser AM, FM o PM, que es modulación por amplitud, modulación por frecuencia o modulación por fase. 00:00:38

Sin embargo, en la práctica se utiliza la modulación vectorial para transmitir esta información digital. 00:01:03

La modulación vectorial es muy importante porque se puede utilizar para generar posiciones arbitrarias de amplitud y fase. 00:01:11

En este esquema, la información digital de banda base se separa en dos componentes, una componente en fase y otra en cuadratura. 00:01:17

Y al combinarlos se produce la señal moduladora en banda base. 00:01:25

La característica más importante de las componentes IQ es que son ortogonales entre sí, es decir, son independientes. 00:01:29

Y para un valor digital concreto, que le llamaremos símbolo, sería el puntito naranja que vemos en la gráfica, 00:01:36

la combinación de la señal I y de la señal Q forma un vector con un módulo y fase concretos. 00:01:44

El receptor simplemente tendrá que proyectar sobre cada eje este vector para recuperar los valores de I y de Q de la señal 00:01:50

en un momento dado y obtener, por tanto, la información digital. 00:01:57

Y en función del número de bits que queramos agrupar para formar un símbolo, 00:02:02

la representación de estos símbolos llamada constelación tendrá un número concreto de símbolos. 00:02:07

Es decir, si yo tengo 4 bits por símbolo, esto implica que habrá 2 elevado a 4, 00:02:12

es decir, 16 símbolos en la constelación, y la forma en la que estos 16 símbolos estén distribuidos en la constelación me indicará un tipo u otro de modulación vectorial. 00:02:21

En este caso, por cómo están distribuidos, lo que tenemos es una modulación vectorial 16QAM. 00:02:33

La señal irá pasando de un símbolo a otro a una velocidad concreta, y a esto lo vamos a llamar tasa de símbolo. 00:02:39

La tasa de símbolo es muy importante porque lo que nos va a determinar es qué ancho de banda necesitamos para esta señal. 00:02:46

Además, en las transiciones entre símbolos el paso no suele ser perfecto, quedando por tanto los símbolos distribuidos como una nubecilla cerca del punto donde en teoría deberían estar. 00:02:56

Esto hace que a la hora de interpretar un símbolo, si el símbolo recibido corresponde a un valor de bits o a otro, tengamos que tomar una decisión. 00:03:08

Y a esta decisión la voy a llamar detección del símbolo. 00:03:15

El umbral de detección, o el valor límite para considerarlo un símbolo u otro, es la mitad de la distancia entre esos dos símbolos. 00:03:19

Entonces, cuantos más símbolos haya en una modulación, más bits vamos a poder transmitir por símbolo, pero también al estar más cerca unos símbolos de otros, va a hacer que esa modulación sea más sensible a imperfecciones, ya sean por ruido, por imperfecciones del sistema o por lo que sea. 00:03:28

Y esto lo veremos con más detalle más adelante. 00:03:49

Para crear la señal vectorial, lo que vamos a hacer es separar las fases de la señal, teniendo, digamos, que la señal Y y la señal Q estén desfasadas 90 grados entre sí. 00:03:52

de tal manera que después de ese desfase 00:04:08

además suben en frecuencia, se combinan y con eso tendría 00:04:13

la señal compuesta, la señal modulada IQ 00:04:16

si queremos demodular, bueno, pues es muy sencillo 00:04:19

lo que tendríamos que hacer es, esa señal que nos viene 00:04:24

desfasarla a 90 grados y ya nos quedaríamos 00:04:27

con la componente en fase y la componente en cuadratura 00:04:32

Que recordemos, como son señales ortogonales, son independientes entre sí y no se ven afectadas. 00:04:36

Si volvemos al diagrama de bloques, podemos ver que algunos instrumentos realizan conversiones de frecuencia antes de llegar al digitalizador. 00:04:43

Mientras que otros, como por ejemplo los osciloscopios, digitalizan directamente la señal. 00:04:52

Al VSA le van a ir bien los dos métodos. 00:04:57

Lo que necesita es la señal digitalizada y luego se encarga él de realizar la separación de los componentes I y Q para su posterior análisis. 00:04:59

Veremos cómo funciona esto en lo que sería el VSA. 00:05:13

Entonces, el VSA permite representar la información obtenida de muchas formas. 00:05:18

como por ejemplo podemos ver la constelación arriba a la derecha, podemos ver las transiciones que hay entre cada uno de los puntos de la constelación, 00:05:25

que sería el diagrama IQ, podemos ver la magnitud del vector error, hablaremos luego de ese vector de error, 00:05:34

podemos ver incluso tablas de resumen en la que se muestran los errores más importantes en la modulación e incluso la secuencia de bits implicada por los símbolos recibidos. 00:05:40

En esta slide, por ejemplo, estamos mostrando la trayectoria que ha seguido la señal pasando de símbolo a símbolo, lo que es el diagrama de IQ. 00:05:53

En este caso es una señal QPSK que consta de cuatro símbolos. Al tener cuatro símbolos tiene dos bits por símbolo. 00:06:06

Y para demodularla, entre otras cosas, es necesario no solamente conocer la tasa de símbolo, la velocidad a la que está cambiando de uno a otro, 00:06:13

sino también otros parámetros como, por ejemplo, el filtro utilizado en la señal. 00:06:19

Por ejemplo, un filtro RRC con alfa de 0.35. 00:06:25

Aunque la modulación vectorial depende de tres parámetros, es decir, la I, la Q y la evolución en el tiempo, 00:06:31

en este diagrama no se puede ver el tiempo ya que quedaría perpendicular a la pantalla. 00:06:41

Pero si pusiéramos un marcador en esta gráfica y lo fuéramos moviendo, el marcador iría siguiendo la evolución en el tiempo de esta señal. 00:06:46

En la siguiente gráfica, en esta otra gráfica, lo que estamos mostrando es una constelación. 00:06:57

Entonces, los círculos rojos van a indicar la posición que en teoría debería tomar el símbolo recibido para estar dentro de los límites de error. 00:07:03

Pero claro, la señal es una señal real, no es una señal ideal, y por tanto los símbolos van a aparecer como una nubecilla cerca del valor esperado. 00:07:12

Cuanto mejor sea la calidad de la señal, más concentrados van a estar, y si la señal tiene muchos errores, pues se van a ir dispersando por el diagrama. 00:07:21

Aquí lo que comento es lo que es el LVM. Antes he comentado que el LVM se puede medir, etc. 00:07:33

¿Qué es SVMS? Esa magnitud del vector error es un parámetro que se calcula haciendo la diferencia entre el vector de referencia, donde debería haber caído el símbolo, y el vector del símbolo medido. 00:07:38

Entonces la diferencia entre esos dos vectores me va a dar el vector de error. Este vector de error va a tener una magnitud. La magnitud del vector de error es ese EVM, que no debemos confundir con el error de magnitud en mi símbolo o, por ejemplo, el error de fase o similar. 00:07:53

Entonces, es importante no confundir este EVM con otros errores. El EVM es una figura de mérito, es decir, me va a indicar cómo de buena o mala es una modulación en función de si ese EVM es alto o es bajo. 00:08:12

Y otros errores que podríamos evaluar son, por ejemplo, el error de fase que esté teniendo o la distribución del EVM en el tiempo o en el espectro. Y esta información es importante porque nos puede informar de qué cosas pueden estar ocurriendo. 00:08:31

Recuerdo una vez que teníamos una modulación y el EVM parecía que estaba bien y estábamos viendo el error en el espectro que tenía este EVM y veíamos que parpadeaba, con lo cual nos extrañó mucho. 00:08:49

Lo pusimos para ver la evolución de este vector de error en el tiempo y veíamos que iba como pulsado, iba como a pulsos, a ráfagas. Y claro, pues nos llamó mucho la atención. Entonces extendimos el análisis para ver otras señales que pudieran estar presentes y vimos que aunque la señal de estudio en este caso era una señal de LTE en 900 MHz, a pesar de que estábamos ahí, pues había otra señal, una Wi-Fi que estaba en 2,4 GB y que iba pulsada. 00:09:03

y, curiosamente, la ráfaga en el tiempo de esa señal Wi-Fi coincidía perfectamente con cómo iban esas ráfagas que yo tenía en el UVM de la DLTE. 00:09:32

Es decir, la señal Wi-Fi que estaba lejos y con una potencia relativamente débil me estaba influenciando en el vector de error de mi señal DLTE. 00:09:42

Entonces, eso lo descubrimos gracias al poder representar este tipo de información. 00:09:51

Son, digamos, representaciones que nos van a dar información importante. 00:09:57

Bien, si nos fijamos en lo que sería, en lo que es la, otros errores que puedo ver, y en este caso en la constelación, bueno, pues cosas que puedo observar es el cómo van a variar esos símbolos con respecto a la teoría. 00:10:02

Y si yo tengo que la nubecilla de símbolos se va distribuyendo, se va dispersando, pues puedo tener ruido aleatorio. Pero si yo veo que la distribución de símbolos está como comprimida, pues puede ser que yo tenga una distorsión AM-AM o que yo pueda tener una distorsión AM-PM. 00:10:19

Si yo tengo ruido de fase, lo que voy a ver es cómo se desplazan radialmente. 00:10:37

Yo voy a poder visualizar si tengo distorsión por interferencia entre símbolos, si voy a poder tener espurios. 00:10:48

Voy a poder ver si hay un desequilibrio en la ganancia entre amplitud y fase. 00:10:57

Con lo cual, en vez de quedar, por ejemplo, más o menos cuadrada, quedaría un poco más romboédrica. 00:11:02

En fin, voy a poder evaluar un montón de errores visualizando la constelación. Y otro detalle que quería comentar es que cuantos más símbolos tenga en una constelación, más vulnerable será esa modulación a posibles fuentes de error, porque la distancia entre símbolos es menor. 00:11:06

Otra de las representaciones, por ejemplo, la tabla de errores, es una herramienta muy potente, quizá de las más potentes, 00:11:29

porque me permite visualizar muy rápidamente no solamente cuál es el VM promedio, sino también cuál es el máximo VM que estoy teniendo, 00:11:36

el símbolo, otro tipo de errores e incluso ver los bits que están siendo recibidos, porque lo que está haciendo es traducir los símbolos a los bits recibidos. 00:11:46

Idioma/s:
Autor/es:: Adolfo del Solar
Subido por:: Pedro Luis P.
Licencia:: Dominio público
Visualizaciones:: 158
Fecha:: 2 de abril de 2022 - 23:51
Visibilidad:: Público
Duración:: 11′ 56″
Relación de aspecto:: 16:10 El estándar usado por los portátiles de 15,4" y algunos otros, es ancho como el 16:9.
Resolución:: 1280x800 píxeles
Tamaño:: 15.89 MBytes