2. Simulación Con GNU Radio

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES DE INFORMACIÓN

CURSO DE ACTUALIZACIÓN SIMULACIÓN CON GNU RADIO Christian Tipantuña E-mail: [email protected] Quito, 2015

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1

GNU Radio

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2

Pantalla Inicial de GNU Radio

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3

Variables en GNU Radio § Tipos de variables en GNURadio

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4

Fundamentosde Comunicaciones

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Espectro Radioeléctrico

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5

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6

Fundamentos de Comunicaciones (1) Señales [1] Señales de telecomunicaciones à variaciones en el tiempo de voltajes, corrientes, o niveles de luz que transportan información. § Señales analógicas: variaciones directamente proporcionales

a alguna magnitud física, como sonido, luz, temperatura, velocidad del viento, etc.

§ Señales digitales: digitalización; dos valores, cero o uno. o Muestreo: proceso asociado a la digitalización de la señal à

Teorema de Nyquist (comprobación laboratorio).

§ Señales aleatorias: à impredecibles, pueden describirse por

métodos estadísticos. o Ruido: señal aleatoria típica, caracterizada por su potencia promedio y su distribución de frecuencia.

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7

Fundamentos de Comunicaciones (2)

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8

Fundamentos de Comunicaciones (3) A ⊖

v(t)= A cos(wot - ⊖)

T time

0

-A

A = Amplitud, voltios wo = 2πfo , frecuencia angular en radianes fo = frecuencia en Hz T = período en segundos, T = 1/fo ⊖ = fase (radianes o grados) Simulación con GNU Radio

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9

Fundamentos de Comunicaciones (4)

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10

Fundamentos de Comunicaciones (5)

f1

f

f3

2

Osciloscopio

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Analizador de Espectros

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11

Fundamentos de Comunicaciones (6)

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12

Fundamentos de Comunicaciones (7)

Fundamentos de Comunicaciones

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13

Procesode Transmisióny Recepción Transmisor § Irradia la señal a transmitirse. § La señal debe procesarse de alguna manera.

Modulación Receptor § Extraer la señal del canal de Tx y entregarlo al transductor de

salida. § Señal à restituida a su forma original. § Susceptible a sufrir alteraciones.

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14

Procesos Adicionales en un Sistema de Comunicaciones Filtrado § Limitación del ancho de banda. § Filtros: pasabajos, pasabanda, eliminabanda, pasaaltos. § Filtrado para diferentes propósitos.

Amplificación § Incremento en la amplitud de la señal (nivel de potencia). § Inconveniente si la señal se atenúa demasiado. § Sensitividad (sensibilidad) à SNR en el receptor. § Otro proceso regeneración de la señal.

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15

Procesos Adicionales en un Sistema de Comunicaciones (2) Amplificación

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16

Procesos Adicionales en un Sistema de Comunicaciones (3) Conversión A/D § Conversión de una forma de onda continua a una digital o discreta.

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17

Procesos Adicionales en un Sistema de Comunicaciones (2) Cifrado § Protección de datos à protección contra modificación (integridad), privacidad.

Codificación § Asignación de códigosà compresión, control de errores (detección y corrección). § Ejemplo: 8 à 1000

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18

Alteracionesde la Señal Ruido § Conjunto

de señales eléctricas aleatorias y por tanto impredecibles producidas por causas internas o externas al sistema

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19

①Análisis de la Frecuenciade Muestreo

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20

Análisis de la Frecuenciade Muestreo(2)

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21

Análisis de la Frecuenciade Muestreo(3)

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22

Análisis de la Frecuenciade Muestreo(4)

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23

Análisis de la Frecuenciade Muestreo(5) § Cambio de la frecuencia de muestreo Fs y de la frecuencia de

la señal f.

o Uso del bloque Text Box

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24

Análisis de la Frecuenciade Muestreo(6)

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25

Análisis de la Frecuenciade Muestreo(7)

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26

②Análisis en Tiempoy Frecuencia

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27

Análisis en Tiempoy Frecuencia (2)

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28

Análisis en Tiempoy Frecuencia (3) § Visualización al mismo tiempo en el dominio del tiempo y en el

dominio de la frecuencia. o Uso del bloque Slider

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29

③Audímetroen Tiempoy Frecuencia

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30

Audímetroen Tiempoy Frecuencia(2)

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31

Audímetroen Tiempoy Frecuencia(3)

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32

④Operacionescon Señales

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33

Operacionescon Señales (2)

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34

Operacionescon Señales (3)

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35

Operacionescon Señales (4) § Variante à manejo de variables. o Uso del bloque Variable

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36

Operacionescon Señales (5)

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37

Alteracionesde la Señal - Ruido Fuentes externas § Atmosférico à rayos, dependiendo de frecuencia, estación del

año y ubicación geográfica

§ Galáctico: sol principalmente , cósmico. § Generado por el hombre: Motores eléctricos, líneas eléctricas,

sistemas de ignición (ruido impulsivo).

Fuentes internas § Ruido térmico: causado por el movimiento aleatorio de los

electrones libres en un conductor. Todos los componentes como cables coaxiales, guías de onda, etc., generan ruido térmico.

§ Ruido blanco: depende de la temperatura a la cual se trabaja,

tiene todos los componentes de frecuencia

§ Otros: AWGN, por intermodulación, ruido por cuantización. Fundamentos de Comunicaciones

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38

Alteracionesde la Señal – Ruido (2) § Imagen con ruido blanco

§ Imagen con ruido impulsivo

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39

Ruido AWGN ① Dominio del tiempo (muestras)

① Función de distribución de probabilidad - PDF

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40

Ruido AWGN (2) § Función de distribución de probabilidad

PDF – Curva, u=0, sigma=1

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Otros valores

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41

Ruido AWGN (3) ① Dominio del tiempo

② Dominio de la frecuencia

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42

Ruido Coloreado ① Dominio del tiempo

② Dominio de la frecuencia

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43

Alteracionesde la Señal – Interferencia Interferencia § Producida debido a la presencia de una señal de naturaleza

similar a la deseada, no necesariamente la misma.

§ La interferencia puede deberse a acoplamientos o emisiones

electromagnéticas entre cables cercanos como por ejemplo, entre los pares trenzados de un cable UTP.

§ En transmisión à interferencia de canal adyacente, co-canal. Fundamentos de Comunicaciones

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44

⑤InterferenciaAditiva

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45

InterferenciaAditiva (2)

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46

⑥Análisis del Ruido

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47

Análisis del Ruido (2)

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48

Análisis del Ruido (3)

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49

Análisis del Ruido (4)

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50

Análisis del Ruido (5) Funciones de distribución del Ruido Ruido de función de distribución de tipo Gaussiana

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Ruido de función de distribución de tipo Uniforme

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51

Digitalizaciónde Señales

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52

⑥Digitalizaciónde Señales

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53

Digitalizaciónde Señales (2) § Variante à Variación de pasos de cuantización. o Uso de los bloque Chooser, Quantizer

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Digitalizaciónde Señales (3)

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55

Filtrado

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56

⑦Filtros § Filtro Pasabajos o Uso de bloque Low Pass Filter

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57

Filtros (2) § Filtro Pasabajos

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58

Filtros (3) § Filtro Pasabajos

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59

Filtros (4) § Filtro Pasabajos

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60

Filtros (5) § Filtro Pasaaltos o Uso de bloque High Pass Filter

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61

Filtros (6) § Filtro Pasaaltos

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62

Filtros (7) § Filtro Pasaaltos

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63

Filtros (8) § Filtro Pasaaltos

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64

Filtros (9) § Filtro Pasabanda o Uso de bloque Band Pass Filter

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65

Filtros (10) § Filtro Pasabanda

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66

Filtros (11) § Filtro Pasabanda

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67

Filtros (12) § Filtro Pasabanda

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68

Filtros (13) § Filtro Eliminabanda o Uso de bloque Band Reject Filter

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69

Filtros (14) § Filtro Eliminabanda

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70

Filtros (15) § Filtro Eliminabanda

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71

Filtros (16) § Filtro Eliminabanda

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72

Modulación § Acoplar (adaptar) la señal transmitida a las características del

canal de Tx à utilización de una onda portadora.

§ Ejemplo: Modulación en AM

§ Modulación

à incorporación en la portadora información de la modulante. § Modulación significado en tiempo y frecuencia. Fundamentos de Comunicaciones

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de

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la

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73

Modulación(2) § Modulación de onda continua

§ Modulación por pulsos

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74

Modulación(3) § Modulación analógica

§ Modulación digital

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75

Ventajasde la Modulación § Facilita la radiación de la señal. § El uso de portadoras permite tener antenas de dimensiones

realizables (λ=C/f). § La modulación ayuda a reducir el ruido y la interferencia. § Uso de portadoras a diferentes frecuencias, hace posible la

coexistencia de varias emisoras, varios canales de TV, etc. Potencia de la señal Canal 2

54 82

Fundamentos de Comunicaciones

Canal 3

60

Canal 4

66

Canal 5

Canal 6

72

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frecuencia, MHz Christian Tipantuña

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76

ModulaciónGeneralidades

§ Ejemplo: señal modulada en AM.

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77

Tipos de Modulación Modulación lineal: tiene por efecto la traslación del espectro de la modulante a una zona de alta frecuencia (RF = Radio Frecuencia) conservando la forma básica del mismo. Ejemplo: modulación en amplitud (AM). Modulación no-lineal o angular: Implica la traslación a RF y expansión del espectro de la señal modulante como proceso de la modulación. Ejemplo: modulación en frecuencia (FM), modulación en fase (PM). Fundamentos de Comunicaciones Escuela Politécnica Nacional

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78

Análisis ModulaciónLineal Modulación en el dominio de la frecuencia: § Traslación del espectro de la modulante (Wm = banda base) a

la frecuencia de la portadora (Wc = banda de Tx).

§ Duplicación del ancho de banda à ancho de banda de la

señal modulante Wm, luego de la modulación a 2Wm.

Bandas laterales

Portadora

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79

ModulaciónAM de 1 solo tono

Donde:

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Ac: Amplitud de la portadora x(t): modulante coswct: portadora m: índice de modulación

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80

Modulación AM coeficiente de modulación

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Señal AM de acuerdoa m

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82

DemodulaciónLineal § Proceso inverso a la modulación à traslado de RF a banda

base.

§ Receptor à recibir, amplificar, demodular (limitar espectro a

banda deseada - sintonía del receptor).

§ Información

inmersa en la envolvente à detección de

envolvente. La detección puede ser: § Detección de envolvente pico § Detección de envolvente promedio § Detección síncrona

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DemodulaciónAM Sincrónica o Coherente § Idea: multiplicar la señal modulada por una señal de las

mismas características de la portadora.

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⑧ModulaciónAM § Modulación AM DSB-LC o Uso de los bloques: Constant Source, Multiply

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85

ModulaciónAM (2)

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ModulaciónAM (3)

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⑨DemodulaciónAM § Demodulación AM o Uso del bloque: AM Demod

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88

DemodulaciónAM (2)

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89

DemodulaciónAM (3) § Señal modulada en AM

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90

DemodulaciónAM (4) § Señal demodulada

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91

DemodulaciónAM (5) § Demodulación AM Síncrona

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92

DemodulaciónAM (6) § Demodulación AM Síncrona o Uso de los bloques: Low Pass Filter, Complex to Mag.

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93

DemodulaciónAM (7) § Demodulación AM Síncrona

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94

DemodulaciónAM (8) § Demodulación AM Síncrona

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95

Modulación/DemodulaciónAM § Modulación/Demodulación AM

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ModulaciónNo - Lineal

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97

ModulaciónNo – Lineal (2) La modulación angular puede ser de 2 tipos: § Modulación de frecuencia (FM frecuency Modulation)

La frecuencia de la señal varía proporcionalmente con la modulante. § Modulación de Fase (PM phase modulation)

La fase de la señal modulada varía proporcionalmente con la modulante. Tanto en FM como en PM lo que varía es el ángulo de fase θ. Dado que las carácterísticas de FM y PM son muy semejantes solo se hará el análisis para FM.

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98

ModulaciónNo – Lineal (3)

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99

Análisis FM y PM § Para FM la desviación máxima es

decir el cambio de la portadora se efectúa en los picos positivos y negativos, en este caso la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante.

§ Para PM la desviación máxima

de frecuencia (cambio de frecuencia) se efectúa durante los cruces de la señal modulante por cero, es decir la desviación de frecuencia es proporcional a la pendiente de la primera derivada de la señal modulante.

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100

ModulaciónFM § Modulación de 1 solo tóno modulante (1 señal a modular).

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101

Modulación FM (2)

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102

DemodulaciónFM § En una señal FM la contaminación de la amplitud no destruye

la información porque la misma está incorporada en la frecuencia, sin embargo antes de demodular es necesario utilizar limitadores debido a que durante el proceso de transmisión se incorporan variaciones espurias de amplitud en la señal. § Para una detección sin distorsión la amplitud de la señal FM

debe ser constante, por ello, es necesario eliminar éstas variaciones de amplitud, a no ser que el detector sea inmune a las variaciones de amplitud, éste tipo de detectores se denominda detector de relación o de razón.

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103

Procesode demodulación FM • La idea para demodular una señal modulada en FM es

emplear los mecanismos necesarios para tratar a FM como AM y luego emplear la deteccción de envolvente.

• Para conseguir que FM se comporte como AM, hay que

conseguir que las variaciones de frecuencia representen variaciones de voltaje, esto se lo consigue empleando derivación (uso de red derivadora).

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104

Procesode demodulación FM (2) • Empleando una red derivadora se provocan los cambios

suficientes para tratar FM como AM, en específico lo que se pretende realizar es una detección de la envolvente para recuperar la modulante, exactamente el mismo proceso que en AM.

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105

Tipos de DemoduladoresFM Los demoduladores también llamados detectores de FM son circuitos dependientes de la frecuencia diseñados para producir un voltaje de salida proporcional a la frecuencia instantánea en su entrada, hay varios circuitos utilizados para demodular FM entre ellos los siguientes. § Detector de pendiente. § Discriminador Foster-Seeley. § Detector de relación. § Demodulador PLL. § Detector de cuadratura.

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106

⑩TransmisorFM § Transmisor FM o Uso de los bloques: Wav File Source, FM Preemphasis, NBFM

Transmit, NBFM Receive, Rational Resampler

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107

TransmisorFM (2) § Bloques: Wav File Source, FM Preemphasis

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108

TransmisorFM (3) § Bloques: NBFM Transmit, NBFM Receive

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109

TransmisorFM (4) § Bloques: Rational Resampler, Audio Sink

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110

TransmisorFM (5) § Transmisión FM

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111

TransmisorFM (6) § Transmisión FM

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112

11) Utilizando la Interfaz QT § Ejemplo: Sources and Sinks

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Modulaciones Digitales

113

ModulacionesDigitales § En una modulación digital la portadora es una señal analógica

y la modulante es una señal digital, a diferencia de AM en la que tanto portadora como modulante son señales analógicas.

§ Es posible representar los diferentes tipos de modulaciones por

medio de constelaciones las cuales representan la ubicación de cada símbolo en términos de cambio de fase y de amplitud de la portadora.

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Modulaciones Digitales

114

Sistema de Comunicaciones Digital

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Modulaciones Digitales

115

Tipos de ModulacionesDigitales § De manera similar a las modulaciones analógicas, en las modulaciones digitales, es posible trabajar con la variación de varios parámetros como amplitud, frecuencia y fase o una combinación de ellos. ANALOGICO

AM

FM

PM

V(t) = V sen (2 π f t + θ ) DIGITAL

ASK

FSK

PSK

QAM Simulación con GNU Radio

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116

Modulaciones Digitales

ModulaciónASK ASK (Amplitude Shift Keying) § La portadora está presente o ausente en función del nivel de

señal digital. § Este

tipo de modulación electromagnético.

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es

muy

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sensible

al

ruido

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Modulaciones Digitales

117

ModulaciónASK (2) ASK (Amplitude Shift Keying)

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Modulaciones Digitales

118

ModulaciónFSK FSK (Frequency Shift Keying) § La frecuencia de la portadora depende del nivel de la señal digital. § Este tipo de modulación es más inmune frente al ruido. § Es similar a la modulación en frecuencia (FM), pero más sencilla, dado que la señal moduladora es un tren de pulsos binarios que solo varía entre dos valores de tensión discretos.

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Modulaciones Digitales

119

ModulaciónFSK (2)

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Modulaciones Digitales

120

ModulaciónPSK PSK (Phase Shift Keying) § A cada valor del dato le corresponde distintos valores de fase de la portadora. § 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.

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Modulaciones Digitales

121

ModulaciónPSK (2)

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Modulaciones Digitales

122

Modulaciónen Cuadratura(QAM) § La

modulación de amplitud en cuadratura, en inglés Quadrature Amplitude Modulation (QAM), es una modulación digital avanzada que transporta datos cambiando la amplitud de dos ondas portadoras.

§ Estas dos ondas, generalmente sinusoidales, están desfasadas

entre si 90°, en los dos casos una onda es la portadora y la otra es la señal de datos. Se utiliza para la transmisión de datos a alta velocidad por canales con ancho de banda restringido. § Se asocian gran cantidad de aplicaciones a ella: § Modems ADSL o Multitud de sistemas de transmisión de televisión, microondas. o Satélite

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Modulaciones Digitales

123

Modulaciónen Cuadratura(QAM) (2)

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Modulaciones Digitales

124

Modulaciónen Cuadratura(QAM) (3)

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Modulaciones Digitales

125

Modulaciónen Cuadratura(QAM) (4)

Bit rate: número de bits por segundo. Baud rate: número de símbolos por segundo, un símbolo está formado por varios bits. Simulación con GNU Radio

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Modulaciones Digitales

126

Modulaciónen Cuadratura(QAM) (5)

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Probabilidades de Error Si se aumentan la cantidad de símbolos representados aumenta la posibilidad de errores al demodular. La medida de errores en la recepción se conoce como Bit Error Rate (BER) e indica cuantos bits erróneos hay sobre n bits recibidos. Por ejemplo, gráficamente para PSK se tiene el siguiente gráfico:

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Probabilidades de Error (2) • El gráfico anterior se obtiene de la fórmula de probabilidad de

error correspondiente, para las diferentes modulaciones a continuación se presenten las formulas para la probabilidad de error P(e).

Donde: § Eb/N0 es la relación energía por bit / densidad espectral de potencia de ruido, y es una medida de la SNR (relación señal a ruido) normalizada, y también se conoce como "SNR por bit". § erfc es la función complementaria. Simulación con GNU Radio

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de

error

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12) ModulaciónQPSK § Uso de los bloques: PSK Mod, Random Source, Constellation Sink

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ModulaciónQPSK (2) § Uso de los bloques: PSK Mod, Random Source, Constellation Sink

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ModulaciónQPSK (3) § Uso de los bloques: PSK Mod, Random Source, Constellation Sink

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ModulaciónQPSK (4)

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ModulaciónQPSK (5)

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13) BER con ModulaciónQPSK § Análisis del BER

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BER con Modulación QPSK (2) § Análisis del BER

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14) Transmisorde Audio § Transmisor de audio digital

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OFDM Características § Una técnica muy popular que ha sido concebida para trabajar

en canales multitrayecto.

§ Es capaz de suprimir en gran porcentaje la ISI debida a

trayectos múltiples (multipath).

§ El principio consiste en dividir el ancho de banda disponible en

anchos de banda más pequeñas sobre las que el canal puede ser considerada plana.

§ Actualmente se usa en una variedad de aplicaciones, como

WiFi IEEE 802.11a,g,n; WiMax, LTE y Digital Video Broadcasting.

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138

OFDM como Modulación § El espectro se divide en varias sub-portadoras ortogonales: f =

1/Ts.

§ El flujo de información se divide en las subportadoras. Mo-

demodulación por FFT / IFFT .

§ La separación entre portadoras es tal que, son ortogonales entre

sí. Por lo tanto no hay necesidad de una banda de guarda entre portadoras.

§ La ortogonalidad se logra haciendo coincidir

los picos del espectro de las subportadoras con los valores nulos del espectro de las otras subportadoras pertenecientes al mismo canal, obteniéndose como resultado un perfecto alineamiento y espaciado de las señales.

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OFDM como Modulación (2)

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139

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140

OFDM Concepto de Ortogonalidad § Dos señales son ortogonales entre sí cuando la integral de su

producto a lo largo de un período completo es nula, es decir:

§ Dos o más portadoras son ortogonales entre sí, cuando su

separació n en frecuencia es un múltiplo entero de la inversa del período correspondiente a una frecuencia común del sistema.

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141

OFDM Interferencia entre portadoras • En un sistema FDM la interferencia entre portadoras puede

eliminarse completamente si todas ellas resultan ortogonales entre sí à OFDM.

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142

OFDM Modulación §

Varias portadoras moduladas digitalmente en un intervalo de tiempo.

§

Ejemplo: Portadoras con modulación BPSK.

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143

OFDM Portadoras en el dominio del tiempo y frecuencia

§

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En el espectro de una señal OFDM se aprecia que las señales se encuetran solapadas y debido a que existe ortogonalidad entre ellas no se produce interferencia. Escuela Politécnica Nacional

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144

Comparación FDM y OFDM § Respecto a un sistema FDM en uno OFDM se eliminan las bandas

de guarda de cada canal (subcanal), por esta razón es posible aprovechar mucho más el ancho de banda disponible.

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145

Generación de Señal OFDM (2) § Matemá ticamente puede demostrarse que si se aplica la

Transformada Discreta Inversa de Fourier (IDFT) a un bloque de L símbolos QAM y luego se transmiten en serie los coeficientes IDFT obtenidos, se consigue una señal OFDM.

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Esquema de generación de OFDM

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147

OFDM – Modulación y Demodulación

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OFDM en Ambientes Multitrayecto

§ Los multitrayectos rompen con la ortogonalidad debido a la

interferencia entre sí mbolos, la cual se produce por el retardo entre los multitrayectos.

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OFDM – Prefijo Cíclico § Una

solución para corregir la pérdida de ortogonalidad es agrandar artificialmente el símbolo mediante la adición de un prefijo cíclico, de manera que siempre exista un símbolo.

§ El tamaño del Prefijo Cí clico se escoge adecuadamente para

que sirva como tiempo de guarda para eliminar el ISI. Esto se logra escogiendo el cyclic prefix superior al mayor tiempo de retardo del canal. Televisión

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OFDM – Prefijo cíclico (2) § El tiempo

adicional que se agrega a cada símbolo se denomina Prefijo Cíclico o Intervalo de Guarda.

§ Debido al retardo, se pierde la última parte del sí mbolo, es por

ello que esa es la parte de cada sí mbolo que se coloca al principio del mismo. Debido a la caracterí stica de la señal sinusoidal, con este procedimiento es posible recuperar toda la información de un ciclo.

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151

OFDM – Símbolo OFDM y cuadro OFDM § Símbolo OFDM: Un grupo de portadoras transmitidas dentro del

mismo intervalo de tiempo.

§ Cuadro OFDM: Una sucesión de símbolos OFDM se denomina

cuadro OFDM.

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15) ModulaciónOFDM § Uso del bloque: OFDM Mod

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ModulaciónOFDM (2) § Uso del bloque: OFDM Mod

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ModulaciónOFDM (3)

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ModulaciónOFDM (4)

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ModulaciónOFDM (5)

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16) ModulaciónOFDM Interfaz QT

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ModulaciónOFDM Interfaz QT (2)

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