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EN2611 Comunicação Digital Prof. Ivan R. S. Casella ivan.casella@ufabc.edu.br 3T2013 Transmissão em Banda Passante Modulação Digital – Converte um sinal digital em banda base num sinal analógico em banda passante, através da variação dos parâmetro de um sinal de portadora de alta freqüência – A utilização de sinais em banda passante (modulados) é mais adequado para transmissões de longa distância via rádio, cabo, etc Modulação Digital xbb(t) x(t) cos(o t) Modulação Digital – Análise no domínio da freqüência • Sinal Banda Base • Sinal Banda Passante Modulação Digital 0 |Xbb()| m -m o –o |X()| o + m o – m B=m W=2m 0 Desempenho de Esquemas de Modulação Digital Principal Objetivo do Receptor (Detector) – Minimizar a probabilidade de erro de símbolo média: Modulação Digital i M i iie mPmmmPP 1 ˆ Classificação da Modulação Digital Os esquemas de modulação digital podem ser classificados em: – Esquemas de Modulação Lineares – Esquemas de Modulação Não-Lineares Demodulação e Detecção Tipo de Esquemas de Modulação Modulação Linear Não Linear Spread Spectrum Amplitude do sinal transmitido varia linearmente com o sinal de informação Amplitude do sinal transmitido constante Banda do sinal transmitido muito maior que a banda mínima necessária para transmitir o sinal de informação Esquemas com eficiência de largura de banda Esquema com eficiência de potência Eficiência para múltiplos usuários PSK, QAM FSK DS/SS, FH/SS Transmissão em Banda Passante Demodulação e Detecção Demodulação e Detecção Demodulação Digital – Processo de conversão de um sinal em banda passante para banda base Detecção Digital – Processo de decisão de símbolo correspondente ao sinal em banda base demodulado Principais Técnicas de Demodulação e Detecção da Informação – Coerente – Não Coerente – Diferencialmente Coerente Demodulação e Detecção Demodulação e Detecção Coerente – Os sinais recebidos pelo receptor são demodulados/detectados de maneira coerente, ou seja, síncrona • Utiliza a informação da frequência e fase da portadora para recuperação do sinal transmitido • Ótimo do ponto de vista da taxa de erro de símbolos (SER) – Requer receptores mais sofisticados • Necessário a reconstrução precisa da portadora no receptor – Exemplo: BPSK, QPSK, 16QAM, FSK etc Demodulação e Detecção – Seja o pulso de RF: – O pulso de RF pode ser demodulado/detectado através de um filtro casado: • Aplicar o sinal recebido a um filtro casado com o pulso de RF em perfeito sincronismo de fase • Submeter a saída do filtro casado a um amostrador • Submeter o sinal na saída do amostrador a um decisor – Esquema 1 – Demodulação/Detecção Coerente (e.g. BPSK) Demodulação e Detecção s(Ts – t) Decisor sTny r(t) = s(t) + n(t) Onde p(t) é o pulso em banda base BPSK ttpts ocos2 – O pulso de RF também pode ser demodulado/detectado empregando um correlator: • Multiplicar o sinal recebido por um sinal de portadora em perfeito sincronismo de fase • Aplicar o sinal na saída do multiplicador a um integrador (FPB) • Submeter a saída do integrador a um amostrador • Submeter o sinal na saída do amostrador a um decisor – Esquema 2 – Demodulação/Detecção Coerente (e.g. BPSK) Demodulação e Detecção ( ) dt Decisor sTny r(t) = s(t) + n(t) tocos2 BPSK Demodulação e Detecção Não-coerente – Os sinais recebidos pelo receptor são demodulados/detectados com auxílio de um detector de envoltória • Não requer informação da fase do sinal recebido • O desempenho é inferior à demodulação/detecção coerente – Requer receptores mais simples • Não é necessário a reconstrução da portadora no receptor, pois não utiliza a fase da portadora na demodulação/detecção – Exemplo: BASK, BFSK etc Demodulação e Detecção – Seja o pulso de RF recebido: • Se não é conhecido, não é possível usar técnicas coerentes • Desse modo, torna-se necessário o uso de técnicas não-coerentes (e.g. detecção de envoltória) – Pode-se mostrar que quando a fase do pulso recebido é aleatória e uniformemente distribuída no intervalo [0 , 2], o demodulador/detector ótimo é composto por: • Um filtro casado com o pulso de RF: • Seguido por um detector de envoltória, um amostrador e um decisor Demodulação e Detecção ttpts ocos2 Onde p(t) é o pulso em banda base ttpts o cos2 – Esquema 1 – Demodulação/Detecção Não-Coerente (e.g. BASK) – Esquema 2 – Demodulação/Detecção Não-Coerente (e.g. BASK) Demodulação e Detecção BASK s(Ts – t) Decisor sTny r(t) = s(t) + n(t) Detector de Envoltória BASK r(t) = s(t) + n(t) Detector de Envoltória ( ) dt to cos2 Decisor sTny – Esquema 3 – Demodulação/Detecção Não-Coerente (e.g. BFSK) – Esquema 4 – Demodulação/Detecção Não-Coerente (e.g. BFSK) Demodulação e Detecção BFSK r(t) = s(t) + n(t) Detector de Envoltória Detector de Envoltória ( ) dt t 1cos2 ( ) dt t 2cos2 Decisor sTny 1 sTny 2 BFSK s2(Ts – t) Decisor sTny 1 r(t) = s(t) + n(t) Detector de Envoltória s1(Ts – t) Detector de Envoltória sTny 2 Demodulação e Detecção Diferencialmente Coerente – Os sinais recebidos pelo receptor são demodulados/detectados de forma diferencial • A referência de fase é sintetizada a partir do próprio sinal recebido • O desempenho é inferior à demodulação/detecção coerente • Pode-se obter um bom compromisso entre as técnicas coerentes e as não- coerentes – Exemplos: DBPSK, /4DQPSK etc Demodulação e Detecção – Esquema 1 – Demodulação/Detecção Diferencial (e.g. DBPSK) – Esquema 2 – Demodulação/Detecção Diferencial (e.g. DBPSK - Sub-ótimo) Demodulação e Detecção Decisor sTny r(t) = s(t) + n(t) Ts –1 s1(Ts – t) s2(Ts – t) Ts –1 Decisor sTny r(t) = s(t) + n(t) Ts –1 ( ) dt Codificação Gray Codificação de Gray – Mapeamento de símbolos onde há a mudança de apenas 1 bit entre símbolos adjacentes – No caso 1D, basta manter o MSB e fazer a operação XOR com os demais pares de bits para obter todos os bits do símbolo codificado – Exemplo para um sistema com 4 símbolos • Operação XOR aplicada aos símbolos originais Probabilidade de Erro de Bit Símbolo BIN GRAY S0 0 0 0 0 (00) S1 0 1 0 1 (01) S2 1 0 1 1 (10) S3 1 1 1 0 (11) – Exemplo para um sistema com 8 símbolos • Operação XOR aplicada aos símbolos originais Probabilidade de Erro de Bit Símbolo BIN GRAY GRAY S0 0 0 0 0 0 (00) 0 0 0 (00) S1 0 0 1 0 0 (00) 0 0 1 (01) S2 0 1 0 0 1 (01) 0 1 1 (10) S3 0 1 1 0 1 (01) 0 1 0 (11) S4 1 0 0 1 1 (10) 1 1 0 (00) S5 1 0 1 1 1 (10) 1 1 1 (01) S6 1 1 0 1 0 (11) 1 0 1 (10) S7 1 1 1 1 0 (11) 1 0 0 (11) – Exemplo para um sistema 2D com 16 símbolos (16-QAM) • Pode ser obtido a partir do caso Gray 1D para 4 símbolos Probabilidade de Erro de Bit Gray 2D 00 01 11 1000 0000 0001 0011 0010 01 0100 0101 0111 0110 11 1100 1101 1111 1110 10 1000 1001 1011 1010 Bin Gray 1D 00 00 01 01 10 11 11 10 Representação Geométrica de Sinais em Banda Passante A modulação digital envolve a escolha de um sinal de RF específico si(t) de um conjunto finito S de sinais possíveis – Modulação Binária: Mapeamento direto do bit em um dos dois sinais possíveis de S – Modulação M-ária: S contém mais do que dois sinais possíveis e cada um representa mais do que um bit de informação. Com um conjunto de M sinais possíveis, pode-se transmitir até log2M bits por sinal – Qualquer elemento (sinal) de S pode ser representado por um ponto num espaço vetorial cujas bases são j(t) Representação Geométrica de Sinais Exemplo: Seja um sistema BPSK determinado por: Definindo: Tem-se: Representação Geométrica de Sinais tAts o cos1 tAtAts oo coscos2 01 sensencoscoscos xxx tt o cos1 tAts 12 tAts 11 1(t) 0 A -A Simples, mas esta abordagem apresenta um pequeno problema. Qual? Exemplo: Sistema BPSK usando Gram-Schmidt Método de Gram-Schmidt 2,1para1cos iitAts oi EEE 21 PPP 21 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 Exemplo: continuação 1) Método de Gram-Schmidt tstg 11 T T o s T o s T o s T g dttdt T E dtt T E dtt T E dttgE 0 0 0 0 0 2 0 2 1 2cos 2cos1 2 12 cos 2 1 EEg 1 so s Ttt T E tg 0cos 2 1 Exemplo: continuação Método de Gram-Schmidt dtt T E dtt T t T E dtttss T o s o s T o s T 0 0 1 0 111 2cos1 2 12 cos 2 cos 2 E t T E E tg t o g cos 2 1 1 1 Es 11 s o Tt t T t 0 cos 2 1 Exemplo: continuação 2) Método de Gram-Schmidt tststg 12122 T T o s T o s T o s o s T dttdt T E dtt T E dtt T t T E dtttss 0 0 0 0 0 1 0 221 2cos 2coscos 2 12 cos 2 cos 2 Es 21 Exemplo: continuação – Deste modo, a base obtida é dada por: – Assim, os sinais si(t) podem ser representados como: Método de Gram-Schmidt 12 11 Ets Ets 2 2 TA TPE so s Ttt T t 0cos 2 1 Exemplo: continuação – Na forma vetorial (1D), tem-se: Método de Gram-Schmidt E E 2 1 s s 1(t) 0 E E 1s2s Principais Esquemas de Modulação Digital M-árias Lineares M-PSK e M-QAM Principais Esquemas M-ários Lineares – M-ASK – M-PSK • QPSK • 8-PSK • /4 SQPSK – M-QAM • 16-QAM • 32-QAM • 64-QAM Modulação Modulação Linear – Para um processo de modulação linear, a banda ocupada pelo sinal modulado W é 2 vezes a banda ocupada pelo sinal em banda base B – De acordo com o critério de Nyquist, é possível transmitir numa banda B, 2∙B símbolos por segundo: – Considerando que: Características da Modulação Digital BW 2 2 sRB M R R bs 2log – Tem-se que: – Considerando o uso de um filtro de cosseno levantado com: – Tem-se que: Características da Modulação Digital sRB 2 1 M R W b 2log 1 sRW M R W b 2log sRW 1 ASK Modulação BASK – É um dos métodos mais simples de modulação – A Informação é transmitida pela variação da amplitude de um sinal de portadora de freqüência e fase constantes • Bit 1 transmissão da portadora com amplitude A1 por um período de símbolo • Bit 0 transmissão da portadora com amplitude A2 por um período de símbolo – Apresenta algumas desvantagens como: • Bastante sensível a ruídos e interferências • Baixo desempenho • Requer amplificadores lineares • Grande parte da potência é utilizada para a transmissão da portadora (OOK minimiza um pouco esse efeito) Modulação BASK Representação – BASK – O sinal BASK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação BASK 2 2 i i A P 2 2 si sii TA TPE s i i T E A 2 2,1para0,cos iTttAts soii Bit 1 amplitude A1 Bit 0 amplitude A2 – Pode-se representar os sinais modulados por BASK de uma maneira mais adequada fazendo: – Definindo uma base ortonormal: – Tem-se que: Modulação BASK 2 para0,cos 2 1 para0,cos 2 2 1 iTtt T E iTtt T E ts so s so s i so s Ttt T t 0cos 2 2,1 para0 iTttEts sii Constelação – BASK Modulação BASK (t) 0 2E 1E OOK Modulação OOK – É a implementação mais simples do BASK – A Informação é transmitida pela variação da amplitude de um sinal de portadora de freqüência e fase constantes • Bit 1 transmissão da portadora de amplitude A1 por um período de símbolo • Bit 0 sem transmissão da portadora por um período de símbolo – Normalmente utilizado em sistemas ópticos (fibra) e portões de garagem (hoje, estão sendo substituídos por spread spectrum) Modulação OOK – Pode-se representar os sinais modulados por OOK de uma maneira mais adequada fazendo: – Definindo uma base ortonormal: – Tem-se que: Modulação OOK 2 para0,0 1 para0,cos 2 iTt iTtt T E ts s so s i so s Ttt T t 0cos 2 sbb TttEtxts 0 – Onde xbb(t) é um sinal unipolar em banda-base com formatação determinada por p(t): – E bk é dado por: Modulação OOK 2 para0 1 para1 i i bk tpbtx kbb Constelação – OOK Modulação OOK (t) 0 E Representação no Tempo e na Freqüência – OOK Modulação OOK 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Sinal de Mensagem - Tempo t (s) m (t) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 -1 -0.5 0 0.5 1 Sinal Portadora - Tempo t (s) S AM (t) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 -0.5 0 0.5 Sinal Modulado OOK - Tempo t (s) S AM (t) 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 Sinal Modulado OOK- Frequência freq. (Hz) S AM (t) Recepção Coerente – OOK Modulação OOK Recepção Não-Coerente – OOK Modulação OOK Probabilidade de Erro do Receptor Binário Ótimo – Neste caso, a probabilidade de erro empregando um Filtro Casado é dada por: Modulação OOK – Probabilidade de Erro 0N E QP bb PSK Modulação BPSK – É um dos métodos de modulação mais utilizados – A Informação é transmitida pela variação da fase de um sinal de portadora de amplitude e freqüência constantes • Bit 1 transmissão da portadora com fase 1 por um período de símbolo • Bit 0 transmissão da portadora com fase 2 por um período de símbolo – Apresenta algumas vantagens como: • Bom desempenho do ponto de vista de eficiência de potência • Menos sensível a ruídos que o BASK • Envoltória constante apenas para BPSK não filtrado Modulação BPSK Representação – BPSK – O sinal BPSK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação BPSK 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 2,1para0,cos iTttAts sioi Bit 1 fase 1 Bit 0 fase 2 – Pode-se representar os sinais modulados por BPSK de uma maneira mais adequada fazendo: – Normalmente, tem-se que: Modulação BPSK 2 para0,cos 2 1 para0,cos 2 2 1 iTtt T E iTtt T E ts so s so s i 2 1 0 01 sensencoscoscos xxx – Resultando numa modulação BPSK chamada antipodal: – Definindo uma base ortonormal: – Tem-se que: Modulação BPSK 2 para0,cos 2 1 para0,cos 2 iTtt T E iTtt T E ts so s so s i so s Ttt T t 0cos 2 01 sensencoscoscos xxx sbb TttEtxts 0 – Onde xbb(t) é um sinal polar em banda-base com formatação determinada por p(t): – E bk é dado por: Modulação BPSK 2 para1 1 para1 i i bk tpbtx kbb k skbb Tktpbtx tjbb oetxets 2 Diagrama de Espaço de Sinais – BPSK Modulação BPSK (t) 0 EE Diagrama de Espaço de Sinais – BPSK Modulação BPSK Representação no Tempo e na Freqüência – BPSK Modulação BPSK 0 0.04 0.08 0.12 -1 -0.5 0 0.5 1 Sinal de Mensagem - Tempo t (s) m (t) 0 0.04 0.08 0.12 -1 -0.5 0 0.5 1 Sinal Portadora - Tempo t (s) S m (t) 0 0.04 0.08 0.12 -1 -0.5 0 0.5 1 Sinal Modulado BPSK - Tempo t (s) S m (t) 60 80 100 120 140 0 50 100 150 Sinal Modulado BPSK - Frequência freq. (Hz) S m (t) Transmissão e Recepção Coerente – BPSK Modulação BPSK Recepção Coerente – BPSK (PLL) Modulação BPSK Recepção Coerente – BPSK (Squaring Loop) Modulação BPSK t T E txts o s bb cos1 co t 2cos co t 22cos co t cos co s bb t T E txts cos1 txbb co s bb t T E txts 21 cos 4 s bbso TE txkTs t T E o s cos Portadora Recuperada co s bb t T E txts 22cos1 2 1 1 Efeito da Formatação de Pulso – No esquema BPSK, assim como em outros esquemas de modulação, é necessário usar formatação de pulso • Minimizar a ISI • Minimizar a interferência nos canais adjacentes Modulação BPSK Filtro Raised Cosine: a interferência nos canais adjacentes é menor, entretanto o lobo principal é maior e a envoltória não é constante A transmissão do sinal por um meio não linear acarretará na regeneração dos lobos laterais e aumento da interferência Probabilidade de Erro do Receptor Binário Ótimo – Neste caso, a probabilidade de erro empregando um Filtro Casado é dada por: Modulação BPSK 0 2 N E QP bb PSK Diferencial BPSK Diferencial – No esquema BPSK, é necessário utilizar um processo de detecção coerente, já que a informação é transmitida pela variação da fase do sinal de portadora – Utilizando o esquema diferencial DPSK, é possível eliminar a necessidade de ter uma portadora local no receptor em sincronismo com o sinal recebido e simplificar o circuito do receptor Modulação DPSK Representação – DPSK – Pode-se representar os sinais modulados por DPSK de uma maneira mais adequada fazendo: – Onde, Modulação DPSK sbb TttEtyts 0 so s Ttt T t 0cos 2 tybb sbbbbbb Ttytxty sbb Tty txbb DPSK – Codificação e Decodificação Diferencial – Codificação – Decodificação Modulação DPSK Z -1 dk-1 bk 1 kkk dbd kkk ddb 1 Z -1 dk-1 dk Operação Ou-Exclusivo sbbbbbb Ttytxty sbb Tty txbb tybb sbb Tty tyTtytx bbsbbbb Exemplo – DPSK – Codificação – Decodificação Modulação DPSK Dados Originais bk 0 1 1 0 1 0 0 1 Bit de Referência 1 Dados Codificados dk 1 0 1 1 0 0 0 1 Dados Codificados dk 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Dados Decodificados bk 0 1 1 0 1 0 0 1 kkk bdd 1 kkk ddb 1 sbbbbbb Ttytxty sbbbbbb Ttytytx DPSK – Diagrama de Espaço do Sina “Recebido” Modulação DPSK DPSK – Transmissão e Recepção Diferencial Modulação DPSK Probabilidade de Erro – No caso binário, a probabilidade de erro de detecção é igual a probabilidade de erro de bit – Para um detector binário diferencial, a probabilidade de erro de bit é dada por: Modulação BPSK – Probabilidade de Erro 0 2 1 N E b b eP QPSK Modulação QPSK – Pode ser visto como a soma de 2 esquemas BPSK – A Informação é transmitida pela variação da fase de um sinal de portadora de amplitude e freqüência constantes • Bit 11 transmissão da portadora com fase 1 por um período de símbolo • Bit 01 transmissão da portadora com fase 2 por um período de símbolo • Bit 10 transmissão da portadora com fase 3 por um período de símbolo • Bit 00 transmissão da portadora com fase 4 por um período de símbolo – Requer amplificadores lineares (sistemas filtrados) – Requer o conhecimento da fase da portadora (detecção coerente) Modulação QPSK Representação – QPSK – O sinal QPSK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação QPSK 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 4,3,2,1para0,cos iTttAts sioi Bit 11 fase 1 Bit 01 fase 2 Bit 10 fase 3 Bit 00 fase 4 QPSK1 – Pode-se representar os sinais modulados por QPSK de uma maneira mais adequada fazendo:– Usando a representação em quadratura, tem-se: Modulação QPSK 4,3,2,1 para0, 2 1cos 2 iTtit T E ts so s i ti T E ti T E ts o s o s i sen 2 1sen 2 cos 2 1cos 2 – De forma que os sinais modulados por QPSK1são: Modulação QPSK 4 para0, 2 3 cos 2 3 para0,cos 2 2 para0, 2 cos 2 1 para0,cos 2 iTtt T E iTtt T E iTtt T E iTtt T E ts so s so s so s so s i QPSK2 – Uma outra forma bastante comum de representação dos sinais modulados por QPSK é dada por: – Usando a representação em quadratura, tem-se: Modulação QPSK 4,3,2,1 para0, 4 12cos 2 iTtit T E ts so s i ti T E ti T E ts o s o s i sen 4 12sen 2 cos 4 12cos 2 – De forma que os sinais modulados por QPSK2 são: Modulação QPSK 4 para0, 4 7 cos 2 3 para0, 4 5 cos 2 2 para0, 4 3 cos 2 1 para0, 4 cos 2 iTtt T E iTtt T E iTtt T E iTtt T E ts so s so s so s so s i QPSK – Diagrama de Espaço de Sinais – Duas Implementações Comuns Modulação QPSK QPSK1 QPSK2 – Definindo as bases ortonormais: – Tem-se que: – Onde, para o esquema QPSK2: Modulação QPSK s s Ttt T t 0cos 2 01 sTttEtxtEtxts 02211 s s Ttt T t 0sen 2 02 4 12sen, 4 12cos, 21 iitxtxtxbb Modulação QPSK QPSK – Representação Temporal Modulação QPSK QPSK – Transmissão com Filtro Raised Cosine Probabilidade de erro de símbolo Probabilidade de erro de bit Modulação QPSK – Probabilidade de Erro 0 2 N E QP se A probabilidade de erro de bit do QPSK é igual a probabilidade de erro de bit do BPSK 0 2 N E QP bb OQPSK OQPSK – Melhora os aspectos de linearidade através da eliminação da transição de 180 graus entre os sinais • Mudanças de fase entre símbolos adjacentes limitadas a +/- /2 – Requer amplificadores lineares (sistemas filtrados) – Requer o conhecimento da fase da portadora (detecção coerente) – Utilizado no enlace reverso do sistemas IS-95 Modulação OQPSK Modulação OQPSK OQPSK – Diagrama de Espaço de Sinais OQPSK – Deslocamento de Ts/2 Modulação OQPSK Modulação OQPSK OQPSK – Representação Temporal Modulação OQPSK OQPSK – Transmissão com Filtro Raised Cosine /4 QPSK /4 QPSK – Possibilita o uso de amplificadores não lineares – Resulta em 8 fases possíveis • Combinação de dois esquemas QPSK defasados de /4 • Mudanças de fase entre símbolos adjacentes limitadas a +/- /4 ou +/- 3/4 Modulação /4 QPSK /4 QPSK Modulação /4 QPSK /4 QPSK – Exemplo – 00 00 10 00 01 11 11 00 01 00 Modulação /4 QPSK /4 DQPSK /4 DQPSK – Mesmas características do /4 DQPSK • Também possibilita o uso de amplificadores não lineares • Também obtido pela combinação de dois esquemas QPSK defasados de /4 (8 fases possíveis) – Entretanto, utiliza codificação diferencial da informação – Utilizado no enlace reverso do sistemas IS-136 – QPSK e OQPSK requerem o conhecimento da fase da portadora (detecção coerente), enquanto o processo de detecção do /4 DQPSK não requer o conhecimento da fase da portadora • Implementação de receptores mais simples • Maior robustez a canais com desvanecimento Modulação /4 DQPSK Modulação /4 DQPSK /4 DQPSK – Diagrama de Espaço de Sinais /4 DQPSK – Transmissão Diferencial – Onde, Modulação /4 DQPSK kkkkI 1coscos kkkkQ 1sinsin kkk 1 /4 DQPSK – Recepção Diferencial – A fase da portadora devido ao k-ésimo símbolo recebido é: – De forma simplificada, pode-se estimar k como: – Assim, os símbolos estimados no receptor podem ser obtidos pela tabela de mapeamento de k Modulação /4 DQPSK k k k I Q1tan 1 kkk Modulação /4 DQPSK /4 DQPSK – Transmissão Diferencial Modulação /4 DQPSK /4 DQPSK – Recepção Diferencial Exemplo – Assumindo que o trem de bits a ser transmitido por um esquema /4 DQPSK é 10 01 11 00 e que 0 = 45 o, determine os valores de Ik e Qk – 10 1 = 0 + 1 = 0 • I1 = cos(1) = +1 • Q1 = sen(1) = 0 – 01 2 = 1 + 2 = 0 +135 = +135 • I2 = cos(2) = – 0.707 • Q2 = sen(2) = +0.707 – 11 3 = 2 + 3 = +135 – 135 = 0 • I3 = cos(3) = +1 • Q3 = sen(3) = 0 – 00 4 = 3 + 4 = 0 + 45 = +45 • I4 = cos(4) = +0.707 • Q4 = sen(4) = +0.707 Modulação /4 DQPSK QPSK Bits k i= 1 0 0 + 45 i = 2 0 1 + 135 i = 3 1 1 – 135 i = 4 1 0 – 45 Exemplo – Obtenha o trem de bits transmitido por um esquema /4 DQPSK, considerando ganho 2 – 1 = tan -1(Q1 / I1) = tan -1(0 / 1) = 0 – 2 = tan -1(Q2 / I2) = tan -1(0.707 / –0.707) = +135 – 3 = tan -1(Q3 / I3) = tan -1(0 / 1) = 0 – 4 = tan -1(Q4 / I4) = tan -1(0.707/ 0.707) = +45 – Aplicando as regras de decisão, obtém-se: 10011100 Modulação /4 DQPSK 0 = 45 QPSK Bits k i= 1 0 0 + 45 i = 2 0 1 + 135 i = 3 1 1 – 135 i = 4 1 0 – 45 MPSK Modulação MPSK – É uma generalização dos métodos BPSK e QPSK – A Informação é transmitida pela variação da fase de um sinal de portadora de amplitude e freqüência constantes – Apresenta um aumento da eficiência de banda com o aumento de M Modulação MPSK Representação – MPSK – O sinal MPSK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação MPSK 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 MiTttAts sioi ,,1para0,cos – Pode-se representar os sinais modulados por MPSK de uma maneira mais adequada fazendo: – Usando a representação em quadratura, tem-se: Modulação MPSK MiTt M it T E ts so s i ,,1 para0, 2 1cos 2 t M i T E t M i T E ts o s o s i sen 2 1sen 2 cos 2 1cos 2 – Uma outra forma bastante comum de representação dos sinais moduladospor MPSK é dada por: – Usando a representação em quadratura, tem-se: Modulação MPSK MiTt M it T E ts so s i ,,1 para0,12cos 2 t M i T E t M i T E ts o s o s i sen12sen 2 cos12cos 2 – Definindo as bases ortonormais: – Tem-se que: – Onde, para o segundo esquema apresentado: Modulação MPSK s s Ttt T t 0cos 2 01 sTttEtxtEtxts 02211 s s Ttt T t 0sen 2 02 M i M itxtxtxbb 12sen,12cos, 21 Modulação MPSK 8 PSK – Transmissão Modulação MPSK 8 PSK – Diagrama de Espaço de Sinais Probabilidade de erro de símbolo (Limite dos Vizinhos Próximos) Probabilidade de erro de bit Modulação MPSK – Probabilidade de Erro MN E QP se sen 2 2 0 MN ME Q M P bb sen log2 log 2 0 2 2 Exemplo: Seja um sistema 8PSK transmitindo a uma taxa de 3Mbps. Considerando que a probabilidade de erro de bit desejada é de 10-6: – Determine a banda ocupada usando um filtro de Nyquist (=0) • A taxa de símbolo é dada por: • A banda de RF ocupada é dada por: Características da Modulação Digital MRR bs 2log MspsRs 18log103 2 6 sRW 1 MHzW 1 Exemplo: Continuação – Qual é a SNR necessária? • De acordo com a tabela • Assim, tem-se que: Características da Modulação Digital 6101 8 sen 6 3 2 o b b N E QP W R N E SNR bb 0 610 2 3 38,0 6 o b N E Q 7,438,0 6 o b N E 5,25 o b N E dB N E o b 14 5,76 101 103 5,25 6 6 SNR dBSNR 8,18 QAM Quadrature Amplitude Modulation – Apesar do sistema MASK ter pouca aplicação nos dias de hoje, sua combinação com esquemas MPSK traz alguns benefícios na utilização dos recursos de banda e potência – O esquema de modulação que combina a variação de amplitude com a variação de fase é normalmente chamado de APSK (Amplitude Phase Shift Keying) – Para o caso particular da utilização de portadoras em quadratura, resultando numa constelação retangular, o esquema de modulação resultante é denominado de QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – O esquema QAM apresenta no geral: • Alta eficiência espectral – Mais bits por símbolo • Energia de símbolo não constante – Probabilidade de erro diferente para cada símbolo • Requer alta potência Modulação QAM Representação – MQAM – O sinal MQAM pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação QAM 2 2 i i A P 2 2 si sii TA TPE s i i T E A 2 MiTttAts sioii ,,1para0,cos – Usando a representação em quadratura, tem-se: – Onde, Modulação QAM MiE iii ,,1para, 22 Miarctg i i i ,,1para, t T t T ts o s io s ii sin2cos2 2 1,, 2 3, 2 , 2 , 2 3,, 2 1, d M ddddd Mii – Definindo as bases ortonormais: – Tem-se que: – Onde, para o segundo esquema apresentado: Modulação QAM s s Ttt T t 0cos 2 01 sTtttxttxts 02211 s s Ttt T t 0sen 2 02 iiiibb senEEtxtxtx ,cos, 21 – Para constelações quadradas, pode-se representar os sinais modulados por MQAM através da seguinte normalização: • Onde, Emin é a energia mínima do sinal de menor amplitude • ai e bi são inteiros escolhidos de acordo com a posição na constelação: Modulação QAM tb T E ta T E ts oi s oi s i sen2cos2 minmin 1,11,31,1 3,13,33,1 1,11,31,1 , LLLLLL LLLLLL LLLLLL ba ii ML minmin , EbEa ii – Para o 16QAM, tem-se: Modulação QAM 3,33,13,13,3 1,31,11,11,3 1,31,11,11,3 3,33,13,13,3 , ii ba MiTtbEaEts siii ,,1 para0,2min1min Modulação QAM QAM – Transmissão Modulação QAM QAM – Diagrama de Espaço de Sinais Retangular Modulação QAM QAM – Diagrama de Espaço de Sinais Retangular Codificação Gray para M=16 Modulação QAM QAM – Outras formas de Diagrama de Espaço de Sinais Modulação MPSK e MQAM 16 QPSK e 16 QAM – Constelação de Sinais No 16-QAM, uma distância equivalente ao 16-QPSK resulta numa menor potência média do que no 16-PSK Probabilidade de erro de símbolo – Onde, Probabilidade de erro de bit Modulação MQAM – Probabilidade de Erro 01 31 14 NM E Q M P se min1 3 2 EMEs 01 314 N E M n Q Mn M P bb b b Exemplo: Seja um sistema 16-QAM transmitindo a uma taxa de 4Mbps. Considerando que a probabilidade de erro de bit desejada é de 10-6: – Determine a banda de RF ocupada (para =0) – A Eb/No e a SNR necessárias? Características da Modulação Digital Principais Esquemas de Modulação Digital M-ários Não-Lineares M-FSK Modulação Não-Linear – Para um processo de modulação não-linear, a determinação da banda ocupada pelo sinal modulado W é um pouco mais difícil Esquemas Não-Lineares Coerentes – Para esquemas não-lineares coerentes, empregando pulsos retangulares, tem-se que: Características da Modulação Digital iX sT 2 sT 2 (3 + 3) / Ts sT sT sT sT f 2 1 – Considerando o espaçamento entre os tons de freqüência de 1/2Ts Hz (/Ts rd/s), tem-se que: – Assim, tem-se que: Características da Modulação Digital s s R M T MW 2 3 2 1 3 M RM W b 2log2 3 M R R bs 2log Esquemas Não-Lineares Não-Coerentes – Para esquemas não-lineares não-coerentes, empregando pulsos retangulares, tem-se que: Características da Modulação Digital iX sT 2 sT 2 2 (3 + 1) / Ts sT 2 sT f 1 – Considerando o espaçamentoentre os tons de freqüência de 1/Ts Hz (2/Ts rd/s), tem-se que: – Assim, tem-se que: Características da Modulação Digital s s RM T MW 1 1 1 M RM W b 2log 1 M R R bs 2log Resumo – Largura de Banda e Eficiência Espectral Características da Modulação Digital Técnica de Modulação Banda Ideal M-ASK, M-PSK, M-QAM (Raised Cosine) M-ASK, M-PSK, M-QAM (Null-Null) M-FSK (Coerente) (Null-Null) M-FSK (Não-Coerente) (Null-Null) M R W b 2log M RM W b 2log 1 M RM W b 2log2 3 M R W b 2log 2 FSK Modulação BFSK – A Informação é transmitida pela variação da freqüência de um sinal de portadora de amplitude constante • Bit 1 transmissão da portadora com fase f1 por um período de símbolo • Bit 0 transmissão da portadora com fase f2 por um período de símbolo – Pode ser visto como a soma de 2 esquemas BASK entrelaçados – Apresenta algumas vantagens como: • Menos sensível a ruídos que o BASK • Não requer amplificadores lineares (envoltória constante) • Implementação simples e barata • Bom desempenho em canais com desvanecimento Modulação BFSK Representação – BFSK – O sinal BFSK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação BFSK 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 2,1para0,cos iTttAts siioi Bit 1 freqüência 1 Bit 0 freqüência 2 – Pode-se representar os sinais modulados por BFSK de uma maneira mais adequada fazendo: – Onde, Modulação BFSK 2 para0,cos 2 1 para0,cos 2 22 11 iTtt T E iTtt T E ts s s s s i 22 11 o o – Definindo as bases ortonormais: – Tem-se que: Modulação BFSK s s Ttt T t 0cos 2 111 sbbbb TttEtxtEtxts 01 21 s s Ttt T t 0cos 2 222 – Onde xbb(t) é um sinal unipolar em banda-base com formatação determinada por p(t): – E bk é dado por: Modulação BFSK 2 para0 1 para1 i i bk tjbb oetxets 2 tpbtx kbb k skbb Tktpbtx Constelação – BFSK Modulação BFSK 1(t) 0 E E 2(t) Constelação – BFSK Modulação BFSK CPFSK Descontinuidade de Fase – BFSK Modulação BFSK 21 Descontinuidade de Fase – CPFSK Modulação BFSK 21 MSK Modulação MSK – É um esquema de modulação ortogonal com detecção coerente – A Informação é transmitida pela variação da freqüência de um sinal de portadora de amplitude constante • Bit 1 transmissão da portadora com frequência f1 por um período de símbolo • Bit 0 transmissão da portadora com frequência f2 por um período de símbolo • Diferença entre f1 e f2 é igual 1/2Ts (mínima para ortogonalidade) – Apresenta algumas vantagens como: • Self synchronization • Ocupação de banda menor que BFSK (1.5Rb, 50% a mais que duobinário) • Não requer amplificadores lineares (envoltória constante) • Bom desempenho em canais com desvanecimento Modulação MSK Representação – MSK – O sinal MSK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação MSK 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 2,1para0,cos iTttAts sii Bit 1 freqüência 1 Bit 0 freqüência 2 21 s T 21 – Pode-se representar os sinais modulados por MSK de uma maneira mais adequada fazendo: – Onde, Modulação MSK 2 para0,cos 2 1 para0,cos 2 2 1 iTtt T E iTtt T E ts s s s s i 22 11 o o 021 sT 21 sT ff 2 1 21 s o T ff 4 1 1 s o T ff 4 1 2 MSK – Diagrama de Espaço de Sinais Modulação CPFSK – Para o esquema MSK, as freqüências associadas a cada bit de informação também são dadas por: • Onde, n é um número inteiro – O que significa que num intervalo de símbolo (bit) há um número inteiro de ciclos de portadora – O índice de modulação é dado por: Modulação MSK 2,1, i T in f s i 5.021 ss TffTfh – A variação contínua da fase do sinal modulado é dada por: • Onde,(0) é a fase no instante t = 0 – Deste modo, o sinal modulado em MSK pode ser expresso por: – Resultando nas freqüências: Modulação MSK 0 4 1 2cos 2 t T f T E ts s o s s o T ff 4 1 1 s o T ff 4 1 2 s s Ttt T t 0, 2 0 0 1 bit bit MSK – Representação em Quadratura – Bits: 11000111 Modulação MSK – Bits: 11000111 MSK – Análise – Bits: 1101000 Modulação MSK (a) Sinal de Informação (b) Forma de Onda s11(t) (c) Forma de Onda s22(t) (d) Forma de Onda MSK obtida pela soma bit a bit de s11(t) s22(t) MSK – Árvore de Fase Bits: 11000111 Bits: 1101000 Modulação BFSK – Como o MSK é uma modulação ortogonal, o uso de um processo de detecção coerente usando um intervalo de tempo Ts resulta na seguinte probabilidade de erro: – Entretanto, como a fase de um intervalo de tempo depende da fase anterior, pode-se obter um desempenho melhor, observando intervalos de tempo 2Ts , resultando em: Modulação MSK – Probabilidade de Erro 0N E QP bb 0 2 N E QP bb GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying – É uma técnica de modulação derivada do MSK, onde os pulsos retangulares são pré-filtrados com um filtro Gaussiano com resposta: – Deste modo, como a transição é mais suave, os lóbulos laterais são ainda menores que o MSK – Apresenta boa eficiência espectral e de potência (envoltória constante) – Assim, como o MSK, também pode ser detectado de forma não- coerente – Entretanto, o filtro gaussiano introduz um pouco de ISI Modulação GMSK 22 2 2log 2 2log 2 tW eWth Modulação GMSK GMSK – Diagrama de Treliça Modulação GMSK GMSK – Formatação de Pulso Modulação GMSK MSK e GMSK – Densidade Espectral MFSK MFSK – No MFSK a eficiência de banda diminui com o aumento de M • Ao contrário do MPSK, o MFSK apresenta ineficiência de banda – Entretanto, no MFSK a eficiência de potência aumenta com o aumento de M • Como os M sinais são ortogonais não há congestionamento no espaço de sinais – Os sinais MFSK podem ser amplificados através de amplificadores não-lineares sem degradação de desempenho– As características de ortogonalidade do MFSK levaram ao desenvolvimento do OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) • Oferecer um a sinalização com eficiência de potência a um grande número de usuários Modulação MFSK Representação – MFSK – O sinal MFSK pode ser representado por: – Para sinais senoidais, tem-se que: – Considerando que a energia de símbolo é dada por: Modulação MFSK 2 2A P 2 2 s s TA TPE sT E A 2 MiTttin T Ats s s i ,,1para0,cos s ii T 1 – Pode-se representar os sinais modulados por MFSK de uma maneira mais adequada fazendo: • Onde, Modulação MFSK MiTttin TT E ts s ss i ,,1 para0,cos 2 s o T n s o T n f 2 Probabilidade de erro de símbolo – Limite para Detecção Coerente – Detecção Não-Coerente – Limite para Detecção Não-Coerente Modulação MFSK – Probabilidade de Erro 0 1 N E QMP ss 0 2 1 N E s s e M P 01 1 1 1 1 1 1 N E M mM m m s s e m M m P Probabilidade de Erro de Bit Taxa de Erro de Bit para Sinalizações Não-ortogonais – Cada um dos M símbolos representa uma palavra binária de k=log2M bits – Se houver erro ao transmitir um dado símbolo, é mais provável que o símbolo detectado seja um símbolo adjacente no espaço de sinais – Se um símbolo é recebido com erro, não necessariamente todos os bits estarão errados – Para minimizar o número de bits com erro, pode-se empregar a codificação de Gray, na qual as palavras binárias correspondentes a símbolos adjacentes diferem apenas de um bit • Numa palavra de k bits é mais provável haver apenas um bit errado – Assim, tem-se que: Probabilidade de Erro de Bit kMP P e b 1 log 1 2 Taxa de Erro de Bit para Sinalizações Não-ortogonais – Para constelações não-ortogonais (e.g. M-PSK, M-QAM), cada vetor de sinal não é equidistante dos demais Probabilidade de Erro de Bit – Empregando a codificação binária, apresentada na Figura a, pode-se verificar que um erro de símbolo pode acarretar em um ou mais erros de bit, mesmo para valores altos de SNR – Já empregando a codificação de Gray, apresentada na Figura b, de modo que ocorra a mudança de apenas 1 bit entre símbolos adjacentes, pode-se verificar que a ocorrência de um erro de símbolo gera normalmente apenas um erro de bit • A probabilidade de ocorrer múltiplos erros de bit é bastante reduzida, mas ela existe Probabilidade de Erro de Bit – Assim, considerando que o processo de mapeamento de símbolos utiliza codificação de Gray, tem-se que: • Quando o número de bits por símbolo é n = log2M – No geral, se tem que: Probabilidade de Erro de Bit M P BER e 2log e e PBER M P 2log 1eP Taxa de Erro de Bit para Sinalizações Ortogonais – Para constelações ortogonais (e.g. M-FSK), a probabilidade de selecionar um dos M – 1 símbolos errados possíveis é a mesma (equiprováveis), visto que os símbolos são equidistantes entre si – Desta forma, o número de maneiras que um erro de símbolo pode ocorrer é igual a 2k – 1 – Mas, em um dado símbolo, há 2k – 1 formas diferentes de ocorrer um erro de bit (cada posição de bit que corresponde a um erro) Probabilidade de Erro de Bit – Assim, para constelações ortogonais, a taxa de erro de bit (BER) pode ser obtida por: Probabilidade de Erro de Bit ek k PBER 12 2 1 eP M M BER 1 2 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Considera que a probabilidade de erro de qualquer símbolo é igual No limite, tem-se que: 2 1 lim e b k P P 1 erro de bit corresponde a 4 erros de símbolo possíveis Exemplo – MFSK com M=8 e k=3 Modulação MFSK – Probabilidade de Erro 7 4 12 2 1 k k e b P P Símbolo Palavra Binária 1 000 2 001 3 010 4 011 5 100 6 101 7 110 8 111 eb PP 7 4 Pode-se adicionalmente alterar a relação sinal-ruído de símbolo para de bit: Probabilidade de Erro de Bit 0 2 0 log N ME N E bs Limite da União Limite da União – Às vezes, o cálculo da probabilidade de erro de bit é impraticável devido a complexidade da constelação de sinais. Nestes casos, pode-se utilizar o Limite da União (Union Bound) – Considere que a probabilidade da união de 2 eventos quaisquer possa ser representada por: – Pode-se estabelecer o seguinte limite: – Que pode ser representado de uma forma geral por: Limite da União M i i M i i APAP 11 BPAPBAP BAPBPAPBAP – Aplicando este conceito, pode-se estimar a probabilidade de erro de símbolo, dado que o símbolo mi foi transmitido, fazendo: • Onde P2(si , sk) é a probabilidade do vetor recebido estar mais próximo de sk , dado que o sinal si foi transmitido – Para a transmissão de símbolos equiprováveis, tem-se: • Onde, Limite da União M ik k kiie PmP 1 2 ,ss 2 2 1 02 0 2 , ikd N ki deNP ss kiik ssd 2 02 N – Assim, como visto, para símbolos equiprováveis, tem-se que: – De modo que a probabilidade de erro para o símbolo mi é dada por: – E a probabilidade média de erro de símbolo pode ser obtida por: Limite da União 0 2 2 , N d QP ikki ss M ik k ik ie N d QmP 1 02 M i ieie mPmPP 1 M i M ik k ik ie N d QmPP 1 1 02 Constelações Circulares Simétricas – Neste caso, as Pe(mi) são iguais para todos os i e a probabilidade média de erro de símbolo simplifica para: – Pois, Limite da União M ik k ik e N d QP 1 02 M ik k M i i ik e mP N d QP 1 1 102 – Para uma constelação simétrica onde M = 4 e N = 2, tem-se: Limite da União 4 1 02 ik k ik e N d QP Método das Distâncias Mínimas – Pode-se definir a distância mínima como a menor distância entre quaisquer dois pontos da constelação: – Nesse caso, a probabilidade média de erro de símbolo é dada por: Limite da União ik ik dd minmin 0 min 2 1 N d QMPe M ik k M i M ik k ik ie N d Q N d QmPP 1 0 min 1 1 0 22 Método dosVizinhos Próximos – Pode-se determinar a probabilidade média de erro de símbolo considerando apenas os vizinhos próximos de cada sinal que estão a dmin: • Onde, Nmin é o n o médio de vizinhos próximos dado por: Ni é o n o de vizinhos próximos ao sinal si que apresentam distância dmin Limite da União 0 min min 2 N d QNPe M i ii spNN 1 min Exemplos Limites Exemplo: Determine a probabilidade de erro de símbolo de um sistema 8PSK com símbolos equiprováveis usando os limites apresentados – Para símbolos equiprováveis, as regiões de decisão são cônicas Região de Decisão e Probabilidade de Erro – Considerando o Limite da União, tem-se: – Devido a simetria circular, tem-se: Região de Decisão e Probabilidade de Erro M i M ik k ik ie N d QmPP 1 1 02 8 1 02ik k ik e N d QP – A distância entre os símbolos é dada por: Região de Decisão e Probabilidade de Erro sE 12d sE 13d 14d 15d 16d 17d 18d – De modo que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro sE sEd 215 sEd 8 sin212 sEd 213 22 14 2 2 4 sin sss E EEd sE2 – Portanto, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 8 1 02ik k ik e N d QP 0 15 0 14 0 13 0 12 2222 2 N d Q N d Q N d Q N d QPe 00 14 00 2 2 22 2 2 8sin2 2 N E Q N d Q N E Q N E QP sss e 0 14 000 2 22 2 8sin2 2 N d Q N E Q N E Q N E QP ssse – Considerando o Limite de Distâncias Mínimas, tem-se: – De modo que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro ik ik dd minmin 0 min 2 1 N d QMPe M ik k M i M ik k ik ie N d Q N d QmPP 1 0 min 1 1 0 22 – A distância mínima entre os símbolos é dada por: Região de Decisão e Probabilidade de Erro sE d sE 8 sin2min sEd 8 sin2 8 sin 2 ss EdE d – Portanto, tem-se: – Resultando em: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 8 sin 2 7 0 N E QP se 00 min 2 8sin2 18 2 1 N E Q N d QMP s e – Considerando o Limite dos Vizinhos Próximos (apenas vizinhos de cada sinal que estão a dmin), tem-se: • Onde, Nmin é o n o médio de vizinhos próximos dado por: Ni é o n o de vizinhos próximos ao sinal si a distância dmin Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 min min 2 N d QNPe M i ii spNN 1 min – A distância mínima entre os símbolos é dada por: – O no de vizinhos a distância dmin para todos os sinais é igual a 2 Região de Decisão e Probabilidade de Erro sE d sE 8 sin2min sEd 8 sin2 8 sin 2 ss EdE d – Portanto, tem-se: – Como o no de vizinhos é igual para todos os sinais, tem-se: – De modo que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 8 sin 2 2 0 N E QP se 0 min 0 min min 2 8sin2 2 N E QN N d QNP s e 22 8 1 8 1 8 1 min ii ii spNN Exemplos Probabilidade de Erro Exemplo MASK Exemplo: Determine a probabilidade de erro de símbolo de um sistema MASK representado pela seguinte constelação de sinais: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 1(t) d=4 s1(t) 0 d=4 d=4 s2(t) s3(t) s4(t) M i iim mpEE 1 2 d a 5 2 mEa Exemplo – Cont. – Na representação vetorial, o tamanho do vetor representa: – Assim, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 366 111 EEs iE 42 222 EEs 42 333 EEs 366 444 EEs 20 1 M i iim mpEE 22 54 aEa m Exemplo – Cont. Região de Decisão e Probabilidade de Erro 2 111 d nPmRPmCP r nsr 1 anP z –a fZ(z) 0 2 0 2 2 N a Q N d Q 0 22 11 N a Q a Q a ZPanP NN 2 02 N N Exemplo – Cont. Região de Decisão e Probabilidade de Erro 22 222 d n d PmRPmCP r nsr 2 anaP z +a –a fZ(z) 0 22 21 N a Q a Z a PanaP NN 0 22 N a Q 0 22 N a Q 2 02 N N Exemplo – Cont. – Devido a simetria, tem-se que: – Assim, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 23 mCPmCP 14 mCPmCP M i ii mpmCPCP 1 21 22 4 1 mCPmCPCP Exemplo – Cont. – Substituindo os valores, tem-se: – Portanto, a probabilidade de erro é dada por: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 2 0 2 2 21 2 1 2 1 N a Q N a QCP 0 22 2 3 1 N a QCP CPErroP 1 0 22 2 3 Na QErroP Exemplo – Cont. – Como: – Tem-se que: – Logo: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 05 2 2 3 N E QErroP m 5 5 22 mm E aaE 034.02 2 3 10 5 2 2 3 QQErroP Exemplo QPSK Exemplo: Seja um sistema QPSK representado pelos sinais: Como todos os sinais apresentam uma forma de onda senoidal de igual amplitude, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4,,1para 4 12cos10 iitts ci si EE si PP 2 2A Ps 2 100 T TPE ss T E A s 2 TEs 50 Exemplo: continuação – Obtenha as bases ortonormais usando GS – Os sinais são dados por: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4 cos101 tts c 4 3 cos102 tts c 4 5 cos103 tts c 4 7 cos104 tts c Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro T T c T c T c T g dttdt dtt dttdttgE 0 0 0 0 0 2 0 2 1 2 2cos50 2 2cos1 2 1 100 4 cos10 1 TEg 501 tstg 11 4 cos101 ttg c Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4 cos 2 1 t T t c T t E tg t c g 50 4 cos10 1 1 1 Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro tststg 12122 0 0 0 1221 2 2cos 2 cos 2 12 10 4 cos 2 4 3 cos10 2 1 T c T cc t t dtt T dtt T tdtttss 021 s 0 4 3 cos10 4 sen 2 t c c ttg 4 sen102 ttg c Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro T T c T c T c T g dttdt dtt dttdttgE 0 0 0 0 0 2 0 2 2 2 2cos50 2 2cos1 2 1 100 4 sen10 2 TEg 502 4 sen102 ttg c Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4 sen 2 2 t T t c T t E tg t c g 50 4 sen10 2 2 2 Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4 sen 2 2 t T t c 4 cos 2 1 t T t c 2421414 2321313 2221212 2121111 ssts ssts ssts ssts Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 00 0 1 0 111 2 2cos 2 12 10 4 cos 2 4 cos10 dttdt T dtt T t dtttss T c T c T c T Ts 5011 Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 0 2 0 112 4 sen 2 4 cos10 dtt T t dtttss c T c T 012 s Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 0 0 0 0 1 0 221 2cos 2 1 2 cos 2 12 10 4 cos 2 4 3 cos10 T c T T cc T dttdt T dtt T t dtttss 021 s Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro T T c T cc T cc T dttdt T dtt T t dtt T t dtttss 0 0 0 0 0 2 0 222 2 2cos 2 1 2 12 10 4 sen 2 4 sen10 4 sen 2 4 3 cos10 Ts 5022 Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 00 0 1 0 331 2 3 2cos 2 1 cos 2 12 10 4 cos 2 4 5 cos10 T c T c T c T dttdt T dtt T t dtttss Ts 5031 Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 0 0 0 0 2 0 332 2 3 2sen 2 1 sen 2 12 10 4 sen 2 4 5 cos10 T c T c T c T dttdt T dtt T t dtttss 032 s Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 0 0 0 0 1 0 441 22cos 2 1 2 3 cos 2 12 10 4 cos 2 4 7 cos10 T c T c T c T dttdt T dtt T t dtttss 041 s Exemplo: continuação Região de Decisão e Probabilidade de Erro 0 00 0 2 0 442 22sen 2 1 2 3 sen 2 12 10 4 sen 2 4 7 cos10 T c T c T c T dttdt T dtt T t dtttss Ts 5042 Exemplo: continuação – Assim, pode-se representar um sistema QPSK usando apenas duas bases: – Os sinais si(t) podem ser representados como:Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4 sen 2 2 t T t c 4 cos 2 1 t T t c 214 213 212 211 500 050 500 050 Tts Tts Tts Tts Exemplo: continuação – Na forma vetorial, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro t t t t T tT tT tT tT ts ts ts ts 2 1 2 1 2 1 2 1 4 3 2 1 50 50 50 50 50 0 1(t) 2(t) T 50 T 50 T50 T50 Exemplo: continuação – Definição das Regiões de Decisão: Região de Decisão e Probabilidade de Erro Exemplo: continuação – Rotacionando as bases de / 4, pode-se obter 2 novas bases: – Assim, os sinais si(t) podem ser representados como: Região de Decisão e Probabilidade de Erro t T t c sen 2 2 t T t c cos 2 1 214 213 212 211 2525 2525 2525 2525 TTts TTts TTts TTts Exemplo: continuação – Na forma vetorial, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro tt tt tt tt T ts ts ts ts 21 21 21 21 4 3 2 1 25 1(t) 0 2(t) TT 25,25 TT 25,25 TT 25,25 TT 25,25 T50 Td 252 Td 252 Exemplo – Cont. Região de Decisão e Probabilidade de Erro NN d ZP d ZP d n d nP mRPmCP 22 2 , 2 21 21 111 rnsr 1 z –d/2 fZ(z) 02 N d Q 2 02 N N 2 0 2 2 1 N d Q Exemplo – Cont. – Devido a simetria, tem-se que: – Assim, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 4321 mCPmCPmCPmCP M i ii mpmCPCP 1 114 4 1 mCPmCPCP 2 0 2 0 2 2 0 2 22 21 2 1 N d Q N d Q N d QCP Exemplo – Cont. – Portanto, a probabilidade de erro é dada por: – Substituindo os valores, tem-se: Região de Decisão e Probabilidade de Erro CPErroP 1 2 0 2 0 2 22 2 N d Q N d QErroP 2 00 2 254 2 254 2 N T Q N T QErroP Exemplo – Cont. – Como: – Tem-se que: – Logo: Região de Decisão e Probabilidade de Erro TEs 50 2 2 00 101022 QQ N E Q N E QErroP ss 2 00 5050 2 N T Q N T QErroP 0015.0ErroP Exemplo MPSK Exemplo: Determine a probabilidade de erro de símbolo de um sistema MPSK com símbolos equiprováveis – A figura abaixo mostra um exemplo para 8PSK – Como os sinais são equiprováveis, as regiões de decisão são cônicas Região de Decisão e Probabilidade de Erro Exemplo – Cont. – Seja a mensagem m1 transmitida pelo sinal s1(t) – Como o espaço de sinais é bidimensional, s1(t) pode ser representado pelo vetor bidimensional s1 (s1 , 0) – A projeção do sinal recebido r no espaço de sinais é o vetor q (q1 , q2) e a projeção do ruído é n (n1 , n2), de modo que: – Assim, dado que foi transmitido s1 , tem-se que: • Volume sob a região cônica da pdf conjunta de q1 e q2 Região de Decisão e Probabilidade de Erro 21 21211 ,, qq nnEnns q 111 mRPmCP q Exemplo – Cont. – Como n1 e n2 são V.A. Gaussianas independentes de média 0 e variância N0/2, as componentes q1 e q2 também serão V.A. Gaussianas independentes, porém apresentando média E e 0, respectivamente, e variância N0/2 – Assim, a função de densidade conjunta condicional de q1 e q2 , dado que foi enviado m1 pode ser obtida por: – Resultando em: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 2121121 ,,, 212121 qEqfnnfmqqf NNNNQQ 0 2 2 0 2 1 21 00 121 11 N q N Eq QQ e N e N mqqf Exemplo – Cont. – Integrando sobre a região R1 , tem-se que: – Logo, a probabilidade de decidir corretamente, dado que m1 foi transmitido, é: – Pode-se definir os limites dessa integração analisando a figura a seguir: Região de Decisão e Probabilidade de Erro 1 0 2 1 2 0 2 2 12 0 1 1 q N Eq q N q dqedqe N mCP 1 0 2 2 2 1 1 21 21 0 211211 1 R N qEq R QQ dqdqe N dqdqmqqfmCP Exemplo – Cont. – Para integrar sobre R1, considere primeiro a faixa vermelha: Região de Decisão e Probabilidade de Erro M qq tan12 M qq tan12 1q 1n 2n1 s q E 0 Exemplo – Cont. – Ao longo da fronteira de R1, tem-se que: – Portanto, tem-se que: Região de Decisão e Probabilidade de Erro M qq tan12 0 1 tan tan 2 0 1 0 2 1 1 1 0 2 2 1 dqedqe N mCP N Eq I Mq Mq N q Exemplo – Cont. – A integral I entre parênteses é a função Q: Região de Decisão e Probabilidade de Erro q2 2 tan 0 1 N Mq Q fQ (q2) 2 2 2 2 tantan tantan 11 121 q q q q M q Z M q P M qQ M qP Mq tan1 Mq tan1 2 tan 0 1 N Mq Q 0 2 q 2 02 2 N q Exemplo – Cont. – Logo, tem-se que: – Portanto: Região de Decisão
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