PAM Modulação E Multiplexação PDF

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CURSO: Engenharia Elétrica COMPONENTE CURRICULAR: Princípios de Telecomunicações

Turma: JBA23N1

PROFESSOR: Maykon Chagas de Souza E-MAIL DO PROFESSOR: [email protected]

ACADÊMICOS: EDUARDO PEDRO VIDI MATHEUS HENRIQUE DALPISSOL WILBERT SAMARA VERONESI

Entre as diversas técnicas de modulação existentes podemos citar a PCM, PAM, ASK, FSK, PSK e QAM. A seguir cada uma dessas técnicas é apresentada e em seguida realiza-se uma breve comparação entre elas. A técnica PAM objeto desse trabalho é analisada profundamente. Por último demostramos as técnicas de multiplexação TDM, FDM, CDM e OFDM e suas respectivas técnicas de acesso ao meio TDMA, FDMA, CDMA e OFDMA. MODULAÇÃO POR CÓDIGO DE PULSO: O esquema Pulse Code Modulation (PCM) consiste na amostragem do sinal analógico pela modulação PAM, a quantização destas amostras por um processo de mapeamento da amplitude das amostras do sinal em um conjunto finito de valores discretos e a codificação de cada amostra quantizada em uma representação binária pura capaz de representar todos as possíveis amplitudes das amostras do sinal analógico. MODULAÇO POR CHAVEAMENTO DE AMPLITUDE: A modulação ASK (Amplitude Shift Keying) consiste na modificação do nível de amplitude da onda portadora em função do sinal digital de entrada a ser transmitido. O sinal modulante assume um dos dois níveis discretos da fonte de informação (nível lógico 0 ou 1). As principais características dessa modulação são: facilidade de modulação e demodulação, pequena largura de faixa e baixa imunidade a ruídos. Por possuir essas características ela é indicada nas situações em que exista pouco ruído para interferir na recepção do sinal ou quando o custo baixo é essencial. MODULAÇÃO POR CHAVEAMENTO DE FREQUÊNCIA A modulação FSK (Frequency Shift Keying) consiste na variação da frequência da onda portadora em função do sinal digital a ser transmitido. A amplitude da onda portadora é

constante durante o processo de modulação e a onda resultante varia a sua frequência conforme os níveis lógicos do sinal modulante. A principal característica dessa modulação é a boa imunidade a ruídos, mas necessita de uma maior largura de banda. MODULAÇÃO POR CHAVEAMENTO DE FASE A modulação PSK (Phase Shift Keying) consiste na variação da fase da onda portadora em função do sinal digital a ser transmitido. Quando ocorre uma mudança de nível lógico do sinal a ser transmitido há uma mudança na fase da onda portadora para indicar a mudança do nível lógico do sinal a ser transmitido. Essa modulação é a que apresenta melhor imunidade a ruídos e um significativo aumento da velocidade de transmissão. MODULAÇÃO POR AMPLITUDE DE QUADRATURA: A modulação QAM (Quadrature Amplitude Modulation) é uma combinação entre as modulações ASK e PSK. Isso significa que há variação de fase e amplitude na onda portadora de acordo com a informação digital a ser transmitida. A fim de aumentar a eficiência espectral do processo de modulação, diferentes tipos de modulação de amplitude em quadratura são utilizados. Essas modulações foram desenvolvidas inicialmente para transmitir dois sinais analógicos independentes em uma portadora. MODULAÇÃO POR AMPLITUDE DE PULSO: A modulação de amplitude de pulso é uma técnica na qual a amplitude de cada pulso é controlada pela amplitude instantânea do sinal de modulação. É um sistema de modulação em que o sinal é amostrado em intervalos regulares e cada amostra é proporcional à amplitude do sinal no instante da amostragem. Esta técnica transmite os dados codificando na amplitude de uma série de pulsos de sinal.

Modulação PAM

Existem dois tipos de técnicas de amostragem para transmitir um sinal usando o PAM: Técnica de amostragem PAM Flat Top e Técnica de amostragem PAM natural: Técnica de amostragem PAM Flat Top: A amplitude de cada pulso é diretamente proporcional à modulação da amplitude do sinal no momento da ocorrência do pulso. A amplitude do sinal não pode ser alterada em relação ao sinal analógico a ser amostrado. Os topos da amplitude permanecem planos.

PAM Flat Top

Técnica de amostragem PAM natural: A amplitude de cada pulso é diretamente proporcional à modulação da amplitude do sinal no momento da ocorrência do pulso. Em seguida, segue a amplitude do pulso pelo resto do meio ciclo.

PAM natural

A modulação da amplitude de pulso é categorizada em dois tipos: PAM de polaridade única e PAM de dupla polaridade. O PAM de polaridade única é uma situação em que um viés DC fixo adequado é adicionado ao sinal para garantir que todos os pulsos sejam positivos. O PAM de dupla polaridade é uma situação em que os pulsos são positivos e negativos. DEMODULAÇÃO DO PAM Para a demodulação do sinal PAM, o sinal PAM é alimentado no filtro passa-baixo . O filtro passa-baixo elimina as ondulações de alta frequência e gera o sinal demodulado. Este sinal é então aplicado ao amplificador inversor para amplificar seu nível de sinal para ter a saída demodulada com amplitude quase igual ao sinal de modulação.

Demodulação do sinal PAM

Vantagens da modulação de amplitude de pulso (PAM): • • •

É a base para todas as técnicas de modulação digital e é um processo simples para as técnicas de modulação e demodulação. Nenhum circuito complexo é necessário para transmissão e recepção. O circuito do transmissor e do receptor é simples e fácil de construir. O PAM pode gerar outros sinais de modulação de pulso e pode transmitir a mensagem ou informação ao mesmo tempo.

Desvantagens da modulação de amplitude de pulso (PAM): • •

A largura de banda deve ser grande para transmitir o sinal de modulação de amplitude de pulso. Devido aos critérios de Nyquist, também é necessária uma largura de banda alta. A frequência varia de acordo com o sinal de modulação ou sinal de mensagem. Devido a essas variações na frequência do sinal, haverá interferências. Então o barulho será

•

ótimo. Para o PAM, a imunidade ao ruído é menor quando comparada a outras técnicas de modulação. É quase igual à modulação de amplitude. O sinal de amplitude de pulso varia; portanto, a potência necessária para a transmissão será maior, o pico de potência também é necessário, mesmo ao receber mais energia para receber o sinal de amplitude de pulso.

Aplicações da modulação de amplitude de pulso (PAM): •

• • •

É usado principalmente na Ethernet, que é o tipo de comunicação de rede de computadores, sabemos que podemos usar a Ethernet para conectar dois sistemas e transferir dados entre os sistemas. A modulação de amplitude de pulso é usada para comunicações Ethernet. Também é usado para biologia fotográfica, que é um estudo da fotossíntese. Usado como driver eletrônico para iluminação LED. Usado em muitos microcontroladores para gerar os sinais de controle etc. COMPARAÇÃO ENTRE AS TÉCNICAS DE MODULAÇÃO: PAM

PCM

Portadora digi tal Portadora digi tal Informação ana lógi ca

ASK

FSK

Portadora anal ógi ca Portadora anal ógi ca

PSK

QAM

Portadora anal ógi ca Portadora anal ógi ca

Informação digi tal Informação digi tal

Informação digi tal

Mensa gem codi fica da em ampli tude

O processo de modul açã o do códi go de pulso é real izado em três etapas: amostra gem, qua nti zaçã o e codi fica çã o

Transmite doi s si nai s de mensa gens ana lógi cas, ou doi s fl uxos de bits digi tai s Usa única portadora , al ternando as Os bi ts 1 e 0 são e a i nformação está ampli tudes de dua s representados por na vari açã o da fa se ondas portadoras , usando o esquema de si na is de frequencia s da portadora por di ferentes meio do modul ador modul ação di gital ASK ( a mpl itude-shi ft do produto keyi ng ) ou o esquema de modul ação ana lógi ca de ampli tude (AM).

Comuni ca çã o Ethernet mi crocontrol ado res para gerar os si na is de control e, fotobi ologia ,dri v er el etrôni co para il umina çã o LED.

Si stema Telkom, gra vação de áudio di gital , efeitos especia is de vídeo Telemetri a , di gital izado, vídeo radi ossondas de di gital , correi o de Usada para bal ão meteorológico , voz, control e de transmitir da dos em i dentifi cação de rádi o como fi bra ótica chamadas , abri dores transmissor e de portas de garagem receptor para carros, ba rcos e avi ões com control e remoto.

Util i za a ampl itude da portadora pa ra cada possível pal avra de i nformação

Informação digi tal

Informação digi tal

Nos enl aces de rádi o di gital e mi croondas, Usada para LANs sem transmissões em fi o, operações bi oal tas taxas de métri cas e sem transferênci a, contato, al ém de televisão di gital de comunica ções RFID e al ta defi niçã o, em Bluetooth. modem, ca ble modens, ADSL.

TÉCNICAS DE MULTIPLEXAÇÃO FDM/FDM(A) Na multiplexação por divisão de frequências é designada uma faixa de frequência para cada canal. O sinal deve ser deslocado em frequência para sua posição antes de ser realizada a multiplexação dos canais. O deslocamento do canal até uma posição específica do espectro de frequências é feito mediante a modulação do sinal. Esse processo deve ser feito de tal forma que o sinal modulado não interfira nos outros canais a serem multiplexados. A multiplexação FDM é basicamente uma separação em frequência dos N canais a serem multiplexados, resultando em uma sobreposição no tempo dos sinais. Por exemplo na telefonia, a FDM é implementada através de modulação AM - SSB, sendo designada uma faixa de 4 kHz para cada canal telefônico (300 a 3400 Hz). Na BW destinada para cada canal, são reservadas bandas de guarda para evitar a interferência entre canais adjacentes. Nos canais de TV aberta, cada emissora possui uma BW de 6MHz. Nesta faixa são transmitidos dois canais, o de som modulado em FM e o de vídeo, modulado em AM-SSB-VC. Além dos sinais dentro desses 6 MHz estão as bandas de guarda. O FDMA significa Frequency Division Multiple Access, uma tecnologia comumente usada em comunicações móveis. É um método de acesso para a camada de enlace de dados , que usa os conceitos do FDM para basicamente atingir o mesmo objetivo. É do conhecimento popular que o FDMA é o uso do FDM para permitir que vários usuários compartilhem o mesmo canal físico para comunicação simultânea. Para mais detalhes, o FDM é uma técnica usada em muitas outras tecnologias. Um multiplexador modula todos os sinais que vão usar o canal em um único sinal. O FDMA renuncia ao uso de um multiplexador, pois atua na camada de enlace de dados. Toda a informação é combinada antes da geração de um sinal, tornando desnecessário o uso de um multiplexador de camada física.

TDM/TDM(A) Na multiplexação por divisão do tempo não há necessidade de modular o sinal. Neste tipo de multiplexação é designado um intervalo de tempo (time slot) para cada canal transmitir no meio de transmissão. A TDM é utilizada em transmissões digitais, na qual a informação a ser transmitida corresponde a uma sequência de bits e cada time slot pode facilmente ser adaptado para corresponder a um número inteiro de bits. A multiplexação TDM é realizada pelos multiplexadores, equipamentos que recebem a informação de cada transmissor e dispõe nos respectivos time slots. No outro extremo do meio de transmissão o demultiplexador distribui a informação correspondente para cada um dos destinatários. Quando todos os canais possuem times slots em cada ciclo de transmissão independentemente se utilizam ou não esse tempo a TDM é dita sincrona. Cada intervalo de

tempo correspondente a um ciclo no qual todos os canais transmitem é chamado de frame (quadro). A cada frame todos os canais ocupam o meio de transmissão durante um time slot. Não há a necessidade dos times slots serem do mesmo tamanho. Quando a TDM é assincrona, os canais utilizam somente quando precisam transmitir, neste caso cada time slot tem em seu início um cabeçalho com um sinal que permitira o demultiplexador ajustar o seu clock com o clock do sinal transmitido. Os sistemas de telecomunicações empregam muito a TDM que permite o uso eficiente do canal de transmissão. Os backbones das redes nacionais e de muitas redes metropolitanas, utilizam o sistema de transmissão chamado de SDH (Hierarquia digital sincrona) o qual corresponde a uma multiplexação TDM. Tanto o sistema telefônico como a internet utilizam desses backbone para o envio e o recebimento de mensagens. O acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) é um método de acesso ao canal para redes de mídia compartilhada (geralmente rádio). Ele permite que vários usuários compartilhem o mesmo canal de frequência, dividindo o sinal em diferentes intervalos de tempo. Os usuários transmitem em rápida sucessão, um após o outro, cada um usando seu próprio horário. Isso permite que várias estações compartilhem o mesmo meio de transmissão (por exemplo, canal de frequência de rádio) enquanto usam apenas a parte de sua largura de banda necessária. O TDMA é usado nos sistemas celulares 2G digitais, como o Sistema Global de Comunicações Móveis (GSM), IS-136, Celular Digital Pessoal (PDC) e iDEN, e no padrão DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) para telefones portáteis.

CDM/CDM(A) A multiplexação por divisão de código (CDM) é uma técnica de rede na qual vários sinais de dados são combinados para transmissão simultânea em uma banda de frequência comum. Quando o CDM é usado para permitir que vários usuários compartilhem um único canal de comunicação, a tecnologia é chamada de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA). Na multiplexação por divisão de código, mais conhecida como CDMA (Acesso ao meio por divisão de código) cada transmissor transmite com um código diferente. Podemos fazer uma analogia da CDM com o que ocorre numa sala com várias duplas tentando conversar ao mesmo tempo. Quando todos falarem ao mesmo tempo, a conversa de uma dupla atrapalha a de outra, muitas vezes impedindo a transmissão de informação. Essa situação é minimizada se cada dupla conversar em uma língua diferente, a primeira em português, a segunda em inglês, a terceira em mandarim … Cada dupla entenderá com mais facilidade a sua conversação pois tratará as outras falas como ruído a ser rejeitado. Na CDMA cada par transmissor-receptor se comunicará com um código específico, o qual será utilizado para filtrar a informação contida na sinal transmitido. A CDMA foi amplamente empregada na telefonia celular

OFDM/OFDM(A) A multiplexação por divisão de frequências ortogonais, ou OFDM, é uma técnica de modulação de dados que por diversas características, é apropriada à tecnologia de rádios cognitivos. OFDM é uma técnica de transmissão de dados que utiliza sua banda dividida em múltiplas portadoras ortogonais, chamadas subportadoras, para modulação. As subportadora são chamadas ortogonais por não possuírem sobreposição de frequência, dessa forma não interferindo umas com as outras. Nos sistemas OFDM , apenas um único usuário pode transmitir em todas as subportadoras a qualquer momento. Para suportar múltiplos usuários, técnicas de acesso por divisão de tempo e / ou frequência são usadas no OFDM. O maior contratempo para esse esquema estático de acesso múltiplo é o fato de que os diferentes usuários veem o canal sem fio de maneira diferente e não estão sendo utilizados. O OFDMA, por outro lado, permite que vários usuários transmitam simultaneamente nas diferentes subportadoras por símbolo OFDM. O princípio básico da OFDM é a conversão de um fluxo de dados serial de taxa de transmissão elevada em múltiplos sub-fluxos paralelos de taxa de transmissão baixa. Por exemplo, um conjunto de símbolos seriais é transformado em um símbolo OFDM, representando dados em paralelo. Após a conversão serial-paralelo, cada sub-fluxo de dados é modulado em uma subportadora. A principal vantagem do uso de OFDM em relação a técnicas que utilizam uma única portadora é que ela pode obter a mesma taxa de transferência, devido ao paralelismo de subportadoras de taxas baixas, com maior resistência a condições ruins do meio, como atenuação de altas frequências, interferência inter-símbolo, interferência causada por múltiplos caminhos (comum em redes sem fio, devido à reflexão). A idéia básica de compartilhamento de espectro baseado em OFDM é fazer com que a largura de uma sub-banda do sistema licenciado seja um múltiplo inteiro do espaço Δf usado por cada subportadora do sistema não licenciado. Dessa forma, se o sistema não licenciado utiliza somente as subportadoras em sub-bandas que estão temporariamente sem uso pelo sistema licenciado, a coexistência espectral entre ambos os sistemas é possível com uma interferência muito baixa. Também é mostrado que para a realização da modulação em paralelo na OFDM é necessária uma Transformada Rápida de Fourier (FFT – Fast Fourier Transform). Essa operação também é necessária em um sistema de compartilhamento de espectro para analisar a atividade dos usuários licenciado, e portanto, não implicaria em maior custo ou complexidade de operação, já que essa operação seria realizada de qualquer maneira.

COMPARAÇÃO ENTRE AS TÉCNICAS FDM E TDM:

BASE PARA COMPARAÇÃO Basic Usado com Exigência necessária Interferência Circuitry Utilização

TDM

FDM

A escala de tempos é compartilhada. Sinais digitais e sinais analógicos Sync Pulse Baixo ou insignificante Mais simples Usado eficientemente

A frequência compartilhada. Sinais analógicos

é

Faixa de guarda Alto Complexo Ineficaz

COMPARAÇÃO ENTRE AS TÉCNICAS FDM E OFDM

FDM e OFDM são as técnicas de multiplexação usadas principalmente no sistema analógico. Essas técnicas são distinguidas dependendo do espaçamento entre os vários subcanais (na forma do sinal composto) transmitidos através de um único canal. Assim, no FDM, os sinais de mensagens evitam ruídos separando os sinais com a ajuda das faixas de proteção. Pelo contrário, a técnica OFDM não utiliza banda de guarda, de fato, permite a sobreposição de sinais. Assim, permitindo a melhor utilização da largura de banda fornecida.

BASE PARA COMPARAÇÃO Apoia Basic Relação entre as transportadoras Uso da faixa de guarda Eficiência espectral Efeito de interferência

FDM

OFDM

Multiplexação por Divisão de Frequência Largura de banda dedicada a várias fontes. Não existe relacionamento Necessário

Multiplexação de Divisão de Frequência Ortogonal Todos os subcanais são atribuídos a uma única fonte de dados. Adição do número de portadores ortogonais Não requerido

Baixo

Alto

Propenso a interferências.

Susceptibilidade negligenciável a interferências.

COMPARAÇÃO ENTRE CDM(A) E OFDM(A) O OFDM executa melhor comparação com CDMA e fornece melhor tolerância com relação à propagação de múltiplos atrasos. • O desempenho de pico de power clipping do OFDM é melhor comparado ao CDMA.

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A tolerância gaussiana ao OFDM no ruído é melhor comparada ao CDMA.

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O sistema OFDM baseado em ambiente de célula única pode alocar cerca de 2 a 10 vezes mais assinantes em comparação ao CDMA. No aplicativo multicelular, o OFDM pode alocar 0,7 a 4 vezes mais assinantes em comparação ao CDMA. O CDMA tem melhor desempenho no caso multicelular, em que a frequência única é alocada para todas as estações base. No caso de múltiplos usuários, o receptor OFDM precisou lidar com grandes variações da intensidade do sinal que emana de vários usuários distribuídos. O principal benefício do CDMA é fornecer uma comunicação mais segura em ambientes com muito ruído, devido aos códigos PN. Mas isso é limitado a um número menor de usuários. O OFDM também pode fornecer comunicação segura por meio do uso de criptografia e incorporação do módulo scrambler (randomização).

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COMPARAÇÃO ENTRE TDM(A),FDM(A) E CDM(A) Essas são todas as tecnologias de acesso múltiplo . Isso significa que eles permitem o compartilhamento da mídia de transmi...