COFDM: Funcionamiento, aplicaciones y aspectos técnicos - PDF

TEMA 3. COFDM PRIMERA PARTE JESUS GARCIA JIMENEZ, UPM 1 BIBLIOGRAFIA U. Reimers, DVB The Family of International Standars for Digital Video Broadcasting. Ed. Springer, 2005, ISBN 3-540-43545-X. H....

TEMA 3. COFDM PRIMERA PARTE JESUS GARCIA JIMENEZ, UPM 1 BIBLIOGRAFIA U. Reimers, DVB The Family of International Standars for Digital Video Broadcasting. Ed. Springer, 2005, ISBN 3-540-43545-X. H. Benoit, Television Digital, ed. Paraninfo 1998. Mohammed El-Hajjar and Lajos Hanzo ,A Survey of Digital Television Broadcast Transmission Techniques, , IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 15, NO. 4, FOURTH QUARTER 2013, ISSN: 1553-877X ETSI EN 300 744 V1.6.1 (2009-01) European Standard (Telecommunications series Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial televisión J.H. Stott,"The how and why of COFDM",EBU Technical Review - Winter 1998 J. Stott, "The effects of phase noise in COFDM", EBU Technical Review - Summer 1998 J.H. STOTT," The effects of frequency errors in OFDM",BBC Research and Development Report No. RD 1995/15. ttp://www.bbc.co.uk/rd/pubs/reports/1995_15.html 2 DIFUSION DE SEÑALES DE TDT POR CANALES RADIOELECTRICOS PROBLEMAS PROPAGACION MULTITRAYECTO: INTERFERENCIA ENTRE SIMBOLOS: podría resolverse con una ecualización BAJA DISPONIBILIDAD DE FRECUENCIAS INTERFERENCIAS DE SEÑALES DE TV ANALOGICAS SOLUCIONES: COFDM USAR MULTIPLES PORTADORAS ORTOGONALES EN EL INTERVALO DE SIMBOLO CADA UNA DE ELLAS SE MODULA CON UN SUBCONJUNTO DEL TREN BINARIO AUMENTA LA DURACION DEL SIMBOLO NO HAY INTERFERENCIAS AUNQUE LOS ESPECTROS SE SOLAPEN SEPARACION ENTRE PORTADORAS: INVERSO DE LA DURACION DEL SIMBOLO 3 MODULACION EN CUADRATURA H. Benoit, Television Digital, ed. Paraninfo 1998 4 MODULACION EN CUADRATURA (2): PERTURBACIONES RUIDO DE PORTADORA FASE CONTINUA ECOS RUIDO H. Benoit, Television Digital, ed. Paraninfo 1998 5 MODULACION EN CUADRATURA (3): PERTURBACIONES H. Benoit, Television Digital, ed. Paraninfo 1998 6 PROPAGACION MULTITRAYECTO 7 PROPAGACION MULTITRAYECTO (1) REFLEXIONES QUE SE PRODUCEN DESDE ELEMENTOS FIJOS Ó MOVILES PODRIAN SUPRIMIRSE CON UNA ANTENA RECEPTORA MUY DIRECTIVA CONVENINENTEMENTE ORIENTADA LA TENDENCIA ES A SIMPLIFICAR LAS ANTENAS Y SU INSTALACION DESVANECIMIENTOS SELECTIVOS CON LA FRECUENCIA Y VARIABLES CON EL TIEMPO ALGUNAS FRECUENCIAS SON REFORZADAS, OTRAS ATENUADAS Y ESTO CAMBIA CON EL TIEMPO 8 PROPAGACION MULTITRAYECTO (2) 9 PROPAGACION MULTITRAYECTO (3) Señal que emite el transmisor TRANSMISOR REFLEXION EN UN OBSTACULO n+3 n n+1 n+2 Señal que llega al receptor recorriento una distancia d1 REFLEXION EN UN n n+1 n+2 n+3 OBSTACULO RECEPTOR REFLEXION Señal que llega al receptor recorriendo una distancia d2 EN UN OBSTACULO n n+1 n+2 n+3 REPUESTA TEMPORAL ECOS Su retardo depende de los diferentes entornos geográficos Producen interferencia entre símbolos. – Supongamos una señal de 30 Mb/seg: un símbolo dura 33 nseg. – Un eco natural puede tener un retardo de 7 μseg. – Retardo de un eco natural equivale a más de 200 símbolos. 10 PROPAGACION MULTITRAYECTO (4) RESPUESTA EN FRECUENCIA TRANSMISOR REFLEXION EN UN OBSTACULO AMPLITUD RECEPTOR REFLEXION EN UN OBSTACULO AL RECEPTOR CADA SEÑAL LE LLEGA CON UNA FASE DIFERENTE REFLEXION EN UN OBSTACULO DOMINIO DE LA FRECUENCIA DESVANECIMIENTOS SELECTIVOS CON LA FRECUENCIA VARIABLES CON EL TIEMPO LAS FRECUENCIAS PROXIMAS SUFREN VARIACIONES BIEN CORRELADAS LAS FRECUENCIAS ALEJADAS ESTAN MAL CORRELADAS ANCHO DE BANDA BIEN CORRELADO: Ancho de banda de coherencia Banda de la señal inferior al ancho de banda de coherencia Pequeña distorsión, atenuación puede ser significativa y variable Banda de la señal superior al ancho de banda de coherencia Distorsión severa, pero variaciones suaves de la potencia recibida 11 PROPAGACION MULTITRAYECTO (5) Poco retado Periodo Periodo de de integración integración Camino directo Símbolo n-1 Símbolo n Símbolo n+1 Símbolo n-1 Símbolo n Símbolo n+1 Símbolo n Símbolo n+1 Camino retardado Símbolo n-5 Símbolo n-6 Símbolo n-1 ISI ISI PARA EVITAR LA INTERFERENCIA ENTRE SIMBOLOS INTERESA QUE ESTOS DUREN MUCHO EN COMPARACION CON LOS RETARDOS Dependerá de la constelación en uso VAMOS A DIVIDIR EL FLUJO BINARIO EN MUCHOS SUBFLUJOS Y A MODULAR CON CADA UNO DE ELLOS A UNA PORTADORA UNICA 12 IDEAS BASICAS SOBRE COFDM 13 COFDM IDEAS BASICAS SE HA HACE UNA PARTICIÓN DEL CANAL DE TRANSMISION EN EL TIEMPO Y EN LA FRECUENCIA EN CADA UNA DE ELLAS SE INSERTA UNA PORTADORA MODULADA POR UNA PARTE DEL FLUJO TOTAL PROCURAREMOS QUE LA BANDA OCUPADA SEA SUPERIOR A LA BANDA DE COHERENCIA LA IDEA ES BUENA. PERO ¿PODEMOS RECUPERAR CADA UNO DE LOS SUBFLUJOS ELEMENTALES? Gerard Faria, “DVB-T Hierachical Mocdulation: An Oportunity for new Services?” 14 COFDM ETSI EN 300 744 V1.6.1 (2009-01) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television 15 PORTADORAS ORTOGONALES (1) b   k dt  b  a   , k  q * q a b   k dt  0 , k  q * q a 16 PORTADORAS ORTOGONALES (2) j k t  k (t )  e 2 k   0  k 2 2  f   k 1  k   2p 2q b b b j (  )t  j (  )t dt  0 0   j  j q t e e   p   t * q dt  e p e dt  a a a b 2p 2q b 2 j (    )t j ( p  q )t e dt  e 0 0    dt a a 17 PORTADORAS ORTOGONALES (3) 2b 2 j ( pq)  j ( p  q )( a  b )  b b 2 e   1  e   j ( p  q )t     dt  e dt  *  q j 2 ( p  q ) /  p a a b   p dt  b  a p  q * q si a b   p dt  0 si p  q (b  a )   * q y a 18 PORTADORAS ORTOGONALES (4) N S ( t )  A1 e j 1 e j  1t  A2e j 2 e j 2 t  A3e j 3 e j 3t .....   i 1 Aie j i e j it 2 i 1  i  0 ; f    a a  S (t )e  A   j k t j 1t j 2 t j j 3t j k t dt  1 e j 1 e  A2e j 2 e  A3e 3 e ..... e  dt  a a b b  S (t )e  A   j k t j 1t j k t j 2 t j k t j 3 t j k t dt  1 e j 1 e e  A2e j 2 e e  A3e j 3 e e ..... dt  a a b b b   dt   A 3 e j j 1t j k t j 2 t j k t j 3t j k t A1 e 1 e e dt  A2e j 2 e e j 3 e e dt .. a a a b b b    j 1t j k t j 2 t j k t j 3t j k t A1 e j 1 e e dt  A 2 e j 2 e e dt  A 3 e j 3 e e dt .....  a a a b  S (t )e  j k t j dt  A k e k (b  a ) a 19 PORTADORAS ORTOGONALES (5) U. Reimers, DVB The Family of International Standars for Digital Video Broadcasting. Ed. Springer, 2005,ISBN 3-540-43545-X. 20 PORTADORAS ORTOGONALES: ISI UNA PORTADORA SUPERPUESTA CON UN ECO POCO RETARDADO DE ELLA MISMA APARECE INTERFERENCIA ENTRE SIMBOLOS: SE PIERDE LA ORTOGONALIDAD b   j k t j k S (t ) e dt  Ak e (b  a ) a 21 PORTADORAS ORTOGONALES: ISI UNA PORTADORA SUPERPUESTA CON UN ECO POCO RETARDADO DE ELLA MISMA APARECE INTERFERENCIA ENTRE SIMBOLOS: SE PIERDE LA ORTOGONALIDAD c b  (A dt   2 An e j n e jk t e  jk t dt j n1 j k ( t  t1 ) j n j k t  j k t e n 1 e  An e e )e a c b  S (t )e  j k t dt  Ak e j k (b  a ) a 22 SOLUCIONANDO LA ISI TIENE SOLUCION; EQUIVALE A ALARGAR EL SIMBOLO INTEGRAR SOLO ENTRE c Y b CONCEPTO DE INTERVALO DE GUARDA b  j n j k t  j k t 2 An e e e dt c Símbolo n-1 Símbolo n Símbolo n+1 Símbolo n-1 Símbolo n Periodo de integración 23 SOLUCIONANDO LA ISI UNA PORTADORA SUPERPUESTA CON UN ECO MUY RETARDADO DE ELLA MISMA NO TIENE SOLUCION: EQUIVALE A TENER RETARDOS SUPERIORES AL TIEMPO DE GUARDA 24 ICI: INTERFERENCIA ENTRE PORTADORAS CAMBIA EL SIMBOLO DURANTE EL INTERVALO DE INTEGRACION b   dt  0 si p  q (b  a )   * p q y a b   p j ( t ) A (t )e * q dt  a c b   p   p j j A1e 1 * q dt  A2e 2 * q dt  0 a c APARECE INTERFERENCIA ENTRE PORTADORAS 25 ICI: INTERFERENCIA ENTRE PORTADORAS TIENE SOLUCION: ALARGAR EL SIMBOLO INTERVALO DE GUARDA Símbolo n 26 INTERVALO DE GUARDA INTERFERENCIA ENTRE PORTADORAS (ICI) Periodo de APARECE SI DURANTE EL INTERVALO DE INTEGRACION integración CAMBIA EL SIMBOLO. Camino directo Símbolo n-1 Símbolo n Símbolo n+1 INTERFRENCIA ENTRE SIMBOLOS (ISI) Camino retardado Símbolo n-5 Símbolo n-6 UNA PORTADORA SE SUPERPONE CON UN ECO. Si el eco está poco retardado puede evitarse con el intervalo ISI de guarda. Si el eco está muy retardado, no puede evitarse. SOLUCION A LA ICI Y A LA ISI: Camino directo Símbolo n-1 Símbolo n Símbolo n+1 ALARGAR EL SIMBOLO ALGO MÁS: Camino retardado Símbolo n-1 Símbolo n Símbolo n+1 INTERVALO DE GUARDA Periodo de integración NO SE PRODUCE ICI NI ISI MIENTRAS QUE EL RETARDO SEA INFERIOR AL TIEMPO DE GUARDA UNA SEÑAL INTERFERENTE DE OTRO TRANSMISOR EN LA MISMA FRECUENCIA SE PUEDE INTERPRETAR COMO UN ECO. ES POSIBLE CREAR REDES DE FRECUENCIA UNICA ELEGIENDO TIEMPO DE GUARDA EN FUNCION DE LA DISTANCIA ENTRE LOS TRANSMISORES 27 GENERACION DE LA OFDM (1) 1 N 1 S N (t )    An e j ( 0  n )t n )  N n 0   MILES DE OSCILADORES, MILES DE FILTROS …INUTILIZABLE 28 GENERACION DE LA OFDM (2) HAY UNA SOLUCION MUY SENCILLA S (t )  Re  Ac t e j (c t c (t ))  Una portadora modulada en amplitud y fase   n  0  n Consideramos que durante un símbolo Ac (t )  An no cambia la amplitud ni la fase c (t )  n 1 N 1 S N (t )    An e j (0  n )t n )  N portadoras moduladas en amplitud y fase N n 0   29 GENERACION DE LA OFDM (3) MUESTREAMOS LA SEÑAL ANTERIOR A UNA FRECUENCIA 1/T T es algo que acabamos de definir, una tasa de muestreo. Es diferente de la duración del símbolo t  kT Elegiremos T dependiendo del ancho de banda del canal de RF Ahora imponemos una relación entre la tasa de muestreo y la duración del símbolo:   NT N se toma una potencia de 2: dará lugar al “modo” También imponemos, sin pérdida de generalidad que: 0  0 Llegamos a escribir la señal muestreada como: S N kT   1 N 1   An e jn e ( n ) kT ) N n 0  30 GENERACION DE LA OFDM (4) Señal muestreada S N kT   1 N 1   An e jn e ( n ) kT ) N n 0  2n 1 N 1  n  g kT   j k Definición de la FFT-1  G e N N n 0  NT  1 1 Idénticas si f   NT  SIMPLEMENTE HAY QUE IMPLEMENTAR UNA FFT-1 31 MODOS EN COFDM INTERESA QUE LA DURACIÓN DEL SIMBOLO SEA ALTA, PARA PODER SOPORTAR GRANDES RETARDOS EN EL MULTITRAYECTO, LUEGO TENEMOS QUE CONSIDERAR USAR MUCHAS (MILES) PORTADORAS NO INTERESA QUE EL INTERVALO DE GUARDA SEA MUY ELEVADO: MALGASTAMOS EL ESPECTRO Y LA CAPACIDAD DEL SISTEMA PARA ADAPTARNOS A LAS DISTINTAS SITUACIONES SE HAN DEFINIDO DIFERENTES MODOS ETSI EN 300 744 V1.6.1 (2009-01) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television 32 CARACTERISTICAS ESPECTRALES (1) 32 PORTADORAS SIN INTERVALO DE GUUARDA CON INTERVALO H. Benoit, Television Digital, ed. Paraninfo 1998 DE GUARDA 33 CARACTERISTICAS ESPECTRALES (2) Densidad Espectral de Potencia Frecuencia relativa a la frec central del canal (fc) ETSI EN 300 744 V1.6.1 (2009-01) European Standard (Telecommunications series) Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television 34 ESTADO DEL CANAL REFEXIONES QUE SE PRODUCEN DESDE ELEMENTOS FIJOS Ó MOVILES DESVANECIMIENTOS SELECTIVOS CON LA FRECUENCIA Y VARIABLES CON EL TIEMPO ALGUNAS FRECUENCIAS SON REFORZADAS, OTRAS ATENUADAS Y ESTO CAMBIA CON EL TIEMPO 35 ESTADO DEL CANAL (2) LA CONSTELACION RECIBIDA ESTARÁ ESCALADA Y ROTADA RESPECTO A LA ORIGINAL PUEDE USARSE MODULACION DIFERENCIAL DAB SE USA DQPSK SI LA VARIACION DE LAS CARACTERISTICAS DEL CANAL ES RAPIDA UNA DETECCION COHERENTE PRESENTA VENTAJAS LO IDEAL SERIA DETERMINAR LA RESPUESTA DEL CANAL A CADA FRECUENCIA Y PROCEDER A ECUALIZARLO SE TRASNMITEN LOS PILOTOS DISPERSOS (SCATTERED PILOTS) QUE TRANSMITEN INFORMACION CONOCIDA SOBRE CIERTAS PORTADORAS A PARTIR DE LA INFORMACIÓN RECUPERADA DE LAS PORTADORAS DISPERSAS SE PUEDE OBTENER UNA VERSION SUBMUESTREADA EN TIEMPO Y EN FRECUENCIA DE LA RESPUESTA DEL CANAL 36 MODOS JERARQUICOS 37 MODOS JERARQUICOS (1) CONCEPTO: Considerando una constelación 16 ó 64 QAM podría considerarse embebido en él un QPSK Parámetro de modulación α: relación entre la distancia de dos puntos vecinos en la constelación, situados en cuadrantes diferentes, y la distancia entre dos puntos vecinos de la constelación, situados sobre el mismo cuadrante. α puede tomar los valores 1, 2 y 4 correspondiendo el valor 1 a la modulación uniforme. 38 MODOS JERARQUICOS (2) No tiene que ver, en principio, con la codificación de fuente escalable o jerárquica, pero pueden ligarse a ella. Se pueden llevar dos flujos binarios, uno de alta prioridad (HP) y otro de baja prioridad (LP), con servicios completamente diferentes. – Uno más protegido que otro APLICACIONES: Aplicable incluso en redes SFN con una alta interferencia mejorando sus prestaciones Combinación de servicios fijos y móviles El área de cobertura que se logra con el HP es un 9% superior al que se logra con un modo no jerárquico – Precio: ligera reducción de la cobertura para el LP, de un 3% 39 REDES DE FRECUENCIA UNICA 40 REDES CODFM DE FRECUENCIA UNICA (SFN) (2) Los dos transmisores sincronizados La misma información Al mismo tiempo En la misma frecuencia El comportamiento de la segunda señal es el de un eco Eligiendo el intervalo de guarda en función de la distancia entre los transmisores Es mejor usar muchos transmisores poco potentes que uno muy potente TX1 GPS Codificador COFDM Up Converter TX2 Receptor COFDM GPS Codificador COFDM Up Converter 41 REDES CODFM DE FRECUENCIA UNICA (SFN) (2) El proceso de modulación COFDM es síncrono En el DVB-T todo, excepto la modulación es asíncrono Cada entidad que procesa la señal tiene su propio reloj y su propia tasa binaria La capacidad del canal en el DVB-T depende del modo y de la elección de los parámetros GPS GPS Red Up En redes multifrecuencia se puede Codificador distribución Adaptador Converter COFDM Implementar una función de adaptación de la tasa binaria en cada transmisor Controlar la tasa binaria del múltiplex de modo que iguale la tasa binaria del canal de GPS TX1 RF, controlar el múltiplex en función del modo Up de transmisión elegido GPS Codificador COFDM Converter Red En SFN la función de adaptación debe llevarse Adaptador distribución GPS TX2 a la entrada de la red de distribución Codificador Up Converter COFDM 42 REDES CODFM DE FRECUENCIA UNICA (SFN) (3) Es clave elegir bien el intervalo de guarda Condiciona la topología de la red, de él depende el retardo admisible Pueden combinarse el intervalo de guarda y los diferentes modos COFDM Esto impone muy severas condiciones al sincronismo en las redes SFN, en particular a la red de distribución H. Benoit, Television Digital, ed. Paraninfo 1998 43 REDES CODFM DE FRECUENCIA UNICA (SFN): RETARDOS Deben estar perfectamente controlados, respetando el sincronismo desde todos los transmisores hasta todos lo receptores. Los retardos se originan en Los transmisores, cada uno puede tener el suyo propio, y cada uno exige su propia compensación La red de distribución: Hay que buscar un modo de compensarlos La idea básica es tener time-stamp con una referencia común (GPS) Se insertan en la entrada de la red primaria y pueden servir incluso para controlar los retardos Estan normalizados en DVB-T y DAB Se definen mega tramas y los time-stamp se insertan en los MIP (Mega Frame Information packet) 44 REDES CODFM DE FRECUENCIA UNICA (SFN) PARA REDES SFN EXTENSAS (NACIONALES O REGIONALES) ES ADECUADO ESPECIALMENTE EL MODO 8K USA UN ESPACIADO PEQUEÑO ENTRE LAS PORTADORAS PUEDE SOPORTAR UN INTERVALO DE GUARDA MUY AMPLIO TOLERA MULTITRAYECTOS DE INCLUSO 0 dB SE ELIGE UN CODIGO ROBUSTO RC