1. INTRODUCCIÓN Durante las últimas décadas, el crecimiento de la Internet ha creado la necesidad de un mayor procesamiento de datos en las redes de comunicación. En el proceso aumentar las tasas de transmisión de datos, nuevas tecnologías como el acceso inalámbrico fijo, los satélites de banda ancha, y los módems de cable coaxial, etc., se han considerado para abordar este problema. Otra posible solución que surgió fue la de utilizar la red telefónica básica existente, pero con una familia de tecnologías de línea de abonado digital conocidas como xDSL. XDSL es un término genérico para la gran variedad de tecnologías pertenecientes a DSL (Digital Subscriber Line). DSL (Línea Digital de Suscriptor) se refiere a la tecnología usada entre el cliente y la compañía telefónica, habilitando un mayor ancho de banda de transmisión sobre las ya existentes convencionales líneas telefónicas de cobre. Las tecnologías xDSL convierten las líneas analógicas convencionales en digitales de alta velocidad, con las que es posible ofrecer servicios de banda ancha en el domicilio de los abonados, similares a los de las redes de cable o las inalámbricas, aprovechando los pares de cobre existentes, siempre que estos reúnan un mínimo de requisitos en cuanto a la calidad del circuito y distancia [1]. En comparación con las otras soluciones para aumentar la tasa de transmisión de datos, xDSL es más práctico y rentable. Se ha estimado que hay 790 millones de bucles de cobre instalados en el mundo, y esta infraestructura de cobre representa uno de los activos dominantes poseídos por varias compañías de telecomunicaciones. Por lo tanto, es de gran ayuda reutilizar estas redes en cuanto sea posible para eliminar costos en nuevas estructuraciones físicas y aprovechar los recursos con los que cuentan las empresas de telecomunicaciones. El término xDSL abarca línea de abonado digital (DSL), de alta velocidad DSL (HDSL), DSL asimétrica (ADSL), y de muy alta velocidad DSL (VDSL). Los módems que utilizan tecnologías xDSL difieren drásticamente de los módems tradicionales de voz en términos de ancho de banda utilizado y, por ende, el rendimiento de transmisión. Los módems de voz típicos están limitados a frecuencias que van desde 300 Hz a 3.4 kHz, mientras que los módems xDSL utilizan un canal de ancho de banda de hasta 30MHz. Como resultado de ello, módems ADSL, por ejemplo, pueden funcionar a hasta 8 Mbps, dependiendo de la longitud de los cables de transmisión, mientras que las últimas generaciones de módem de voz únicamente pueden alcanzar velocidades de 56Kbps.
Todas las señales que envían a través de pares de cable convencional de líneas telefónicas están sujetas a la atenuación, la dispersión y al ruido eléctrico. Las atenuaciones de línea y algunas formas de ruido aumentan con frecuencia. En consecuencia, consecuencia, la alta tasa de transmisión de los sistemas digitales modernos requiere de técnicas de modulación eficientes espectralmente espectralmente [2].
Algunas de las técnicas eficientes que se utilizan para la transmisión de datos para xDSL son la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y la modulación de amplitud de pulso (PAM), entre otros códigos de línea que se han propuesto. Dentro de estos se encuentra la modulación por múltiples tonos discretos (DMT), una línea de código multifrecuencial que ha sido adoptado por el estándar ANSI ADSL, y la modulación en amplitud y fase con portadora suprimida o CAP, un código de línea de única frecuencia. DMT utiliza un esquema de multiplexado por división de frecuencia (FDM), en donde el canal total de transmisión se divide en muchos subcanales paralelos independientes sobre los que se hace la transmisión de datos. En cambio, el estándar 2-D CAP (Modulación en amplitud y fase con portadora suprimida en dos dimensiones) puede considerarse como una forma especial de QAM, pero sin portadora, tema del cual se va a tratar en este trabajo. Con la velocidad de transmisión de datos que las tecnologías xDSL han traído a las comunicaciones actuales se puede disponer de una gran cantidad de servicios. Entre ellos, podemos tener acceso remoto a la red de área local (LAN), un acceso rápido a Internet y bases de datos multimedia, compras desde el hogar a través de Internet, televisión y vídeo bajo demanda. Todos estos servicios pueden estar disponibles a través de simples cables telefónicos. De hecho, estas nuevas tecnologías tienen el potencial de mejorar significativamente el acceso a nuestra información y por lo tanto mejorar nuestras vidas.
2. MODULACION MPSK Codificación M-aria
M-ario es un término derivado de la palabra “binario”. La M es sólo un dígito que representa el número de condiciones posibles. Las dos técnicas para modulación digital que se han analizado hasta ahora (FSK binario y BPSK), son sistemas binarios; sólo hay dos condiciones posibles de salida. Una representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico; por tanto, son sistemas M-ario donde M = 2. Con la modulación digital, con frecuencia es ventajoso codificar a un nivel más alto que el binario. Por ejemplo, un sistema de PSK, con cuatro posibles fases de salida, es un sistema M-ario en donde M = 4. Si hubiera ocho posibles fases de salida, M = 8, etcétera. La cantidad de condiciones de salida se calculan con la siguiente ecuación
En donde N = cantidad de bits codificados M = número de condiciones de salida posibles con N bits Con la BPSK, cada bit de entrada también actúa en forma independiente sobre la portadora y en consecuencia, N = 1.
La cantidad de condiciones posibles de salida para diversos valores de N se muestran en la siguiente tabla.
N
M
1
2
2
4
3
8
4
16
5
32
3. RECUPERACION DE RELOJ
Como con cualquier sistema digital, el radio digital requiere de un tiempo preciso o de sincronización de reloj, entre los circuitos de transmisión y recepción. Debido a esto, es necesario regenerar los relojes en el receptor que están sincronizados con los del transmisor.
La figura 1 a muestra un circuito sencillo que se utiliza casi siempre para recuperar información del reloj de los datos recibidos. Los datos recuperados se retardan por la mitad de tiempo de bit y luego se comparan con los datos originales en un circuito XOR. La frecuencia del reloj que se recupera con este método es igual a la tasa de datos recibidos (f b).
Figura 1.
Modulación MPSK: En este caso el tren de datos se divide en grupos de M bits , llamados M-bits, codificando cada salto de fase con relación a la fase del tribit que lo precede. La expresión de la señal modulada DPSK responde a la expresión:
Donde:
Ap= Amplitud
f =frecuencia
t=tiempo
A0=La fase de la señal modulada. El salto de fase A0 representa cada uno de los n estados que puede adoptar una señal moduladora cuando se codifica en banda base multinivel.
La fase A0 de la señal modulada anterior, es el valor angular de la fase del último elemento de señal que se acaba d transmitir.
Modulación MPSK (Multi-PSK) En este sistema la fase de la señal portadora puede tomar secuencialmente N valores posibles separados entre sí por un ángulo definido por
Este es un caso de transmisión multinivel, donde la portadora tomará los N valores posibles de acuerdo a los niveles de amplitud de la señal moduladora. Dado que la cadencia de una transmisión de datos binarios está dada por la cantidad de veces que una señal cambia de nivel, observaremos como podemos enviar dos unidades de información (dos bits), mediante un solo cambo de nivel.
Tengamos la siguiente secuencia de bits
Si a los bits de la cadena de información los tomamos de a dos, tendremos 10 | 11 | 01 | 00 | 10 | 01 O sea que al tomar los bits de a dos de una señal binaria unipolar, hay solo cuatro combinaciones a la cuales se las denomina dibits.
00 01 10 11 Si a cada par de bits, le asignamos diferentes niveles o amplitudes de señal, se obtiene la siguiente tabla.
Dibit Nivel Asignado 00 01 10 11
0 1 2 3
Los cuales se pueden representar de la siguiente manera
A los pulsos de las señales multinivel se los denomina dibits, puesto que en cada uno de ellos se envían dos bits. En forma similar se pueden obtener tribits, cuadribits, etc. Este tipo de señales son las que se emplean en MPSK. Para el caso particular de N = 4, se tiene 4PSK o QPSK.
Como la señal portadora toma 4 valores posibles, se deberán producir 4 desplazamientos de fase que nos proveerán 4 fases distintas, correspondiendo cada uno de ellos a un dibit diferente. Para este caso, gráficamente tendremos los siguientes desplazamientos de fase:
Si recordamos que la velocidad de transmisión V t está dada por
Al aumentar N estamos incrementando la velocidad de transmisión para el mismo ancho de banda, puesto que no hemos aumentado la velocidad de modulación. Por otra parte el periodo de un dibit será el doble del periodo de un bit, o sea Tdibit = 2 Tbit De donde se deduce que el ancho de banda para cada caso será
En consecuencia para la misma velocidad de transmisión V t cuando se transmiten dibits, se requerirá la mitad del ancho de banda que para la transmisión de los bitts individuales. En el sistema 4PSK las señales son más sensibles a los efectos de interferencias y ello provoca un aumento en la tasa d error. Si se desea transmitir 4PSK con la misma tasa de error que en 2PSK, se debe aumentar en 3dB la relación señal ruido.
Modulación MPSK (múltiple diferencial) Agrupa los bits de tres en tres (n=8)
Ej: Modem V.27 Transmisión de datos a 4800 bps duplex de forma síncrona sobre líneas a 4 hilos de calidad especial (M.1020). Utiliza MPSK. Vm=1600 baudios (4800/3).
CAP: Carrierless Amplitude/Phase (Modulación por amplitud de fase sin portadora).
4. ANTECEDENTES DE LA MODULACIÓN CAP
El sistema de modulación en Amplitud y fase con portadora suprimida CAP (Carrierless Amplitude and Fase) tiene su origen los laboratorios AT&T de la Bell. A mediados de los años 1970, investigadores e ingenieros comenzaron a experimentar con los sistemas transceptores CAP. La palabra "CAP" fue acogida por primera vez por D. D. Falconer en un memorándum de la Bell Lab en 1975.
En el reciente desarrollo de las tecnologías xDSL, el CAP es relativamente desconocido para la ingeniería y la investigación, pues hay muy poca información de este tipo de sistemas que se ven opacados con el DMT por su masificación en la tecnología ADSL. Sin embargo, los códigos de línea del CAP se han propuesto para los algunos sistemas xDSL. El CAP-16 fue aprobado por el Technical Committee of the Asynchronous Transfer Mode ATM (Comité Técnico del modo de transferencia asíncrono) para la transmisión de datos a una velocidad de 51.48 Mbps sobre 100 metros de cable de cobre UTP-3 1.
UTP unshielded twisted pair (Par Trenzado sin blindaje)
5. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA CAP
La modulación CAP se considera generalmente como un código de línea pasabanda bidimensional de ancho de banda eficaz. Está estrechamente relacionado con los esquemas de modulación por amplitud de pulso (PAM) y de modulación de amplitud por cuadratura (QAM). Para explicar la operación de este sistema, se muestra a continuación el diagrama de bloques general de un transceptor CAP.
Figura 5.1: Diagrama general de un sistema CAP. (a) Transmisor. (b) Receptor
Esta es una breve explicación del funcionamiento del transmisor que se muestra en la Figura 5.1 (a). Una señal de datos binaria de entrada se asigna en dos pulsos multinivel o flujo de símbolos {a k} y {bk} por medio del codificador. Cada flujo de símbolos pasa a través de un filtro pasabanda. La configuración de los filtros se hace de tal manera que sus respuestas al impulso sean ortogonales entre sí. Por esta razón, los filtros son llamados de fase de entrada (in-fase I) y cuadratura (quadrature Q), respectivamente. Las señales correspondientes a la salida, que ahora se llamaran I y Q, se suman para después ser transmitidas. El receptor de CAP que se ve en la Figura 5.1 (b), el proceso inverso al anterior tiene lugar. La señal recibida pasa a través de un par de filtros receptores que también están diseñados para que sus respuestas al impulso sean ortogonales entre sí. Teniendo en cuenta que el canal de ruido auditivo Gaussiano (AWGN) es ideal, es decir no hay pérdidas ni ruido en la señal transmitida, se puede decir que los filtros óptimos para la recepción de la señal son los mismos que corresponden a los que se utilizan para transmitirla, cosa que en la realidad no sucede. Los muestreadores de la tasa de baudios antes del codificador se utilizan para separar las señales I y Q. los símbolos estimados {ak} y {bk} provenientes de los muestreadores, son decodificados para recuperar la información binaria transmitida. A continuación se mostrara más detalladamente cada uno de los bloques principales del modulador CAP para entender mejor cada uno de ellos y tener algunas bases para el diseño de estos.
5.1. Codificación y decodificación
Los sistemas de codificación en comunicaciones cumplen básicamente con la función de aumentar la capacidad de transmisión de señales evitando a toda costa el aumento del ancho de banda para transmitir dicha señal. El sistema de modulación CAP se basa fundamentalmente en la codificación multinivel y en la codificación por cuadratura, utilizando un mapeo bidimensional independiente. El mapeo bidimensional independiente se realiza de la siguiente manera: • Se realiza una codificación por asignación unidimensional derivada del sistema PAM en donde para un bloque de b bits se requieren p = 2 fcniveles de símbolos diferentes. Como ejemplo, si se utiliza el sistema 16-CAP que se muestra en la Figura 5.2 el número de niveles seria de 16 con bloques de b=4bits
•
Para el caso de 16-CAP los bloques de 4 bits son codificados en dos flujos de símbolos independientes. Los primeros dos bits de cada bloque son asignados al símbolo ak y los otros dos bits son asignados al Símbolo b k.
•
Después el codificador genera flujos de símbolos {a k} y {bk} cada uno con 4 niveles diferentes de amplitud ±1 y ±3.
En términos matemáticos para explicar mejor el procedimiento anterior, se puede asumir que los símbolos resultantes de este mapeo son números complejos que pueden representarse de la forma:
c k = (±1, ±3)ak + (±1, ±3)jbk (3.1)
donde a es la componente en fase y b es la componente en cuadratura. Este tipo de codificación es usado en los sistemas de modulación QAM y es en el tipo de codificación que se asemejan QAM y CAP [4].
Figura 5.2: Constelación de un sistema 16-CAP y 16-QAM
Conociendo que la codificación tanto para QAM como para CAP manejan las mismas constelaciones y por ser QAM más común que CAP, se encontraron los siguientes diagramas de constelaciones QAM estandarizados por la ANSI 2, en donde las etiquetas de los puntos son números decimales correspondientes a los bits que serán mapeados y transmitidos y b es el tamaño del bloque de bits. El verdadero mapeo de una señale CAP o QAM se hace a través de estas constelaciones.
Figura 5.3: Constelaciones para QAM estandarizadas por la ANSI [5]
6. SIMULACION SISTEMA DE MODULACION CAP
7. CONCLUSIONES
Para transmitir un mensaje a través de un canal, es preciso adaptarlo a las características de éste. Se requiere un proceso previo de codificación de la información y el empleo de un código.
El método de codificación de línea que se use determina el ancho de banda mínimo necesario para la transmisión, la facilidad con la que se puede extraer el reloj de ella, la facilidad de decodificarla, el nivel promedio cd, y si cuenta con un método para extraer errores.
Los niveles más altos de modulación requieren de una mayor relación de la densidad de potencia de energía por bit a ruido, para reducir el efecto de la interferencia de ruido.
Ventajas del sistema CAP
El sistema CAP es generalmente conocido por ser un código de línea pasabanda de ancho de banda eficiente y por estar estrechamente relacionado con los sistemas PAM y QAM. Uno de los aspectos clave importantes del CAP, es que es un sistema que tiene el mejor rendimiento posible a pesar de la baja complejidad para la implementación de los codificadores y decodificadores del transceptor. La eficiencia en ancho de banda comparada con las de otros sistemas de codificación para transmisión digital es mayor en parte por su codificación multinivel.
8. Bibliografía
http://www.matpic.com/MATLAB/MATLAB_CODIGOS_DE_LINEA.html http://winsock1.iespana.es/web_tele/teleco/telecom/frame64.htm http://www.eie.fceia.unr.edu.ar/ftp/Comunicaciones/ModDig.pdf http://www.electronicafacil.net/tutoriales/MODULACION-DIGITAL-FSK-PSKQAM.php Tomasi. Sistemas de comunicaciones electrónicas cuarta edición METODOS DE MODULACION DIGITAL http://gemini.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/us m/ci/1502sm.pdf
