Implementación de un modulador QAM Rafael Enrique Castro Salcedo

I. INTRODUCCIÓN

En inglés significa

Quadrature Amplitude Modulation (QAM), la cual es una modulación digital avanzada que transporta datos cambiando la amplitud de dos ondas portadoras. Estas dos ondas, generalmente senoidales, están desfasadas entre si 90° en las cuales, una onda es la portadora y la otra es la señal de datos. Se utiliza para la transmisión de datos a alta velocidad por canales con ancho de banda restringido. Se asocian gran cantidad de aplicaciones a ella:

Modems superiores a 2400 bps.

Multitud de sistemas de transmisión de televisión, microondas, satélite, etc.

En la modulación TCM.

Modems ADSL.

II.OBJETIVOS

A. Objetivo general:

Proponer un diseño para un modulador QAM para ser montado como proyecto final de comunicaciones digitales.

B. Objetivos específicos:

• Identificar diferentes modelos de implementación de moduladores QAM.

• Establecer una comparación entre estos modelos.• Evaluar la posible implementación de uno de estos

modelos.

Rafael Enrique Castro Salcedo. Cód.: 701463 recastro63@ucatolica.edu.co, estudiante Facultad de Ingeniería,

Universidad Católica de Colombia.

III.R

E

P

A

S

O

DE CONCEPTOS.

La señalización de portadora en cuadratura, como se muestra en la siguiente figura, se conoce como modulación en amplitud en cuadratura (Q.A.M. por sus siglas en inglés).

Figura 1: modulador para una constelación de señal generalizada

Figura 2: modulador para una constelación de señal rectangular

En general para las constelaciones Q.A.M. no se restringen a tener puntos se señalización permitidos solo en un círculo (de radio Ac, como es el caso para MPSK). La señal Q.A.M. general es:

s(t)=x(t) cos〖wt-〗 y(t) senwtDondeg(t)=x(t)+j y(t)=R(t) e^(jθ(t))

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RESUMEN

Como proyecto final, necesitamos construir un modulador QAM, el cual requiere tiempo de investigación, búsqueda de métodos para obtenerlo, entre otros temas requeridos. En este informe se busca dar los conceptos preliminares, métodos, ventajas y desventajas de modulación por cuadratura.

Palabras Clave—QAM, modulación, métodos, propuesta.

“Implementación de un modulador QAM” Segundo informe.

Rafael Enrique Castro Salcedo.

(05 de octubre de 2012)

Implementación de un modulador QAM Rafael Enrique Castro Salcedo

Una constelación popular para Q.A.M. de 16 símbolos (M=16 niveles) se muestran en la siguiente figura, donde la relación entre (Ri, Xi) y (Xi, Yi) puede avaluarse fácilmente para cada uno de los 16 valores de la señal permitidos. Este tipo de señalización se utiliza en los módems para computadora de 2400 bits por segundo. En este caso, se le permite a Xi y a Yi tener cuatro niveles por dimensión cada uno. Esta señal Q.A.M. de 16 símbolos se puede generar mediante dos convertidores digital a analógicos de bits y moduladores balaceados o simétricos en cuadratura.

Figura 3: Gráfica de la constelación Q.A.M. de 16 símbolos (4 niveles – dimensión)

IV. ALTERNATIVAS DE IMPLEMENTACIÓN.

A. Implementación Q.A.M. mediante circuitos integrados

Después de buscar sobre los circuitos integrados moduladores Q.A.M. existentes, en la página de hojas de datos de circuitos integrados “datasheetcatalog.com”, se encontraron los siguientes resultados; así:

No

Nombre Descripción Fabricante

1. AD9853 Programmable Digital QPSK/16-QAM Modulator

AnalogDevices

2. AD9853-45PCB

Programmable Digital QPSK/16-QAM Modulator

AnalogDevices

3. AD9853-65PCB

Programmable Digital QPSK/16-QAM Modulator

AnalogDevices

4. AD9853AS Programmable Digital OPSK/16-QAM Modulator

AnalogDevices

5. BCM3034 Universal 1024-QAM Modulator BroadcomTabla 1. Datos de los moduladores de Q.A.M. consultados

B. Implementación Q.A.M. mediante microcontrolador

El QAM mediante un microcontrolador, se necesita hacer un programa; ya sea en lenguaje ensamblador o en C, el cual realiza la modulación de una señal digital, donde los datos de entrada son analizados y se calcula el valor del ángulo, los valores del seno, se normalizan estos valores de punto flotante para convertirlos a valores de 8 bits que serán enviados a un convertidor digital – análogo y este genera valores pequeños

de corriente negativa, por lo que es necesario un amplificador operacional para invertir la señal y convertir esos valores de corriente a valores de voltaje y por consiguiente se genera la señal analógica a partir de datos digitales. Entre estos microcontroladores se destacan los DSPic de Microchip, los que usan arquitecturaAVR fabricados por varios proveedores, los Freescale, entre otros.

C. Implementación Q.A.M. a través de SIMULINK.

Con Simulink, es necesario utilizar la herramienta “Rectangular QAM Modulator Baseband” y “Rectangular Demodulator Baseband” para recibir enteros positivos o trama de bits, “AWGN Channel” para simular el canal de transmisión, “Discrere Time Scatter Plot Scope” para obtener diagrama de constelación de las señales demoduladoras.

D. Implementación Q.A.M. a través de MATLAB.

Para esta alternativa, es necesario realizar un diseño de filtros pasabanda y utilizar comandos específicos como qammod (X, M), donde X es señal de la salida de la función envolvente compleja al ser modulada utilizando modulación QAM y M es la cantidad de niveles de cuantificación de la señal, la cual debe estar dada en valores enteros positivos en potencia de 2. La señal obtenida es una constelación de forma rectangular o en cruz. “ini_phase” especifíca en radianes la fase inicial de la señal modulada.

E. Implementación Q.A.M a través de FPGA.

Mediante FPGA, deben sincronizarse los bits de datos introducidos en forma serial, en busca de que estos sean recibidos por el divisor de datos, el cual permite su agrupación de N bits, en la entrada del modulador N-QAM y su posterior separación hacia los canales I y Q.

Figura 4: FPGA Xilinx, con facultades para trabajar QAM.

V. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS.

A. Implementación Q.A.M. mediante circuitos integrados

Se fabrican exclusivamente para funcionar con el QAM, pero su consecución en Colombia muchas veces no es fácil

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hallar dichos componentes en el mercado, además que necesitan filtros, haciendo que su implementación sea más difícil.

B. Implementación Q.A.M. mediante microcontrolador

Los estudiantes de la Universidad Católica de Colombia Conocemos microcontroladores de gama baja y en ocasiones gama media. Los circuitos se pueden implementar rápido aunque su ajuste requiere trabajo adicional, aunque esto se mitiga gracias a la gran cantidad de compiladores y lenguajes disponibles para este sistema.

C. Implementación Q.A.M. a través de SIMULINK y MATLAB.

El conocimiento de estas poderosas herramientas de matemáticas, además de su interfaz con hardware ajustado a las necesidades de las aplicaciones, hacen que sea una buena alternativa para su implementación; pero en ocasiones dichos elementos no son fáciles de encontrar.

D. Implementación Q.A.M a través de FPGA.

El inconveniente con estos sistemas, a pesar de su alta efectividad para implementar sistemas complejos, es su alto costo y poca disponibilidad en nuestro mercado.

VI. PROPUESTA PARA EL PROYECTO.

Para el desarrollo del proyecto final, se ha considerado cada limitante de los diferentes sistemas y sus ventajas tales como acceso, facilidad de trabajo, etc.

Se propone un sistema con microcontrolador de gama baja o media; provisto de un algoritmo 16QAM, es decir que maneje senos, cosenos y corrimientos de fase para los 16 cambios de bits que vayan a ser transmitidos, a su salida se conecta un Conversor Digital Análogo (DAC) de 8 bits para que se presente buena resolución y que la onda se aprecie mejor; para reforzar dicha señal en potencia. Para que se pueda enviar un carácter ASCII se envía en dos nibbles (00 a FF) los cuales pueden ser generados por una PC conectada al microcontrolador vía puerto serial.

Figura 5. Propuesta para el proyecto final (Diagrama de bloques).

VII. DETALLE DE LA PROPUESTA.

A. Microcontrolador.

Se utilizará PIC16F877A de Microchip; con el Módulo USART para comunicarse con el PC (Puerto C pines 6 y 7); Comunicación con DAC por puerto B pines 0-7, programado en lenguaje C, ya que se necesita librería “math.h” para el cálculo del QAM. Oscilador a 20MHz.

B. Conversor Digital Análogo (DAC).

Se implementará el DAC0808 gracias a su fácil interfaz con el Microcontrolador, se debe conectar a VDD y VSS para su correcto funcionamiento.

C. Amplificador Operacional (OPAMP).

Para el amplificador operacional se ha considerado uno que posea alta inmunidad al ruido, que se acople al DAC y que la señal QAM obtenida sea aplicable de manera fácil a una línea de transmisión.

D. Computador Personal (PC).

Se debe usar un programa en Visual Studio con transmisión de datos por puerto serial, para que se pueda enviar el carácter ASCII que se desee modular en 16QAM, este programa incluye envío de carácter.

E. Firmware de Microcontrolador.

Para que este sistema trabaje, el firmware del uC, debe hacer las siguientes tareas:

Capturar Carácter de 16 bits. Dividir en dos nibbles. Parte alta del nibble 1, se debe pasar a componente

coseno. Parte baja del nibble 1, se debe pasar a componente

seno. Por medio de tabla en el firmware, enviar a puerto B

el valor obtenido en nibble 1. Parte alta del nibble 2, se debe pasar a componente

coseno. Parte baja del nibble 2, se debe pasar a componente

seno. Por medio de tabla en el firmware, enviar a puerto B

el valor obtenido en nibble 2. Retorno a capturar más valores.

VIII.CONCLUSIONES

La documentación de un modulador QAM es abundante en cuanto al aspecto teórico, pero para un modelo práctico, esta es escasa, además de difusa. Aunque se encuentren sistemas embebidos para su implementación, su adquisición en el

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mercado local es difícil. Otras alternativas de implementación como FPGA’s resultan bastante costosas, por lo tanto se tiene que recurrir a los sistemas que se tienen más a la mano; pero en la disciplina de su construcción y desarrollo se obtendrán buenos resultados

IX. REFERENCIAS

[1] http://www.adslfaqs.com.ar/que-es-qam/ .

[2] http://www.cinit.org.mx/articulo.php?idArticulo=10

[3] http://sites.google.com/site/tecnologiadevenezuela/proyecto/modulador- 8-qam

[4] http://revistas.concytec.gob.pe/pdf/mc/v2n2/a03v2n2.pdf

[5] Wayne y Tomasi. Introducción a las Comunicaciones Electrónicas.

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