INTRODUCCION

La modulación PSK se caracteriza porque la fase de la señal portadora representa cada símbolo

de información de la señal moduladora, con un valor angular que el modulador elige entre un

conjunto discreto de "n" valores posibles.

Un modulador PSK representa directamente la información mediante el valor absoluto de la fase de

la señal modulada, valor que el demodulador obtiene al comparar la fase de esta con la fase de la

portadora sin modular.

Diagrama de las formas de onda en PSK

La señal modulada resultante, responde a la expresión:

Donde:

=amplitud

=frecuencia

=tiempo

=representa cada uno de los valores posibles de la fase, tantos como estados tenga la señal

codificada en banda base multinivel.

Dependiendo del número de posibles fases a tomar, recibe diferentes denominaciones. Dado que

lo más común es codificar un número entero de bits por cada símbolo, el número de fases a tomar

es una potencia de dos. Así tendremos BPSK con 2 fases (equivalente aPAM), QPSK con 4 fases

(equivalente a QAM), 8-PSK con 8 fases y así sucesivamente. A mayor número de posibles fases,

mayor es la cantidad de información que se puede transmitir utilizando el mismo ancho de banda,

pero mayor es también su sensibilidad frente a ruidos e interferencias.

Las modulaciones BPSK y QPSK, derivadas de la modulación por desplazamiento de fase, son

óptimas desde el punto de vista de protección frente a errores. En esencia, la diferencia entre

distintos símbolos asociados a cada fase es máxima para la potencia y ancho de banda utilizados.

No pasa lo mismo con otras variantes tales como la PSK de 8 niveles (8-PSK), la de 16 (16-PSK) o

superiores, para las cuales existen otros esquemas de modulación digital más eficientes.

La gran ventaja de las modulaciones PSK es que la potencia de todos los símbolos es la misma,

por lo que se simplifica el diseño de los amplificadores y etapas receptoras lo que significa

reducción de costos, dado que la potencia de la fuente es constante.

Existen 2 alternativas de modulación PSK: PSK convencional, donde se tienen en cuenta los

desplazamientos de fase, y PSK diferencial (DPSK), en la cual se consideran las diferencias entre

un salto de fase y el anterior.

MARCO TEORICO

TRANSMISIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FASE CUATERNARIA (QPSK)

La transmisión por desplazamiento de fase cuaternaria (QPSK) o, en cuadratura PSK, como a

veces se le llama, es otra forma de modulación digital de modulación angular de amplitud

constante. La QPSK es una técnica de codificación M-ario, en donde M=4 (de ahí el nombre de

“cuaternaria”, que significa “4”). Con QPSK son posibles cuatro fases de salida, para una sola

frecuencia de la portadora. Debido a que hay cuatro fases de salida diferentes, tiene que haber

cuatro condiciones de entrada diferentes. Ya que la entrada digital a un modulador de QPSK es

una señal binaria (base 2), para producir cuatro condiciones diferentes de entrada, se necesita más

de un solo bit de entrada. Con 2 bits, hay cuatro posibles condiciones: 00, 01, 10 y 11. En

consecuencia, con QPSK, los datos de entrada binarios se combinan en grupos de 2 bits llamados

dibits. Cada código dibit genera una de las cuatro fases de entrada posibles. Por tanto, para cada

dibit de 2 bits introducidos al modulador, ocurre un sola cambio de salida. Así que, la razón de

cambio en la salida es la mitad de la razón de bit de entrada.

Transmisor de QPSK

En la figura 8 se muestra un diagrama a bloques de un modulador de QPSK. Dos bits (un dibit) se

introducen al derivador de bits. Después que ambos bits han sido introducidos, en forma serial,

salen simultáneamente en forma paralela. Un bit se dirige al canal I y el otro al canal Q. El bit I

modula una portadora que está en fase con el oscilador de referencia (de ahí el nombre de “I” para

el canal “en fase”), y el bit Q modula una portadora que está 90° fuera de fase o en cuadratura con

la portadora de referencia (de ahí el nombre de “Q” para el canal de “cuadratura”).

Puede verse que una vez que un dibit ha sido derivado en los canales I y Q, la operación es igual

que en el modulador de BPSK. En esencia, un modulador de QPSK son dos moduladores, de

BPSK, combinados en paralelo.

En la figura 9 puede verse que, con QPSK, cada una de las cuatro posibles fases de salida tiene,

exactamente, la misma amplitud. En consecuencia, la información binaria tiene que ser codificada

por completo en la fase de la señal de salida.

Consideraciones de ancho de banda para el QPSK

Con QPSK, ya que los datos de entrada se dividen en dos canales, la tasa de bits en el canal I, o

en el canal Q, es igual a la mitad de la tasa de datos de entrada (f b/2). En consecuencia, la

frecuencia fundamental, más alta, presente en la entrada de datos al modulador balanceado, I o Q,

es igual a un cuarto de la tasa de datos de entrada (la mitad de f b/2: f b/4). Como resultado, la

salida de los moduladores balanceados, I y Q, requiere de un mínimo ancho de banda de Nyquist

de doble lado, igual a la mitad de la tasa de bits que están entrando.

f N = 2(f b/4) = f b/2 (7)

Por tanto con QPSK, se realiza una compresión de ancho de banda (el ancho de banda mínimo es

menor a la tasa de bits que están entrando).

Receptor de QPSK

El diagrama a bloques de un receptor QPSK se muestra en la figura 10. El derivador de potencia

dirige la señal QPSK de entrada a los detectores de producto, I y Q, y al circuito de recuperación

de la portadora. El circuito de recuperación de la portadora reproduce la señal original del

modulador de la portadora de transmisión. La portadora recuperada tiene que ser coherente, en

frecuencia y fase, con la portadora de referencia transmisora. La señal QPSK se demodula en los

detectores de producto, I y Q, que generan los bits de datos, I y Q, originales. Las salidas de los

detectores de productos alimentan al circuito para combinar bits, donde se convierten de canales

de datos, I y Q, paralelos a un solo flujo de datos de salida binarios.

MARCO PRÁCTICO

TELEVICION DIGITAL SATELITAL

El método de modulación seleccionado para el DVB-S fue el de Cuadratura de Fase (QPSK:

Quadrature Phase Shift Keying). Durante algún tiempo también se consideró el uso de modulación

8-PSK en lugar de QPSK para aumentar la tasa de datos. En principio, la transmisión satelital

requiere de un método de modulación que sea relativamente inmune al ruido y, al mismo tiempo

ser capaz de manejar severas no-linealidades. Debido a la inmensa distancia de 36.000 Km entre

el satélite y la antena receptora, la transmisión satelital está sujeta a severas interferencias de ruido

causadas por la atenuación de espacio-libre de aproximadamente 205 dB. El elemento activo en un

transpondedor satelital es un amplificador valvular de onda progresiva (TWA: Traveling Wave tube

Amplifier) que presenta no-linealidades severas en su característica de amplificación. No es posible

compensar estas nolinealidadesya que implicarían una disminución en la eficiencia de la energía.

Durante la luz del día, las celdas solares proporcionan la energía a la electrónica del satélite y

cargan las baterías. Durante la noche, la energía para la electrónica proviene exclusivamente de

las baterías auxiliares. Por consiguiente, si se tienen fuertes no-linealidades, no debería haber

ninguna información en la amplitud de la señal modulada.

En ambos tipos, QPSK y 8PSK, el contenido de la información está exclusivamente en la fase.

También, por esta razón, en la transmisión satelital de TV analógica se usó la modulación de

frecuencia en lugar de la modulación de amplitud.

Un canal satelital de un satélite de radiodifusión directa normalmente tiene una anchura de 26 a 36

MHz (por ejemplo 33 MHz en el Astra 1F, 36 MHz en el Eutelsat Hot Bird 2), la transmisión hacia

satélite está en la banda de 14 a 19 GHz y la bajada en 11 a 13 GHz. Por consiguiente es

necesario seleccionar una Tasa de Símbolo que produzca un espectro que sea más estrecho que

el ancho de banda del transpondedor. Por esta razón, la tasa de símbolos seleccionada es a

menudo 27,5 MS/s. Como la QPSK permite la transmisión de de 2 bits por símbolo, se obtiene una

tasa bruta de datos de 55 Mb/s.

tasa_bruta_de_datos = 2 bits/símbolo × 27,5 MS/s = 55 Mb/s;

Sin embargo, el Flujo de Transporte del MPEG-2 a ser enviado

Un esquema del mecanismo de distribución de señales de TV Satélite:

MODULACIÓN QPSK:

La principal limitación de las comunicaciones satélite es la distancia, por el que es necesario

utilizar una modulación que no utilice la modulación en amplitud de su portadora. La modulación

escogida en este caso es QPSK, dónde se modula en fase una única portadora.

Es el proceso final, necesario para poder transmitir la señal en canales concretos. Se trata de

una modulación de amplitud constante, cuya información va incluida en la fase, muy robusta

frente a ruidos atmosféricos. Además tiene una eficiencia espectral alta y ocupa un ancho de

banda reducido. Todas estas características la hacen especialmente adecuada para la

transmisión de señal vía satélite, con su alta atenuación y bajo nivel de potencia en el receptor.

En recepción se realizan los pasos inversos que en transmisión.

EJEMPLO

La modulación QPSK se basa en la utilización de dos portadoras (de la misma frecuencia pero

desfasadas 90º) que son moduladas por dos señales digitales. Como que la frecuencia de las dos

portadoras es la misma, realmente se trata de una única portadora.

La constelación de las señales QPSK es la que se muestra a la figura.

Estos tipos de modulación, dónde la información viaja en la fase de la señal, presentan una fuerte

robustez frente de las atenuaciones.

CODIFICACION DE FUENTE

La codificación de fuente de audio y vídeo se hace siguiendo el estándar MPEG-2. En ambos

casos se elimina la redundancia de dichas señales para obtener unas tasas binarias razonables

para la transmisión, ya que sin esta compresión se ocuparía unos anchos de banda inabordables.

Los estándares MPEG realizan una compresión de la señal con pérdidas. Es decir, hay una gran

disminución de la tasa binaria, necesaria para el almacenamiento y transmisión de la información,

pero se consigue a cambio de una degradación objetiva de la calidad de la señal tras su

decodificación.

El objetivo de esta técnica de codificación es optimizar la calidad de la señal final para una tasa fija

requerida. Para ello se basa en criterios estadísticos.

Cabe destacar que el grado de degradación de la señal dependerá de su complejidad y de la

sofisticación de la técnica de compresión. Es decir, se comprime más o menos en función de los

requerimientos de calidad buscados.

CODIFICADOR DE VITERBI

Código estándar de corrección de errores utilizado para corregir bits corruptos en el receptor. La

codificación Viterbi añade bits extra a la cadena de bits cerrada.

En DVB-S se añade un mecanismo de corrección contra errores basado en un código

convolucional. Un código convolucional 1/2 quiere decir que de cada bit de entrada al codificador,

salen dos (redundancia del 50%). En recepción, el descodificador convolucional se basará en el

algoritmo de Viterbi.

Este tipo de codificación es muy adecuado para situaciones en las que la relación C/N es baja, y

se adapta a diversos parámetros de la transmisión, introduciendo más o menos redundancia en

función de las características particulares de cada enlace. El código obtenido se denomina

convolucional. Por ejemplo, en la situación más crítica se duplica el régimen binario de la señal (se

aplica un código ½: 2 bytes de salida por cada uno de entrada), pero esto hace que la eficiencia

espectral se reduzca a la mitad, ya que sólo la mitad de los bytes transmitidos contienen

información. Para situaciones mejores se pueden realizar perforaciones del código, es decir,

reducir la redundancia enviando sólo parte de los bytes obtenidos a la salida del codificador

convolucional: se obtienen relaciones 2/3, ¾, 5/6 o 7/8, con menor protección de la señal.

Este sistema se puede adecuar a otros códigos: 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. La manera de especificar las

características del codificador de Viterbi es mediante el FEC (Forward Error Correction). Por

ejemplo, un FEC de 3/4.

El codificador de Viterbi, a diferencia del codificador Reed-Solomon, garantiza protección a nivel de

bit.

FILTRADO ROLL OFF

El “mapeado” es seguido por un filtrado digital para que el espectro “caiga” suavemente hacia los

canales adyacentes. Esto limita el ancho de banda de la señal y al mismo tiempo optimiza el patrón

de ojo de la señal de datos.

En DVB-S, el filtrado digital se lleva a cabo con un “factor de caída” r = 0,35. La señal cae con un

perfil tipo raíz del coseno cuadrado dentro de la banda de frecuencias. La forma de coseno

cuadrado del espectro requerida sólo se produce combinando el filtro de salida del transmisor con

el filtro del receptor porque ambos filtros exhiben el perfil de raíz del coseno cuadrado.

El factor de caída describe la pendiente del filtro digital y está definido como r = Δf/fN. Después del

filtrado digital, la señal es modulada en QPSK en el modulador IQ, convertida a RF a la frecuencia

de subida al satélite y que, después de la amplificación de potencia, alimenta a la antena de la

estación satelital. Es luego subida al satélite en la banda de los 14 a 17 GHz.