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Intercalamento Temporal com Transformada de Fourier para Modulação OFDM Uma Técnica Inovadora para Transmissão de Sinais com aplicações em TV Digital de.

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1 Intercalamento Temporal com Transformada de Fourier para Modulação OFDM Uma Técnica Inovadora para Transmissão de Sinais com aplicações em TV Digital de Alta Definição Guido Stolfi LCS - EPUSP – 06 / / 72

2 Estrutura da Apresentação Introdução e Motivações O sistema OFDM O sistema ISDB-T Descrição do Sistema FTI-OFDM Simulações com sinais similares ao ISDB-T Simulações de um Sistema Ternário de alta robustez Conclusões 2 / 72

3 Introdução: SBTVD (Sistema Brasileiro de TV Digital) Projeto FINEP (Mackenzie / LCS): –Desenvolvimento de Protótipo de Modulador OFDM padrão ISDB-T –Protótipos de Sintonizadores e Demoduladores –Testes de Desempenho –Aperfeiçoamentos sobre o padrão ISDB-T 3 / 72

4 Modulação OFDM (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing) Espaçamento 1 / T U K portadoras independentes Banda total ocupada Banda de cada portadora ff TUTU TSTS Modulação de cada portadora 4 / 72

5 Espectro do OFDM (Após Supressão do Intervalo de Guarda) Espaçamento 1 / T U f TUTU TSTS 5 / 72

6 Efeito de Multi-percurso no OFDM TX2 TX1 RX p1 p2 p3 p1 p3 p2 a1, 1 a2, 2 a3, 3 ax, x tx TUTU f 6 / 72

7 Modulador OFDM MOD IFFTP/S Randomização, FEC Inserção de Intervalo de Guarda Inserção de Pilotos C(n,k) s(t) S(n,k) b(m) INTERC. TEMP. 7 / 72

8 Características da Modulação OFDM Distorção por Multi-percurso: combatida com símbolos de longa duração e com intervalo de guarda (prefixo cíclico) Sincronização do Receptor: pode ser obtida por auto- correlação do prefixo cíclico Equalização do Canal (estática e dinâmica): baseada em portadoras piloto (idem) Interferências de Banda Estreita: podem ser contornadas por embaralhamento e rotação de portadoras Ruído Impulsivo: pode ser espalhado ao longo de vários símbolos por intercalamento temporal 8 / 72

9 Configurações Preferenciais para SBTVD TV de Alta Definição: –4992 portadoras pilotos, 64-QAM, FEC 7/8 ou 5/6 19 a 22 Mb/s TV de Alta Definição + Celular (TV Móvel) –4608 portadoras, 64-QAM, FEC 5/6 ou 7/8 18 a 20 Mb/s –384 portadoras QPSK, FEC 2/3 400 kb/s –Intervalo de guarda: 1/8 ou 1/16 do símbolo 9 / 72

10 Codificador de Canal ISDB-T / SBTVD 10 / 72 * Mod. C.C. Codif. Reed- Solomon R. S. Rando- mizador Intercalamento de Bytes Codif. Convol. Intercalamento de bits ModuladorIntercalamento Longo C(n,k) bi(m)

11 Requisitos para TV de Alta Definição Taxa de bits maior que ~15 Mb/s –Modulação 64-QAM –Código Convolucional (FEC) 7/8 ou 5/6 Taxa de Erros (final) menor que –Menos que 1 erro por hora –Taxa menor que 2 x na entrada do decodificador Reed- Solomon –Taxas brutas de 6 x a 1 x antes do decodificador Convolucional 11 / 72

12 Desempenho do Sistema ISDB-T Capacidade do sistema ISDB-T para limiar de operação em canal com ruído aditivo gaussiano Configuração: Modo3, 13 segmentos, modulações QPSK, 16- QAM e 64-QAM Em cada curva, os 5 pontos representam as taxas de Codificação Convolucional (FEC) usadas: 1/2, 2/3, ¾, 5/6 e 7/8 12 / 72

13 Aperfeiçoamentos Possíveis: Codificação Turbo 13 / 72

14 Requisitos para Codificação Turbo Taxa de bits muito elevada após FEC –Maior que 40 Mb/s (Típico 60 Mb/s) –Exige constelações muito densas, p.ex. 256-QAM Processamento complexo e iterativo no receptor 14 / 72

15 Experimentos: Constelação 256-QAM Taxa bruta: ~39 Mb/s 15 / 72

16 Hipóteses: Constelação QAM Taxa bruta: ~100 Mb/s 16 / 72

17 Aperfeiçoamento: Intercalamento Temporal por Transformada de Fourier (Fourier Transform Interleaving) Intercalamento temporal dos dados binários é substituído pela Transformada Inversa de Fourier das sequencias de dados. As portadoras do OFDM são moduladas pelos coeficientes complexos, resultantes da Transformada. A energia de cada bit é espalhada igualmente ao longo de N símbolos consecutivos. Pode ser associada ainda com intercalamento temporal convencional e outras técnicas de correção de erros. Degradação do fator de crista (Pico / Média) é irrelevante na modulação OFDM 17 / 72

18 Geração da Modulação FTI-OFDM 18 / 72 MOD Q(n,k) b(m) IFFT (N) Memória RAM C(k,n) C(n,k) Inserção de Pilotos S(t) S(m,n) IFFT (M) P/S

19 Modulação das Portadoras OFDM Q(n,k) 64-QAM C (n,k) 19 / 72

20 Características do Sinal FTI-OFDM Distribuição de Amplitudes, Espectro e Autocorrelação: essencialmente iguais a um sinal OFDM padrão com mesma potência 20 / 72

21 Símbolos e Portadoras em um Quadro FTI-OFDM 21 / 72

22 Maior Imunidade a Interferências: Rotação de Portadoras C(n,k) = C (n, (k+n ) mod K) (ou outras funções de mapeamento) 22 / 72

23 Escorregamento e Rotação 23 / 72

24 Compartilhamento do Processador da FFT MOD IFFT Inserção de Pilotos b(m) Intervalo de Guarda RAM s(t) 24 / 72

25 Demodulação de um Sinal OFDM Convencional Filtro Sinc Equaliz E.C. FFT Janela Decod. Modulação b(m) C(m,k) H(m,t) Limitador A / D Decod. Pilotos 25 / 72

26 Demodulação com FTI - OFDM Equaliz. E.C. FFT 1 Decodif. Modulação b(m) S(m,n) H(m,t) Decodif. Pilotos Reagrupamento Q D (n,k) FFT 2 C D (n,k) 26 / 72

27 Demodulação de Sinal Sujeito a Interferência de Banda Estreita a) OFDM com modulação QPSK sujeito a Ruido Gaussiano b) OFDM sujeito a Ruído de Banda Estreita de mesma potência total (10% da banda) c) FTI-OFDM Sujeito a Ruído de Banda Estreita: comportamento idêntico a (a) 27 / 72

28 Demodulação FTI-OFDM com Supressor Equaliz E.C. FFT 1 Decod. Modulação b(m) S(n,m) H(n,t) Decod. Pilotos Reagrupamento Q D (n,k) FFT 2 C D (n,k) Supressor P D (k,n) Ps D (k,n) 28 / 72

29 Demodulação FTI-OFDM com Supressor P D (k,n)Ps D (k,n) Q D (n,k) 29 / 72

30 Desempenho com Supressor de Amplitude a) OFDM sujeito a Ruido Gaussiano e FTI-OFDM sem supressor b) OFDM Sujeito a Ruído de Banda Estreita (10%) c) FTI-OFDM com supressor 30 / 72

31 Efeitos de Interferências Pontuais Utilizando rotação de portadoras, os efeitos devidos a interferências de banda estreita e ruído impulsivo são similares As interferências que sobrevivem ao estágio de supressão afetam alguns coeficientes da segunda IFFT O efeito é uma perturbação uniforme, de amplitude limitada, superposta aos pontos da constelação 31 / 72

32 Efeitos de Interferências Pontuais Sem ruído: BER = 0 Com ruído (-28 dB): BER = Constelação Q D (n,k) perturbada por interferências de frequência fixa, sem e com ruído aditivo gaussiano 32 / 72

33 Demodulação com Realimentação de Erro FFT 1 FFT 2 Demod IFFT 1 FFT 3 DemodDecod - - S(t) b(m) S(n,k)C(n,k)Q(n,k) C(n,k) P(n,k) S(n,k) Q(n,k) T(n,k) Supressor T(n,k) 33 / 72

34 Demodulação com Realimentação de Erro 34 / 72 FFT IFFT FFT DEMOD. CLIP C(n,k)P(n,k) T(n,k) C(n,k)Q(n,k)

35 Desempenho da Realimentação de Erro (Error Feedback) a) OFDM sujeito a Ruido de Banda Estreita (3% da banda) b) FTI-OFDM Convencional c) FTI-OFDM com Supressão de Amplitude d) FTI-OFDM com Realimentação de Erro (Error Feedback) 35 / 72

36 Simulações de Desempenho Sinais de teste usados nas simulações: –OFDM convencional x FTI-OFDM –Com e sem Realimentação de Erro –Sinais de mesma potência média e mesma taxa –Sinais Complexos em Banda base –Dados aleatórios –Simulação de Sinais equivalentes ao ISDB-T –Simulação de um Sistema Ternário de alta robustez 36 / 72

37 Simulação de um Sinal Equivalente ao ISDB-T –Modulações: 64-QAM, 16-QAM e QPSK –K = 4992 portadoras de dados (13 x 384) –624 portadoras Piloto –Intervalo de Guarda Temporal de 1/8 –Banda de Guarda em Frequência –Sem FEC e Intercalamento temporal –Quadro de N = 2048 símbolos com Rotação de Portadoras –61,34 Mbits (64-QAM) a 20,45 Mbits (QPSK) por quadro 37 / 72

38 Espectros dos Sinais Simulados OFDM Convencional FTI-OFDM 38 / 72

39 Desmpenho: Ruído Aditivo Gaussiano Modulação: 64-QAMFTI-OFDM com ERF 39 / 72

40 Quantização e Limite da Relação Pico / Média Modulação 64-QAM Quantização com 10 bits Limitação de Pico variando de +6,5 a +8,5 dB em relação à Potência RMS 40 / 72

41 Desempenho: Ruído de Banda Estreita ff Sinal recebido (com multi-percurso) Após equalização do canal Fontes de Interferência de Banda Estreita: Interferências de rádio-comunicação Harmônicas de transmissores e sinais piratas Espúrios gerados no receptor (aliasing) Interferências de sinais de TV Analógica Equalização de canal com multi-percurso 41 / 72

42 Desempenho: Ruído de Banda Estreita Modulação 64-QAM Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude de -25 dB Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude variando de -18 a -28 dB 42 / 72

43 Desempenho: Ruído de Banda Estreita Modulação 64-QAM Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude variando de -18 a -28 dB Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -28 dB 43 / 72

44 Desempenho: Ruído de Banda Estreita Modulação QPSK Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude de 0 dB Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude variando de -4 a -18 dB 44 / 72

45 Desempenho: Ruído de Banda Estreita Modulação QPSK Ruído de banda estreita (3% da banda ocupada) com amplitude variando de +15 a -20 dB Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -14 dB 45 / 72

46 Desempenho: Ruído Impulsivo 46 / 72 Modulação QPSK Contornos de igual taxa de erros vs. relação S/R e duração de ruído impulsivo Ruído impulsivo de banda larga com amplitude de 0 dB, duração de 0 a 30% do bloco Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -6 a -22 dB

47 Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica Modulação 64-QAM Interferência de TV Analógica com amplitude variando de -10 a -25 dB Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -30 dB 47 / 72

48 Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica Modulação 16-QAM Interferência de TV Analógica com amplitude variando de 0 a -20 dB Ruído aditivo gaussiano de banda larga com amplitude de -20 dB 48 / 72

49 Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica Modulação 64-QAM Contornos de igual taxa de erro em função da relação Sinal / Ruído e Sinal / Interferência Ruído aditivo gaussiano variando de -16 a -32 dB Interferência de TV Analógica variando de -15 a -32 dB 49 / 72

50 Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica Modulação 16-QAM Contornos de igual taxa de erro em função da relação Sinal / Ruído e Sinal / Interferência Ruído aditivo gaussiano variando de -10 a -24 dB Interferência de TV Analógica variando de -8 a -26 dB 50 / 72

51 Desempenho: Interferência de Sinal de TV Analógica Modulação QPSK Contornos de igual taxa de erro em função da relação Sinal / Ruído e Sinal / Interferência Ruído aditivo gaussiano variando de -6 a -22 dB Interferência de TV Analógica variando de +12 a -12 dB 51 / 72

52 Desempenho: Apagamento (Desvanecimento Profundo) Modulação 64-QAM Taxa de Erros em função da porcentagem de amostras descartadas em relação à duração total do bloco 52 / 72

53 Desempenho: Apagamento (Desvanecimento Profundo) Modulação QPSK Taxa de Erros em função da porcentagem de amostras descartadas em relação à duração total do bloco 53 / 72

54 Canal com Desvanecimento Seletivo (Fading) Resposta de um canal tipo Rice cuja resposta ao impulso é δ(τ) = sinal direto (percurso de recepção invariante no tempo) β(t) δ(τ-τ 0 ) = sinal refletido (modelado por um processo aleatório gaussiano de média zero) 54 / 72

55 Canal com Desvanecimento Seletivo (Fading) Modulação 64-QAM Taxa de Erros em função da amplitude do eco em relação ao sinal direto Canal Rice com atraso de 15 us 55 / 72

56 Simulação de um Canal de Radiodifusão Real Analisador de Demodulação Transmissão Digital, Canal 18 (497 MHz) Recepção experimental - sinal abaixo do Limiar Espectro do ruído simulando condições de recepção no Canal / 72

57 Simulação de um Canal de Radiodifusão Real Modulação 64-QAM Taxa de Erros em função da relação Sinal / Ruído Espectro do ruído simulando recepção experimental do Canal / 72

58 Simulação de um Sinal Ternário de Alta Robustez –Modulação 3-PSK com polaridade randomizada –OFDM com K = 1024 portadoras de dados –Simulação sem portadoras Piloto –Sem Intervalos de Guarda –Sem FEC e Intercalamento temporal –Quadro de N = 1024 símbolos com Rotação de Portadoras –1,5849 x 1024 x 1024 = 1,66 Mbits por quadro 58 / 72

59 Desempenho: Ruído Aditivo Gaussiano Modulação Ternária Ruído aditivo gaussiano de banda larga Taxa de Erros de bit (1 símbolo ternário equivalendo a 1,5849 bits) 59 / 72

60 Demodulador com Realimentação de Erro Iterativa FFT 1 FFT 2 Demod IFFT 1 FFT 3 DemodDecod - - S(t) b(m) S(n,k)Q(n,k) C(n,k) P(n,k) S(n,k) Q(n,k) T(n,k) Supressor FFT 2 Demod IFFT C(n,k) P(n,k) S(n,k) Q(n,k) T(n,k) 60 / 72

61 Desempenho: Ruído Impulsivo Modulação Ternária Ruído Impulsivo aditivo de banda larga Amplitude do ruído: 0 dB Impulso único com duração de 5% a 40% da duração do bloco Demodulação com 0, 1 e 2 iterações de error feedback 61 / 72

62 Iterações da Realimentação de Erro FTI -OFDM1ª. Iteração da Realimentação de Erro 2ª. Iteração Constelação Demodulada (Ruído Impulsivo, duração 20%: 62 / 72

63 Desempenho: Ruído de Banda Estreita Modulação Ternária Sinal sujeito a Ruído de Banda Estreita com ¼ da banda total (256 portadoras) Ruído aditivo gaussiano com amplitude de -18 dB Demodulação com 0, 1 e 2 iterações de error feedback 63 / 72

64 Desempenho: Apagamento Modulação Ternária Apagamento em trechos aleatórios de duração constante Duração total do apagamento entre 5% e 30% da duração total do Sinal 64 / 72

65 Desempenho: Interferências Simultâneas Ruído impulsivo aditivo de banda larga em bursts aleatórios (duração total: 10% do tempo total) 2 Sinais interferentes de banda estreita (5% da banda cada um) Ruído gaussiano com -18 dB Sinais de banda larga e banda estreita com potências iguais 65 / 72

66 Desempenho: Interferências Simultâneas Sinais P D (k,n) e Ps D (k,n), antes e depois da supressão de amplitude Relação Sinal / Interferência: -9 dB 66 / 72

67 Desempenho: Interferências Simultâneas Ruído impulsivo, 2 sinais interferentes de banda estreita, ruído gaussiano com -18 dB Sinais de banda larga e banda estreita com potências iguais Supressor com atenuação de 10 dB dos coeficientes adjacentes 67 / 72

68 Conclusões FTI-OFDM é um sistema inovador, simples, robusto e computacionalmente eficiente para efetuar o intercalamento temporal de dados digitais; é especialmente adequado para complementar a modulação OFDM. Este método pode proporcionar consideráveis ganhos de desempenho em várias situações de degradação de canal, quando comparado com a modulação OFDM convencional. 68 / 72

69 Diretrizes para Pesquisa 1- Parametrização Combinações ótimas de K, N, p, M Modelo formal para previsão de desempenho 2- Algoritmos de Realimentação de Erro Algoritmos adaptativos e soft-decision Uso das informações das portadoras piloto 3- Segmentação de Constelações 69 / 72

70 Segmentação de Constelações FTI-OFDM permite a combinação de símbolos Q(n,k) codificados com constelações diferentes Preserva as características de espectro plano e distribuição gaussiana Símbolos podem ser configurados para características diferentes de robustez e de eficiência espectral (bits / Hz) Q(0,k) Q(1,k) …… Q(N,k) 70 / 72

71 Agradecimentos Ao orientador, Prof. Dr. Luiz A. Baccalá Ao LCS / EPUSP Ao Laboratório de TV Digital da Universidade Mackenzie 71 / 72

72 FIM 72 / 72


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