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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 / 2008

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

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

4 Modulação OFDM (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)
Espaçamento 1 / TU K portadoras independentes Banda total ocupada Banda de cada portadora f TU TS Modulação de cada portadora

5 Espectro do OFDM (Após Supressão do Intervalo de Guarda)
Espaçamento 1 / TU f TU TS

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

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

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

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

10 Codificador de Canal ISDB-T / SBTVD
* Mod. C.C. Codif. Reed- Solomon R. S. Rando- mizador Intercalamento de Bytes Codif Convol. Intercalamento de bits Modulador Intercalamento 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 10-12 Menos que 1 erro por hora Taxa menor que 2 x 10-4 na entrada do decodificador Reed-Solomon Taxas brutas de 6 x 10-3 a 1 x 10-2 antes do decodificador Convolucional

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

13 Aperfeiçoamentos Possíveis: Codificação “Turbo”

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

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

16 Hipóteses: Constelação 1048576-QAM
Taxa bruta: ~100 Mb/s

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

18 Geração da Modulação FTI-OFDM
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)

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

21 Símbolos e Portadoras em um Quadro FTI-OFDM

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

23 Escorregamento e Rotação

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

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

26 Demodulação com FTI - OFDM
Equaliz. E.C. FFT1 Decodif. Modulação b(m) S(m,n) H(m,t) Decodif. Pilotos Reagrupamento QD(n,k) FFT2 CD(n,k)

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)

28 Demodulação FTI-OFDM com Supressor
Equaliz E.C. FFT1 Decod. Modulação b(m) S(n,m) H(n,t) Decod. Pilotos Reagrupamento QD(n,k) FFT2 CD(n,k) Supressor PD(k,n) PsD(k,n)

29 Demodulação FTI-OFDM com Supressor
PD(k,n) PsD(k,n) QD(n,k)

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

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

32 Efeitos de Interferências Pontuais
Sem ruído: BER = Com ruído (-28 dB): BER = 10-4 Constelação QD(n,k) perturbada por interferências de frequência fixa, sem e com ruído aditivo gaussiano

33 Demodulação com Realimentação de Erro
FFT1 FFT2 Demod IFFT1 FFT3 Decod - 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)

34 Demodulação com Realimentação de Erro
C(n,k) P(n,k) FFT DEMOD. IFFT T’(n,k) T(n,k) CLIP C’(n,k) Q’(n,k) FFT

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”)

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

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

38 Espectros dos Sinais Simulados
OFDM Convencional FTI-OFDM

39 Desmpenho: Ruído Aditivo Gaussiano
Modulação: 64-QAM FTI-OFDM com ERF

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

41 Desempenho: Ruído de Banda Estreita
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 f Sinal recebido (com multi-percurso) Após equalização do canal

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

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

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

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

46 Desempenho: Ruído Impulsivo
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

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

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

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

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

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

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

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-τ0) = sinal refletido (modelado por um processo aleatório gaussiano de média zero)

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

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 18

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 18

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

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)

60 Demodulador com Realimentação de Erro Iterativa
FFT1 FFT2 Demod IFFT1 FFT3 Decod - 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

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

62 Iterações da Realimentação de Erro
Constelação Demodulada (Ruído Impulsivo, duração 20%: FTI -OFDM 1ª. Iteração da Realimentação de Erro 2ª. Iteração

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

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

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

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

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

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.

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

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)

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

72 FIM


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