Intercalamento Temporal com Transformada de Fourier para Modulação OFDM

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 01.05.0125.00 (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) K portadoras independentes Banda de cada portadora f f Banda total ocupada Espaçamento 1 / TU  TU Modulação de cada portadora TS

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

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

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

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 + 625 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 C(n,k) C.C. bi(m) * R. S. Mod. Rando-mizador Codif. Reed-Solomon Intercalamento de Bytes Codif. Convol. Intercalamento de bits Modulador Intercalamento Longo

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) MOD IFFT (N) C(n,k) b(m) S(m,n) C(k,n) Memória RAM IFFT (M) P/S S(t) Inserção de Pilotos

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 RAM Inserção de Pilotos IFFT s(t) b(m) MOD Intervalo de Guarda

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

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

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

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

33. Demodulação com Realimentação de Erro S(n,k) FFT1 FFT2 S(t) Demod Q(n,k) - Supressor C(n,k) T’(n,k) T(n,k) IFFT1 - P(n,k) C’(n,k) S’(n,k) Demod Q’(n,k) Decod b(m) FFT3

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 f f 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

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