2.5. La señal UWB en el dominio del tiempo
2.5.3. Tipos de modulación
UWB es un sistema de transmisión de datos digital, por lo que su funcionamiento se basa en el uso de una serie de modulaciones digitales. A continuación se introducen algunas de las modulaciones más utilizadas.
PAM (Pulse Amplitude Modulation). Es una de las modulaciones digitales más sim-
ples, y en su versión más simplificada (2-PAM) es equivalente a la más conocida BPSK
(Binary Phase-Shift Keying). En este caso, consta únicamente de dos símbolos (bits
bP AM ’0’ y ’1’) que modifican la fase del pulso base: se mantiene si el bit a transmitir
es ’1’ y se invierte si el bit es ’0’. La ecuación (2.16) muestra la expresión de una señal genérica x(t) modulada en fase con PAM (AP AM), y la ecuación (2.17) muestra el valor
de la constante AP AM en función del bit a transmitir [36].
xP AM(t) = AP AM ∗x(t) (2.16) AP AM = 1180º=−1, bP AM =0 00 10º= 1, bP AM =0 10 (2.17) Como ejemplo de esta modulación, la Figura 2.8 representa la segunda derivada de un pulso gaussiano modulada en 2-PAM, tanto para un bit ’0’ como para un bit ’1’.
2.5. LA SEÑAL UWB EN EL DOMINIO DEL TIEMPO 29
Tiempo (ns)
Bit 0 Bit 1
Figura 2.8: Bits ’0’ y ’1’ en la segunda derivada de un pulso gaussiano modulado en 2-PAM/BPSK
PPM (Pulse-position Modulation). Esta modulación no altera la forma del pulso base
utilizado, sino que transmite un bit bP P M ’0’ o un bit ’1’ en función de la posición que
ocupa el pulso en el eje de tiempos (esto es, si se introduce retardo o no): de ellos, el bit ’1’ es el que lleva introducido un cierto retardo. La expresión general de una modulación PPM se presenta en la ecuación (2.18), y la ecuación (2.19) muestra el criterio de decisión de retardo [13]. xP P M(t) = x(t−δrP P M) (2.18) rP P M = 0, bP P M =0 00 1, bP P M =0 10 (2.19)
Donde xP P M(t)es la señal modulada, δes el tiempo de retardo yrP P M es el indicador
de retardo. El valor del retardo δ depende de la autocorrelación del pulso base, con la existencia de un valor óptimo en función de parámetros como la presencia de ruido en el canal [13]. A modo de ejemplo, la Figura 2.9 recoge una segunda derivada de un pulso gaussiano modulada en PPM, suponiendo δ= 0,1ns.
Tiempo (ns)
Bit 0 Bit 1
Figura 2.9: Bits ’0’ y ’1’ en la segunda derivada de un pulso gaussiano modulado en PPM (δ= 0,1ns)
ASK (Amplitude Shift Keying) ú OOK (On-off Keying)11. De forma análoga a
las modulaciones ya vistas, la información modulada con esta técnica se encuentra en la amplitud de la señal resultante: la presencia de un bitbASK’1’ hace que la señal transmitida
sea el pulso base, mientras que con un bit ’0’ se deja de transmitir [37]. La ecuación (2.20) recoge la expresión de una señal modulada en ASK, y la ecuación (2.21) muestra el criterio
11En esta forma, ASK y OOK serían modulaciones idénticas. Sin embargo, existen otras implementacio-
nes de ASK en las que se usan diferentes niveles de amplitudes, sin necesidad de considerar una situación de amplitud 0. Si este fuera el caso, OOK sería únicamente una particularización de ASK con amplitud 0 para un bit ’0’ o para un determinado símbolo.
2.5. LA SEÑAL UWB EN EL DOMINIO DEL TIEMPO 31 de decisión empleado. xASK(t) = AASK∗x(t) (2.20) AASK = 0, bASK =0 00 1, bASK =0 10 (2.21)
Un ejemplo de esta modulación se encuentra en la Figura 2.10, de nuevo sobre la segunda derivada de un pulso gaussiano.
Tiempo (ns)
Bit 0 Bit 1
Figura 2.10: Bits ’0’ y ’1’ en la segunda derivada de un pulso gaussiano modulado en ASK/OOK
FSK (Frequency Shift Keying). La modulación FSK distingue la transmisión de un
bitbF SK ’0’ o ’1’ en función de la frecuencia de la señal de salida del modulador [38]. En la
actualidad no existe mucha literatura relacionada con el uso de esta modulación en UWB, más allá de algunos artículos enfocados al comportamiento de estas señales en entornos con un multitrayecto severo [39] o al diseño de transmisores de FSK [40, 41].
PSM (Pulse Shape Modulation). La particularidad de esta modulación reside en in-
dicar la transmisión de un símbolo determinado en función de la forma de onda utilizada. Esto presenta una gran ventaja, y es la posible utilización de formas de onda ortogonales entre sí; esto es deseable porque las señales ortogonales no se interferirán entre sí, y por lo tanto, la implementación de sistemas de acceso múltiple se simplifica en gran medida [12]. Por otro lado, su desventaja reside en el aumento de la complejidad del generador de pulsos al tener que modelar más de una forma de pulso, siendo mayor con el orden de la modulación (o dicho de otra manera, cuando aumentan el número de bits por símbolo y, con ello, el número de símbolos a transmitir).
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Esta modulación es la ba-
se de las comunicaciones móviles actuales, y su popularidad reside en la transmisión en paralelo de un flujo de datos; esto, cuando el receptor de la información también soporta OFDM, se traduce en un incremento muy notable de velocidad. Para ello, esta modulación emplea varios transmisores que envían símbolos simultáneamente12en diferentes bandas de
frecuencia ligeramente solapadas. Así, aunque su implementación puede ser más compleja que la de un sistema de transmisor y receptor único, centra sus ventajas en su resistencia al desvanecimiento selectivo en frecuencia (multitrayecto) y a las interferencias de servicios de banda estrecha, lo que es muy deseable en UWB13 [42]. Para OFDM, la especificación
ECMA-368 de laWiMedia Alliance divide el espectro de UWB (de 3,1 a 10,6 GHz, como
se vio en el apartado 2.4) en 14 subbandas de 528 MHz de ancho de banda (y frecuencia de canalización), de acuerdo con la ecuación (2.22), y agrupadas en las bandas de la Figura 2.11 [43]:
fc(nb) = 2904 + 528∗nb (MHz), 1≤nb ≤14 (2.22)
12Aunque se considere OFDM como una modulación, cada una de las portadoras utiliza una de las
modulaciones ya mencionadas. Así, es posible que un sistema UWB utilice una modulación OFDM, pero los transmisores que lo componen pueden modular los símbolos en, por ejemplo, BPSK.
13Los sistemas UWB que emplean esta modulación llevan el nombre de UWB multibanda (en inglés,
2.5. LA SEÑAL UWB EN EL DOMINIO DEL TIEMPO 33
Figura 2.11: Subbandas de frecuencia para MB-OFDM-UWB (WiMedia Alliance) [43]
La implementación de sistemas UWB basados en OFDM y la transmisión en subban- das consta de una gran literatura, motivada por las ventajas asociadas al uso de esta modulación (gran eficiencia espectral, resistencia al multitrayecto, etc.). Estos son algunos de los artículos disponibles:
En cuanto a posibles aplicaciones, en [44] se explora la posibilidad de emplear UWB con modulación OFDM para transmisiones V2I (Vehicle to Infrastructure). El ar-
tículo analiza esta opción en función de los regímenes binarios y de los efectos de un canal AWGN14 (Additive White Gaussian Noise) y un canal Rayleigh sobre la
señal, y representa los resultados en forma de gráficas de BER sobre Eb/No. En dichas gráficas se observa cómo el canal Rayleigh, más realista, requiere de una ma- yor Eb/No para una misma BER, y este efecto empeora cuanto mayor se desea el régimen binario.
En [46] se propone una nueva forma de estimación de errores de sincronización tem- poral, puesto que los errores de este tipo contribuyen en gran medida a la degradación del rendimiento de los sistemas OFDM.
El diseño de transmisores OFDM para UWB también tiene gran relevancia. Por ejemplo, en [47] los autores realizan un transmisor UWB configurable y expresamente diseñado para soportar comunicaciones OFDM con tasa binaria modificable, y lo llevan a cabo utilizando una FPGA (Field Programmable Gate Array).
14Un canal AWGN solo considera la presencia de ruido blanco gaussiano en la señal recibida, sin des-
vanecimientos [45]. Por lo tanto, se trata de un modelo de canal muy simplificado, y se requiere de la consideración de más factores para caracterizar de forma correcta el canal de propagación.
Por último, en [48] se diseña una antena UWB de 4 elementos para aplicaciones MIMO (Multiple-input-multiple-output) con OFDM, y se muestra su rendimiento en
términos de BER.