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FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones
MODULADORES DIGITALES PARA LA RADIO
DEFINIDA POR SOFTWARE UTILIZANDO
HERRAMIENTAS DE DISEÑO DE FPGA
Autor: Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra
Tutores: Dr. C. Juan Pablo Barrios Rodríguez Dra. C. Ileana Moreno Campdesuñer
Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática
Santa Clara
2013
“Año 55 de la Revolución”
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
Moduladores Digitales para la Radio Definida por Software Utilizando Herramientas de Diseño de FPGA
Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en
Telemática
Autor: Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra E-mail: yrodriguez-gallo@uclv.edu.cu Tutores: Dr. C. Juan Pablo Barrios Rodríguez
E-mail: barrios@uclv.edu.cu Dra. C. Ileana Moreno Campdesuñer
E-mail: imoreno@uclv.edu.cu
Santa Clara 2013
“Año 55 de la Revolución”
Hago constar que la presente Tesis en Opción al Título Académico de Máster en Ciencias
Telemáticas fue realizada en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la
culminación de estudios de Maestría en Telemática, autorizando a que la misma sea utilizada por
la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que
además no podrá ser presentada en eventos, ni publicada sin autorización de la Universidad.
____________________
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la
dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta
envergadura referido a la temática señalada.
___________________ __________________
Firma del Tutor Firma del Tutor
_____________________ ________________________
Firma del Jefe de Departamento Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
iv
PENSAMIENTO
Deléitate asimismo en Jehová,
Y él te concederá las peticiones de tu corazón.
Encomienda a Jehová tu camino,
Y confía en él; y él hará
Salmo37.4, 5
v
DEDICATORIA
A Dios que me ha ayudado a hacer realidad este sueño.
A mis padres y mis abuelos que son el tesoro más preciado que tengo
en este mundo.
A mis hermanas por apoyarme y estar siempre a mi lado.
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios por amarme, ayudarme a llegar hasta este momento, guiarme, haberme dado las
fuerzas para superar todos los retos afrontados, y darme la sabiduría e inteligencia para realizar
este trabajo. Sin ti nada hubiese podido lograr. Gracias.
A mis padres por darme su amor, sabios consejos, ayuda incondicional, guiarme, dedicar
gran parte de sus vidas a educarme para que pudiese llegar hasta aquí, y ser el regalo más grande
que Dios me ha concedido en mi vida. Gracias.
A mis abuelos por su amor, cuidarme desde niño, apoyarme en mis estudios y dejar una
huella imperecedera en mi vida.
A mis hermanas por su ayuda y permanecer junto a mí, brindándome su amor en los
momentos de alegría y tristeza.
A Barrios por su paciencia, sabios consejos, ayuda incondicional, cooperación y dedicación,
sin lo cual, no hubiese podido realizar este trabajo.
A Ileana por su ayuda, sabios consejos, apoyo en los momentos difíciles y su cariño
brindado en la realización de esta investigación.
A Sergio, mi profesor, mi amigo, que aunque no se encuentra físicamente entre nosotros, su
ejemplo, sencillez, ayuda, amistad y sabios consejos, marcaron huellas imborrables en mi corazón.
vii
A Eliodoro Morales, Miguel Ángel Cabrera y Elizabeth Garnica por sus consejos y
cooperación.
A todos los profesores de la Facultad de Ingeniería Eléctrica que han colaborado con mi
superación profesional y personal, en especial a Roche, Roberto Jiménez, Chaljub, Paliza, Vitalio,
Ginori, Marlén, Héctor, Irina, Hiram, Bazán, Mendoza, José Domínguez (Pepito), Migdalia,
Avertano, Curbelo, Emilio, Pedro Julio, Gretchen, David, Mario, Samuel, Carlitos, Arco y Abreu.
A mis compañeros de trabajo de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, en especial a Araly,
Mario Alberto, Henry, Sandy, Arnaldo, Erik, Erisbel y Jorge Luis.
A mis compañeros de trabajo de la Facultad de Ciencias Sociales, en especial a Mely,
Bermejo, Miguel Rojas, Yaiset y Pascual.
A mis amigos Raidel, Osmany, Yoandy, Ragnia, Darelis y Elys.
A mis alumnos que me imponen el reto de superarme cada día más.
A mis hermanos en la fe que siempre me confortaron y sustentaron con sus oraciones y
súplicas.
A todos los que de una forma u otra pusieron un granito de arena para permitirme llegar
hasta aquí…a ustedes infinitas GRACIAS.
viii
RESUMEN
La Radio Definida por Software (SDR) se ha convertido en tema de investigación en los últimos
años por las ventajas que brinda en el desarrollo de las comunicaciones. La mayor parte de las
plataformas SDR son implementadas en FPGAs por las facilidades que estas ofrecen, al poder
comprobarse en ellas el funcionamiento de las aplicaciones desarrolladas. Los moduladores
digitales son uno de los aspectos estudiados debido a la importancia que tienen en las
comunicaciones.
En este trabajo se desarrollan e implementan, en una FPGA Spartan 3E de la compañía Xilinx, las
modulaciones digitales ASK, OOK, FSK, BPSK en dos variantes distintas, QPSK y 16QAM;
utilizándose para esto los softwares System Generator, Matlab y Xilinx ISE, de los cuales se
exhiben sus principales características. Asimismo, se exponen investigaciones realizadas por
conocedores del tema acerca la modulación digital en SDR. Además, se explican las características
principales de los esquemas de modulación anteriormente mencionados y de las FPGAs de Xilinx,
resaltándose las del kit de desarrollo Nexys2 de Digilent. Al final de este informe se evalúan los
sistemas desarrollados, mostrándose su funcionamiento a través de simulaciones e implementación
práctica; así como los recursos lógicos usados, el gasto de potencia y el retardo ocurrido en cada
uno de ellos.
ix
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 15
CAPÍTULO 1. MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE .. 21
1.1. Caracterización de los sistemas de comunicación digital .................................................. 21
1.2. Caracterización de la Radio Definida por Software .......................................................... 23
1.2.1. Definiciones utilizadas en SDR ................................................................................. 23
1.2.2. Arquitectura en SDR .................................................................................................. 24
1.2.3. Ventajas y desventajas de SDR .................................................................................. 26
1.2.4. Tecnologías relacionadas con SDR ............................................................................ 27
1.3. Investigaciones realizadas sobre la modulación digital en SDR ....................................... 28
1.4. Conclusiones parciales ...................................................................................................... 38
CAPÍTULO 2. ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE
DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX ............................................................................................. 40
2.1. Las técnicas básicas de modulación .................................................................................. 40
2.1.1. Características de la modulación por desplazamiento de amplitud ........................... 41
2.1.2. Características de la modulación por desplazamiento de frecuencia ......................... 42
2.1.3. Características de la modulación por desplazamiento de fase ................................... 44
2.1.4. Características de la modulación de amplitud en cuadratura ..................................... 48
2.2. Las herramientas de simulación Xilinx ISE, Matlab y System Generator ........................ 50
x
2.3. Características principales de las FPGAs .......................................................................... 52
2.3.1. El Kit de desarrollo Nexys2 ....................................................................................... 54
2.4. Conclusiones parciales ...................................................................................................... 55
CAPÍTULO 3. IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y
RESULTADOS OBTENIDOS ........................................................................................................ 56
3.1. Flujo de diseño elaborado para la implementación de las modulaciones .......................... 56
3.2. Confección de las modulaciones digitales utilizando las herramientas de simulación ..... 60
3.2.1. Modulación ASK ....................................................................................................... 61
3.2.2. Modulación OOK ....................................................................................................... 62
3.2.3. Modulación FSK ........................................................................................................ 63
3.2.4. Modulación BPSK ..................................................................................................... 63
3.2.5. Modulación QPSK ..................................................................................................... 65
3.2.6. Modulación 16QAM .................................................................................................. 65
3.3. Evaluación e implementación en el Kit Nexys2 de las aplicaciones confeccionadas ....... 68
3.3.1. Modulación ASK ....................................................................................................... 68
3.3.2. Modulación OOK ....................................................................................................... 72
3.3.3. Modulación FSK ........................................................................................................ 73
3.3.4. Modulación BPSK ..................................................................................................... 75
3.3.5. Modulación QPSK ..................................................................................................... 77
3.3.6. Modulación 16QAM .................................................................................................. 80
3.4. Conclusiones parciales ...................................................................................................... 83
CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 84
RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 85
GLOSARIO DE TÉRMINOS .......................................................................................................... 86
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 88
xi
ANEXOS .......................................................................................................................................... 93
A. 1. Distribución de los pines utilizados en el Kit de desarrollo Nexys2 ............................. 93
A. 2. En la modulación ASK, área del enrutamiento en la cual se desconoce lo que existe .. 94
A. 3. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación OOK.......................... 94
A. 4. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación FSK ........................... 95
A. 5. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la Variante I de la modulación BPSK ..
....................................................................................................................................... 95
A. 6. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la Variante II de la modulación BPSK .
....................................................................................................................................... 96
A. 7. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación QPSK ........................ 96
A. 8. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación 16QAM ..................... 97
xii
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS
Figura 1.1 Elementos básicos de un sistema de comunicación digital. ........................................... 22
Figura 1.2 Arquitectura de un transceptor digital de radio (Nur Saffiyah, 2010). ........................... 25
Figura 1.3 Arquitectura de los componentes de software en SDR (Prakash, 2012). ....................... 26
Figura 1.4 Diagrama de Venn de la tecnología inalámbrica de avanzada (Prakash, 2012). ............ 27
Figura 1.5 Modulación circular 16QAM implementada por Tariq en su trabajo investigativo. ...... 29
Figura 1.6 Modulador BPSK implementado por Popescu, Gontean y Budura. ............................... 30
Figura 1.7 Resultados obtenidos por Wei-Ming, Chen, Chiu, y Hwang en la implementación del
modulador 8PSK en un analizador lógico. ....................................................................................... 32
Figura 1.8 Sistema creado por Chien-Lun Pen utilizando el software System Generator. .............. 35
Figura 1.9 Transceptor conectado al emulador del canal vehicular propuesto por Fernández. ....... 36
Figura 1.10 Modulador confeccionado por Sonmez y Akbal en el software Quartus II. ................ 37
Figura 1.11 Módulo confeccionado y simulación expuesta en el artículo realizado por García, Rey
y Raymond. ...................................................................................................................................... 38
Figura 2.1 Modulación ASK (Xiong, 2000). ................................................................................... 41
Figura 2.2 Modulación OOK (Xiong, 2000). ................................................................................... 42
Figura 2.3 Modulación FSK coherente (Gontean, 2010). ................................................................ 43
Figura 2.4 Relación de fase de salida en función del tiempo para un modulador BPSK (Tomasi,
2003). ............................................................................................................................................... 45
Figura 2.5 Modulación BPSK: a) tabla de verdad, b) diagrama fasorial, c) diagrama de la
constelación. ..................................................................................................................................... 45
xiii
Figura 2.6 Diagrama en bloques de un transmisor QPSK (Tomasi, 2003). ..................................... 46
Figura 2.7 Fase de salida en función del tiempo en un modulador QPSK (Tomasi, 2003). ............ 46
Figura 2.8 Modulador QPSK: a) tabla de verdad, b) diagrama fasorial, c) diagrama de constelación
(Tomasi, 2003). ................................................................................................................................ 47
Figura 2.9 Diagrama de bloques de un transmisor 16QAM (Tomasi, 2003). .................................. 49
Figura 2.10 Diagrama de constelación y fasorial de un modulador 16QAM (Tomasi, 2003). ........ 50
Figura 2.11 Instalación del software System Generator (Rodríguez-Gallo, 2012). ......................... 51
Figura 2.12 Diagrama general de una FPGA (Jiménez, 2009). ....................................................... 53
Figura 2.13 Estructura simplificada de un Slice (Jiménez, 2009). ................................................... 53
Figura 2.14 Diagrama en bloques del kit Nexys2 (Digilent, 2008). ................................................ 55
Figura 3.1 Flujo de diseño confeccionado para la implementación de los sistemas. ....................... 56
Figura 3.2 Bloque System Generator configurado. .......................................................................... 57
Figura 3.3 Bloque de salida en System Generator. .......................................................................... 58
Figura 3.4 Proyecto obtenido de la síntesis de un sistema en System Generator. ........................... 59
Figura 3.5 Interfaz de programación del software Digilent Adept. ................................................. 60
Figura 3.6 Modulación ASK implementada con System Generator. ............................................... 61
Figura 3.7 Modulación ASK implementada con System Generator. ............................................... 62
Figura 3.8 Modulación FSK implementada con System Generator................................................. 63
Figura 3.9 Variante I de la modulación BPSK implementada con System Generator. ................... 64
Figura 3.10 Variante II de la modulación BPSK implementada con System Generator. ................ 64
Figura 3.11 Modulación QPSK implementada con System Generator. ........................................... 66
Figura 3.12 Modulación 16QAM implementada con System Generator ........................................ 67
Figura 3.13 Modulación ASK implementada con System Generator. ............................................. 68
Figura 3.14 Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación ASK. ........................ 70
xiv
Figura 3.15 Muestra de Slices utilizados en la implementación de la modulación ASK. ............. 70
Figura 3.16 Esquemático de la modulación ASK. ........................................................................... 71
Figura 3.17 Modulación ASK implementada en la Tarjeta Nexys2. ............................................... 71
Figura 3.18 Resultado alcanzado de la implementación de la modulación ASK en la tarjeta
Nexys2. ............................................................................................................................................. 72
Figura 3.19 Modulación OOK implementada con System Generator. ............................................ 72
Figura 3.20 Modulación FSK implementada con System Generator............................................... 74
Figura 3.21 Modulación BPSK implementada con System Generator. ........................................... 75
Figura 3.22 Modulación QPSK implementada con System Generator. ........................................... 77
Figura 3.23 Señales en el modulador QPSK implementado con System Generator........................ 78
Figura 3.24 Señales en el demodulador QPSK implementado con System Generator. ................... 79
Figura 3.25 Modulación 16QAM implementada con System Generator. ....................................... 80
Figura 3.26 Señales en el modulador 16QAM implementado con System Generator. ................... 81
Figura 3.27 Señales en el demodulador 16QAM implementado con System Generator. ................ 82
Tabla 2.1 Librerías de System Generator en Simulink (Xilinx, 2011). ........................................... 52
Tabla 3.1 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación ASK. .............. 69
Tabla 3.2 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación OOK. .............. 73
Tabla 3.3 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación FSK. ............... 74
Tabla 3.4 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la Variante I de la modulación
BPSK. ............................................................................................................................................... 76
Tabla 3.5 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la Variante II de la modulación
BPSK. ............................................................................................................................................... 76
Tabla 3.6 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación QPSK. ............ 79
Tabla 3.7 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación 16QAM. ......... 82
INTRODUCCIÓN
Hace algunas décadas, los sistemas de comunicación eran analógicos, pero el progreso de la
tecnología hizo posible la transmisión de los datos de forma digital. Esto ha provocado en los
últimos años la introducción del software en los sistemas de radio, creándose el concepto de la
Radio Definida por Software (SDR), lo cual ha ocasionado una revolución en la ingeniería de radio
(Islam et al., 2009). Este término fue introducido por Joseph Mitola, de la Corporación MITRE, en
1991. Los primeros en utilizarla fueron las fuerzas armadas de EE.UU. para conseguir
comunicaciones permanentes en distintas bandas con un solo equipo, asegurar compatibilidad
entre sistemas de comunicación de las diversas ramas: ejército, armada, fuerza aérea; y lograr
adaptabilidad frente a nuevas innovaciones de componentes y equipos (Aldaz, 2009).
En los sistemas SDR, el inicio y el final de la parte de radio frecuencia (RF) están confinados al
control del hardware, puesto que el comportamiento es decidido por el software implementado.
Actualmente, las funciones de radio en los sistemas de comunicaciones están comúnmente
implementadas en un hardware dedicado (Mehta et al., 2011).
Para la realización de estos sistemas se hace necesaria la utilización de dispositivos que posean un
nivel de procesamiento alto para el tratamiento digital de la señal. Uno de los usados con este
propósito son los Arreglos de Puertas Lógicas Programables (FPGA). A pesar de que desde la
década de los ochenta del siglo XX se han logrado avances en el procesamiento de las señales
digitales, se considera que el poder de procesamiento de las FPGA no es suficiente para la
implementación de sistemas complejos. La potencia de procesamiento requerida se espera que esté
disponible en un futuro próximo (Manjula and Sandya, 2012).
Algunas compañías fabricantes de FPGA realizan grandes esfuerzos en el desarrollo de
herramientas que faciliten la implementación de los sistemas SDR en sus dispositivos. Un ejemplo
de esto lo constituye la compañía Xilinx, que ha desarrollado el software System Generator, el cual
puede utilizarse con ese propósito.
INTRODUCCIÓN 16
System Generator es una herramienta que se integra a Matlab para el diseño, simulación e
implementación de circuitos en FPGA. Esta unión permite manejar un nivel de abstracción elevado
y proporciona un entorno gráfico que facilita la descripción del algoritmo que se va a implementar.
Además, este software traslada de forma automática el sistema confeccionado a un lenguaje de
descripción de hardware (HDL).
Los conocedores del tema expresan que el uso de las tecnologías SDR permitirán nuevas funciones
en las comunicaciones inalámbricas. Un ejemplo de esto lo constituyen Joseph y Kumar, quienes
han explicado el impacto de la utilización de SDR en las tecnologías inalámbricas de tercera y
cuarta generación (3G y 4G), al poderse añadirse a las existentes, sin necesidad de desarrollar un
nuevo hardware en las aplicaciones móviles y los sistemas de radio. Además, consideran que la
posibilidad de definir las funcionalidades típicas de una interfaz de radio mediante software es una
oportunidad para mejorar el rendimiento del sistema (Joseph and Kumar, 2012).
Los moduladores son considerados por Sakla, Jain y Gautam (Sakla et al., 2010) como los
requerimientos básicos de los sistemas de radio comunicación; de ahí que estos sean objeto de
estudio por los investigadores de SDR. Las tres formas básicas de la modulación digital en los
sistemas de transmisión de datos según indican Ginori (Lorenzo-Ginory, 1983) y Leung (Leung,
2012) son: la Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK), la Modulación por
Desplazamiento de Frecuencia (FSK) y la Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK).
Cuba, es un país en vías de desarrollo que se encuentra inmerso en un proceso de
perfeccionamiento con el objetivo de aumentar su desarrollo económico y social. En la revisión
efectuada para esta investigación en revistas prestigiosas del país y en Internet, solamente se
encontró un trabajo publicado (García et al., 2012) sobre este tema por autores cubanos, lo cual
demuestra la necesidad que existe de empezar a investigar en esta área.
En la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas,
Cuba, se están dando los primeros pasos en el campo de SDR, por lo que el presente trabajo podrá
utilizarse como punto de partida para la implementación en el futuro de sistemas SDR más
complejos que los desarrollados en esta investigación. Además, puede valorarse la utilización de
los resultados alcanzados en el ámbito docente de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones
INTRODUCCIÓN 17
y Electrónica en el futuro; y así continuar avanzando en la elevación de la calidad del proceso
docente educativo, cuestión que aparece reflejada en los Lineamientos de la Política Económica y
Social del Partido y la Revolución (Sexto Congreso del Partido Comunista de Cuba, 2011).
Teniendo en cuenta lo anterior surge como problema científico de este trabajo:
¿Qué hacer para contribuir en la investigación e implementación de las modulaciones digitales en
FPGAs para la radio definida por software?
La investigación tiene como objeto de estudio los moduladores digitales en la Radio Definida por
Software y el objetivo general que se propone es: Desarrollar moduladores digitales para la Radio
Definida por Software utilizando las herramientas modernas de diseño de FPGAs System
Generator, Matlab y Xilinx ISE.
El campo de acción lo constituye la investigación y programación de moduladores digitales en las
herramientas de diseño System Generator, Matlab y Xilinx ISE, para su implementación en una
FPGA de Xilinx.
A partir del objetivo general se derivan los siguientes objetivos específicos:
1. Caracterizar los sistemas de comunicación digital en la Radio Definida por Software a
través de la consulta de información actualizada en el ámbito nacional e internacional.
2. Caracterizar esquemas de modulación digital para su implementación en herramientas de
simulación.
3. Describir las herramientas de simulación Matlab, Xilinx ISE y System Generator; así como
la FPGA de Xilinx que se va a utilizar en la implementación de las modulaciones digitales.
4. Elaborar un flujo general de diseño para la implementación de las modulaciones digitales.
5. Implementar los moduladores digitales utilizando las herramientas de simulación para
programarlos en una FPGA de Xilinx.
6. Evaluar el funcionamiento de los moduladores digitales desarrollados en las herramientas
de software y en una FPGA de Xilinx.
En el desarrollo de la investigación se da respuesta a las siguientes preguntas científicas:
INTRODUCCIÓN 18
¿Cómo se aborda en la actualidad la investigación de los sistemas de comunicaciones en la
Radio Definida por Software?
¿Qué investigaciones se han realizado sobre la modulación digital en la Radio Definida por
Software?
¿Cuáles son las características que poseen los moduladores digitales para implementarlos
en herramientas de simulación y programarlos en una FPGA de Xilinx?
¿Qué particularidades poseen las herramientas de simulación y la FPGA de Xilinx que se
va a utilizar para programar los moduladores digitales?
¿Para conseguir la implementación y evaluación de las modulaciones digitales en los
softwares y la FPGA, qué flujo general de diseño elaborar?
¿Qué resultados se obtendrán al evaluar el funcionamiento de los moduladores digitales
programados?
En correspondencia con el objetivo del presente trabajo, fue necesario aplicar los siguientes
métodos de investigación científica:
De Nivel Teórico:
• Histórico-lógico: Para caracterizar la evolución del proceso en los antecedentes históricos
de la modulación digital en la Radio Definida por Software, desde su origen y desarrollo.
• Inducción-deducción: Su aplicación permitió dar respuesta a las interrogantes planteadas a
partir de los resultados obtenidos en las simulaciones e implementación en la FPGA,
permitiendo arribar a las conclusiones de la investigación.
• Análisis-síntesis: Permitió penetrar en la esencia del fenómeno objeto de estudio a partir de
su descomposición, pudiéndose establecer nexos, comparar resultados, determinar puntos
comunes y divergentes, de la modulación digital en la Radio Definida por Software;
lográndose establecer los componentes de la investigación, su fundamentación, el diseño de
soluciones y el análisis de los resultados.
• La modelación: Permitió investigar y evaluar el comportamiento de las modulaciones
digitales, al implementarlas en las herramientas de simulación Matlab, Xilinx ISE y System
Generator.
INTRODUCCIÓN 19
De Nivel Empírico:
• La medición: Para comparar y evaluar el funcionamiento de las modulaciones digitales
desarrolladas.
Con este trabajo se pretende aumentar los conocimientos sobre la Radio Definida por Software en
los sistemas de comunicación, y al mismo tiempo, impulsar la investigación en esta área, para lo
cual se desarrollan modulaciones digitales, las que son simuladas e implementadas en una FPGA.
Asimismo, el flujo general de diseño elaborado traza el camino que se debe seguir para obtener
resultados satisfactorios en la realización de este tipo de sistema.
El impacto que se espera de este trabajo es que sirva como punto de partida para la creación en el
futuro de sistemas más complejos en SDR, y que los módulos confeccionados puedan formar parte
de esos nuevos proyectos investigativos; de ahí que los resultados alcanzados serán de una
aplicación práctica y teórica, estando al alcance de todos los que trabajen en este tema.
Su actualidad científica radica en que la Radio Definida por Software es un tema estudiado en la
actualidad por los investigadores del área de las comunicaciones, no encontrándose excluidas de
ese proceso las modulaciones digitales. A lo anterior se le adiciona que las herramientas de
simulación utilizadas en este trabajo poseen gran prestigio y reconocimiento internacional por su
versatilidad y prestaciones, siendo utilizadas en estos momentos en la realización de aplicaciones
con FPGAs de Xilinx.
El informe se ha estructurado de la siguiente manera: introducción, tres capítulos, conclusiones,
recomendaciones, bibliografía y anexos.
En el primer capítulo se exponen las características principales de los sistemas de comunicación
digital, así como de la Radio Definida por Software. Seguidamente se presentan resultados
alcanzados en trabajos investigativos que se han desarrollado sobre la modulación digital en SDR,
tanto en el ámbito nacional como internacional.
En el segundo capítulo se realiza una caracterización de los esquemas de modulación que se
investigan en este trabajo. A continuación se exponen las herramientas de simulación Matlab,
INTRODUCCIÓN 20
Xilinx ISE y System Generator. Finalmente se explican las características principales que poseen
las FPGAs y el Kit de desarrollo Nexys2 de Digilent.
En el último capítulo se presenta el flujo de diseño elaborado para implementar las aplicaciones
desarrolladas en una FPGA de Xilinx. Seguido se explica la programación de las modulaciones
digitales en el software System Generator. Finalmente se evalúa el funcionamiento a través de la
simulación e implementación en el Kit de desarrollo Nexys2 de las modulaciones digitales
confeccionadas. Como culminación de este trabajo se presentan las conclusiones, recomendaciones
y anexos.
CAPÍTULO 1. MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO
DEFINIDA POR SOFTWARE
En el presente capítulo se realiza una caracterización de los sistemas de comunicación.
Seguidamente se explica la Radio Definida por Software, mostrándose sus definiciones,
arquitectura, principales ventajas y desventajas, así como tecnologías relacionadas con ella.
Finalmente se presentan trabajos investigativos que se han desarrollado sobre la implementación
de la modulación digital en SDR, reflejándose sus principales aportes y debilidades.
1.1. Caracterización de los sistemas de comunicación digital
Los sistemas de comunicación están formados por tres componentes básicos: el transmisor, el
canal y el receptor (Mehta et al., 2011). Los elementos básicos de un sistema de comunicación
digital se muestran en la Figura 1.1(Tariq, 2011), (Kumar, 2010), (Gontean, 2010).
El primer bloque básico que conforma el transmisor es la fuente de datos, la cual puede ser digital
o analógica. A continuación se encuentra el bloque del Convertidor Analógico-Digital (ADC). En
él se realiza el proceso de conversión de las señales analógicas a digitales. Seguidamente se
encuentra el bloque codificador de la fuente o de compresión de los datos, el cual acepta la señal
digital y la convierte en una secuencia de dígitos binarios (Proakis, 2001a).
Mientras que el bloque codificador de la fuente elimina la redundancia no deseada en la
información que se envía, el bloque codificador del canal, el cual se halla a continuación, introduce
redundancia con el fin de evitar los errores que puedan surgir, de modo que algunos de los
causados por el ruido o interferencia en el canal se puedan corregir en el receptor (Proakis, 2001a),
(Xiong, 2000).
Posteriormente está el bloque del modulador. Su propósito principal es trasladar los símbolos
discretos en una forma de onda analógica que pueda ser transmitida a través del canal de
comunicación (Proakis, 2001a), (Xiong, 2000).
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 22
Figura 1.1 Elementos básicos de un sistema de comunicación digital.
A través del canal de comunicación se transmite la señal (mensaje) desde la fuente hasta el
receptor. Las características de un canal de comunicación pueden variar ampliamente (Proakis,
2001a). Según el modo de transmisión se distinguen dos grupos de canales principales: los basados
en la propagación guiada y los de libre propagación. Dentro del primer grupo se encuentra la fibra
óptica, el cable coaxial y los canales telefónicos. El segundo grupo incluye canales inalámbricos de
transmisión, canales móviles de radio y canales por satélite. Cada uno de estos tipos de canales
tienen sus características específicas y el efecto del ruido es diferente en cada uno de ellos
(Haykin, 2001).
En el receptor, se le realiza a la señal recibida un proceso similar al efectuado en el transmisor, lo
que en sentido contrario. Primero, la señal recibida es amplificada y seguidamente demodulada
(Xiong, 2000). Durante este proceso se realiza la sincronización. El objetivo final del
demodulador, según refleja Madhow en su trabajo (Madhow, 2008), es producir decisiones
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 23
tentativas en los símbolos transmitidos para ser enviados al decodificador del canal. A
continuación, el decodificador del canal detecta y corrige los errores que se han producido en la
transmisión de la señal, quitándose la redundancia. Finalmente el decodificador de la fuente
recupera la señal a su forma original y la envía al usuario, utilizándose, de ser necesario, un
convertidor digital-analógico (DAC).
1.2. Caracterización de la Radio Definida por Software
El término de la Radio Definida por Software (SDR) fue introducido por Joseph Mitola, de la
Corporación MITRE, en 1991. Su primer artículo sobre este tema fue publicado en 1992 en la
IEEE National Telesystems Conference (Mitola III, 1993). Este concepto se investigó por primera
vez en el área militar y se trasladó posteriormente al área de la comunicación civil (Hatai and
Chakrabarti, 2010).
El concepto de SDR se ha aplicado en el mercado militar de los Estados Unidos de América a
través del sistema de radio táctica conjunta (JTRS), especificación que proporciona
interoperabilidad entre los equipos de radio utilizados por los aviones de combate, soportando
múltiples formas de onda de diversos contratistas de defensa. De la misma manera, se ha ido
creando soporte para el mercado de la radio, en el cual se han introducido tecnologías como GSM,
GPRS, CDMA, UMTS, WiMAX, LTE, WLAN y Bluetooth (Sreedaranath, 2010).
1.2.1. Definiciones utilizadas en SDR
Existen diversas definiciones de SDR. El Foro de Innovación Inalámbrica (FII), en colaboración
con el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), grupo P1900.1, ha trabajado para
establecer una definición de SDR que proporcione consistencia y una visión clara de la tecnología
y sus beneficios asociados. La han definido como: “La radio en la que todas o algunas de las
funciones de la capa física son definidas por software” (IEEE Xplore, 2012), (Nur Saffiyah, 2010).
Se considera que una radio es cualquier tipo de dispositivo que transmite en forma inalámbrica o
recibe señales de frecuencia de radio (RF) del espectro electromagnético, con la finalidad de
facilitar la transferencia de información. Actualmente, en el mundo, la radio existe en una multitud
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 24
de elementos tales como: teléfonos celulares, computadoras, abridores de puertas de automóviles,
vehículos y televisores (Prakash, 2012).
Otro de los conceptos utilizados para referirse a SDR es el que aparece en los trabajos (Gupta,
2012), (Bhuvaneshwaran et al., 2012) y (Marwanto et al., 2009), los cuales definen a SDR como
un sistema de comunicación por radio que implementa en software componentes que han sido
típicamente implementados en hardware, tales como filtros, amplificadores, multiplexores y
moduladores; y los componentes del software son típicamente implementados en dispositivos
computacionales embebidos o computadoras personales.
Adicionalmente, una definición de SDR es proporcionada por el foro de SDR (Xilinx, 2012a),
donde se expresa que SDR es la radio que acepta totalmente el tráfico programable y la
información de control; y soporta una amplio rango de frecuencias, interfaces de aire y softwares
de aplicación. El foro de SDR divide una radio entre diferentes niveles de flexibilidad. Estos son:
Radio de hardware (HR): En ella los atributos del sistema no se pueden cambiar ya que la
funcionalidad de la radio de hardware es fija. Sin embargo, esta radio puede utilizar un
software interno, siempre que no se pueda modificar externamente (Wireless Innovation
Forum, 2012).
Radio Controlado por Software (SCR): Esta es la radio en la que sólo las funciones de
control son implementadas en software. Por ejemplo, el nivel de potencia transmitida en
una radio puede ser controlado por software, mientras que todas las otras funciones están
fijas en el hardware (Wireless Innovation Forum, 2012).
Radio Definida por Software (SDR): Estas son las radios que ofrecen un software de
control de casi todas las funciones de radio, incluida la modulación, multiplexación, la
amplificación y los mezcladores superheterodinos (Wireless Innovation Forum, 2012).
1.2.2. Arquitectura en SDR
En la Figura 1.2 se muestra el diagrama de bloques de un transceptor de radio digital, a través del
cual se muestran los componentes de la arquitectura de hardware en SDR. El mismo está
conformado por tres secciones fundamentales: la sección de RF, la sección de frecuencia
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 25
intermedia (IF) y la sección de banda base. A continuación se explican brevemente estas tres
secciones.
Figura 1.2 Arquitectura de un transceptor digital de radio (Nur Saffiyah, 2010).
A. Sección de RF
La sección de RF es la encargada de la transmisión y recepción de la señal recibida a través de la
antena. En el proceso de recepción, se convierte la señal de RF a IF para su posterior
procesamiento en la sección de IF. En el proceso de transmisión se realiza un procedimiento
contrario al utilizado en el de recepción, adecuándose las señales para la transmisión en el aire.
B. Sección de IF
La sección de IF es la encargada de pasar la señal de IF a banda base y digitalizarla, en el caso de
la recepción, o pasar la señal de banda base a IF en la transmisión. En ella se utilizan convertidores
para bajar (DDC) o subir (DUC) digitalmente la señal de IF a banda base o de banda base a IF,
según corresponda.
C. Sección de banda base
En esta sección se realizan operaciones, tales como la configuración de la conexión, la
ecualización, los saltos de frecuencia, la recuperación del sincronismo de las señales, la
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 26
modulación y demodulación, entre otras. En los sistemas SDR, el procesamiento en banda base se
debe efectuar a través de software (Nur Saffiyah, 2010).
En la Figura 1.3 se muestra la arquitectura de los componentes de software en un sistema SDR
típico (Prakash, 2012). El sistema utiliza una plataforma de hardware genérico con módulos
programables (DSPs, FPGAs) y módulos analógicos de RF. El ambiente de operaciones realiza
actividades de gestión de recursos de hardware como es la asignación de recursos para diferentes
aplicaciones y el manejo de memoria. En el sistema SDR, los módulos de software que
implementan protocolos de la capa de enlace y las operaciones de modulación/demodulación se
denominan aplicaciones de radio, y estas aplicaciones proporcionan servicios de la capa de enlace
para los protocolos de las capas superiores de comunicación (WAP y TCP/IP ) (Joseph Mitola,
2000).
Figura 1.3 Arquitectura de los componentes de software en SDR (Prakash, 2012).
1.2.3. Ventajas y desventajas de SDR
Una de las ventajas que ofrece SDR es que el mismo dispositivo de hardware puede ser
configurado para realizar diferentes funciones. Además, la capacidad de reprogramación del
sistema permite la reutilización del hardware hasta que una nueva generación de plataformas de
hardware esté disponible, lo cual proporciona ahorros de costos y de tiempo.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 27
Peng en su investigación (Peng, 2010) explica que las técnicas avanzadas del procesamiento de
señales que implican múltiples antenas y técnicas de modulación adaptativas se pueden
implementar en SDR sin necesidad de hacer cambios importantes de hardware en el transceptor, lo
que evidencia su utilidad. Además, considera que los sistemas SDR pueden mejorar la
interoperabilidad de diferentes sistemas, en aplicaciones como las militares, la policía, o equipos
de búsqueda y rescate, al eliminarse la incompatibilidad entre ellos.
Un nuevo enfoque en el diseño de la estación base inalámbrica con SDR tiene el potencial de
ofrecer beneficios, tales como la reducción del tamaño, la complejidad y el consumo de energía. A
lo anterior se le suma que SDR puede soportar, a la vez, una variedad de esquemas de modulación
y protocolos.
Si bien los SDR ofrecen beneficios, como se indicó anteriormente, también hay desventajas en su
diseño e implementación. Su principal dificultad radica en el diseño del software para los diversos
sistemas o estándares debido a la complejidad de estos.
1.2.4. Tecnologías relacionadas con SDR
SDR puede actuar como una tecnología importante para una variedad de equipos de radio
reconfigurables de tecnología inalámbrica de avanzada (Prakash, 2012), de la cual se muestra en la
Figura 1.4 su diagrama de Venn, y se explica brevemente a continuación.
Figura 1.4 Diagrama de Venn de la tecnología inalámbrica de avanzada (Prakash, 2012).
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 28
Radio Adaptativa (AR)
Es la radio en la que los sistemas de comunicaciones tienen un medio de control de su propio
desempeño y modifican sus parámetros de funcionamiento para mejorar este rendimiento. El uso
de las tecnologías de SDR en un sistema de radio adaptativa permite mayores grados de libertad en
la adaptación, y por tanto niveles más altos de rendimiento y mejor calidad de servicio en un
enlace de comunicaciones (Xilinx, 2012a).
Radio Cognitiva (CR)
Es la radio en la que los sistemas de comunicación son conscientes de su estado interno y del
estado del medio, tal como su ubicación y la utilización del espectro de RF en ese lugar. CR fue
introducida por Mitola en 1999 como una extensión de la radio de software (Le Nir and Scheers,
2012). La utilización de estos elementos es fundamental para permitir que los usuarios finales
puedan hacer un uso óptimo del espectro de frecuencias disponibles y de las redes inalámbricas
(Benidris et al., 2012).
Radio Inteligente
Es la radio cognitiva que es capaz de poseer un aprendizaje automático. Esto permite a la radio
cognitiva mejorar la manera de adaptarse a los cambios en el rendimiento y del medio, para servir
mejor a las necesidades del usuario final (Le Nir and Scheers, 2012).
1.3. Investigaciones realizadas sobre la modulación digital en SDR
Uno de los temas tratados por los investigadores en el campo de SDR es la modulación digital.
Esto se debe a que es el mecanismo básico a través del cual la información es transmitida sobre el
canal de comunicación, por lo que es utilizada en protocolos de comunicación (Singh, 2012).
A continuación se presentan investigaciones que se han realizado sobre esta temática.
Assad Tariq en el trabajo (Tariq, 2011) investiga la modulación en un módem microondas de 10
Gbps, que fue diseñado para trabajar en la banda E del espectro radioeléctrico. Su investigación se
centra en la implementación de la modulación circular 16QAM en el software System Generator
de Xilinx, siendo esto su principal aporte. Además, usándose las prestaciones que brinda la
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 29
herramienta de simulación Simulink de Matlab, se le adiciona al modelo creado un Canal de Ruido
Blanco Gaussiano (AWGN). El autor realiza un estudio teórico de este tipo de modulación y uno
experimental a través de la Co-simulación, para lo cual utiliza dos FPGAs, una Virtex5 y una
Spartan 3A.
Tariq no explica en el artículo cómo confeccionó la modulación circular 16QAM en el software
System Generator, solamente se limita a mostrar imágenes de la misma (Figura 1.5). Además, no
expone los recursos consumidos en las dos FPGAs que utilizó en la implementación del sistema.
La importancia de este trabajo radica en que forma parte de un proyecto que se originó debido a
que las empresas Ericsson AB, en colaboración con la BitSim A, están investigando para alcanzar
10 Gbps en los enlaces de microondas.
Figura 1.5 Modulación circular 16QAM implementada por Tariq en su trabajo
investigativo.
Popescu, Gontean y Budura en el artículo (Popescu, Gontean, and Budura, 2011) presentan la
simulación de un modulador BPSK usando los softwares Simulink de Matlab y el System
Generator de la compañía Xilinx en su versión 12.3 (Figura 1.6). Estos investigadores explican que
la tecnología FPGA ha alcanzado un rol importante en el desarrollo de la comunicación móvil
debido a características que posee: flexibilidad, precisión y configurabilidad. El sistema creado se
implementó en una FPGA Spartan 3E Starter Kit y los resultados obtenidos en las simulaciones
fueron comparados con los alcanzados en la FPGA, aunque se precisa que no se usó ningún
osciloscopio, ni la Co-simulación.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 30
Figura 1.6 Modulador BPSK implementado por Popescu, Gontean y Budura.
Popescu, Gontean y Budura proponen para futuros trabajos sobre el tema, la creación de un
demodulador BPSK y de un canal AWGN; y analizar el comportamiento del sistema programado a
través de la Co-simulación y en un osciloscopio digital.
Por su parte, algunos de estos autores, en el artículo (Popescu, Gontean, and Ianchis, 2011),
presentan un modulador QPSK desarrollado en el ambiente de Simulink en Matlab, utilizando el
software System Generator. El sistema después de estar confeccionado es sintetizado,
obteniéndose su código VHDL, con el cual posteriormente se programa una FPGA Spartan 3E
Starter Kit. Los autores utilizan la versión 12.3 del software Xilinx ISE.
Al igual que en el artículo anterior (Popescu, Gontean, and Budura, 2011), los autores proponen
seguir trabajando en este campo e implementar el demodulador QPSK usando esas herramientas
de diseño.
En el artículo (Bagga and Tripathi, 2011), Bagga y Tripahti describen una aplicación que explota
la flexibilidad de SDR y está basada en el uso de rasgos estocásticos, los cuales son sacados de
rasgos instantáneos con el propósito de clasificar las señales de la modulación digital. Ellas
demuestran que su método es capaz de diferenciar señales ASK2, ASK4, FSK2, FSK4, PSK2 y
PSK4 en la salida de un canal AWGN, ante la variación de la relación señal/ruido (SNR). Los
resultados que alcanzaron son mostrados a través de gráficas y tablas. El sistema es confeccionado
utilizando la herramienta de simulación Simulink de Matlab, por lo que proponen para futuros
trabajos implementar en FPGAs el método creado para evaluar su efectividad, así como los
distintos tipos de modulación utilizados.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 31
En el artículo (Bagga and Tripathi, 2012) las investigadoras Bagga y Tripahti explican la
clasificación automática de la modulación (AMC), la cual es un procedimiento que se realiza en el
receptor basándose en la señal recibida antes de efectuarse el proceso de demodulación, con el
propósito de que el receptor identifique el tipo de modulación que se está utilizando. Se explica
que la AMC desempeña un importante papel para la implementación de SDR en la cuarta
generación de los sistemas de comunicación, y que la capacidad de seleccionar automáticamente el
esquema de modulación correcto utilizado por una señal recibida desconocida, es una gran ventaja
en una red inalámbrica. El método que ellas crean es implementado en el software Simulink de
Matlab, y utilizan las modulaciones 2ASK, 4ASK, 2FSK, 4FSK, BPSK, QPSK y 16QAM. Los
resultados que se obtienen son satisfactorios, quedando para futuros trabajos la implementación en
FPGAs de las modulaciones y el método creado.
Bhawna, Kaur y Lall explican en el artículo (Bhawna et al., 2012) la importancia de la utilización
de las técnicas de modulación digital en SDR y en la radio cognitiva (CR), al poderse utilizar en
aplicaciones militares. Ellos describen diferentes algoritmos de reconocimiento de la modulación a
través de las características principales de cada una de ellas. Los autores no realizan ninguna
implementación en softwares. Este trabajo aporta una revisión actualizada y da una visión general
de lo que se está realizando en este campo.
En el artículo (Chen et al., 2005), Wei-Ming, Chen, Chiu y Hwang presentan un generador de
señales moduladas con efectos de desvanecimientos, basándose en el concepto de SDR. El sistema
es implementado en una FPGA de Altera Stratix EP1S25. Los autores, usando el lenguaje de
descripción de hardware Verilog, implementaron un modulador digital BPSK, uno QPSK y otro
8PSK; y además, un canal Rayleigh. En la Figura 1.7 se muestran los resultados alcanzados en un
analizador lógico de la programación del modulador 8PSK.
Wei-Ming, Chen, Chiu y Hwang en el artículo no muestran, ni explican ningún fragmento de los
códigos en Verilog que desarrollaron.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 32
Figura 1.7 Resultados obtenidos por Wei-Ming, Chen, Chiu, y Hwang en la
implementación del modulador 8PSK en un analizador lógico.
En el artículo de investigación (Christos et al., 2011), Christos, junto con otros autores, explican la
importancia de la implementación de la técnica de modulación digital QAM en los sistemas de
multiprocesadores en chip (MPSoC) para los sistemas SDR. Ellos exponen una metodología de
diseño que han creado con estos fines. Los autores presentan la arquitectura de un modulador
QAM utilizando MPSoC. Además, se investiga el uso de un algoritmo de asignación de recursos
de hardware y se proporcionan los resultados obtenidos en la simulación sobre el rendimiento de la
modulación QAM. Los investigadores proponen que en futuros trabajos, en el sistema
desarrollado, se deben incluir la transformada rápida de Fourier (FFT) y la corrección de errores
hacia adelante (FEC). También plantean la necesidad de seguir investigando en la optimización del
área utilizada en los dispositivos programables, así como en la reducción del consumo de potencia
de estos sistemas.
Hatai y Chakrabarti en el artículo (Hatai and Chakrabarti, 2010) explican sobre las investigaciones
que han tenido lugar en los últimos tiempos en el área de SDR. El trabajo se enfoca en el
desarrollo de un modulador programable QPSK para satisfacer la exigencia de varios estándares de
comunicación inalámbricos establecidos (2G y 3G). Los autores demuestran, a través de gráficos
donde utilizan el software Xilinx ISE 9.2, que el diseño propuesto es capaz de funcionar a una
velocidad de datos máxima de 77 Mbps en una FPGA de Xilinx Virtex2 Pro. Los investigadores
implementaron los filtros usando aritmética distribuida con el fin de reducir la complejidad
computacional, lograr la reducción del consumo de energía y mejorar el rendimiento. Ellos no
muestran la programación que desarrollaron en su investigación.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 33
Hederström explica en el trabajo (Hederström, 2010) la rápida evolución que están teniendo las
comunicaciones móviles y que esto ha traído como consecuencia la necesidad de aumentar las
razones de transmisión de los datos. El autor dice que una forma rentable de lograr lo
anteriormente dicho es mediante el uso de enlaces de microondas entre las estaciones base, pero
que a medida que los requerimientos en la razón de transmisión de los datos aumenta, la capacidad
de los enlaces de microondas va a ir aumentando también. El investigador presenta el diseño de un
banco de pruebas en una FPGA de Altera para moduladores QAM, con el propósito de ayudar en
el desarrollo de la próxima generación de alta velocidad para enlaces de microondas de la banda E.
Hederström implementa utilizando el software Simulink de Matlab, y posteriormente en el
lenguaje de descripción de hardware Verilog, a través de la herramienta de simulación Quartus II,
los moduladores QPSK, 8QAM, 16QAM, 64QAM y 256QAM, lo cual constituye el aporte
principal de esta investigación. El autor explica que este trabajo surgió en el marco de un proyecto
investigativo de la universidad tecnológica de Chalmers y las compañías Ericsson AB, Gotmic AB
y Bitsim AB. La confección de demoduladores QAM se propone como tema para futuras
investigaciones.
Zhang, Ma, y Liu en el artículo (Zhang et al., 2011) estudian la aplicabilidad de SDR en la
estructura de un receptor de radio con la finalidad de simplificar, disminuir su costo de hardware y
mejorar su portabilidad. Sobre la base de introducir el principio de la demodulación π/4-DQPSK
en estos equipos, ésta se implementa en una FPGA Spartan3S400 utilizando VHDL. Los autores
optimizan y verifican el funcionamiento del módulo desarrollado, lo cual demuestran a través de
tablas comparativas que presentan sobre el consumo de recursos en la FPGA. Ellos arriban a la
conclusión de que el sistema programado satisface las necesidades de un receptor de radio,
señalándose la importancia que tiene su optimización.
Tarniceriu, Lordache y Spiridon en el artículo (A. Tarniceriu et al., 2007) señalan que las
modulaciones digitales BPSK, QPSK y 16QAM son utilizadas en las comunicaciones
inalámbricas. Ellos analizan las características de los esquemas de modulación anteriormente
mencionados, y determinan la figura de mérito de cada uno de ellos, al implementarlos en la
herramienta de simulación Simulink de Matlab. En el trabajo se hace hincapié en la importancia de
la figura de mérito en el contexto de SDR. Los autores manifiestan la importancia de su
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 34
investigación ya que en los estándares inalámbricos IEEE 802.16d e IEEE 802.16e se utilizan esas
modulaciones. Al finalizar arriban a la conclusión de que los sistemas SDR pueden soportar varios
esquemas de modulación, al poder elegir, con la ayuda de la radio digital reconfigurable, el tipo de
modulación adecuado, en función de la calidad esperada en el canal de transmisión.
En el artículo (Manjula and Sandya, 2012) Manjula y Sandya explican que las Redes de Área
Personal (PAN) se rigen por el estándar IEEE 802.15.4. Ellos indican que debido a que la capa
física IEEE 802.15.4 emplea las técnicas de modulación QPSK y BPSK, y a la importancia de su
implementación para su aplicación en SDR, deciden investigarlas. La modulación QPSK es
implementada en el software GNU Radio, exhibiéndose las ventajas que posee esta herramienta de
programación para la implementación de sistemas SDR. Los autores se enfocan en las posibles
soluciones disponibles en SDR para la creación de un transceptor BPSK utilizando el software
System Generator de la compañía Xilinx, lo cual sugieren realizar en futuras investigaciones.
Chien-Lun Pen en el trabajo (Peng, 2010) analiza la capa física del estándar 802.16d de la IEEE,
conocido como WiMAX fijo, y programa utilizando el software System Generator el randomizer,
el de-randomizer y el codificador/decodificador Reed Solomon (Figura 1.8). El resto de la capa
física es confeccionada utilizando las prestaciones que brinda la herramienta Simulink de Matlab.
A través de la Co-simulación se implementa en la plataforma de desarrollo SFF SDR, la cual posee
una interfaz de radio para transmitir inalámbricamente los módulos desarrollados en System
Generator. El análisis del sistema creado se efectúa usando la Co-simulación.
Al final del trabajo Pen sugiere continuar implementando las capas físicas de los estándares
inalámbricos de la IEEE en dispositivos programables como los FPGAs, para su utilización en
SDR; por lo que propone, utilizando la herramienta System Generator, programar completamente
la capa física IEEE 802.16d.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 35
Figura 1.8 Sistema creado por Chien-Lun Pen utilizando el software System Generator.
Fernández Caramés en su tesis doctoral (Fernández, 2011) detalla los elementos necesarios para
constituir un sistema basado en un prototipo rápido, capaz de efectuar comunicaciones vehiculares
y evaluarlas. El investigador crea tres transceptores siguiendo las especificaciones de las capas
físicas de los estándares IEEE 802.11p, IEEE 802.11a e IEEE 802.16e. En el trabajo se detallan
los diferentes componentes de cada transceptor, indicando cómo conectarlos al resto del sistema
para realizar la evaluación de su rendimiento, lo cual se efectuó con la ayuda de tres emuladores
de canal, basados en FPGAs, capaces de recrear comunicaciones multiantena en siete escenarios
vehiculares distintos, incluyendo cañones urbanos, zonas suburbanas y autopistas.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 36
Figura 1.9 Transceptor conectado al emulador del canal vehicular propuesto por Fernández.
Para el desarrollo del marco de evaluación se utilizó el software Simulink de Matlab en el
transceptor y el System Generator de Xilinx para el emulador del canal, el cual se implementó en
una FPGA Virtex-IV (Figura 1.9). Fernández explica que System Generator es especialmente útil
porque permite desarrollar el diseño del emulador del canal mucho más rápido que utilizando
lenguajes de descripción de hardware convencionales como VHDL o Verilog.
Sonmez y Akbal en el artículo (Sonmez and Akbal, 2012) presentan y analizan los resultados que
obtuvieron en la simulación de los esquemas de modulación digital BPSK y BASK. En su estudio,
los autores programaron las modulaciones en lenguaje VHDL usando el software Quartus II 9.2
(Figura 1.10). Los sistemas creados se implementaron en el kit EP3C40F780C6 de Altera.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 37
Figura 1.10 Modulador confeccionado por Sonmez y Akbal en el software Quartus II.
En el trabajo (Sonmez and Akbal, 2012) también se muestra el comportamiento de la razón de bits
errados de ambos esquemas de modulación, resultado de la implementación de los moduladores en
el software Simulink de Matlab. Finalmente, los autores muestran el consumo de recursos en la
FPGA de los módulos confeccionados.
En las investigaciones efectuadas solamente se encontró un artículo realizado por autores cubanos,
en este caso por los ingenieros Nelson García Rodríguez, Addis Rey Domínguez y Luis Giraldo
Raymond Rodríguez, publicado en agosto de 2012 en una revista de la CUJAE, en el cual hablan
del diseño en una FPGA xc5vfx70tffg1136 de un modulador DTMB para una canalización de
6MHz (García et al., 2012). Los autores realizan una propuesta de diseño para los principales
módulos que intervienen en el proceso de modulación de una señal DTMB, lo cual explican
teóricamente, señalando que en el estándar DTMB se definen 5 modos de mapeo: 64QAM,
32QAM, 16QAM y 4QAM, aunque solamente mencionan en su exposición, sobre la propuesta que
realizan, los esquemas de modulación 4QAM y 16QAM.
García, Rey y Raymond dicen que emplearon las herramientas de simulación System Generator,
Xilinx ISE, Simulink de Matlab y ModelSim para el modelado y la verificación funcional del
sistema que proponen, aprovechando las potencialidades que brindan las mismas. En el trabajo no
muestran ningún sistema implementado ni simulado utilizando los softwares System Generator,
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 38
Xilinx ISE y ModelSim. Ellos solamente se limitan a presentar dos bloques confeccionados y
simulados en Simulink, uno de los cuales se muestra en la Figura 1.11.
Figura 1.11 Módulo confeccionado y simulación expuesta en el artículo realizado por
García, Rey y Raymond.
1.4. Conclusiones parciales
La Radio Definida por Software se ha convertido en tema de estudio en los últimos
años, no exceptuándose de esto la modulación digital, lo cual queda expresado en la
cantidad de investigaciones que se realizan sobre el tema.
En la investigación realizada se encontró que en varios trabajos sobre esta temática los
autores se limitan a presentar la implementación de algunos moduladores digitales,
utilizando softwares que permiten su programación en dispositivos lógicos
programables, proponiendo para futuras investigaciones el desarrollo y obtención de un
código HDL para los demoduladores. En otros artículos, se implementan fragmentos de
protocolos de capas físicas inalámbricas, usando herramientas de simulación que
poseen bloques previamente concebidos con ese fin, dejando pendiente lo concerniente
a la implementación de las modulaciones. En los pocos trabajos en que se muestran
modulaciones desarrolladas en código HDL, en la mayoría de las ocasiones, los
investigadores se enfocan en un solo tipo de modulación y no explican cómo realizaron
su implementación en las herramientas de software.
MODULACIÓN DIGITAL EN LA RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE 39
Sobre este tema se encontró publicado por autores cubanos un solo trabajo, en el cual
no se muestra la implementación del sistema desarrollado en herramientas de
simulación que permitan la generación de un código HDL, no se exhiben simulaciones
que confirmen los resultados alcanzados en este tipo de software, ni se presenta su
implementación en una FPGA.
Lo anteriormente expuesto en este capítulo confirma la importancia de la realización de un trabajo
donde se explique y desarrolle modulaciones digitales para la Radio Definida por Software,
utilizando herramientas de diseño de FPGAs.
CAPÍTULO 2. ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y
HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS
DE XILINX
En el presente capítulo se realiza una caracterización de la Modulación por Desplazamiento de
Amplitud, la Modulación por Desplazamiento de Frecuencia, la Modulación por Desplazamiento
de Fase y la Modulación de Amplitud en Cuadratura. Seguido se explican las herramientas de
simulación Xilinx ISE, Matlab y System Generator, exponiéndose sus principales características
para la implementación de sistemas en FPGAs de la compañía Xilinx. Finalmente se muestra la
arquitectura básica de las FPGAs, realizándose un acercamiento a ellas, y se presentan las
características que posee la tarjeta Nexys2.
2.1. Las técnicas básicas de modulación
La modulación digital, según se indica en (Arkesh, 2003) y (Proakis, 2001b), es el proceso
mediante el cual los símbolos digitales son transformados en formas de onda que son compatibles
con las características del canal. Otra definición utilizada es que la modulación es el proceso a
través del cual la señal portadora es modificada según los cambios en la amplitud instantánea de la
señal de información, dando como resultado la señal modulada (Tomasi, 2003), (Mehta et al.,
2011), (Gontean, 2010). En el receptor se recupera la señal original a través de la demodulación.
Hay esencialmente dos métodos comunes de demodulación o detección de señales moduladas con
portadora sinusoidal. Estos son la detección coherente y la detección no coherente. El primero es el
proceso en el cual la señal recibida es sincronizada en frecuencia y en fase con una portadora
generada localmente. La detección no coherente no requiere la señal de referencia, evitándose los
problemas de sincronización de fase y de frecuencia de la detección coherente; sin embargo, la
detección de envolvente no se puede aplicar en sistemas de modulación de fase, porque este
proceso elimina la fase de la señal (Briceño, 2005).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 41
Seguidamente se realiza una caracterización de las tres formas básicas de la modulación digital en
los sistemas de transmisión de datos, a través de la cual se explican las particularidades que posee
cada una de ellas con el propósito de implementarlas en herramientas de simulación.
2.1.1. Características de la modulación por desplazamiento de amplitud
La Modulación por Desplazamiento de Amplitud (ASK) es una técnica de transferencia de datos
con diferente amplitud en la frecuencia de portadora (Figura 2.1). A pesar de que es sensible a la
variación en el canal, en la propagación, la modulación ASK ha sido utilizada en transceptores
inalámbricos de baja potencia por la simplicidad del sistema (Sonmez and Akbal, 2012).
Figura 2.1 Modulación ASK (Xiong, 2000).
La modulación de encendido-apagado (OOK) es una forma especial de la modulación ASK donde
el modulador pone en la salida la señal de la portadora por cada símbolo “1” y ninguna señal para
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 42
cada símbolo “0” (Gandhiraj et al., 2011), (Gontean, 2010). Esta modulación se muestra en la
Figura 2.2.
Figura 2.2 Modulación OOK (Xiong, 2000).
La señal ASK tiene la forma (Briceño, 2005):
𝑥𝐴𝑆𝐾 = 𝐴 � 𝑏𝑖 ∙ cos(2𝜋𝑓𝑐𝑡 + 𝛷) ∙ �𝑡− 𝑛𝑇𝑏𝑇𝑏
∞
𝑁=−∞
2. 1
1 si se transmite un “1” Donde 𝑏𝑖 = 0 si se transmite un “0”
A y 𝑓𝑐 son la amplitud y frecuencia de la portadora, respectivamente; 𝑇𝑏 es el intervalo de
señalización y 𝛷𝑐 un desfase inicial constante. En general, se verifica que 𝑓𝑐 >> 𝑓𝑏 = 1𝑇𝑏
, donde 𝑓𝑏
es la frecuencia de señalización.
2.1.2. Características de la modulación por desplazamiento de frecuencia
En la Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK) la información digital es codificada en
la frecuencia de la portadora sinusoidal. Las principales ventajas de FSK son su simplicidad, bajo
costo de implementación y buen nivel de rendimiento, especialmente en condiciones de
desvanecimiento de señal (H.Hguyeu and E.Shwedyle, 2009).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 43
En la modulación FSK por cada símbolo “1” una señal de alta frecuencia es transmitida, y por cada
símbolo “0” una señal de baja frecuencia es transmitida, es decir, el esquema FSK usa dos señales
con diferentes frecuencias para representar el “1” y el “0” (Xiong, 2000).
Si las señales son (Xiong, 2000):
𝑠1(t) = 𝐴 cos(2𝜋𝑓1𝑡 + 𝜑1) , kT ≤ t ≤ (k + 1)T, para 1 2.2
𝑠2(t) = 𝐴 cos(2𝜋𝑓2𝑡 + 𝜑2) , kT ≤ t ≤ (k + 1)T, para 0
Donde 𝜑1 y 𝜑2 son la fase inicial a t = 0, y T es el período del bit de los datos binarios. Estas dos
señales son no coherentes puesto que 𝜑1 y 𝜑2 no son generalmente las mismas. En este caso la
forma de onda no es continua en la transición de los bits. Esta forma de FSK se llama FSK no
coherente o FSK discontinua (Xiong, 2000).
El segundo tipo de FSK es la coherente (Figura 2.3), y es donde las dos señales tienes la misma
fase (𝜑). En este caso las frecuencias 𝑓1 y 𝑓2 están sincronizadas (Xiong, 2000).
Figura 2.3 Modulación FSK coherente (Gontean, 2010).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 44
2.1.3. Características de la modulación por desplazamiento de fase
La Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK) se utiliza en sistemas modernos de
comunicación, por ejemplo, en enlaces satelitales, en enlaces de radio por microondas, entre otros.
Codificación M-Aria
M-ario es un término derivado de la palabra binario. M es un dígito que representa la cantidad de
condiciones o combinaciones posibles para determinada cantidad de variables binarias. Los
sistemas FSK y BPSK son M-arios, siendo M = 2 (Tomasi, 2003). La cantidad de condiciones de
salida se determina a través de la ecuación:
𝑁 = 𝑙𝑜𝑔2𝑀 2. 2
Donde N es la cantidad de bits codificados y M es la cantidad de condiciones posibles de salida
con N bits.
Modulación por desplazamiento binario de fase (BPSK)
En la modulación BPSK son posibles dos fases de salida. Cuando la señal de entrada digital
cambia de estado, la fase de la portadora de salida varía entre dos ángulos que están desfasados
180o con respecto al oscilador de la portadora (Tomasi, 2003).
En BPSK la señal transmitida es 𝑠(𝑡) = 𝑚(𝑡)𝑐(𝑡), donde 𝑚(𝑡) es la forma de onda de la señal a
transmitir, 𝑐(𝑡) es la señal portadora y 𝑠(𝑡) es la señal modulada. La frecuencia de la portadora
es 𝑓𝑐 (Das, 2010). Esta modulación se aprecia en las Figuras 2.4 y 2.5
𝑠(𝑡) = 𝐴𝑐 sin(2𝜋𝑓𝑐𝑡) si 𝑚(𝑡) = “1” lógico 2.3
𝑠(𝑡) = −𝐴𝑐 sin(2𝜋𝑓𝑐𝑡) si 𝑚(𝑡) = “0” lógico
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 45
Figura 2.4 Relación de fase de salida en función del tiempo para un modulador BPSK
(Tomasi, 2003).
Figura 2.5 Modulación BPSK: a) tabla de verdad, b) diagrama fasorial, c) diagrama de la
constelación.
Modulación por desplazamiento cuaternario o en cuadratura de fase (QPSK)
La modulación QPSK es una técnica M-aria de codificación en la que M = 4. Con esta
codificación son posibles cuatro fases de salida para una sola frecuencia de portadora. En QPSK
los datos binarios de entrada se combinan en grupos de dos bits, en el que cada uno genera una de
las cuatro fases posibles de salida (00, 01, 10 y 11). En la Figura 2.5 se muestra un diagrama en
bloques de un transmisor QPSK.
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 46
Figura 2.6 Diagrama en bloques de un transmisor QPSK (Tomasi, 2003).
La Figura 2.7 muestra la fase de salida en función del tiempo para un modulador QPSK.
Figura 2.7 Fase de salida en función del tiempo en un modulador QPSK (Tomasi, 2003).
En la Figura 2.8 se observa que en QPSK cada uno de los cuatro fasores de salida posibles tienen
exactamente la misma amplitud. Además, la separación angular entre dos fasores adyacentes es de
90o (Tomasi, 2003).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 47
Figura 2.8 Modulador QPSK: a) tabla de verdad, b) diagrama fasorial, c) diagrama de
constelación (Tomasi, 2003).
Las señales están definidas como (Xiong, 2000):
𝑠𝑖(𝑡) = 𝐴 cos(2𝜋𝑓𝑐𝑡 + 𝜃𝑖), 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇, 𝑖 = 1, 2, 3, 4 2. 4
Donde
𝜃𝑖 = (2𝑖 − 1)𝜋
4 2. 5
Las fases iniciales de la señal son 𝜋4, 3𝜋
4, 5𝜋
4 y 7𝜋
4. La frecuencia de la portadora es elegida como
un múltiplo entero de la razón de los símbolos.
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 48
2.1.4. Características de la modulación de amplitud en cuadratura
La Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM) es una modulación digital en la que el mensaje
está contenido tanto en la amplitud como en la fase de la señal transmitida. Ella es empleada en
módems para alcanzar velocidades superiores a los 2400 bps, en sistemas de transmisión de
televisión y de satélite, entre otros.
Las constelaciones M-QAM son de dos dimensiones e involucran a dos funciones ortogonales
básicas, dadas por (Xiong, 2000):
𝜙𝐼(𝑡) = �2𝑇𝑠
cos(2𝜋𝑓𝑐𝑡), 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇𝑠 2. 6
𝜙𝑄(𝑡) = �2𝑇𝑠
sin(2𝜋𝑓𝑐𝑡), 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇𝑠 2. 7
Donde los subíndices I y Q se refieren a la portadora en fase y cuadratura, 𝑇𝑠 = 𝜆𝑇𝑏 y λ es un
grupo de bits.
La señal i-ésima transmitida se define como:
𝑠𝑖(𝑡) = 𝐴𝐼,𝑖�2𝑇𝑠
cos(2𝜋𝑓𝑐𝑡) + 𝐴𝑄,𝑖�2𝑇𝑠
sin(2𝜋𝑓𝑐𝑡) 0 ≤ 𝑡 ≤ 𝑇𝑠, 𝑖 = 1,2, … ,𝑀 2. 8
Las formas de onda de la señal QAM también pueden ser expresadas como:
𝑠𝑖(𝑡) = �𝐸𝑖�2𝑇𝑠
cos(2𝜋𝑓𝑐𝑡 − 𝜃𝑖) 2. 9
Donde: 𝐸𝑖 = �𝐴𝐼,𝑖2 + 𝐴𝑄,𝑖2 𝑦 𝜃𝑖 = tan−1 𝐴𝑄,𝑖
𝐴𝐼,𝑖
La expresión anterior expresa la combinación en amplitud y fase de la modulación.
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 49
En dependencia del número posible de símbolos M y del conjunto de amplitudes {𝐴𝐼,𝑖 ,𝐴𝑄,𝑖}, una
gran variedad de constelaciones QAM pueden ser realizadas. La configuración más importante de
los puntos de señal es la rectangular (H.Hguyeu and E.Shwedyle, 2009).
Modulación 16QAM
La modulación 16QAM es un sistema M-ario donde M=16, que actúa sobre los datos de entrada en
grupos de cuatro (24 = 16). El diagrama en bloques para un transmisor 16QAM se muestra en la
Figura 2.9. Los datos de entrada binaria en serie se dividen en cuatro canales: I, I’, Q, Q’. La tasa
de bits de cada canal es igual a un cuarto de la tasa de bits de entrada. Los bits I y Q determinan la
polaridad en la salida de los convertidores de niveles y los bits I’ y Q’ determinan la magnitud. En
consecuencia, los convertidores de niveles generan una señal que tiene Modulación por Amplitud
de Pulsos (PAM). Dos polaridades y dos magnitudes son posibles a la salida de cada convertidor,
las cuales son: ±0.22 V y ±0.821 V, con lo que se obtiene una señal con cuatro niveles de
amplitud. Las señales PAM generadas modulan las portadoras en fase y en cuadratura, en los
moduladores de producto. Luego el sumador lineal combina la salida de los moduladores de
producto de canal I y Q produciendo las 16 condiciones de salida necesarias para el esquema de
modulación presentado (Tomasi, 2003).
Figura 2.9 Diagrama de bloques de un transmisor 16QAM (Tomasi, 2003).
En la Figura 2.10 se presenta el diagrama de constelación y fasorial de un modulador 16QAM.
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 50
Figura 2.10 Diagrama de constelación y fasorial de un modulador 16QAM (Tomasi, 2003).
2.2. Las herramientas de simulación Xilinx ISE, Matlab y System Generator
La integración de las herramientas de diseño electrónico en entornos de desarrollo ha impulsado el
auge de nuevas técnicas de diseño para dispositivos reconfigurables, facilitando la implementación
de sistemas de procesamiento modulares y autónomos. La compañía Xilinx desarrolla softwares de
este tipo, los cuales facilitan el diseño de sistemas de procesamiento digital en una amplia variedad
de FPGAs producidos por esta misma empresa (Xilinx, 2011).
El ISE de Xilinx está formado por un conjunto de herramientas que permite diseñar circuitos
digitales mediante esquemas lógicos o utilizando lenguajes de descripción de hardware como
VHDL o Verilog. También permite simular el comportamiento de los circuitos diseñados y
sintetizarlos sobre dispositivos lógicos programables de Xilinx. Su entorno posee un aspecto
similar al utilizado en los softwares de programación actuales (Visual Basic, Visual C), con
diversas ventanas que permiten visualizar tareas específicas (Xilinx, 2012b).
Matlab es un programa de cálculo numérico y visualización de datos para la resolución de
problemas complejos planteados en la realización y aplicación de modelos matemáticos de
ingeniería. Este software posee versatilidad y capacidad para resolver problemas de matemática
aplicada, física, química, ingeniería, finanzas y otras aplicaciones. Su base la constituye el cálculo
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 51
matricial e integra análisis numérico, procesamiento de señales y visualización gráfica
(MathWorks, 2012).
Matlab dispone de herramientas adicionales que expanden sus prestaciones como Simulink, un
software para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos (MathWorks, 2012). Simulink
proporciona una interfaz de usuario gráfica para construir los modelos como diagramas de bloques.
Además, incluye una amplia biblioteca de fuentes y herramientas de visualización que lo hacen
valioso para el diseño de sistemas.
System Generator es una herramienta desarrollada por Xilinx que permite el diseño basado en
modelos en el entorno de Simulink en Matlab, para el desarrollo de sistemas de procesamiento
digital en FPGAs. Se integra a Simulink como una caja de herramientas (toolbox) al instalarse en
la computadora el software Xilinx ISE (Figura 2.11).
Figura 2.11 Instalación del software System Generator (Rodríguez-Gallo, 2012).
Como todos los sets de bloques de Simulink, System Generator se integra como una biblioteca de
bloques que pueden ser conectados para crear modelos funcionales de un sistema. De esta forma,
permite modelar, simular y analizar sistemas de procesamiento complejos y de alto rendimiento
para una plataforma hardware específica.
Los diseños desarrollados con System Generator pueden componerse de una gran variedad de
elementos: bloques específicos de System Generator, código de un lenguaje de descripción de
hardware tradicional como VHDL o Verilog, y funciones derivadas del lenguaje de programación
M de Matlab. Todos estos elementos pueden ser usados simultáneamente, simulados en conjunto y
sintetizados para obtener un sistema de procesamiento de señales sobre una FPGA.
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 52
La versión que se usa del software Matlab en esta investigación es la 2009b y la 12.1 de Xilinx
ISE, al ser compatibles y proporcionar la instalación del software System Generator.
La biblioteca de System Generator en esta versión comprende desde componentes básicos como
sumadores, multiplicadores y registros, hasta módulos sofisticados que llevan a cabo tareas de
procesamiento de más alto nivel como son los bloques de corrección de errores para sistemas de
comunicaciones, filtros, FFT (Transformada Rápida de Fourier) y memorias; lo cual demuestra la
conveniencia de emplear esta herramienta de programación para el desarrollo de las modulaciones
digitales que se presentaron en el epígrafe anterior.
Todos los componentes que posee System Generator están agrupados en librerías (Tabla 2.1),
según la función que realizan.
Tabla 2.1 Librerías de System Generator en Simulink (Xilinx, 2011).
Librerías Descripción Index Todo el set de bloques de Xilinx.
Basic Elements Bloques de elementos estándares para la construcción de lógica digital.
Communication Bloques de corrección de errores de uso
común en los sistemas de comunicaciones digitales.
Control Logic Bloques de circuitos de control y máquinas de estado.
Data Types Bloques para convertir tipos de datos. DSP Bloques de Procesamiento Digital de Señales.
Math Bloques que implementan funciones matemáticas.
Memory Bloques para la implementación y acceso a la memoria.
Shared Memory Bloques para la implementación y acceso a la memoria compartida de Xilinx
Tools Bloques de Herramientas, estimación de recursos, Co-simulación.
2.3. Características principales de las FPGAs
Desde su fundación, en 1984, por los ingenieros en semiconductores Ross Freeman y Bernard
Vonderschmitt, la corporación Xilinx ha sido puntera en el desarrollo de FPGAs. En las líneas de
productos que actualmente comercializa se encuentran las series Virtex y Spartan (Xilinx, 2012b).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 53
Cada FPGA está compuesta de un número finito de recursos predefinidos con interconexiones
programables para implementar un circuito digital reconfigurable. La arquitectura de una FPGA
(Figura 2.12) consiste en arreglos de bloques lógicos que se comunican entre sí, a través de canales
de conexión generalmente dispuestos en filas y columnas.
Figura 2.12 Diagrama general de una FPGA (Jiménez, 2009).
Los bloques lógicos configurables (CLB) constan básicamente de una parte combinacional que
permite implementar funciones lógicas, y una parte secuencial formada por flip-flops que permite
sincronizar la salida con una señal de reloj externa, lo cual es útil para realizar circuitos
secuenciales y la implementación de registros. En cada CLB hay normalmente dos slices que no
tienen comunicación entre ellas, pero sí tienen señales para acarreos de entrada y salida, las cuales
son usadas para implementar sumadores y multiplicadores. Cada slice (Figura 2.13) se corresponde
con una columna en el CLB y está conectado a una matriz de conmutación para acceder a los
bloques de interconexión de celdas. En el CLB pueden encontrarse dos tipos de slice: el SLICEL y
el SLICEM. La estructura de un bloque lógico varía de un fabricante a otro; sin embargo, la lógica
combinacional se basa principalmente en Tablas de Búsqueda o Look-Up Tables (LUTs).
Figura 2.13 Estructura simplificada de un Slice (Jiménez, 2009).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 54
Una LUT es un componente de memoria que almacena una tabla de verdad. Las direcciones de la
memoria son las entradas de la función lógica a implementar, y en cada localidad de dicha
memoria se almacena el resultado de la combinación correspondiente de las entradas. En una LUT
de n x 1 es posible implementar cualquier función lógica de n entradas (Xilinx, 2012b).
Los bloques de entrada/salida (IOB) son otro de los componentes particulares que tienen los
FPGAs, y su función es controlar el flujo de datos entre los pines de entrada/salida y la lógica
interna del dispositivo.
2.3.1. El Kit de desarrollo Nexys2
En la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas,
Cuba, se posee la tarjeta Nexys2, siendo la utilizada en este trabajo para la implementación de las
modulaciones digitales anteriormente presentadas.
La tarjeta Nexys2 es una plataforma de desarrollo basada en la FPGA Spartan3E de Xilinx. Tiene
un puerto USB 2.0 de alta velocidad, 16 Mbytes de memoria RAM (Random Access Memory) y
ROM (Read Only Memory), varios dispositivos de entrada/salida y puertos para el desarrollo de
sistemas digitales. El puerto USB 2.0 provee de energía a la tarjeta y a una interfaz para la
programación. Los diseños desarrollados en ella pueden crecer más allá de la misma utilizando los
cinco conectores de expansión que posee. Todas las señales accesibles por el usuario en la tarjeta
son protegidas contra cortocircuitos. Además, es compatible con todas las versiones de las
herramientas de Xilinx ISE.
Una de las limitaciones que presenta la tarjeta Nexys2 es que posee 500 mil compuestas lógicas, lo
que significa que tiene pocos recursos lógicos. Adicionalmente, la frecuencia de su reloj es de 50
MHz; y en la Facultad no se cuenta con conversores Analógico/Digital ni Digital/Analógico, que
puedan ser conectados a sus dispositivos de expansión, lo cual reduce más sus prestaciones.
En la Figura 2.14 se muestra el diagrama en bloques de esta tarjeta. En el Anexo I se presenta la
distribución de los pines utilizados en este trabajo. Una descripción más detallada del Kit de
desarrollo Nexys2 se puede encontrar en (Digilent, 2008).
ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL Y HERRAMIENTAS DE DISEÑO PARA FPGAS DE XILINX 55
Figura 2.14 Diagrama en bloques del kit Nexys2 (Digilent, 2008).
2.4. Conclusiones parciales
La caracterización realizada de los esquemas de modulación digital proporcionó las
principales particularidades que posee cada uno, las cuales unidas a la descripción general
efectuada de las herramientas de simulación Matlab, Xilinx ISE y System Generator,
revelan la conveniencia del uso de estos software para la implementación de estas
modulaciones.
La tarjeta Nexys2, a pesar de las limitaciones que tiene su utilización, sirve para evaluar la
funcionalidad de las modulaciones a implementar, siempre que se tomen en consideración
en el momento de desarrollar los sistemas en las herramientas de simulación.
CAPÍTULO 3. IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES
DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS
En el capítulo anterior se expusieron las características principales de las modulaciones digitales
utilizadas en esta investigación, de las herramientas de software y del hardware. En el presente
capítulo se muestra un flujo de diseño elaborado para programar las modulaciones desarrolladas en
el Kit de desarrollo Nexys2. Seguidamente se explica la implementación de las mismas utilizando
el software System Generator. Posteriormente se evalúa su funcionamiento a través de
simulaciones en Simulink, utilizando para ello las prestaciones que brinda System Generator con
este propósito. Finalmente se comprueba su funcionamiento en la FPGA mediante un osciloscopio.
3.1. Flujo de diseño elaborado para la implementación de las modulaciones
Los flujos de diseño son elaborados con el propósito de mostrar las diferentes etapas del diseño de
un sistema (Brox et al., 2010). Ellos son frecuentemente utilizados por los investigadores,
pudiéndose encontrar en trabajos tales como: (Tariq, 2011), (Sreedaranath, 2010), (Chiraz et al.,
2011), (Meyer-Baese et al., 2011) y (Viejo et al., 2012).
Figura 3.1 Flujo de diseño confeccionado para la implementación de los sistemas.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 57
Para lograr el desarrollo e implementación de las modulaciones digitales en las herramientas de
simulación System Generator, Matlab, Xilinx ISE, y en el Kit de desarrollo Nexys2, se creó el
flujo de diseño que aparece en la Figura 3.1.
Todo sistema que se va a realizar utilizando System Generator tiene que poseer un bloque que se
nombra igual que esta herramienta de simulación (Figura 3.2), el cual se encuentra en la librería
“Basic Elements”. El mismo es el encargado de proporcionar el control del sistema, los parámetros
de las simulaciones e invocar el generador de código. También en él se especifican características
del proyecto tales como: la familia del dispositivo en el que se va a implementar el diseño, la
frecuencia de operación del circuito, el lenguaje de descripción de hardware y el tipo de
compilación a utilizar.
Figura 3.2 Bloque System Generator configurado.
Para verificar el funcionamiento de las modulaciones creadas en System Generator se pueden usar
dos alternativas. La primera es a través del bloque “Scope” de Simulink, el cual brinda la
posibilidad de visualizar los resultados obtenidos en las simulaciones, y la otra es utilizando el
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 58
bloque “WaveScope”, propuesto por System Generator con el mismo propósito. Los resultados
obtenidos en esta investigación se presentan usando esta última variante.
Los bloques de entrada y salida de System Generator brindan la posibilidad de especificar los
pines a utilizar de la FPGA (Figura 3.3), para lo cual se hace necesario conocer las
especificaciones de la tarjeta, con el fin de evitar cometer errores que provocarían un resultado
desfavorable en ella.
Figura 3.3 Bloque de salida en System Generator.
Después de confeccionar la aplicación y simularla para comprobar su funcionamiento se pasa a la
etapa de generación del código HDL, cuyo resultado es un proyecto en Xilinx ISE con el código de
la aplicación desarrollada (Figura 3.4). En este trabajo las aplicaciones se sintetizaron en lenguaje
VHDL.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 59
Figura 3.4 Proyecto obtenido de la síntesis de un sistema en System Generator.
El programa Xilinx ISE permite sintetizar la aplicación, obteniéndose una tabla resumen de los
recursos utilizados por ella en la FPGA. Además, brinda la posibilidad de conocer la demora del
sistema y la potencia que consume. Normalmente no ocurren errores en este proceso y si llegaran a
producirse, el más común tiene que ver con el agotamiento de los recursos que posee la FPGA que
se está utilizando, lo cual se puede solucionar cambiándola por otra que tenga un mayor número de
recursos o reprogramando nuevamente el sistema en System Generator.
Seguidamente se pasa al proceso de implementación en la FPGA, para lo cual existen dos
herramientas, las cuales utilizan un fichero de programación (.bit) con este fin, que es generado en
el software Xilinx ISE. IMPACT es una de esas herramientas. En este trabajo no fue posible usarla
debido a la carencia del cable JTAG. La otra es Digilent Adept, que provee el fabricante de la
tarjeta. Este software brinda al usuario una interfaz (Figura 3.5) para la programación del kit
Nexys2 mediante el puerto USB.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 60
Figura 3.5 Interfaz de programación del software Digilent Adept.
Al estar la FPGA programada se pasa al proceso de verificación del sistema, que en este trabajo se
realizó utilizando un osciloscopio digital Rigol DS1022C de dos canales. Si el resultado no es el
esperado se puede regresar al software Xilinx ISE para verificar que los pines que se están usando
son los correctos, o directamente al System Generator.
3.2. Confección de las modulaciones digitales utilizando las herramientas de simulación
Las modulaciones digitales que se implementaron en este trabajo son las presentadas en el
Capítulo 2. Debido a que el Kit de desarrollo Nexys2 no posee conversores Analógico/Digital ni
Digital/Analógico, la señal de la fuente de datos y de la portadora se generó internamente, lo que
provocó un uso adicional de los recursos de la tarjeta. Esto se hizo con el propósito de poder
verificar el funcionamiento de los sistemas realizados, ya que a través de los conectores Pmod del
kit de desarrollo se pueden obtener señales digitales, las cuales pueden ser visualizadas en un
osciloscopio.
La computadora utilizada en esta investigación posee 2 GB de memoria RAM, dos
microprocesadores de 2.16 GHz cada uno y tiene instalado el sistema operativo Windows 7, por lo
que se encuentra en el límite de los recursos necesarios para la utilización de la herramienta de
simulación System Generator, ya que sus creadores proponen como mínimo una memoria RAM de
2 GB para su uso en el sistema operativo Windows. A pesar de esta limitación se eligió debido a
las ventajas que brinda.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 61
La señal de los datos en los sistemas se generó a una frecuencia de 50 KHz y la portadora al doble.
Los filtros confeccionados poseen un orden de 50. En los demoduladores, el proceso de
recuperación de la portadora no se confeccionó.
A continuación se presenta la programación de estos sistemas en la herramienta de simulación
System Generator.
3.2.1. Modulación ASK
La modulación ASK implementada utilizando System Generator se muestra en la Figura 3.6. El
subsistema de la fuente de datos está constituido por el bloque LFSR, el cual da indefinidamente la
misma entrada binaria que se le introduce. Este bloque se encuentra en la librería “Basic
elements”. Para la obtención de la portadora se usó el bloque DDS Compiler 4.0, el cual permite
generar a una frecuencia determinada, una señal seno, una coseno o ambas al mismo tiempo. Este
bloque se localiza en la librería DSP y en su configuración hay que especificar la frecuencia de
operación de la FPGA. Un error en la introducción de este dato o su no ingreso provocará errores
en la implementación en la FPGA. Para la creación del modulador se utilizó un bloque multiplexor
y un multiplicador, los cuales se encuentran en las librerías “Basic elements” y en la “Math”
respectivamente.
Figura 3.6 Modulación ASK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 62
El demodulador está compuesto por el detector de producto, el cual fue elaborado utilizando el
bloque Mult que permite la multiplicación de señales y se halla en la librería “Math”. No obstante,
antes de introducir la señal modulada en él, fue necesario convertirla para evitar errores en el
momento de dicha multiplicación. Para lograr esto se empleó el bloque Convert que está en la
librería “Basic elements”. A continuación aparece el subsistema filtro. System Generator posee un
bloque que se llama FIR Compiler 5.0, el cual permite implementar filtros FIR y se localiza en la
librería DSP. A este bloque se le pasan los coeficientes obtenidos en otro llamado FDATool, el
cual facilita el diseño de los filtros digitales en esta herramienta de programación. La última etapa
del demodulador es la sección de decisión, la cual se creó usando el bloque Mcode que se
encuentra en la librería “Control logic”.
3.2.2. Modulación OOK
En la Figura 3.7 se muestra la modulación OOK implementada en System Generator. Como se
explicó en el capítulo anterior, la diferencia entre esta modulación y ASK consiste en que el
modulador pone en la salida la señal de la portadora por cada símbolo “1” y ninguna señal para
cada símbolo “0”. Para lograr esto se usó en el modulador un multiplexor y una constante, la cual
se programó para que diera en la salida el valor “0”. Los demás módulos se mantuvieron iguales,
excepto el de la sección de decisión que fue programado para las condiciones de esta modulación.
Figura 3.7 Modulación ASK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 63
3.2.3. Modulación FSK
La modulación FSK implementada en System Generator aparece en la Figura 3.8. En el modulador
la fuente de datos se programó igual que en los sistemas anteriores, es decir, a través del bloque
LSFR. Las dos frecuencias de transmisión se generaron utilizando el bloque DDS Compiler 4.0, y
además se usó un multiplexor.
El demodulador está conformado de modo similar a los presentados anteriormente. El cambio se
produce en la sección de decisión en la cual la programación del bloque Mcode es diferente, ya
que se implementó adaptándose a las características del sistema programado.
Figura 3.8 Modulación FSK implementada con System Generator.
3.2.4. Modulación BPSK
La modulación BPSK se programó de dos formas distintas (Figuras 3.9 y 3.10). La diferencia
fundamental se encuentra en el modulador. En ambos sistemas se usó para generar los datos el
bloque LSFR, y para la portadora el DDS Compiler 4.0.
En la variante I el modulador se implementó usando el bloque Mcode, el cual se programó para
que funcionara como un conmutador. En la variante II se utilizó un multiplexor. Los
demoduladores se confeccionaron de una forma similar a los explicados anteriormente.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 64
Figura 3.9 Variante I de la modulación BPSK implementada con System Generator.
Figura 3.10 Variante II de la modulación BPSK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 65
3.2.5. Modulación QPSK
En la Figura 3.11 se muestra la modulación QPSK confeccionada. La fuente de datos y la
portadora se implementaron a través de los bloques LSFR y DDS Compiler 4.0 respectivamente.
Para realizar la conversión serie-paralelo se usó un demultiplexor por división de tiempo que se
encuentra en la librería “Basic elements”, el cual se configuró para obtener en la salida los canales
I y Q. Seguidamente se pasó al proceso de convertir las señales de uno a dos niveles, efectuado a
través de bloques Mcode. Los moduladores balanceados están constituidos por un multiplicador de
señales. Finalmente se realiza la suma de las señales de los canales para ser transmitidas, a través
de un bloque AddSub, que se encuentra en la librería “Math”.
El receptor QPSK inicialmente tiene los detectores de producto I y Q. Estos se hicieron con
bloques Mult. A continuación se implementó un filtro paso bajo con orden 50 utilizando las
prestaciones que brindan los bloques FIR Compiler 5.0 y FDATool. Seguidamente aparecen los
convertidores de 2 a 1, confeccionados con bloques Mcode y que permiten llevar las señales de los
canales a los niveles de 0V y 1V. Finalmente se utilizó un multiplexor por división de tiempo que
permite convertir los canales I y Q en un flujo de bits igual al generado en la fuente de datos.
3.2.6. Modulación 16QAM
La modulación 16QAM desarrollada aparece en la Figura 3.12. La fuente de datos y la portadora
se configuraron igual que en la modulación QPSK. El subsistema que permite la conversión serie-
paralelo está constituido por un bloque Time Division Demultiplexer, el cual está programado para
obtener en la salida los canales I, I’, Q y Q’. Los subsistemas convertidores de 2 a 4 niveles están
constituidos por bloques Mcode, los cuales dan en la salida dos polaridades y dos magnitudes, que
son: ± 0.22V y ± 0.821V. Los subsistemas: sumador lineal, modulador balanceado I y modulador
balanceado Q se confeccionaron igual que en QPSK.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 66
Figura 3.11 Modulación QPSK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 67
Figura 3.12 Modulación 16QAM implementada con System Generator
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 68
En el receptor 16QAM los subsistemas: detector de producto I, detector de producto Q y filtro se
hicieron igual que en la modulación QPSK. Los subsistemas convertidores de 4 a 2 niveles se
confeccionaron con bloques Mcode, los cuales hacen el proceso contrario al que se realiza en el
transmisor. Finalmente usando un multiplexor por división de tiempo se convierten los cuatro
canales en un flujo de bits.
3.3. Evaluación e implementación en el Kit Nexys2 de las aplicaciones confeccionadas
A continuación se brindan los resultados fundamentales de las simulaciones y de la
implementación de las aplicaciones en el kit Nexys2.
3.3.1. Modulación ASK
Para comprobar el funcionamiento de la modulación ASK se utilizó el bloque WaveScope,
disponible en la librería “Tools” de System Generator. Este bloque permite visualizar varias
señales de forma simultánea junto con la señal del reloj global del sistema. En la Figura 3.13 se
muestra el resultado obtenido al simular esta programación; observándose que la señal recibida es
igual a la generada inicialmente, y que la señal se moduló correctamente.
Figura 3.13 Modulación ASK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 69
Después de comprobada la funcionalidad de la modulación ASK mediante la simulación, se generó
su proyecto en Xilinx ISE. Seguidamente se corrió el código VHDL de la aplicación desarrollada,
obteniéndose la Tabla 3.1 con los recursos consumidos en la FPGA.
Tabla 3.1 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación ASK.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 1,055 9,312 11 % Number of 4 input LUTs 771 9,312 8 % Number of occupied Slices 617 4,656 13 % Total Number of 4 input LUTs 885 9,312 9 % Number of bonded IOBs 25 232 10 % Number of RAMB16s 1 20 5 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 8 20 40 %
En los resultados obtenidos en la Tabla 3.1 se observa que la utilización lógica de la mayoría de
los recursos en el Kit Nexys2 está alrededor del 10 %, sobresaliendo el número de los
multiplicadores con un 40 %. El consumo de potencia es de 99.30 mW y la demora de los datos en
el camino es de 15.768 ns.
En la Figura 3.14 se muestra internamente la Spartan 3E del kit de desarrollo Nexys2, con el ruteo
automático efectuado por el compilador Xilinx ISE para la implementación de este sistema. El
ruteo también puede realizarse de forma manual, aunque no es aconsejable debido a la
complejidad interna que poseen las FPGA, y que muchos de los datos que utilizan los
compiladores no están al alcance de los investigadores, al ser considerados secretos de las
compañías productoras de estos dispositivos (Sisterna, 2012a). En el Anexo II se muestra un área
del enrutamiento, en la cual se desconoce lo que existe.
Al realizar un acercamiento al sistema ruteado se pueden observar los slice que están siendo
usados en la implementación de la modulación. En la Figura 3.15 se muestran algunos de ellos.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 70
Figura 3.14 Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación ASK.
Figura 3.15 Muestra de Slices utilizados en la implementación de la modulación ASK.
El esquemático generado por Xilinx ISE de la modulación ASK se observa en la Figura 3.16. Este
está constituido por LUTs, biestables, XOR, entre otros componentes lógicos. En programaciones
complejas, como la presente, no es recomendable su utilización, ya que se hace difícil determinar
el funcionamiento del circuito programado, objetivo principal para lo cual se utiliza (Sisterna,
2012b); por lo que se omitirán los esquemáticos de las otras modulaciones en este trabajo.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 71
Figura 3.16 Esquemático de la modulación ASK.
En las Figuras 3.17 y 3.18 se puede apreciar la implementación de la modulación ASK en el Kit
Nexys2 y el resultado obtenido en el osciloscopio. Anteriormente se explicó que la señal de los
datos se generó internamente. Esta se obtuvo de la FPGA a través del pin JA1: L15 de los
conectores Pmod JA que posee la tarjeta (Anexo). La salida del demodulador se extrajo por el pin
JA1: K12 de la misma. En la Figura 3.18 se aprecia que la señal obtenida es igual a la señal
generada internamente.
Figura 3.17 Modulación ASK implementada en la Tarjeta Nexys2.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 72
Figura 3.18 Resultado alcanzado de la implementación de la modulación ASK en la tarjeta
Nexys2.
3.3.2. Modulación OOK
En la Figura 3.15 se muestra el resultado obtenido de la programación en el software System
Generator de la modulación OOK, el cual se encuentra en correspondencia con lo expuesto en el
Capítulo 2, viéndose que la señal modulada en los momentos en que se está transmitiendo un cero
lógico, también se hace cero.
Figura 3.19 Modulación OOK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 73
Después de verificar su funcionamiento en System Generator, al realizar varias iteraciones del
sistema creado, alcanzándose resultados favorables, se pasó a generar su código VHDL, y por
consiguiente el proyecto en Xilinx ISE, a través del cual se obtuvo la Tabla 3.2, que presenta la
utilización de los recursos del sistema desarrollado en la FPGA. En este caso, los recursos lógicos
consumidos se encuentran alrededor del 5 % en las distintas variables, no así en los
multiplicadores donde son de un 20 %. El consumo de energía es de 89.39 mW y la demora de los
datos de 14.275 ns.
Al comparar el consumo de recursos entre las modulaciones ASK y OOK se aprecia que en la
OOK se usan menos que en ASK. Se infiere que este cambio, especialmente significativo en el
uso de los multiplicadores, se debe a que en OOK no se implementó un bloque multiplicador en
System Generator, el cual sí fue concebido en ASK. También se percibe que la potencia
consumida y la demora son superiores en ASK.
Tabla 3.2 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación OOK.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 564 9,312 6 % Number of 4 input LUTs 410 9,312 4 % Number of occupied Slices 346 4,656 7 % Total Number of 4 input LUTs 472 9,312 5 % Number of bonded IOBs 10 232 4 % Number of RAMB16s 1 20 5 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 4 20 20 %
El resultado alcanzado en su implementación en la FPGA es igual al que se presentó en la Figura
3.18. El ruteo realizado en este caso, por el compilador Xilinx ISE, aparece en el Anexo III.
3.3.3. Modulación FSK
El resultado alcanzado en la simulación de la modulación FSK programada se muestra en la Figura
3.20. En él se observa que por cada símbolo “1” una señal de alta frecuencia es transmitida y que
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 74
por cada símbolo “0” una señal de baja frecuencia es transmitida, por lo que se corresponde con la
teoría expuesta en el Capítulo anterior.
Figura 3.20 Modulación FSK implementada con System Generator.
Tabla 3.3 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación FSK.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 571 9,312 6 % Number of 4 input LUTs 407 9,312 4 % Number of occupied Slices 351 4,656 7 % Total Number of 4 input LUTs 482 9,312 5 % Number of bonded IOBs 10 232 4 % Number of RAMB16s 2 20 10 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 4 20 20 %
En la Tabla 3.3 se exhibe la utilización lógica en la FPGA de la modulación creada, alcanzada
después de generar su proyecto en Xilinx ISE y haberlo sintetizado. En este caso se aprecia que no
son muchos los recursos usados. La demora de los datos es de 13.932 ns y la potencia consumida
de 89.44 mW.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 75
Al implementar en el Kit de desarrollo esta modulación, el resultado alcanzado en el osciloscopio,
es igual al mostrado en la Figura 3.18. En el Anexo IV aparece el ruteo automático que hizo de
esta modulación el compilador Xilinx ISE.
3.3.4. Modulación BPSK
En el epígrafe 3.2 se explicó que se programaron dos variantes de modulaciones BPSK. El
resultado obtenido en su simulación fue el mismo en ambas, y este se muestra en la Figura 3.21.
Cada vez que ocurre una transición en los datos que van a ser transmitidos, de un cero lógico a un
uno, o viceversa, cambia la fase en la señal de salida.
Variante I
El modulador balanceado en esta variante se programó utilizando el bloque Mcode. Después de
realizarse las pruebas para validar los resultados en el software System Generator, se generó el
código VHDL de la aplicación y su proyecto en Xilinx ISE, el cual fue posteriormente sintetizado.
En la Tabla 3.4 se muestra el sumario de la utilización lógica en la FPGA. La demora de los datos
es de 13.362 ns y la potencia consumida de 88.40 mW.
Figura 3.21 Modulación BPSK implementada con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 76
Tabla 3.4 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la Variante I de la
modulación BPSK.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 583 9,312 6 % Number of 4 input LUTs 407 9,312 4 % Number of occupied Slices 315 4,656 6 % Total Number of 4 input LUTs 482 9,312 5 % Number of bonded IOBs 9 232 3 % Number of RAMB16s 2 20 10 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 4 20 20 %
Variante II
En este caso el modulador balanceado fue confeccionado a través de un multiplexor. El sumario
del uso de los recursos en la tarjeta se muestra en la Tabla 3.5. La demora de los datos y la
potencia consumida es de 14.689 ns y 88.82 mW respectivamente.
Tabla 3.5 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la Variante II de la
modulación BPSK.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 583 9,312 6 % Number of 4 input LUTs 406 9,312 4 % Number of occupied Slices 338 4,656 7 % Total Number of 4 input LUTs 481 9,312 5 % Number of bonded IOBs 9 232 3 % Number of RAMB16s 2 20 10 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 4 20 20 %
Al comparar ambas programaciones en cuanto a su consumo de recursos y de potencia, se aprecia
que son prácticamente iguales, no así la demora que es superior en la variante II.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 77
Los resultados alcanzados de la implementación de ambas programaciones en la FPGA son los
mismos que se presentaron en la Figura 3.18, y en los Anexos V y VI se exhibe el ruteo obtenido
en ambos casos.
3.3.5. Modulación QPSK
En la Figura 3.22 se muestra la señal de los datos generada, la obtenida en la salida del
demodulador, distinguiéndose que ambas son iguales, y la modulada; resultados alcanzados en la
simulación de la modulación QPSK confeccionada.
Figura 3.22 Modulación QPSK implementada con System Generator.
En las Figuras 3.23 y 3.24 se muestran las señales obtenidas en la salida de algunos subsistemas
que conforman el modulador y el demodulador respectivamente. En la primera se observa la
cadena de bits de datos convertida de serie a paralelo y seguidamente, las señales en la salida de
los moduladores balanceados I y Q, resultado de la multiplicación efectuada entre el oscilador de
la portadora de referencia desplazada noventa grados y sin desplazar, con los bits en paralelo.
Finalmente estas dos señales son sumadas, dando como resultado la señal modulada con cuatro
fases distintas.
En la Figura 3.24 la primera señal que aparece es la modulada. A continuación se encuentran las
que son el resultado del producto de la señal modulada con la de la portadora desplazada noventa
grados y sin desplazar. Seguidamente, estas señales se presentan filtradas, apreciándose cuatro
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 78
niveles distintos en su amplitud, que son usados para obtener las señales binarias I y Q, las que
finalmente se convierten en un flujo de bits que es igual al de los datos transmitidos.
Después de haber realizado varias corridas para comprobar el correcto funcionamiento de la
modulación QPSK en System Generator, se generó su código de descripción de hardware y su
proyecto en Xilinx ISE. Antes de su implementación en la FPGA se sintetizó el proyecto,
obteniéndose la Tabla 3.6 sobre la utilización de los recursos en la FPGA, el consumo de potencia
y la demora de los datos, siendo estos últimos de 99.39 mW y 14.001 ns respectivamente.
Figura 3.23 Señales en el modulador QPSK implementado con System Generator.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 79
Figura 3.24 Señales en el demodulador QPSK implementado con System Generator.
Tabla 3.6 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación QPSK.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 1,348 9,312 14 % Number of 4 input LUTs 887 9,312 9 % Number of occupied Slices 875 4,656 18 % Total Number of 4 input LUTs 1,005 9,312 10 % Number of bonded IOBs 121 232 52 % Number of RAMB16s 1 20 5 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 10 20 50 %
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 80
El resultado alcanzado al implementar esta modulación en el Kit Nexys2 es igual al que se muestra
en la Figura 3.18, y en el Anexo VII se exhibe el ruteo obtenido a través del software Xilinx ISE.
3.3.6. Modulación 16QAM
En las Figuras 3.25, 3.26 y 3.27 se presentan los resultados obtenidos de la implementación de la
modulación 16QAM utilizando la herramienta de simulación System Generator. En ellas se
muestran las señales en diferentes puntos del sistema. En la 3.25 aparece la señal modulada y los
datos transmitidos y recibidos, que son idénticos, confirmándose que funciona correctamente el
sistema desarrollado.
Figura 3.25 Modulación 16QAM implementada con System Generator.
En la Figura 3.26 se exhiben las señales correspondientes al modulador. Primeramente se muestran
dos de las cuatro señales que hay en la salida del convertidor serie, y a continuación las que están
después de los convertidores del canal I y Q, las cuales poseen dos polaridades y dos magnitudes:
±0.22 V y ±0.821 V. Para finalizar se presenta la señal que se encuentra en la salida del modulador
balanceado I y del sumador lineal.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 81
Figura 3.26 Señales en el modulador 16QAM implementado con System Generator.
Algunas de las señales del proceso de demodulación aparecen en la Figura 3.27, entre ellas se
encuentran las que están en la salida de los bloques detectores de producto I y Q, de los filtros del
canal I y Q, de los convertidores de cuatro a dos correspondientes a cada canal, y por último se
muestran los datos recibidos.
Al sintetizar el proyecto generado en Xilinx ISE se obtuvo la Tabla 3.7 en la cual se presenta el
consumo de los recursos en la FPGA. La demora de los datos es de 14.531 ns y la potencia
consumida de 196.78 mW.
Se observó un resultado igual al que aparece reflejado en la Figura 3.18, al implementarse en la
FPGA el sistema desarrollado. En el Anexo VIII aparece el ruteo obtenido de esta modulación, al
ser sintetizada en el software Xilinx ISE.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 82
Figura 3.27 Señales en el demodulador 16QAM implementado con System Generator.
Tabla 3.7 Sumario de la utilización de los recursos en la FPGA de la modulación 16QAM.
Device Utilization Summary Logic Utilization Used Available Utilization Number of Slice Flip Flops 7,225 9,312 77 % Number of 4 input LUTs 6,089 9,312 65 % Number of occupied Slices 4,085 4,656 87 % Total Number of 4 input LUTs 6,535 9,312 70 % Number of bonded IOBs 155 232 66 % Number of RAMB16s 1 20 5 % Number of BUFGMUXs 1 24 4 % Number of MULT18X18SIOs 4 20 20 %
Al compararse las modulaciones QPSK y 16QAM en cuanto al uso de los recursos en la FPGA, la
demora en el sistema y el consumo de potencia, se comprueba que en 16QAM todas estas
variables son superiores, resultado esperado debido a que su complejidad es superior.
IMPLEMENTACIÓN DE LAS MODULACIONES DIGITALES Y RESULTADOS OBTENIDOS 83
3.4. Conclusiones parciales
El flujo de diseño confeccionado permitió conocer la interrelación que existe entre las
herramientas utilizadas en este trabajo investigativo; asimismo los pasos que se deben
seguir para implementar satisfactoriamente las modulaciones desarrolladas en el Kit
Nexys2.
En el transcurso de la confección de las aplicaciones en System Generator se observó que
al irse incrementando su complejidad, el tiempo de simulación aumenta considerablemente,
ocasionando retardos en el proceso de programación.
La más compleja de todas las modulaciones digitales desarrolladas es la 16QAM, lo que
trae como consecuencia que tenga su implementación, el mayor consumo de recursos
lógicos, gasto de potencia y demora de los datos.
CONCLUSIONES
La presente tesis es el resultado de un trabajo de investigación que abarcó alrededor de un año. A
partir de los fundamentos y los resultados que se muestran en este informe, se pueden establecer
como conclusiones las siguientes:
La Radio Definida por Software actualmente está siendo estudiada en el mundo por sus
ventajas y aplicación en los sistemas de comunicación, lo que se evidencia en el número de
investigaciones que se están realizando sobre esta temática; mientras que en Cuba se están
dando los primeros pasos, siendo escasos los trabajos desarrollados sobre el tema.
La caracterización realizada de las modulaciones digitales ASK, OOK, FSK, BPSK, QPSK
y 16QAM, facilitó distinguir las particularidades que presenta cada una para su
implementación en herramientas de programación.
La descripción realizada de las herramientas de simulación Matlab, Xilinx ISE y System
Generator, reveló lo viable que es su utilización para la implementación de sistemas de la
Radio Definida por Software; y las posibilidades que ofrecen para la programación de las
modulaciones en el Kit de desarrollo Nexys2.
Las limitaciones que posee el kit Nexys2 se expusieron, teniéndolas presentes en el
desarrollo de las modulaciones digitales en las herramientas de programación, para poder
evaluar su funcionamiento en la FPGA.
El flujo general de diseño elaborado constituyó una herramienta útil para la
implementación de las modulaciones creadas en las herramientas de simulación y en el Kit
de desarrollo Nexys2 de Digilent.
Los resultados obtenidos en la simulación coincidieron con los alcanzados en el
osciloscopio digital Rigol, demostrándose la efectividad de la herramienta de simulación
System Generator para la implementación de estos sistemas.
RECOMENDACIONES
Las modulaciones digitales que se elaboraron en este trabajo en el ámbito de la Radio Definida
por Software, así como las investigaciones que conllevaron a su surgimiento y desarrollo, sirven de
fundamento a las siguientes recomendaciones:
Confeccionar un módulo que permita la recuperación de la portadora en las
modulaciones digitales desarrolladas.
Valorar la posible utilización en el futuro de las modulaciones y del flujo de diseño
confeccionado en la docencia de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y
Electrónica.
GLOSARIO DE TÉRMINOS
ADC Analog to Digital Converter Convertidor Analógico-Digital
AMC Automatic Modulation Classification Clasificación Automática de la Modulación
AR Adaptive Radio Radio Adaptativa
ASICs Application-Specific Integrated Circuits Circuito Integrado para Aplicaciones
Específicas
ASK Amplitude Shift Keying Modulación por Desplazamiento de
Amplitud
AWGN Additive White Gaussian Noise Canal de Ruido Blanco Gaussiano
BPSK Binary Phase Shift Keying Modulación binaria de fase
CLB Configurable Logic Block Bloques Lógicos Configurable
CR Cognitive radio Radio Cognitiva
DAC Digital to Analog Converter Convertidor Digital-Analógico
DDC Digital Down Converter Convertidores para Bajar Digitalmente la
Señal
DSP Digital Signal Processors Procesamiento Digital de Señales
DUC Digital Up Converter Convertidores para Subir Digitalmente la
Señal
FEC Forward Error Correction Corrección de Errores hacia Adelante
FFT Fast Fourier Transform Transformada Rápida de Fourier
FII Foro de Innovación Inalámbrica
FPGA Field-Programmable Gate Arrays Arreglo de Puertas Programables por
Campo
FSK Frequency Shift Keying Modulación por Desplazamiento de
GLOSARIO DE TÉRMINOS 87
Frecuencia
HDL Hardware Description Language Lenguaje de Descripción de Hardware
HR Hardware Radio Radio de hardware
IEEE Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Instituto de Ingenieros Electricistas y
Electrónicos
IF Intermediate Frequency Frecuencia Intermedia
IOB Input/Output Block Bloques de Entrada/Salida
IP Internet Protocol Protocolo de Internet
ISE Integrated Software Environment Ambiente de Software Integrado
JTRS Joint Tactical Radio System Sistema de Radio Táctica Conjunta
LUT Look-Up Tables Tablas de Búsqueda
MPSoC Multiprocessor System on Chip Sistemas Multiprocesador en Chip
OOK On-Off keying Modulación de Encendido-Apagado
PAM Pulse Amplitude Modulation Modulación por Amplitud de Pulsos
PAN Personal Area Network Red de Área Personal
PSK Phase Shift Keying Modulación por Desplazamiento de Fase
QAM Quadrature Amplitude Modulation Modulación de Amplitud en Cuadratura
QPSK Quadrature Phase Shift Keying Modulación por Desplazamiento
Cuaternario o en Cuadratura de Fase
RAM Random Access Memory Memoria de Acceso Aleatorio
ROM Read Only Memory Memoria de solo Lectura
SCR Software Controlled Radio Radio Controlado por Software
SDR Software Defined Radio Radio Definida por Software
SNR Signal to Noise Ratio Relación Señal/Ruido
TCP Transmission Control Protocol Protocolo de Control de Transmisión
VHDL Very high speed integrated circuit
Hardware Descriptive Language
Lenguaje de Descripción de Hardware
WAP Wireless Application Protocol Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas
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ANEXOS 94
A. 2. En la modulación ASK, área del enrutamiento en la cual se desconoce lo que
existe
A. 3. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación OOK
ANEXOS 95
A. 4. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación FSK
A. 5. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la Variante I de la modulación
BPSK
ANEXOS 96
A. 6. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la Variante II de la
modulación BPSK
A. 7. Ruteo efectuado por el compilador Xilinx ISE a la modulación QPSK