Moldagem de pulso - Pulse shaping
Em eletrônica e telecomunicações , a modelagem de pulso é o processo de alterar a forma de onda dos pulsos transmitidos. Seu objetivo é tornar o sinal transmitido mais adequado ao seu propósito ou ao canal de comunicação , normalmente limitando a largura de banda efetiva da transmissão. Ao filtrar os pulsos transmitidos dessa maneira, a interferência intersimbólica causada pelo canal pode ser mantida sob controle. Na comunicação de RF, a modelagem de pulso é essencial para fazer o sinal se encaixar em sua banda de frequência.
Normalmente, a modelagem de pulso ocorre após a codificação e modulação da linha .
Necessidade de modelagem de pulso
A transmissão de um sinal em alta taxa de modulação através de um canal de banda limitada pode criar interferência intersimbólica . A razão para isso são as correspondências de Fourier (ver transformada de Fourier ). Um sinal de banda limitada corresponde a um sinal de tempo infinito, que faz com que os pulsos vizinhos se sobreponham. Conforme a taxa de modulação aumenta, a largura de banda do sinal aumenta. Assim que o espectro do sinal é retangular, isso leva a uma forma sinc no domínio do tempo. Isso acontece se a largura de banda do sinal for maior do que a largura de banda do canal, levando a uma distorção. Essa distorção geralmente se manifesta como interferência intersimbólica (ISI). Teoricamente, para pulsos em forma sinc, não há ISI, se os pulsos vizinhos estiverem perfeitamente alinhados, ou seja, nos cruzamentos de zero um do outro. Mas isso requer uma sincronização muito boa e uma amostragem precisa / estável sem jitters. Como ferramenta prática para determinar o ISI, utiliza-se o padrão Eye , que visualiza os efeitos típicos do canal e a sincronização / estabilidade da frequência.
O espectro do sinal é determinado pelo esquema de modulação e taxa de dados usado pelo transmissor, mas pode ser modificado com um filtro de modelagem de pulso. Esta modelagem de pulso tornará o espectro mais suave, levando a um sinal de tempo limitado novamente. Normalmente, os símbolos transmitidos são representados como uma sequência de tempo de pulsos dirac delta multiplicados pelo símbolo. Esta é a transição formal do domínio digital para o analógico. Neste ponto, a largura de banda do sinal é ilimitada. Esse sinal teórico é então filtrado com o filtro de modelagem de pulso, produzindo o sinal transmitido. Se o filtro de modelagem de pulso for retangular no domínio do tempo (como geralmente é feito ao desenhá-lo), isso levaria a um espectro ilimitado.
Em muitos sistemas de comunicação de banda base, o filtro de modelagem de pulso é implicitamente um filtro de vagão . Sua transformada de Fourier tem a forma sin (x) / x , e tem potência de sinal significativa em frequências mais altas do que a taxa de símbolo. Isso não é um grande problema quando a fibra óptica ou mesmo um cabo de par trançado é usado como canal de comunicação. No entanto, em comunicações de RF, isso desperdiçaria largura de banda, e apenas bandas de frequência estritamente especificadas são usadas para transmissões únicas. Em outras palavras, o canal para o sinal é limitado em banda. Portanto, melhores filtros foram desenvolvidos, que tentam minimizar a largura de banda necessária para uma determinada taxa de símbolo.
Um exemplo em outras áreas da eletrônica é a geração de pulsos em que o tempo de subida precisa ser curto; uma maneira de fazer isso é começar com um pulso de subida mais lenta e diminuir o tempo de subida, por exemplo, com um circuito de diodo de recuperação de degrau .
Estas descrições aqui fornecem um conhecimento prático, que cobre a maioria dos efeitos, mas não inclui causalidade, o que levaria a funções analíticas. Para entender isso completamente, é necessária a transformada de Hilbert, que cria uma parte imaginária para produzir um sinal causal. Isso irá acoplar a parte real e imaginária da descrição da banda base, adicionando estrutura. Isso implica imediatamente que tanto a parte real quanto a imaginária são suficientes para descrever um sinal analítico. Ao medir ambos em uma configuração com ruído, obtém-se uma redundância, que pode ser usada para reconstruir melhor o sinal original. Uma realização física é sempre causal, uma vez que um sinal analítico carrega a informação.
Filtros de modelagem de pulso
Nem todo filtro pode ser usado como filtro de modelagem de pulso. O próprio filtro não deve introduzir interferência intersimbólica - ele precisa satisfazer certos critérios. O critério ISI de Nyquist é um critério comumente usado para avaliação, porque relaciona o espectro de frequência do sinal do transmissor à interferência intersimbólica.
Exemplos de filtros de modelagem de pulso que são comumente encontrados em sistemas de comunicação são:
- Filtro em forma de Sinc
- Filtro de cosseno elevado
- Filtro gaussiano
A modelagem de pulso do lado do emissor é freqüentemente combinada com um filtro compatível do lado do receptor para obter tolerância ideal para ruído no sistema. Nesse caso, a formação de pulso é igualmente distribuída entre os filtros do emissor e do receptor. As respostas de amplitude dos filtros são, portanto, raízes quadradas pontuais dos filtros do sistema.
Outras abordagens que eliminam filtros complexos de modelagem de pulso foram inventadas. Em OFDM , as portadoras são moduladas tão lentamente que cada portadora é virtualmente não afetada pela limitação de largura de banda do canal.
Filtro Sinc
Ele também é chamado de filtro Boxcar, pois seu equivalente no domínio da frequência tem uma forma retangular. Teoricamente, o melhor filtro de modelagem de pulso seria o filtro sinc, mas ele não pode ser implementado com precisão. É um filtro não causal com caudas de decadência relativamente lenta. Também é problemático do ponto de vista da sincronização, pois qualquer erro de fase resulta em um aumento acentuado da interferência intersimbólica.
Filtro de cosseno elevado
Cosseno elevado é semelhante a sinc, com a compensação de lóbulos laterais menores por uma largura espectral ligeiramente maior. Filtros de cosseno elevado são práticos de implementar e amplamente utilizados. Eles têm um excesso de largura de banda configurável, de modo que os sistemas de comunicação podem escolher uma compensação entre um filtro mais simples e a eficiência espectral.
Filtro gaussiano
Isso dá um pulso de saída em forma de função gaussiana .
Veja também
- Critério de Nyquist ISI
- Filtro de cosseno elevado
- Filtro correspondente
- Moldagem de pulso de femtossegundo
- Pulso (processamento de sinal)
Referências
- John G. Proakis , " Digital Communications, 3rd Edition " Capítulo 9, McGraw-Hill Book Co., 1995 . ISBN 0-07-113814-5
- Tutorial do gerador de sinal da National Instruments, modelagem de pulso para melhorar a eficiência espectral
- Tutorial de Fundamentos de Medição da National Instruments, Filtragem de formato de pulso em sistemas de comunicação
- Filtros de cosseno de raiz elevada e modelagem de pulso em sistemas de comunicação por Erkin Cubukcu (ntrs.nasa.gov).