Introducción a la GLP y el papel de la modulación de fase

Las redes de área de bajo nivel (LPWAN) han surgido como piedra angular de Internet de las cosas (IoT), permitiendo la conectividad para dispositivos que requieren comunicación de largo alcance, baja rentabilidad de datos y años de vida de batería. Ejemplos incluyen medidores inteligentes, sensores de humedad del suelo, modulos de activos y monitores ambientales. La capa física (PHY) de cualquier tecnología de LPWAN es donde las opciones de modulación impactan directamente la eficiencia de energía, rango y la aplicación de varias veces.

Básicos de la Modulación de Fase

Fundamentos de la fase de la clave del cambio (PSK)

La modulación de fases codifica la información digital cambiando la fase de una señal de portador sinusoidal. En su forma más simple, la fase de portador toma uno de un conjunto finito de estados discretos, cada uno representando un grupo de bits. Un cambio de fase de 0° podría representar un binario 0, mientras que un cambio de 180° representa un binario 1 en el BPSK de velocidad binaria.

Diagramas de Constelación y Mapping de Símbolos

El conjunto de estados de fase permitidos se visualiza en un diagrama de constelación, donde cada punto corresponde a una fase específica (y a menudo amplitud) del portador. Para la modulación de fase pura, todos los puntos se encuentran en un círculo de amplitud constante. BPSK tiene dos puntos a 0° y 180°; QPSK tiene cuatro puntos a 45°, 135°, 225° y 315°.

Técnicas de Modulación de Fase Clave en LPWAN

Bancaria de la fase binaria (BPSK)

BPSK es el sistema de modulación de fase más robusto, ofreciendo una probabilidad de error de símbolo que es de aproximadamente 3 dB mejor que QPSK para la misma energía por bit. codifica un símbolo por bit, haciéndolo de forma espectral pero altamente resistente. BPSK se utiliza en varios estándares de GLP para los canales de control o para la carga útil cuando se requiere el rango máximo.

Cayo de la fase de cuadrícula (QPSK)

QPSK duplica la tasa de datos de BPSK sin aumentar el ancho de banda requerido al configurar dos bits por símbolo a través de cuatro estados de fase. Los cuatro puntos de constelación son normalmente rotados 45° en relación con los ejes para simplificar la recuperación de portadores. QPSK es ampliamente utilizado en tecnologías de GLP que necesitan mayor rendimiento, como NB-IoT para las transmisiones de datos de enlace.

Offset QPSK (OQPSK)

Una variante de QPSK, Offset QPSK retrasa el componente de cuadrícula (Q) por medio período de símbolo relativo al componente in-fase (I). Esta modificación simple impide transiciones simultáneas de fases de 180°, que causan grandes variaciones de amplitud instantánea que pueden distorsionar la señal al utilizar amplificadores de potencia no lineales.

Diferencial PSK (DPSK) y pi/4-DQPSK

En el cambio de fase diferencial (DPSK), la información se codifica en el cambio de fase entre símbolos consecutivos en lugar de en la fase absoluta. Esto elimina la necesidad de una referencia de portador coherente en el receptor, simplificando el demoldador y reduciendo el consumo de energía. DPSK es ampliamente adoptado en sistemas de LPWAN donde la consecución de la coherencia de fase es costosa o poco práctica.

Comparación de esquemas de modulación para LPWAN

La selección de los sistemas de modulación de fases adecuados para un sistema LPWAN implica el equilibrio de la velocidad de datos, el alcance, el consumo de energía y la complejidad del receptor. BPSK ofrece la mejor sensibilidad pero la menor eficiencia espectral. QPSK mejora la rendimiento a un costo de 3 dB más energía por bit para la misma estación de servicio de frecuencias de BQPSK y pichan/4-DQPSK.

Modulación de fase en las principales tecnologías de LPWAN

LoRa y Chirp Spread Spectrum

El sistema de transmisión de datos de alta frecuencia (CSS) utiliza una técnica de transmisión de chirp patentada (CSS) donde la frecuencia de la compañía se desliza linealmente a través del tiempo. Mientras que CSS es fundamentalmente una modulación de frecuencia, los chips pueden ser vistos como una forma de modulación de fase continuada.

NB-IoT y LTE-M

NB-IoT, parte del 3GPP Release 13, utiliza un sistema de ancho de banda más estrecho (200 kHz) con un cableado subcarrier de 3,75 kHz o 15 kHz. El enlace de enlace emplea la frecuencia ortogonal Multiple Access (OFDMA) con modulación QPSK en cada subcarrier.

Sigfox y Ultra-Narrowband

El sistema de control de frecuencias es muy bajo (DBPSK) y permite una detección de frecuencias de alta frecuencia (en inglés) de un sistema de control de frecuencias de alta frecuencia (en inglés) de alta frecuencia (en inglés) de un sistema de control de frecuencias de alta frecuencia (en inglés) de alta frecuencia (en inglés)

Comercios: Potencia, tasa de datos y rango

No hay un sistema de modulación de fases único que sea óptimo para todos los escenarios de LPWAN. BPSK y DBPSK ofrecen el mayor alcance a la velocidad de datos más baja, lo que los hace ideales para sensores alimentados por batería que envían unos pocos bytes por día desde sótanos o zonas rurales. QPSK y OQPSK duplican o triplican la tasa de datos, pero reducen el presupuesto de enlace por unos 3 dB – es decir, el rango se reducen al máximo

Consideraciones de la aplicación

Sincronización y Noise Fase

Todos los sistemas PSK requieren una sincronización precisa de frecuencia y fase entre transmisor y receptor. Los osciladores de cristal de bajo costo tienen una precisión limitada (normalmente ±20 ppm), lo que conduce a compensaciones de frecuencia que pueden rotar la constelación y causar errores. Los esquemas diferenciales como DPSK toleran intrínsecamente pequeños offsets porque se decodifican en fases más que fases absolutas, pero aún requieren recuperación de sincronización de símbolos.

Diseño de transceptor para potencia baja

El amplificador de potencia (PA) es uno de los mayores consumidores de energía en un transmisor inalámbrico. Modulación PSK que mantiene un sobre constante, como BPSK y QPSK (cuando se utiliza una PA lineal), permite que la PA funcione cerca de la saturación donde la eficiencia alcanza el 50-60%. Sin embargo, QPSK con una configuración de pulsos elevados introduce variaciones de amplitud que reducen la eficiencia.

Tendencias futuras y técnicas avanzadas

La investigación continúa en la modulación avanzada de la fase de GLP, con el objetivo de impulsar los límites de sensibilidad y eficiencia espectral. Una dirección prometedora es el uso de la modulación continua de la fase (CPM), de la cual GMSK y GFSK son casos especiales. Las señales CPM tienen un sobre constante y transiciones de fases suaves, ofreciendo una excelente eficiencia de potencia al alcanzar la compactación espectral.

Conclusión

Las técnicas de modulación de fases sustentan la capa física de muchas tecnologías prominentes de LPWAN. Desde la robusta simplicidad de BPSK en canales de control NB-IoT hasta el diferencial DBPSK utilizado en Sigfox ultra-narrowband, cada esquema ofrece un equilibrio único de rango, velocidad de datos y consumo de energía. Entendimiento de estos cambios es esencial para los arquitectos del sistema IoT que necesitan seleccionar el módem de LP o protocolo de aplicación más refinada.

[FLTx] [FLT] [FLT]] [FLT]] [FLTx]]] ]]]] Un estudio de IEEE sobre los esquemas de modulación LPWAN y el [[FLT4][FLT] [Informes de modulación de NB-IoT]