MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN FSK: FREQUENCY SHIFT KEYING

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1 MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN FSK: FREQUENCY SHIFT KEYING 1. OBJETIVOS: General: o Reforzar los conceptos teóricos sobre FSK mediante la implementación de un sistema de transmisión que involucre dicha técnica. Específicos: o Implementar un modulador FSK por medio del integrado XR-2206 o Entender el diagrama de bloques general de la técnica de modulación por desplazamiento de frecuencia FSK. o Implementar un demodulador en FSK a partir del integrado XR o Entender y saber cómo es el esquema general de funcionamiento de la técnica de demodulación en FSK. o Reconocer las ventajas y desventajas del tipo de modulación digital FSK. o Reconocer experimentalmente la eficiencia espectral y el desempeño que tiene este tipo de modulación. 2. MARCO TEÓRICO: Vm ( t) Δω v( t) = VcCos ω c + t 2 Donde, V(t)= Forma de onda FSK binaria Vc=Amplitud de la portadora no modulada ωc= Frecuencia de la portadora en radianes Vm(t)=Señal modulante digital binaria Δω=Cambio en frecuencia de salida en radianes De la anterior ecuación se nota que la amplitud de la portadora se mantiene constante en la modulación y que el cambio de frecuencia (Δω/2) es proporcional al la amplitud y la polaridad de la señal de entrada binaria. De igual forma se nota que la velocidad de cambio de la frecuencia de la portadora es igual al cambio de entrada binaria Vm(t).

2 X S (t) (t) X M (t) (t) X m (t) (t) X FSK (t) (t) La modulación por desplazamiento de frecuencia FSK es una versión de modulación de frecuencia (FM), sencilla de implementar. Maneja dos frecuencias, a saber: Frecuencia de Marca (F M ) y Frecuencia de Espacio (F S ), las cuales representarán la presencia de los datos Binarios. 3. MATERIALES: Generador de Ondas BKPrecision o Instek, generador de tren de datos binario., osciloscopio y analizador de espectros. Los materiales o instrumentos necesarios para implementar el transmisor son: Integrado XR2206, resistencias, poteciómetro (según el cálculo y montaje sugerido), condensadores (Según el cálculo y montaje sugerido por el fabricante), fuente de voltaje dual (12V), conectores, multímetro. El montaje del XR2211 es muy sencillo y solo es necesario: XR2211, resistencias, condensadores, potenciómetros Microcontrolador (2) y amplificador operacional.

3 4. PROCEDIMIENTO: Parte 1: Demostración de la modulación FSK utilizando los equipos del laboratorio. Configure el generador en modo de Modulación FSK con entrada externa (External FSK Mode) Generador BK Precision: seleccione la modulación FSK externa. En el panel de control aparecen los campos de frecuencia de marca, frecuencia de espacio y potencia. Generador Instek: seleccione la función de portadora con el botón FUNC, seleccione la frecuencia de portadora con el botón FREQ mas la frecuencia deseada, seleccione la amplitud de portadora con el botón AMPL mas la frecuencia deseada, seleccione el tipo de modulación FM con los botones SHIFT + AM, seleccione la fuente externa con los botones SHIFT + RATE e inicie la modulación con el botón MOD/ON Configure las frecuencias de marca y espacio entre 1MHZ y 2MHz a su gusto, junto con una frecuencia de entrada de 100Hz del generador de tren de bits, obsérvela en el osciloscopio y compárela con la señal modulada. En el caso del uso del generador Instek, las frecuencias de marca y espacio están configuradas a través del índice de modulación. Revisar el tipo de señal en display del analizador de espectro, el ancho de banda de la señal (Si considera necesario subir el valor de las frecuencias de marca y de espacio, realícelo). Repita estas mediciones para 5 valores diferentes de tasa de bits, incluyendo un valor igual a la diferencia entre la frecuencia de marca y la de espacio. Parte 2: Implementación del sistema de modulación y demodulación FSK. Consulte el funcionamiento del modulador y demodulador FSK a través de los DataSheet que se pueden encontrar en la página de la Facultad. La información a transmitir es audio o una palabra binaria extraída de un dipswitch de 8 bits. Dicha información se convierte a digital ó estando en formato digital se transmite por el puerto serial de uno de los microcontroladores el cual se enlaza con el modulador FSK xr2206. En la línea de transmisión se debe sumar una señal aleatoria como fuente de ruido, de forma tal que se pueda comparar la transmisión con y sin ruido.

4 El circuito integrado xr2211, será el encargado de demodular la información y transmitirla seriamente al segundo microcontrolador; este por un puerto de 8 bits mostrara la palabra a 8 leds ó la enviará a una DAC para pasarla finalmente a un parlante. El diagrama de la práctica propuesta esta descrita en la siguiente figura. 5. DIAGRAMA: 6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS y CONCLUSIONES: A partir de las mediciones realizadas, documente y compare las dos tipos de modulaciones realizadas, con y sin ruido en el canal. Realice un cuadro comparativo de los resultados en la practica. 7. CUESTIONARIO: o Defina las ventajas y desventajas tiene el tipo de modulación digital FSK. o Explique por qué se le denomina al modulador FSK como un modulador de bajo rendimiento. o Cuál es la eficiencia espectral experimental que encontró de su modulador FSK implementado? o Qué dificultades ha encontrado al implementar el diagrama de conexión del circuito integrado XR2206 en modo de modulador FSK? o Cuál es el primer factor para que un demulador FSK produzca error? o Qué función tiene el PLL en el demodulador? o Para qué sirve un comparador de fase? 8.ENTREGABLES Para la primera parte: entregar una hoja al final de la clase con los nombres de los estudiantes, las mediciones realizadas, dos graficas por cada modulación (Estas graficas incluyen 2 del resultado del osciloscopio y 2 del resultado del analizador de espectros). Haga un análisis de los resultados vistos en el laboratorio comparando las características de las modulaciones con la teoría vista en clase. Para la segunda parte: en la sustentación se debe entregar una hoja a computador con los cálculos y la justificación de las frecuencias utilizadas, así como las observaciones relevantes percibidas en este laboratorio.

5 9. HORAS DE TRABAJO: 4 horas BIBLIOGRAFÍA: COUCH León, Digital and Analog Communication System, Editorial Maswell MacMillan. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons. ANEXO TRANSMISOR FSK En un transmisor FSK binario, una frecuencia central o de portadora es variada según los datos de entrada binaria, es decir el modulador FSK se desplaza entre dos frecuencias: Una frecuencia de marca o de uno lógico, y una frecuencia de espacio o de cero lógico. Así la razón de entrada de datos es igual a la razón de salida de símbolos. En la modulación digital, la razón de cambio en la entrada del modulador se le llama razón de bit (bps), asimismo la razón de cambio de los símbolos de salida del modulador se le llama razón de cambio de baudio y es igual al recíproco de un elemento de señalización de salida (símbolos por segundo). Un ejemplo de señales en un transmisor de FSK se muestra en la siguiente figura: Los moduladores FSK binarios son muy similares a los moduladores de FM convencionales y a menudo son osciladores controlados por voltaje (VCO). Además, si se considera solo la frecuencia fundamental de entrada, la frecuencia adulante más alta es igual a la mitad de la razón de bit de entrada. CONSIDERACIONES DE ANCHO DE BANDA PARA FSK

6 La frecuencia de reposo del VCO se selecciona de tal manera que, cae a medio camino entre las frecuencias de marca y espacio. Así, una condición de 1 lógico cambia el VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de marca; una condición de 0 lógico cambia el VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de espacio. De esta forma en cuanto la señal cambia de de 1 lógico a 0 lógico, y viceversa, la frecuencia de salida del VCO se desvía de f.marca a f.espacio. La fórmula de índice de modulación se da como: β: Indice de modulación. Δf: Desviación de frecuencia. Fa: Frecuencia modulante. Δf β = fa, Donde: De igual forma, se tiene que el ancho de banda para la técnica de modulación FSK está dado por: PROCEDIMIENTO. Para implementar un modulador digital en la técnica de desplazamiento de frecuencia (FSK) mediante le integrado XR2206 es necesario conocer en detalle el esquema sugerido y proporcionado por el fabricante del circuito integrado (EXAR), además de las características físicas del dispositivo. El diagrama de conexión se muestra a continuación:

7 El dispositivo XR2206 se puede utilizar como un modulador de desplazamiento de frecuencia implementando el circuito de conexión que se muestra en la figura 13. Existen dos resistencias, R1 y R2 conectadas a los pines 7 y 8, que definen junto al condensador (C en el diagrama), las frecuencias de marca y espacio (fm y fs) a las cuales se espera trabajar, suponiendo y dejando además implícita en el cálculo la frecuencia de portadora (fc). Dependiendo de la señal lógica en el pin 9 una de los dos pines (7 u 8) es activado. Así si el pin 9 está en circuito abierto o se le inyecta un voltaje 2V, entonces solo R1 es activada. Asimismo si al pin 9 le es inyectado un voltaje 1V entonces solo R2 es activada. De esta manera el dispositivo, en modo de modulador FSK, va a trabajar entre dos valores de frecuencia (fm y fs), calculados para efectos prácticos como: Es importante señalar y hacer notar que la entrada de datos digitales modulantes al diagrama de conexión del dispositivo XR2206 debe hacerse en forma serial. Por esta razón, debe existir un circuito de conversión de datos binarios en paralelo a datos binarios en serie, tal vez implementado por medio de un microcontrolador o una serie de registros de desplazamiento. RECEPTOR DE FSK El circuito que más se utiliza para remodular las señales FSK binarias es el circuito de fase cerrada (PLL), que se muestra en el siguiente diagrama de bloques: Conforme cambia la entrada de PLL entre las frecuencias de marca y espacio, el voltaje de error de cd a la salida del comparador de fase sigue el desplazamiento de frecuencia. Debido a que sólo hay dos frecuencias de entrada (marca y espacio), también hay sólo dos voltajes de error de salida. Uno representa un 1 lógico y el otro un 0 lógico. En consecuencia, la salida es una representación de dos niveles (binaria) de la entrada de FSK. Por lo general, la frecuencia natural del PLL se hace igual a la frecuencia central del modulador de FSK. Como resultado, los cambios en el voltaje de

8 error cd, siguen a los cambios en la frecuencia de entrada analógica y son simétricos alrededor de 0V. PROCEDIMIENTO Sabiendo la forma como actúa un demodulador FSK, lo siguiente en esta practica es saber como implementar esos conocimientos con el circuito integrado XR2211, para ello es importante que acción tiene cada uno de sus componentes internos y de porque son necesarios los externos. Como vemos en el diagrama de bloques del circuito integrado, los elementos mas importantes para la demodulación son el detector de fase (loop det), el VCO, y el amplificador. Como se aprecia en la figura los únicos pines que son de entrada son los 2,14,13,12, 10 y 8. La señal modulada entra por el PIN2 (en caso de hacer acople la resistencia de entrada es de 20kohms), el VCO es controlado por los PINES 12, 13 y 14 en estos se definen la frecuencia central del VCO, el PIN 10 es para modificar el voltaje de referencia de los dispositivos internos, y el pin 8 es la entrada de un comparador donde la otra entrada al comparador es prácticamente la salida del comparador de fase, este pin casi siempre viene realimentado de su salida PIN7 (señal remodulada).

9 ESQUEMATICO Este esquema de conexión proviene del data-shett del fabricante, en la figura podemos ver las resistencias y los condensadores que se deben de diseñar para el buen funcionamiento del demodulador. Los dos parámetros más importantes que se deben de diseñar son la frecuencia central f f 0, y la desviación de frecuencia m f Δ f = s. 2 Los pasos del diseño son los siguientes: a) Calculo de la frecuencia central del PLL. f = f f 0 m s f También puede ser m + f f s 0 =, siempre y cuando estas frecuencias de marca 2 y espacio, estén sincronizadas con la frecuencia de bit. b) Escoger un valor de la resistencia R 0 que este en el rango de 10kΩ 100kΩ, el valor es arbitrario. Usualmente se le pone un potenciómetro R X en serie con la resistencia escogida, el valor final es:

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