Tema: Modulación PSK.

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1 Sistemas de comunicación II. Guía 7 1 Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Sistemas de comunicación II Tema: Modulación PSK. Contenidos Formas de onda del modulador PSK. Formas de onda del demodulador PSK. Demodulación PSK con circuito Costas Loop Objetivos Específicos Describir la modulación y demodulación PSK. Realizar una conexión en PSK, con modulación absoluta y diferencial. Analizar el efecto de ruido en la conexión. Introducción teórica Phase Shift Keying (PSK) o Modulación por desplazamiento de fase (MDF) En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de fase o más, determinados directamente por la señal de datos binaria (modulación de 2 fases) o la combinación de un determinado número de bits de la señal de datos misma (modulación e N fases). En esta práctica se estudiará la modulación PSK de 2 fases. En la PSK de 2 fases, denominada 2-PSK, Binary PSK (BPSK) o Phase Reversal Keying (PRK), la portadora senoidal toma dos valores de fase, determinados por la señal de datos binaria (figura 1). Una técnica de modulación es la que utiliza un modulador balanceado. La sinusoide de salida del modulador es la portadora de entrada directa o inversa (o sea desfasada 180 ), en función de la señal de datos. Figura 1. Modulación PSK

2 2 Sistemas de comunicación II. Guía 7 Diagrama de constelación. Los estados de modulación PSK se representan mediante puntos en un diagrama vectorial. Cada punto identifica un estado de modulación, caracterizado por una fase y una amplitud. Esta representación se denomina diagrama de constelación o simplemente constelación. Aspectos principales. Los principales factores que caracterizan a la BPSK son: Utilización en la transmisión de radio digital Requiere circuitos de complejidad medio alta Probabilidad de error elevada pero menor a la FSK Denominada Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal modulada resulta mayor que Fb La eficiencia de transmisión, definida como relación entre Fb y Bw resulta menor que 1 El Baudio o Baud rate se define como velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión Fb Modulador BPSK El diagrama de bloques del modulador BPSK se muestra en la figura 2. Figura 2. Modulador BPSK La portadora senoidal (1200 Hz) se aplica a una entrada del modulador balanceado 1 y en la otra entrada se aplica la señal de datos (indicada con I). El circuito realiza la función de modulador balanceado y multiplica las dos señales aplicadas a las entradas. En la salida se obtiene la portadora senoidal directa cuando la señal de datos conmuta a nivel bajo (bit 0 ) e invertida (desfasada de 180 ) cuando el bit es 1. La señal BPSK entra luego en el sumador, utilizada para las modulaciones FSK/QPSK/QAM y sale a través de una etapa separadora. El atenuador de 6 db demedia la amplitud de la señal y se activa sólo con la QAM. Para bloquear el funcionamiento del modulador balanceado 2 en modo BPSK, la entrada de datos del modulador 2 debe posicionarse en J3 = b.

3 Sistemas de comunicación II. Guía 7 3 Demodulación BPSK con regenerador de portadora. La demodulación (figura 3) se lleva a cabo a través de un demodulador de producto, al cual llegan la señal PSK y una portadora regenerada localmente; ésta debe tener la misma frecuencia y fase que la utilizada en la transmisión (o sea debe ser coherente con la señal recibida) y se extrae de la señal PSK, tal como se describe seguidamente. Matemáticamente el proceso de Demodulación se cumple como se indica a continuación: Sean: +sen(wc*t): señal instantánea PSK correspondiente al bit de datos 1, con fc=wc/2π frecuencia de portadora -sen(wc*t): señal PSK correspondiente al bit 0 Sen(wc*t): portadora regenerada Cuando la señal PSK es +sen(wc*t) el demodulador proporciona: [+sen(wc*t)]*[sen(wc*t)] = sen2 (wc*t) = ½ * [1-cos (wc*t)] = ½ - ½ cos (2wc*t) Obteniendo de la multiplicación una componente continua (+½) y una componente alterna de frecuencia el doble de la portadora [cos(2wc*t)]. La componente alterna puede eliminarse a través del filtro paso bajo, por lo que queda una tensión positiva que representa el bit 1. Cuando la señal PSK es - sen (wc*t) el demodulador proporciona: [-sen(wc*t)]*[sen(wc*t)] = - sen2 (wc*t) = - ½ * [1-cos (wc*t)] = - ½ + ½ cos (2wc*t) Ahora la componente continua es negativa (-½). La componente alterna puede eliminarse a través del filtro paso bajo, por lo que queda una tensión negativa que representa el bit 0. Figura 3. Diagrama en bloques del demodulador BPSK por regeneración de portadora Demodulación BPSK con circuito Costas Loop El circuito Costas Loop consta de dos secciones, una demodula la señal PSK y las otra mantiene alineadas la portadora regenerada localmente y la de llegada. El diagrama de principio del

4 4 Sistemas de comunicación II. Guía 7 demodulador Costas Loop se muestra en la figura 4. El funcionamiento se describe de la siguiente manera: Sean: D(t)*sen(wc*t): señal BPSK, donde D(t) es la señal de datos que puede tomar los valores + (bit 1 ) o - (bit 0 ) sen(wc*t+ ϑo): Portadora regenerada por el VCO para el demodulador, donde ϑo es el eventual error de fase respecto a la portadora utilizada por la señal modulada cos(wc*t+ ϑo): portadora desfasada 90 Figura 4. Diagrama en bloques del demodulador BPSK por costas loop. Materiales y Equipo Unidad de alimentación PSU Módulo de experimentación MCM 31 Osciloscopio Procedimiento Formas de onda del modulador BPSK 1. Alimentar el módulo 2. Predisponer el circuito en modo BPSK, con fuente de datos de 24 bits y sin codificación de los datos (conectar J1c-J3b-J4-J5-J6c; SW2=normal, SW3=24 bits, SW4=1200, SW6=PSK, SW7=Squaring loop, SW8= BIT, ATT= min, NOISE=min) 3. Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y pulsar START 4. Conectar el osciloscopio a TP6 y a TP16, a continuación analizar la señal de datos y la señal BPSK. Regular PHASE para invertir la fase de la portadora en correspondencia con 0. Dibuje las formas de onda. 5. Analizar la portadora en la entrada TP12 y en la salida TP16 del modulador Qué se puede afirmar?

5 Sistemas de comunicación II. Guía 7 5 Formas de onda del demodulador BPSK 6. Mantener las condiciones anteriores 7. Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y pulsar START 8. Conectar el osciloscopio a TP16 y a TP20, para analizar la señal PSK antes y después del canal de comunicación (figura C) 9. Observar el efecto del canal de comunicación en la señal PSK. Ya que el canal de comunicación es de banda limitada, las transiciones de fase de la señal PSK de salida resultan levemente niveladas. 10. El demodulador PSK (indicado como I_DEM en el diagrama) consta de un doble muestreador que muestrea las medias ondas positivas y negativas de la señal PSK entrante. El reloj de muestreo consta de la portadora regenerada por la sección Carrier Recovery. 11. En TP21 se observa la señal rectangular que muestrea la media onda negativa de la señal PSK. La frecuencia de la señal de muestreo es igual a la frecuencias de la portadora PSK (1200 Hz) y la duración del muestreo es igual a ¼ del período. 12. Qué tipo de señal se observa en la salida del demodulador TP23? 13. La señal proporcionada por el demodulador PSK pasa un filtro de paso bajo que elimina los residuos de la portadora de 1200Hz. En la salida del filtro (TP24, figura 6) se obtiene la forma de onda de la señal de datos detectada. Figura 6. Graficas en el proceso de demodulación BPSK

6 6 Sistemas de comunicación II. Guía Puede verificarse que los datos recibidos estén invertidos respecto a los transmitidos. Esto se puede entender ya que el demodulador no sabe cual de las fases de llegada es 0 o 180 y dicha ambigüedad puede llevar a la inversión de los datos demodulados. La ambigüedad se evita realizando, antes de la modulación, una codificación diferencial de los datos. Pulsar eventualmente Phase Sync hasta obtener los datos con signo correcto. 15. La señal de datos conformada puede detectarse en TP31. Observar en el osciloscopio la correspondencia entre datos transmitidos (TP6) y los recibidos (TP31) 16. En TP32 se observa el reloj de recepción (600 Hz) reconstruido a partir de la señal de datos y utilizado para retemporizar los datos mismos. Demodulación PSK con circuito Costas Loop 17. Predisponer el circuito en modo PSK y demodulador Costas Loop (J1c-J3b-J4-J5-J6c; SW2=Normal, SW3=24 bits, SW4=1200, SW6=PSK, SW7=Costas Loop, SW8=BIT, ATT=min, NOISE = min) 18. El demodulador Costas Loop consta de dos secciones: la primera (I_DEM) demodula la señal y la segunda (comprende Q-DEM, el multiplicador y el VCO) mantiene alineadas la portadora regenerada localmente y la de llegada. 19. La sección de demodulación funciona como el conocido demodulador coherente: en TP23 se tiene una forma de onda constituida por medias ondas de la señal PSK entrante. La envolvente de dicha forma de onda (TP24) es la señal demodulada. 20. En condiciones de equilibrio, o sea cuando la portadora generada por el VCO es perfectamente coherente con la señal PSK qué se debería obtener en TP26? 21. Regular PHASE para obtener la condición que más se acerca a la respuesta anterior. 22. Qué señales están presentes en TP21 y TP22? 23. La forma de onda de los datos recibidos puede detectarse en TP9. Observar en el osciloscopio la correspondencia entre datos transmitidos (TP4) y datos recibidos (TP9) (los datos recibidos resultan retrasados respecto a los transmitidos) 24. Puede verificarse que los datos recibidos estén invertidos respecto a los transmitidos (desconectar y conectar J5), lo cual se puede entender ya que el demodulador no sabe cuál de las fases de llegada sea 0 o 180, y dicha ambigüedad puede llevar a la inversión de los datos demodulados. 25. Cómo es posible eliminar dicha ambigüedad? 26. Predisponer el circuito con base a la respuesta anterior y observar que los datos recibidos (TP9) ahora resultan libres de ambigüedad de signo y son siempre iguales a los transmitidos (TP4), incluso si se interrumpe momentáneamente la línea (desconectar y conectar J5) Investigación complementaria 1. Presente las graficas obtenidas y responda las preguntas planteadas a lo largo de la guía Bibliografía Modulaciones digitales. Módulo MCM31/EV. Tomo 1/2. Teoría y ejercicios. Elettronica Veneta. Lección 980. Paginas

7 Sistemas de comunicación II. Guía 7 7 Hoja de cotejo: 1 Guía 7: Modulación PSK. Alumno: Máquina No: Docente: GL: Fecha: EVALUACION % Nota CONOCIMIENTO Del 20 al 30% Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO Del 40% al 60% ACTITUD Del 15% al 30% No tiene actitud proactiva. Actitud propositiva y con propuestas no aplicables al contenido de la guía. Tiene actitud proactiva y sus propuestas son concretas. TOTAL 100%