Práctica # 5 Modulación y Demodulacion FSK

 

EL SISTEMA FSK 1. OBJE JET TIVO IVOS a) Entend Entender er los los princip principios ios d de e mod modula ulación ción F FSK SK b) Medi Medirr las las se seña ñale les s FSK. FSK. c) Implem Implement entar ar un modul modulado adorr FSK usando usando el m modu odulo lo LM566. LM566. d) Ejecuci Ejecución ón de un det detecto ectorr FSK usando usando un PLL PLL.. e) Aprender Aprender a diseña diseñarr un co compara mparador dor de voltaje usando un OPAMP. OPAMP.

2. FU FUNDA NDAME MENTO NTOS S TE TEORI ORICO COS S El sistema de modulación binaria FSK se basó originalmente en el simple concepto de utilizar  una señal telegráfica para modular la frecuencia de una portadora sinusoidal a fin de aumentar  la relación S/N en el sistema. El sistema FSK más sencillo es aquel con modulación rectangular  de frecuencia, amplitud constante y fase continua (“fase continua” significa que en la señal modulada no se producen discontinuidades cuando cambia la frecuencia). Si 2fd es la separación entre las dos frecuencias de transmisión, entonces la frecuencia instantánea en un intervalo Tb será f1 = fc - fd o fo = fc + fd, donde fc es la frecuencia de la portadora sin modular y fd la desviación de frecuencia respecto a fc; f1 y fo son las frecuencias de transmisión de un “1” o un “0”, respectivamente. respectivamente. La señal FSK se puede representar  representar  entonces mediante la expresión:

  Nótese que la asignación de valores para fc y fd es, en general, arbitraria. Por ejemplo, el UITT establece que para transmisión de datos sobre un canal telefónico a una velocidad de modulación de 300 baudios utilizando un Módem V.21, las frecuencias a utilizar en el canal inferior son f1 = 980 Hz y fo = 1180 Hz (fc = 1080 Hz y fd = 100 Hz). Sin embargo, en el Módem Bell 103A, para la misma velocidad de modulación, las frecuencias de operación son fo = 1070 Hz y f1 = 1270 Hz (fc = 1170 Hz y fd = 100 Hz). Evidentemente, el módem normalizado UIT-T V.21 y el Bell 103A son equivalentes pero no son compatibles entre sí.

CONCEPTOS DE MODULACION FSK. En una transmisión digital, los repetidores pueden regenerar las señales digitales y mejorar el desempeño del sistema frente al ruido o interferencia, y el uso de técnicas de codificación pueden brindar funciones de detección y corrección de errores. Pero casi siempre ocurren distorsiones en las señales digitales debido a que los componentes de alta frecuencia experimentan una mayor atenuación para transmisiones a larga distancias. Para compensar  esta desventaja, se hace necesario ejecutar un procesamiento particular (modulación). La modulación FSK (frequency shift keying) es un tipo de modulación FM por el cual la señal moduladora (digital) desplaza en el frecuencia una señal salidacomo entrefrecuencias dos o más de frecuencias determinadas, usualmente (para caso binario) se lasde conoce “mark” y “space”. La relación entre las señales FSK y digitales se muestran en la Figura 33. La

 

frecuencia FSK f 1 corresponde a una señal digital en “alto”, y f 2 representa un valor digital “bajo”. Esta técnica FSK es utilizada ampliamente para la información en teletipos. Los estándares FSK han evolucionado por años, para teletipos de radio, la frecuencia de 2124 Hz representa un valor “mark” o “1”, y la frecuencia de 2975 Hz representa un valor “space” o “0”.

“mark”

“space”

Fig.33. Relación entre las señales digitales y FSK. Para transmisiones de datos sobre líneas terrestres y telefónicas, las frecuencias mas usadas son: “Space” = 1270 Hz “mark” = 1070 Hz “space” = 2225 Hz “mark” = 2025 Hz Note que la diferencia entre estas dos frecuencias (frequency gap) es igual a 200 Hz. El modulador FSK se lo usa para convertir una señal digital (onda cuadrada) en una señal analógica que posee dos diferentes valores de frecuencias que corresponden a los niveles de voltaje en la entrada (señal digital). En este experimento, utilizaremos las frecuencias de 1070 Hz y 1270 Hz para representar “space” y “mark”, respectivamente. respectivamente. Un dispositivo como el Oscilador controlado por Voltaje o VCO puede generar fácilmente estas dos frecuencias. Un modulador FSK práctico que utiliza el VCO LM566 se muestra en la Figura 34.

Vcc

Vin

 

Fig.34. Circuito modulador FSK.

En este caso, la frecuencia de oscilación del LM566 se puede determinar como:

  f  0

=

2

 R10 C 5

 V cc −V in  V cc  

       

Donde Vcc es el voltaje de alimentación aplicado al LM566 en el pin numero 8, y V in es el voltaje de control del VCO aplicado en el pin 5. Si Vcc es constante, los valores apropiados de R 10, C5 y Vin se pueden determinar para que el LM566 genere frecuencias f 0 de 1072 Hz y 1272 Hz. En la práctica, al usar el VCO LM566 debemos notar las siguientes limitaciones: 2 kΩ ≤ R10 ≤ 20kΩ  0.75 ≤ Vin ≤ Vcc f 0 ≤ 500 kHz 10V ≤ Vcc ≤ 24V Para generar las frecuencias de 1070 Hz y 1270 Hz exactamente, los niveles de entrada digital tales como los niveles TTL de 0V y 5V deben modificarse y ser convertidos a niveles de voltaje apropiados para la entrada del VCO. El desplazador de nivel (formado por los transistores Q1 y Q2) realiza la operación antes descrita. El transistor Q1 actúa como un inversor (puerta NOT). En otras palabras, cuando la entrada a Q1 aparece un nivel alto (5V), entonces Q1 conduce y a la salida aparece un nivel bajo (0.2V) esto causa que el transistor Q2 entre en corte. Si la entrada a Q1 es bajo (0V), el transistor Q1 se apaga (OFF) y su salida se eleva a un nivel alto (5V), y entonces el transistor Q2 conduce. Cuando el transistor Q2 se apaga (OFF) el voltaje de entrada al VCO tomara el valor siguiente:

V 1

=

VR2 VR 2

+ R

V cc 6

Y la frecuencia de salida del VCO es f 1. Cuando Q2 conduce (ON) el voltaje de entrada al VCO es:

V 1

=

VR1 ¦¦ VR2

(VR1 ¦¦ VR2 ) + R6

V cc

Y la frecuencia de salida es f 2. Por lo tanto, tanto, las frecuencia frecuencias s de salida f 1= 1270 Hz y f 2 = 1070 Hz pueden obtenerse al cuidadosamente ajustar los potenciómetros VR1 y VR2. Los componentes U2 y U3 conforman filtros paso bajo de segundo orden. Un filtro de cuarto orden se lo puede hacer al conectar en cascada dos filtros de segundo orden, la razón de este filtro es de filtrar los componentes armónicos de alta frecuencia a la salida del LM566 y por lo tanto, se obtiene de esta forma una señal modulada en FSK. Si esta señal FSK se la desea enviar a una antena, entonces será necesario un mezclador (mixer o modulador de producto) para poder modular la señal a un rango de frecuencias en la banda de Radiofrecuencia deseada (RF).

CONCEPTOS DE DEMODULACION FSK.

 

Como se mencionó anteriormente, una señal digital es convertida en señal FSK al usar un modulador FSK, esto habíamos visto es muy usado en transmisiones a larga distancia. Ahora, en el receptor, es necesario tener un demodulador FSK para recuperar la señal digital original tomando la señal modulada FSK. Para poder hacer esto, se puede usar un circuito de lazo de enganche de fase o PLL. En realidad, un PLL es un sistema de control que rastrea la frecuencia y fase de una señal de entrada. Realmente, el PLL es ampliamente utilizado como demodulador en muchos tipos de sistemas analógicos de comunicación, como por ejemplo: demodulación AM, FM, selector de frecuencia en el sistema de adquisición de subportadora de color (croma) de un receptor de TV a color. Similarmente, se han desarrollado muchos PLL digitales para rastrear portadoras o sincronizar bits dentro de un sistema digital de comunicación. Básicamente, un PLL incluye tres secciones principales: el detector de fase (Phase detector – PD), el filtro de lazo (LP) y el oscilador controlado por voltaje (VCO). La figura 35 muestra un diagrama en bloques de un PLL.

Fig. 35. Diagrama de B Bloques loques de un PLL Considere el diagrama de bloques del PLL en la figura. Si la señal en V in cambia su frecuencia, un cambio instantáneo resultara en un cambio de fase entre A y B y por tanto un cambio de nivel DC a la salida. Este cambio o desplazamiento de nivel motivara un cambio en la frecuencia del VCO para así mantener un enganche. Si el PLL se lo usa como demodulador  FSK y una señal DSK aparece a la entrada, los voltajes V1 y V2 corresponderán a las frecuencias de entrada f 1 y f 2 respectivamente. Por tanto, un cambio en la frecuencia en la entrada provocara un cambio respectivo en el nivel de voltaje. Cuando la salida del PLL se la conecta a la entrada de un comparador de voltaje que tiene una referencia entre V1 y V2, la señal de salida del comparador será entonces la señal digital, o la señal FSK demodulada.

Fig. 36. Demodulador FSK

 

En este experimento, usaremos el PLL LM565 para implementar un demodulador FSK como se muestra en la figura 36. El LM565 incluye un detector de fase, VCO y amplificador que opera por debajo de frecuencias de 500 KHz. El detector de fase opera como un modulador  balanceado doble (modulador de producto) y el VCO es un circuito integrador-Schmitt. Las fuentes de alimentación de +5V y -5V son aplicados a Vcc (pin 10) y VEE (pin1), respectivamente. La señal FSK es aplicada a la entrada del detector de fase (pin 2). Dado que un multiplicador de frecuencia no es necesario en este experimento, los pines 4 y 5 son conectados entre si. La salida de referencia (ubicado en el pin 6) provee de un nivel de voltaje de referencia al comparador U2. La combinación de una resistencia interna Rx y el capacitor  3 externo permite la operaciónladel filtro de lazo Los (free-running). componentes de temporización (tiempo)CVR1 y C2 determinan frecuencia libre (LF). del VCO Al diseñar como un LM565, los parámetros más importantes a tener cuenta son:

Frecuencia Libre (free-running) En la ausencia de una señal de entrada, la frecuencia a la salida del VCO se la conoce como frecuencia libre f 0. En el circuito de la figura 36 la frecuencia libre del LM565 se la determina por  los componentes C2 y VR1 y esta se puede aproximar mediante la formula: 1.2

  f  0

≈

4 ⋅VR1C 2

Rango de Enganche Inicialmente, el PLL se encuentra en estado de enganche y el VCO esta oscilando a una determinada frecuencia. Si la frecuencia a la entrada f i es diferente a la frecuencia del VCO f 0, el enganche puede ocurrir. Cuando la frecuencia en la entrada alcanza un valor específico de frecuencia entonces el PLL pierde ese enganche, la diferencia entre las frecuencias f i y f 0 se la denomina rango de captura del lazo. El rango de captura para un LM565 se la puede hallar  mediante la formula:

  f   L

8   f   = ⋅ = 0

V c

8

V cc

⋅  f   −V  EE  0

Rango de Captura Inicialmente, cuando el sistema de lazo se encuentra sin enganche y el VCO esta oscilando a un cierta frecuencia. Si la frecuencia de entrada f i se acerca o esta muy próxima a la frecuencia del VCO f 0, se puede mantener ese estado de desenganche. Pero cuando, la frecuencia de entrada alcanza un valor específico en que el PLL empieza a engancharse, la diferencia entre esas dos frecuencias f i y f 0 determina lo que se conoce como rango de captura de lazo. El rango de captura para el LM565 se obtiene de:

  f  C 

=

1 2π  

2π   ⋅  f  L 3.6 ×10

3

×

C 2

 

En el circuito de la figura .., los componentes componentes R3, R4, R5, C3, C4 y C5 conforman un circuito de filtro paso bajo que reduce las variaciones o rizados en la salida. Los niveles digitales de la señal FSK demodulada son compatibles con niveles TTL.

EL SISTEMA FSK 3. EQ EQUI UIPO POS S RE REQU QUER ERID IDOS OS •

Modulo KL-92001

•

Modulo KL-94003

•

Osciloscopio

4. EXP EXPERI ERIMEN MENTOS TOS SO SOBRE BRE MO MODUL DULACIO ACION N FSK Experimento 1: Calibración del Modulador FSK. 1. Localizar Localizar e ell circuito circuito modulad modulador or FSK en e ell Modulo Modulo KL-940 KL-94003. 03. 2. Conectar Conectar a la entrad entrada a (I/P) un una a señal señal de 5VDC. 5VDC. Usando Usando el Oscilosco Osciloscopio pio observar la frecuencia de salida del LM566 (pin3 o T1) y ajustar VR2 hasta obtener una frecuencia de 800 Hz. Guarde el resultado en la tabla 1. 3. Usando el oscilosc osciloscopio, opio, obs observar ervar y guardar la señal señal de salida FSK FSK (O/P) en la Tabla 1. 4. Conectar entr ada del (I/P)LM566 a tierr tierra a (0V). Usando el osciloscopio oscilo observar observaruna la la frecuencia ladeentrada salida (pin3 o T1) y ajustar VR1 scopio hasta obtener frecuencia de 1200 Hz, guardar los resultados en la Tabla 1.

 

5. Usando el osciloscopio, osciloscopio, obser observar var y gráficar gráficar la señal de salida FSK FSK en la la Tabla 1.

Experimento 2: Generación de la Señal FSK.

1. Obtenga una señal señal de nivel TTL y frecue frecuencia ncia igual igual a 100 100 Hz desde desde el Generador  Generador  de Señales, conecte esta señal a la entrada digital (I/P). Usando el osciloscopio, osciloscopio, observar y graficar la señal de entrada, la señal de salida del LM (pin 3), y la 2.

señal de salida FSK en la Tabla 2. Cambie la frecuencia del Generador de Señales a 150 Hz y repita el paso 1 .

5. EXP EXPERI ERIMEN MENTOS TOS SOB SOBRE RE DEMO DEMODUL DULACIO ACION N FSK Experimento 3: Calibración del Demodulador. 1.

Lo Loca cali liza zarr el el circ circui uito to de demo modu dula lado dorr FS FSK K en el Mo Modu dulo lo KL KL-9 -940 4001 01.. Cone Conect ctar ar el Cana Canall 1 del osciloscopio a la salida del VCO (T1).

Observar el barrido en frecuencia del

LM565 y ajustar VR1 hasta obtener una frecuencia de 1 KHz. 2.

Obte Obtene nerr del del Ge Gene nera rado dorr de de señ señal ales es loca locali liza zado do en el módu módulo lo KL KL-9 -920 2001 01 un una a señ señal al Se Sen n de 2Vp-p f= 800 Hz, conectar esta esta señal a la entrada IP del módulo módulo KL-94003.  Ajustar el Canal Canal 1 para nivel DC, DC, observar la se señal ñal de salida y llenar llenar la Tabla 3. 3.

3.

Camb Cambia iarr la fr frec ecue uenc ncia ia de en entr tra ada a 12 1200 00 Hz y rrep epet etir ir el pa paso so 2.

Experimento 4: Demodulación de la Señal FSK. 1.

Compl Completa etarr e ell circ circuit uito oc con on el Mod Modula ulado dorr F FSK. SK. Ap Aplic licar ar un una a señ señal al TTL cuadra cuadrada da de 150 150 Hz Hz a la entrada del modulador FSK.

2.

Cone Conect ctar ar la sal salid ida a d del el mo modu dula lado dorr F FSK SK a la e ent ntra rada da de dell demo demodu dula lado dorr FSK FSK.. Us Usan ando do el el osciloscopio, oscilosco pio, observar la señal demodulada y llenar la Tabla 4. Si la señal demodulada no es obtenida chequear las frecuencias FSK de entradas 800 Hz y 1200 Hz, presione

3.

el botón auto-ajuste, hasta observar la señal deseada. Camb Cambia iarr las las fr frec ecue uenc ncia ias s de en entr trad ada a del del mo modu dula lado dorr FSK FSK a 200 200 Hz. Hz. Aju Ajust star ar el el Cana Canall 1 para nivel DC, observar la señal de salida y llenar la Tabla 4.