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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

SECCIÓN DE COMUNICACIONES

LABORATORIO DESistemas de Comunicaciones

PRACTICA Nro. 6

Técnicas de Modulación Digital ASK, FSK y PSK

Módulo MCM31/EVCONTENIDO: SOPORTE TEORICO PARA

PRACTICA DE LABORATORIO

Vigencia: Junio de 2008 1

NOTA AL ESTUDIANTE:Antes de realizar la practica usted debe leerla, comprenderla y asistir al pre-laboratorio.Es importante además, observar las siguientes normas de seguridad en forma permanente:

a) Antes de proporcionar la tensión de alimentación de ±12V al módulo, verificar que los cables de alimentación estén conectados correctamente a la fuente de alimentación.

b) Este módulo deberá destinarse sólo para el uso para el cual ha sido manifiestamente concebido; es decir, como equipo didáctico, y deberá utilizarse bajo el directo control por parte de personal experto. Cualquier otro uso deberá considerarse impropio y por consiguiente peligroso.

PARTE I:El módulo MCM31 (figura. 975.1) consta de las siguientes secciones:

Data Generators:- Generador de secuencia cíclica de 24 bits y de secuencia pseudo aleatoria de 64 bits. La velocidad de datos es 300 bit/s en modo Manchester, 600 bit/s en modo Bit, 1.200 bit/s en modo dibit y 1800 bit/s en modo Tribit- Selector de datos externos, síncronos o asíncronos- Interfaz de datos V24/RS232C

Timing & Data Formatting:- Codificador/decodificador NRZ-Manchester- Codificador/decodificador de Dibit y Tribit- Codificador diferencial: de 1-bit y 2-bits

Carrier Generators:- Portadoras sinusoidales de 1800Hz, 1200Hz/O°,1200Hz/90°

Modulators:- Con el empleo de 2 moduladores balanceados se generan lasmodulaciones ASK, FSK, 2-PSK, 4-PSK, QAM

Channel Simulator:- Línea artificial con atenuación regulable- Generador de ruido con amplitud regulable

Carrier Recovery:- En modo 2-PSK genera una portadora de 1200Hz; en modo 4-PSK y QAM genera 2 portadoras de 1200Hz desfasadas de 90°

Demodulators:- Demodulador ASK y FSK- Demodulador 2-PSK con regeneración de portadora y Costas Loop- Demodulador 4-PSK y 8-QAM

Clock Recovery & Data Retiming:- regenerador del reloj de los datos- circuitos de retemporización de las señales "1", "Q" y "C"


- circuitos de umbral para conformar las señales "1", "Q", "C" y los datos asíncronos (RD)

Error Counter (contador de bits de error):- Compara la secuencia de datos de 64 bits transmitida con la misma secuencia regenerada localmente en recepción.El módulo se alimenta a: J: 12 Va través del conector B (figura. 975.1) o los cables individuales. El conector A debe conectarse a una de las unidades de control SIS1, S1S2 o S1S3 (véase Manual de Servicio,Tomo 2/2).

Los interruptores S (ubicados en la parte superior del modulo, al lado de la interfase de conexión con el PC) sirven para activar las averías en el funcionamiento de los circuitos y se accionan en base a lo descrito en los ejercicios. Se recomienda situar en OFF todos los interruptores S al inicio de cada ejercicio. La finalidad de dichas averías intencionales, es poner en practica los conocimientos adquiridos y el dominio del funcionamiento del modulo.


Figura. 975.1 Diagrama de bloques del Módulo MCM31

LECCIÓN 976: MODULACIONES DIGITALES

Objetivos Introducir las modulaciones digitales ASK, FSK, PSK, QAM. Describir por qué se utilizan las modulaciones digitales. Describir la diferencia entre bit/segundo y BAUDIO.

Material


Unidad de alimentación PSU o PSl, Caja de soporte de los módulos, Unidad de control individual SIS1, SIS2 o SIS3 (o interruptores S), Módulo de experimentación MCM31.

976.1 INTRODUCCIÓN

En muchos sistemas de comunicación digital, tanto por cable (por ejemplo, módems para transmisión de datos) como por radio (por ejemplo, radioenlaces digitales, sistema telefónico celular GSM, TV digital, etc.), la señal de datos modula una portadora sinusoidal.Las modulaciones más utilizadas son:

ASK (Amplitude Shift Keying o en Castellano MDA-Modulación por Desplazamiento de Amplitud): la señal de datos modula la amplitud de una portadora sinusoidal

FSK (Frequency Shift Keying o en Castellano MDF-Modulación por desplazamiento de Frecuencia): la señal de datos modula la frecuencia de una portadora sinusoidal.

PSK (Phase Shift Keying o en Castellano MDP-Modulación por desplazamiento de Fase): la señal de datos modula la fase de una portadora sinusoidal.

La PSK presenta numerosas variantes:- de 2 fases o binaria (2-PSK o BPSK) - de 4 fases o en cuadratura (4-PSK o QPSK) - de 8 ó 16 fases (8-PSK, 16-PSK) - absoluta o diferencial

QAM (Quadrature Amplitude Modulation): la señal de datos modula la fase y la amplitud de una portadora sinusoidal.

Figura. 976.1 Modulaciones digitales

976.2 FINALIDAD de la MODULACIÓN

Señal NRZ

En un sistema de comunicación digital los bits de datos se representan a través de señales eléctricas. La forma más sencilla utiliza dos niveles para representar las cifras binarias "O" y "1", por ejemplo +5 para el "1" y OV para el "O".Normalmente un nivel se mantiene fijo por la duración de un bit, por lo que en este caso se habla también de formato NRZ (Non Return-to-Zero); por consiguiente, la forma de onda de la señal


NRZ es una secuencia de impulsos rectangulares de tipo aleatorio, con espectro de potencia de tipo continuo (figura.976.2).

Figura. 976.2 Señal digital NRZ

Canal de banda limitadaConsideremos como ejemplo la transmisión de datos (digitales) a través de la red telefónica. Ya que el espectro de la señal de datos comienza por la frecuencia cero (componente continua) y normalmente supera los 3.400 Hz, la transmisión de dicha señal en un canal de banda limitada (como lo es el canal telefónico) no resultaría posible; en efecto, se recuerda que las frecuencias que se pueden transmitir en el canal telefónico son las comprendidas entre 300 y 3.400 Hz (banda fónica). Si consideramos la señal eléctrica asociada a la señal de datos se puede observar que, por ejemplo, en presencia de bits alternados l/O se tiene una onda cuadrada de frecuencia igual a la mitad de la velocidad de transmisión.Suponiendo, por ejemplo, se pretendan transmitir datos alternados l/O a una velocidad de 9.600 bit/s (figura.976.3), se obtendría una onda cuadrada de frecuencia 4.800 Hz. Como es conocido a través de la teoría de Fourier, una onda cuadrada consta de la suma de más de una sinusoide: la fundamental, el tercer armónico, el quinto armónico y todos los armónicos sucesivos de orden impar. Si se aplicara la señal de datos de 9.600 bit/s directamente a una línea telefónica pública, en la salida de la línea no se obtendría ninguna señal ya que todas las componentes espectrales serían eliminadas por el efecto filtrante de la línea misma; por lo tanto, la conexión resultaría irrealizable, salvo laInformación de datos se encuentre en el interior de la banda fónica.


Figura. 976.3 Transmisión de la señal de datos en el canal de banda limitada

Se utilizan varias técnicas de modulación para realizar una adaptación de espectro, y la señal de datos, que es de tipo digital con espectro muy extendido, se convierte en una señal analógica con espectro mucho más reducido.En el caso de la transmisión de datos en líneas telefónicas públicas los aparatos que ejecutan esta operación son los módems fónicos, los cuales trasladan la señal de datos en el interior de la banda fónica.Los módems utilizan las siguientes modulaciones:

ASK (Amplitude Shift Keying o en Castellano MDA-Modulación por Desplazamiento de Amplitud): raras aplicaciones de velocidad muy bajas.

FSK (Frequency Shift Keying o en Castellano MDF-Modulación por Desplazamiento de Frecuencia): hasta 1.200 b/s.

PSK (Phase Shift Keying o en Castellano MDP-Modulación por desplazamiento de Fase): hasta 4.800 b/s

QAM (Quadrature Amplitude Modulation o en MAC-Castellano Modulación de Amplitud en Cuadratura): hasta 9.600 bis en modo normal y hasta 33.600 bis con codificación trellis de los datos; en este último caso se habla también de Trellis Coded Modulation (TCM).

976.3 BIT por SEGUNDO y BAUDIO

En los casos más sencillos de modulación digital, a cada símbolo binario (bit) le corresponde un símbolo analógico, o sea un estado de modulación generado por el modulador. La figura.976.4 muestra un ejemplo de modulación PSK de 2 fases, donde al bit Ole corresponde una señal con una determinada fase y al bit 1 le corresponde una señal con fase opuesta.

Al aumentar la velocidad del flujo de datos para mantener el espectro de la señal modulada en el interior de la banda fónica es necesario reducir la "frecuencia" de la señal moduladora, o sea reducir la velocidad con la cual la señal de datos modula la portadora. Una de las técnicas utilizadas es la de dividir el flujo de datos en "grupos" de varios bits (2, 3, 4, etc.) antes de la modulación y no llevar a cabo la modulación de cada bit sino en correspondencia con cada "grupo" de bit (esta técnica se conoce como "modulación multinivel"). Cada "estado de modulación" (o "símbolo") será utilizado para transferir todo el grupo de bit. La figura.976.5 muestra un ejemplo de modulación PSK de 4 fases, en la cual los 4 símbolos "analógicos" (portadora con fase 0°, 90°, 180°, 270°) se generan mediante otras tantas combinaciones de grupos de 2 bits (00,01, 11, 10). Resulta intuitivo entender que de esta forma la frecuencia de la señal moduladora desciende, contribuyendo así a la reducción del espectro de la señal modulada.Se obtienen dos conceptos de velocidad diferentes: velocidad de la información digital (datos) y velocidad de la información analógica (símbolos transmitidos a través de la modulación). Estas velocidades se expresan con términos diferentes:

bit/s: expresa la velocidad de transmisión de las informaciones binarias y está dada por el número de los elementos binarios (bit) transmitidos en la unidad de tiempo (1 segundo),


baudio: expresa la velocidad de modulación (o de símbolo) y se identifica por el número de etapas de la señal modulada (símbolos) enviadas en la unidad de tiempo.

Si un flujo de datos de velocidad Fb se divide en grupos de "n" bits, el baudio será igual a Fb/n. Si n=l (modulación llevada a cabo bit por bit), la velocidad de transmisión y el baudio coinciden.

Figura.976.4 Transmisión de 1 bit por símbolo (Baudio = bit/s)

Figura.976.5 Transmisión de 2 bits por símbolo (Baudio ≠ bit/s)

PARTE II: Técnica de Modulación ASKObjetivos

Describir la modulación ASK y la demodulación ASK. Realizar una conexión en ASK, con y sin codificación Manchester de los datos. Analizar el efecto del ruido en la conexión.

Material

Unidad de alimentación PSU o PSl. Caja de soporte de los módulos Unidad de control individual SIS1, S1S2 o S1S3(o interruptores S) Módulo de experimentación MCM31


Osciloscopio.

978.1 NOCIONESTEÓRICAS

978.1.1 Amplitude Shift Keying (ASK) o Modulación por Desplazamiento de Amplitud (MDA)

En esta forma de modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de amplitud, determinados por la señal de datos binaria. Normalmente el modulador transmite la portadora cuando el bit de datos es "1" Y la suprime completamente cuando el bit es "O" (figura.978.1). Existen también formas de ASK denominadas "multinivel", en las cuales la amplitud de la señal modulada toma más de dos valores.La demodulación puede ser de tipo coherente o no coherente; en el primer caso, más complejo circuitalmente pero más eficaz contra los efectos del ruido, un demodulador de producto multiplica la señal ASK por la portadora regenerada localmente, mientras que en el segundo caso la envolvente de la señal ASK se detecta a través del diodo. En ambos casos al detector sigue un filtro de paso-baja que elimina las componentes residuales de portadora y un circuito de umbral que conforma la señal de datos (figura.978.2).

Los principales factores que caracterizan la ASK son: utilización principal en la radiotelegrafía requerimiento de circuitos poco complejos muy sensible a las interferencias (probabilidad de error elevada) 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, definido como velocidad de modulación o velocidad de símbolo, es

igual a la velocidad de transmisión Fb.

Ver; par. 976.3 Figura.978.1 Modulación ASK


Figura.978.2 Demodulación ASK

Figura. 978.3 Modulador ASK

Figura. 978.3 Modulador ASK

978.1.2 Modulador ASK

El diagrama de bloques del modulador ASK se muestra en la figura.978.3. La portadora sinusoidal (1.200 ó 1.800 Hz) se aplica a una entrada del modulador balanceado 1, mientras que a la otra entrada se aplica la señal de datos (indicada con 1). El circuito realiza normalmente la función de modulador balanceado y multiplica las dos señales aplicadas a las entradas; sin embargo, desbalanceando el circuito con el desviador SW6 (en posición ASK/FSK), éste funciona como modulador de amplitud generando así la señal ASK que se muestra en la figura.978.1. Ésta última entra luego en el sumador,


utilizado para las modulaciones FSK/QPSK/QAM, y sale a través de una etapa separadora. El atenuador de 6dB demedia la amplitud de la señal y se activa sólo con la QAM. Para bloquear el funcionamiento del modulador balanceado 2 en modo ASK, la entrada de datos del modulador mismo debe posicionarse en ASK (J3=d).

978.1.3 Demodulador ASK

El demodulador ASK consta de las secciones representadas en la figura.978.4: un detector de envolvente de onda completa (ASKDEM) un filtro de paso-baja. un circuito de umbral (con salida en TP29), en caso de

datos asíncronos que no se retemporizan un circuito de extracción del reloj y retemporización de los datos, en caso de

datos síncronos (salida datos en TP31, reloj en TP32).

El filtro, el circuito de extracción del reloj y el de retemporización de los datos se utilizan para demodular también otros tipos de señales.

978.2 EJERCICIOS

978.2.1 Formas de onda del modulador ASK Alimentar el módulo. Predisponer el circuito en modo ASK, con fuente de datos de 24 bits y sin

codificación de datos (conectar J1c-J3d-J4-J5-J6a; posicionar SW2=Normal, SW3=24_bit, SW4=1200, SW6=ASK, SW8=BIT, ATT=min, NOISE=min, según se muestra en la figura 978.6).

Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y pulsar START. . Conectar el osciloscopio a TP6 y TP16 de manera de visualizar la señal de datos y la señal ASK. Se obtienen formas de onda similares a las de la figura.978.5.

Regular la fase de la portadora (PHASE) para hacer corresponder el cero de la sinusoide con el inicio de los intervalos de bit.

Utilizar como portadora la frecuencia 1800Hz (poner SW4=1800).

Ql ¿Qué se detecta?

SETA. aumenta la amplitud de la señal ASKB. aumenta la frecuencia de los datos transmitidosC. la frecuencia de la señal ASK, presente cuando la señal de datos conmuta a nivel

bajo, aumentaD. la frecuencia de la señal ASK, presente cuando la señal de datos conmuta a

nivel alto, aumenta


978.2.2 Formas de onda del demodulador ASK

Mantener las condiciones anteriores (J1c-J3d-J4-J5-J6a; SW2=Normal, SW3=24_bit, SW4=1200, SW6=ASK, SW8=BIT, ATT=min, NOISE=min, según se muestra en la figura.978.6).

Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y a continuación pulsar START.

Conectar el osciloscopio a TP16 y a TP20, para analizar la señal ASK antes y después del canal de comunicación.

Observar el efecto del canal de comunicación sobre la señal ASK. Ya que el canal de comunicación es de banda limitada (la respuesta en frecuencia es de tipo paso-baja), la señal ASK de salida resulta levemente nivelada. El efecto es más evidente si se utiliza la portadora de 1800 Hz (desviador SW4). Situar nuevamente SW4 en posición 1200

Q2 ¿Qué tipo de señal se detecta en TP23?

SET

A. la señal de datos, similar a la detectada en TP6B. la señal ASK rectificada en las dos medias ondasC. la señal ASK rectificada en las medias ondas positivasD. la señal de reloj extraída del demodulador

La señal proporcionada por el demodulador ASK se filtra mediante un filtro de paso-baja que elimina las componentes de la portadora ASK. En la salida del filtro (TP24, figura.978.7) se obtiene la señal de datos detectada, cuya forma depende de la amplitud de la portadora ASK y de las condiciones del canal de comunicación.

En la transmisión asíncrona de los datos, o sea cuando en recepción no se requiere la regeneración del reloj ni la retemporización de los datos, es suficiente conformar la señal proporcionada por el filtro. La salida del conformador (circuito de umbral) es detectable en TP29. Observar la correspondencia entre datos transmitidos (TP6) y datos recibidos (TP29).

Introducir atenuación de línea (ATT) y observar cómo los datos recibidos ya no son iguales a los datos transmitidos. También la inserción de ruido (NOISE) altera los datos recibidos.

Q3 ¿Por qué la ASK es muy sensible a las variaciones de amplitud de la señal?

SET

A. porque la información está asociada a la frecuencia de la portadoraB. porque la información está asociada a la fase de la portadoraC. porque el canal de comunicación es de banda limitadaD. porque también la información está asociada a la amplitud de la señal

PARTE III: Técnica de Modulación FSK


Objetivos Describir la modulación FSK y la demodulación FSK . Realizar una conexión en

FSK, con y sin codificación Manchester de los datos. Analizar el efecto del ruido en la conexión.

Material Unidad de alimentación PSU o PSl . Caja de soporte de los módulos . Unidad de

control individual SIS1, SIS2 o SIS3 (o interruptores S) . Módulo de experimentación MCM31 Osciloscopio.

979.1 NOCIONES TEÓRICAS

979.1.1 Frequency Shift Keying (FSK) o Modulación por Desplazamiento de Frecuencia(MDF)

En esta modulación la portadora sinusoidal toma dos valores de frecuencia, determinados por la señal de datos binaria (figura.979.1). El modulador puede realizarse en varios modos; entre los más difundidos podemos mencionar:

un Oscilador Controlado en Tensión (VCO) un sistema que transmite una de las dos frecuencias, en función de la señal de

datos un divisor de frecuencia gobernado por la señal de datos.

La técnica de demodulación más difundida es la que utiliza un circuito PLL (figura.979.2). La señal FSK en la entrada del PLL toma dos valores de frecuencia. La tensión de error proporcionada por el comparador de fase sigue dichas variaciones y, por consiguiente, constituye la representación binaria NRZ (nivel alto y nivel bajo) de la señal FSK de entrada. A continuación del demodulador PLL se encuentra un filtro de paso-baja que elimina las componentes residuales de portadora y un circuito conformador que conforma la señal de datos correcta.

Los principales factores que caracterizan la FSK son: aplicaciones en los módems para transmisión de datos (ITU-T V21, ITU-T V23,

BELL 103, BELL 113, BELL 202), en la transmisión de radio digital, en el sistema telefónico celular ETACS (transmisión de informaciones a través del Control Channel)

requiere circuitos de media complejidad probabilidad de error elevada, pero inferior al ASK denominada Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw


menor que 1 el Baudio o Baud rate, definido como velocidad de modulación o velocidad de

símbolo, es igual a la velocidad de transmisión F b.Ver: apararte. 976.3


979.1.2 Modulador FSK

El diagrama de bloques del modulador FSK se muestra en la figura.979.3. La señal FSK se genera por medio de dos moduladores ASK, cuyas salidas se combinan a través de un sumador.

Las dos portadoras sinusoidales de 1200 y 1800 Hz se aplican por separado a los dos moduladores. Los datos llegan en forma directa a uno de los dos moduladores y en forma negada al otro.


De esta forma un modulador proporciona la sinusoide cuando el dato es "1" y el otro cuando el dato es "O". Sumando las dos salidas se obtiene la señal FSK (figura.979.3).

El atenuador de 6dB demedia la amplitud de la señal y se activa sólo con la QAM.

979.1.3 Demodulador FSK

El demodulador FSK consta de las secciones representadas en la figura.979.4: un detector de FM realizado con circuito PLL . un filtro de paso-baja un circuito conformador (con salida en TP29), en caso de datos asíncronos que

no se retemporizan un circuito de extracción del reloj y de retemporización de los datos, en caso de

datos síncronos (salida de datos en TP31, reloj en TP32).



979.2 EJERCICIOS

979.2.1 Formas de onda del modulador FSK Alimentar el módulo. . Predisponer el circuito en modo FSK, con fuente de

datos de 24 bits y sin codificación de datos (conectar J1c-J3a-J4-J5-J6b; posicionar SW2=Normal, SW3=24_bit, SW4=1800, SW5=1200/0°, SW6=FSK, SW8=BIT, ATT=min, NOISE=min, según se muestra en la figura.979.6).

Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y pulsar START. Conectar el osciloscopio a TP6 y a TPI6, y a continuación analizar la señal de

datos y la señal FSK. Regular la fase (PHASE) de la portadora de 1200 Hz para tener una continuidad de señal FSK en el cambio entre las dos frecuencias (este tipo de modulación se conoce como Minimum Frequency Shift Keying). Se obtienen formas de onda similares a las de la figura.979.5.

Observar que en correspondencia con los bits "1" Y "O" se generan dos frecuencias diferentes, 1800 Hz y 1200 Hz en nuestro caso.

Ql ¿ Qué se detecta en TP14 ?

SET


A. una señal de frecuencia 1200 Hz cuando el dato de entrada es 1B. una señal FSK de 1800 Hz cuando el dato de entrada es 1C. una señal ASK de frecuencia 1800 Hz cuando el dato de entrada es O; esta señal

se suma a la proporcionada por el modulador 2D. una señal ASK de frecuencia 1800 Hz cuando el dato de entrada es 1; esta señal

se suma a la proporcionada por el modulador 2


Q2 ¿ Cómo se obtiene la señal FSK ?

SET

A. del modulador 1 (1800 Hz) y del atenuador 6dB (1200 Hz)B. del modulador 1 (TPI4, 1800 Hz) y del modulador 2 (TPI5, 1200 Hz); a

continuación, las dos señales, ambas presentes cuando la señal de datos (TP6) es "1", se suman y el resultado resulta disponible en TP16

C. del modulador 1 (TPI4, 1800 Hz) y del modulador 2 (TPI5, 1200 Hz); la primera señal está presente cuando la señal de datos (TP6) es "1" Y la segunda cuando el dato es "O", a continuación las dos señales se suman y el resultado está disponible en TP16

D. del modulador 1 (TPI4, 1800 Hz) y del modulador 2 (TPI5, 1200 Hz); la primera señal está presente cuando la señal de datos (TP6) es "O" y la segunda cuando el dato es "1", a continuación las dos señales se suman y el resultado está disponible en TP16

979.2.2 Formas de onda del demodulador FSK Mantener las condiciones anteriores (J1c-J3a-J4-J5-J6b; SW2=Normal,

SW3=24_bit, SW4=1800, SW5=1200/O°,SW6=FSK, SW8=BIT, ATT=min, NOISE=min, según se muestra en la figura.979.6).

Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y pulsar START. Conectar el osciloscopio a TP16 y a TP20, para analizar la señal FSK antes y

después del canal de comunicación (figura.979.7). Observar el efecto del canal de comunicación en la señal FSK. Ya que el canal

de comunicación es de banda limitada (la respuesta en frecuencia es de tipo paso-baja), la señal FSK de salida resulta levemente atenuada en la componente de frecuencia más elevada (1800 Hz).

Q3 ¿ Qué tipo de señal se detecta en TP23 ?

SETA. la señal FSK rectificada en ambas medias ondasB. la señal de reloj extraída del demoduladorC. la portadora de frecuencia 1800 HzD. la señal proporcionada por el demodulador a PLL; es similar a la señal de datos

detectada en TP6, con superpuesto un residuo de frecuencias de 1200/1800 Hz


La señal proporcionada por el demodulador FSK es filtrada por un filtro de paso-baja que elimina los residuos de las frecuencias FSK; en la salida del filtro (TP24, figura.979.7) se obtiene la señal de datos detectada.

En la transmisión asíncrona de los datos, o sea cuando en recepción no se requiere la regeneración del reloj ni la retemporización de los datos, es suficiente conformar la señal proporcionada por el filtro. La salida del conformador (circuito de umbral) es detectable en TP29. Observar en el osciloscopio la correspondencia entre los datos transmitidos (TP6) y los datos recibidos (TP29).

Introducir atenuación de línea (ATT) y observar que los datos recibidos no sufren la influencia de las variaciones de amplitud de la señal FSK. Insertando también el ruido (NOISE) se provocará una alteración de los datos recibidos.

Q4 ¿Por qué la FSK es menos sensible que la ASK a las variaciones de amplitud de la señal?

SET

A. porque la información está asociada a la fre9uencia y no a la amplitud de la portadora

B. porque la información está asociada a la fase de la portadoraC. porque el canal de comunicación es de banda limitadaD. porque la información está asociada a la amplitud de la señal

PARTE IV: Técnica de Modulación PSK

Objetivos Describir la modulación PSK y la demodulación PSK. . Realizar una conexión

en PSK, con modulación absoluta y diferencial. Analizar el efecto del ruido en la conexión.

Material Unidad de alimentación PSU o PS1, con Caja de soporte de los módulos Unidad de control individual SIS1, SIS2 o SIS3 (o interruptores S) Módulo de experimentación MCM31. Osciloscopio.

980.1 NOCIONES TEÓRICAS

980.1.1Phase Shift Keying (PSK) o Modulación por Desplazamiento de Fase (MDP)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 de N fases). En esta lección se estudiará la modulación PSK de 2 fases, las demás formas se describirán en la próxima lección. En la PSK de 2 fases, denominada 2- PSK, Binary PSK (BPSK) o Phase Reversal Keying (PRK), la portadora sinusoidal toma dos valores de fase, determinados por la señal de datos binaria (figura.980.1). 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 de 180°), en función de la señal de datos.

Diagrama de constelaciónLos estados de modulación del modulador 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 principalesLos principales factores que caracterizan la 2-PSK son:

utilización en la transmisión de radio digital requiere circuitos de complejidad medio-alta probabilidad de error elevada pero

inferior a la FSK denominada Fb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw


menor que 1 el Baudio o Baud rate, definido como velocidad de modulación o

velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión Fb.

Aparte. 976.3980.1.2 Modulador 2-PSK

El diagrama de bloques del modulador 2-PSK se muestra en la figura.980.2.

La portadora sinusoidal (1200 Hz) se aplica a una entrada del modulador balanceado 1 y en la otra entrada se aplica la señal de datos (indicada con 1). El circuito realiza la función de modulador balanceado y multiplica las dos señales aplicadas a la entradas.

En la salida se obtiene la portadora sinusoidal directa cuando la señal de datos conmuta a nivel bajo (bit "0") e invertida (desfasada de 180°) cuando el bit es "1". La señal2-PSK entra luego en el sumador, utilizada para las modulaciones FSK/QPSK/QAM, y sale a través de una etapa separadora.

El atenuador de 6dB demedia la amplitud de la señal y se activa sólo con la QAM. Para bloquear el funcionamiento del modulador balanceado 2 en modo 2-PSK, la entrada de datos del modulador 2 debe posicionarse en J3=b.


980.1.3 Demodulación 2-PSK con regenerador de portadora

La demodulación (figura.980.3) 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 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/2n frecuencia de la portadora

-sen(Wc.t) = señal PSK correspondiente al bit "O" 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) =1/2 .[1 – cos (2Wc.t)] = 1/2 – 1/2 . cos(2Wc.t)]

Y contiene una componente continua (+1/2 y una componente alterna de frecuencia el doble de la portadora [cos (2wc.t)]. La componente alterna puede eliminarse a través del filtro de paso-baja, 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) = - 1/2. [1- cos (2wc.t)]= - 1/2 + 1/2. Cos (2wc.t)]

La componente alterna se elimina y queda una tensión negativa que representa el bit "O".

Regenerador de portadora de ley cuadrática

El circuito regenerador de portadora debe extraer de la señal PSK una señal coherente (igual frecuencia y fase) con la portadora. Un método utilizado es el representado en la figura.980.3:


un circuito elevador al cuadrado suprime los saltos de fase de 1800 presentes en la portadora modulada, para facilitar la regeneración de la portadora misma por parte de un circuito PLL sucesivo;

el circuito PLL genera una señal de onda cuadrada con frecuencia el doble de la portadora PSK;

un circuito desfasador permite regular correctamente la fase de la portadora regenerada;

un divisor de frecuencia divide por 2 la onda cuadrada proporcionada por el PLL, facilitando así la portadora regenerada.

Circuito demodulador

El diagrama de bloques del demodulador 2-PSK con detector coherente se muestra en la figura.980A. Comprende los siguientes circuitos:

el regenerador de portadora, que proporciona una señal coherente (igual frecuencia y fase) con la portadora de la señal PSK; consta de:- un doble elevador al cuadrado, que tiene la función de suprimir los saltos de fase de 1800presentes en la portadora modulada, para facilitar la regeneración de la portadora misma por parte del circuito PLL sucesivo;- un circuito PLL, que genera una señal de onda cuadrada con frecuencia el cuádruple de la portadora PSK;- un divisor de frecuencia por 4, para obtener la portadora regenerada. La

utilización del doble elevador al cuadrado y del divisor de frecuencia por 4 permite utilizar el mismo circuito también para la regeneración de la portadora en el sistema 4-PSK (lecciones 981-982).

el demodulador 2-PSK (indicado en el diagrama como DEM 1), constituido por un doble muestreador. Si la fase de la portadora regenerada es correcta, la salida del muestreador incluirá sólo medias ondas positivas cuando la señal 2-PSK tiene una determinada fase y sólo medias ondas negativas cuando la fase es opuesta. un filtro de paso-baja

un circuito conformador (con salida en TP29) en caso de datos asíncronos, que no se retemporizan)

un circuito de extracción del reloj y de retemporización de los datos, en caso de datos síncronos (salida de datos en TP31, reloj en TP33).



980.1.4 Demodulación 2-PSK con circuito Costas Loop

El circuito Costas Loop consta de dos secciones, una demodula la señal PSK y la otra mantiene alineadas la portadora regenerada localmente y la de llegada. El diagrama de principio del demodulador Costas Loop se muestra en la figura.980.5. En la figura se muestra (dentro del recuadro) el circuito para la demodulación coherente, ya analizado en el capítulo 980.1.3. El resto del circuito se utiliza para generar una portadora coherente con la señal PSK de llegada.Sean:

D(t)- sen(Wc.t) señal 2-PSK, donde D(t) es la señal de datos que puede tomar los valores "+" (bit "1") o "-" (bit "O")


Sen(Wc.t + δ 0) portadora generada por el VCO para el demodulador, donde δ 0 es el eventual error de fase respecto a la portadora utilizada por la señal modulada

Cos(Wc.t + δ 0) portadora desfasada de 90°

Portadora coherente con señal PSK

Obsérvese la figura 980.5; en condiciones de equilibrio, o sea cuando la portadora generada por el VCO es perfectamente coherente con la señal PSK, se tiene la siguiente situación:

δ0 = 0° error de fase nulo entre portadora generada por el VCO y portadora de la señal PSK

VA= D/2. Cos(δ 0) = D/2 señal demodulada (+D/2=bit_l, -D/2=bit- O)

VB = -D/2. Sen(δ 0) = O señal proporcionada por el multiplicador M2 y luego filtrada con filtro de paso-baja

VE=VA.VB=O tensión de error que gobierna el VCO, obtenida por el producto de las señales VA y VB

Obsérvese que se obtiene una tensión de error VE nula incluso si hay una diferencia de fase de 1800entre la portadora generada por el veo y la portadora de la señal PSK. En esta situación los datos remodulados serían proporcionados invertidos con respecto a los transmitidos. Para evitar esta ambigüedad se recurre a la modulación de fase diferencial.

Portadora adelantada

Si la portadora generada por el veo está adelantada respecto a la portadora de la señal PSK, se tiene la siguiente situación:

δ0> O error de fase positivo entre portadora generada por el veo y portadora de la señal PSK

VA = DI2· cos(δ0) señal demodulada; toma valor positivo [+D/2'cos(30)] si el bit es "1" y valor negativo [-D/2'cos(30)] si el bit es "O"

VB = -D/2· sin(δ0) señal proporcionada por el multiplicador M2 y luego filtrada con filtro de paso-baja; toma valor negativo [-D/2'sen(30)] si el bit es "1" y valor positivo [+DI2.sen(30)] si el bit es "O"

VE=VA ·VB<O tensión de error que gobierna el veo, obtenida del producto de las señales VA Y VB; toma siempre valor negativo, en los dos casos de bit "1" ó "O". En esta situación, la tensión de error (filtrada por el filtro de paso-baja sucesivo) forzará el veo a retrasar la fase de la portadora, de manera de volver a llevarla a la condición correcta.

Portadora retrasada


Si la portadora generada por el veo está retrasada respecto a la portadora de la señal PSK, se tiene la siguiente situación:

δ 0<0 error de fase negativo entre portadora generada por el veo y portadora de la señal PSK

VA = D/2· cos(δ0) señal demodulada; toma valor positivo [+D/2'cos(30)] si el bit es "1" Y valor negativo [-D/2'cos(30)] si el bit es "O"

VB = -D/2· sen(δ0) señal proporcionada por el multiplicador M2 y luego filtrada con filtro de paso-baja. Teniendo presente que el seno de un ángulo menor que cero es negativo, VB es positivo si el bit es "1" Y es negativo si el bit es "O"

VE=VA'VB>O tensión de error que gobierna el VCO, obtenida a través del producto de lasseñales VA Y VB. Toma siempre valor positivo para ambos casos de bit "1" ó "O". En esta situación, la tensión de error (filtrada por el filtro de paso-baja sucesivo) forzará el VCO a adelantar la fase de la portadora, de manera de llevarla nuevamente a la condición correcta.

En la figura.980.6 se muestra el diagrama de bloques del demodulador Costas Loop montado en el módulo..


980.1.5 Codificación diferencial de 1 bit

En los sistemas de comunicación PSK la demodulación se lleva a cabo comparando la fase instantánea de la señal PSK con una fase absoluta de referencia regenerada localmente en el receptor. La modulación se denomina en este caso PSK absoluta. La dificultad mayor en dichos sistemas consiste en la necesidad de mantener perfectamente constante la fase de la portadora regenerada. Este problema se evita con la modulación PSK diferencial, ya que la información no está contenida en la fase absoluta de la portadora modulada sino en la diferencia de fase entre dos intervalos de modulación (símbolos) sucesivos. Antes de entrar en el modulador PSK los bits de datos se codifican de la siguiente manera: el codificador invierte el bit (n+1) de salida si el bit(n) de entrada es "1" y mantiene la salida inalterada si el bit (n) de entrada es "O".La figura.980.7 muestra un ejemplo de codificación, mientras que la figura.980.8 muestra el diagrama de bloques del modulador PSK diferencial y demodulador PSK diferencial. La codificación se lleva a cabo comparando la salida de una EX-GR, retrasada de un intervalo de bit, con el bit de datos actual. Como resultado global de la operación, la señal 2-PSK en la salida del modulador contendrá variaciones de fase de 1800en correspondencia con cada bit de datos" 1". La demodulación se realiza con un normal demodulador 2-PSK, seguido de un decodificador que proporciona un bit" 1" cada vez que se verifica una variación del nivel lógico en su entrada.


980.2 EJERCICIOS

980.2.1 Formas de onda del modulador 2-PSK Alimentar el módulo. Predisponer el circuito en modo 2-PSK, con fuente de datos de 24 bits y sin

codificación de los datos (conectar 11c-J3b-J4-J5-J6c; posicionar SW2=Normal, SW3=24_bit, SW4=1200, SW6=PSK, SW7=Squaring_Loop, SW8=BIT, ATT=min, NOISE=min, según la figura.980.10).


Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y pulsar START. Conectar el osciloscopio a TP6 y a TPI6, a continuación analizar la señal de

datos y la señal 2-PSK. Regular PHASE para invertir la fase de la portadora en correspondencia con O°. Se obtienen formas de onda similares a las que se muestran en la figura.980.9.

Ql Analizar la portadora en la entrada (TP12) Y en la salida (TP16) del modulador. ¿Qué se puede afirmar?

SET

A. la señal modulada toma dos frecuencias diferentes, 1200 Hz con fase 0° y 1200 Hz con fase 90°

B. la señal modulada presenta una frecuencia de 1800 Hz cuando el dato de entrada es "1"

C. la frecuencia de la señal modulada es 1800 Hz; su fase es 0° con dato de entrada "O", 180° con dato de entrada" 1"

D. la frecuencia de la señal modulada es 1200 Hz; su fase es 0° con dato de entrada "1", 180° con dato de entrada "O"

E. la frecuencia de la señal modulada es 1200 Hz; su fase es 0° con dato de entrada "O", 180° con dato de entrada" 1"

Fig. 980. 9


Figura.980.10

980.2.2 Formas de onda del demodulador 2-PSK


Mantener las condiciones anteriores (J1c-J3b-J4-J5-J6c; SW2=Normal, SW3=24_bit, SW4=1200, SW6=PSK, SW7= Squaring_Loop, SW8=BIT, ATT=min, NOISE=min (figura 980.10).

Predisponer una secuencia de datos 00/11 alternados y a continuación pulsar START.

Conectar el osciloscopio a TP16 y a TP20, para analizar la señal PSK antes y después del canal de comunicación (figura.980.11).

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.

El demodulador PSK (indicado en el diagrama como (I-DEM) 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.

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 frecuencia de la portadora PSK (1200 Hz) y la duración del muestreo es igual a 1/4 del período.

Q2 ¿Qué tipo de señal se observa en la salida del demodulador (TP23)?

SETA. la señal PSK rectificada en las dos medias ondasB. forma de onda constituida por medias ondas de la señal PSK entrante, su

envolvente es la señal demoduladaC. forma de onda constituida por mitades de medias ondas (cuartos de ondas) de la

señal PSK entrante, su envolvente es la señal demodulada

D. la envolvente de la señal demodulada

La señal proporcionada por el demodulador PSK pasa un filtro de paso-baja que elimina los residuos de la portadora de 1200 Hz. En la salida del filtro (TP24, figura.980.11) se obtiene la forma de onda de la señal de datos detectada.

Puede verificarse que los datos recibidos estén invertidos respecto a los transmitidos. Esto se puede entender ya que el demodulador no sabe cuál de las fases de llegada es 00 ó 1800 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.

La señal de datos conformada puede detectarse en TP31. Observar en el osciloscopio la correspondencia entre datos transmitidos (TP6) y datos recibidos (TP31).

En TP32 se observa el reloj de recepción (onda rectangular a 600 Hz), reconstruido a partir de la señal de datos y utilizado para retemporizar los datos mismos.


REPORTE DE LABORATORIO


Hoja de Respuestas

Nombres de los Integrantes C.I. Firma

Respuestas

Parte IIQ1Q2Q3

Parte IIIQ1Q2Q3Q4

Parte IVQ1Q2


FechaPractica

NroN°

Grupo

unexpocom.files.wordpress.com · web viewintroducir las modulaciones digitales ask, fsk, psk,...

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