Introducción

Radio Digital

Los elementos que distinguen un sistema de radio digital de radio AM, FM o PM, es que en un sistema de radio digital, las señales de modulación y demodulación son pulsos digitales, en lugar de formas de ondas analógicas. El radio digital utiliza portadoras analógicas, al igual que los sistemas convencionales. En esencia, hay tres técnicas de modulación digital que se suelen utilizar en sistemas de radio digital: transmisión (modulación) por desplazamiento de frecuencia (FSK), transmisión (modulación) por desplazamiento de fase (PSK), y modulación de amplitud en cuadratura (QAM).

FSK

La transmisión FSK, es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binas que varía, entre dos niveles de voltaje discreto.

Transmisor de FSK

Con el FSK binario la frecuencia central o de portadora se desplaza (se desvía), por los datos de la entrada binaria. En consecuencia, la salida de un modulador de FSK binario es una función escalón en el dominio del tiempo. Conforme cambia la señal de entrada binaria de 0 lógico a 1 lógico, y viceversa, la salida del FSK se desplaza entre dos frecuencias: una frecuencia de marca o de 1 lógico y una frecuencia de espacio o de 0 lógico. Con el FSK binario, hay un cambio en la frecuencia de salida, cada vez que la condición lógica de la señal de entrada binaria cambia. Así, la razón de salida del cambio es igual a la razón de entrada del cambio. En modulación digital, la razón (rapidez) de cambio en la entrada del modulador se llama razón de bit y tiene las unidades de bits por segundo (bps). La rapidez (razón) de cambio en la salida del modulador se lama baudio o razón de baudio y es igual al reciproco del tiempo de un elemento de señalización de salida. En esencia, el baudio es la razón de línea en símbolos por segundo. En el FSK binario, las razones de cambio de entrada y salida son iguales; en consecuencia, la razón de bit y la razón de baudio son iguales. Un transmisor de FKS binario sencillo se muestra en la figura 2.1

Figura 2.1 Transmisor de FSK binario

Receptor de FSK

El circuito que más se utiliza para demodular las señales de FSK binarias es el circuito de fase cerrada (PLL), que se muestra en forma de diagrama a bloques en la figura 2.2. Un demodulador de FSK-PLL funciona en forma muy similar a uno de FM-PLL. 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 solo dos voltajes de error de salida. Uno representa un 1 lógico y el otro un 0 lógico. En consecuencia, la frecuencia natural del PLL se hace igual a la frecuencia central del modulador de FSK. Como resultado, los cambios en el voltaje de error cd, siguen a los cambios en la frecuencia de entrada analógica y son simétricos alrededor de 0 V.

Figura 2.2 Demodulador FSK PLL

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Transmisión de desplazamiento mínimo del FSK

La transmisión de desplazamiento mínimo del FSK, es una forma de transmitir desplazando la frecuencia de fase continua. En esencia, es igual que el FSK binario, excepto que las frecuencias de marca y espacio están sincronizadas con la razón de bit de entrada binario. Las frecuencias de marca y paso están seleccionadas, de tal forma que están separadas de la frecuencia central. Esto asegura que haya una transición de fase fluida, en la señal de salida analógica, cuando cambia de una frecuencia de marca a una frecuencia de espacio, o viceversa. La figura 2.3 muestra una forma de onda FSK no continua. Puede verse que, cuando la entrada cambia de 1 lógico a 0 lógico, y viceversa hay una discontinuidad abrupta de fase en la señal de salida analógica. Cuando esto ocurre, el demodulador tiene problemas para seguir el desplazamiento de frecuencia, por consiguiente, puede ocurrir cualquier error.

Figura 2.3 Forma de onda de FSK no continuo Figura 2.4 Forma de onda de FSK de

desplazamiento mínimoEn la figura 2.4 se muestra una forma de onda de FSK de desplazamiento mínimo. Obsérvese que cuando cambia la frecuencia de salida, es una transición continua fluida. En consecuencia, no hay discontinuidad en la fase. Tiene un mejor rendimiento de error de bit que un FSK binario convencional, para una relación señal-a-ruido determinada. La desventaja de este es que requiere circuitos de sincronización, y por consiguiente es más costoso de implantar.Metodología:Diseñar y construir un circuito con entrada paralelo y salida serial de datos

Construir un circuito que genere una modulación FSK con frecuencias f 1 y f 2

Construir un demodulador FSK para las frecuencias f 1 y f 2 Observar la salida de datos del modulador FSK y verificar que sea la salida

serial deseada Diseñar y construir un circuito con entrada serial de datos y salida paralelo

2.1Material y Equipo

1. Capacitores según diseño2. Semiconductores

LM 741 XR2206 XR 211CP LM 555 74 LS123

74 LS164 77 LS193

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Desarrollo

Descripción general

La práctica consiste en un sistema de comunicación de datos, utilizando la modulación FSK. El diseño del sistema, figura 2.5, consiste en una primera etapa, la cual integra la parte de generación de datos, estos en forma binaria y paralela son envidados en forma serial bit a bit, y son procesados en el modulador FSK, donde a cada nivel de bit se le asigna una frecuencia. Es decir cuando un bit esta en alto el modulador FSK transmite una frecuencia f 1 y cuando sea un nivel bajo, el modulador da a la salida una señal analógica senoidal con frecuencia f 2 de manera que f 1> f 2.

Figura 2.5 Sistema de comunicación FSK

La señal de salida del modulador FSK es enviada por medio de un LED infrarrojo. Lo anterior describe el funcionamiento de la parte emisora, por su parte en la etapa receptor, el demodulador FSK tiene como transductor un receptor infrarrojo, el cual detecta la señal modulada enviada por el transmisor. En esta etapa se convierten las frecuencias f 1 a un nivel binario alto y f 2 a un nivel binario bajo. Finalmente estos datos, que son recibidos de manera serial, son convertidos a formato paralelo.

Transmisor

En el transmisor, la generación de palabras se realiza usando un dip switch, donde el usuario puede cambiar los datos a enviar. Para convertir los datos de paralelo a serial, se utiliza un temporizador 555, el cual maneja la frecuencia de envío de información, el anterior envía una señal de pulsos a un contador binario. Las salidas del contador son conectadas a los selectores de un multiplexor, el cual cuenta como entradas los datos en paralelo, de manera que a cada pulso de reloj, el contador hará que el multiplexor cambie de posición y se puede tener a la salida de este un bit.Para enviar solo los bits necesarios se conecta un multiplexor extra, el cual en la en sus entradas cuenta con entradas en alto para habilitar los pulsos de reloj al contador, al llegar a la última posición, este segundo multiplexor enviara un cero, o nivel bajo, a una compuerta AND, la cual deshabilita la entrada al contador binario. Finalmente para hacer un nuevo envió de datos, se dispone de un botón para

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reiniciar la cuenta y realizar todo el proceso de nuevo. Todos estos datos se envían a al modulador FSK con matrícula XR2206 y se implementa la configuración que proporciona el fabricante la cual se muestran en la figura 2.7Para las frecuencias de modulación se propuso f 1=4.5KHz y f 2=1KHz. De manera que:

f 1=1R1C

y f 2=1R2C

Se propone C=0.1 μF y por lo tanto R1=2.2K Ω y R2=10K Ω.

Receptor

La figura 2.1 muestra el diagrama a bloques utilizado para el demodulador. El receptor está compuesto por un fotodiodo que se encarga de recibir la señal FSK proveniente del demodulador, posteriormente esta señal FSK entra al demodulador obteniendo una salida serial binaria concluyendo en este punto la demodulación. Además se requiere obtener esta salida en paralelo para poder visualizar los datos, para este proceso se utiliza un registro de Serial a paralelo utilizando un reloj con la misma frecuencia utilizada en la conversión de los datos de paralelo a serial en el circuito transmisor.

Figura 2.6 Diagrama a bloques del demodulador FSK

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La configuración usada para el demodulador se muestra en a figura 2.6, para el diseño y cálculo de los valores de sus componentes se utilizaron las frecuencias f 1 y f 2 provenientes del demodulador, las cuales son f 1=4.5KHz y f 2=1KHz.

Diseño para el demodulador

a) Calcular la frecuencia f 0f 0=√ f 1 f 2=√(4.5KHz )(1KHz)=2.121KHz

b) Escoger un valor de Ro entre 10KΩ y 100 KΩ

RT=Ro+R x2

=10K+ 10K2

=15KΩ

c) Calcular C0

C0=1RT f 0

= 1(15KΩ)(2121)

=31.43nF

d) Calcular R1 para establecer el ancho de banda deseado

R1=(R0)( f 0)( f 1−f 2)

2=(20K )(2121)(4.5K−1K )

2=24.24KΩ

e) Calcular C1

C1=(1250)(C0)(R1)(δ

2)=

(1250)(31.43nF)(24.24 K )(0.52)

=6.48nF

RF=5 R1=121.2Kf)

RB=5 RF=606K

g)R∑ ¿=

(RF+R 1)(R B)(R F+R1+RB)

=117.3KΩ¿

h)

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CF=0.25¿¿

2.2 Circuito Eléctrico

Figura 2.7 Generación de palaba y conversión a serial

Figura 2.8 Modulador FSK

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Figura 2.9 Demodulador FSK

Figura 2.10 Registro Serial-Paralelo

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2.3Observaciones

Durante el diseño e implementación del sistema se observaron algunos aspectos que vale la pena mencionar.

Para diseñar y construir el demodulador fue conveniente primero haber diseñado y construido el modulador FSK, ya que de esta manera se pudieron medir las frecuencias f 1 y f 2 correspondientes al 0 y al 1 mismas que fueron utilizadas para el diseño de dicho demodulador. Una vez que se diseñó el demodulador se construyó el circuito, cabe destacar que los valores utilizados de los componentes fueron los mas cercanos a los calculados por lo que fue necesario sustituir una resistencia por un potenciómetro con el fin de poder ajustar las frecuencias deseadas.

Una vez construidos ambos circuitos (modulador y demodulador), se procedió a realizar pruebas de su funcionamiento de manera alámbrica antes de hacerlo de manera inalámbrica, esto con el fin de verificar el correcto desempeño del circuito y posteriormente solo se trabajó en la transmisión inalámbrica.

En cuanto a la transmisión inalámbrica no hubo mucha complicación, pues solo bastó con configurar de manera adecuada tanto los fotodiodos (transmisor y receptor). Además de recibir el dato, se utilizó un registro de serial a paralelo con el fin de visualizar el dato enviado, para esto se utilizaron circuitos adicionales para poder parar el reloj del registro y que el dato se quedara visible. La desventaja en la utilización de estos circuitos es que tenían tener la misma frecuencia a la que funcionaban los circuitos en el transmisor (en el caso de los circuitos de reloj).

En el proceso de transmisión de datos, se llevó a cabo de manera síncrona, es decir, se requirió de una señal de reloj para sincronizar al transmisor y receptor. En un primer intento se uso el mismo circuito generador de señal de pulsos de reloj y el sistema función de manera eficiente, sin embargo esto resulta poco práctico, pues se busca construir un sistema inalámbrico, consecuentemente no debe haber interacción física entre las etapas, por lo tanto cada uno de los circuitos requieren una señal de la misma frecuencia para poder sincronizarse.

Esto última característica fue las más complicada del diseño, pues se requiero usar algún método para que la parte transmisora pudiera indicarle al receptor cuando comienza y termina la comunicación. Esto hizo que existiera un cambio en el diseño. Para poder indicar el inicio de la comunicación se utilizó un circuito de detector de flancos en el receptor, durante un flanco de bajada este a la salida genera una señal de habilitación para el reloj, esta señal dura un tiempo igual o mayor al tiempo de duración de registro de los datos, durante este tiempo el

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receptor comienza a registrar los datos enviados. En la etapa transmisora, el funcionamiento inicial consistía en enviar cuatro bits del generador de palabras, pero para poder generar un flanco de bajada se mandaron dos bits extra, un alto y un bajo, como se muestra en la figura 2.14 para indicarle al receptor que registre los datos.

El problema que se presentó, fue que el circuito detector de flancos no era muy exacto en los tiempos y muchas ocasiones no se leían todos los bits. Estas variaciones se daban por dos factores como son rebotes producidos por el botón de inicio de comunicación y también el tiempo de encendido del circuito depende de los valores de componentes pasivos, los cuales no son del todo exactos, pues tienen ciertas variaciones a los valores ideales y en función de la temperatura, por lo tanto, no en todas las pruebas funcionaba el protocolo implementado, sin embargo este error solo se presentaba en un 20% de las pruebas.

2.4Resultados

En la figura 2.11 se muestra el circuito de la etapa transmisora implementado, en la figura 2.12 se muestra el circuito implementado de la etapa receptora con LEDs indicadores de los datos registrados

Figura 2.11 Transmisor FSK

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Figura 2.12 Receptor FSK

En la figura 2.13, se observa las formas de onda generadas en el transmisor, las frecuencias en alto y en bajo.

Figura 2.13 Formas de onda del Modulador FSK

Figura 2.14 Formas de onda del Modulador FSK Figura 2.15 Datos recibidos

En la figura 2.14 se observa, el grupo de bits que forman la información, enviados en forma seria, los cuales suceden a un par de bits de sincronía para indicar al receptor el inicio de la comunicación.

Finalmente en la figura 2.15 se muestran los datos recibidos de manera serial, estos se pueden ver por medio de LEDs en la figura 2.12.

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