Lucrarea 1 Modulaţia digitală de frecvenţă (FSK) 1. Introducere Scopul lucrării de a descrie modulaţia digitală de frecvenţă FSK, de a utiliza placa de circuit pentru a genera si detecta semnale modulate FSK. Transmisia digitală (în care semnalul informațional este binar) este mai robusta la imperfecțiunile canalului de telecomunicație. La recepție trebuie să se detecteze valoarea logică 1 sau 0, prin comparația cu un prag și nu interesează valoarea absoluta a semnalului. În plus există tehnici de corecție automată a erorii în cazul în care acestea apar. Modelul unui sistem de transmisiune cu modulatie digitala cuprinde: - Emițătorul, partea care transmite mesajul și care este compusă din: - Codor, care realizează codarea sursei, (reprezintă mesajul in forma binara biti) si o codare de canal (introduce informație redundantă pentru a putea corecta eventualele erori de la recepție). - Modulator, care adapteaza semnalul digital la caracteristiceile canalului de telecomunicatie, ( modifică caracteristicile semnalului, de exp. banda de frecvență); - Canalul de comunicatie: prin el se transmite semnalul de la emitator la receptor. Canale tipice sunt: firele metalice (perechi torsadate sau cablu coaxial), aer, fibra optica; - Receptorul (destintarul semnalului si mesajului) cuprinde: - Demodulatorul cu rolul de a reface semnalul binar din forma de unda receptionata din canalul de telecomunicație; - Decodorul reface mesajul original binar din semnalul demodulat;
Într-o comunicație ideală, semnalul de la iesirea demodulatorului este identic cu cel da la intrarea modulatorului de la emisie, ceea ce ar asigura identitatea mesajului transmis. În realitate, între codor și decodor apar de obicei erori, rolul operației de codare/decodare de canal (tehnica de control al erorii) fiind și acela de a reface și în acest caz mesajului original. Canalele de transmisiune sunt analogice şi de obicei au o bandă utilă de frecvenţe nepotrivită pentru a transmite semnale digitale în banda de bază. Multe canale se comportă ca un filtru trece bandă (cu banda limitată). Astfel, dacă semnalul emis are componente în afara benzii de trecere a canalului, semnalul recepţionat ar fi atât de distorsionat încât, chiar şi în lipsa zgomotului, mesajul transmis (semnalul modulator digital) nu ar mai putea fi refăcut. Cum semnalele modulate în banda de bază au cea mai mare parte a componentelor la frecvenţe mici, sunt în afara benzii unor canale precum canalele radio sau cele prin cablu coaxial. Pentru aceste situaţii se utilizează transmisiuni de banda largă (cu modulaţie digitală cu purtătoare sinusoidală), astfel încât spectrul semnalului modulat sa se găsească în banda canalului, iar componentele lui să fie atenuate identic de canal. Dispozitivul care realizează modulaţia se numeşte modulator digital, iar cel care reface semnalul digital în banda de bază din semnalul modulat recepţionat se
numeşte demodulator. Daca cele Atunci când comunicația digitală bidirecționale (de exemplu între două PC-uri) se realizează prin canale analogice ( cu echipamente proiectate inițial pentru semnale analogice) fiecare dispozitiv are atît modulator cît și demodulator, acestea fiind grupate în modem. Exemple de modulaţii digitale cu purtătoare sinusoidală: - ASK - modulaţia digitală de amplitudine (Amplitude Shift Keying) - QAM - modulaţia digitală de amplitudine în cuadratură (Quadrature Amplitude Modulation) - FSK - modulaţia digitală de frecvenţă (Frequency Shift Keying) - PSK - modulaţia digitală de fază (Phase Shift Keying) - SSK - modulaţia digitală spaţială, pentru sisteme cu antene multiple de emisie (Space Shift Keying) - Alte modulaţii mai complexe: ASK + PSK TCM - modulaţii codate trellis OFDM - modulaţia cu diviziune în frecvenţe ortogonale
2. Breviar teoretic Modulaţia digitală de frecvenţă FSK este o modulaţie în care purtătoarea (semnal sinusoidal) este modulată în frecvenţă de semnalul digital în banda de bază (similar cu o modulaţie analogică de frecvenţă). Astfel semnalul modulator controlează frecvenţa instantanee a semnalului modulat. Pentru o modulaţie BFSK (FSK binară) frecvenţa instantanee a semnalului modulat comută între două frecvenţe. Frecvenţa purtătoarei semnalului FSK este aleasă să fie compatibilă cu banda canalului prin care va fi transmis. Există si modulaţii FSK multi-purtătoare, dar pentru simplitate vom discuta doar despre modulaţia FSK binară. FSK a fost utilizată pentru comunicaţii satelitare de date cu semnale de microunde cu frecvente peste 1GHz sau ca modulaţie digitala prin canale proiectate pentru comunicaţii analogice (linia telefonica analogica: 0.3kHz -3.4kHz). Dacă banda canalului este suficient de mare, FSK se poate utiliza ca tehnică de duplexare (în frecvenţă) pentru o comunicaţie full-duplex. De exemplu, conform standardului Bell 103, banda disponibila liniei telefonice a fost divizata in doua pentru a obţine doua sensuri de comunicaţie, fiecare cu o viteza de semnalizare de 300 baud/sens: 1070 Hz (0 logic) & 1270 Hz (1 logic) pentru sensul staţiei care iniţiata transmisiunea si 2025 Hz (0 logic) & 2225 Hz (1 logic) pentru sens invers. Astfel, fiecare modificare a semnalului în banda de bază se reflectă într-o schimbare a frecvenţei semnalului FSK
Demodularea semnalelor -FSK se poate realiza în două variante: o Demodulare necoerntă (fără purtătoare refăcută la recepţie ): se filtrează semnalul FSK cu două filtre FTB, fiecare centrat pe câte una din cele două frecvenţe posibile ale semnalului FSK, atenuând-o pe cealaltă, refăcând apoi semnaul în bada de bază cu detectorul de anvelopă. o Demodulare coerntă (cu purtătoare refăcută la recepţie): se utilizează un circuit PLL (phase locked-loop) pentru sincronizează semnalul de referinţă (purtătoare refăcută la recepţie) cu purtătoarea semnalului FSK cu scopul de a detecta variaţiile frecvenţei semnalului modulat şi a reface semnalul în banda de bază. 2.1 Generarea semnalului FSK - modulator FSK Modulația FSK se poate realize cu două metode simple: - cu oscilator comandat in tensiune (VCO) care primeste pe intrarea de contol mesajul digital. VCO este un oscilator care oscileaza pe frecventa de oscilație liberă f 0 daca tensiunea de intrare este 0V si genereaza un semnal sinusoidal de frecventa f (u in ) = f 0 + k VCO u in daca tensiunea de la intrarea de comanda este u in. Astfel, daca semnalul modulator u in (t) este un semnal digital de tip NRZ (0-5V) frecvența semnalului sinusoidal de la iesire va fi: f FSK f0 pentru 0V, nivel logic "0" = f1 = f0 + kvco U in pentru 5V, nivel logic "1" Dar trecerea intre cele doua frecvente se realizeaza destul de lent si fara salturi de faza (discontinuitati) ale semnalului sinusoidal.
Avantajul este că banda de frecventa a semnalului rezultat este mai mica decit a doua metodă, iar dezavantajul că viteza de variatie a semnalului modulator trebuie sa fie mai mică, de unde și un debit binar mai mic ce poate fi transmis. - cu multiplexor analogic. In functie de intrarea de date (comanda) se selecteaaza la iesire unul din cele doua semnale sinusoidale de frecvente f 0 si f 1. Trecerea de la un semnal la altul se realizeaza mai rapid (poate asigura rate binare mai mari), dar banda de frecvente ocupata este mai mare. In acest caz semnalul FSK se poate reprezenta ca suma intre doua semnale OOK (on-off keying) cu semnale sinusoidale de frecvente diferite, in care unul dintre semnale este nul (0 logic) atunci cind celalat este nenul (1 logic) Astfel, spectrul semnalului FSK binar este un spectru compozit a doua semnale modulate OOK cu purtatoare de frecvente diferite (f 0 si f 1 ) 2.2 Detecţia asincronă a semnalului FSK Demodularea semnalelor FSK (refacerea semnalului digital) se poate realiza cu schema asincronă sau cu schema sincronă (în care purtătoarea trebuie refăcută la recepție). Demodularea asincronă se realizează cu un filtru FTB care selectează doua una dintre cele sub-benzi ale semnalului FSK binar, de regulă cea centrată pe frecvența f 1 (pentru 1 logic) și cu un detector de anvelopă.
La ieșirea filtrului FTB ( care selectează doar semnalul de pe una din cele doua frecvente, atenuându-l pe celalalt) se obține un semnal a cărui amplitudine (anvelopa) își modifică valoarea similar cu semnalul digital in banda de baza (NRZ). Astfel, din semnalul de la ieșirea FTB se poate obține semnalul NRZ modulator cu ajutorul unui detector asincron ( detector de anvelopa), care conține un redresor dublă alternanță, un filtru FTJ și un comparator care reface nivelele de tensiune NRZ 2.3 Detecţia sincronă a semnalului FSK Schema bloc de demodulare sincronă a semnalelor modulate FSK este prezentată în figura următoare Circuitul principal pentru demodulare și detecție sincronă FSK este PLL (Phase- Looked Loop). Rolul lui este de a realiza conversia frecventa- tensiune prin urmarirea modificarilor frecventei fata de purtatoare din semnalul receptionat. PLLul contine un VCO, un comparator de faza si un filtru FTJ. El pastraza sincronizarea dintre purtatoare si frecventa semnalului FSK prin ajustarea frecventei de iesire din VCO. In conditiile sincronizării (diferenței mici între frecvența
semnalului recepționat și frecvența semnalului generat de VCO), comparatorul de fază generează un semnal de frecvență mare, a cărui valoarea medie pe un interval mai mic decât intervalul de simbol este proporțională cu diferența dintre frecvența de oscilație liberă a VCO și frecvența instantanee a semnalului recepționat.aceată valoare medie, obținută la ieșirea filtrului FTJ din reacția PLL este aplicată pe intrarea de comandă a VCO pentru a determina ajustarea frecvenței acestuia pentru urmărirea frecvenței semnalului recepționat. Prin medierea acestei tensiuni pe durata unui a unui simbol (bit) cu al doilea FTJ se obține un semnal care urmăreste forma semnalului digital modulator, dar nu are nivelele de tensiune ale acestuia. Pentru a reface aceste nivele, se utilizează un comparator, obținându-se semnalul modulator original cu nivele de 0V și +5V 3. Desfășurarea lucrării Macheta de laborator contine: - blocul de codare/decodare de linie a datelor (reprezentarea in banda de baza cu coduri NRZ, RZ, Manchester) care realizeaza si operatia de sincronizare de caracter la receptie - blocul de modulatie ASK, BPSK (PSK), FSK, care realizeaza modulatia cu portator sinusoidal a mesajului digital reprezentat cu unul dinter codurile de linie NRZ, RZ. - simulatorul canalului de transmisiune, atit pentru transmisiunea in banda de baza (unde se pot introduce erori binare) cit si pentru transmisinea de banda larga (in care se introduce zgomot peste semnalul modulat). - detectorul sincron pentru semnalele modulat BPSK, FSK si ASK (care contine un mixer de frecventa, un circuit de dublare a frecventei, un circuit PLL un bloc de defazare cu 90 0, un filtru FTJ si un circuit de comparare pentru a reface nivelul
semnalului receptionat la valoarea celui emis) - un filtru FTB si un detector asincron (detector de anvelopa compus din redresor dubla alternanta, filtru FTJ) si un comparator de tensiune pentru detectia asincrona a semnalelor modulate FSK. 3.1 Generarea semnalului FSK - modulator FSK - Sincronizarea se va realiza pe front pozitiv al semnalului de la ieşirea SYNC a blocului ENCODER. - se vizualizeazăpe CH1 cca 2-3 biţi ai semnalului NRZ din blocul ENCODER. (1200 bauds) - se aplica semnalul NRZ la intrarea modulatorului FSK si se vizualizeaza semnalul modulat FSK pe CH2. Se masoară Av-v (pentru 1 şi 0 al semnalului din banda de bază), care este aproximativ constantă şi viteza de semnalizare pentru semnalul FSK. - se determină defazajul purtătoarei la trecerea semnalului FSK de la 1 la 0. (180grd) - se măsoară frecvenţele semnalului FSK pentru semnalul modulator 1 si 0 Modulatorul FSK utilizează două comutatoare analogice configurate ca un multiplexor analogic. Comutatoarele închid circuitul când sunt comandate cu +5V şi se deschid când primesc -5V pe intrarea de comandă. Semnalele de comandă adecvate sunt POLAR şi POLAR INV şi sunt obţinute din semnalul modulator. Astfel semnalul modulator utilizează controlul în tensiune pentru a selecta la iesirea modulatorului frecvenţa adecvata a semnalului modulat. Se afişează semnalul POLAR pe CH2 (cum diferă faţă de NRZ) şi semnalul POLAR INV pe CH1 Se aplică apoi semnalul FSK pe CH1 şi se determină frecvenţa acestuia atunci
când semnalul POLAR este high şi semnalul POLAR INV este low. Se măsoară apoi frecvenţa semnalelor HIGH TONE şi LOW TONE. Semnalul FSK poate fi văzut ca suprapunerea a două semnale OOK cu aceaaşi amplitudine, dar de frecvenţe diferite, sincroniyate convenabil. Se conectează semnelele HIGH TONE şi LOW TONE pe CH1 respectiv pe CH2 şi se activează butonul soft <CM>. Care este efectul constatat pe osciloscop. Se conecteaza semnalul FSK pe CH2 şi se comută CM on şi off. Ce tip de semnal se obţine la ieşirea FSK? Spectrul semnalului OOK are un maxim pe frecvenţa purtătoarei lui, iar celelalte componente spectrale se datorează comutării on şi off a purtătoarei, pentru obţinerea OOK. Spectrul semnalului FSK este suma spectrelor celor două semnale OOK (fiecare cu purtătoarea lui). Se vizualizează semnalul POLAR pe CH1. Se comuta on/off butonul soft <CM> observându-se semnalul de la ieşirea FSK. Comutarea frevcvenţei lui FSK se face brusc? Discontinuităţile semnalului în domeniul timp cresc banda lui de frecvenţă. Modulatoarele sunt proiectate sa reducă bnda micşorând discontinuităţile. Care ete faza semnalului FSK pentru high (2400Hz) chiar inainte de a comuta semnalul POLAR din high în low. Se vizualizează semnalul HIGH TONE pe CH2 şi se comută <CM> din off in on. Cum generează CM discontinuităţi? FSK nu-şi schimbă faza la schimbarea frecvenţei. Concluzii generare - generarea semnalului FSK: - FSK binar (BFSK) este o modulaţie digitală în care reprezintă semnalul în bada de bază (NRZ) folosind două purtătoate (semnale sinusoidale) de frecvenţe diferite. - FSK are amplitudinea constantă - semnalul FSK nu-şi modifică faza (ideal) odată cu semnalul digital modulator. Astfel se obţie semnal FSK cu banda minimă de frecvenţă. - FSK se poate genera utilizând un multiplexor analogic - semnalul FSK se poate scrie ca suma a doua semnale OOK alternative fiecare cu frecvenţa purtătoate proprie, astfel spectrul semnalului FSK este egal cu suma celor două spectre 3.2 Detecţia asincronă a semnalului FSK Demodulatorul FSK reface semnalul în banda de bază prin detecţia schimbării
frecvenţei semnalului FSK. Semnalul FSK se poate descompune în două semnal eook de frecvenţe diferite (dar aceeaşi amplitudine). Deci spectrul semnalului FSK va fi este suma spectrelor celor două semnale OOK (fiecare cu purtătoarea lui). Cu ajutorul a două filtre trece bandă, centrat fiecare pe frecvenţa câte unui semnal OOK, se pot obţine cele doua semnale OOK independente. Amplitudinea semnalului de la ieşirea filtrelor se modifică odată cu modificarea frecvenţei semnalului FSK si deci a semnalului modulator. Astfel semnalul in banda de bază format NRZ se poate obţine prinn detectia asincronă a amplitudinii fiecarui semnal OOK. Detectorul asincron de amplitudine utilizează trei blocuri: rederesot dublă alternanţă, filtru trece jos şi comparator de tensiune. Se realizează sincronizarea pe frontul pozitiv al semnalului de la ieşirea blocului de codare - se vizualizează pe CH1 cca 2-3 biţi ai semnalului NRZ de la ieşirea blocul ENCODER. (1200 bauds) - se aplica semnalul NRZ la intrarea modulatorului FSK si se conectează ieşirea acestuia la intrarea blocului CHANNEL. Se reglează zgomotul canalului la minim, potenţiometrul complet stânga Se vizualizează simultan semnalul NRZ (pe CH1) si semnalul FSK de la ieşirea canalului (pe CH2) Se conectează ieşirea canalului la intrarea în filtrul FTB şi se vizualizează simultan semnalul NRZ (pe CH1) si semnalul de la ieşirea FTB (pe CH2). Se măsoară amplitudinea semnalului de la ieşirea FTB când semnalul NRZ este high şi apoi cînd NRZ este low. Detectorul asincron de anvelopa reface semnalul NRZ din variaţia amplitudinii semnalului de la ieşirea filtrului FTB. Se conectează semnalul de la ieşirea FTB la intrarea redresorului dublă alternanţă (FWR), iar ieşirea acestuia se vizualizează pe CH2. Ce face redresorul dublă alternanţă? Redresorul dublă alternanţă produce ieşirea în două etape: mai întâi generează un semnal redresat mono-alternanţă inversat pe care îl combină apoi cu semnalul de la intrare. SE vizualizează apoi semnalul de la ieşirea filtrului FTJ, care selectează doar componentele de frecvenţă din banda de bază, atenuând componentele de pe frecvenţa purtătoarei, obţinând un semnal apropiat de cel emis, dar cu alte valori de tensiune. Care este şablonul de biţi observaţi pe CH2 al osciloscopului. Se vizualizează pe CH2 semnalul de la ieşirea comparatorului (VOLT COMP) şi se reglează Positive supply până cind semnalul de la ieşirea comparatorului este identic cu semnalul de la intrarea în demodulator. Comparatorul generează tensiune de 5V (high) atunci cind semnalul de la iesirea FTJ este mai mare decât tensiunea de referinţă reglabilă din Positive Suuply si tensiunea 0V atunci cind semnalul este sub referinţă,
Prin CM se pot activa modificările în canal. Astfel, NRZ nu este detectat corect când CM=1. Se vizualizează din nou semnalul de la ieşirea FTB verificând daca amplitudinea semnalului şi-a păstrat valoarea la comutarea lui CM on-off. Se vizualizează semnalul de la ieşire canalului când se comută CM. Se vizualizează ieşirea canalului pe CH2 când se comută CM, observând ca se reduce banda canalului. Acest efect ar apărea daca banda canalului nu ar fi suficient de mare. 3.3 Detecţia sincronă a semnalului FSK Detecţia FSK sincronă reface semnalul NRZ din frecvenţa semnalului modulat În acest caz se utilizează un convertor frecvenţă - tensiune care detectează una din cele două frecvenţe ale semnalului BFSK recepţionat şi generează unul din cele două nivele de tensiune corespunzătoare, din care se obţine apoi semnalul NRZ. Convetorul frecvenţă-tensiune conţie un PLL (phase locked loop) pentru detectarea frecvenţei semnalului recepţionat, iar apoi un filtru FTJ şi un comparator pentru refacerea semnalului modulator NRZ. PLL asigură sincronismul purtătoareai locale ( referinţa ) cu purtătoarea semnalului FSK, prin ajustarea frecvenţei de la ieşirea oscilatorului comandat in tensiune (VCO). Intrarea în VCO controlează frecvenţa semnalului de referinţă: atunci când purtătoarea locală are aceeaşi frecvenţă cu ce a purtătorei semnalului FSK, tensiunea medie (de la intrarea VCO) urmăreşte FRECVENŢA REFACUTĂ. Valoarea mediată pe un interval de bit a semnalului de la intrarea VCO este propoţională cu frecvenţa semnalului FSK, deci reprezintă starea logică a semnalului NRZ în banda de bază. Pentru refacerea nivelelor de tensiune 0-5V se utilizează un comparator. Circuitul PLL est format dintr-un VCO, un FTJ şi un comparator de fază realizat cu un circuit XOR. Comparatorul de fază compara semnalul de şa ieşirea VCO cu purtătoarea FSK şi generează un semnal analogic care indică diferenţa dintre fazele celor doua semnale. Prin filtrarea FTJ a acestui semnal (eliminarea
variaţiilor bruşte ale semnalului eroare de fază) se obţine semnalul de intrare (de comandă a frecvenţei) a oscilatorului VCO. Partea experimentală Se realizează sincronizarea pe frontul pozitiv al semnalului de la ieşirea blocului de codare pentru toate măsurătorile.,282 - se vizualizează pe CH1 cca 2-3 biţi ai semnalului NRZ de la ieşirea blocul ENCODER. (1200 bauds) - se aplica semnalul NRZ la intrarea modulatorului FSK si se conectează ieşirea acestuia la intrarea blocului CHANNEL. Se reglează zgomotul canalului la minim, potenţiometrul complet stânga Se vizualizează simultan semnalul NRZ (pe CH1) si semnalul FSK de la ieşirea canalului (pe CH2) (se remarcă faptul că primii doi biţi sunt 1,0) Se conectează ieşirea canalului la SYNC DETECTOR şi la REF IN din PLL (eliminind orice conexiune existentă anterior in interiorul PLL). Se vizualizează ieşirea VCO pe CH1 şi semnalul de la REF IN la CH2. Este
sincronizată ieşirea lui VCO cu purtătoarea lui FSK? Se conectează A/F la intrarea comparatorului de fază CIN din PLL. Reacţia negativă de la VCO prin bistabilul D permite comparatorului de fază să fixeze PLLul. Se vizualizează intrarea in VCO (VCIN) pe CH2 şi ieşirea canalului pe CH1. Pentru a observa ieşirea comparatorului de fază (care utilizează pentru comparaţie un circuit XOR), filtru FTJ de tip RC nu trebuie să fie conectat. Se vizualizează pe CH1 semnalele VCD şi FSK. Care este starea lui VCIN când purtătoarea semnalului FSK este negaţivă, iar intrarea comparatorului de fază VCD, este high? Se vizualizează VCD pe CΗ1 şi VCINpe CH2. Când butonul CM este activat, semnalul VCIN este filtrat cu FTJ astfel incât variaţia semnalului de la intrarea PLL variază mai lent, ceea ce conduce la o variaţie lentă a frecvenţei semnalului VCO. Se vizualizează simultan semnalele VCD şi VCO şi se determină frecvenţa semnalului VCO atunci când VCD are frecvenţa mai mare. Se vizualizează simultan semnalele VCD şi FSK şi se determină frecvenţa semnalului VCD atunci când FSK are 2.4kHz şi 1.2kHz Este semnalul VCD sincron cu FSK?. Se vizualizează simultan semnalele VCΙΝ şi FSK. Se modifică valorea semnalului VCIN corelat cu frecvenţa FSK? Se completează circuitul conectând ieşirea PLL la intrarea filtrului FTJ. Circuitul PLL furnizează o copie buferată a intrării în VCO filtrului FTJ pentru a obţine la ieşirea acestuia un semnal apropiat de NRZ, dar întârziat cu aproximativ 400µs.
Se vizualizează semnalul de la ieşirea blocului VOLT COMP la CH2 şi se ajustează potenţiomerul NEGATIVE SUPPLY astfel încât să se obţină o versiune întârziată cât mai apropiată de NRZ. Se vizualizează simultan ieşirea canalului pe CH1 şi ieşirea fitrului FTJ (din SYNC DETECTOR) pe CH2. Se măsoară tensiunea maximă pentru nivelul logic zero şi tensiuna minimă pentru nivelul logic 1, de la ieşirea filtrului. Activarea CM reduce lăţimea benzii canalului. Aceasta determină o variaţie a amplitudinii semnalului FSK (odată cu frecvenţa). Activarea CM conduce la apariţia unordiscontinuităţi de fază in semnalul FSK, zgomot de fază care modifică ieşirea filtrului FTJ. Concluzii ale detecţiei sincrone: - detectorul sincron utilizează un circuit PLL pentru a genera o copie a semnalului purtător. - tensiunea de la intrarea oscilatorului comandat in tensiune (VCO) al PLL, produsă de comparatorl de fază al PLL, corespunde frecvenţei semnalului FSK. - detecţia sincronă a semnalelor FSK nu este sensibilă la variaţia amplitudinii semnalului modulat; - detecţia sincronă a semnalelor FSK este sensibilă la zgomotul de fază al semnalului modulat; Restul procedurilor pentru realizarea si interpretarea masuratorilor se vor efectua urmarind curriculum avut la dispozitie la labarator.