FSK.pdf

Universidad del Valle

Frequency Shift Keying (FSK)Los temas de este clase son:

El funcionamiento y las caractersticas de un oscilador controlado por voltajeLa generacin la Manipulacin por Desplazamiento de Frecuencia (FSK)La demodulacin de FSK empleando un Circuito de Sincronizacin de Fase

Modulacin por desplazamiento de frecuencia

Modulacin de Frecuencia

Una onda senoidal puede ser representada mediante la ecuacin:

v(t) = Vcos(t + )donde

v(t) es el valor instantneo del voltaje de la onda, V es la amplitud de la onda, es la frecuencia angular de la onda, t es el tiempo, es el desplazamiento de fase con respecto a una fase de referencia.En esta expresin, las variables independientes son V, e . Si cualquiera deestas variables cambian como respuesta a otra seal se dice que la onda estMODULADA.

Como V es la amplitud, la frecuencia e la fase de la onda:cambiando V da lugar a MODULACION DE AMPLITUD,cambiando da lugar a MODULACION DE FRECUENCIA ycambiando i da lugar a MODULACION DE FASE.

La onda que es modulada se llama PORTADORA.

Con modulacin de frecuencia, la frecuencia instantnea depende de la ondamoduladora, y est dada por la expresin:

(t) = c + kvm(t)

donde c es la frecuencia portadora y vm es el voltaje de modulacin. k es unaconstante (expresada en Hz/Voltio).

Ahora:

vm(t) = Vmsen mt

De esta forma la expresin general para una frecuencia portadora senoidal (coseno)modulada por una onda moduladora senoidal (coseno) es:

v(t) = Vcos(ct + kVmsen mt + ) = Vcos(ct + msen mt + )donde m es el ndice de modulacin.

Generalmente, se toma la fase de la portadora como referencia, es decir, =0, loque da:

v(t) = Vcos (ct + msen mt)

1

Cuando la seal moduladora es una onda binaria, la seal transmitida es conmutadadirectamente de una frecuencia a otra. El sistema se describe como Manipulacin porDesplazamiento de Frecuencia (FSK).

Las dos frecuencias pueden ser producidas por dos osciladores y sus salidasconmutadas por la seal moduladora, o puede emplearse un oscilador controlado porvoltaje con su frecuencia modificada por el voltaje de la seal moduladora.

Demodulacin de Frecuencia

La manera ms simple de demodular una onda modulada en frecuencia es empleando laspropiedades selectivas de frecuencia de un circuito sintonizado para producir yasea un cambio en la amplitud o un desplazamiento de fase con la frecuencia, loscuales pueden ser detectados.

Este mtodo ha sido reemplazado ampliamente por el uso de circuitera basada en elcircuito PLL (Phase Locked Loop).

Abajo se muestra el diagrama de bloques del circuito PLL:La seal FSK se aplica a un circuito multiplicador (modulador balanceado) junto conla salida de un oscilador controlado por voltaje (VCO).Sea la seal FSK:

v(t) = Vcos (mt + msen mt)

la cual, con una onda de modulacin binaria se convierte en:

v(t) = Vcos (mt +/ m)

Sea la seal del VCO, cos vt.

Multiplicando ambas seales:

v(t) = Vcos (ct +/ m).cos vt = 0.5V(cos [c + v +/ m]t + cos [c v +/ m]t)

Si las dos frecuencias c y v son iguales, se obtiene:

v(t) = 0.5V(cos [2c +/ m]t + cos [+/ m]t)

El trmino 2 es filtrado por el filtro paso bajo, quedandov(t) = 0.5V(cos [+/ m]t).

Este es un voltaje de DC, que se emplea para controlar la frecuencia del VCO. Si lafrecuencia de entrada cambia, este voltaje de control cambiar. El circuito debeestar diseado de modo que este cambio en el voltaje mueva la frecuencia del VCOhasta la frecuencia de entrada. Esto produce un bucle de control de frecuencia, conel VCO siguiendo la frecuencia de entrada.

Si los cambios en la frecuencia de entrada son debidos a la FSK de la seal deentrada, el voltaje de control del VCO ser un voltaje que variar en pasos deacuerdo a la seal FSK.

De esta forma el voltaje de control del VCO sern los datos FSK demodulados.

Antecedentes y Objetivos de la Prctica 1En esta prctica se estudiarn el funcionamiento y caractersticas de un OsciladorControlado por Voltaje (VCO).Un oscilador controlado por voltaje es precisamente lo que su nombre indica: unoscilador cuya frecuencia est controlada por un voltaje aplicado externamente. Lososciladores controlados por voltaje pueden ser tipo oscilador RC o integrador parabaja frecuencia, o tipo oscilador LC para altas frecuencias.

2

El VCO asociado a esta prctica es de tipo integrador, donde el voltaje de controlaplicado determina el tiempo necesario para integrar arriba y abajo entre nivelesde ajuste interno y, por tanto, la frecuencia de salida. La onda de integracin sehace cuadrada (squared up) internamente para dar onda cuadrada a la salida.

Cuando no se aplica un voltaje de control a un VCO, ste oscilar a una frecuenciaque estar determinada por el diseo del circuito oscilador. Esta frecuencia seconoce con el nombre de FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO LIBRE del VCO.

Cuando se aplica un voltaje de control, la frecuencia de oscilacin depender de lamagnitud de dicho voltaje de control.La relacin entre frecuencia y voltaje de control es importante cuando se trabajacon un VCO. Esto se mide generalmente en Hz/V y se conoce como Sensibilidad delVCO.

Tambin es importante el rango de frecuencias sobre las que se puede controlar elVCO.

El rango del VCO tratado en esta prctica puede ajustarse mediante los controles dela tarjeta de trabajo.

Prctica 1 (Funcionamiento del VCO)El Oscilador Controlado por Voltaje (VCO) que se muestra abajo tiene trespotencimetros de control: Frecuencia , Desviacin (Offset) y Rango .Ajustar estos controles al mnimo (totalmente en el sentido contrario al de lasagujas del reloj). Monitorear el punto con el osciloscopio.

Preguntas de la Prctica 1

Asegurarse de que los controles de Frecuencia, Desviacin y Rango , & seencuentran al mnimo (totalmente a la izquierda). Anotar el voltaje de DC en elpunto de monitoreo y la frecuencia del oscilador utilizando los dos medidores.Poner el control de Frecuencia al mximo. Anotar el nuevo voltaje DC y lafrecuencia.

1. Qu le ocurre al voltaje en el punto de monitoreo cuando se vara el controlde Frecuencia?

2. Qu pasa con la frecuencia del oscilador cuando se vara el control defrecuencia?

3. Cual es el rango de voltaje del control de frecuencia?4. Cual es el rango de frecuencia del oscilador?

Volver a poner el control de frecuencia al mnimo y ajustar el control de Rango al mximo. Anotar el voltaje de DC en el punto de monitoreo y la frecuenciadel oscilador utilizando los dos medidores. Poner el control de Frecuencia almximo. Anotar el nuevo voltaje DC y la frecuencia.5. Ahora, cual es el rango de voltaje del control de frecuencia?6. Cual es el rango de la frecuencia del oscilador?

7. El control de Rango afecta el voltaje de control de frecuencia segn se leeen el voltmetro?

8. Afecta el control de Rango al rango de frecuencias sobre el que opera el VCO?

9. Cual es la sensibilidad del VCO con el control de Rango al mnimo?

10. Cual es la sensibilidad del VCO con el control de Rango al mximo?

Volver a poner el control de Frecuencia y el control de Rango al mnimo.Poner el control de Desviacin al mximo. Anotar el voltaje DC en el puntomonitoreo y la frecuencia del oscilador utilizando los dos medidores. Poner elcontrol de Frecuencia al mximo. Anotar el nuevo voltaje DC y la frecuencia.

3

11. Cual es el rango de voltaje del control de frecuencia?12. Es significativamente diferente del anterior?

13. Es la frecuencia del oscilador para un voltaje de control dado la misma quepara la posicin de desviacin mnima?

14. Cual es el efecto del control de Desviacin ?

15. Si el voltaje de control de un VCO se conmuta entre dos niveles qu formatendr la salida del oscilador?

Antecedentes y Objetivos de la Prctica 2En esta prctica se estudiarn las caractersticas de una seal FSK y cmo seproduce. FSK es una forma de modulacin de frecuencia donde la onda moduladora esun torrente de datos digitales.

En un sistema modulado en frecuencia la amplitud de la portadora es constantemientras su frecuencia cambia de acuerdo con el valor de la seal moduladora.

Cuando la seal moduladora es una onda binaria, la seal transmitida se conmutadirectamente de una frecuencia a otra (dominio del tiempo). Se dice que el sistemaest manipulado por desplazamiento de frecuencia (FSK).

Puede emplearse la seal binaria de banda de base para conmutar entre dososciladores que estn trabajando a frecuencias diferentes, o alternativamente, unoscilador simple controlado por voltaje para producir las dos frecuencias.

Prctica 2 (Produccin de FSK)El sistema que se muestra abajo es similar al del ejercicio ASK, salvo que seemplea un modulador de frecuencia en vez de uno de amplitud. Ajustar a susposiciones medias todos los controles de potencimetro. Ajustar a cero elconmutador de bits MS y a 2 el de bits LS . Pinchar con el ratn en lospuntos disponibles de monitoreo y observar las seales a lo largo del circuitoempleando el osciloscopio.

Preguntas de la Prctica 2

Observar la seal del punto de monitoreo con el osciloscopio.

1. Si esta onda se aplica a un circuito que conmuta entre dos frecuencias, o seaplica como el voltaje de control de un VCO, qu onda se obtendr a la salida (enel punto )?

Observar con cuidado el punto con la pantalla grande del osciloscopio.

2. Se puede ver la modulacin en frecuencia de la seal?

Poner los dos conmutadores de bits MS y bits LS a 0.

3. Cual ser la palabra de datos en binario?

4. Qu voltaje representa esta en el punto de monitoreo ?Poner los dos conmutadores de bits MS y bits LS en F.

5. Cual es ahora en binario la palabra de datos?

6. Qu voltaje representa esta en el punto monitoreo ?Cambiar al punto de monitoreo y a pantalla grande del osciloscopio.

7. Qu frecuencia corresponde al 0 binario?

8. Qu frecuencia corresponde al 1 binario?

Poner los dos conmutadores de bits MS y bits LS en A.

4

9. Cual es ahora la palabra de datos en binario?

Observar el espectro de la onda FSK en el analizador de espectro grande. Cambiarlos conmutadores de palabra de datos a C y observar el espectro de la onda FSK enel analizador de espectro grande.

10. Son diferentes los espectros de las dos palabras de datos?

11. Cual ocupa el mayor ancho de banda?

12. Por qu crees que es as?

Antecedentes y Objetivos de la Prctica 3En esta prctica se estudiar cmo una seal FSK es demodulada empleando uncircuito de sincronizacin de fase (PLL).

El Circuito de Sincronizacin de Fase

Este es el nombre que se da a un circuito como el que se muestra en el diagrama deabajo, que comprende un Oscilador Controlado por Voltaje (VCO), un multiplicador(modulador balanceado) y un filtro paso bajo (LPF).El VCO est diseado para tener una frecuencia de funcionamiento libre cercano a lafrecuencia portadora de la seal de entrada.

El multiplicador tendr as dos seales de entrada, nominalmente a la mismafrecuencia. De esta manera, la salida del multiplicador tendr componentes al doblede la frecuencia portadora y cerca a la frecuencia cero (a frecuencia cero si lasdos frecuencias de entrada son iguales).

El filtro paso bajo eliminar las seales de frecuencia al doble, dejando lostrminos de frecuencia cercana a cero como voltaje de control del VCO.La polaridad de este voltaje de control se arregla de modo que si la frecuencia dela seal de entrada aumenta ligeramente, el voltaje de control variar losuficiente para hacer que el VCO siga el cambio de entrada, es decir, el VCOsigue la seal de entrada.

Si la entrada es una seal FSK, el VCO seguir las conmutaciones de frecuenciarealizadas por dicha seal. Para hacer esto, el voltaje de control debe conmutarentre dos valores, uno que ajuste el VCO a la frecuencia que representa el cerobinario y el otro a la que representa el uno binario.

De esta forma, el voltaje de control variar de acuerdo con la seal de datosbinarios originales.

Prctica 3 (Demodulacin PLL de FSK)El sistema de abajo muestra un VCO y un detector de Circuito de Sincronizacin deFase para la demodulacin de FSK. Ajuste a sus posiciones medias todos loscontroles de potencimetro. Ajuste a cero los conmutadores de bits MS y LS .Pinche con el mouse los puntos disponibles de monitoreo para observar las seales alo largo del circuito empleando el osciloscopio.

Preguntas de la Prctica 3

Observar el punto de monitoreo con la pantalla grande del osciloscopio.

1. Cul es la onda en este punto?

2. Cul es el voltaje de esta onda?Poner los dos conmutadores bit MS y bit LS en F.

3. Cul es la onda ahora?

4. Cual es el voltaje de esta onda?

5

Observar el punto de monitoreo con la pantalla grande del analizador deespectro. Poner los dos conmutadores de bit MS y bit LS en 0.

5. Cual es la frecuencia de esta onda?

Poner los dos conmutadores de bit MS y bit LS en F.

6. Cual es ahora la frecuencia de esta onda?

El demodulador de PLL produce una frecuencia de salida que es la diferencia entrelas frecuencias de entrada y del VCO. Visualizar con el osciloscopio el punto .Poner el control de Rango al mximo y ajustar el control de Frecuencia paraque la diferencia de frecuencia sea cero.

7. Cual es la frecuencia del VCO medida que muestra el medidor?

Poner los dos conmutadores de bit MS y bit LS en 0. Ajustar el control deFrecuencia para que la diferencia de las frecuencias sea cero.

8. Cual es la frecuencia del VCO que muestra el medidor?

Pasar al men Condiciones y seleccionar el control de VCO automtico. Ajustar elcontrol del filtro PLL para enganchar, cuando la frecuencia del VCO coincidacon la que fue medida para cero batido por control manual (448 kHz). Poner ahoralos dos conmutadores de bit MS y bit LS en F.

9. Cambia la frecuencia del VCO a la frecuencia del otro estado (576 kHz)?

Poner ahora los dos conmutadores de bit MS y bit LS en A.

10. Qu forma adopta la salida del demodulador PLL?

Cambiar las posiciones de los conmutadores bit MS y bit LS y observar lasalida del demodulador PLL.

11. Sigue la forma de la palabra de datos de entrada?

Sumario

FSK significa modular en frecuencia una portadora, haciendo que la frecuencia tomevalores diferentes de acuerdo con el valor de los datos en cualquier momento dado.

La forma ms comn de hacer esto es empleando la onda de datos para controlar unOscilador Controlado por Voltaje (VCO).Hay varias formas de demodulador FSK, de los cuales, quiz el ms empleado es elbasado en un Circuito de Sincronizacin de Fase (PLL).

En este circuito se emplea un VCO en el receptor para modular la seal FSK deentrada. El voltaje de salida resultante controla el VCO para que siga lafrecuencia de la seal FSK.

Puesto que el voltaje necesario para hacer esto es proporcional al desplazamientode frecuencia requerido, el voltaje de control vara de manera similar a la formade datos modulados original.

6