Laboratorio 01 - Ask - Eod

UNTECS 2012-0 TELECOMUNICACIONES III

LABORATORIO 01

MODULACION Y DEMODULACION ASK

Un aspecto esencial de las comunicaciones electrónicas es la capacidad de compartir el medio de transmisión, sin importar si es par de cobre, fibra óptica, la atmosfera o el espacio libre. Si el canal no se pudiera compartir entonces solo se podría transmitir una señal a la vez. Piense por un momento en las implicaciones de este aspecto. Sin la capacidad de compartir, solo habría una estación de radio o TV en cada área. Solamente una persona podría usar su teléfono móvil en cada celda en un mismo instante. Y solo se establecería una cantidad de llamadas telefónicas entre dos ciudades igual a la cantidad de cables de cobre o fibras ópticas interconectadas entre ellas.

La compartición del canal es esencial y existen varios métodos para realizarlo. Uno de ellos se denomina TDM (TIME DIVISION MULTIPLEXING) y consiste en dar a los usuarios accesos exclusivos al canal por cortos periodos de tiempo. Según sus características, este tipo de compartición podría ser poco práctico. Imagínese proveer a todos los usuarios de telefonía móvil ubicados en una celda justo un minuto, para realizar sus llamadas y luego tener que esperar un nuevo turno. No obstante, TDM funciona bien cuando el tiempo de acceso es extremadamente pequeño (en el orden de los milisegundos o microsegundos) con velocidades de compartición rápidas. Esto permite que múltiples usuarios tengan acceso “simultáneo” al canal.

TDM se usa para comunicaciones digitales y se obtiene enviando en forma intercalada los datos de los usuarios por el canal compartido. Esto es, una porción de los datos de un usuario se transmite seguida por una porción de datos del siguiente usuario y así sucesivamente. Desafortunadamente, existe un problema. Si el mensaje es información en tiempo real (real time information) no debe sufrir retardos (por ejemplo, voz digitalizada). Entonces, para salvar este inconveniente, conforme el número de usuarios se incremente, deberá ocurrir lo mismo con la tasa de bits (bit rate). Sin embargo, en un experimento previo, se mostró que incrementar la tasa de bits aumenta la posibilidad de que la limitación de ancho de banda del canal distorsione la señal provocando errores en el receptor.

Otro método de compartir el canal se denomina FDM (FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING) y consiste en proveer a cada usuario acceso exclusivo e ininterrumpido a una porción del espectro de frecuencia del canal. Para transmitir su mensaje el usuario deberá montar este sobre una portadora ubicada dentro del rango o banda de frecuencias designada. Este método es usado, por ejemplo, para las emisiones de radio y TV logrando compartir el espacio libre.

FDM también se emplea para comunicaciones digitales y usa los mismos esquemas de modulación disponibles para comunicaciones analógicas incluyendo: AM, DSBSC (doble banda lateral portadora suprimida) y FM. Cuando AM se emplea para datos digitales, se conoce como ASK (AMPLITUDE SHIFT KEYING), también se le conoce como ON-OFF KEYING.

Preguntas 0101.- ¿Qué técnicas existen para compartir el canal de transmisión? __________ y __________

02.- Indique los medios de transmisión más comunes:

a) ________________ b) ________________ c) ________________

Guía de laboratorio Pág. 1


d) ________________ e) ________________

03.- Un procesador de computadora ejecuta varios o muchos programas y procesos a la vez.¿A cuál de las dos técnicas de compartición se asemeja? __________________________Indique, con flechas, la similitud:

Procesador InformaciónProgramas o procesos Canal

04.- ¿Qué ocurre con la comunicación cuando la velocidad de compartición del canal en TDM es muy baja?

________________________________________________________________________

05.- Al incrementar la cantidad de mensajes o usuarios de un canal, los datos deben pasar a ___________ velocidad.

06.- Manteniendo el mismo medio de transmisión, ¿por qué no es posible aumentar ilimitadamente la velocidad a la cual se le inyecta la información?

________________________________________________________________________

07.- Todo canal se caracteriza por un rango de frecuencias o BW definido como ____________

________________________________________________________________________

08.- En FDM todos los mensajes ________________________________ en forma simultánea.

09.- Si en TDM el tiempo se reparte entre varios mensajes. ¿Qué se reparte en FDM y entre quienes?

________________________________________________________________________

La Figura 01 muestra que la señal ASK toma la forma de la portadora cuando la señal digital, usada para generarla, toma valores distintos a cero. También, la envolvente superior de la señal ASK toma la forma de los datos digitales (la envolvente inferior toma la misma forma pero invertida).ASK tiene tanto ventajas como desventajas.La ventaja es que la recuperación de la ráfaga de datos digitales se puede implementar usando un detector de envolvente simple (visto en un experimento previo de AM). La desventaja es que el ruido sobre el canal puede cambiar la forma de la envolvente; tanto así, que el receptor interpreta incorrectamente los niveles lógicos provocando errores. Recordar que las comunicaciones en AM analógicas tienen el mismo problema y los errores se escuchan como silbidos, crepitaciones y golpes.



Figura 01 – Señal banda base digital y la portadora modulada en ASK

ASK se puede generar por medios convencionales como el visto en un experimento previo sobre modulación AM. Aquí se analizará el funcionamiento de un método alternativo usando la señal digital banda base para conmutar la conexión de la portadora al canal.

Preguntas 0201.- ¿A qué técnica de modulación analógica se asemeja ASK? _________________________

02.- ¿Cuántas envolventes tiene una señal ASK? _________ ¿Qué forma tiene cada una de ellas? ___________________________________________________________________

03.- ¿Cómo se puede eliminar de ASK la envolvente inferior? ___________________________

04.- ¿Cuál es la principal desventaja de ASK? ________________________ ¿Cómo afecta esto a la comunicación? _____________________________________________________

05.- ASK es muy empleado en los sistemas de comunicación por ________________________

DESARROLLO DEL EXPERIMENTOEn este experimento usará el módulo PCM ENCODER del EMONA TELECOMS-TRAINER 101 para generar una señal ASK usando el método de conmutación. Los datos digitales del mensaje se modelan con el módulo SEQUENCE GENERATOR. Luego recuperará los datos usando un detector de envolvente simple y observará su distorsión. Finalmente, usará un comparador para restaurar los datos.

Equipamiento 01 EMONA TELECOMS-TRAINER 101 (incluyendo adaptador de poder) 01 osciloscopio de doble canal, 20 MHz 03 terminales para osciloscopio de EMONA TELECOMS-TRAINER 101 20 cables de conexión del EMONA TELECOMS-TRAINER 101

ProcedimientoPARTE A – GENERANDO UNA SEÑAL ASK1.- Consiga todo el equipamiento requerido.2.- Fije el control TRIGGER SOURCE del osciloscopio a la posición EXT.3.- Fije el control TRIGGER SOURCE COUPLING del osciloscopio a la posición HF REJ.4.- Fije los controles INPUT COUPLING de los canales 1 y 2 del osciloscopio a la posición DC.5.- Fije el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 1ms/DIV.6.- Realice las conexiones mostradas en la Figura 02.



Preguntas 0301.- ¿Qué función cumple el TRIGGER en un osciloscopio?

________________________________________________________________________

02.- ¿Cuántas fuentes de disparo (trigger sources) tiene el osciloscopio y cuáles son?

________________________________________________________________________

03.- Cuántas opciones de acoplamiento de entrada tiene el osciloscopio, cuáles son y qué significa cada una de ellas.

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

NOTA: Inserte los plugs negros de los terminales del osciloscopio en los socketes de tierra (GND).

Figura 02 – Conexiones para el diagrama de bloques de la Figura 03

Las conexiones mostradas en la Figura 02 pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 03. El módulo SEQUENCE GENERATOR se usa para modelar una señal digital y su salida SYNC se usa para disparar el osciloscopio y proveer una señal estable en la pantalla. El módulo DUAL ANALOG SWITCH se usa para generar la señal ASK.

7.- Fije el control MODE del osciloscopio a la posición DUAL para ver la salida del módulo SEQUENCE GENERATOR y la señal ASK generada por el módulo DUAL ANALOG SWITCH.

8.- Compare las señales banda base y ASK.



Preguntas 0401.- ¿Cuántas secuencias puede generar el módulo SEQUENCE GENERATOR y de qué

tamaños cada una?

_________________________________________________________________________

02.- ¿Cuándo se genera la señal SYNC y para qué se emplea?

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

Figura 03 – Generación de señal ASK

03.- Dibuje, en el dominio del tiempo, las señales banda base, portadora y ASK.Especifique claramente todos los parámetros que las definen (tanto en tiempo como amplitudes).

Llame al profesor para revisar su trabajo antes de continuar.



Note que la portadora de la señal ASK y el reloj del módulo SEQUENCE GENERATOR son de la misma frecuencia (2 KHz) y que ambos provienen del módulo MASTER SIGNALS.

Esto es así para lograr que la señal ASK sea fácil de ver en el osciloscopio. Sin embargo, no es recomendable para un sistema de comunicación ASK real debido a que las frecuencias fundamentales de las señales de datos y portadora son muy próximas entre sí. Por razones explicadas en experimentos previos sobre AM, esto provoca que la recuperación de los datos digitales en el receptor sea dificultosa o imposible.

Idealmente, la frecuencia portadora debería ser mucho mayor que la tasa de bits de la señal digital (determinada por la frecuencia de reloj asignada al módulo SEQUENCE GENERATOR). En esta parte del experimento empleará una portadora de frecuencia apropiada (alrededor de 100 KHz) para generar, a la salida del módulo DUAL ANALOG SWITCH, una señal ASK convencional.

10.- Ubique el módulo VCO y fije su control FREQUENCY ADJUST aproximadamente a la mitad de su recorrido.

11.- Fije el control RANGE del módulo VCO a la posición HI.12.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 04.

Recuerde: Las líneas punteadas muestran conexiones existentes.


Las conexiones mostradas en la Figura 04 se representan mediante el diagrama de bloques de la Figura 05.

Figura 05 – Generación de ASK con portadora de 100 KHz



13.- Compare las señales banda base y ASK. Para ello use el control VERTICAL POSITION del canal 1 del osciloscopio para superponer la señal digital con la envolvente de la señal ASK.

Preguntas 0501.- En ASK, la banda base tiene una tasa de bits BR. Exprese, en términos de BR, las

frecuencias de la fundamental y armónicos.

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

02.- En AM o ASK, ¿qué relación debe existir entre las frecuencias de la señal portadora y la señal banda base? _________________________________________________________

03.- ¿Qué ocurre si no se cumple esa relación?

________________________________________________________________________

04.- Dibuje, en el dominio de la frecuencia, las señales portadora, banda base y ASK.

Portadora Banda base ASK

05.- Viendo una señal ASK y su banda base, ¿cómo identifica que se trata de un caso especial de AM? _________________________________________________________________

06.- ¿Cuál es el BW de la señal banda base y de la señal ASK?

________________________________ y _______________________________________


PARTE B – DEMODULACION DE SEÑAL ASK USANDO DETECTOR DE ENVOLVENTEComo ASK es, en realidad, AM (con mensaje digital en lugar de voz o música analógicas), esta puede ser recuperada usando técnicas de demodulación AM. A continuación se realizará la demodulación de ASK mediante el uso de un detector de envolvente.

15.- Ubique el módulo TUNEABLE LOW-PASS FILTER (filtro pasa bajo sintonizable) y gire su control GAIN (ganancia) completamente en sentido horario.

16.- Gire el control CUT-OFF FREQUENCY ADJUST (frecuencia de corte) del módulo TUNEABLE LOW-PASS FILTER completamente en sentido horario.

17.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 06.Nota: Los módulos ubicados más a la izquierda no se observan para poder ubicar mejor el



esquema sobre la página.

Las partes de generación y demodulación ASK del esquema mostrado de la Figura 06 pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 07. El rectificador ubicado en el módulo UTILITIES y el módulo TUNEABLE LOW-PASS FILTER se usan para implementar un detector de envolvente a fin de recuperar los datos digitales provenientes de la señal ASK.


Figura 07 – Demodulación ASK por detección de envolvente

Preguntas 0601.- ¿Qué finalidad tiene el rectificador? _____________________________________________

02.- ¿Qué finalidad tiene el filtro pasa bajo? __________________________________________

03.- Compare la señal original con la señal digital recuperada. ¿Por qué la señal digital recuperada no es una copia perfecta de la original?

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________



04.- ¿Cómo puede mejorarse la señal recuperada tal que sea idéntica a la original?

___________________________________________________________________________

05.- Dibuje la señal ASK, la señal a la salida del rectificador y la señal a la salida del LPF.

ASK RECTIFIER OUTPUT LPF OUTPUT


PARTE C – USO DE COMPARADOR PARA RESTAURAR LA SEÑAL DIGITAL RECUPERADA En experimentos previos se mostró que el comparador es un circuito útil para restaurar señales digitales distorsionadas. A continuación lo usaremos para limpiar la señal ASK demodulada.

19.- Modifique las conexiones tal como se muestran en la Figura 08.


Las partes de generación ASK, demodulación y restauración de la señal digital demodulada de la Figura 08 se representan por el diagrama de bloques de la Figura 09.



Figura 09 – Uso de comparador para restaurar el mensaje recuperado

20.- Fije el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV aproximadamente a la mitad de su recorrido.

21.- Compare las señales. Si ellas no son las mismas, varíe el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV hasta que sean similares.

Preguntas 0701.- Ilustre y explique cómo funciona el comparador empleado. Dibuje, en una gráfica, la salida

del LPF y el nivel DC. Debajo, en otra gráfica, la salida del comparador. Especifique claramente todas las señales en amplitudes y tiempos.

02.- ¿Cuál es el mínimo valor y cuál es el máximo valor de la fuente DC variable que permiten restaurar los datos digitales correctamente?

_________________________________________________________________________

03.- ¿Qué ocurre si sale fuera del rango anterior?

_________________________________________________________________________

04.- Al aumentar la distancia recorrida por una señal, esta sufre atenuación y distorsión por ruido. ¿Cómo afectan a la señal restaurada? ____________________________________

_________________________________________________________________________

Llame al profesor para revisar su trabajo antes de finalizar.



RUIDO Y CANAL RUIDOSOEs común que los sistemas de comunicación de radiofrecuencia sean alterados por radiaciones electromagnéticas indeseadas llamadas RUIDO (noise). Parte de esta radiación ocurre de forma natural y es generada por el Sol, la actividad atmosférica y otras causas. Mucha de la radiación es producida por el hombre, ya sea por la radiación electromagnética emitida por máquinas eléctricas, equipos electrónicos y diversos sistemas de uso comercial, industrial, militar y espacial. La mayor parte del ruido se agrega mientras la señal viaja por el canal, modificando la forma de onda ASK y afectando el resultado del proceso de demodulación en el receptor.

El ruido añadido a una señal en el canal de un sistema de comunicación se puede modelar usando el EMONA TELECOMS-TRAINER 101. Realice la siguiente parte del experimento.

1.- Conecte el esquema mostrado en la Figura 01 siguiente, pero NO desconecte ninguna conexión existente.


Este esquema puede ser representado por el diagrama de bloques de la Figura 02. Esto modela el comportamiento de un canal real añadiendo ruido a las señales de comunicación tal como ASK.

La cantidad de ruido puede variarse seleccionado cualquiera de las tres salidas disponibles del módulo NOISE GENERATOR:SALIDA 0dB: el ruido tiene una amplitud de 4.8 V RMS.SALIDA -6dB: el ruido es de 2.4 V RMS SALIDA -20dB: el ruido es de 0.48 V RMS

Figura 02 – Modelamiento de un canal real por adición de ruido a la señal



2.- Conecte el circuito de la Figura 02 entre la salida del modulador y la entrada del demodulador. De este modo, la señal del transmisor (salida del módulo DUAL ANALOG SWITCH) viaja a la entrada del receptor (entrada del rectificador) vía el modelo de un canal ruidoso (seleccione -20dB para iniciar).

3.- Compare los datos original y recuperado. Si no son los mismos, varíe el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV hasta que sean similares.

4.- Desconecte la entrada del canal 2 del osciloscopio de la salida del comparador y conéctelo a la salida del módulo ADDER para observar la señal ASK con ruido.

5.- Conecte la entrada NOISE del módulo ADDER a la salida -6dB del módulo NOISE GENERATOR para incrementar el ruido sobre el canal.

7.- Observe los efectos que esto tiene sobre la señal ASK.8.- Reconecte la entrada del canal 2 del osciloscopio a la salida del comparador.9.- Compare los datos original y recuperado. Si no son los mismos, varíe el control VARIABLE

DC del módulo VARIABLE DCV hasta que sean similares.

Nota: Puede ser imposible recuperar los datos.

Preguntas 0801.- Un canal se modela mediante dos elementos: a) _____________________________

b) _____________________________

02.- Demuestre por qué las salidas -6dB y -20dB tienen los valores de voltaje indicados.

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

03.- ¿En cuáles de los tres niveles de ruido es posible recuperar la señal banda base?

_________________________________________________________________________

04.- ¿Cómo afecta el ruido a la forma de onda de la salida demodulada?

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

05.- ¿Por qué se emplean valores RMS para caracterizar el ruido?

_________________________________________________________________________

06.- ¿Es posible conocer la potencia del ruido agregado al modelo de canal ruidoso?

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______________________________________________________________ EOD 2012-0


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