Modulaţia fsk

Lucrarea MD 2 MODULAŢIA FSK

MODULAŢIA FSK

Obiective:

• 
  Descrierea modulaţiei şi demodulaţiei FSK (Frequency Shift Keying);
  
• 
  Realizarea unei conexiuni FSK, cu sau fără codificarea Manchester a datelor;
  
• 
  Studierea zgomotului montajului.
  

Materiale:

• 
  Modulele de alimentare PSU sau PSI;
  
• 
  Unităţile de control individuale SIS1, SIS2 sau SIS3 (sau comutatoarele notate S );
  
• 
  Modulul experimental MCM 31;
  
• 
  Osciloscopul.
  

1. NOŢIUNI TEORETICE

1.1. FSK - Frequency Shift Keying

În această formă de modulare sinusoida purtătoare ia două valori de frecvenţă, determinate de semnalul de date binar. Modulatorul poate fi realizat în mai multe moduri; printre cele mai utilizate vom menţiona:

• 
  Un oscilator controlat în tensiune (VCO);
  
• 
  Un sistem care transmite una din cele doua frecvenţe în funcţie de semnalul de date;
  
• 
  Un divizor de frecvenţă controlat de semnalul de date;
  
• 
  Cea mai utilizată tehnică de demodulare este cea care utilizează un circuit PLL (fig. I 20).
  

Semnalul de la intrarea circuitului PLL ia două valori ale frecvenţei. Tensiunea de eroare furnizată de comparatorul de fază urmăreşte aceste variaţii şi în felul acesta se realizează reprezentarea NRZ (nivele high şi low) a semnalului FSK. După demodulatorul PLL urmează un FTJ care elimină componentele reziduale ale purtătoarei, urmat de un circuit de formare, care asigură o formă dreptunghiulară a semnalului.

Principali factori care caracterizează FSK sunt:

- Este utilizată în special pentru transmisii de date prin modem ( ITU- T V21, ITU – T V23, BELL 103, BELL 113, BELL 202), în transmisii radio digitale, în sistemul de telefonie celulară ETACS ( informaţii transmise prin canalul de control);

- Necesită circuite de complexitate medie;

- Rată mare de erori, dar mai mică decât la ASK;

- Dacă denumim F_b viteza de transmisie a biţilor, spectrul minim de transmisie a semnalului modulat, B_w, este mai mare decât F_b;

- Eficienţa transmisiei calculată ca fiind raportul dintre F_b şi B_w este mai mic decât valoarea 1;

- Viteza în baud, definită ca viteza simbolurilor, este egală cu viteza de transmisiune F_b.

1.2. Modulatorul FSK

Schema bloc a modulatorului FSK este arătată în fig. I 21. Semnalul FSK este generat prin intermediul a doua modulatoare ASK a căror ieşire este combinată printr-un sumator. Cele două purtătoare sinusoidale de 1200 şi 1800 Hz sunt aplicate separat celor două modulatoare. Datele ajung la cele două modulatoare diferit: unele sunt în formă directă, iar celelalte sunt în formă negată.

În acest fel, modulatorul furnizează una din sinusoide atunci când datele sunt 1, iar celălalt furnizează cealaltă sinusoidă atunci când datele sunt 0. Semnalul FSK este obţinut prin sumarea celor două semnale.

Atenuatorul de 6 dB micşorează amplitudinea semnalului la jumătate şi este activ doar la modulaţia QAM.

1.3. Demodulatorul FSK
Demodulatorul FSK conţine părţile prezentate în fig. I 22:

- Un detector FM realizat cu un circuit PLL;

- Un FTJ;

- Un circuit de formare dreptunghiulară cu ieşirea în TP 29, pentru cazul datelor asincrone ce nu sunt resincronizate;

- Un circuit de extragere a clock-ului şi resincronizare a datelor pentru cazul datelor sincrone (ieşirea de date la TP31, iar a ceasului la TP32).

Filtrul, extractorul de ceas şi circuitul de resincronizare sunt folosite şi pentru a demodula şi alte tipuri de semnale.

2. EXERCIŢII
Pentru următoarele exerciţii, urmaţi operaţiile enumerate în continuare:
MCM31  deconectaţi toţi jumperii;

SIS1/S  treceţi toate comutatoarele în poziţia OFF.

2.1. Formele de undă ale modulatorului FSK

• 
  Alimentaţi modulul;
  
• 
  Treceţi circuitul în modul FSK, cu 24 biţi de date fără codificare (conectaţi J1c – J3a – J4 – J5 – J6b; treceţi SW2 – normal, SW3 – 24_bit, SW4 – 1800, SW5 – 1200, SW6 – FSK, SW8 – BIT, ATT – min, NOISE – min);
  
• 
  Setaţi o secvenţă de date alternate 00/11 şi apăsaţi START;
  
• 
  Conectaţi osciloscopul la TP6 şi la TP16 pentru a afişa semnalul de date şi semnalul FSK. Reglaţi faza purtătoarei de 1200 Hz (PHASE) pentru a obţine continuitatea semnalului la trecerea dintre cele două frecvenţe (Acest tip de modulaţie se numeşte Minimum Shift Keying). Desenaţi formele de undă obţinute în punctele TP6 şi TP16!
  
• 
  Observaţi că sunt generate două frecvenţe diferite pentru biţii 1 şi 0 şi anume 1800 Hz respectiv 1200 Hz.
  

Întrebarea 1: Ce se poate observa la TP14?
a) Un semnal de 1200 Hz când data de intrare este 1;

b) Un semnal FSK de 1800 Hz când data de intrare este 1;

c) Un semnal ASK de 1800 Hz când data de intrare este 0. Semnalul se adaugă celui furnizat de modulatorul 2;

d) Un semnal ASK de 1800 Hz când data de intrare este 1. Semnalul se adaugă celui furnizat de modulatorul 2.

Întrebarea 2: Cum se obţine semnalul FSK?
a) de la modulatorul 1 (1800 Hz) şi de la atenuatorul de 6 dB (1200 Hz);

b) de la modulatorul 1 (Tp14, 1800 Hz) şi de la modulatorul 2 (Tp15, 1200 Hz). Cele două semnale sunt prezente atunci când semnalul de date (TP6) este 1, sunt însumate, iar rezultatul este disponibil prin TP16;

c) de la modulatorul 1 (TP14, 1800 Hz) şi modulatorul 2 (TP15, 1200 HZ). Primul semnal este prezent când semnalul de date (TP6) este 1, iar al doilea când data este 0. Cele două semnale se însumează, iar rezultatul este disponibil prin TP16.
2.2. Formele de undă ale demodulatorului FSK

• 
  Menţineţi condiţiile de lucru anterioare (conectaţi J1c – J3a – J4 – J5 – J6b; treceţi SW2 – normal, SW3 – 24_bit, SW4 – 1800, SW5 – 1200, SW6 – FSK, SW8 – BIT, ATT – min, NOISE – min);
  
• 
  Setaţi o secvenţă de date alternate 00/11 şi apăsaţi START;
  
• 
  Conectaţi osciloscopul la TP16 şi la TP20 pentru a observa semnalul FSK înainte şi după trecerea prin canalul de comunicaţie. Desenaţi semnalul obţinut în TP20!
  

Observaţi efectul canalului de comunicaţie asupra semnalului FSK. Deoarece banda de transmisie a canalului este limitată (asemănătoare unui FTJ) semnalul FSK de ieşire are componenta de frecvenţă mai mare (1800Hz) uşor atenuată.
Întrebarea 3: Ce fel de semnal se poate observa în TP23?
a) semnalul FSK refăcut în ambele semiunde;

b) semnalul de ceas extras de demodulator;

c) purtătoarea de 1800 Hz;

d) semnalul furnizat de demodulatorul PLL. Acesta este similar semnalului de date detectat prin TP6 cu supraîncărcarea unui semnal rezidual cu frecvenţa de 1200/1800 Hz.

Semnalul furnizat de demodulator este filtrat printr-un FTJ care elimină frecvenţele FSK reziduale. La ieşirea filtrului (TP24) se culege semnalul de date. Desenaţi semnalele obţinute în TP23 şi TP24!

În transmisiile asincrone de date, caz în care nu mai este necesară regenerarea ceasului şi resincronizarea datelor la receptor, este suficientă refacerea formei dreptunghiulare a semnalului furnizat de filtru. Ieşirea circuitului de refacere a formei dreptunghiulare (circuit de prag) este la TP29. Observaţi corespondenţa dintre datele transmise (TP6) şi datele recepţionate (TP29).

Introduceţi atenuatorul de linie (ATT) şi observaţi că datele recepţionate nu sunt afectate de variaţiile de amplitudine ale semnalului FSK. Dacă însă vom introduce şi zgomot (NOISE), vom observa alterări ale datelor recepţionate. Cum arată acum semnalul în TP20?
Întrebarea 4: De ce semnalele FSK sunt mai puţin sensibile la variaţiile de amplitudine decât semnalele ASK ?

a) pentru că informaţia este asociată cu frecvenţa purtătoarei şi nu cu amplitudinea acesteia;

b) pentru că informaţia este asociată cu faza purtătoarei;

c) deoarece canalul de comunicaţie este de bandă limitată;

d) pentru că informaţia este asociată cu amplitudinea semnalului.
Aduceţi atenuarea canalului şi nivelul de zgomot la minim.
SIS1/S  treceţi comutatorul S15 în ON;
Întrebarea 5: Datele din TP29 nu sunt corecte. Care este motivul?
a) codificatorul Manchester nu codifică datele;

b) semnalul modulat lipseşte la ieşirea modulatorului;

c) linia este întreruptă;

d) generatorul de 1800 Hz nu furnizează purtătoare.

SIS1/S  treceţi comutatorul S15 în poziţia OFF.
2.3. Modulaţia FSK pentru datele codate Manchester

În cazul datelor transmise printr-o conexiune sincronă, receptorul trebuie să furnizeze şi semnalul de ceas, adică un semnal dreptunghiular sincronizat cu datele recepţionate, ale cărui fronturi de undă corespund centrului intervalului de bit. Extragerea ceasului din datele recepţionate devine dificilă sau chiar imposibilă dacă semnalul conţine secvenţe lungi de 0 sau de 1, caz în care nu mai există elementele necesare circuitului de regenerare a ceasului (în mod obişnuit bazat pe PLL).

• 
  Menţineţi condiţiile de lucru anterioare (conectaţi J1c – J3a – J4 – J5 – J6b; treceţi SW2 – normal, SW3 – 24_bit, SW4 – 1800, SW5 – 1200/0⁰, SW6 – FSK, SW8 – BIT, ATT – min, NOISE – min);
  
• 
  Setaţi o secvenţă de date alternate 00/11 şi apăsaţi START;
  

Regenerarea ceasului şi resincronizarea datelor sunt operaţii necesare în transmisiile sincrone de date. Ceasul receptorului este extras din semnalul de date primit şi este disponibil la TP32 (CK₆₀₀). Acelaşi ceas este folosit pentru a resincroniza aceleaşi date care sunt disponibile la TP31;

• 
  Conectaţi osciloscopul la TP4 (date transmise), TP31 (date primite după resincronizare), TP32 (CK_600, ceasul la receptor) şi observaţi următoarele:
  

- ceasul la receptor (TP32) este sincron cu datele primite (TP31, existând un interval de ceas la fiecare bit. Ceasul este extras corect deoarece secvenţa de date conţine alternări ale lui 0 şi 1 suficiente pentru a păstra circuitul de regenerare a ceasului blocat;

- semnalul de date primit (TP31) este egal (chiar dacă este întârziat) cu semnalul de date transmis (TP4);

• 
  Setaţi o secvenţă de date cu puţine alternări, de exemplu un 0 iar restul de 1, apoi apăsaţi START. Se poate întâmpla ca ceasul la receptor (TP32) să nu fie stabil şi ca datele primite (TP31) să fie uneori diferite de cele transmise (TP4). Aceasta se datorează proastei funcţionări a circuitului PLL, care trebuie să regenereze ceasul la receptor;
  

Codarea Manchester a datelor ce urmează să fie transmise asigură alternări ale semnalului transmis facilitând astfel extragerea ceasului de către PLL;

• 
  Furnizaţi modulatorului PSK date codate în cod Manchester (deconectaţi J1c şi conectaţi J1d);
  

Datele primite şi ceasul la receptor sunt acum disponibile la ieşirea decodificatorului Manchester (TP9 şi TP10);

• 
  Păstraţi secvenţa de date din ultimul caz şi observaţi că:
  

- ceasul este acum regenerat corect;

- datele primite sunt identice cu cele transmise.

SIS1/S  treceţi comutatorul S5 în ON;
Întrebarea 6: Datele primite la TP9 nu sunt corecte. Care este motivul?
a) codificatorul Manchester nu modifică datele;

b) decodificatorul Manchester nu decodifică datele;

c) linia este întreruptă;

d) demodulatorul FSK furnizează un semnal greşit;

e) la ieşirea FTJ al demodulatorului nu mai există semnal;

f) circuitul PLL al demodulatorului FSK este reglat pe o frecvenţă de oscilaţie liberă greşită.

SIS1/S  treceţi comutatorul S5 în OFF.
2.4. Efectul zgomotului. Măsurarea erorii de bit

• 
  Treceţi circuitul în modul FSK pentru modularea datelor de 64 biţi generate pseudoaleator şi codate Manchester (J1d – J3a – J4 – J5 – J6b; SW2 – normal, SW3 – 64_bit, SW4 – 1800, SW5 – 1200/0⁰, SW6 – FSK, SW8 – BIT, SW9 – READ, ATT – min, NOISE – min);
  
• 
  Apăsaţi butonul RESET;
  

Valoarea citită pe afişorul “ERROR COUNTER” corespunde numărului de biţi recepţionaţi eronat;

Dacă nu este introdus zgomot pe linie, nu ar exista biţi eronaţi. Creşteţi gradual valoarea zgomotului şi notaţi numărul de erori;

Calitatea transmisiei este dată de rata erorilor de bit (Bit Error Rate – BER) definită ca raportul dintre numărul de biţi recepţionaţi eronat şi numărul total de biţi recepţionaţi. În mod normal BER este exprimată ca putere a lui 10. De exemplu BER = 3*10^–5 adică 3 biţi eronaţi la fiecare 10.000 de biţi recepţionaţi;

• 
  Pentru a măsura BER procedaţi astfel:
  

- treceţi comutatorul pe READ şi resetaţi numărătorul prin apăsarea butonului RESET;

- menţineţi numărătorul activat pentru un timp de 60 secunde. Dacă în modul de transmisie Manchester viteza este de 300 bit/secundă, în 60 secunde vor fi în total 300*60 = 18.000 de biţi transmişi (şi de asemenea recepţionaţi);

• 
  După expirarea celor 60 secunde treceţi comutatorul pe STOP şi citiţi numărul de biţi eronaţi;
  

Raportul dintre numărul de erori şi numărul de biţi recepţionaţi constituie BER-ul legăturii. Calculaţi şi notaţi în referatul de laborator!
Întrebarea 7: Următoarele afirmaţii se referă la modulaţia FSK. Care dintre ele sunt adevărate?

a) - purtătoarea este sinusoidală şi poate avea două frecvenţe în funcţie de biţii de intrare;

- modulaţia poate fi realizată cu un modulator echilibrat;

- dacă la receptor se utilizează un demodulator cu detector de anvelopă este necesară regenerarea purtătoarei la receptor;

- se foloseşte cu precădere în sistemele de transmisiuni de mare viteză;

b) - purtătoarea este o sinusoidă ce se transmite pentru biţii 1 şi nu se transmite pentru biţii 0;

- modulaţia poate fi realizată cu un modulator echilibrat;

- dacă la receptor se utilizează un demodulator detector de anvelopă este necesară regenerarea purtătoarei;

- se foloseşte cu precădere în sistemele de transmisiuni de mică viteză;

c) - purtătoarea este sinusoidală şi poate avea două frecvenţe în funcţie de biţii de intrare;

- modulaţia poate fi realizată cu un modulator controlat în tensiune (VCO);

- demodulatorul se realizează cu un circuit PLL;

- se foloseşte cu precădere în sistemele de transmisiuni de mică viteză;

d) - purtătoarea este sinusoidală şi poate avea două frecvenţe în funcţie de biţii de intrare;

- modulaţia poate fi realizată cu un modulator echilibrat;

- nu este necesară regenerarea purtătoarei la receptor;

- se foloseşte cu precădere în sistemele de transmisiuni de viteză medie;

e) - purtătoarea este sinusoidală şi poate avea două frecvenţe în funcţie de biţii de intrare;

- modulaţia poate fi realizată cu un modulator echilibrat;

- este necesară regenerarea purtătoarei la receptor;

- se foloseşte cu precădere în sistemele de transmisiuni de viteză medie.

Întrebarea 8: Care dintre următoarele modem-uri utilizează pentru transmisia datelor modularea FSK a datelor?

a) ITU – T V21, ITU – T V34, BELL 103, BELL 113, BELL 209;

b) ITU – T V22bis, ITU – T V32, BELL 103, BELL 113, BELL 202;

c) ITU – T V21, ITU – T V23, BELL 103, BELL 113, BELL 202;

d) BELL V21, BELL V23,ITU – T 103, ITU – T 113, ITU – T 202;

e) ITU – T V22bis, ITU – T V22, ITU – T V32, ITU –T V33, ITU– T V34.

Întrebarea 9: Care dintre următoarele sisteme de comunicaţie utilizează modulaţia FSK?
a) transmisiile video prin satelit;

b) telefonia celulară digitală GSM;

c) transmisiile radio FM;

d) telefonia celulară ETACS (transmiterea vocii);

e) telefonia celulară ETACS (transmiterea datelor pe canale de control).