Unidad Iztapaiapa Division: Ciencias Básicas e Ingenieria

Carrera: ingenieria Efectronica en Comunicaciones

Materia: Proyecto Termina I y II

1'

Titufo: MoDem M-MY-FSK .- Afumno: Bernardo Fíavio Caíatay udLira

Matricuía: 89223005

Asesor: M. En C. Fausto Casco

Fecha: 18 ch Enero & 1999

UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

IZTAPALAPA

INGENIERIA ELECTRONICA EN COMUNICACIONES

PROYECTO DE INGENIERIA ELECTRONICA I y II

MODEM M-ARY-FSK

ELABORARON:

CORTEZ SORIANO AVAD JAIME 93218694.

CALATAYUD LIRA BERNARDO 89223005.

\

M. en C. CASCO SANCHEZ FAUSTO

MAYO DE 1997

INDICE

................................................................. I INTRODUCCION Pa9 1

1 1 ¿Qué es un modem ? Pag . 2

1.2 Tipos de modulación Pa9 2

1.3 M-ARY-FSK Pa9 5

. ...............................................

............................................... ............................................................

It

111

IV

DESARROLLO DEL PROYECTO ........................................... 2.1 Diseño del Modem .................................................. 2.2 Diseño final del Modem ...........................................

PRUEBAS .......................................................................... 3.1

3.2

3.3

3.4

Modulador ............................................................. Demodulador .........................................................

Costo aproximado del diseño .................................

Diagramas detallados del diseño final .......................

CONCLUSIONES ...............................................................

12

12

12

14

15

17

V BlBLlOGRAFlA pag . 18 ..................................................................

I . INTRODUCCION

La necesidad de intercambiar información entre puntos lejanos propició la investigación, desarrollo e implementación de equipo de comunicaciones.

En este caso particular nos ocupamos de las comunicaciones sobre la gran red de telefonía, que es una línea de transmisión analógica. Que además ya esta implantada a la cual tiene acceso casi la gran mayoría de la población, es así que aprovechando estos recursos se trata de darles otros usos que no sean solo el de la comunicación telefónica o de voz.

El interés se vuelca hacia el intercambio de datos a través de autómatas, máquinas (computadoras). Tomando en cuenta que la red telefónica pública tiene un ancho de banda limitado en el orden de 300-4000 Hz esta característica se debe a que la energía de la voz esta concentrada entre los 300 a 2500 Hz, se debe considerar también que la línea s d o consta de un par de hilos ,

Es claro también que siendo diferente el tipo de información que pasará por esta red, los mecanismos serán también distintos, es decir que en la comunicación telefónica de voz se trata de un método de conmutación de circuitos el cual se identifica porque tiene una trayectoria dedicada (circuito) entre dos estaciones. En cada enlace físico requerido se establece un canal que se reserva para la conexión y por el tiempo que esta dure.

La conmutación de circuitos comprende tres fases de operación :

- Establecimiento del circuito entre terminales. - Transferencia de información (Voz). - Desconexión del circuito.

Por otra parte en el intercambio de datos se utiliza el mecanismo de conmutación de paquetes, donde a diferencia de la conmutación de circuitos aquí la línea no es dedicada por ello carece de las tres fases antes mencionadas.

Teniendo en cuenta que ahora la información viajará en pequeños paquetes de una determinada longitud. Es notorio que una gran diferencia entre estos dos mecanismos de intercambiar información será el tiempo, es decir que mientras en la comunicación de voz se realiza en tiempo real, en la de comunicación de datos la información llega con un cierto retardo.

1

Cabe mencionar que toda la información que viaja por la red telefónica pública es analógica.

1.1 ¿ Qué es un módem ?

Teniendo en cuenta que el medio sobre el cual se hace la transmisión es analógico y que las máquinas (computadoras) trabajan con datos digitales, esto dio’hincapié al desarrollo de aparatos que a partir de datos digitales los adecuara, manipulara o transformara de tal manera que sea posible que viajen sobre la red telefónica. De igual manera en el receptor se necesita un dispositivo que interprete esta información analógica para obtener la información originalmente enviada.

Implícitamente hemos hablado de un transmisor y un receptor lo que propiamente sería un modulador y un demodulador, estas dos palabras dan origen al termino MODEM, pero este término va más allá de estas dos palabras; ya que además de los términos transmisor y receptor implica el uso de ciertos protocolos, procedimientos y esquemas de modulación.

1.2 TIPOS DE MODULACION

Dentro de las transmisiones vía MODEM encontramos varias técnicas de modulación digital como son :

QAM (Quadrature Amplitude Modulation).- Es una técnica de modulación híbrida, que se refiere a la modificación de amplitud y fase de la señal original , esta técnica es usada en transmisiones a velocidades arriba de 1200 bps en particular a 2400,4800 y 9600 bps. Esta modulación es capaz de enviar datos sobre la red telefónica en grupos de 2, 4 o 8 bits, con lo cual la relación en bauds es igual a la velocidad de bits por segundo entre el numero de bits por grupo, por lo tanto los bauds no exceden los 1200 para conexión full-duplex o 2400 para conexión half-duplex o para simplex, para una modulación 16 QAM vamos a tener 16 símbolos formados con 4 bits, de estos 16 símbolos vamos a tener 8 diferentes fases y por cada fase tenemos dos amplitudes diferentes.

Como se observa en el diagrama fasorial de la figura 1.

2

270

O

FIGURA 1. Diagrama fasorial de 16-QAM

PSK (Phase Shift Keying).- Esta es otra técnica de modulación usada comúnmente para una transmisión de 1200 bps consiste en una variación de fase en cada símbolo, manteniéndose constante la amplitud y la frecuencia, para interpretar correctamente los datos en el demodulador se debe utilizar un detector de cambios de fase para ello se puede ocupar el método coherente o el método de comparación. Como se puede ver en la figura 2 .

FIGURA 2. Modulación PSK

3

ASK (Amplitude Shift Keying).- Esta es una técnica de modulación muy simple, esta muy limitada para la transmisión de datos, por que es muy susceptible al ruido, su principal ventaja es en la parte del receptor por la simplicidad del circuito demodulador, esta modulación se refiere a cambios de amplitud en cada símbolo, por lo tanto esta amplitud es vulnerable a largas distancias porque tiende a atenuarse. Esta modulación se muestra a continuación en la figura 3.

1

7

:-I:: FIGURA 3. Modulación ASK

FSK (Frecuency shift keying).- Hablaremos de binary FSK (BFSK) que es un caso particular de M-ary FSK, es un sistema en el cual a partir de una señal de banda base, compuesta de dos segmentos constantes, es decir de dos niveles donde se considera un “1” binario cuando se tiene un pulso cuadrado en su amplitud máxima y un “O” binario en su amplitud mínima o de referencia generalmente cero volts.

Como es una modulación en frecuencia la señal de portadora varía de acuerdo con la información de la señal de banda base, en este sistema la señal de banda base toma únicamente uno de dos valores y la frecuencia a la salida del modulador toma una de dos valores también.

Un modulador FSK es un tipo de transmisor FM que puede ser implementado con un oscilador controlado por voltaje(VCO), que es el mas apropiado para cambios muy pronunciados en la señal de banda base. Podemos ver esto en la figura 4.

4

'1 u

1

I O 1 O

FIGURA 4. Modulación FSK

M-ary FSK

M-ary FSK es un sistema mas general que engloba a binary FSK, donde no solamente se pueden enviar dos distintas señales, sino que podemos extendernos a M posibles frecuencias, este proceso implica considerar la ubicación entre la frecuencia mas baja y la frecuencia mas alta, y por consiguiente el ancho de banda tiende a incrementarse, pero la ventaja es que se incrementa la información enviada mediante cada elemento de señal. La relación baud por segundo puede decrementar, esto quiere decir que si se mantiene fija la relación de bits por segundo que salen de la computadora y se incrementa el número de símbolos que salen del módem los bauds disminuyen pero esto se puede compensar aumentando la señal de banda base. El diagrama general de una Modulación M-ary FSK se presenta a continuación en la figura 5.

5

I

I I

TRANSMISOR I RECEPTOR

I n

d ti-1

FIGURA 5. Modulación general M-ARY-FSK

Para el caso de 4-FSK la representación gráfica de las frecuencias para cada par de bits las presentamos a continuación en la figura 6.

FIGURA 6. Modulación 4-FSK

6

II. DESARROLLO DEL PROYECTO

2.1 DISEÑO DEL MODEM.- El primer diseño del módem se implementó como se muestra en la figura 7.

TRANSMISOR

r RECEPTOR

I I I I I I I

1

I I -

detector de tono 3 volts dc

salida

FIGURA 7. Primer diseño 4-FSK

Con 2 bits se pueden formar 4 palabras distintas que son:

1.- O0 2.- o1 3.- 10 4.- 11

Siguiendo la figura anterior, la señal de banda base que son los datos binarios entregados a un convertidor digital-analógico con las siglas DAC0808 cuyo uso se debió a su flexibilidad y costo; se utilizaron únicamente 2 bits de los posible 8 con que cuenta este D/A, los seis restantes se mandaron a tierra, se utilizaron los 2 bits mas significativos que son A l Y A2, donde son entregados las 4 diferentes palabras de 2 bits. Es necesario que a la salida del DAC0808 se conecte un convertidor de corriente a voltaje, por que el chip solo entrega corriente, obteniéndose los siguientes datos.

7

A I A2 vo

O O O O 1 0.38 V 1 O 0.76 V 1 1 1.2 v

Viendo un poco hacia adelante, nosotros sabíamos que nuestro modulador de frecuencia trabajaba en un rango de voltaje de 3 a 5.5 Volts, por lo tanto nos vimos obligados a implementar un sumador a la salida del convertidor DIA , por lo cual se sumaron los voltajes anteriores con 3V por consiguiente se obtuvieron los siguientes valores:

A I A2 vo O 0 3.0 V o 1 3.4 v 1 0 3.8 V 1 1 4.2 V

Todos los valores anteriores son medidos en forma práctica.

Siguiendo otra vez la figura 7 se observa que lo siguiente en analizar es el modulador de frecuencia que lo implementamos con un oscilador controlado por voltaje (VCO), Este oscilador controlado por voltaje es el LM566C, este VCO puede generar hasta una frecuencia de 1Mhz. Que para nosotros esta sobrado por que tenemos que basarnos en las limitaciones de la línea telefónica , por lo tanto nos conformaremos con frecuencias menores a 4 Khz.

Inyectando al LM566C los valores de voltaje que se mostraron anteriormente se obtienen los siguientes valores de frecuencias:

vo Frecuencia [Hz]

3.0 1923 3.4 1470 3.8 1098 4.2 666

8

En la parte demoduladora se procedió a utilizar detectores de tono LM567CN distribuido por national semiconductor, utilizándose este dispositivo por su sencillez y costo reducido, lo mas importante fue que nos ofrecía un alta selectividad sustituyendo a filtros de 4to. orden pasa banda implementados anteriormente y que no ofrecían un corte abrupto. Estos C.I. proporcionan además una salida lógica lo que nos permitió suprimir la parte conversión A/D así como los detectores de envolvente de la figura 5.

Para su utilización se emplearon las siguientes expresiones:

f0 = 11 1.1 R l C l

El ancho de banda.

BW = 1070 ( Vi I f0 C2)*5

Vi = voltaje de entrada C2= capacitancia pin2.

Finalmente se procedió a hacer una lógica para que cuando se activara un detector de tono se ofreciera la lógica adecuada que correspondía a ese tono detectado y así lo mismo para los siguientes. Esta lógica fue realmente muy sencilla de razonar y de implementar, se utilizaron componentes TTL específicamente el 74LS08 que corresooiide a una AND. observándose que no era necesario ocupar la salida de menor frecuencia .

2.2 DISENO FINAL DEL MODEM

Debido a las limitaciones de velocidad de respuesta del LM566C se procedió a modificar la parte moduladora, por otro circuito mostrado en el siguiente diagrama a bloques de la figura 8.

9

TRANSMISOR I I I I I I I I I I

- , I - - -

\ M-FSK

RECEPTOR

detector de tono y fc = 1470

Q) .= U rn N

detector de tono fc = 1098 0 U T )

detector de tono fc = 666

salida

FIGURA 8. Diseño final 4-FSK.

El modulador donde la función la realiza un circuito integrado fabricado por la compañía EXAR con matricula XR 2207CP que es un oscilador controlado por voltaje, con una eficiencia mayor en su velocidad de respuesta, con respecto a otros circuitos integrados proporcionados por otros fabricantes. además este circuito integrado ya nos proporciona dos entradas lógicas, que nos sirve de paso, para suprimir la parte del convertidor de digital a analógico (DIA)

Para el cálculo de resistores y capacitores se utilizaron las siguientes fórmulas

Nivel Pins F rec u e n c ia definición Lógico

O O 6 f l f l = 1lR3C Afl=IIR4C O I 6 y 7 f l + Afl f2 = IIRZC Af2=llR1 C 1 O 5 f2 1 1 4 y 5 f2 + Af2

Polarizando el circuito integrado con voltaje de +6 y -6 volts.

En la parte demoduladora se procedió a utilizar detectores de tono LM567CN distribuido por national semiconductor, utilizándose este dispositivo por su sencillez y costo reducido, lo mas importante fue que nos ofrecía un alta selectividad sustituyendo a filtros de 4t0. orden pasa banda

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implementados anteriormente y que no ofrecían un corte ideal. Estos C.I. proporcionan además una salida lógica lo que nos permitió suprimir la parte conversión AID así como los detectores de envolvente.

para su utilización se emplearon las siguientes expresiones:

fO = I / 1.1 R l C l

El ancho de banda.

BW = 1070 ( Vi I f0 C2)-5

Vi = voltaje de entrada C2= capacitancia pin2.

Finalmente se procedió a hacer una lógica para que cuando se activara un detector de tono se ofreciera la lógica adecuada que correspondía a ese tono detectado y así lo mismo para los siguientes. Esta lógica fue realmente muy sencilla de razonar y de implementar, se utilizaron componentes TTL específicamente el 74LS08 que corresponde a una AND. Observándose que no era necesario ocupar la salida de mayor frecuencia .

A continuación se presenta la tabla de verdad con la que se obtuvo la lógica de conversión.

Salida de detector de tonos

X Y Z w datos 11 O 1 1 1

enviados 10 1 O 1 1 o1 1 1 O 1 O0 I 1 1 O

salida de la lógica de Conversión

F1 F2 1 1 1 O O 1 O O

11

111 PRUEBAS

3.1 MODULADOR

Las primeras prueba que se hicieron a esta parte del diseño final fueron de manera estática es decir mediante switches simulamos introducir bits con un valor determinado, para ajustar la frecuencia requerida en los detectores de tono (demodulador)

Los siguientes resultados fueron tomados del diseño final.

bits frecuencia.

O O O 1 1 O 1 1

666 Hz 1098 Hz 1470 Hz 1923 Hz

Lo que quiere decir que cuando se introducen dos bits con alguna de las combinaciones posibles obtendremos a la salida una señal con una frecuencia característica y diferente a la de otra combinación. Por lo cual tendremos una salida con cuatro diferentes frecuencias, que representan a los cuatro símbolos.

Una vez que funcionó la prueba anterior, se probó en forma dinámica al módem, donde logramos obtener una velocidad de transmisión de datos de 240 bps la cual fue muy superior al similar proporcionado por National Semiconductor(LM566C) donde se obtuvo una velocidad de 60 bps cuya limitante era su velocidad de respuesta del LM566C.

Esta señal ya es propicia para ser enviada por la línea de transmisión . 3.2 DEMODULADOR

La primera prueba fue también en forma estática es decir con el generador de señales inyectamos una señal con barrido entre 600 y 700 Hz observando que el detector de tono esta entonado a la frecuencia de 666 Hz con una frecuencia mínima de -646 Hz y una frecuencia máxima de -686 Hz, de la misma manera se hizo el barrido para las demás frecuencias en las cuales también se vió que hay un ancho de banda de aproximadamente 40 Hz en la banda de paso, luego entonces cuando la señal de entrada coincidía con la frecuencia de alguno de los detectores de tono, a la salida, se observaba cambio de un estado lógico " 1 " a un estado '' O " es decir que la

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salida lógica de nivel bajo representa que su respectivo detector fue activad o.

Finalmente de estos cuatro estados lógicos se formo la lógica de conversión de cuatro a dos bits que son los que se introducen a la com p u tad ora.

La ultima prueba ya con el circuito modulador y demodulador fue en forma dinámica en la cual se vió, primero que los datos que se introducían al modulador son los que salieron en el demodulador (esto a bajas velocidades). Segundo pudimos medir la velocidad de transmisión efectiva en la cual los datos no se distorsionan provocando errores, esto lo logramos aumentado la velocidad de entrada al modulador donde medimos que hasta los 240 bps no existía error alguno, después de este dato la señal de salida se convertía en una constante o sea un nivel de voltaje constante ( “1” lógico).

13

3.3 COSTO APROXIMADO

El costo total del diseño es aproximado

Componentes Precio unitario

C.I. XR 2207 $48.72

LM 567 $ 10.99

C.I. 74LS08 $ 5.23

Resistores (varios) $ .20

Capacitores (varios) $ .50

Potenciómetros de precisión $ 10.80

Bases Para C.I. $ 1.20

Conectores RJ 11 $ 5.00

Ta bi i I la fenól ica $ 15.00

Rapid circuit $ 8.00

Cloruro férrico $ 10.0

cantidad

1

4

1

15

20

8

6

2

1

4

1

total

$48.72

$43.96

$ 5.23

$ 3.0

$10

$ 86.40

$ 7.20

$ 10.0

$ 15.0

$ 32.0

$ 10.0

TOTAL $ 271.50

14

3.4 DIAGRAMAS DETALLADOS DEL DISEÑO FINAL

SALIDA CUADRADA

SAL1 DA TRIANGULAR 1 1

/ -

7Ca 1 E Y B N I L

XR 2207 ?

v+ I v-

A T R A D A s

R I =22.05K R2 = 4.5K R3 = 14.89 K R4 = 22.05 c = 0.1 u Ca = 0.1 u Cb = 0 . 1 ~ RI = 22 K

FIGURA 9. MODULADOR 4-FSK

15

I V C C = 5 VOLTS DC

2 2 u 1 8 - 22 k

- - 7 FASE 2 - T

I / 3;'

1

o 5u

2 2 u 1

I I UK

+ 4 7 K

I I I I

2 2 u 1 8

DETECTOR 22 k

o 1 u

I I I I I

1 8

22 k

7 FASE 2- J 7 K 'I'

I / DETECTOR ,6 o 1 u b DE

FACE 0 5 u

VCC = 5 VOLTS DC

SALIDA

SALIDA

w

Y z I SALIDA

FIGURA 1 O. Demodulador 4-FSK

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IV. CONCLUSIONES

Empezaremos diciendo que la realización de este proyecto fue realmente didáctico además que se aplicaron conocimientos previos, adquiridos durante la carrera.

Para hablar de ello hacemos hincapié que casi todo el proyecto fue en forma discreta y que por ello la velocidad obtenida no es compatible con la tecnología actual ni por mucho, dentro de este contexto, se puede hablar que aunque se tenga un diseño que teóricamente funcione esto no basta porque se busca el mejor perfil del proyecto en si; por ejemplo nosotros hicimos uso para la parte de modulación de un oscilador controlado por voltaje que fue fabricado por la empresa National (LM566), que a pesar de que cumplía con la función por la cual fue requerido no fue suficiente su velocidad de respuesta, teniendo así que recurrir a otro circuito integrado de la marca EXAR (XR2207). Que en velocidad de respuesta superaba por mucho al antes mencionado, además que simplificaba bastante el diseño del MODEM.

Por otro lado en la parte de receptor también debido a características de los integrados, sufrió modificaciones que finalmente y a pesar de su simplicidad funcionaron adecuadamente dando un respuesta que si bien a la fecha no representa casi nada. Nos permitió desmenuzar casí por completo el funcionamiento e implementación de un ETCD (módem) en nuestro caso, además de lograr diseños a partir de la teoría. Todo este tipo de proyectos son importantes y aunque en la gran mayoría de las veces la limitante es la tecnología, por contradictoria que parezca se debe a que los componentes no son fáciles de obtener.

Para terminar la idea de que en los proyectos se debe emplear conocimiento adquiridos se cumple, pero la cuestión comercial en cuestión de chips no lo respalda

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V. BlBLlOGRAFlA :

NATIONAL DATA ACQUISITION DATABOOK NATIONAL SEMICONDUCTOR 1995 USA.

NATIONAL APPLICATION SPECIFIC ANALOG PRODUCTS DATABOOK audio, automotive, video, special functions NATIONAL SEMICONDUCTOR 1995 USA.

MOTOROLA FAST AND LS TTL DATA MOTOROLA logic integrated circuits division 1992 USA.

EXAR DATABOOK EXAR. 1990 USA.

INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN 3ra. e. F. G. STREMLER edit. ADDISON WESLEY IBEROAMERICANA. 1994 MEXICO D. F.

DISEÑO ELECTRONIC0 F. SAVANT, RODENT, CARPENTER edit. ADDISON WESLEY

IBEROAMERICANA. a994 MEXICO D. F.

NOTAS DE CURSO DE COMUNICACIONES II FAUSTO CASCO SANCHEZ 1996 UAM-I IZTAPALAPA MEXICO D.F.

NOTAS DE CURSO DE COMUNICACIONES 111 VICTOR RAMOS RAMOS 1996 UAM-IZTAPALAPA MEXICO D.F.

MODEM HANDBOOK FOR THE COMMUNICATIONS PROFESSIONAL CASS LEWART 1996 ELSEVIER SCIENCE PUBLISHING CO.,INC.. IN T E RT EX P U B LIC AT I O N S , I N C.

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AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES F. CAUGHLIN ROBERT G. DRISCOLL FREDERICK PRENTICE HALL HISPANOAMERICANA, S.A. 1993, MEXICO D.F.

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