COMUNICACIONES DIGITALES Trabajo Practico de Laboratorio Comunicación de RF por modulación ASK y transmisión infrarroja Autores: Álvarez Bernardo Peiro Nicolás Pintos Paladea Ignacio 1 Índice I. Introducción………………………………………………………..2 II. Marco teórico……………………………………………………...2 III. Realización……………………………………………….…...…13 Primera etapa…………………………………….…..…13 Segunda etapa…………………………………….…..…16 Tercera etapa………………………………………..…..23 Interface entre etapas…………………………..……26 IV. Mediciones y Cálculos…………………………….…….…..38 V. Colusión……………………………………………………….…...31 2 Introducción En el siguiente trabajo se implementan diferentes formas de transmisión de datos. Pudiendo así, realizar mediciones en diferentes puntos y observar las formas de ondas, pérdidas e interferencias que se involucran en cada tipo de comunicación. Este sistema consta de tres bloques conectados entre si en forma serie, una primera etapa en la cual se introducen datos al sistema a distancia, esto se logra estableciendo una comunicación de telefonía celular entre dos equipos, en la que desde uno de estos se envían tonos DTMF presionando diferentes teclas del mismo, el cual son recibidos por el otro de los equipos, que mediante su salida de audio se conecta a un decodificador el cual decodifica el tono y lo muestra a la salida como su codificación binaria de cuatro bits. La palabra de cuatro bits generada por el primer bloque es la entrada del segundo bloque, el cual consiste en un sistema de transmisión RF por modulación ASK. Este esta compuesto por un integrado que recibe la palabra de cuatro bits en paralelo en su entrada, y la saca en serie por su salida, para así entregársela a un modulo transmisor ASK el cual le envía la palabra a un modulo receptor, el cual entrega esta información a un integrado que se encarga de recibir estos datos serie y mostrarla en paralelo a su salida. Y por ultimo, el tercer bloque, consta de un transmisor infrarrojo, que recibe los datos de la segunda etapa, y los envía en forma infrarroja a un receptor el cual recibe la información y la amplifica. Marco teórico Codificación DTMF El esquema de marcado DTMF, Dual Tone Multi-frequency, o simplemente, marcado por tonos, fue diseñado por los laboratorios BELL e introducido a los Estados Unidos a mediados de los años 60 como una alternativa para a la marcación por pulsos o rotatoria. El método tradicional de señalización por marcado de pulsos utilizado era lento, sufría de distorsión sobre tramos largos de cables, y a demás requería una ruta de corriente DC a través del canal de comunicación. 3 Ofreciendo así este nuevo esquema, un incremento en la velocidad de marcado, mejorando la fiabilidad y la conveniencia de señalización de punto a punto. Una señal DTMF valida es la suma de dos tonos, uno de un grupo de frecuencias bajas (697-941 Hz.) y el otro de un gripo de frecuencias altas (1209-1633 Hz.), donde cada grupo contiene cuatro tonos individuales. Las frecuencias de los tonos individuales fueron cuidadosamente escogidas de tal manera que sus armónicos no se encuentran relacionados, y que el producto de su intermodulación produzca un deterioro mínimo en la señalización. Espectro de frecuencias de tonos MTDF Este esquema permite 16 combinaciones únicas. Diez de estos códigos representan los números del cero al nueve, los seis restantes (*, #, A, B, C, D) son reservados para señalización especial. La mayoría de los teclados en los teléfonos contienen diez interruptores de presión numéricos mas el asterisco (*) y el símbolo de numeral (#). Los interruptores se encuentran organizados en una matriz, cada uno selecciona el tono del grupo bajo de su fila respectiva y el tono del grupo alto de su columna correspondiente. 4 Atribución de frecuencias a los símbolos de teclado telefónico El esquema de codificación DTMF asegura que cada señal contienen uno y solo un componente de cada uno de los grupos de tonos alto y bajo. Esto simplifica de manera significativa la decodificación por que la señal compuesta DTMF puede ser separada con filtros pasa banda en sus dos componentes de frecuencia simples cada uno de los cuales puede ser manipulado de forma individual. Existen varias especificaciones que han sido resultado de el estándar original las cuales parten de los estándares de AT&T, CEPT, NTT, CCITT y la ITU, etc. Las variaciones de un estándar a otro son típicamente tolerancias en las desviaciones de frecuencia, niveles de energía, diferencia de atenuación entre dos tonos e inmunidad al habla. En conclusión, DTMF es el sistema de señales usado en los teléfonos para el marcado por tonos, estos son el resultado de la suma algebraica en tiempo real de dos senoides de diferentes frecuencias, la relación de teclas con su correspondiente par de frecuencias se muestran en la tabla: 5 Pares de frecuencias empleadas para la generación MDTF El sistema de señales DTMF son generadas por un codificador, y son la suma algebraica en tiempo real de dos tonos; uno de baja frecuencia y otro de alta, el tono alto normalmente es de + 1.5 % (2db) con respecto del tono bajo para compensar perdidas de señal en las largas líneas de conexión con la central telefónica. Decodificación DTMF Las especificaciones para la detección DTMF son las siguientes: Tolerancia a la frecuencia: Un símbolo válido DTMF debe tener una desviación en frecuencia dentro del 1.5% de tolerancia. Los símbolos con una desviación en frecuencia mayor al 3.5% deberán ser rechazados. Duración de la señal: Un símbolo DTMF con una duración de 40ms debe ser considerado válido. La duración de la señal no debe ser menor de 23ms. Atenuación de la señal: El detector debe trabajar con una relación señal-ruido (SNR) de 15db y en el peor caso con una atenuación de 26dB. 6 Interrupción de la señal: Una señal DTMF válida interrumpida por 10ms o menos no debe ser detectada como dos símbolos distintos. Pausa en la señal: Una señal DTMF válida separada por una pausa de tiempo de al menos 40ms debe ser detectada como dos símbolos distintos. Fase: El detector debe operar con un máximo de 8dB en fase normal y 4dB en fase invertida. Rechazo al habla: El detector debe operar en la presencia del habla rechazando la voz como un símbolo DTMF válido. Las técnicas más comunes utilizadas para el diseño de circuitos detectores de tonos DTMF se basan en el diseño de bancos de filtros de frecuencia. Conceptualmente es el método de diseño más simple para la detección de tonos DTMF. La señal compuesta es usualmente filtrada por un grupo de filtros pasa bajos/ pasa altos, y luego por un conjunto de filtros pasa banda, tal como se muestra en la figura. 7 Sistemas de filtros de decodificación El grupo de filtros pasa bajos/pasa altos dividen la señal en un grupo alto y otro bajo. El número de bloques de filtros pasa banda depende del número de frecuencias en cada uno de los rangos. Los filtros usados en este método pueden ser realizando filtros FIR o IIR. 8 Modulación Se denomina modulación, al conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente de forma sinusoidal. Es la operación mediante la cual ciertas características de la onda denominada portadora, se modifican en función de otra denominada moduladora, que contiene información, para que esta última pueda ser transmitida. La onda en condiciones de ser transmitida. Se denomina señal modulada. En pocas palabras básicamente la modulación consiste en hacer que algún parámetro de la portadora cambie de acuerdo con las variaciones de la señal modulante, que es la información que queremos transmitir. Al modular se modifica la amplitud, la frecuencia o la fase de la portadora, en función del mensaje. En el caso de que el mensaje sea una señal binaria esto se denomina modulación por cambio de amplitudes (ASK=Amplitude Shift Keying), modulación por cambio de frecuencias (FSK=Frequency Shift Keying) o modulación por cambio de fase (PSK=Phase Shift Keying). Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación, lo que posibilita transmitir más información en forma simultanea, disminuir el tamaño de antenas emisoras y receptoras, y mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. El proceso inverso, que consiste en separar de la señal modulada, la onda que contiene solamente la información, se llama demodulación. La modificación debe hacerse de tal forma, que la información no se altere en ninguna parte del proceso. Modulación de amplitud Se denomina modulación en amplitud, a aquella en la que el parámetro de la señal de la portadora que se va a variar es la amplitud, manteniéndose la fase y frecuencia constante. Cuando la señal moduladora es de origen digital, la modulación de la portadora está representada por corrientes de amplitudes distintas y se denomina modulación por desplazamiento de amplitud (ASK). La modulación en ASK no es otra cosa que una variante de la modulación en AM que se adapta perfectamente a las condiciones de los sistemas digitales, además de que les permite trabajar sobre una sola frecuencia de transmisión en ves de tener que lidiar con pulsos 9 cuadrados que contienen componentes en todas las frecuencias del espectro. Existen dos tipos de modulación en amplitud: - Por variación de nivel de la onda portadora. - Por supresión de onda portadora (OOK). En este último caso los valores de la señal modulada varían entre un valor de amplitud A para el digito 1 y la directa supresión de la portadora para la transmisión del dígito 0. La forma más simple y común de ASK funciona como un interruptor que apaga/enciende la portadora, de tal forma que la presencia de portadora indica un 1 binario y su ausencia un 0. Este tipo de modulación por desplazamiento on-off es el utilizado para la transmisión de código Morse por radiofrecuencia, siendo conocido el método como operación en onda continua. Los principales factores que caracterizan a ASK son: • Requiere circuitos poco complejos. • Muy sensibles a las interferencias (probabilidad de error elevada). • Siendo rb la velocidad de transmisión de los bits, el espectro mínimo Bw de la señal modulada resulta mayor que rb. 10 • La eficiencia de transmisión, definida como la relación entre rb y Bw resulta menor que 1. • La velocidad de símbolo, es igual a la velocidad de transmisión rb. El modulador ASK es un simple multiplicador de los datos binarios por la portadora. El demodulador ASK consta de las secciones: • Un detector de envolvente de onda completa • Un filtro pasa bajo • Un circuito de umbral en caso de datos asíncronos que no se re temporizan. • Un circuito de extracción de reloj y re temporización de los datos, en caso de datos síncronos. El ASK por sí sólo, a pesar de todas estas consideraciones, no es uno de los métodos más utilizados debido a que para cada frecuencia es necesario realizar un circuito independiente, además de que sólo puede transmitirse un solo bit al mismo tiempo en una determinada frecuencia. Otro de los inconvenientes es que los múltiplos de una frecuencia fundamental son inutilizables y que este tipo de sistemas son susceptibles al ruido. 11 Transmisión infrarroja En general los sistemas de comunicaciones infrarrojos ofrecen ventajas significativas respecto a los sistemas de radio frecuencia. Al utilizar luz, los sistemas Infrarrojos de comunicaciones cuentan con un canal cuyo potencial de ancho de banda es muy grande y no están regulados en ninguna parte del planeta. Además, los sistemas infrarrojos de comunicaciones son inmunes a interferencias y ruido de tipo radioeléctrico. Como la luz infrarroja no puede atravesar paredes, es posible (en comunicaciones interiores) operar al menos un 6 enlace (celda) en cada cuarto de un edificio sin interferencia con los demás, permitiendo así una alta densidad de reúso del sistema, obteniéndose una gran capacidad por unidad de área. En los sistemas infrarrojos de comunicaciones de corto alcance, el esquema de modulación/demodulación mas practico, es el de Modulación de Intensidad y Detección Directa (IM/DD). Al utilizar IM/DD los circuitos del transmisor y del receptor son relativamente simples comparados con los requeridos en los esquemas coherentes. Además, con la longitud de onda tan corta de la portadora y la gran área activa del detector, se obtiene una eficiente diversidad espacial que previene el desvanecimiento de las señales causado por la propagación en múltiples trayectorias. Las multitrayectorias son una característica del canal infrarrojo difuso, y producen dispersión temporal en los pulsos transmitidos a través de este, pudiendo causar interferencia entre símbolos (ISI). La ISI es una limitante para la velocidad de transmisión de los sistemas de comunicaciones infrarrojos difusos ya que se hace significativa a tasas de símbolos por arriba de 10 Mbps. Aunque los sistemas infrarrojos son inmunes al ruido e interferencias de tipo radioeléctrico, estos sufren de degradaciones causadas por el ruido infrarrojo existente en ambientes exteriores e interiores, proveniente principalmente del sol y de fuentes de luz fluorescente e incandescente. El ruido infrarrojo, junto con las 7 pérdidas de propagación limita el alcance de los sistemas infrarrojos, debido a que la relación señal a ruido (S/N) en el receptor disminuye a medida que nos alejamos del transmisor, o a medida que aumentamos el ángulo de visión en el detector. 12 Una forma de mejorar la relación S/N es aumentando la potencia de la señal transmitida. En ambientes interiores la potencia pudiera ser aumentada hasta niveles muy grandes sin que esto cause problemas de interferencia en celdas vecinas, pero hay dos aspectos que limitan la potencia del transmisor: uno es el suministro limitado de energía por parte de la batería (en un sistema portátil), y el otro es referente a la seguridad ocular de los usuarios y demás personas que deambulan en el área de cobertura. La seguridad ocular, es un aspecto muy importante en el diseño de un sistema infrarrojo, y es el único que está regulado. Evidentemente la relación S/N se puede mejorar si aumentamos la potencia óptica captada por el detector, y si reducimos el nivel de ruido en este. Lo primero se realiza por medio de concentradores ópticos, los cuales, actúan como amplificadores del área activa del de Sistemas infrarrojos de comunicaciones inalámbricas. Y lo segundo se logra mediante filtros ópticos pasa banda, que solo dejan pasar un intervalo estrecho de longitudes de onda. En general, los sistemas IR se pueden clasificar de acuerdo a dos criterios. El primero es el grado de direccionalidad del transmisor y del receptor, así podemos encontrar enlaces dirigidos y enlaces no dirigidos. Los enlaces dirigidos emplean transmisores y receptores altamente direccionales, los cuales deben apuntar uno al otro o hacia un área común (generalmente en el techo) para establecer el enlace. Mientras que, en los enlaces no dirigidos se emplean transmisores y receptores de gran ángulo, disminuyendo así la necesidad de tal apuntamiento. En los enlaces directos se maximiza la eficiencia de potencia, ya que esta se dirige en un rango muy pequeño de direcciones, y por lo mismo se minimizan las pérdidas de propagación y la recepción de ruido causado por la luz ambiental. Al ser mínima la necesidad de apuntamiento, en un enlace no dirigido se facilita su reconfiguración. Es posible establecer enlaces híbridos, en los cuales, se combinan transmisores y receptores con diferente grado de direccionalidad. 13 Realización Como se dijo anteriormente, el sistema consta de tres etapas. Primera etapa: En esta etapa se requiere de la utilización de los siguientes elementos: Dos teléfonos celulares. CI MT8870D. LEDs. Capacitores y resistencias. Cristal 3.579545 MHz. Decodificador MT8870D Existen varia formas de detectar y decodificar estos tonos, una forma podría ser; con ocho filtros sintonizados en combinación con circuitos de detección. Resulta innecesario decir que esto no es práctico considerando la cantidad de circuitos integrados de diferentes fabricantes que hay que conseguir y el complejo ajuste que hay que realizar para sintonizarlos. El MT8870D es un receptor de DTMF que realiza las funciones de filtro y descodificación de las señales de entrada. La parte encargada de decodificación usa técnicas de conteo digital para detectar los 16 pares de tonos DTMF, los cuales son representados en código binario de cuatro bits. A continuación se presenta la disposición de pines del circuito integrado. 14 Descripción funcional Su estructura consiste en una sección de un filtro pasa banda partido, el cual separa el grupo alto y bajo de tonos, seguido por una sección de conteo digital, el cual verifica la frecuencia y duración de los tonos recibidos antes de pasar el correspondiente código al bus de salida. La separación del grupo de tonos de baja y alta frecuencia se realiza mediante la aplicación de la señal DTMF a las entradas de los capacitores conmutados pasa banda, los cuales en su salida incorporan un comparador con histéresis para prevenir la detección de señales indeseables de bajo nivel. Seguido de esta sección, un decodificador emplea técnicas de conteo digital para determinar las frecuencias de los tonos de entrada y verifica que ellas correspondan al estándar DTMF. Una vez que un tono es recibido, decodificado y validado como correcto, su valor binario es colocado en los pines de salida Q1, Q2, Q3 y Q4. A su vez el pin StD se pone en nivel lógico alto indicando la recepción de un dato valido. Esta salida permanece en nivel alto durante el tiempo que el tono DTMF siga presente en el sistema. 15 Este integrado también incluye filtros contra ruido, RF y armónicos. Además incluye controles automáticos de ganancia y nivel de señal para adecuarse a la aplicación que se le vaya a dar. Funcionamiento de la etapa Se establece una llamada entre los dos equipos celulares, uno de ellos se encuentra conectado mediante su salida de audio a la entrada del decodificador MT8870D. Al presionar una tecla del teléfono de emisión, el equipo receptor recibe la señal DTMF de dicha tecla, la cual entra como señal de audio al integrado ya mencionado. Este decodifica el tono, y si es un tono valido se muestra el código binario de cuatro bits del mismo en los pines de salida, en los que se encuentran conectados cuatro LEDs para poder visualizar el valor del código recibido, que queda presente en forma permanente hasta que se vuelva a presionar otra tecla. A su vez, mientras el tono esta presente a la entrada del decodificador, se activa la salida StD que enciende un LED que indica la presencia de un dato valido. En la siguiente imagen se muestra el conexionado externo den decodificador: 16 La alimentación del circuito es de 5 V. El capacitor C2 es para filtrar la tensión de alimentación y así eliminar posibles fluctuaciones de la misma. La señal de entrada, de audio, ingresa a través de dos resistencias de 100K y un capacitor de 100 nF, este último impide el paso de corriente continua, pero deja pasar la señal de audio. Para su funcionamiento, el integrado requiere de una base de tiempo, es decir, una señal de reloj, generada en este caso por un cristal de cuarzo de 3.579545 MHz. Segunda etapa: En esta etapa se requiere de la utilización de los siguientes elementos: CI HT12E. CI HT12D. Modulo ASK TX7000-433B. Modulo ASK RF7000-433B. LEDs. Resistencias y capacitores. 17 HT12E Diagrama en bloques: Disposición de pines del integrado: 18 19 HT12D Diagrama en bloques: Disposición de pines del integrado: 20 Receptor ASK RF7000-433B 21 Modulo transmisor ASK TX7000-433B 22 Funcionamiento de la segunda etapa El integrado HT12E recibe una palabra de cuatro bits en sus pines de entrada en forma paralela, y en su pin de salida va largando la palabra en forma serie. Esta salida esta conectado con la entrada del modulo TX7000-433B, el cual lo va a transmitir al modulo receptor RF7000433B. Este ultimo recibe la información y va saliendo por su pin de salida, el cual esta conectado con la entrada del decodificador HT12D, que decodifica la entrada y la muestra en paralelo en su salida. Estas salidas están conectadas a cuatro LEDs que nos permiten visualizar la palabra recibida. Este integrado también cuenta con una salida que se pone en alto mientras que en su entrada haya una señal, es decir lo mantiene en alto mientras se este recibiendo información. De esta salida se conecto un LED para poder visualizar si está habiendo transmisión. La velocidad de transmisión es un tercio de la frecuencia de oscilación, que según la resistencia de 750k, corresponde a fosc=3,9khz. Con lo que rb=1,3kbps. A continuación se muestra el conexionado entre los módulos ASK y los respectivos integrados y el agregado de resistencias y capacitores para el correcto funcionamiento de esta configuración. 23 Tercera etapa: En esta etapa se requiere de la utilización de los siguientes elementos: CI TEA5500. LED infrarrojo. Fototransistor infrarrojo. Transistor BC327. Transistor BC548. Resistencias y capacitores. CI 555 24 Integrado TEA5500 Diagrama en bloques del integrado 25 Funcionamiento de la tercera etapa El emisor esta formado por el CI codificador TEA5500, el cual lee 10 líneas de entrada y dependiendo del estado que presenten estas líneas será el código emitido. Luego, un transistor hace las veces de amplificador haciendo que la señal codificada a emitir accione el LED infrarrojo el cual irradia la señal hasta el receptor en forma de luz invisible al ojo humano. Esta señal es captada por el fototransistor del receptor, esta señal llega con poca intensidad, entonces luego es amplificada por un transistor. Para alimentar el CI codificador utilizamos un multivibrador monoestable implementado con un CI 555 La velocidad de transmisión es sensiblemente más lenta que en ASK. Con los componentes empleados, es de rb=94.7bps. A continuación se ilustra la configuración del emisor: 26 El circuito emisor se alimenta con 5 V. Cada entrada de codificación admite tres posibles estados: alto (a positivo), bajo (a masa) o indeterminado (alta impedancia). El capacitor de 1 nF es el capacitor de oscilación que requiere el integrado como base de tiempo. El circuito monoestable del 555 implementado para alimentar el TEA5500 es el siguiente: Los valores de los componentes son: R1=22K C1=47uF C2=10nF El tiempo del monoestable se calcula como Td=1,1*R1*C1=1.31 s Interfases entre etapas La palabra de cuatro bit que sale del primer bloque es la entrada de la segunda etapa. Esto se logra conectando los pines de salida 11, 12, 13 y 14 del CI MT8870D a los pines de entrada 10, 11, 12, y 13 respectivamente del CI HT12E. Además, la salida StD (pin 15) del decodificador de la primera etapa se conecta a la entrada de habilitación (pin 14) del HT12E, entrada la cual es activa baja. Logrando así, que cuando la salida StD se ponga en alto deshabilite al HT12E, cortando así la transmisión ASK por un instante. Esto se busca por motivos que serán explicados en el párrafo siguiente. Los cuatro datos de salida de la segunda etapa pasa a ser parte de las diez entradas del CI TEA5500 del tercer bloque, conectando los pines de salida 10, 11, 12 y 13 del HT12D con los pines de entrada 11, 12, 13 y 14 respectivamente, los demás pines de entrada del TEA5500 son conectados al estado lógico bajo. Para que este último integrado mencionado transmita los datos necesita de un flanco positivo, es decir 27 que se necesita alguna forma para que este pueda ser disparado cada vez que se presione una tecla en el teléfono emisor de la primera etapa. Esto se logro, conectando su entrada alimentación a la salida VT del HT12D (pin 17). Esta salida esta en alto mientras el integrado esta recibiendo información, es decir, mientras los módulos ASK se están comunicando. En el párrafo anterior se menciono el conexionado entre una salida del MT8870D y la habilitación del HT12E, logrando el corte de transmisión por un instante, y provocando así la puesta en bajo también por un instante de la salida VT, con lo cual se consigue el flanco necesario para disparar el transmisor infrarrojo. Pero para que el transmisor infrarrojo logre transmitir la información, no basta solo con el flanco en su alimentación, sino que también hay que mantenerlo alimentado por un determinado tiempo para que logre transmitir la palabra completa. Es por esto que en vez de conectar directamente la salida VT a la alimentación del transmisor, se la conecta a un CI 555 configurado como monoestable que mantenga un nivel alto durante aproximadamente un segundo, y la salida de este a la alimentación del TEA5500, dándole así el flanco y tiempo necesario para que transmita la palabra completa. 28 Mediciones y cálculos Las siguientes imágenes son mediciones realizadas con el osciloscopio en diferentes puntos del sistema para verificar el correcto funcionamiento del mismo y observar las características de las diferentes transmisiones viendo sus formas de onda. Envió de paquetes de información de entre los módulos ASK: Ampliación de los datos enviados por módulos ASK: 29 Palabra a la salida del CI TEA5500 y duración del pulso de alimentación del mismo, aquí se puede observar que el tiempo de alimentación es el suficiente para que la palabra pueda ser transmitida por completo sin que esta sea cortada: Comparación entre la señal que es enviada por el transmisor infrarrojo y la señal en el receptor luego de ser amplificada: 30 Esquemas del circuito completo: 31 Conclusión Con este trabajo se pudo implementar una de las modulaciones vistas en las clases teóricas, en este caso la modulación ASK, donde se observó las aspectos más importantes de cómo trabaja esta técnica y como realizar un circuito de transmisión a partir de ella. La dificultad más importante que tuvimos fue la conexión entre las diferentes etapas y las consideraciones prácticas necesarias para que el circuito funcione correctamente. En cuanto a la transmisión infrarroja obtuvimos una transmisión exitosa pero con la dificultad de que el circuito receptor tuvo que ser simplificado debido a que el integrado receptor no funcionaba como lo esperado. El ruido fue muy significativo en la etapa receptora infrarroja y afectaba la protoboa donde habíamos efectuado la práctica.