DEEC-FCTUC: Sistemas de Comunicação Digital Trabalho Prático Nº5

MEEC Sistemas de Comunicação Digital

TRABALHO 5

MODULAÇÃO FSK

Introdução Modulações Analógicas Discretas

A modulação analógica discreta, em geral, consiste na modulação de uma portadora

contínua por um sinal digital (discreto). Exemplos de modulações analógicas discretas são:

OOK (On-Off Keying, um caso particular de ASK), ASK (Amplitude Shift Keying), FSK

(Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying), QAM (Quadrature Amplitude

Modulation) e as variantes destas: QPSK, CPFSK, APK, MSK, DPSK, DQPSK, … Na figura

mostram-se exemplos de modulações analógicas discretas de um mesmo sinal digital.

Figura 1 - Exemplos de modulações analógicas discretas.

As modulações analógicas discretas são utilizadas na transmissão/recepção de sinais

digitais por canais passa banda. Exemplos: todas as normas de transmissão de modems para a

linha telefónica (V.xx); todos os sistemas de telefones sem fios digitais: GSM (Global System

Mobile), DECT (Digital European Cordless Telephone), …; estéreo NICAM (Near

Instantaneous Companded Audio Multiplex); DAB (Digital Audio Broadcasting); DVB (Digital

Video Broadcasting); radiodifusão de HDTV (High Definition TeleVision); …

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Modulação FSK (Modulação de Frequência Discreta)

A modulação FSK (Frequency Shift Keying) é uma forma de modulação em que se

transmite uma onda portadora cuja frequência muda de acordo com a informação do sinal

digital em banda básica. Assim, no caso binário, o sinal FSK apresenta duas frequências,

correspondentes ao 0 lógico e ao 1 lógico.

As frequências usadas para representar os sinais digitais são escolhidas de modo a haver

compatibilidade com a banda de passagem do canal a utilizar. Por exemplo, num canal

telefónico, as frequências devem estar entre 300 Hz e 3000 Hz. Assim, a norma BELL 103

define a operação dum modem full-duplex utilizando modulação FSK da seguinte forma: a

estação que origina a chamada transmite 1070 Hz para um 0 lógico e 1270 Hz para um 1 lógico;

a estação que responde à chamada transmite 2025 Hz para um 0 lógico e 2225 Hz para um 1

lógico. Cada mudança no sinal em banda básica gera uma alteração de frequência na portadora

FSK.

Modulação FSK

Neste trabalho, o modulador FSK é implementado com um MUX, que comuta entre dois

sinais diferentes (HIGH TONE e LOW TONE), de acordo com o valor do sinal digital (sinal

modulante).

Desmodulação FSK

A desmodulação FSK pode ser feita por detecção síncrona ou assíncrona. No caso da

desmodulação síncrona, é necessário sincronizar um sinal de referência com o sinal modulado

para se poder detectar as alterações na frequência da portadora e recuperar o sinal original em

banda básica. O sinal de referência é obtido a partir do próprio sinal modulado em FSK, por

regeneração de portadora.

No caso da desmodulação assíncrona, o sinal FSK é inicialmente filtrado e de seguida

utiliza-se um detector de envolvente para recuperar o sinal original em banda básica. Neste

trabalho, pretende-se estudar a desmodulação por detecção assíncrona

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Figura 3 - Desmodulador FSK por detecção assíncrona.

O BPF converte um sinal FSK num outro sinal com variações de amplitude (estas

variações de amplitude representam as variações do sinal original em banda básica). O BPF

atenua uma das frequências (correspondente ao 0 lógico ou ao 1 lógico) e deixa passar a outra

frequência, sem atenuação. O detector de envolvente recupera o sinal NRZ a partir das

variações de amplitude criadas pelo BPF. O detector de envolvente é composto por diferentes

elementos. O FWR (rectificador de onda completa) converte a saída do BPF em picos positivos

DC, com diferentes amplitudes. Segue-se o LPF, que transforma estes picos DC em níveis de

tensão, que representam os estados do sinal digital original. Finalmente, o comparador de tensão

atribui os níveis standard de tensão (0V e 5V) a cada um dos estados lógicos do sinal digital.

Simulador de canal

Na comunicação digital, o ruído pode introduzir alterações no sinal que será

desmodulado, causando erros e diferenças entre os dados transmitidos e os dados recebidos. O

simulador de canal utilizado neste trabalho tem uma largura de banda limitada e um nível

variável de ruído, podendo-se assim simular as condições práticas dum meio de transmissão. O

ruído tem um espectro com componentes principais na gama [75; 600] Hz. Neste trabalho,

considera-se que a desmodulação é feita por detecção assíncrona (figura 3). O BPF deve

garantir que as frequências associadas ao FSK passam, e o ruído é atenuado.

Objectivos do trabalho

• Descrever a relação entre o sinal FSK e o sinal modulante digital em banda básica;

• Descrever como é que um MUX analógico pode ser usado para obter um sinal modulado

em FSK;

• Demonstrar como é que um filtro pode converter um sinal FSK num sinal com variações

de amplitude correspondentes às variações no sinal original;

• Demonstrar como funciona um detector assíncrono de envolvente;

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• Verificar que é possível recuperar o sinal NRZ em banda básica a partir do sinal FSK;

• Verificar o efeito da existência de ruído no canal de transmissão, sobre o sinal FSK

desmodulado por detecção assíncrona.

Material Necessário

- Osciloscópio digital;

- 2 pontas de prova;

- 3 pinos metálicos;

- 1 cabo azul;

- 3 shunts;

- Painel didáctico “Digital Communications 2” (LabVolt):

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Observações e Medições

Modulador

1. No bloco FSK, está implementado um modulador FSK. Use um shunt para ligar o sinal

a modular, sinal NRZ, à entrada do modulador. Visualize no osciloscópio, em

simultâneo, o sinal à saída do modulador e o sinal modulante (NRZ). Desenhe os 2

sinais (use o botão RUN/STOP do osciloscópio) justificando e calculando todos os

parâmetros observáveis dos 2 sinais.

2. Visualize no osciloscópio, os sinais nos pontos HIGH TONE e LOW TONE.

Considerando o funcionamento do modulador, justifique que um sinal modulado em

FSK pode ser encarado como a sobreposição de dois sinais modulados em OOK, com

diferentes frequências.

Simulação de um Canal de Transmissão

3. Ligue o ponto FSK à entrada do canal (CHANNEL IN). Rode o botão de controlo de

ruído (NOISE no módulo CHANNEL) totalmente no sentido anti-horário. Assim,

garante-se que o canal se comporta duma forma ideal, isto é, não há introdução de ruído.

O canal considerado tem uma banda de passagem entre os 300 Hz e os 3000Hz. O que

aconteceria se a largura de banda do canal fosse reduzida para 1600 Hz? Verifique que o

sinal à saída do canal é idêntico ao sinal à saída do módulo

FSK - Desmodulação por Detecção Assíncrona

4. Ligue a saída do canal à entrada do BPF. Desenhe o sinal no ponto NRZ e o sinal à saída

do BPF. Justifique qualitativamente o resultado obtido à saída do BPF, tendo em conta o

sinal na entrada. O estado do sinal NRZ continua a ser representado apenas na

frequência?

5. Ligue a saída do BPF à entrada do ASYNC DETECTOR. Desenhe o sinal à saída do

BPF e o sinal à saída do FWR. Justifique como é que se consegue obter um sinal a partir

do outro.

6. Desenhe o sinal no ponto NRZ e o sinal à saída do LPF. Justifique o sinal à saída do

LPF tendo em conta o sinal na entrada.

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7. Observe no osciloscópio o sinal NRZ e o sinal à saída do comparador de tensão (VOLT

COMP). Ajustando o knob POSITIVE SUPPLY (topo direito da base de alimentação),

observe o sinal à saída do comparador de tensão (VOLT COMP). Ajuste-o de forma que

ele se pareça com o sinal NRZ. Comente o que observa. Se tudo correr bem, o sinal à

saída é igual ao sinal transmitido com um ligeiro atraso. Neste caso o desmodulador

FSK está a funcionar correctamente.

Efeito do Ruído sobre o Sinal FSK Desmodulado por Detecção Assíncrona

8. Rode o botão de controlo de ruído (NOISE no módulo CHANNEL) lentamente no

sentido horário (isto é, adicione ruído ao sinal FSK que está a passar no canal), até

aparecerem pulsos de ruído no sinal digital recuperado (sinal à saída do VOLT COMP).

No ponto NOISE (no módulo CHANNEL), pode verificar qual o valor de ruído que está

a ser introduzido. Indique a amplitude do ruído introduzido no sistema e esboce o sinal à

saída do canal (verifique que este sinal é efectivamente a soma do sinal FSK à entrada

do canal, com o ruído introduzido). Utilize acoplamento CC.

9. As componentes de ruído estão na gama de [75;600] Hz. Como a frequência inferior de

corte do BPF é 1200 Hz, então as frequências mais baixas do ruído são rejeitadas pelo

BPF e as frequências mais elevadas são fortemente atenuadas (estão na banda de

transição do filtro). Compare o sinal à entrada e à saída do BPF. Qual dos dois sinais

está mais afectado pelo ruído?

10. Apesar do BPF filtrar algumas das componentes de ruído, há outras componentes que

passam pelo filtro e que seguem para os estágios seguintes da desmodulação. Esboce o

sinal à entrada e o sinal à saída do VOLT COMP. Verifique que pode haver erros no

sinal desmodulado.