Sistema de Transmisión de Señales

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Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Abril 5 — 7, 2006

Sistema de Transmisión de Señales Digitales de Baja Velocidad por medio de Radios Civiles Oscar Carranza Castillo, Aurora Aparicio Castillo, José Juan Marcos López Escuela Superior de Cómputo Depto. de Sistemas Electrónicos, Instituto Politécnico Nacional, México, D. F. C. P. 07738. Tel. +(55)57296000 Ext. 52022. Fax Ext. 52003, correo-e: [email protected],, aa [email protected] aapari paricio cioc@i [email protected] pn.mx, x, ceos ceoska@ ka@ mai mail.c l.com, om,

Resumen — Este trabajo presenta el desarrollo de un modulador y un un demodulador para el envió de señales digitales de baja velocidad para ser empleado con radios de banda civil, ya que en muchas ocasiones es necesario enviar alguna señal digital a una distancia grande y en el cual es muy difícil implementar un cableado para dicho fin, ya que el transmisor, el receptor o ambos pueden están en continua movimiento. Considerando que el ancho de banda de transmisión de los radios de banda civil es de 2.5 kHz; se emplea la norma oficial 202 de Bell, la cual dice que para transmitir a una velocidad de 1200 bps se requiere modular y demodular demodular en intervalos de 1200 Hz – 2200 Hz para la transmisión, lo que satisface que puede ser utilizados los radios de banda civil y esto hace que las señales digitales que se pueden transmitir a una velocidad de transmisión de 1200 bps. El Sistema realiza una modulación FSK mediante el circuito XR2207, el cual es un oscilador controlado por voltaje y cómo demodulador un XR2211. Abstract — This work presents the development of a modulator and a demodulador for the one it sent of digital signs of low speed to be an employee with radios of civil band, since in many occasions it is necessary to send some digital sign at a big distance and in which is very difficult to implement a wired one for this end, since the transmitter, the receiver or both can they are in continuous movement. Whereas clause that the bandwidth of transmission of the radii of civil band is of 2.5 kHz; the official norm is used 202 of Bell, which says that to transmit to a speed of 1200 bps it is required to

modulate and to demodulate in intervals of 1200 Hz2200 Hz for the transmission, what satisfies that it can be used the radii of civil band and this makes that the digital signs that can be transmitted to transmission of 1200 bps. The System carries out a modulation FSK by means of the circuit XR2207, which is an oscillator controlled by voltage and how demodulador a XR2211. Palabras clave — Demodulador, Modulador, Señales analògicas

I. INTRODUCCIÓN Una forma de entender la comunicación inalámbrica es primero conocer el significado de la palabra “telecomunicación”. De la palabra griega “tele” que significa “lejos”, telecomunicaciones es el intercambio de información entre dos puntos a diferente distancia. Por lo que comunicación inalámbrica se obtiene usando ondas electromagnéticas en lugar de alambres para llevar la información de un punto a otro. Cuando pensamos en cualquier cosa que no tenga alambres, generalmente pensamos en los teléfonos celulares. Pero en realidad hay muchos productos que se encuentran ahora que usan comunicaciones

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Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006

inalámbricas. Muchas computadoras portátiles (laptops) ahora ocupan tarjetas inalámbricas que nos permiten conectarnos a la Internet desde cualquier lugar. Otros productos incluyen tableros de computadoras inalámbricos, audífonos, así como los tableros virtuales. “El control para abrir el garage y cualquier tipo de control remoto también usan comunicaciones inalámbricas”. Un enlace de radio, establece un vínculo o puente entre dos puntos distantes, esto permite enlazarlos a fin de poder trasladar a través de este medio la información deseada. El elemento de transmisión es una onda electromagnética de alta frecuencia (radiofrecuencia), a esta onda se le llama “portadora”, porque lleva o transporta la información (modulante). Esta información tiene distintos orígenes, y de acuerdo a ellos será el tipo de modulación a utilizar y el lugar que esta información ocupará en el espectro de radiofrecuencia. Algunas señales típicas a transmitir son las señales de voz para telefonía, música, video, datos, etc., transmitir una de estas señales no es lo mismo que transmitir otra, ya que sus anchos de banda son diferentes. En el caso de señales de telefonía, estas deben ser “inteligibles”, es decir, conservar el tono y el timbre. El ancho de banda de un canal de telefonía para redes de buena calidad va de 0.3 KHz a 3.4 KHz. Las normas para equipos de comunicación existentes indican el valor del ancho de banda (B.W.) que deberá ocupar la señal que se desea transmitir.

Los sistemas de comunicación moderna se han beneficiado de la invención del transistor (1948) y de los circuitos integrados (1958) que junto con la fibra óptica han hecho evolucionar los sistemas eléctricos de comunicaciones. La comunicación vía satélite es una forma de comunicación relativamente nueva. El primer satélite artificial, Sputnik 1, fue lanzado en la Unión Soviética en 1957, pero la comunicación vía satélite práctica realmente comenzó con el lanzamiento del satélite experimental INTELSAT I en 1965. El primer satélite geoestacionario comercial moderno, el Anik A-1, fue lanzado 7 años más tarde en Canadá. Muchas señales de información, que son la entrada al sistema de comunicaciones no pueden ser enviadas directamente hacia el canal, es por eso que se modifica una onda portadora con relación a la señal de información, cuyas propiedades se adaptan mejor al medio de comunicación en cuestión, para representar el mensaje. La modulación es la alteración sistemática de una onda portadora de acuerdo con el mensaje (señal modulada) y puede ser también una codificación. Existen básicamente dos tipos de modulación: la modulación analógica, que se realiza a partir de señales analógicas de información, por ejemplo la voz humana, audio y video en su forma eléctrica y la modulación digital, que se lleva a cabo a partir de señales generadas por fuentes digitales, por ejemplo una computadora. o

Un sistema de comunicación está formado por una fuente de información, un acondicionador de señal, un transmisor, un transductor necesario para adaptar la señal al medio, el propio medio de propagación, un transductor capaz de convertir la energía del medio en energía eléctrica para que pueda ser interpretada por el receptor y un receptor cuya salida proporcionará la información deseada. Los primeros enlaces de radio se instalaron para permitir la comunicación donde los cables físicos no eran prácticos. Fue en 1901 cuando se llevó a cabo la primera comunicación trasatlántica de radio por Marconi, sin embargo la difusión regular de radio no comenzó hasta 1920. En aquella época la tecnología empleada en la implementación de los transmisores y receptores eran los tubos de vacío.

o

Modulación Analógica: AM, FM Modulación Digital: ASK, FSK, PSK

El modulador y demodulador para la transmisión de señales digitales empleando radios de banda civil, es una parte de un sistema donde se desea la transmisión de una señal proveniente de un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) que está ubicado en un móvil, hacia una computadora para a través de esta posicionar el móvil mediante un sistema cartográfico. Y dado que el sistema de comunicaciones a emplear es un radio de banda civil, él cual es analógico y la información a enviar es digital, se plantea el siguiente trabajo.

II. DESARROLLO El modulador y demodulador para la transmisión de señales digitales empleando radios de banda civil, es utilizado en la etapa de procesamiento de señal tanto

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en el transmisor como en el receptor de todo un sistema donde se desea la transmisión de una señal proveniente de un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) [1] que está ubicado en un móvil, hacia una computadora para posicionar dicho móvil en un sistema cartográfico. La figura 1 muestra el sistema completo donde se utiliza el modulador y demodulador.

frecuencia que está entre los 450-470 MHz, en la banda en UHF.

A. PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DEL TRANSMISOR Debido a que la señal que entrega el microcontrolador es digital y el sistema de transmisión y recepción de los radios es analógico, se debe de realizar un modulador y demodulador que permita la conversión de las señales de forma apropiada. Antes de seleccionar la modulación a emplear, se analiza el ancho de banda que puede tener la señal de entrada en los radios, de manera de averiguar que frecuencias se pueden utilizar. Obteniendo que el intervalo de frecuencias de la señal de información en el que trabajan adecuadamente los radios es de 100 Hz a 3 KHz.

Figura 1. Diagrama de sistema completo donde se emplea el Modem para la transmisión de señales digitales de baja velocidad a través de radios de banda civil. La información que el modulador va a procesar es una señal que en principio viene de un GPS Magellan 320, el cuál con un cable serial (Estándar RS-232C) para transmitir los datos utilizando el protocolo NMEA 0183 [2], cuenta con una velocidad de transmisión que va desde 1200 bps hasta 19200 bps. El GPS proporciona varias tramas, pero solo se emplea la que proporciona la posición geográfica, que es la $GPGLL. Para seleccionar la trama que proporciona la posición del móvil, se empleo un microcontrolador de Atmel (AT90S8535), con el cual tiene como objetivo seleccionar únicamente la trama de la posición geográfica ($GPGLL). Para acoplar la señal que envía el GPS por su interfaz serial, se emplea un circuito integrado MAX232, para la conversión de voltajes de RS232 (-12 a 12V) a TTL (0 a 5V), ya que el microcontrolador emplea voltajes TTL. Para que resulte más sencillo el envió de la señal del móvil a la computadora central se emplean como transmisor y receptor unos radios de banda civil FTH7008 UHF Hand Held que trabaja en un intervalo de

Basándonos en la norma oficial 202 de Bell para Modem, la cual dice que para transmitir a una velocidad de 1200 bps se requiere modular/demodular a 1200 Hz para un “0” y 2200 Hz para un “1”. Dado las características de que los radios trasmiten una señal de información entre 100 Hz y 3 kHz y que el GPS puede transmitir a 1200 bps. Se decide utilizar a modulación FSK (frecuency-shift Keying) [3]. Los datos provenientes del GPS se configuran para ser enviados a una velocidad de 1200 bps, ya que son la señal de información a introducir a los radios. Después de probar varios circuitos para generar la modulación FSK y no tener éxito al generar la señal deseada se utiliza el Circuito integrado XR2207 [4], el cual es un VCO (Oscilador Controlado por Voltaje). El XR2207 además de convertir nuestra señal de digital a analógica es capaz de modularla la cual es proporcional al voltaje de entrada ya que cuenta con dos canales generadores de FSK los cuales pueden ser seleccionados. Para la modulación, el XR2207 utiliza dos frecuencias una para alto (f1=2200 Hz) y otra para bajo (f2=1200 Hz), las cuales se calculan con la siguiente fórmula.

f 0 =

1

Hz RC

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Donde: C = 100pF a 100 µF

la frecuencia central de enganche del PLL. Solo que no se obtienen los resultados esperados por lo que se emplea el circuito integrado XR2211 [6] que es un demodulador FSK.

y R = 4k Ω a 200k Ω

El circuito resultante con los valores necesarios para las dos frecuencias se muestra en la figura 2.

Posteriormente se realizaron los cálculos para la implementación del demodulador FSK con XR2211.

VCC

Frecuencia central del PLL

JP1 3 2 1

JH2 Salida

1

R7

VCC

VEE

R1 39k 1k

U1 C1 1u

1 2 3 4 5 6 7

C2 0.1u

R2 4.7k

R3 8.2k

f 0 = F1 * F 2

R6

1

Alimentación +- 6

Vcc C1 C2 R1 R2 R3 R4

TWO SWO VEE BIAS GND BKI2 BKI1

JH3

1k

1

1 Salida atenuada, hacia el radio

14 13 12 11 10 9 8

Timing Resistor R0

JH1 1

1

Entrada digital, proveniente del GPS C3 1u

XR2207

R0 =10K a 100K

VCC

3

RT = R0 +

3

R4

R5 2

2 10K

1

10K

R x 2

1 VEE

Figura 2. Modulador FSK con XR2207

Cálculo de C0

Como la salida de este circuito nos proporciona un voltaje de 5V, se tuvo que poner un divisor de voltaje, para reducirlo a 200mV y no dañar la entrada del radio que se emplea como transmisor.

C 0 =

1 R0 + f 0

Ancho de banda

B. PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DEL

R1 =

RECEPTOR Un receptor es una colección de componentes electrónicos y circuitos que aceptan el mensaje transmitido del canal y lo convierte en una forma inteligible para los humanos. La característica fundamental de un receptor son la sensibilidad y la selectividad. La sensibilidad es el mínimo nivel de señal que requiere un receptor para producir una relación señal a ruido aceptable. La selectividad es la posibilidad de rechazar señales fuera de una banda dada, y de aceptar todas aquellas que entren dentro de dicha banda. Para que la señal pueda ser interpretada por la computadora, la señal se debe de regresar a su forma original. En este caso se utilizó un detector de tonos, el circuito LM567, de manera de hacer más económico el sistema, el cuál posee internamente un PLL (Phase Locked Loop) [5] y un detector de fase en cuadratura, el cual responde con un nivel lógico bajo cuando la señal de entrada al integrado coincide con

R F = 5 R1

R0 * f 0 *2 f 1 − f 2

R B = 5 R F

Cálculo de C1

C 1 =

1250 * C 0

R1* ς 2

A continuación se muestra la implementación del circuito en la figura 3:

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VCC

Figura 5. Salida Modulador FSK a 2.2KHz

JP2 2 1

R7

R

R5

RB

Alimentación5V

VCC

U1

JP1 2 8

2 1

R8

R3

Entrada

Rf

R C1

3 12 13 14

R4 R1

Co

1 4

INPUT FSK C- IN LDF TR TC TC

DATA O/P R V O/P L D O/P Q Q

7

R6

RL

JP3

0.8

1 2

10 11

Salida 5 6

C2

C4

C1

0.1u

0.6 0.4

V+ GND

0.2

NJM2211/SO

R1 C3 Ro VCC

U3A

Cf 1 3 2

R2

2 74LS04

JP4 1 2 SalidaInv ertida

0 -0.2

Rx

-0.4 1

-0.6

Figura 3. Demodulador FSK con XR2211 En esté mismo también se tuvo que implementar un divisor de voltaje puesto que el XR2211 puede trabajar con señales analógicas que se encuentren en un rango de 10mV a 3V y nosotros teníamos a la salida del radio receptor daba una señal analógica de salida de entre 1-3 V.

III. R ESULTADOS

-0.8

Figura 6. Salida del modulador XR2207 El circuito XR2211 también muestra resultados satisfactorios ya que la señal de salida es completamente inteligible al sistema y se muestra en la figura 7.

5

4

El circuito XR2207 entrega la salida de la señal con un valor de 5 volts por lo que se emplea un divisor de voltaje para poderlo introducir al radio. La figura 4 muestra la señal de salida del XR2207 cuando a la entrada tiene un “0” y la figura 5 muestra cuando tiene un “1” a la entrada y por último la figura 6 muestra la señal modulada en FSK.

3

2

1

0

-1

Figura 7. Salida del demodulador con el XR2211 A continuación se muestra en la figura 8 la pantalla del hiperterminal de una computadora a la cual se le introduce la señal a través del puerto serial con la ayuda del circuito MAX232 para conseguir los niveles RS232, donde se comprueba que los datos son recuperados completamente.

1

0.5

0

-0.5

-1

Figura 4. Salida del Modulador FSK a 1.2 KHz.

0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

Figura 8. Pantalla del hiperterminal con los trama $GPGLL recibida en la computadora.


IV. CONCLUSIÓN El modulador y el demodulador cumplen con el propósito por el cual fueron construidos debido a que la información que se envía es recuperada en su totalidad al final del sistema de comunicaciones. Se tiene un poco el problema con la distancia entre los radios para recibir la señal correctamente, debido a que solo se alcanza una distancia máxima de 100 m en horas pico de comunicación, este problema se sugiere solucionar empleando un canal dedicado para la comunicación del sistema, de manera que no se tenga interferencia de otra señal que se desea enviar y el uso de radios con mayor potencia. El modulador implementado con el circuito XR2207 entrega la señal desea según la norma oficial 202 de Bell para módem haciendo la modulación FSK con las frecuencias de 1200 Hz y de 2200 Hz, para ser enviada hacia el radio transmisor. El demodulador implementado con el circuito XR2211, realiza la demodulación de la señal FSK correctamente de la señal proveniente del radio receptor y se entrega adecuadamente hacia una computadora empleando el puerto el puerto serial y con la ayuda del circuito MAX232 para entregar los niveles según la norma RS232. La velocidad de la señal de información es de 1200 bps para poder utilizar los radios de banda civil.

R EFERENCIAS [1] http://www.mundogps.com/ [2] María Paz Holanda Blas, Juan Carlos Bermejo Ortega, GPS & GLONASS Descripción y aplicaciones

[3] Stallings, William. Comunicaciones y Redes de Computadoras, (Prentice Hall), 747, (1998) [4] http://www.exar.com/products/XR2207v202.pdf [5] Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, (Prentice Hall), 538, (1999). [6] http://www.exar.com/products/XR2211v301.pdf

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