Generador de modulación analógica y digital.

Generador basado en microcontrolador 8031

Resumen: El proyecto consiste en la creación de un generador de modulación analógica y digital. Los tipos de modulaciones son generados digitalmente. La arquitectura basada en el uso de microcontrolador, ADC, DAC, memoria RAM y EPROM y software. Las modulaciones analógicas obtenidas son: AM y FM. Las digitales son: ASK. FSK, PSK, DPSK, QAM. Puede ser utilizado como generador de onda senoidal, triangular, diente de sierra, pulsos de ciclo útil variable, pulso de reloj. Para modulación digital la modulante es un patrón de ocho bits. En todos los casos de modulación, se puede variar la amplitud y frecuencia de la modulante y la portadora. La salida brinda la modulada y la modulante. Los resultados obtenidos cumplen satisfactoriamente con los requerimientos necesarios para un equipo de laboratorio con fines didácticos.

1.- CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL GENERADOR.

El tratamiento de las diferentes modulaciones se lleva a cabo en forma digital, usando el microcontrolador 8031. En conjunción con el microcontrolador, se utiliza el manejador de puerto 8255, el cual se pueden programar como entrada o como salida o una combinación de estos. Los datos son ingresados al sistema modular de dos maneras: datos en forma de dígitos binarios, a través de arreglo de interruptores, y datos en forma analógica, a través de potenciómetros. Los datos que ingresan al módulo en forma digital son: el tipo de modulación (AM, FM, ASK, FSK, PSK, DPSK, QAM) se ingresa por medio del arreglo de interruptores conectados al puerto A del 8255; el tipo de modulante se ingresa por el arreglo de interruptores colocado en el puerto A, y los datos que corresponden al patrón digital de la modulante, se ingresan por el arreglo de interruptores DS2 conectados al puerto B del 8255. Estos datos son convertidos al formato digital por un conversor análogo/digital que, en este caso, es el ADC0848. A la salida del sistema se obtiene la señal modulada de acuerdo con la selección que se haya realizado. Esta señal modulada proviene de un conversor digital/analógico, el DAC0831. La salida del DAC0831 se filtra para eliminar las componentes de altas frecuencias presentes en la señal modulada.

2.- DIAGRAMA EN BLOQUES GENERAL.

En la figura # 1 se muestra el diagrama en bloques del módulo. El control de todo esta bajo la responsabilidad del microcontrolador, el cual recibe la información del tipo de modulación que se desea generar, características de la misma, patrón de bits de la modulante y luego aplica los algoritmos pertinentes. El tipo de modulación a seleccionar es ingresado a través del manejador de puertos 8255, utilizando las líneas del puerto PA. Si la modulación es analógica, será necesario ingresar los valores de amplitud y frecuencia de la portadora y modulante, datos que se ingresan por medio de los potenciómetros conectados al conversor analógico digital ADC0848, el cual convierte el voltaje de entrada leído a códigos binarios para luego ser procesados por el microcontrolador. Además, se puede escoger como modulante una señal senoidal o una triangular, selección que se realiza por medio del interruptor 7 del arreglo de interruptores ( identificado como DS1 ) conectado al terminal 6 del PA del manejador de puertos 8255. Si la modulación es digital, se ingresan los valores del patrón de bits correspondientes por medio de DS2. En este tipo de modulación digital el usuario tiene la opción de ajustar la frecuencia de la portadora manualmente, o a través del mismo sistema, el cual la asigna de manera automática. Esta alternativa se brinda a través del selector número 8 del arreglo de interruptores DS2. Si está abierto, la selección es automática; y si está cerrado, la selección es manual. En respuesta al tipo de modulación seleccionada, el módulo responde a su salida con la señal modulada que corresponda. El proceso de generación de esta señal se puede resumir de la siguiente manera: La frecuencia de la onda portadora se ajusta por medio del VCO (RC4152), al cual se le controla el voltaje de entrada por medio del DAC1 . Al variar el código binario en el DAC1, se varía su voltaje de salida y, en consecuencia, se varía la frecuencia de salida del VCO, lo que, a su vez, hace que se varíe la frecuencia de los pulsos de entrada del contador disponible en el temporizador programable (XR2240). Al variar la frecuencia de los pulsos de entrada del contador se variará también la frecuencia de barrido de los conteos del XR2240, y los datos de salida de la memoria EPROM se verán afectados por todos estos cambios en concordancia con los mismos, es decir, un aumento en la frecuencia aumenta la rata de salida de datos de la memoria EPROM (aumentado la frecuencia de la señal a la salida del DAC4); y, si disminuye, el proceso es contrario. En la memoria EPROM están almacenadas las tablas de datos correspondientes a las formas de onda que tendrá la portadora de información. Cada tabla está constituida por 64 valores y se encuentra repetida cuatro veces, con la intención de que ocupen 256 localidades de memoria, las cuales son
direccionables con los ocho bits del contador interno del XR2240.

3.- HARDWARE DEL DISEÑO.

3.1.- Circuito para el Tratamiento de datos de entrada

Los datos de entrada al sistema son los siguientes: - Tipo de modulación: se dispone de un arreglo de interruptores identificados como DS1 a través de los cuales el usuario ingresa el tipo de modulación que desee generar. Estos datos ingresan por el puerto PA del 8255. Ver figura # 2. Los tipos de modulación que se tratan son: modulación de amplitud (AM), modulación de frecuencia (FM), modulación por conmutación de frecuencia (FSK), modulación por conmutación de amplitud (ASK) y modulación por conmutación de fase (PSK). modulación de amplitud en cuadratura (QAM). Estos tipos de modulación se corresponden con los bits PA0, PA1, PA2, PA3, PA4 y PA5.

• Tipo de modulante: este dato se ingresa por el bit PA6. La modulante puede ser una onda seno o una onda triangular.

• Asignación de frecuencia para modulación digital: este dato se ingresa por el bit PA7.

• Patrón de bits para modulación digital: los bits correspondientes al patrón de la modulante digital (ocho bits en total ) son ingresados por el puerto PB del 8255 y para sus selección se utilizan también arreglo de interruptores.

• Amplitud y frecuencias de la portadora y la modulante: cuando la modulación es AM o FM, los datos correspondientes a la amplitud y frecuencia de la portadora, así como la amplitud y frecuencia de la modulante ingresan al sistema a través de un conversor analógico-digital (ADC). Las entradas del ADC se encuentran multiplexadas y están definidas como canales 1 hasta el canal 8. La distribución de uso de estos canales es como sigue:

• canal 1: ingresa la amplitud de la portadora.

• canal 2: ingresa la frecuencia de la portadora.

• canal 3: ingresa la amplitud de la moduladora.

• canal 4: ingresa la frecuencia de la moduladora.

• canales 5 al 8: libres para el usuario.

En la figura # 3 se muestra el esquema del circuito utilizado para la lectura de las señales de entradas analógicas. A la entrada de cada uno de estos canales se encuentran los cuatro potenciómetros que permiten ingresar los valores correspondientes. El voltaje de referencia del ADC es de 5 Volt, limitando igualmente, al voltaje de entrada a esa cantidad. Esto indica que se obtendrán cambios en el código del ADC0848 cada vez que se incremente/disminuya la señal analógica de entrada en un valor como mínimo de 195 mVolt. Las entradas de WR, RD, CS, bus de datos, van conectados al microcontrolador.

3.2.- Circuito para la generación de la señal portadora.

La señal portadora es la onda senoidal sobre la cual ha de viajar la información luego que se ha producido la modulación. Esto procede tanto para modulación analógica como para modulación digital. La forma de generar la portadora es grabando la tabla de datos que contiene los valores de la onda senoidal, en una memoria EPROM e ir leyendo estos valores y mandarlos directamente a un conversor digital-analógico. El proceso se lleva a cabo direccionando cada una de las localidades de la memoria en las cuales están almacenados los datos e ir enviándolos directamente al DAC. El proceso de barrido de todas las localidades necesarias de la memoria se realiza por medio de un contador binario, al cual se le indica cuándo iniciar o detener el proceso de conteo. El número de localidades que se pueden direccionar con el contador es función del número de bits del contador. Un contador de 8 bits es útil para este caso, ya que el permite localizar hasta 256 direcciones distintas. El esquema circuital utilizado bajo esta filosofía de generación de portadora, cuya tabla de valores se encuentra grabada en memoria EPROM, es el que se muestra en la figura #4.

3.3.- Circuito para la generación de señal moduladora

La moduladora es la señal analógica o digital que modificará las características de otra señal portadora para dar origen a la modulación. La modulante se genera en el sistema de desarrollo por medio de un proceso muy sencillo. Se tiene una tabla de valores que corresponde a la forma de onda que tiene la modulante (puede ser senoidal o triangular). Estos valores son leídos desde la tabla, a una frecuencia que escoge el usuario (dato leído inicialmente como frecuencia de modulante) y luego son transferidos hasta el DAC3, el cual tiene configuración unipolar. A la salida del DAC3 la señal de corriente se convierte a voltaje por medio del uso de un A.O., posteriormente esta señal es invertida nuevamente para dar como resultado una señal unipolar de voltaje positivo. Esta señal resultante se acopla al circuito que genera la portadora. El proceso de acoplamiento es, para algunos casos, capacitivo y, para otros, se hace en forma directa. Este proceso de control del acoplamiento se realiza por medio de un interruptor analógico el cual cortocircuita al capacitor en los casos que no se requiera su uso. El control de este interruptor se hace por medio del pin 1 del puerto P1. La figura #5 muestra el circuito usado para la generación de modulante.

3.4.- Circuito para el Control de la amplitud de la modulante.

El control de la amplitud de la señal modulante se hace por medio del DAC3, el cual, al igual que todos los otros, es un DAC0831. En la figura #6, se muestra el esquema circuital utilizado para controlar la amplitud de la modulante. Como se puede observar, en la figura #5, el DAC2 tiene configuración unipolar y su salida de voltaje se encuentra invertida para obtener, como voltaje de referencia, una cantidad positiva. Gracias a la capacidad de los DACs de operar como multiplicador, el voltaje de referencia en él puede ser un valor continuo o variable en el tiempo, puede ser un voltaje que varíe según una forma dada. Con esta consideración se puede hacer que el voltaje de salida de un DAC varíe de acuerdo con las variaciones que experimente su voltaje de referencia. Si el voltaje de referencia tiene forma senoidal, entonces la salida experimentará variaciones, no sólo por las que le imponga las códigos de entrada, sino que también lo puede hacer al ritmo de las variaciones del voltaje de referencia. Esta potencialidad es la que se usa para realizar la modulación AM.

3.5.- Circuito para el Control de la frecuencia de la portadora.

En la figura # 7 se muestra el circuito que permite mantener el control de la frecuencia de la portadora. El control de la frecuencia se realiza en forma digital, permitiendo que a través del

DAC1 se controle el voltaje de entrada al VCO; y, en consecuencia, se controle la frecuencia de los pulsos que llegan al contador XR2240. Como se explicó anteriormente, la señal portadora se genera desde la memoria EPROM cuyas localidades son direccionadas por las combinaciones binarias (de ocho bits) dadas por el contador XR2240. El control de la frecuencia se lleva a cabo en una forma lineal, ya que el VCO, constituido por el C.I. RC4152, tiene características muy lineales (0.0013% de no linealidad). Esto permite que se puedan fijar valores de frecuencias bastante estables.El valor de voltaje de entrada al VCO proviene del DAC1, cuya salida de voltaje es invertida para obtener un voltaje positivo desde 0 Volt hasta 10 Volt. El circuito está concebido para tener una constante de proporcionalidad de 10 kHz por cada 1 Volt a la entrada.

Bajo la consideración anterior, la máxima frecuencia que se puede tener a la salida del VCO es de 100 kHz.

4.- APLICACIÓN A VARIOS TIPOS DE MODULACIÓN.

4.1.- Generación de modulación en amplitud (AM).

La implementación de la modulación en amplitud (AM) se basa en los circuitos analizados anteriormente: generación de portadora y control de la amplitud de modulación. Un tercer circuito útil para la generación de amplitud modulada es el que se muestra en la figura #8. Se tiene una tabla de datos de acuerdo con la forma de onda que se desea utilizar como modulante (senoidal o triangular, si la modulación es analógica, y tren de pulsos, si la modulación es digital). Los datos se toman uno a uno desde la tabla y se envían al DAC3, el cual es el encargado de poner a su salida el valor analógico correspondiente. El primer inversor convierte la información de corriente que suministra el DAC3 en un voltaje (voltaje de salida de polaridad negativa) y el segundo inversor hace la señal positiva.

El voltaje que se usa como referencia en un DAC puede ser fijo o según una forma de onda dada. Ahora si la señal que se obtuvo a la salida del DAC3 se usa como voltaje de referencia en el circuito generador de portadora, el efecto neto es una señal a la salida cuya amplitud varía en función de la rata de variación de la señal proveniente del DAC3 (la cual no es más que la modulante). En dependencia de la amplitud de la señal modulante, se variará el índice de modulación de la señal modulada (obtenida a la salida del DAC4). La configuración utilizada por el circuito generador de portadora es de tipo bipolar, permitiendo obtener voltajes de salida positivos y negativos. Ahora, si se considera que el voltaje de referencia puede ser igualmente bipolar, se tendrá una combinación interesante de valores de voltaje a la salida, esto es, lo que se denomina operación en cuatro cuadrantes. El acoplamiento de la señal modulante al DAC4 se realiza por medio de un capacitor de 22 uF, el cual permite eliminar el valor DC de la señal para los casos que no requieran de este nivel.

Algoritmo: En el diagrama #1 se muestra parte del algoritmo utilizado para generar modulación en amplitud (AM). A grandes rasgos, se puede resumir su funcionamiento así: se leen los datos correspondientes a amplitud y frecuencia de la modulante y la portadora, se asigna el valor del índice de modulación en correspondencia con los valores leídos, se envía al DAC2 el valor de voltaje correspondiente para generar la señal portadora con frecuencia dada y se envían al DAC3 los valores de onda seno o triángulo (de acuerdo con la selección hecha) que se encuentran en una tabla en el programa y se inicia el proceso, se leen 256 valores; se repite el proceso de encuesta para determinar qué tipo de modulación se desea generar, esto es debido a que el usuario puede cambiar en cualquier momento la selección hecha previamente.

4.2.- Generación de modulación por conmutación de frecuencia (FSK).

El procedimiento para generar FSK por este diseño es como sigue: esta técnica de modulación establece que la amplitud permanece constante, por lo cual se fija su valor por medio del DAC3, que al igual que en la modulación ASK, controla la amplitud de la portadora. Los valores de frecuencia en los cuales conmutará la portadora se pueden establecer por dos vías distintas. Si el interruptor 8 del DS1 está en " off ", los valores de frecuencia se asignan automáticamente por el programa. Si el interruptor está en "on", el usuario podrá asignar los valores de frecuencia de conmutación correspondiente a los dos valores lógicos. En la figura #9 se muestra el circuito utilizado para conmutar la frecuencia de la portadora. El valor de la frecuencia se suministra al sistema por medio del potenciometro P2 para los "1" lógicos y P4 para los "0" lógicos. De esta manera el usuario puede variar los valores de la frecuencia dentro de un rango desde los 60 a 300 Hz aproximadamente. Se envía al DAC1 el valor binario que corresponda con el valor de voltaje de entrada al VCO y que, a su vez, generará la señal de reloj de una frecuencia tal que a la salida del DAC4 se tenga una onda seno de frecuencia esperada. El valor que se envía al DAC1 cambiará tantas veces como lo hagan los valores lógicos del patrón de bits de la modulante.

Algoritmo: La subrutina utilizada para la generación de modulación por conmutación de frecuencia se muestra en el diagrama # 2. La explicación del diagrama se puede resumir en: se leen los valores de amplitud de la señal modulada, valor de frecuencia de portadora y modulante. Se asigna el valor de la amplitud según los datos leídos. Posteriormente se lee el patrón digital de la modulante y se analiza cada uno de estos bits y en dependencia de su valor se asigna el valor de frecuencia correspondiente.

5.- RESULTADOS.

5.1.- Resultados para AM:

• El equipo diseñado tiene la posibilidad de generar AM con porcentajes de modulación desde 0 % hasta 135 %.

• La amplitud de la modulante se puede variar desde 100 mVolt hasta 5,4 Volt., mientras que la portadora tiene una amplitud relativa de 4 Volt.

• La frecuencia de la modulante está entre 55 Hz y 500 Hz máximo.

• La frecuencia de portadora mínima es 15 Hz y la máxima de 1666 Hz.

• La amplitud máxima de la señal modulada que se puede obtener es de 8 Vp, con un porcentaje de modulación del 100%. En el caso que se tenga sobremodulación la amplitud es de 10 Vp.

• El usuario puede variar los parámetros de la portadora y modulante como lo desee, considerando las restricciones de los valores dados anteriormente. Se tiene también modulante de forma triangular, la cual, da como resultado los mismos valores obtenidos para el caso senoidal.

5.2.- Resultados para FM:

En las gráficas mostradas, para el caso de modulación FM, se puede observar como la portadora varía su frecuencia en dependencia con la amplitud de la modulante, sin embargo, por la concepción del diseño, al variar la amplitud de la modulante se varía también la frecuencia de la portadora, como se puede observar comparando las figuras 11 y 12 de los resultados. La modulación de frecuencia se restringe a variaciones de la modulante del orden de 0.5 Volt a 6 Volt de manera que la modificación de la frecuencia de la portadora se mantenga en un rango adecuado del índice de modulación.

5.3.- Resultados para modulación digital:

• Los resultados para los casos de modulación ASK, FSK y PSK satisfacen plenamente las exigencias del proyecto para fines académicos.

• Para cada uno de los casos se obtienen simultáneamente la señal modulada y el patrón de bits de la modulante.

• La asignación del valor de la frecuencia de la portadora puede ser: que el programa la asigne automáticamente o que sea el usuario quien lo haga.

• La duración de cada bits de la modulante se fijó en 10 mseg.. Esto se hizo con la finalidad de poder observar simultáneamente los 8 bits en la pantalla del osciloscopio.

• La amplitud de la señal modulada puede ser ajustada por el usuario desde 0 Volt. hasta 11 Vp .

• Se puede generar modulación de amplitud en cuadratura (QAM) como también modulación M-aria como DPSK.

5.4.- Resultados para generador de onda senoidal y triangular.

• La amplitud de la onda se puede variar entre 300 mVolt. y 11 Volt. sin que se afecte la frecuencia de la misma.

• La frecuencia para este caso se puede variar desde 15 Hz hasta 1666 Hz, sin que se afecte la amplitud de la onda.

• La señal senoidal y triangular obtenida se ha filtrado para tratar de eliminar al máximo el ruido, sin embargo, cuando se trabaja para frecuencia bajas se observan distorsiones en la señal. Por lo tanto, se recomienda si es necesario usar el equipo para frecuencias muy bajas, filtrar nuevamente la señal senoidal para obtener una mejor conformación de la onda.

5.5.- Resultados para generador de pulsos de reloj, pulsos cuadrados y rampa.

• Aunque no se mostró en las gráficas, el equipo también tiene la capacidad de generar una señal de reloj de frecuencia variable desde aproximadamente 0 Hz hasta 100 kHz, con una amplitud de 12 Volt. Esta señal de reloj es la misma que se genera para alimentar al temporizador programable XR2240. La frecuencia de esta señal se puede ajustar por medio de P2, el cual asigna el voltaje de entrada al VCO.

• También se pueden generar otros tipos de señales como pulsos cuadrados, rampa positiva y negativa con el desarrollo de software correspondiente.

6.- GRÁFICAS.

A continuación se muestran las gráficas obtenidas para diferentes tipos de modulaciones, analógicas y digitales. También se muestran las gráficas obtenidos para el circuito funcionando como generador de onda seno y triángulo

Bibliografia.

F.G. Stremler, Introduccion a los sistemas de comunicaciones. Tercera Edicion. Addison Wesley.

G. M. Miller, Modern electronic communication. Cuarto edicion. Prentice Hall.

P. Lafrance. Fundamental concepts in communication. Primera edicion. Prentice Hall.

Linear Databook Vol. 1, 2, 3 National Semiconductor Corporation

INFORMACION ADICIONAL

DSP-310

Módem FSK de arquitectura digital para líneas
dedicadas de 2 y 4 hilos.

Descripción General El modelo DSP-310 es un módem FSK de la más
alta tecnología de equipos para transmisión de datos
en líneas dedicadas. Su arquitectura basada en un
Procesador Digital de Señal, le confiere respecto a
diseños analógicos las siguientes ventajas:

• Máxima estabilidad en las frecuencias
  de transmisión

• Margen dinámico en recepción de hasta
  60 dB

• Nivel de transmisión ajustable en un amplio
  margen

• Gran robustez ante perturbaciones y ruidos y
  frecuencias de transmisión configurables por
  software (Vd. puede adaptar el mismo equipo
  a distintos canales o normativas simplemente
  cambiando la ROM).

• El conjunto se completa con un conversor A/D
  que muestrea la señal recibida para su tratamiento y
  un conversor D/A que genera la señal analógica
  transmitida a línea.

• El D.A.A. (Acceso Digital a Línea) diseño de VAYRIS
  permite el acceso a líneas dedicadas de 2 y 4 hilos.

• Incorpora además la posibilidad de equipar dos hilos
  más con continuidad por relé para su conexión a equipos
  radio y activación del canal de transmisión.

• Las impedancias de transmisión y recepción son
  seleccionables entre 600 y 3000 Ohms lo que permite
  usar el módem tanto en entornos punto a punto como
  multipunto.

Prestaciones Módem FSK con frecuencias de portadora
configurables pudiéndose adaptar a:

• Canales radio (C2, C3, C4, C5)

• Normativas CCITT (V.21, V.23)

Velocidades de transmisión de hasta
2400 bps (dependiendo de frecuencias portadoras).

Funcionamiento sobre líneas dedicadas
(2 y 4 hilos).
Control de flujo hardware (RTS/CTS).
Retardo RTS/CTS seleccionable.
Portadora contínua y/o controlada.
Circuitos V.24 implementados:

• 103, 104, 105, 106, 107, 108 y 109.

• Facilidad de bucle 2 local para diagnósticos.

• Impedancias de transmisión y recepción
  seleccionables entre 600 y 3000 Ohms (multipunto).

• Ecualización de canal.

Posibilidad de 2 hilos adicionales con continuidad por
relé para activación de canal en equipos radio.

Arquitectura basada en DSP (TMS320C32) ofreciendo,
respecto a sistemas tradicionales, las siguientes ventajas:

• Margen dinámico en recepción de hasta
  60 dB

• Nivel de transmisión ajustable

• Gran robustez ante perturbaciones y
  ruidos en el canal

Especificaciones