TRANSMISIÓN DE DATOS MODULADOS EN ASK Y FSK POR LA RED AC

Transcripción

1 TRANSMISIÓN DE DATOS MODULADOS EN ASK Y FSK POR LA RED AC 1. OBJETIVOS Generales: Transmitir un byte de información modulado en ASK por la red eléctrica AC, recuperarlo en el otro extremo y actuar con esa información sobre una carga cualquiera. Aplicar PCM a una señal de información de audio, modular en FSK para luego transmitirla por la red AC y reproducir el audio en el receptor. Específicos: Modelar la línea de transmisión bifilar para identificar sus parámetros primarios y secundarios. Comprender el principio de modulación de datos ASK e implementar un modulador para transmitir el byte de información. Acoplar las tierras de los sistemas transmisor y receptor de baja señal con el neutro de la red eléctrica domiciliaria. Acoplar los circuitos de pequeña señal con la red eléctrica AC mediante filtros RC o mediante transformador. Recuperar la información transmitida modulada en ASK y actuar sobre una carga. Aplicar conocimientos adquiridos en los laboratorios de codificación de audio PCM, modulación y demodulación FSK. Recuperar y reproducir el audio modulado en FSK. 2. MATERIALES Parte 1: modulación ASK Osciloscopio, fuente primaria DC. Red eléctrica domiciliaria. Modulador ASK y filtros Bobinas, Amplificadores operacionales, Diodos, Transistores, Resistencias, Condensadores y transformadores Parte 2: modulación FSK Equipos: Osciloscopio digital, Fuente de alimentación DC, fuente de audio, multímetro.

2 Red eléctrica domiciliaria. Dispositivos: Parlante, 2 microcontroladores, amplificadores operacionales, transistores, resistencias, condensadores, bobinas, Diodos, Integrado XR2206, XR2211, potenciómetros, fuente de voltaje dual (12V), conectores. 3. MARCO TEÓRICO Bandas de frecuencia: Por debajo de la Banda A se encuentran todas las señales provenientes de los proveedores del servicio eléctrico, normalmente señales de 50Hz para Europa y Brazil, 60Hz para América; en la Banda A se encuentran las aplicaciones de Utilidad Eléctrica ; la Banda B fue utilizada, inicialmente en Europa, para la transmisión de señales de comunicación por sus numerosos beneficios en términos de seguridad, privacidad y ancho de banda; la Banda C es usada para aplicaciones de consumidor, ya sea en la vivienda o en la industria. Figura 1. Bandas de frecuencia usadas en la transmisión de datos por la red AC según la norma CENELEC EN Según la normatividad dictada por FCC, cualquier frecuencia, en el rango de 100KHz a 400KHz, puede ser usada para la transmisión de información modulada por la red eléctrica. Interferencias entre la señal de 60 Hz y los datos. La señal eléctrica de 60 Hz, en la red eléctrica domiciliaria, esta distorsionada en la mayoría de los casos y causa interferencia a los datos. Las causas de la distorsión armónica son la presencia de cargas no lineales en el hogar y/o la contaminación de la señal procedente del suministro eléctrico debido a la industria (Rectificadores, inversores, convertidores de frecuencia, equipos electrónicos, computadores, fuentes conmutadas, transitorios de motores y ciclo-convertidores). Sin embargo la interferencia se puede solucionar modulando los datos a frecuencias entre 100 KHz y 500KHz. Topologías. Son las configuraciones de interconexión que pueden tomar los módulos a comunicarse a través de la red eléctrica domiciliaria. Para nuestra práctica se trabajará sobre la configuración punto a punto y el modo de transmisión simplex. Transmisión a dos hilos: Línea-Tierra ó Línea-Neutro. En redes eléctricas domiciliarias en donde el conductor de tierra está presente y es accesible, se selecciona la transmisión Línea-Tierra; para este caso, las señales de comunicación son acopladas a la línea con referencia al conductor de tierra. La tierra es

3 usada como la línea de retorno de la señal de comunicación. La ventaja que ofrece este procedimiento es menor atenuación de las señales transmitidas debido a que colisionan menos con la señal de suministro eléctrico que se transmiten entre Línea-Neutro. En redes de tendido eléctrico domiciliario en donde la conexión de tierra segura no existe, se utiliza la transmisión a dos hilos: Línea-Neutro. Circuito de protección y aislamiento de tierras: Entre los módulos transmisor-red eléctrica y receptor-red eléctrica deben colocarse un fusible para proteger los módulos contra sobre corrientes y un varicap para proteger los módulos de sobre voltajes provenientes de la red eléctrica (ver figura 156). Figura 2. Circuito de protección contra corrientes y voltajes pico. Adicionalmente a la utilización de las protecciones mencionadas se puede utilizar un transformador que sirve como acople de tierras entre una etapa de potencia (filtro y red eléctrica) y la etapa de control (firmware), se considera que el acople de tierras es indispensable cuando se trabaja con elementos de alta y baja potencia como es el caso de esta aplicación; además se debe tener en cuenta que utilizando la propiedad de transformación de impedancias de los transformadores se puede llevar un manejo adecuado de las impedancias para garantizar el éxito del acople. Vp Vs Np Is Np 2 = = a = = a Zp = a Zs Ns Ip Ns Para diseñar un transformador es necesario tener en cuenta factores como: tensión primaria, tensión secundaria, potencia, frecuencia de trabajo o para este caso ancho de banda, tipo de onda, temperatura de trabajo, tipo de carga, calibre del conductor (mirar

4 tabla AWG), densidad de corriente, máxima densidad de flujo magnético que soporta el núcleo (Bsat), factor de acoplamiento, características físicas del núcleo (tipo E, toroidal, etc.), dimensiones del núcleo. Para está aplicación es bueno trabajar con núcleo de ferrita con μ superior o igual a 800, ya que tiene un Q alto entre 1KHz y 1MHz, atenúan señales entre 2MHz a 400MHz, sin embargo esto no es suficiente, es necesario escoger el tipo especifico de núcleo dependiendo de la Frecuencia que se trabaje en ASK o las Frecuencia de Marca (F M ) y Frecuencia de Espacio (F S ) con las cuales se trabaje en FSK; se sugiere trabajar entre el 60% y 70% del valor máximo de densidad de flujo magnético que soporta el núcleo, para no incurrir en la saturación del mismo. La relación de vueltas Np = a a utilizar en el diseño es importante que sea mucho Ns mayor que la unidad, lo cual nos permite tener una impedancia mayor reflejada en primario y una impedancia baja reflejada en secundario que es lo que buscamos de cara a la red eléctrica; se deben tener en cuenta todos los factores mencionados anteriormente y utilizar las hojas de datos dadas por el fabricante de los núcleos para lograr un buen diseño. También se puede hacer un modelo eléctrico del transformador diseñado por medio de pruebas de laboratorio convencionales encontradas en los libros de electrotecnia o libros especializados en el tema. Esto nos ayuda a lograr una identificación y manejo pleno de las impedancias y por supuesto del filtro de acople. El acople magnético va ubicado entre el acondicionamiento de la señal y el filtro, se muestra en la siguiente figura: 4. PROCEDIMIENTO PARTE 1. MODULACION ASK a) Los datos de entrada al sistema se selecciona desde un dip swicht; el microcontrolador codifica y coloca a la salida una palabra serial. El byte de transmisión procede del microcontrolador a una frecuencia < 1 KHz e ingresa al siguiente circuito modulador ASK.

5 Figura 3. Modulador ASK b) Se transmitirá unidireccionalmente, modo simplex; el bloque de alimentación polariza los circuitos que así lo requieran; el bloque de protección evita la destrucción de los módulos transmisor por señales de sobre tensión ó sobre corriente; el filtro elimina la señal de 60 Hz que proceda de la red eléctrica y permite la inyección de la señal de datos modulada hacia dicha red; los circuitos de acondicionamiento amplifican los niveles de señal que arriban y adecua los datos modulados de salida. Figura 4. Modelo de bloques del acople. c) Para acoplar el módulo transmisor con la red eléctrica domiciliaria se requiere un filtro pasa altas pasivo con el fin de atenuar la señal de 60 Hz. y dejar pasar la señal de datos modulada (ver figura 133).

6 Figura 5. Filtro pasa altas pasivo con dos señales de entrada. La reactancia capacitiva que opone el condensador a una señal de corriente alterna se calcula así: 1 Xc = 2πf C Con una resistencia de carga baja se puede simular en Spice la repuesta del filtro para las señales eléctrica de 60Hz y de datos modulada. d) Conocido el nivel de voltaje de la señal de salida se puede encontrar la atenuación del filtro con la siguiente fórmula. Vout A = 20Log Vin El comportamiento en frecuencia del filtro se puede examinar en la gráfica de su función de transferencia. V0 τ s = Vi τ s + 1 τ = R * C s e) Circuito de acondicionamiento de la señal de datos modulada-recuperada: Se utiliza un amplificador lineal con transistor para regenerar la señal de datos modulada que fue transmitida por la red eléctrica domiciliaria (ver figura 135).

7 Figura 6. Acople directo entre doble filtro pasa altas con amplificador lineal. Sobre R 4 se debe observar la señal de 60 Hz completamente atenuada y la señal de datos modulada. Es importante que a la salida del doble filtro no haya vestigios de la señal de 60 Hz. porque de otra forma el circuito que acondiciona la señal de datos modulada también amplifica la señal de la red eléctrica, complicándose la recuperación de los datos. f) Diseño del Amplificador lineal: es un amplificador transistorizado con configuración emisor común y está polarizado por divisor de voltaje. Según el nivel de voltaje de la señal de datos modulada se diseña para que tenga una ganancia determinada; se escogió la configuración emisor-común por su estabilidad. A v Rc Re Para lograr máxima excursión de la señal de salida, no distorsionada, es necesario diseñar el amplificador con el punto de trabajo punto Q en la mitad de la línea de carga. g) Demodulación de la señal de información. Diseño del filtro pasa bajas: conocida la frecuencia de los datos, se asume el valor del condensador y se diseña la resistencia. f c = 1 1 ; R = 2πRC 2πf C c Los datos recuperados atenuados y distorsionados se pueden regenerar a través de un conmutador con transistor trabajando en corte y saturación (ver figura 136).

8 Figura 7. Circuito demodulador de ASK. PARTE 2. MODULACION FSK a) Como se menciono anteriormente en esta práctica se desea utilizar laboratorios anteriormente realizados para compactarlos en una buena y completa aplicación. Por esta razón empezamos con el laboratorio de codificación de audio PCM convencional donde cambiaremos la línea de transmisión de un par de cobre de 5m por la red eléctrica domiciliaria (ver figura 150, diagrama de conexión PCM ), el amplificador de corriente no es indispensable en este caso ya que la información de salida del microcontrolador entra directamente al modulador FSK. b) También se utilizará el laboratorio de modulación y demodulación FSK utilizando los módulos XR2206, XR2211, (ver figura 172) para este laboratorio se omite la fuente de ruido, la línea de transmisión es la red eléctrica domiciliaria y la información del microcontrolador es la entregada por el circuito de codificación de audio PCM. c) Al igual que en la parte 1 se transmitirá en una dirección, modo simplex, y los bloques descritos son iguales. d) Para el diseño de los filtros es importante tener en cuenta el ancho de banda necesario para trabajar adecuadamente con las Frecuencia de Marca (F M ) y Frecuencia de Espacio (F S ). 5. DIAGRAMA DE BLOQUES PARTE 1. MODULACION ASK

9 Figura 8. Circuito esquematico de la transmisión de datos por la red AC. PARTE 2. MODULACION FSK 6. COMPARACIÓN, ANÁLISIS Y CONCLUSIONES Observe la señal de entrada al circuito y la salida, señale las diferencias, justifíquelas y concluya. Identifique las diferencias más representativas en cada una de las modulaciones utilizadas, ventajas y desventajas que tienen en un medio de transmisión como la red eléctrica domiciliaria. 7. CUESTIONARIO En qué se basa la modulación ASK? Cuáles son los mayores problemas que se presentan en la modulación ASK y como se pueden solucionar? (Justifique su respuesta). De qué otra forma se conoce la modulación ASK y porque? Qué es demodulación coherente e incoherente? (Enumere 3 diferencias). Cuáles son los principales inconvenientes al utilizar un medio de transmisión como la red eléctrica? Existe otro medio similar? Cuál es la impedancia de la red eléctrica? Se puede modelar eléctricamente? En la práctica cual fue la principal fuente de ruido? Qué le sucedió a los datos en estas circunstancias?

10 La red eléctrica es un buen medio de transmisión? Por qué no se usa en Colombia masivamente? 8. ENTREGABLES Se debe entregar un informe en la bitácora, en el cual se incluya el desarrollo del procedimiento de ésta guía, el cuestionario resuelto, la comparación, análisis y las conclusiones de las mediciones realizadas en el laboratorio tanto de modulación ASK y FSK. 9. HORAS DE TRABAJO 4 horas 10 horas BIBLIOGRAFÍA COUCH León, Digital and Analog Communication System, Editorial Maswell MacMillan. SHANMUGAN Sam, Digital and Analog Communication, Editorial Wiley and Sons.