Pontificia Universidad Católica de ValparaísoEscuela Ingeniería Eléctrica

Amplitude Shift Keying ASK

Nombres: Esteban Barrera Ayala Jonathan Pizarro Johnson

Matías Pizarro Montero

Valparaíso, Noviembre 16 de 2010

Introducción

A medida que pasan los años el desarrollo de las telecomunicaciones ha idoteniendo un desarrollo de gran envergadura si lo comparamos con otros áreasde la electrónica. Es por esto que las técnicas de comunicación en el mundoson tan variadas y de tan buena calidad, llegando a tener la posibilidad decomunicarse con personas del otro lado del mundo casi en tiempo real, ya seapor medio redes de Internet, por comunicación satelital ó a través de teléfonoscelulares de larga distancia con tecnología específica para estos fines.Pero las comunicaciones no se realizan así como así, en el sentido de generarun mensaje y que este llegue al receptor de manera sencilla. Para llevar a cabola comunicación existe todo un proceso electrónico para traspasar lainformación desde el emisor al receptor de la mejor calidad posible.Para esto se han desarrollado diversa técnicas a lo largo de los años, llegando,últimamente, a todo lo que es la tecnología digital y al procesamiento digital deseñales, que consiste en la transmisión y recepción de señales digitales, quetienen como ventaja la fácil transmisión de datos y la buena calidad de la señalrecibida. Es por esto que hoy en día cuando se quiere procesar información, seopta por la digitalización de estas para luego enviarlas a través de los diversosmedios existentes.En esta oportunidad se verá uno de los métodos que se utilizan para transmitirseñales moduladas. Este se conoce como ASK, que es un tipo de modulaciónpor desplazamiento de amplitud, similar al método análogo de modulación deamplitud AM. Veremos algunas aplicaciones que este tiene en lascomunicaciones y ejemplificaremos su funcionamiento general a través de unasimulación hecha con Multisim, donde se tendrá cierta señal de datos que serámodulada, transmitida, recibida, y demodulada para luego ser entregada alreceptor, pudiendo observar la calidad de esta con respecto a la original.

Modulación digital por ASK

ASK siglas de Amplitudes-Shift-Keying o modulación digital por amplitud, esuna modulación donde la señal moduladora, la que contiene información, esdigital. Los dos valores binarios se representan con dos amplitudes diferentes,una de las dos amplitudes es cero y la otra uno; es decir uno de los dígitosbinarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitudconstante, y el otro dígito se representa mediante la ausencia de la señalportadora. En este caso la señal moduladora digital se representa de lasiguiente forma

El valor de la señal portadora, la cual corresponde a una señal sinusoidalcorresponde a:

vp(t) = Vp sen(2π fp t)

Donde Vp es el valor máximo de amplitud de la señal portadora y fp es lafrecuencia de la señal portadora.

Como es una modulación corresponde a una variación de amplitud de laportadora, la señal modulada puede ser expresada como

v(t) = Vp vm(t) sen(2π fp t)

Como ya sabemos, la señal moduladora vm (t) es de tipo digital, esta tomaúnicamente los valores 0 y 1, con lo que se obtiene una señal modulada deltipo

La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera

Como vemos la señal moduladora es una secuencia periódica de pulsos, porende, su espectro de frecuencias obtenido a través del desarrollo de un análisisde Fourier tendrá una característica de función sen x/x.

Este tipo de modulación tiene similitud a la modulación de amplitud paraseñales analógicas, es decir, se produce un desplazamiento de frecuencias,que en este caso traslada todo el espectro de frecuencias que representa lasecuencia de pulsos periódicos.

Por lo tanto podemos concluir que el ancho de banda necesario para latransmisión es mayor que el requerido para modulación de amplitud, debido aque la cantidad de señales de frecuencias significativas (las del primer tramo)que contiene el espectro, dependiendo dicha cantidad de la relación entre elperíodo y el tiempo de duración de los pulsos.

La modulación ASK es muy sensible con respecto a cambios repentinos de laganancia, además es una técnica de modulación un tanto ineficaz.

En términos generales, su funcionamiento puede ser descrito como la siguientesecuencia

Se tiene una señal digital de datos codificados binariamente en unos y ceros.La señal portadora es de tipo análoga. Estas señales son pasadas a través deun multiplicador, de lo que se deduce que la portadora es multiplicada por unoo cero. La señal ASK obtenida será la portadora cuando el bit de datos es unoy será sin amplitud cuando la señal de datos sea cero.

Para la etapa de demodulación se procede de la siguiente forma

La señal ASK recibida se pasa a través de un rectificador puente completo conlo que se le elimina su parte negativa, luego se pasa a través de una red RCpara la disminución del rizado y finalmente es comparada con una señal dereferencia de nivel alto utilizando una compuerta AND. El capacitor de la redRC debe ser tal para tener un valor mínimo de amplitud de la onda que puedaser tomada como nivel alto por la compuerta, que a su salida entrega la señalde datos recuperada.

La técnica modulación ASK tiene aplicación para la transmisión de datosdigitales en fibras ópticas. En los transmisores con LED, la expresión de laseñal modulada sigue siendo válida, es decir, un elemento de señal serepresenta mediante un pulso de luz, mientras que el otro se representamediante la ausencia de luz. Los transmisores láser tienen normalmente unvalor de desplazamiento, "bias", que hace que el dispositivo emita una señal dealta intensidad para representar un elemento y una señal de menor amplitudpara representar al otro.El tipo de demodulación que se ha descrito es la de tipo asincrónica o no-coherente, y que se representa por medio del siguiente diagrama de bloques.Aunque también cabe señalar que el otro tipo de demodulación es el síncrono ocoherente, donde existe un reloj de referencia en el receptor que adapta el filtro.

Diagrama de bloques de un sistema que utiliza modulación- demodulación (no-coherente) pordesplazamiento de amplitud ASK

Simulación en Multisim

En primer lugar se dibuja el siguiente circuito en el protoboard del programa.

A partir de la imagen del circuito, la simulación se puede separar en dos partes,tal y como describims anteriormente. Primero la parte de modulación de laseñal en donde se crea la señal ASK multiplicándola con la señal portadora, yuna segunda parte de demodulación, en donde se observa un rectificador deonda completa con un filtro pasa bajos seguido de un comparador de nivel parapoder recuperar la señal binaria.Comenzamos la simulación conectando el Osciloscopio en la salida de señalde datos y la señal modulada ASK, con el fin de observar el efecto que producela multiplicación de los datos con la portadora, con el fin de modular la señalASK.

Se observa la siguiente señal:

---- Señal de datos---- Señal ASK

Se puede observar que la multiplicación de los datos binarios de tipo unipolarde la señal de datos con la portadora, muestra una señal recortada quemuestra la señal sinusoidal cuando la información tiene un valor binario “1” y nomuestra la señal sinusoidal cuando el valor binario de la señal del mensaje es“0”Ahora para observar las formas de ondas en el proceso de demodulacióncambiamos la conexión del osciloscopio que estaba en la señal a ASK y loconectamos en la salida del rectificador de onda completa y luegodesconectaremos el condensador, con el fin de observar el efecto por separadode cada componente.

-Imagen a la salida del rectificador sin condensador (sin filtro).

---- Señal de datos---- Señal a la salida del rectificador sin condensador

Se observa el recorte del ciclo negativo de la señal ASK producido por elrectificador de onda completa.

-Imagen con rectificador y condensador.( filtro )

---- Señal de datos---- Señal a la salida del rectificador y filtro pasa bajos

Se observa que el condensador funciona como filtro pasa bajos, logrando asídisminuir en parte el rizado de la señal.Ahora para poder recuperar la señal de datos original se conecta uncomparador de nivel. Este compara los niveles de la señal de salida delrectificador con una señal de referencia para obtener los valores binarios de laseñal original.

---- Señal de datos---- Señal de datos recuperada

Análisis de Fourier

Señal portadora sinusoidal: 1*sen(2*π*10[KHz]*t ) [V]

A partir del analisis de fourier y de espectro podemos observar la componentefundamental centrada en la frecuencia de la portadora.

Señal de mensaje binaria

Al ser una ser una señal cuadrada presenta un alto número de armónicos. Enla imagen superior se ratifica lo anterior.

Señal ASK

Se ve al multiplicar ambas señales, el espectro que prevalece es el de la señalportadora.

Conclusión

A lo largo de este trabajo se ha visto una de las técnicas de modular una señalpara ser, posteriormente, transmitida para que esta sea recibida, demodulada ycaptada por el destinatario. Este es el tipo de modulación ASK, que se refierebásicamente a la modulación por desplazamiento amplitud, pudiendo ver laparte teórica donde se explicó el funcionamiento básico de este sistema,incluyendo sus aplicaciones.Pudimos observar en detalle como funciona este sistema a través de unasimulación del proceso, donde se tiene cierta señal de información generada apartir de los flip-flops tipo D, para luego ser multiplicada por una portadorasenoidal, teniendo como resultado una señal modulada a cierta frecuencia de laportadora que será, como cuenta final, la señal a transmitir.La señal es modulada básicamente para poder adaptarla al canal por donde sedesea transmitir, para aprovechar mejor el ancho de banda disponible, tener laopción de enviar múltiples señales por un mismo canal. Volviendo al caso deASK, pudimos ver de buena manera, a través del simulador, el funcionamientode esta, observando cada paso que hay en el proceso tanto de modulacióncomo de demodulación, pudiendo concluir que la técnica para esto último esbásicamente la misma que se utiliza para amplitud modulada AM ó doblebanda lateral con portadora DBL (c/p) , identificando el rectificador de puentecompleto, que estará encargado de eliminar una de la envolventes, para luegopasar por un filtro que nos reducirá el rizado de la señal para posteriormentellevarla a un comparador, que es el que nos dará la señal digital (informaciónfinal) original transmitida.En todo este proceso también se llevo a cabo un análisis armónico de lasseñales involucradas, pudiendo observar las componentes armónicas de estasen dicho espectro, llegando a varias conclusiones, como por ejemplo, que laseñal resultante de la multiplicación tiene componente fundamental armónicaigual a la portadora. Además, referente al mismo análisis espectral, se pudoobservar que la señal cuadrada contiene una gran cantidad de armónicos,resultado que era esperable de acuerdo a conocimientos matemáticos que setienen con respecto a esto.Como comentario final cabe destacar que esta experiencia ha hecho aterrizarconceptos que se estudiaron teóricamente en el curso, pudiendo observar queestos se cumplen a cabalidad, por lo menos en la simulación, que es el casomas parecido a la realidad. Además como conclusión final, podemos decir quese han cumplido de buena manera los objetivos que tenía esta experiencia, loscuales eran, analizar el circuito, y reconocer las señales involucradas enconjunto con su espectro. Por lo tanto se termina de buena manera lainvestigación realizada.