Fig. 2.2 Esquema del modulo transmisor Receptor GPS: Es la parte encargada de recibir la información proveniente de los satélites de posicionamiento global y procesar los datos de tal forma que sean accesibles a un microcontrolador.
Microcontrolador: Es la unidad de control y procesamiento del sistema. Recibe e interpreta las tramas de datos generadas por el GPS para transmitir únicamente la información necesaria, ajusta los parámetros del transmisor de VHF y envía los datos al transmisor para luego modular la señal portadora.
Transmisor VHF: Genera la señal portadora de RF, la modula y luego la amplifica para lograr un buen alcance.
Sistema de monitoreo
Fig. 2.3 Esquema del sistema de monitoreo Receptor VHF: Incluye un amplificador de bajo ruido y un sistema heterodino de doble conversión. Recibe las señales enviadas desde los módulos transmisores y demodula los datos para que sean interpretados por el microcontrolador.
Microcontrolador: Ajusta el sintetizador del receptor para sintonizar la frecuencia correcta. Recibe la información demodulada, verifica que los datos recibidos son validos y luego envia la información a una computadora personal. En caso de utilizar un software de PC específicamente diseñado para ser conectado a un GPS es capaz de reconstruir tramas para emular un GPS.
PC: Computadora personal equipada de un software especial para mostrar toda la información necesaria y registrar los vuelos.
CAPITULO III
Visto la importancia que tiene el receptor GPS en el radar virtual, es necesario desarrollar una introducción al principio de funcionamiento del sistema de posicionamiento global.
¿Qué es el sistema de posicionamiento global (GPS)?
Es un conjunto de satélites que envían información codificada para identificar ubicaciones precisas sobre la tierra midiendo la distancia desde los satélites.
Los satélites envían una señal de baja potencia permitiendo a cualquier persona determinar su ubicación mediante un receptor GPS.
El GPS fue diseñado originalmente para aplicaciones militares por el departamento de defensa de Estados Unidos, pero en 1980 se permitió el uso del sistema para aplicaciones civiles y en la actualidad son incontables las aplicaciones que tiene.
Las partes que componen el GPS El sistema GPS consta de 3 segmentos: el segmento espacial (los satélites), el segmento de control y el segmento de usuario (los receptores).
Segmento espacial Es una red de 24 satélites, situados en una órbita a unos 20.200 km. de la Tierra, dispuesto de tal forma que en cualquier punto del planeta se pueda recibir la señal de al menos 4 de ellos.
El primer satélite GPS fue puesto en orbita en el año 1978 y en 1994 se completo la constelación. Año a año se envían nuevos satélites para reemplazar a los defectuosos.
La satélites envían varias señales en distintas frecuencias. Los receptores Civiles operan con la señal L1 situada en la frecuencia 1575.42 MHz. Estas señales son capaces de atravesar nubes, vidrio y plástico.
La señal L1 contiene 2 códigos pseudo aleatorios. Cada satélite transmite un código único, permitiendo al receptor identificar de qué satélite proviene la señal.
La función principal de estas señales es la de calcular el tiempo de viaje desde el satélite hasta el receptor y así poder calcular la distancia entre ellos. También se envía la información orbital de los satélites, información sobre el reloj, estado general del sistema y modelos de retardo ionosféricos. Las señales satelitales son sincronizadas mediante relojes atómicos de alta precisión.
Fig. 3.1 Red de Satélites NAVSTAR Segmento de control Controla los satélites proveyendo información actualizada de orbitas y de tiempo que luego es utilizada para actualizar los datos que envian los satélites y si es necesario ajustar sus orbitas. El sistema cuenta con 5 estaciones de control, de las cuales solo una de ella es capaz de enviar información a los satélites. Las cuatro restantes reciben información de los satélites para medir los errores y calcular las correcciones.
Segmento de usuario Consiste de cualquier persona que posee un receptor GPS que esta interesado en conocer su posición.
Principio de funcionamiento Para que un receptor de GPS funcione debe determinar dos cosas: donde se encuentran los satélites en el espacio y a que distancia se encuentra de cada uno de ellos.
El receptor de GPS recibe dos tipos de información de los satélites. Uno de los datos que envían los satélites es el almanaque con la posición aproximada de los satélites. Esta información es transmitida constantemente y es guardada por los receptores. De esta forma los receptores conocen las orbitas de los satélites y su posición en el momento actual. La información de almanaque es actualizada con información nueva a medida que los satélites se desplazan en el espacio. Los satélites se pueden desviar levemente de sus orbitas. El segmento de control realiza un seguimiento de los satélites para detectar estos desvíos y envía la información exacta respecto a su posición en el espacio. Esta información es reenviada a los receptores, es llama "efemérides" y es valida por 5 horas aproximadamente.
Al obtener toda la información de almanaque y de de, el receptor esta en condición de conocer la ubicación exacta de los satélites en cualquier momento.
Para poder completar la medición, el receptor tiene que determinar a que distancia se encuentra de cada satélite en vista.
Esta medición se realiza "cronometrando" el tiempo que tarda en llegar la información enviada desde cada satélite; y sabiendo la velocidad a la que se propaga la señal (la velocidad de la luz) puede calcular la distancia que separa el receptor de GPS de cada satélite..
El tiempo de viaje de la señal se mide aprovechando la información codificada enviada por el satélite. Este código es llamado seudo aleatorio ya que tiene características similares al ruido.
Cuando un satélite genera el código, el receptor genera exactamente el mismo código y trata de ponerlos en fase. El tiempo que tiene que atrasar el receptor su código para lograr ponerlo en fase con el código recibido del satélite multiplicado por la velocidad de propagación da por resultado la distancia al satélite.
El reloj interno del receptor no es tan preciso como los relojes atómicos con los que están equipados los satélites. Por lo tanto este debe ser corregido antes de realizar cada medición. Para realizar esta corrección es necesaria, como mínimo, la información de 4 satélites. Mientras el reloj este atrasado o adelanto, el receptor ubicará su posición en una área. A medida que se ajusta el reloj, esta área se hace mas pequeña, hasta que las distancias medida desde los satélites en vista confluyan en un único punto Para comprender mejor este concepto se analizará un ejemplo en dos dimensiones ya que solo se necesitan 3 emisores para determinar la posición en un plano Si el reloj del receptor se encuentra atrasado respecto a los relojes de los satélites, se produce la situación ilustrada en la fig. 3.2.
Fig. 3.2 Corrección del error de reloj Como se puede ver, los círculos cuyos radios están calculados con la señal de error no confluyen en un punto. El receptor ajustará su reloj para tratar de que los 3 radios confluyan en el mismo punto. Aunque esto nunca será del todo posible ya que siempre habrán otras fuentes de error, ubicando la posición en una zona de incertidumbre.
Fuentes de error Los errores en las mediciones se deben a los siguientes factores:
• Variación del tiempo de propagación en la ionosfera y en la troposfera. La velocidad de propagación es menor en estas capas de la atmósfera. Para corregir este error el sistema cuenta con modelos que promedian el error pero no lo erradican completamente.
• Rebote de la señal. Si la señal es reflejada por algun objeto antes de llegar al receptor, su tiempo de viaje es mayor causando un error.
• Error de reloj. Ya que los receptores no llevan relojes atómicos, el reloj interno puede tener pequeños errores.
• Errores orbitales. Se producen cuando los satélites no se encuentran exactamente es su orbita y su información de efemeris no esta actualizada.
• Cantidad de satélites visibles. La precisión mejora en funcion de la cantidad de satélites que recibe el receptor. Edificios, montañas, interferencias o bosques tupidos pueden bloquear la señal de algunos satélites, aumentando el error o incluso anulando totalmente la posición.
• Posición relativa de los satélites. Si los satélites se encuentran alineados o muy cerca uno de otro la señal que se recibe de cada satélite es muy similar y se podrían interpretar como si fuese un solo satélite. La posición ideal es cuando se encuentran muy separados.
• Degradación intencional de la señal. El departamento de defensa de Estados Unidos puede degradar intencionalmente la señal de los satélites para que posibles enemigos no puedan contar con una información precisa. Esta degradación se llama Disponibilidad Selectiva (Selective Availability). Esta fuente de error fue deshabilita en el año 2000, pero puede volverse a habilitar cuando el Departamento de Defensa de EUA lo disponga. Sin la disponibilidad selectiva se pueden esperar errores de 6 a 12 metros.
Elección del Modulo En la actualidad existe una gran variedad de equipos receptores de GPS, con las más variadas utilidades. Para el radar virtual es necesario un modelo capaz de entregar los datos por medio de una interfaz digital serie. Como los datos son procesados por un microcontrolador y luego enviados, para finalmente ser proyectados en una computadora conectada al receptor del sistema, no es necesario un receptor con pantalla.
Teniendo en cuenta estas especificaciones se eligió un modulo OEM, es decir una placa diseñada para ser integrada en un sistema, fabricado por la firma Garmin. El receptor GPS25LP es capaz de recibir la señal de hasta 12 satélites, tiene una memoria integrada para conservar los datos de efemérides y de almanaque. El error en la posición es menor de 100 metros, lo que es suficiente para esta aplicación. Los datos se pueden obtener de manera serial y son codificados según el protocolo NMEA 0183 versión 2.0.
Protocolo NMEA 0183 La interfaz de datos del modulo GPS25LP esta basada en las especificaciones de la NMEA (Nacional Marine Electronics Association). Esta organización se encarga de definir estándares de conexiones eléctricas y protocolos de comunicación de datos entre instrumentos marinos.
Este estándar acepta un solo equipo transmisor y varios receptores. Se recomienda una salida de datos diferencial que cumpla el estándar EIA- 422, aunque el modulo elegido tiene una salida TTL.
En el estándar NMEA 0183 todos los caracteres son imprimibles (texto ASCII y los caracteres de retorno de carro y alimentación de línea). La información es transmitida a 4800 baudios sin bit de paridad y con 1 bit de parada.
Los datos son enviados bajo la forma de sentencias. Cada sentencia comienza con el carácter "$" y es seguida por 2 caracteres que identifican el transmisor y 3 caracteres que definen la sentencia, a este encabezado se siguen los campos de datos separados por comas y es cerrada por un cheksum. Una sentencia puede contener un máximo de 82 caracteres. Sin un campo de datos no esta disponible, simplemente se lo omite pero se envían las comas que lo delimitan sin espacios intermedios. Ya que los campos no tienen un largo fijo, la forma correcta de recuperar un dato es contando las comas en vez de buscar la posición especifica del carácter en la sentencia. De manera opcional se puede agregar un campo de checksum que representa la función XOR entre los caracteres de la sentencia.
El estándar permite que los fabricantes agreguen sentencias propietarias específicas para sus dispositivos Para la aplicación del radar virtual, todos los datos necesarios están contenidos en 2 sentencias:
Sentencia Global Positioning System Fix Data (GGA) Esta sentencia esta compuesta de la siguiente manera:
$GPGGA,< 1>,< 2>,< 3>,< 4>,< 5>,< 6>,< 7>,< 8>,< 9>,M,< 10>,< 11>,< 12>*hh < 1> Hora UTC en formato hhmmss.
< 2> Latitud en formato ddmm.mmmm.
< 3> Hemisferio, N o S.
< 4> Longitud en formato dddmm.mmmm < 5> Hemisferio E o W.
< 6> Calidad de las indicaciones GPS.
< 7> Cantidad de satélites en uso.
< 8> Disminución de la precisión horizontal.
< 9> Altura de la antena respecto el nivel del mar.
< 10> Altura respecto del geoide.
< 11> Información para GPS diferencial.
< 12> Referencia de la estación de GPS diferencial Como se puede ver, de esta sentencia se puede obtener la posición (Latitud y Longitud) y la altura.
Sentencia Recommended minimum Specific GPS/TRANSIT DATA (RMC) $GPRMC,< 1>,< 2>,< 3>,< 4>,< 5>,< 6>,< 7>,< 8>,< 9>,< 10>,< 11>,< 12>*hh < 1> Hora UTC en formato hhmmss.
< 2> Estatus, A = posición valida, V = precaución posición invalida < 3> Latitud en formato ddmm.mmmm.
< 4> Hemisferio, N o S.
< 5> Longitud en formato dddmm.mmmm < 6> Hemisferio E o W.
< 7> Velocidad respecto del suelo en nudos.
< 8> Rumbo respecto del suelo en grados.
< 9> Fecha UTC.
< 10> Variación magnética.
< 11> Dirección de la variación magnética.
< 12> Modo de funcionamiento, A = autónomo, D = diferencial, E = estimado, N = datos no válidos.
Con esta sentencia se obtiene la información de velocidad y rumbo para completar todos los datos necesarios para el radar virtual.
El GPS también envía sentencia con información sobre los satélites que tiene en vista e información sobre el funcionamiento del modulo.
CAPITULO IV
Introducción En esencia las telecomunicaciones electrónicas son la transmisión, recepción y procesamiento de información utilizando circuitos electrónicos. La información puede ser en forma analógica (proporcional o continua), tal como la voz, una imagen de video o música, o en forma digital, es decir que la información esta codificada en números representados en forma binaria con valores discretos.
Para poder propagar cualquier tipo de información por un sistema de comunicación electrónico, primero se la debe convertir en energía electromagnética.
Fig. 4.1 Diagrama simplificado de un sistema de comunicación.
Como se muestra en la figura 4.1, un sistema de comunicación consiste de tres secciones primarias: Un transmisor, un receptor y un medio de transmisión. El transmisor convierte la información original de la fuente a una forma más adecuada para la transmisión, el medio de transmisión proporciona la conexión entre el transmisor y el receptor (tal como un conductor metálico, una fibra óptica o el espacio libre), y el receptor convierte la información recibida a su forma original y la transfiere a su destino.
El espacio libre como medio de transmisión A mediados del siglo XIX el científico ingles James Maxwell demostró que la electricidad y la luz viajan en forma de ondas electromagnéticas. Maxwell predijo que era posible propagar ondas electromagnéticas por el espacio libre. Sin embargo, la propagación de ondas no fue lograda hasta 1888 cuando Heinrich Hertz, un científico alemán, pudo radiar energía electromagnética desde un aparato llamado oscilador. Hertz desarrolló el primer transmisor de radio y pudo generar frecuencias entre 30 MHz y 1.25 GHz. También desarrolló las primeras antenas. En 1982, en Francia, se desarrollo el primer detector de ondas electromagnéticas y en 1894, Guglieno Marconi logró las primeras comunicaciones electrónicas inalámbricas.
La invención del tubo de vacío de tríodo permitió la primera amplificación práctica de las señales electromagnéticas.
Modulación y demodulación Las señales que contienen la información por lo general son de baja frecuencia lo que las convierte muy poco prácticas para radiarlas por la atmósfera. Por lo tanto es necesario superponer la señal de información de baja frecuencia a una señal de alta frecuencia para la transmisión. Este proceso se llama modulación y se logra variando alguno de los parámetros de la señal de alta frecuencia, llamada portadora en función de la señal de información, llamada señal de modulación y la señal resultante se llama onda modulada.
Recíprocamente, la demodulación, es el proceso de convertir los cambios en la portadora analógica a la información original de la fuente.
La ecuación 4.1 es la expresión general para una onda senoidal de voltaje variante con el tiempo, tal como lo es una portadora de radio. Tres propiedades de una onda senoidal pueden ser variadas: la amplitud (V), la frecuencia (f) y la fase (F), o cualquier combinación de estas propiedades. Si la amplitud de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la amplitud modulada (AM). Si la frecuencia es variada proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la frecuencia modulada (FM) y si se varía la fase de manera proporcional a la información se obtiene fase modulada (PM)
V (t ) = V · sen(2 · p · f + f ) ………………………………………………………(4.1)
V (t ) : Onda de voltaje que varía senoidalmente en el tiempo.
V : Máxima amplitud de la onda en volts f : Frecuencia en Hz f : Fase en radianes.
Hay dos razones importantes por las que es necesario modular la información. La primera es el hecho que es extremadamente difícil irradiar señales a frecuencias bajas en forma de energía electromagnética. Segundo las señales de información frecuentemente ocupan la misma banda de frecuencia y, si son transmitidas en su forma original, interferirán entre si. Al modular las señales sobre distintas portadoras se evita la interferencia entre ellas.
Mas adelante se ahondará sobre las técnicas de modulación para información digital.
El espectro electromagnético La energía electromagnética está distribuida a través de un rango de frecuencias casi infinito. El espectro total está dividido en subsectores o bandas. Cada banda con sus características particulares.
Fig. 4.2 Espectro electromagnético.
Del espectro electromagnético solo una pequeña porción puede ser utilizada para sistemas de comunicación. Esta porción es denominada Espectro radio eléctrico. Y su rango de frecuencias empieza en 10 KHz y se extiende hasta los 300 GHz y el uso de las frecuencias comprendidas en este rango está reglamentado por un ente regulador. En argentina es la Comisión Nacional de Comunicaciones (CNC) y en Estados unidos es la Federal Comunications comision (FCC).
A su vez el espectro radio eléctrico esta subdividido en las siguientes bandas:
• 3 – 30 KHz. VLF (frecuencias muy bajas)
• 30 – 300 KHz LF (frecuencias bajas)
• 0.3 – 3 MHz MF (frecuencias medias)
• 3 – 30 MHz HF (frecuencias altas)
• 30 – 300 MHz VHF (frecuencias muy altas)
• 0.3 – 3 GHz UHF (frecuencias ultra altas)
• 3 – 30 GHz SHF (frecuencias súper altas)
• 30 – 300 GHz EHF (frecuencias extremadamente altas)
Elección de la frecuencia Para el transmisor del Radar virtual se optó por la banda de VHF ya que es relativamente sencillo realizar circuitos en este rango de frecuencias. Para la elección de la frecuencia exacta se recurrió a la asignación de frecuencias de la CNC y se eligió la frecuencia 143.850 MHz que esta destinada a las actividades de vuelo libre según lo indica la resolución 11783 SC/99 de la Comisión Nacional de Comunicaciones.
Modos de transmisión Los sistemas de comunicaciones electrónicas pueden diseñarse para manejar la transmisión solamente en una dirección, en ambas direcciones pero solo uno a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo. Tres modos de transmisión son posibles:
• Simplex. Las transmisiones pueden ocurrir sólo en una dirección.
Una ubicación puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos. Un ejemplo de la transmisión simplex es la radiodifusión de la radio comercial, la estación de radio siempre transmite y el usuario siempre recibe.
• Half-Duplex. Las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo. Una ubicación puede ser transmisor y un receptor, pero no los dos al mismo tiempo. Un ejemplo son los sistemas de radios de banda civil o de banda policíaca. Por lo general se utiliza la misma frecuencia para recibir y para trasmitir.
• Full Duplex. Las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones simultáneamente. Los sistemas de telefonía celular. Son un ejemplo de este modo. Se suelen usar frecuencias distintas para cada dirección.
Para el sistema de Radar Virtual se eligió implementar un sistema de transmisión Simplex, ya que únicamente es necesario enviar información desde los planeadores hasta la base.
CAPITULO V
Para sistemas de comunicación digital que emplean canales pasa banda, es conveniente modular una señal portadora con la corriente de datos digitales antes de la transmisión. Tres formas de modulación digital que corresponden a AM, FM y PM, se conocen como conmutación de amplitud (ASK), conmutación de frecuencia (FSK) y conmutación de fase (PSK). Cada método tiene sus ventajas en la probabilidad de error y la eficiencia del ancho de banda.
Conmutación de amplitud (ASK)
En la conmutación de amplitud, la amplitud de una señal portadora de alta frecuencia se conmuta entre dos o más valores en respuesta a la información digital. Para el caso binario, la elección habitual es la conmutación encendido-apagado. La señal modulada en amplitud resultante consta de pulsos de RF, llamados marcas, que representan unos binarios, y espacios que representan ceros binarios. Como en AM, el ancho de banda en banda base se duplica en ASK. La expresión general para una señal ASK binaria es:
v(t ) = VC ·vm (t)·sen( f C ·2·p ·t )
Donde:
v(t ) : Forma de onda ASK binaria.
VC : Amplitud pico de la portadora no modulada.
f C : Frecuencia de la portadora en Hz.
vm (t) : Señal modulante digital binaria cuyo valor varía entre 0 y 1.
Fig. 5.1 Modulación ASK La densidad espectral de potencia de la ASK se centra en ?c y tiene una forma idéntica a la señal encendido apagado en banda base correspondiente. Al tener transiciones muy abruptas en los cambios de símbolo, el ancho de banda aumenta bastante, alejándose muchísimo de la eficiencia teórica de 1 bps/Hz. Pasando la señal de modulación por un filtro pasabajo, o la señal modulada por un filtro pasabanda se puede disminuir significativamente el ancho de banda sin un aumento importante de la tasa de error. Un valor típico de ancho de banda para estos sistemas es de dos a tres veces el ancho de banda de la eficiencia teórica óptima de 1 bps/Hz.
Una de las desventajas de la modulación ASK frente a la modulación FSK o PSK, es que al no tener una amplitud constante se complica su procesamiento (Por ejemplo la amplificación de potencia). En estos sistemas la linealidad de los amplificadores juega un papel importante. En contra parte su detección resulta sencilla ya que simplemente se necesita de un detector de envolvente Conmutación de frecuencia (FSK)
El FSK binario es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua. La expresión general para una señal FSK binaria es:
Donde:
v(t ) : Forma de onda FSK binaria.
VC : Amplitud pico de la portadora no modulada.
f C : Frecuencia de la portadora en Hz.
vm (t) : Señal modulante digital binaria.
De la ecuación puede verse que con el FSK binario, la amplitud de la portadora Vc se mantiene constante con la modulación. Sin embargo la frecuencia de la portadora fc cambia por una cantidad igual a +/- Vm/2. El cambio de frecuencia es proporcional a la amplitud y a la polaridad de la señal de entrada binaria. Con el FSK binario, hay un cambio en la frecuencia de salida, cada vez que la condición lógica de la señal de entrada binaria cambia.
Fig. 5.2 Modulación FSK El más rápido cambio de entrada ocurre, cuando la entrada binaria es una onda cuadrada. En consecuencia, si se considera sólo la frecuencia fundamental de entrada, la frecuencia modulante más alta es igual a la mitad de la razón de bit de entrada.
Si se utiliza un oscilador controlado por tensión (VCO) para generar una portadora modulada en FSK, se selecciona la frecuencia de reposo del oscilador de tal manera que caiga entre las frecuencias de marca y espacio. Una condición de 1 lógico, en la entrada, cambia el VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de marca y un 0 lógico cambia el VCO de su frecuencia de reposo a la frecuencia de espacio.
El índice de modulación en FSK es:
(5.1)
MI : Indice de modulación f : Desviación de frecuencia (Hz)
f a : Frecuencia modulante (Hz)
En el peor de los casos, o el ancho de banda más amplio, ocurre cuando tanto la desviación de frecuencia y la frecuencia modulante estan en sus valores máximos. En un modulador de FSK binario, f es la desviación de frecuencia pico de la portadora y es igual a la diferencia entre la frecuencia de reposo y la frecuencia de marca o espacio. La desviación de frecuencia es constante y, siempre, en su valor máximo. fa es igual a la frecuencia fundamental de entrada binaria que bajo la condición del peor caso es igual a la mitad de la razón de bit (fb). En consecuencia para el FSK binario,
f b : Razón de bit de entrada Fb/2: Frecuencia fundamental de la señal de entrada binaria.
En un FSK binario el índice de modulación, por lo general, se mantiene bajo 1.0, produciendo así un espectro de salida de FM de banda relativamente angosta. Debido a que el FSK binario es una forma de modulación en frecuencia de banda angosta, el mínimo ancho de banda depende del índice de modulación. Para un índice de modulación entre 0.5 y 1, se generan dos o tres conjuntos de frecuencias laterales significativas. Por tanto el mínimo ancho de banda es dos o tres veces la razón de bit de entrada.
Transmisión por desplazamiento mínimo de FSK La transmisión de desplazamiento mínimo de FSK (MSK), es una forma de transmitir desplazando la frecuencia manteniendo la fase continua (CPFSK). En esencia, el MSK es un FSK binario, excepto que las frecuencias de marca y espacio están sincronizadas con la razón de bits de entrada binaria. Con MSK, las frecuencias de marca y espacio están seleccionadas, de tal forma que están separadas de la frecuencia central, por exactamente, un múltiplo impar de la mitad de la razón de bit [fm y fs = n(fb / 2), con n = entero impar]. Esto asegura que haya una transición de fase fluida, en la señal de salida analógica, cuando cambia de una frecuencia de marca a una frecuencia de espacio, o viceversa.
Conmutación de fase (PSK)
Al igual que el FSK, la modulación PSK también es una modulación angular de amplitud constante. El caso más sencillo de la modulación por conmutación de fase es el binario, es decir que se representan únicamente 2 símbolos, el cero y el uno. Otras opciones muy utilizadas de PSK son la modulación de cuatro fases y de ocho fases.
Con la transmisión por desplazamiento de fase binaria (BPSK), son posibles dos fases de salida para una sola frecuencia de portadora. Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre 2 ángulos que están 180º fuera de fase.
Fig. 5.3 Modulación PSK Comparación entre sistemas de modulación digital binaria Los transmisores para sistemas ASK son fáciles de construir y tienen la ventaja de que no existe potencia transmitida cuando no se envían datos. Dichos sistemas encuentran algunas aplicaciones en sistemas de telemetría en miniatura de corto alcance. Los receptores para sistemas ASK no coherentes son fáciles de construir. La diferencia de desempeño entre la detección coherente y la no coherente es pequeña comparada con el aumento en la complejidad necesaria, por lo que en general no se utiliza detección coherente. Una desventaja de la ASK es que el umbral de decisión en el receptor se debe ajustar a los cambios en los niveles de la señal recibida. En general, estos ajustes se llevan a cabo con un control automático de ganancia.
Los sistemas FSK, a diferencia de los ASK, operan en forma simétrica con respecto a un nivel de decisión cero, prescindiendo de la magnitud de la señal portadora. Además de un posible aumento en la estabilidad necesaria de la frecuencia, hay muy poca diferencia entre la complejidad de los transmisores FSK y PSK con respecto a los ASK. La complejidad del receptor depende principalmente de si se usa un método de modulación coherente o no coherente. La FSK no coherente es relativamente fácil de implementar y es una elección frecuente para tasas de transmisión de datos bajas y medias. Las transmisiones FSK concebidas para demodulación no coherente requieren más ancho de banda para una tasa de bits dada que las ASK o PSK. El ancho de banda de las transmisiones FSK concebidas para demodulación coherente se puede hacer tan pequeño como se desee controlando la diferencia de frecuencia entre la marca y el espacio, aunque cuando las frecuencias son muy cercanas es necesaria una mejor relación de señal ruido. Los anchos que se suelen utilizar para la demodulación coherente de FSK suele ser igual o un poco mayor que los requeridos para ASK o PSK.
Los sistemas PSK son superiores tanto a los sistemas ASK como a los FSK ya que requieren menor potencia transmitida para una probabilidad de error dada. Sin embargo, se requiere detección síncrona, y los sistemas de recuperación de portadoras son mas difíciles (y por tanto) mas caros de construir.
Ninguno de los métodos de modulación digital descritos es particularmente eficiente en términos de ancho de banda utilizado. Combinando algunas de las características del ASK, FSK y PSK se pueden construir sistemas mas eficientes como por ejemplo el QAM que modula la portadora tanto en fase como en amplitud.
Elección del tipo de modulación A la hora de elegir el tipo de modulación para el sistema de Radar virtual se analizaron los compromisos entre el desempeño, el ancho de banda, el costo, y la complejidad del transmisor y del receptor. La modulación ASK fue descartada ya que los amplificadores lineales (clase A) necesarios son menos eficientes que los amplificadores que se pueden utilizar en modulaciones como FSK o PSK (clase D o clase S).
Ya que el ancho de banda y la velocidad de transmisión no resultaron temas críticos se opto por un sistema con modulación FSK no coherente. Se descartaron las opciones de modulación PSK o FSK coherente debido a la complejidad de los sistemas necesarios para su implementación y correcto funcionamiento.
CAPITULO VI
Introducción En el capítulo II se vio que el sistema de radar virtual se compone de 2 partes básicas, un receptor para recibir las señales de los planeadores y transmisores que envían la información necesaria. En los capítulos siguientes se analizaron los sistemas de comunicación de datos, las técnicas de modulación y los receptores GPS.
En este capítulo se analizará como implementar un transmisor para el radar virtual. El transmisor deberá ser capaz de enviar información digital a una tasa de transferencia de 1200 bits por segundo con potencia suficiente para cubrir una distancia de 70 kilómetros. Deberá operar en la banda de VHF. La modulación será FSK de fase continua. El consumo del transmisor deberá ser suficientemente bajo para poder operar con una batería de 12 voltios – 7 Ah durante al menos 5 horas. En cuanto a las prestaciones mecánicas, el diseño deberá ser compacto para caber fácilmente en la cabina o el portaequipaje del planeador y deberá estar preparado parado para resistir vibraciones y aceleraciones de hasta 3G.
A continuación se presenta un diagrama en bloque del modulo transmisor y se detalla el funcionamiento de cada parte. En el apéndice A se podrán encontrar los esquemáticos de los circuitos y en el apéndice B los circuitos impresos..
Diagrama en bloque del transmisor
Fig. 6.1 Diagrma en bloques del transmisor.
Sintetizador de frecuencia El corazón del transmisor es un circuito sintetizador de frecuencia de lazo de fase cerrada, mas conocido como PLL (Phase-Locked Loop). Este circuito genera la señal portadora y la señal de modulación actua sobre el para lograr la desviación en frecuencia de la portadora y de esta manera transmitir la información.
Los circuitos PLL son muy usados en los sistemas de comunicación actual. La característica mas importante de los PLL es su capacidad de generar una señal cuya frecuencia es muy estable y sencilla de ajustar al valor deseado. Esta característica los hace particularmente adecuados en circuitos receptores para operar de oscilador local y en circuitos de transmisión como generadores de señal. También son utilizados en algunos circuitos demoduladores.
Fig. 6.2 Diagrama de un circuito PLL En un PLL, la señal de RF es generada por un oscilador controlado por tensión (VCO), un circuito cuya frecuencia de oscilación es controlado por una tensión continua. La fase de la señal generada por el VCO es comparada con un oscilador de referencia de frecuencia muy estable y precisa. La diferencia de fase genera una tensión proporcional a la salida del comparador. Si la frecuencia del VCO y del oscilador son iguales, la salida del comparador de fase será un voltaje constante. Si existe una diferencia entre la frecuencia del VCO y la del oscilador de referencia, la tensión de salida del comparador variara, modificando la frecuencia del VCO hasta que se iguale con la frecuencia del oscilador de referencia.
Este circuito básico no tiene mucha utilidad por si solo ya que la frecuencia de salida es la misma que la frecuencia del oscilador de referencia. Generalmente se agrega un divisor programable de frecuencia entre la salida del VCO y el comparador de fase para que la frecuencia de salida del VCO sea un múltiplo de la frecuencia de referencia. Por ejemplo, si la frecuencia de referencia es 1 MHz y el divisor de frecuencia esta seteado en 7, el VCO oscilará a 7 MHz ya que la frecuencia a la salida del divisor será 1 MHz, la misma frecuencia que el oscilador de referencia..
La frecuencia de comparación es llamada usualmente paso ya que es la separación que existe entre cada frecuencia posible de generar. Para lograr pasos mas pequeños se puede poner un oscilador de referencia de menor frecuencia o agregarle un divisor de frecuencia antes del comparador de fase. La ecuación para determinar la frecuencia de salida de un sintetizador es:
Donde:
f out : Frecuencia de salida del sintetizador f ref : Frecuencia de referencia R : Divisor de la frecuencia de referencia N : Divisor de la frecuencia de salida El paso del sintetizador se calcula:
Por ejemplo si se quiere obtener una frecuencia de salida de 7 MHz con un paso de 10 KHz y un oscilador de referencia de 1 MHz. Se deberá calcular el valor de R que permita un paso de 10 KHz. Este valor se despeja de la ecuación 6.2
Y para conocer el valor de N con el que hay que configurar el sintetizador se despeja de la ecuación 6.1
El sintetizador de frecuencia del transmisor esta implementado con un circuito integrado de National Semiconductor, el LMX2326, que tiene incorporado los divisores de frecuencia para el VCO y el Oscilador de referencia, el comparador de fase y una bomba de carga. Los valores de los divisores del circuito integrado y algunos otros parámetros que se pueden variar son cargados via un bus de datos serie.
Fig. 6.3 Diagrama funcional LMX2326 Otra parte importante de un PLL es filtro de lazo. Por lo general la salida del comparador de fase es una señal modulada por ancho de pulso, pero esta señal no sirve para controlar el VCO. Para solucionar este problema se coloca un filtro entre el comparador de fase y el VCO. Este filtro determina el tiempo que tardara el VCO en llegar a la frecuencia deseada. Se profundizará mas este tema cuando se explicará la modulación del transmisor.
Oscilador controlado por tensión Hasta ahora se escribió como se controla la frecuencia de la señal de salida, pero muy poco se ha dicho de qué manera se genera. El circuito utilizado para esta función es un oscilador controlado por tensión. Por lo general los osciladores utilizados para generar señales de radiofrecuencia son amplificadores de los cuales se toma un pequeña porción de la potencia de salida, se la pasa por un circuito sintonizado capaz de desfasar 180º la señal y luego se la vuelva a inyectar a la entrada del circuito. Esta conexión forma un circuito con realimentación positiva y es potencialmente inestable, es decir que una mínima variación a la salida es capaz de iniciar las oscilaciones. La frecuencia de la oscilación es determinada por la red desfasaje ya que la señal es desfasada 180 grados solo a la frecuencia a la cual esta sintonizado este circuito. Para poder controlar este circuito de desfasaje mediante una tensión de control se puede utilizar un varicap, un diodo que al ser polarizado inversamente modifica su capacidad parasita en función de la tensión que se le aplica.
El transmisor utiliza un VCO integrado de la firma Maxim. El modelo elegido es el MAX2606. Este VCO tiene el varicap y los capacitores de realimentación integrados. El único componente externo que requiere para funcionar es un inductor que determina la frecuencia de trabajo. El MAX2606 esta especificado para funcionar con frecuencias entre 70MHz y 150MHz y es parte de una familia de VCO que cubren frecuencias desde los 45MHz hasta 650MHz. Tiene salida diferencial y es capaz de entregar una potencia de -8dBm (aprox. 160 uW).
Este componente fue elegido por su tamaño reducido, su simplicidad para implementar, bajo consumo y bajo costo.
En cascada con el VCO se puso un buffer especialmente diseñado para amplificar la señal del oscilador. Este circuito es provisto por la firma Maxim. Es capaz de entregar un 1 mW. a la salida con una ganancia de aproximadamente17 dB y su consumo no llega a los 4 mA. Como este amplificador posee salida diferencial se aprovecho uno de los dos puertos de la salida para realimentar el sintetizador y el otro como salida de RF.
Oscilador de referencia Para el oscilador de referencia del sintetizador se uso un oscilador a cristal compensado en temperatura de la firma Citizen con una frecuencia de salida de 13 MHz. Este oscilador es un componente de montaje superficial de pequeñas dimensiones y bajo consumo. Como característica particular, que lo hace muy apropiado para este proyecto, es la capacidad de ajustar levemente su frecuencia de salida mediante una tensión continua en una pata de control y de esta manera modular la frecuencia de salida.
Modulación del sintetizador El sintetizador normalmente genera una señal de radio frecuencia, la cual no lleva información. Para que el sintetizador sea útil en el transmisor debe ser capaz modular la portadora con la información a enviar. Existen tres formas de realizar esta operación:
-La primera opción es sumar la señal de información de baja frecuencia a la tensión de control del VCO.
Fig. 6.4 Modulación por señal de control de VCO.
Esta técnica es sencilla y muy utilizada en equipos de comunicación. Pero presenta una serie de inconvenientes que pueden hacer su implementación bastante compleja. Ya que el sintetizador es un circuito realimentado, cualquier modificación de frecuencia que se produzca a la salida del VCO tenderá a ser corregida. Para evitar que el PLL "filtre" la información es necesario calcular el filtro pasabajo de tal forma que su respuesta sea mas lenta que la información, esto implica que la información no puede contener componentes de DC o de frecuencia menor a la frecuencia de paso del filtro de lazo. Otro inconveniente es la sensibilidad al ruido. En muchos casos, variando unos pocos voltios la tensión de control del VCO se logran desviaciones de varios MHz, esto obliga a que la señal de información sea de solo unos milivoltios y cualquier ruido que se superponga a ella seria capaz de opacar los datos. Los VCO utilizados para este tipo de modulación muchas veces tienen una entrada separada para la modulación mucho menos sensible que la entrada de control.
-En la ecuación 6.1 se puede ver que la frecuencia de salida del PLL es proporcional al valor del divisor por N, entonces modificando la programación del PLL se puede modular la portadora. Es decir que para el 0 binario se programa una determinada frecuencia y para el 1 se programa una frecuencia desplazada algunos KHz. A diferencia de la técnica explicada anteriormente aquí el filtro de lazo debe tener una frecuencia de corte más alta que la frecuencia de la señal de modulación para que esta pueda llegar hasta el VCO.
Fig. 6.5 Modulación por divisor por N.
Esta técnica de modulación es poco usada porque requiere una programación bastante compleja del sintetizador para obtener el ancho de banda deseado. En el caso de utilizar el circuito integrado LMX2326 o cualquier otro que se de programe de forma serie resulta complicada la programación del microcontrolador para generar las tramas de datos a enviar ya que para cada bit a enviar hay que cargar el PLL con un nuevo valor de de N y muchas veces de R también.
-La última opción para modular la salida de un circuito PLL en frecuencia es modificar la frecuencia del oscilador de referencia (En la ecuación 6.1 se puede ver que la frecuencia de salida es proporcional a la frecuencia de referencia en un factor de N/R). El principio es similar a la modulación por divisor por N ya que es el sintetizador el que induce el cambio de frecuencia y no una señal parasita como en el caso de la modulación por variación de la señal de control. Pero ahora no hay que reprogramar el PLL para cada bit a enviar, solo se debe modificar la frecuencia del oscilador de referencia.
Fig. 6.6 Modulación de frecuencia de referencia.
Al contar con un oscilador de referencia cuya frecuencia puede ser modificada por una pata de control se implementó la modulación de frecuencia de referencia. Mediante la pata de control es posible variar la frecuencia en aproximadamente 35 ppm. Esto equivale a una desviación de la frecuencia de referencia de unos 455 Hz. Para calcular la desviación total de la portadora hay que multiplicar la desviación del oscilador de referencia por el cociente N/R.
Para que el PLL sea capaz de modificar la frecuencia de salida a la velocidad de los datos a enviar, es necesario que el filtro de lazo tenga una frecuencia de corte mayor que la frecuencia a la que se envían los datos. La frecuencia de comparación de fase tiene que ser por lo menos 10 veces mayor a la frecuencia de corte del filtro.
Teniendo en cuenta estos parámetros se eligió usar una frecuencia de comparación de aproximadamente 140 KHz. Los valores de los divisores de frecuencia N y R se eligieron te tal manera que se obtenga una frecuencia de salida muy cercana a 143.85 MHz y cuya frecuencia de comparación sea de aproximadamente 140 KHz.
Los valores elegidos son:
N = 1018 R = 92 Con estos valores la frecuencia de salida es:
Conociendo los valores de N y R también se puede calcular la desviación de frecuencia ?f que tendrá el sistema.
Este es el valor máximo que se puede desviar la frecuencia de portadora, con un potenciómetro para regular la amplitud de la señal moduladora se puede controlar fácilmente el ancho de banda utilizado por el transmisor.
Fig. 6.7 Medicion de espectro de salida de la señal modulada En la imagen se ve la porción del espectro utilizado por el transmisor. La portadora esta centrada en 143.847 MHz, el ancho de banda utilizado es de aproximadamente 10 KHz. y la diferencia de frecuencia de la portadora entre el 0 y el 1 es de 5 KHz.
Amplificador de potencia Para que la señal generada por el circuito sintetizador de frecuencia tenga la amplitud necesaria para alimentar a la antena y lograr el alcance esperado del sistema, es necesario amplificarla.
Antes de analizar el amplificador en si mismo es necesario conocer la potencia necesaria que deberá transmitir el equipo.
Calculo de potencia Resumiendo los conceptos vistos en el capitulo IV, la información modula una portadora generada por el transmisor. La señal de radio frecuencia es convertida a una onda electromagnética por la antena transmisora y es radiada al espacio libre.
La onda electromagnética es interceptada por la antena receptora que la vuelve a convertir en una señal de RF. Idealmente, esta señal es la misma que generó el transmisor y la información es demodulada en su forma original. Pero al propagarse, la señal es atenuada y la potencia que llega al receptor es una parte ínfima de la energía radiada.
Fig. 6.8 Esquema de un sistema de radio típico.
Para calcular la potencia del transmisor (Pt) es necesario conocer:
• Sensibilidad del receptor (Sr). Es la potencia mínima necesaria a la entrada del receptor para obtener una determinada performance.
• Atenuación del espacio libre (Ae): Atenuación de la onda electromagnética al propagarse por el espacio. Depende de la distancia entre las antenas, la frecuencia y la línea de vista entre las antenas. Se calcula con la siguiente expresión.
Ae = 32.5 + 20·log( f ) + 20·log(d )
……………………………………. 6.7 Ae : Atenuación del espacio libre f : Frecuencia en MHz d : Distancia entre antenas en Km.
• Ganancia de antena de transmisión (Gt): Es la capacidad de la antena de concentrar la energía electromagnética en una determinada dirección respecto a una antena isotrópica.
• Ganancia de antena de recepción (Gr): Es la capacidad de la antena de concentrar la energía electromagnética en una determinada dirección respecto a una antena isotrópica • Perdida en cable de antena de recepción (Cr): Atenuación de la señal de RF en el cable que baja de la antena al receptor.
• Perdida en cable de antena de transmisión (Ct): Atenuación de la señal de RF en el cable que sube del transmisor la antena.
La potencia que llega al receptor (Pr) se calcula de la siguiente manera:
Pr = Pt – Ae + Gt + Gr – Ct – Cr ……………………………………………….. 6.8 La potencia que llega al receptor debe ser mayor a la sensibilidad del mismo.
El receptor de radar virtual tiene una sensibilidad mínima de -100 dBm. Las antenas de recepción y transmisión son omnidireccionales con una ganancia de 2 dB.
La atenuación del espacio libre para 75 Km. a 143 MHz es:
Ae = 32.5 + 20·log(140) + 20·log(75) = 113dB ……………………………….. 6.9 Al utilizar cables cortos, se pueden despreciar las perdidas que ocasionan.
Para que la potencia que recibida sea mayor que la sensibilidad del receptor se despeja de la ecuación 6.8 la potencia del transmisor (Pt).
Pt = Sr + Ae – Gt – Gr = -100 + 113 – 2 – 2 = 9dBm …………………….. 6.10 Este resultado es un valor teórico que es valido en condiciones ideales, pero siempre existen pérdidas que no se pueden calcular. Por ejemplo si el planeador vuela detrás de una colina la atenuación es mucho mayor que la atenuación del espacio libre.
Para evitar fallos en la recepción de la señal se opto por un amplificador capaz de transmitir por los menos 4 vatios de potencia. El amplificador elegido es un módulo de potencia de 8 vatios de la empresa Mitsubishi.
El módulo RA08H1317 esta diseñado para operar con 12 voltios y su aplicación típica son las radios portátiles que transmiten en la banda de frecuencias entre 135 y 175 MHz.
Si no se aplica tensión de polarización en la compuerta de los amplificadores, la corriente que circula por los drenadores de los transistores es mínima y la señal de entrada es atenuada hasta 60 dB. A medida que se aumenta la tensión de polarización, empieza a circular corriente y la potencia de salida aumenta. La potencia nominal se obtiene cuando la tensión de compuerta alcanza 3 voltios.
El módulo esta diseñado para operar con señales moduladas en FM. Para operar con modulaciones que requieren mayor linealidad es necesario ajustar la corriente de drenador y la potencia de salida limitando la potencia de entrada.
Para poder obtener la potencia máxima del amplificador, la señal de entrada debe ser de 20mW (13 dBm), pero la potencia entregada por el sintetizador de frecuencia no supera los 300 uW(-5dBm).
Para obtener la potencia necesaria para excitar el módulo Mitsubishi se agregó un amplificador ERA-5 cuya ganancia es de aproximadamente 18 dB.
Fig. 6.9 Diagrama de potencias y ganancia del amplificador.
Al utilizar amplificadores no lineales, se generan señales armónicas en las frecuencias múltiplo de la frecuencia portadora. Si el amplificador funciona con una señal de entrada de 143.85 MHz generará armónicos en 287.7MHz, 431.55MHz, 575.4MHz….. Para evitar que estas señales parasitas interfieran otras señales es necesario filtrarlas antes de que lleguen a la antena.
El en la figura 6.10 se puede ver la topología del filtro implementado y en la figura 6.11 esta graficada la respuesta en frecuencia de la simulación del filtro.
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