Umbral Científico ISSN: 1692-3375 [email protected] Universidad Manuela Beltrán Colombia

Jiménez, Alexánder; Contreras, Iván ANÁLISIS DE SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITAL EN BANDAS DE RADIOAFICIONADOS EN UHF CON MODULACIÓN ASK Umbral Científico, núm. 4, junio, 2004, pp. 13-20 Universidad Manuela Beltrán Bogotá, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=30400403

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ANÁLISIS DE SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITAL EN BANDAS DE RADIOAFICIONADOS EN UHF CON MODULACIÓN A Ing. Alexánder Jiménez

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Msc. Iván Contreras

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RESUMEN Los sistemas de comunicación digitales que emplean las bandas de UHF amateur se han convertido en una solución actual práctica para los diseños inalámbricos, tales como controles de aeromodelos, prototipos, alarmas, etc. en donde se emplean velocidades de comunicación relativamente bajas. Debido a otras fuentes de radiación electromagnética se presentan señales de ruido, especialmente en aquellos sistemas con modulación ASK. Este artículo presenta algunas observaciones y sugerencias para trabajar con estos sistemas. ABSTRACT Digital Communication Systems that use the UHF amateur bands have turned a practical present solution for the wireless designs, such as controls of model airplanes, prototypes, alarms, etc. where relatively low speeds of communication are used. Because of other electromagnetic radiation sources, noise signals appear, specially in systems with ASK modulation. This article displays some observations and suggestions about working with these systems. Palabras clave: Bandas de radio para aficionados, sistemas digitales, comunicaciones inalámbricas, ruido electromagnético Keywords: amateur radio bands, digital systems, wireless communications, electromagnetic noise. INTRODUCCIÓN Hace varios años, la idea de implementar una aplicación de comunicación por radio, implicaba también pensar en el diseño de los circuitos tanque o resonadores de frecuencia, tanto en la estación transmisora como en la receptora, y luego en la práctica realizar el ajuste necesario para que coincidieran, lo cual convertía esta tarea en una situación tan larga como compleja. Actualmente este inconveniente ha sido solucionado de manera efectiva por el desarrollo de pares de módulos de radiofrecuencia, los cuales son dispositivos que funcionan como bloques independientes del resto del circuito. Su operación interna puede llegar a ser compleja, pero su entendimiento se escapa del interés del diseñador de la aplicación, ya que sólo se necesita reconocer los terminales de entrada o salida, los de alimentación de energía, la conexión a una antena externa y los habilitadores lógicos del dispositivo. En proyectos de investigación de la UMB, principalmente en el Programa de Ingeniería Electrónica, se han empleado estos sistemas inalámbricos de comunicación digital para diferentes aplicaciones,

1 Docente Investigador. Grupo de Investigación “Aplicabilidad Tecnológica”. UMB 2 Coordinador de Investigaciones de Ingeniería Electrónica. Grupo de Investigación” Sistemas de Telecomunicaciones”. UMB

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tales como recuperación de datos de tarificación, transmisión de datos por puerto serial para computadoras personales, control remoto de plataformas móviles, incluyendo proyectos especiales como el DSTV (Discriminador de Sonidos Táctil y Visual para personas sordas y sordociegas), presentado recientemente a COLCIENCIAS. Estos módulos permiten alcanzar distancias de varios metros de alcance dentro de construcciones cerradas, e inclusive de hasta cientos de metros con línea de vista [1]. Sin embargo, la señal en el módulo RF receptor puede ser alterada debido a las diferentes fuentes de radiación que se encuentran en el ambiente urbano, tales como antenas cercanas, maquinaria, sistemas electrónicos, redes eléctricas, etc. Este problema puede generar errores en el sistema de comunicación, lo que que conlleva a pérdida de información o recepción de datos falsos; en ambos casos se debe analizar la posible causa de la falla (o las fallas) y buscar una solución adecuada. DESCRIPCIÓN DE LOS MÓDULOS RF Los módulos de RF se emplean principalmente para aplicaciones OEM como en controles remotos, sistemas de seguridad, identificación y transmisión periódica de datos [2]. Estos sistemas están conformados por un par de módulos: uno transmisor y otro receptor (para comunicaciones en un solo sentido) o por pares de transceptores (que permiten comunicación de doble vía), generalmente fabricados por la misma empresa, con lo que ofrecen confiabilidad y buenas distancias de alcance. La mayoría de estos pares emplean tecnologías de modulación de ASK (conmutador de desplazamiento de amplitud) y FSK (conmutador de desplazamiento de frecuencia), y sólo necesitan una antena como elemento externo (inclusive permiten trabajar sin antena para distancias cortas). Estos pares de módulos presentan sintonía fija a una frecuencia determinada, como por ejemplo, 315MHz, 418MHz, 433.92MHz [3] en UHF. En algunos casos presentan algún elementos de ajuste de sintonía, como un condensador (o bobina) variable, que le permite al diseñador obtener la mejor respuesta del sistema. También se permite la comunicación de señales de tipo digital o analógico, dependiendo del modelo que se emplee; inclusive algunos permiten la transmisión de ambos tipos de señal. La utilización de estos dispositivos en sencilla y cada elemento (transmisor y receptor) se puede considerar como un sistema de un puerto, y en conjunto como un sistema de dos puertos o cuadripolo (ver Fig. 1).

Fig. 1. Sistema de dos puertos representado por el par de módulos

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A. Características significativas - Bajo costo. - No requiere elementos RF externos. - Bajo consumo de potencia. - Tamaño compacto (montaje superficial en algunos casos). - Velocidades hasta de varios Kbps. - Interfaz serial. - Armónicos reducidos. - En algunos casos, rango variable de voltaje de alimentación [2 y 4]. B. Lista general de aplicaciones - Control remoto. - Sistemas de puertas “libres de llaves”. - Apertura de garajes y compuertas. - Control de luminosidad. - Sistemas de monitoreo médico, sistemas de llamado. - Monitoreo industrial remoto. - Transferencia periódica de datos. - Automatización de uso industrial y residencial. - Alarmas de seguridad y de incendios. - Reemplazo de cableado [2 y 4]. PROBLEMAS DE FASE En todo sistema de comunicaciones se presentan cambios de fase que pueden ser significativos y comprometer la fiabilidad de la información. Dependen de variables tales como la potencia de la señal RF, la distancia y los obstáculos entre los dispositivos, incidencia de ruido en el ambiente, entre otros factores. En los módulos de RF digitales se producen dos tipos de cambios de fase: el del flanco de subida y el del flanco de bajada, que se describen a continuación (en las pruebas realizadas para el ejemplo se empleó el par TXM/RXM 433, ver Fig. 2 y 3).

Fig. 2. Señales en el transmisor (entrada) y en el receptor (salida) a una distancia de 50cm (sin antena). Amplitud Tx: 5V. Ciclo Útil Tx: 50%. a.) .frecuencia =1 KHz, b) frecuencia = 2KHz. Las antenas se omitieron para acentuar las diferencias en este ejemplo.

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Fig. 3. Señales en el transmisor (entrada) y en el receptor (salida) a una distancia de 50cm (sin antenas). Amplitud Tx: 5 V. Ciclo Útil Tx: 50 %. a.) frecuencia =3 KHz, b) frecuencia =4 KHz.

A. Cambio de fase en el flanco de subida Este cambio puede darse en unidades de tiempo y representa la diferencia entre el flanco de subida en la entrada del elemento transmisor y la del flanco de subida en la salida del receptor. B. Cambio de fase en el flanco de bajada Este cambio puede darse en unidades de tiempo y representa la diferencia entre el flanco de bajada en la entrada del elemento transmisor y la del flanco de bajada en la salida del receptor. Nótese en las gráficas que no necesariamente corresponden al mismo valor de fase en el flanco de subida y en el de bajada. C. Consecuente cambio del ciclo útil de la señal de salida del receptor El ciclo útil (D.C.) de la señal original en el transmisor fue de 50% en cada prueba. En la señal del receptor, el ciclo útil varió en cada caso, como consecuencia de los cambios de fase en los flancos de subida y de bajada (ver Tabla I). D. Distancia entre el transmisor y el receptor

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La señal en el transmisor (entrada) se trabajó con D.C. = 50 %. * se presenta inestabilidad en la lectura ** se presenta inestabilidad y pérdida de varios pulsos

Al aumentar la distancia entre los módulos de RF, se producen mayores variaciones de fase entre flancos de subida, reduciendo al mismo tiempo el ciclo útil en la señal en la salida receptor (ver Fig. 4).

Fig. 4. Señales en el transmisor (entrada) y en el receptor (salida), sin antenas. Amplitud Tx: 5 V. Ciclo Útil Tx: 50 %. Frecuencia Tx: 1 KHz. a.) distancia =50 cm, b) distancia =200cm.

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E. Obstáculos en la trayectoria de la señal de radio Cuando hay línea de vista entre el módulo transmisor y el receptor, se logra una estabilidad de los parámetros de fase y ciclo útil en la señal de salida del receptor. Esto cambia cuando se modifican las condiciones ambientales entre los módulos incluyendo obstáculos (muros, muebles, puertas, ventanas, etc.) dependiendo también de sus características físicas (grosor, materiales, humedad, estructura, etc.). Por ejemplo, la estructura de los muros y los pisos del sitio influye en la calidad de la onda recibida y hasta pueden evitar que se reciba señal en el receptor (en el caso de planchas de concreto). Algunas pruebas realizadas en laboratorio permitieron verificar que el ciclo útil de la señal en la salida del receptor puede cambiar de manera drástica (variaciones mayores al 80 %) para distancias de algunos metros cuando no hay línea de vista entre el transmisor y el receptor, trabajando con una secuencia de pulsos de 50 % de ciclo útil y con una frecuencia de 1 KHz en la entrada del transmisor.

PENDIENTE DEL FLANCO DE SUBIDA Tanto la señal de entrada (en el transmisor) como de salida (en el recetor) son continuas en el tiempo, e idealmente deberían ser discretas en amplitud por ser digitales (variaciones abruptas entre los estados alto y bajo) [5]. Sin embargo, la velocidad de los módulos es limitada y puede presentar variaciones continuas de amplitud en la señal de salida. (ver Fig. 3.b), lo cual puede inducir un error de fase adicional para el dispositivo que recibe esta señal, e inclusive una lectura errónea de la información. Para tal fin se puede incluir un circuito adicional a la salida del receptor, como un comparador [6] o un disparador Schmitt, que permitan actuar solamente entre los dos estados (alto o bajo) con una conmutación de mayor velocidad.

RUIDO DE OTRAS FUENTES DE RADIACIÓN Otras fuentes de radiación electromagnética pueden afectar la señal recibida en el módulo transmisor, especialmente cuando se trabaja con modulación ASK. Entre las fuentes más comunes de ruido de RF se encuentran [7]: -

Ignición de automóviles. Líneas de alta tensión. Equipo industrial. Computadores personales. Teléfonos celulares e inalámbricos.

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Estas fuentes se encuentran prácticamente en cualquier zona urbana, lo que hace casi imposible evitar su presencia cerca de los sistemas inalámbricos de comunicación digital. Por este motivo se deben buscar soluciones para la detección y corrección de errores en el nivel de enlace (basado en el modelo de referencia ISO/OSI – Interconexión de sistemas abiertos) [8]. Si se emplea un protocolo de enlace adecuado se puede reducir significativamente el error en la transmisión de datos debido al ruido de RF del ambiente. Sin embargo, si la tasa de transmisión de datos es baja, se recomienda emplear una velocidad de protocolo baja (por ejemplo, 330bps o menos); de esta manera se consiguen mayores distancias de cubrimiento y se reduce la tasa de error en la transmisión. CONCLUSIONES La fiabilidad de los de sistemas de comunicación digitales en las bandas UHF amateur con modulación ASK dependen de varios factores, tales como la distancia entre el transmisor y el receptor, obstáculos en el recorrido de la señal, sistemas de antenas empleados, potencia de radiación (puede ser dependiente del voltaje de alimentación del transmisor) y velocidad de transmisión (rata de bps). Para el diseño de sistemas de comunicaciones por PWM (modulación de ancho de pulso) o por PPM (modulación de posición de pulso) empleando estos módulos, se debe tener en cuenta los cambios de fase y en consecuencia, los cambios de ciclo útil de la señal entregada por el receptor, ya que alteran la información original del ancho de los pulsos [9]. APÉNDICE Las pruebas mencionadas en este artículo fueron desarrolladas totalmente en los Laboratorios de Desarrollo de Prototipos y de Electrónica en la UMB. Los valores empleados para la configuración de los circuitos fueron los siguientes: A. En el módulo transmisor -VCC = 5 V -VIH = 5V -VIL = 0V -VI D.C. = 50 % -fC = 433.92 Típ. -Rata de transmisión: hasta 5Kbps B. En el módulo transmisor -VCC = 5 V con resistencia limitadora de 200? -VOH = 3.4V -VOL = 0V -fC = 433.92 Típ.

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BIBLIOGRAFÍA [1] Ejemplos de equipos Radiometrix Ltd. Disponible en: http://www.lemosint.com/scripts/radio.asp [2] LC-Series Transmitter Module Data Guide, de Link Technologies. [3] RF ASK Hybrid Modules for Radio Control ( New Version ), de Laipac Technology, Inc. [4] LC-Series Receiver Module Data Guide, de Link Technologies. [5] J.C. Proakis y D.G. Manolakis, “Digital Signal Processing: principles, algorithms, and applications”, 3rd ed., Prentice-Hall, Inc. Upper Sandle River, NJ, 1996, pp. 8-11. [6] R.L. Boylestad y L. Nashelsky, “Electrónica: teoría de circuitos”, 6a. ed., Pearson Educación, Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A., México, 1996, pp. 741-748. [7] Training- Detecting Signal Leakage, Part 5. Disponible en: h t t p : / / w w w . b r o a d b a n d pbimedia.com/ct/archives/1299/training.htm [8] M, Ford, H. K. Lew, S. Spanier y T. Stevenson, “Tecnologías de interconectividad de redes” Pearson Educación, Prentice-Hall H i s p a n o a m e r i c a n a , S. A ., M é x i c o, 1 9 9 7, p p. 5 - 1 4. [9] F. G. Stremler, “Sistemas de comunicación”, 2a. ed., Ediciones Alfaomega, S.A. Fondo Educativo Interamericano, S.A. Colombia, 1989, pp. 370-371.

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