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FSK, GFSK, MSK, GMSK y otros modos.
Análisis de señal.
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FSK, GFSK, MSK, GMSK y otros modos.

La primera razón para escribir este artículo fue una interesante discusión en nuestro foro. La segunda fue un correo que recibí sobre el mismo tema después de ver opiniones al respecto en foros de Internet. Ignorar estas coincidencias no seria nada profesional, por lo que vamos a profundizar en algunos problemas que hay respecto a las modulaciones.

Este artículo es un intento de analizar el problema de las modulaciones. Trataremos de establecer las bases y principios generales a partir de la teoría, sin entrar en detalles, pero considerando los principios básico y comunes.


FSK

Vamos a considerar una modulación FSK. Desde un punto de vista general, el circuito modulador es como el de la figura:



La serie de bits 01100101…11011100 es transformada en niveles de +1 y -1 y enviada al modulador (VCO), en donde se asigna una frecuencia al +1 y otra al -1. En este caso, a la salida, tenemos la señal FSK clásica. Como podemos ver, la frecuencia de separación entre tonos (shift) se configura en el modulador y puede ser cualquier valor siempre que no sea inferior a la velocidad de modulación o baudrate (Br). No vamos a explicar aquí por qué esa regla ya que esta suficientemente explicada en la teoría, pero si no se cumple, será prácticamente imposible demodular la señal.

Hacemos notar aquí que el proceso de generación de bits en el modulador es independiente y no esta ni asociado ni sincronizado con otras partes del modulador.
El espectro de esa señal será rico en armónicos debido a la señal cuadrada y a las transiciones abruptas entre ambas frecuencias que eso produce. La mayor parte de la energía se concentra alrededor de las frecuencias en un área Br.
De aquí deducimos que el espectro mínimo de la señal será 2*Br si la separación entre frecuencias es de Br, aunque normalmente el espectro ocupado será de Frecuencia de separación (Shift)+Br. Los armónicos fuera de este espectro pueden suprimirse sin que afecte a la demodulación de la señal tal y como se hace en la practica.




Observe que el espectro de las frecuencias de la señal cuando la separación es BR no produce solape entre ellas. Si juntamos más las frecuencias, se producirá un solape de los espectros de cada tono produciéndose una fuerte interferencia mutua. El gráfico anterior explica la limitación de la separación entre tonos al valor Br en la modulación FSK clásica. Las matemáticas aplicables están suficientemente descritas en la teoría. También puede verse que la reducción de la separación de tonos dentro de lo permisible aumenta la eficiencia espectral de la señal.
También es recomendable reducir la energía en la conmutación de tonos al modular. Esto se consigue con un prefiltrado de los bits antes de modular.
Los filtros gausianos son ampliamente usados en FSK, lo que nos da un control efectivo del ancho de banda usado mediante el suavizado de las transiciones en el VCO, facilitando el control de los parámetros que afectan a la modulación.
En teoría, cualquier filtro capaz de suavizar las transiciones abruptas de la señal seria adecuado para esta función, pero el mejor comportamiento y características corresponde a los filtros gausianos.


GFSK

Al modulador de FSK clásico con filtrado gausiano de la serie de bits se le conoce como GFSK. El circuito básico es el mismo del FSK, al que se le ha añadido el filtro gausiano para la serie de bits.




Esto permite saltarse la regla de la mínima separación=Br permitiendo reducirla.
Los parámetros del filtro gausiano serán los que determinen cuanto se puede reducir el espectro y la separación entre tonos. Llamaremos a este “cuanto”, x. En la práctica, el valor de x será mayor que Br/2, dado que si se reduce más, los componentes espectrales de cada tono se mezclaran con los del otro produciendo interferencias y haciendo que no sea posible demodular la señal.

La reducción típica de la frecuencia de separación en GMSK es de un 30-40 % del valor Br, lo que hace que la frecuencia de separación sea de 0,6-0,7 * Br.
Cuando se analiza una señal de este tipo, es difícil determinar si es GFSK ya que el mismo efecto se puede obtener usando otros filtros.




MSK

Los sucesivos avances en el campo de la modulación FSK condujeron a desarrollar la modulación MSK, la modulación con la mínima frecuencia de separación posible. Está demostrado teóricamente que la modulación con separación de Br/2 es posible, aunque no se puede conseguir con el método del VCO, por lo que para lograr modulaciones MSK es necesario emplear moduladores en cuadratura.
El circuito para modular en MSK es más complejo y es aproximadamente como en la figura siguiente. Hay varios y diversos circuitos moduladores de MSK, pero el principio básico es el mismo y es importante comprenderlo.



Se puede ver que el circuito modulador es independiente y no esta sincronizado con la serie de bits, sin embargo la modulación MSK exige que las transiciones de los bits ocurran coincidiendo con un máximo o un cero de la señal senoidal del oscilador. Si se cumplen estas condiciones, la separación entre tonos será de Br/2 y el espectro ocupado de aproximadamente 1,5*Br.

Es fácil comprender que la modulación se hace sobre una frecuencia que tendrá diferente fase según se module con los bits. Puesto que la fase se mantiene constante en cada estado, el resultado son 2 tonos separados por la mínima frecuencia posible, tal y como se explica en la teoría.



GMSK

La inserción de filtros gausianos en el modulador MSK permite reducir aun más el espectro, pero también se reduce la resistencia a las interferencia de la señal. Este tipo de modulación se llama GMSK. En general, el espectro de una señal GMSK será un 12-15 % mayor que el Br. Son posibles valores menores, pero a cambio de experimentar una gran degradación de la inmunidad al ruido de la señal.





La modulación MSK presenta una buena inmunidad al ruido si se usa un demodulador coherente. No es difícil apreciar que la finalidad de estos tipos de modulación es ocupar menos espectro y usar los demoduladores clásicos de detección de frecuencia. Pero en la práctica esto es bastante difícil. La modulación de MSK y GMSK se hace variando la fase de la señal por lo que es necesario usar demoduladores coherentes para poder aprovechar estos tipos de modulación.

Para resumir, veremos las características de cada tipo de modulación:

FSK: Simple de implementar y espectro relativamente ancho.
GFSK: Simple de implementar y especto algo mas estrecho, pero también tiene menos inmunidad al ruido que el FSK
MSK: Alta inmunidad al ruido y espectro estrecho, pero complejo de implementar tanto el modulador como el demodulador.
GMSK: El espectro es casi el mínimo teórico, aunque tiene peor inmunidad al ruido que MSK y también es complejo de implementar

SEMI-MODOS

Me he permitido llama semi-modos a las señales MSK y GMSK. Obviamente, no es el nombre normal. Simplemente lo hago para diferenciarlas de la familia de señales PSK, ya que ambas poseen características de PSK y FSK.

El segundo armónico ( segunda potencia) de estos semimodos presenta dos fuertes línea espectrales cuya separación es de Br. lo que es una de las principales características de estos semimodos.
Esta es una condición para que una señal sea clasificada así, pero no es la única, ya que las modulaciones SDPSK y OQPSK también tienen esas líneas.

SDPSK, en general, no efectúa las transiciones en los picos de la portadora, por lo que ocupa más espectro que MSK. Esta anchura de espectro se puede reducir filtrando la serie de bits antes de enviarlos al modulador, lo que se suele hacer con un filtro RRC. (Coseno elevado).

SDPSK (PSK2 con rotación de fase) produce la misma señal que MSK con el espectro un poco mas ancho. Puede ser demodulada con el mismo demodulador, por lo que también esta incluida en los semi-modos


Los métodos modernos de modulación no prestan especial atención a la distinción de modos, por lo que los desarrolladores, para simplificar el desarrollo, suelen escoger valores de velocidad de modulación y de portadora que sean múltiplos.

En casos como este, el desarrollador dice que la señal es SDPSK, pero el resultado final es una MSK. Esto, sea deliberado o casual, lleva a una confusión a la hora de determinar el tipo de modulación de una señal.

También es frecuente especificar que una señal es GMSK cuando más bien es una SDPSK como se puede ver en el ejemplo de la
radiosonda finlandesa.

Cuando vemos la circuiteria de un modulador GMSK es fácil entender que si la velocidad de modulación y la portadora están sincronizados, y se ha elegido como frecuencia de separación Br/2, el GMSK pasa a ser un semimodo, en función de los parámetros del filtro gausiano. Parece que los desarrolladores no piensan en esto o simplemente no lo tienen en cuenta.

Y esto lleva a confundir las modulaciones y a errores en la clasificación de señales. En un sitio de señales, la señal ACARS VHF esta considerada como GMSK.

En el análisis de señal es deseable determinar el tipo de modulación de la señal al menos con cierta garantía de exactitud. Asimismo, es necesario considerar el ancho de banda ocupado por el espectro.

En una modulación MSK pura, el ancho del espectro es de 1,5*Br. En GMSK es menos que este valor, y su límite esta próximo a Br. El espectro en estos casos tiene forma acampanada.
En SDPSK el espectro es mayor que 1,5*Br. La principal característica de los semimodos son las líneas espectrales en el segundo armónico o segunda potencia pero no es la única, por lo que determinar el tipo correcto requiere cierto trabajo y atención. La forma del espectro también requiere cierta atención, ya que a menudo esta distorsionado por diferentes motivos. En estos casos es preferible disponer de una grabación I/Q.


Buena suerte.
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Файл создан: 11 Jun 2009 01:40, посл. исправление: 11 Jun 2009 01:54
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