FSK mediante PLL

Phase Locked Loop

Un lazo de fijación de fase (PLL, siglas en inglés de phase locked loop) es un circuito capaz de generar una oscilación cuya fase con respecto a una señal de entrada se mantiene acotada, contando para ello con una realimentación que compara la fase de las dos señales y actúa modificando la frecuencia de la oscilación generada. En la figura 1 se muestra un esquema muy simplificado del mismo.

El comparador de fase produce, idealmente, una señal K D⋅∆ϕ proporcional a la diferencia de fase entre la señal de entrada v 1 y la señal v 2 generada por el oscilador controlado por tensión (VCO, siglas en inglés de voltage-controlled oscillator) que, amplificada por el amplificador, se aplica a la entrada vc del VCO. Este último produceuna frecuencia f 2 que varía linealmente con vc.

La situación de equilibrio se alcanza cuando la señal K D⋅∆ϕ amplificada por el amplificador es tal que, aplicada al VCO, hace que éste oscile exactamente a la misma frecuencia que la entrada. En efecto, si fuera, por ejemplo, f 1 > f 2, la diferencia de fase iría en aumento, lo cual haría que f 2 aumentara, tendiendo a acercarse a f 1; y a la inversa si f 1 < f 2.

Una primera aplicación interesante de este dispositivo es la demodulación de unaseñal de frecuencia modulada, ya que vc es proporcional a f 2, y por lo tanto a f 1. Existen, como veremos más adelante, otras aplicaciones, como la multiplicación de frecuencias, o la recuperación del tono piloto en las señales de FM estereofónicas.

Estructura real de un PLL

En el esquema simplificado de la figura 1 supusimos la existencia de un elemento de circuito capaz de comparar directamente las fases de las dos señales, produciendo una señal proporcional a la diferencia de fases, K D⋅∆ϕ. Desgraciadamente no es posible construir tal dispositivo, por lo cual se lo reemplaza por un circuito multiplicador (denominado detector de fase multiplicativo) seguido por un filtro pasabajos. Si suponemos que las dos señales que ingresan al mismo son

entonces la multiplicación de estas señales conduce, aplicando conocidas identidades trigonométricas, a

PLL LM565

El LM565 es un circuito de fase cerrada (PLL) de propósito general que dispone de un oscilador controlado por tensión (VCO) altamente lineal y un detector de fase doblemente balanceado con buena supresión de portadora. Las aplicaciones en las cuales puede utilizarse este dispositivo son varias: sincronización de datos, demodulación de FM o FSK, demodulación coherente, sintetizador de frecuencia, multiplicador de frecuencia, etc.

Tanto la frecuencia de oscilación libre del VCO como el ancho de banda del filtro pueden ser seleccionados mediante el uso de resistores y capacitores externos.

FSK

La Modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK, (Frequency Shift Keying) es una técnica de transmisión digital de información binaria (ceros y unos) utilizando dos frecuencias diferentes. La señal moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde un cero representa un "1" o "marca" y el otro representa el "0" o "espacio".

En la modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del modulador se le llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo (bps).

A la relación de cambio a la salida del modulador se le llama baud-rate. En esencia el baud-rate es la velocidad o cantidad de símbolos por segundo.

En FSK, el bit rate = baud rate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2.

El módem usa un VCO, que es un oscilador cuya frecuencia varía en función del voltaje aplicado.

La figura muestra una señal modulada FSK que responde a la función:

Asen(2Π(f ± ∆f)t,

cuando la moduladora es binaria. El signo ± depende de que el bit a transmitir sea el cero o el uno: f1 = f + ∆f, f0 = f-∆f.

Esta señal FSK es una sinusoide de amplitud constante A, que “salta” entre dos frecuencias diferentes f0 y f1.

El salto de frecuencia ∆f alrededor de la frecuencia central f de la portadora, se denomina genéricamente en cualquier sistema de FM “desviación de frecuencia” y es un valor constante del que depende el ancho de banda de la señal modulada.

El modulador más simple de FM es un conmutador que selecciona entre dos portadoras de frecuencias f0 y f1 al ritmo que marca la señal moduladora.

Este tipo de modulación por conexión y desconexión se denomina “conmutación de variación de frecuencia” o “conmutación de variación de portadora”.

La expresión general de una señal FSK cuando la moduladora X(t) utiliza un código multinivel es: A sen 2PI (f + X(t) ∆f)t

El que la amplitud de la señal modulada sea constante y que la información se codifique con valores de frecuencia, hace que la señal FSK sea casi inmune al ruido aditivo del canal, dado que éste afecta sobre todo a la amplitud.

La modulación ASK tiene el inconveniente de que es muy sensible al ruido que se acumula a lo largo del canal, por lo que la relación señal-ruido (S/N) a la entrada del receptor puede ser tan baja, que la probabilidad de error no sea tolerable. Esta es la causa por la que no se utiliza la modulación ASK para transmitir datos a alta velocidad a menos que el medio de transmisión garantice una adecuada S/N, como en el caso de la fibra óptica.

Sin embargo, a la modulación FSK no le afecta el ruido aditivo del canal, dado que la señal modulada codifica la información con los cambios de frecuencia, es decir, el receptor sólo tiene que contar el número de cruces por cero de la señal que recibe. Por tanto, suprime el ruido simplemente recortando la amplitud de la señal FSK, sin que ello afecte a la información.

Sólo cuando el nivel de ruido es tan alto que llega a forzar el paso por cero de la señal, es cuando se producen errores. Esto es tanto como suponer que S/N = 0dB, es decir, S = N.

El comportamiento frente al ruido de las señales moduladas en frecuencia es mucho mejor que el de las señales moduladas en amplitud, pero a cambio, el ancho de banda de las señales FM es mayor que el de las señales AM.