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Informe Previo Nro. 1Laboratorio de Sistema de Comunicaciones 2Título: “Simulación de Modulación PAM,PDM(PWN) y PPM”Grupo Nro. 1Autores:Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica-Universidad Nacional de IngenieríaLima, PerúResumen —El presente informe previo abarca la descripción teórica de los ...

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Informe Previo Nro. 1 Laboratorio de Sistema de Comunicaciones 2 Título: “Simulación de Modulación PAM, PDM(PWN) y PPM” Grupo Nro. 1 Autores:

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica-Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú

Resumen—El presente informe previo abarca la descripción teórica de los sistemas de modulación PAM, PWM y PPM. Empieza dando una definición de cada una de estas señales, para luego dar un contexto histórico sobre las primeras apariciones de estas señales y quienes fueron los primeros que la desarrollaron. Seguidamente se detallan las características de estas señales, que los diferencia una de la otra y las ventajas que estas tienen. Finalmente, habrá una descripción de los componentes que se usan para generar estas señales, así como información de los softwares que utilizaremos para las simulaciones en el informe final. Index Terms—Palabras claves: PAM, PWM, PPM, Señal de pulsos, muestreo, Matlab, Multisim.

OBJETIVOS Reconocer y describir la forma de onda de las modulaciones PAM, PDM(PWM), y PPM. I.

II.

INTRODUCCIÓN

En esta experiencia simularemos las modulaciones PAM,

PWM y PPM. Se observará las características de cada una de las modulaciones, así como las diferencias que existen entre ellos. Se presentará una comparación entre los tipos de modulación en tema de ventajas y desventajas. III.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS (PWM) La modulación por anchura de pulsos (o PWM, del inglés pulse-width modulation) es una técnica de modulación en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica para, entre otras cosas, variar la velocidad de un motor. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al período. Cuando más tiempo pase la señal en estado alto, mayor será la velocidad del motor. En cada instante de muestreo se genera un pulso de amplitud fija y ancho proporcional a los valores de muestra de f(t), con un ancho mínimo asignado al valor mínimo de f(t).

PREGUNTAS DEL INFORME PREVIO

III-A. Defina las modulaciones PAM, PDM(PWM) y PPM. MODULACIÓN POR AMPLITUD DE PULSOS (PAM) La modulación de amplitud de pulso se denomina como PAM (Pulse Amplitude Modulation) y se produce al multiplicar una señal f(t) que contiene la información por un tren de pulsos periódicos pT(t). Al realizar el producto, la amplitud de los pulsos será escalada en magnitud por la amplitud de la señal f(t). De esta manera el resultado final es un tren de pulsos cuyas amplitudes son función del valor de la señal f(t) en cada uno de ellos.

MODULACIÓN DE POSICIÓN DE PULSO (PPM) La Modulación por Posición de Pulso, o en inglés, Pulse Position Modulation (PPM), En donde la Amplitud y el ancho son fijos y la posición en variable, es un tipo de modulación en la cual una palabra de R bits es codificada por la transmisión de un único pulso que puede encontrarse en alguna de las posiciones posibles. Si esto se repite cada X

2 segundos, la tasa de transmisión es de R/X bits por segundo. Este tipo de modulación se usa principalmente en sistemas de comunicación óptica, donde tiende a haber poca o ningún tipo de interferencia por caminos múltiples. Si esto se repite cada X segundos, la tasa de transmisión es de R/X bits por segundo. Este tipo de modulación se usa principalmente en sistemas de comunicación óptica, donde tiende a haber poca o ningún tipo de interferencia por caminos múltiples.

había encontrado un método de conmutación / ajuste de energía eficiente y de bajo costo. Este mecanismo también necesitaba poder accionar motores para ventiladores, bombas

y

servos

robóticos,

y

necesitaba

ser

lo

suficientemente compacto para interactuar con atenuadores de lámparas. PWM surgió como una solución para este complejo problema.

Una de las primeras aplicaciones de PWM fue en el Sinclair X10, un amplificador de audio de 10W disponible en forma de kit en la década de 1960. Aproximadamente al mismo tiempo, PWM comenzó a usarse en el control de motores de CA. Es de destacar que, durante aproximadamente un siglo, algunos motores eléctricos de velocidad variable han tenido III-B. Estado del arte: ¿Quién desarrolló las modulaciones indicadas? PAM

una eficiencia decente, pero eran algo más complejos que los motores de velocidad constante y, a veces, requerían aparatos eléctricos externos voluminosos, como un banco de resistencias de potencia variable o convertidores

El segundo paso para convertir una señal de voz analógica

giratorios. como la unidad Ward Leonard. (GAZ.WIKI,

a una señal de voz digital es muestrear la señal de entrada

2015)

filtrada en una frecuencia de muestra constante. Es

PPM

realizado usando un proceso llamado la modulación de amplitud de pulso (PAM). Este paso utiliza la señal

En la literatura se encuentra el desarrollo a la medida de

analógica original para modular la amplitud de un tren de

moduladores PPM para pruebas en comunicaciones

pulsos que tenga una amplitud constante y una frecuencia.

ópticas, programación en FPGA de decodificadores

El tren de pulsos se mueve en una frecuencia constante,

PPM para comunicaciones láser de alta velocidad,

llamada la frecuencia de muestra. La señal de voz analógica se puede muestrear un millón de veces por segundo o en dos

patente de aparatos y métodos para PPM con entrada de

a tres veces por segundo. ¿Cómo se determina la frecuencia

datos digitales, patente de filtrado para PPM, patente

de muestra? Un científico con el nombre de Harry Nyquist

de protocolos de PPM, patente de modulaciones

descubrió que la señal analógica original puede ser reconstruida si se recogen bastantes muestras. Él determinó

ópticas usando PPM, moduladores PPM para

que, si la frecuencia de muestra es por lo menos dos veces

comunicaciones de alto ancho de banda, moduladores

la frecuencia más alta de la señal de voz analógica de

PPM para sistemas caóticos, para redes ópticas

entrada original, esta señal se puede reconstruir por un filtro de permiso reducido en el destino. (CISCO, 2016) PWM Algunas máquinas (como el motor de una máquina de coser) requieren potencia parcial o variable. En el pasado, el control (como en el pedal de una máquina de coser) se implementa mediante el uso de un reóstato conectado en serie con el motor para ajustar la cantidad de corriente que fluye a través del motor. Era un esquema ineficiente, ya que esto también desperdiciaba energía como calor en el elemento de resistencia del reóstato, pero era tolerable porque la energía total era baja. Si bien el reóstato era uno de los varios métodos para controlar la energía, aún no se

moduladores para sistemas CDMA, entre otros. (BALLESTEROS, GAMMA, & CAMACHO, 2008) III-C. Describa las características de las modulaciones indicadas, puede utilizar las guías del equipo Lucas Null, que se encuentran en el aula virtual Antes de empezar a describir cada una de las modulaciones debemos de saber que la señal portadora, quien es la que lleva la información, será un tren de pulsos uniforme.

3

Este tipo de señales puede ser descrito por 3 parámetros: ● ● ●

La amplitud. La duración de pulsos: Se expresa en porcentaje denominado Duty Cycle, que mide el tiempo en el cual la señal se encuentra en estado alto. La posición del ancho del pulso.

Las modulaciones PAM, PWM y PPM no son más que nada la variación de alguno de los 3 parámetros anteriormente mencionados de acuerdo a cómo varía la señal de información. MODULACIÓN POR AMPLITUD DE PULSOS (PAM) ●

●

Convierte una señal analógica en una señal de pulsos donde la información se encuentra contenida en la amplitud de esta señal pulsos, manteniendo el ancho y la posición de los pulsos constante. Esta modulación se consigue multiplicando una señal de información con un tren de pulsos uniforme.

Muestreo Instantáneo: La señal portadora es un tren de impulsos uniforme con un tiempo de duración cada uno. La amplitud de los pulsos generados de la señal modulada presenta una cresta plana.

La presencia de un filtro pasabajo convierte la señal f(t) en una señal limitada en banda con la finalidad de asegurar el teorema de muestreo a la hora de realizar la modulación PAM ●

Dependiendo del tipo de muestreo, la modulación PAM se puede clasificar en: Muestreo Natural: La señal de portadora es un tren de impulsos y la amplitud de estos adoptan la forma de la señal de información durante el tiempo que estén presentes.

●

Para demodular una señal PAM simplemente la hacemos pasar por un filtro pasa bajo, esto eliminará las réplicas y obtener el espectro correspondiente a la señal original, así como esta misma.

4

● ● ●

●

A la hora de convertir una señal analógica en digital, esta modulación es el primer paso es realizar dicha conversión. Es una modulación fácil de generar y de aplicar tanto a la hora de transmitirla como recepcionarla. La presencia de ruido afecta a dicha modulación a la hora de acoplarse, esto debido a que la información está en la amplitud, resultando difícil eliminarlo sin afectar la señal PAM. Presenta un ancho de banda muy grande a la hora de transmitirlo.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS (PWM) ●

La duración de los pulsos varía de acuerdo a cómo varía la señal de información, mientras que la amplitud y la posición de estos permanece constante.

●

Si en caso queremos demodular la señal y recuperar la información original usamos un filtro pasa bajo al igual que una señal PAM.

●

Presenta un alto rechazo a los efectos de ruido ya que la información no se encuentra en la amplitud de la señal de pulsos. Gracias a ello, podemos distinguir una señal PWM de una señal de ruido. Presenta un ancho de banda de transmisión mayor a la señal PAM. Esta señal es usada para el control de potencia que se le suministra a la carga como lo es regular la velocidad de un motor o el brillo de una bombilla.

● ●

MODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSOS (PPM) ●

●

La posición de los pulsos varía de acuerdo a la amplitud de la señal de información, a mayor amplitud, mayor desplazamiento del pulso y a menor amplitud, menor desplazamiento. La amplitud y el ancho de cada pulso permanece constante. Para generar una señal PPM, partimos de una señal PWM ya obtenida, con el detalle extra de que a este la hacemos pasar por un generador de pulsos monoestable. Este generador lo que hace es formar un pulso cada vez que haya un flanco de bajada en la señal PWM.

A causa de lo anterior, la señal PWM solo posee 2 niveles de amplitud: Un nivel bajo y uno alto. ●

Para generar una señal PWM utilizamos es siguiente circuito:

Primero se muestra la señal de información (el resultado es una señal PAM), luego se le suma con una señal rampa la cual está sincronizada con la señal muestreada ya que usan la misma señal de pulsos. Finalmente, la señal resultante es comparada con un nivel de referencia, en los casos donde la señal que ingresa al comparador es mayor a este valor, la salida será un nivel alto, caso contrario, la salida será un nivel bajo, obteniendo de esta manera pulsos de anchos variables.

●

Para demodular una señal PPM, hacemos el proceso inverso. Pasamos dicha señal a una señal PWM o PAM y luego aplicamos un filtro pasa bajo recuperando la información.

●

Tiene una alta inmunidad al ruido, permitiendo claramente distinguir esta señal de la señal PPM ya que este implica detectar un pulso en el instante de tiempo preciso. Se aplica en comunicación óptica debido a la baja interferencia que hay en la transmisión de la información por diversos canales, así como en la telemetría para el control de monitoreo y mediciones a distancia.

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5 Algo importante que podemos decir de las 3 modulaciones es que una proviene de otra, por lo que estas no son señales tan independientes entre sí: PAM - PWM -PPM Si pasamos de la señal PAM hacía una señal PPM, vemos una menor sensibilidad a la presencia de ruido, pero si pasamos de la señal PPM a la señal PAM, la complejidad del circuito es menor y por ende también lo es el costo. La implementación de alguna de las 3 modulaciones depende del propósito a realizar.

el cual nos dice que la frecuencia de muestreo debe ser mayor o igual a la frecuencia máxima de la señal modulante. Esta modulación también consta de un generador de pulsos, el cual puede ser representado por el integrado o temporizador IC 555 en su configuración astable, el cual tiene un diagrama circuital de la siguiente forma:

III-D. Explique los softwares de simulación a emplear que empleará en su simulación correspondiente. Los softwares de simulación que se usarán en el presente laboratorio son Matlab y Multisim: MATLAB Combina un entorno de escritorio perfeccionado para el análisis iterativo y los procesos de diseño con un lenguaje de programación que expresa las matemáticas de matrices y arrays directamente. Las apps de MATLAB le permiten ver cómo funcionan diferentes algoritmos con sus datos. Realice iteraciones hasta obtener los resultados deseados y, después, genere automáticamente un programa de MATLAB para reproducir o automatizar su trabajo. Este programa se usará para la creación de interfaces guide. MULTISIM Multisim es un software estándar en la industria para diseño de circuitos y simulación SPICE para electrónica de potencia, analógica y digital en la educación y la investigación. Multisim integra simulación SPICE estándar en la industria con un entorno esquemático interactivo para visualizar y analizar al instante el comportamiento de los circuitos electrónicos. Multisim tiene una interfaz intuitiva que ayuda a los profesores a reforzar la teoría de circuitos y a mejorar la teoría en todo el plan de estudios de ingeniería. Investigadores y diseñadores utilizan Multisim para reducir las iteraciones de prototipos PCB y ahorrar costos de desarrollo, añadiendo simulación potente de circuitos y análisis al flujo de diseño. Este programa se usará para la simulación circuital de las modulaciones PAM, PWM y PPM.

Otro elemento de la modulación PAM es el mezclador de frecuencias, el cual se realiza mediante una multiplicación de las ondas de entrada. En el caso de la modulación PWM, se usará el siguiente diagrama de bloques:

Esta modulación consta de un filtro antialiasing, un generador de onda triangular y un comparador. El generador de onda triangular se puede obtener a partir de una onda cuadrada que pasa por una malla integradora, su diagrama circuital queda expresado de la siguiente forma:

III-E. Describir los equipos empleados para las simulaciones a estudiar Para la modulación PAM se usará el siguiente diagrama de bloques:

Esta modulación está conformada primero por un filtro antialiasing, que es un filtro pasa bajos el cual se encarga de que se cumpla el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon,

El comparador usado en la modulación PWM es un amplificador operacional, el cual hace una comparación entre la señal moduladora y la señal triangular, si la señal moduladora es menor a la triangular el opamp se satura negativamente, obteniendo como resultado el voltaje de saturación negativa que le hayamos colocado. Si ocurre lo contrario; es decir, la señal moduladora es mayor a la señal triangular, se satura positivamente.

6 Para la modulación PPM se puede usar la señal modulada en PWM con un circuito monoestable, el cual generará un pulso cuando la señal PWM sea cero.

Para la construcción del circuito monoestable se puede usar el temporizador IC 555. El monoestable se tiene que diseñar de tal manera que cuando la señal PWM sea cero, se active el circuito generando un pulso en la salida. El circuito de un monoestable con el IC 555 es de la siguiente forma:

Para este caso el switch representaría la activación del circuito monoestable. 1.- Referencias ○

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BALLESTEROS, D. M., GAMMA, P., & CAMACHO, W. (2008). MODULACIÓN DE SEÑALES BINARIAS POR POSICIÓN DE PULSO EN DISPOSITIVOS. UTP, 6. CISCO. (2 de febrero de 2016). CISCO. Obtenido de https://www.cisco.com/c/es_mx/support/d ocs/voice/h323/8123-waveformcoding.html GAZ.WIKI. (2015). Obtenido de GAZ.WIKI: https://gaz.wiki/wiki/es/Pulse_width_mod ulation Comunicaciones Digitales: Modulación discreta de pulsos. (s.f.). Obtenido de http://www.itq.edu.mx/carreras/IngElect ronica/archivos_contenido/Apuntes %20de %20materias/CDF1202_Comm_Digitale s/5_PAM-PPM-PWM.pdf Lugoxy. (9 de abril de 2019). Modulación PAM, PPM, PWM.

Obtenido de: https://www.youtube.com/watch? v=H8dMt9sf-1I&t=302s...