{"id":109,"date":"2015-08-13T14:49:38","date_gmt":"2015-08-13T20:49:38","guid":{"rendered":"http:\/\/ferrustronix.com\/blog\/?p=109"},"modified":"2015-08-18T15:00:42","modified_gmt":"2015-08-18T21:00:42","slug":"demodulacion-de-senales-digitales-mediante-microcontroladores-pic18f4550-by-karel-toledo-de-la-garza","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/ferrustronix.com\/blog\/2015\/08\/13\/demodulacion-de-senales-digitales-mediante-microcontroladores-pic18f4550-by-karel-toledo-de-la-garza\/","title":{"rendered":"Demodulaci\u00f3n de se\u00f1ales digitales mediante microcontroladores PIC18F4550 by Karel Toledo de la Garza"},"content":{"rendered":"<div id=\"attachment_110\" style=\"width: 510px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"http:\/\/ferrustronix.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/se\u00f1al-digital1.jpg\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" aria-describedby=\"caption-attachment-110\" class=\"size-full wp-image-110\" src=\"http:\/\/ferrustronix.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/se\u00f1al-digital1.jpg\" alt=\"Se\u00f1al Digital\" width=\"500\" height=\"375\" srcset=\"http:\/\/ferrustronix.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/se\u00f1al-digital1.jpg 500w, http:\/\/ferrustronix.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/se\u00f1al-digital1-300x225.jpg 300w\" sizes=\"auto, (max-width: 500px) 100vw, 500px\" \/><\/a><p id=\"caption-attachment-110\" class=\"wp-caption-text\">Se\u00f1al Digital<\/p><\/div>\n<p>El presente art\u00edculo completo lo puedes encontrar en el siguiente link:\u00a0<a href=\"http:\/\/rci.cujae.edu.cu\/index.php\/rci\/article\/viewFile\/198\/pdf\" target=\"_blank\">Demodulaci\u00f3n de se\u00f1ales digitales mediante microcontroladores PIC18F4550<\/a><\/p>\n<p>Algunos de los materiales que utilizar\u00e1n los puedes encontrar en nuestra tiena online Ferrustronix:<\/p>\n<ul>\n<li><a href=\"http:\/\/ferrustronix.com\/store\/mx\/microcontroladores\/22-kit-pic18f4550.html\" target=\"_blank\">PIC18F4550<\/a><\/li>\n<\/ul>\n<p><strong>RESUMEN<\/strong><\/p>\n<p>El presente art\u00edculo aborda el empleo de un bloque detector de envolvente para demodular se\u00f1ales BFSK (Binary Frequency Shift Keying, modulaci\u00f3n digital de dos frecuencias) que pueda ser usado en aplicaciones donde se desconoce el tiempo del s\u00edmbolo de la fuente. Presenta una estructura interna caracterizada por cuatro filtros del tipo FIR (Finite Impulse Response, respuesta finita al Impulso), que son inherentemente estables y se implementan siempre por una misma ecuaci\u00f3n de diferencias gen\u00e9rica. Para validar el demodulador, se implementa en un PIC18F4550 de microchip interconectado con una computadora a trav\u00e9s del puerto USB. Para gestionar la operaci\u00f3n del sistema, se desarrolla en la computadora un software en Matlab que incluye la estimaci\u00f3n de las frecuencias de la modulaci\u00f3n a trav\u00e9s del algoritmo de la transformada r\u00e1pida de Fourier, as\u00ed como el env\u00edo y recepci\u00f3n de las se\u00f1ales moduladas y demoduladas. En el microcontrolador se realiza la convoluci\u00f3n entre las muestras de entrada a los filtros y sus coeficientes, apoy\u00e1ndose en dos tablas almacenadas en memoria que sustituyen la operaci\u00f3n de multiplicaci\u00f3n, esto con el objetivo de asegurar la rapidez de respuesta del sistema. La soluci\u00f3n final permite demodular se\u00f1ales BFSK a trav\u00e9s de la interconexi\u00f3n de Matlab con el PIC18F4550. Se efect\u00faa un an\u00e1lisis costo-beneficio teniendo en cuenta la demora de procesamiento en el PIC, el consumo de memoria de c\u00f3digo y de datos y se compara con los resultados obtenidos en la implementaci\u00f3n sobre un FPGA (Field Programmable Gate Array, arreglo de compuertas programables) Spartan3E de Xilinx.<\/p>\n<p><strong>INTRODUCCI\u00d3N<\/strong><\/p>\n<p>La modulaci\u00f3n digital es el proceso mediante el cual se incorpora la informaci\u00f3n que poseen determinados s\u00edmbolos digitales en forma de onda compatibles con las caracter\u00edsticas del canal; lo que se logra variando la fase, amplitud o frecuencia de una se\u00f1al denominada portadora. Este proceso se lleva a cabo en el bloque transmisor, que es el encargado de acoplar la se\u00f1al al canal de comunicaciones para combatir efectos indeseables, tales como la distorsi\u00f3n de amplitud, el ruido, la atenuaci\u00f3n y la interferencia. El receptor debe realizar el proceso inverso para as\u00ed recuperar el mensaje.<\/p>\n<p>FSK (Frequency Shift Keying) es una de las modulaciones digitales con empleo en las comunicaciones satelitales y en los enlaces inal\u00e1mbricos [1,2]. Entre las modulaciones empleadas se encuentra BFSK en la cual, la informaci\u00f3n va contenida en la frecuencia instant\u00e1nea de la portadora [3], que cambia de acuerdo con dos s\u00edmbolos digitales: 0 y 1; los cuales se asocian cada uno a frecuencias distintas.<\/p>\n<p>A la portadora se le asignan dos frecuencias diferentes, cada una destinada a identificar un s\u00edmbolo durante el tiempo que dure este en la fuente. En la figura 1 se presenta un ejemplo de la modulaci\u00f3n BFSK; la gr\u00e1fica superior muestra la informaci\u00f3n binaria o mensaje y la inferior el tono modulado donde la frecuencia cambia para cada s\u00edmbolo de informaci\u00f3n.<\/p>\n<p>El tiempo que dura el s\u00edmbolo en la fuente o el bit coinciden debido a que es una modulaci\u00f3n binaria.<\/p>\n<p>Las se\u00f1ales con las cuales se opera, se encuentran almacenadas en formato para archivos de sonido tipo Microsoft WAVE (extensi\u00f3n.wav), de las cuales no se conoce el tiempo de s\u00edmbolo y esto conlleva utilizar m\u00e9todos que prescindan de este par\u00e1metro para demodular.<\/p>\n<p><strong>CONFORMACI\u00d3N DEL SISTEMA EN EL PIC<\/strong><\/p>\n<p>El demodulador de la figura 2 es muy sugerente para su implementaci\u00f3n en un microcontrolador, con vistas a emplearse en un sistema portable que funcione en tiempo real. La propuesta de sistema que se muestra en la figura 3, con motivos de validaci\u00f3n consiste en emplear una computadora que almacene las se\u00f1ales moduladas y reciba las se\u00f1ales demoduladas de un PIC18F4550 de Microchip.<\/p>\n<div style=\"width: 468px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><a href=\"http:\/\/ferrustronix.com\/store\/mx\/microcontroladores\/22-kit-pic18f4550.html\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/ferrustronix.com\/store\/74-large_default\/kit-pic18f4550.jpg\" alt=\"Kit PIC18F4550\" width=\"458\" height=\"458\" \/><\/a><p class=\"wp-caption-text\">Kit PIC18F4550<\/p><\/div>\n<p>Ambos bloques se comunican entre s\u00ed mediante una interfaz USB. En la computadora se desarroll\u00f3 un programa en Matlab que permite controlar la operaci\u00f3n del sistema. Esta aplicaci\u00f3n carga la se\u00f1al de un archivo .wav para luego estimar las frecuencias de trabajo f1 y f2, hallando los m\u00e1ximos de la transformada r\u00e1pida de Fourier (FFT). Estos valores de frecuencia son utilizados para obtener los coeficientes correspondientes a cada filtro del detector de envolvente.<\/p>\n<p>Los coeficientes de los filtros se calculan mediante el empleo del m\u00e9todo de la ventana de Kaiser, la cual requiere de dos par\u00e1metros: \uf062 que define la forma de la ventana y N = M + 1 que es el n\u00famero de muestras o longitud. Variando estos par\u00e1metros se puede ajustar el ancho del l\u00f3bulo principal y la amplitud de los l\u00f3bulos secundarios, lo cual permite controlar el efecto Gibbs. Este m\u00e9todo es superior a los otros de ventana dado que permite, a trav\u00e9s de la variaci\u00f3n de los par\u00e1metros, ajustar sus caracter\u00edsticas para as\u00ed lograr las especificaciones del filtro deseadas.<\/p>\n<p>El detector de envolvente necesita de la conformaci\u00f3n de cuatro filtros FIR, dos para cada rama.<\/p>\n<p>La respuesta del filtro y(n), depende de la suma de productos de las entradas retardadas y los coeficientes wi del filtro en cuesti\u00f3n. En este dise\u00f1o se supone conocida la amplitud de las se\u00f1ales a demodular, en este caso normalizadas entre -1 y 1. El detector de envolvente est\u00e1 conformado por dos ramas, como se muestra en la figura 2.<\/p>\n<p>La implementaci\u00f3n de este esquema permite fijar el umbral de detecci\u00f3n a la salida, esto independiente de la amplitud de la se\u00f1al recibida. No obstante, en los casos en los cuales la amplitud de la se\u00f1al recibida sea conocida es posible implementar una sola rama del detector, lo cual reduce el consumo de hardware a la mitad.<\/p>\n<p>Para acelerar el procesamiento en el PIC al obtener la respuesta de los filtros utilizando la ecuaci\u00f3n (2), se propone emplear datos enteros con precisi\u00f3n de 8 bits con signo en cada una de las operaciones, adem\u00e1s de definir la multiplicaci\u00f3n y adici\u00f3n por medio de tablas almacenadas en la memoria de datos del PIC. Primero, los coeficientes calculados en Matlab y la se\u00f1al a demodular se llevan a escala de 42, as\u00ed por ejemplo, se asocia el 42 con el m\u00e1ximo de la se\u00f1al de entrada. Esta escala garantiza que no ocurra un desbordamiento al efectuarse la multiplicaci\u00f3n del m\u00e1ximo de la se\u00f1al de entrada por el m\u00e1ximo valor de los coeficientes y por tanto el resultado final no supera 127. Con estos nuevos coeficientes se conforma una matriz que contiene tantas filas como cantidad de coeficientes y 84 columnas que representan todos los posibles valores positivos y negativos que puede tomar la se\u00f1al modulada. En cada fila se almacenan los resultados de multiplicar el coeficiente correspondiente con cada posible valor a tomar por la se\u00f1al modulada. Las dos matrices, una para el filtro pasabanda y otra para el pasabajo, son enviadas inicialmente al microcontrolador. Se desea sustituir la operaci\u00f3n de multiplicar n\u00fameros con precisi\u00f3n de punto flotante por una b\u00fasqueda del valor correspondiente en la tabla almacenada en memoria de c\u00f3digo. La envolvente obtenida es enviada a la computadora a trav\u00e9s de la interfaz USB.<\/p>\n<p>Para medir el tiempo de procesamiento en el PIC se utiliza a Timer0 como temporizador en modo de 16 bits y trabajando con un oscilador a 48 MHz. Cada vez que se desborda el timer se activa la interrupci\u00f3n y se incrementa una variable que indica cu\u00e1ntas veces se ha ejecutado la subrutina, siendo posible al terminar el procesamiento leer los registros de conteo del Timer0 y el valor de la variable para as\u00ed estimar la demora de procesamiento de la se\u00f1al BFSK.<\/p>\n<p><strong>CONFORMACI\u00d3N DEL SISTEMA EN EL FPGA<\/strong><\/p>\n<p>El dise\u00f1o consiste en emplear una computadora que almacena las se\u00f1ales moduladas y recibe las se\u00f1ales demoduladas por una tarjeta Xilinx Starter Kit con circuito FPGA Spartan3E. Ambos bloques se comunican entre s\u00ed mediante una interfaz serie RS-232 o Ethernet. En la computadora se desarroll\u00f3 un programa en Matlab, con una interfaz gr\u00e1fica de usuario que permite controlar la operaci\u00f3n del sistema y que presenta adem\u00e1s un panel de control donde se seleccionan las opciones de demodulaci\u00f3n mediante las funciones propias del Matlab o mediante el empleo del circuito FPGA.<\/p>\n<p>Cuando se activa la acci\u00f3n de efectuar la demodulaci\u00f3n por medio del FPGA, el programa calcula de forma autom\u00e1tica, los coeficientes de los filtros a partir de la determinaci\u00f3n de las frecuencias de trabajo f1 y f2, de la misma manera que en el sistema con PIC. Los coeficientes de cada uno de los filtros se calculan empleando el m\u00e9todo de la ventana de Kaiser. Estos coeficientes y la se\u00f1al a demodular se env\u00edan al circuito FPGA mediante la comunicaci\u00f3n RS-232 o Ethernet, ambas variantes fueron implementadas. A medida que el demodulador BFSK situado en el circuito FPGA procesa las se\u00f1ales, se env\u00edan las envolventes de las mismas hacia la aplicaci\u00f3n de Matlab.<\/p>\n<p>Por \u00faltimo, la etapa de decisi\u00f3n puede ejecutarse en Matlab y se determina la se\u00f1al demodulada.<\/p>\n<p>En el circuito FPGA se implementa un procesador MicroBlaze configurado con varios perif\u00e9ricos conectados al bus PLB: el controlador est\u00e1ndar de interfaz RS-232 xps_uartlite y el de Ethernet xps_ethernetlite, adem\u00e1s del m\u00f3dulo IP del demodulador BFSK especialmente dise\u00f1ado para esta investigaci\u00f3n. Para este dise\u00f1o se consume el 28 % de los Slices del Spartan-3E y 3 de sus 20 multiplicadores de 18 bits.<\/p>\n<p>Microblaze es el que se encarga de realizar en el FPGA, todas las operaciones de convoluci\u00f3n entre la se\u00f1al y los coeficientes del filtro correspondiente, adem\u00e1s de gestionar la comunicaci\u00f3n con la computadora. Primeramente se cargan los coeficientes de los filtros calculados en Matlab hacia el FPGA. Se comienza por enviar desde Matlab a Microblaze el n\u00famero de coeficientes de cada uno de los filtros FIR que se emplear\u00e1n. En Microblaze se crea un arreglo para almacenarlos en la memoria interna del FPGA.<\/p>\n<p>Al t\u00e9rmino de recibir cada secuencia de coeficientes, el procesador MicroBlaze env\u00eda una confirmaci\u00f3n al programa Matlab para indicar que est\u00e1 listo para recibir nuevas secuencias. De esta forma se env\u00edan todos los coeficientes de cada tipo de filtro. Luego de la recepci\u00f3n de todos los coeficientes solo falta decodificar la direcci\u00f3n apropiada en el m\u00f3dulo IP Detector de Envolvente y enviarle los coeficientes de cada filtro y sus se\u00f1ales correspondientes.<\/p>\n<p><strong>BIBLIOGRAF\u00cdA<\/strong><\/p>\n<p><em>de la Garza, K. T., &amp; G\u00f3mez, J. T. (2013). Demodulaci\u00f3n de se\u00f1ales digitales mediante microcontroladores PIC18F4550. Revista Cubana de Ingenier\u00eda, 4(3), 61-66.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>El presente art\u00edculo completo lo puedes encontrar en el siguiente link:\u00a0Demodulaci\u00f3n de se\u00f1ales digitales mediante microcontroladores PIC18F4550 Algunos de los materiales que utilizar\u00e1n los puedes encontrar en nuestra tiena online Ferrustronix: PIC18F4550 RESUMEN 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