MODULACION DIGITAL POR DESPLAZAMIENTO MINIMOMINIMUN SHIFT KEYNG

(MSK)

Es un tipo de modulación de fase continua de cambio de codificación de frecuencia que se desarrolló en la década de 1950 y 1960. Al igual que OQPSK, MSK se codifica con trozos alternando entre los componentes del cuaternario, con el componente de Q retrasado a la mitad. Sin embargo, en lugar de pulsos cuadrados que utiliza OQPSK, MSK codifica cada bit como un medio sinusoide. Esto se traduce en una señal constante modulada, lo que reduce los problemas causados por la distorsión no-lineal. Además de ser considerado en relación con OQPSK, MSK también puede ser visto como un cambio de fase continua de frecuencia con llave (CPFSK) de la señal con una separación de frecuencias de la mitad de la tasa de bits.

La señal resultante es representada por la fórmula:

Donde aI(t) y aQ(t) codifican la información par e impar, respectivamente, aunque con una secuencia de pulsos cuadrados de duración 2T. Usando la identidad trigonométrica, esto puede ser reescrito en un formulario en el que la fase y modulación de frecuencia son más evidentes:

Donde bk(t) es +1 cuando aI(t) = aQ(t) y -1 si son de signos opuestos, y φk es 0 si aI(t) es 1, y π si en lo contrario. Por lo tanto, la señal es modulada en frecuencia y fase, y la fase es continua y cambia de forma lineal.

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 (Baud rate (Br): Tasa de baudios: numero de unidades de señal por segundo) 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. 

 

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. 

A continuación se presenta un cuadro comparativo sobre las características de algunos tipos de modulación digital: 

TIPOS DE MODULACION

DIGITAL

CARACTERISTICAS

FSK Simple de implementar y espectro relativamente ancho. GFSK Simple de implementar y espectro 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.

Las señales MSK y GMSK se les denomina en ocasiones semi-modos. Obviamente, no es el nombre normal. Simplemente se hace para diferenciarlas de la familia de señales PSK, ya que ambas poseen características de PSK y FSK. 

El segundo armónico (segunda potencia) de estos semi-modos presenta dos fuertes líneas espectrales cuya separación es de Br. lo que es una de las principales características de estos semi-modos. 

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. 

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 semi-modos 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. 

Cuando esto ocurre el demodulador tienen problemas para seguir el desplazamiento de la fase, pudiendo ocurrir errores.

MSK mejora su rendimiento de error de bit, pero necesita circuitos de sincronización y por ello es difícil de implementar.

Por tanto MSK no es mas que una modificación de 0QPSK en la que los pulsos rectangulares se convierten en pulsos de media onda sinusoidal. El medio seno puede ser positivo, negativo o alternado.

MSK → La fase varia suavemente sin saltos discretos.La amplitud se mantiene constante.La distribución espectral cae rápidamente.La frecuencia de portadora se elige n * bits por segundo/4 n ≡ entero.BW|minima = 1,2/T T ≡ periodo.

Diferencia: la desviación en frecuencia indica “0” ó “1”.Las dos frecuencias se sincronizan con la velocidad de transmisión (Br) y se separan de la portadora por un múltiplo de Br/2.Frecuencia baja (0): - nBr/2Frecuencia alta (1): (n+2) Br/2 n = entero.

Para finalizar presentamos el esquema de un modulador y un demodulador MSK.

MSK – modulador

Demodulador MSK

X(t) portadora en fase cos (wct)Y(t) portadora en cuadratura sin (wct)El circuito de decisión establece si el voltaje detectado es “0” ó “1”.