[pt] DEMODULAÇÃO FSK POR MEIO DE FPGA

[en] FSK DEMODULATION USING FPGA

[pt] RUDAH MACIEL GUEDES

[pt] FPGA

[pt] GOERTZEL

[pt] DEMODULACAO

[pt] FSK

[en] FPGA

[pt] A modulação FSK é amplamente utilizada para a transmissão digital de dados em diversas áreas. No caso do monitoramento de dutos de transporte de petróleo por meio de sensores, o sistema de transmissão possui limitações físicas, como altas temperaturas e pressão, de modo que é restrito à métodos de transmissão mais simples, como a modulação FSK binária (B-FSK). Torna-se, portanto, fundamental que o sistema receptor seja capaz de realizar uma demodulação eficiente. Uma série de métodos pode ser considerada para essa tarefa, dentre eles o algoritmo Goertzel. Esse algoritmo é capaz de implementar um estreito filtro passa-banda sobre o sinal de entrada identificando a presença ou ausência de uma componente de frequência. Nesse contexto, o Field Programable Gate Array (FPGA) representa uma solução robusta de baixo custo para a demodulação de sinais FSK - através do algoritmo Goertzel - principalmente por conta da possibilidade de paralelização das estruturas digitais que tornam a execução do algoritmo menos demorada. Para a aplicação do algoritmo no FPGA foram desenvolvidas unidades de multiplicação e soma em ponto flutuante. Essa abordagem mostrou-se rápida - 1 ciclo de clock para a multiplicação e 4 ciclos de clock para a soma em ponto flutuante – e, ao mesmo tempo, custosa em termos dos recursos disponíveis na FPGA. Utilizando um conversor analógico-digital trabalhando a uma taxa de 500 mil samples por segundo na estação receptora e um transmissor operando a uma taxa de transmissão de 2500 bits/s foi possível observar que a aplicação do algoritmo Goertzel no FPGA com operações em ponto flutuante é eficaz, apresentando uma taxa de erros nula na demodulação de sinais BFSK de frequências entre 5 kHz e 200 kHz.

[en] FSK modulation is widely used for digital transmission of data in several areas. In the case of oil transport ducts, monitored by sensors, the transmission system has physical limitations such as, high temperatures and high pressure. Due to these limitations, the system is restricted to simpler transmission methods, like binary FSK (BFSK) modulation. It is therefore fundamental that the receptor system is able to perform an efficient demodulation. Among the possible methods that could be considered for the task, the Goertzel algorithm was chosen. This algorithm can implement a narrow band-pass filter over the input signal, identifying the presence or the absence of a frequency’s component. In this context, the Field Programmable Gate Array (FPGA) represents a robust low-cost solution for the FSK signals demodulation – through the Goertzel algorithm – mainly because of the possibility of parallelizing the digital structures that makes the algorithm’s execution faster. For the application of the algorithm in the FPGA, floating-point sum and multiplication units were developed. This approach is fast – 1 clock cycle for the multiplication and 4 clock cycles for the sum – but expensive in terms of the FPGA’s available resources. It was observed that, through the use of an analog-digital converter that works on a 500k samples per second rate in the receptor station and a transmitter operating at a 2500 bits per second rate, the application of the Goertzel algorithm in the FPGA with floating-point operations was effective. This presented a null error rate in the BFSK demodulation of frequencies between 5 kHz and 200 kHz.

MARCO ANTONIO GRIVET MATTOSO MAIA

2015-06-25

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.24819