espectroscopía de frecuencia modulada digital

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Espectroscopía de FrecuenciaModulada Digital

Tesis presentada por Luis Carlos Díaz Bautistapara obtener el grado de Maestría en Ingeniería Electrónica

2018

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Índice general

1. Introducción 5

2. Espectroscopia FM 9

3. Espectroscopia FM Digital 133.1. Señal de interrogación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2. Principio de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3. Obtención de curvas de Absorción y Dispersión . . . . . . . . . . . . 18

4. Simulación 22

5. Montaje Experimental 255.1. Dispositivo pasivo resonante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.2. Configuración de plataforma SDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.3. Operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6. Resultados 31

7. Conclusiones 34

Bibliografía 36

2

Índice de figuras

2.1. Diagrama de Bloques FMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2. Espectro generado por FMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3. Arquitectura propuesta para la interrogación usando plataformas di-

gitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.1. Esquema de modulación BFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2. Señal cuadrada periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3. Espectro FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4. Espectro de interrogación BFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5. Diagrama de operación del principio superheterodino . . . . . . . . . 21

4.1. Señal de dispersión simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2. Algoritmo implementado en la simulación DFSK . . . . . . . . . . . . 24

5.1. Diagrama de montaje experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.2. Montaje experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.3. Respuesta en frecuencia de la cavidad resonante . . . . . . . . . . . . 275.4. Arquitectura BladeRF, tomado de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285.5. Asignación de bloques funcionales dentro de la arquitectura . . . . . 295.6. Arquitectura del transceiver LMS6002D . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.1. Dispersión medida utilizando el principio DFMS . . . . . . . . . . . . 336.2. Absorción medida utilizando el principio DFMS . . . . . . . . . . . . 33

3

Índice de cuadros

5.1. Configuración de parámetros del transceiver digital . . . . . . . . . . 30

4

Capítulo 1

Introducción

5

Capítulo 1. Introducción 6

La medición de variables físicas en diferentes aplicaciones puede implicar un retode ingeniería cuando la variable que se desea monitorear se encuentra en ambienteshostiles. Dichos ambientes pueden ser altamente corrosivos; incluso, operar a tempe-raturas lo suficientemente altas para que algunos materiales y/o dispositivos basadosen silicio no operen adecuadamente.Otra reto en la monitorización de variables es el acceso de un instrumento de me-dición a la variable que se desea medir, suponga que se desea medir la fuerza a laque está sometida una columna dentro de una estructura civil, levantar la estructurapara medir con una galga extensiométrica no sería una solución viable. Por lo tanto,existe la necesidad de alojar sensores que permitan la medición de dichas variablesfísicas dentro del ambientes de difícil acceso.Las anteriores consideraciones imponen restricciones sobre el suministro de energíade los sensores en estos ambientes donde no se puede depositar, cargar y/o reempla-zar un sistema de baterías. De igual manera, es posible que no se pueda instalar unsistema propio de suministro de energía externa como un panel solar o similar. Unejemplo de esto son aplicaciones médicas como la medición de presión intraocularpara pacientes con glaucoma, donde se dispone de un volumen bastante reducidopara hacer la medición.Para los casos anteriormente mencionados se utilizan sensores pasivos resonantes,son dispositivos que en un estado básico presentan una frecuencia de resonancia,la cual puede ser modificada por cambios en una variable física como la humedad,presión, la presencia de algún elemento o compuesto químico, etc.

Algunos ejemplos de sensores pasivos resonantes utilizados en situaciones conlas características anteriormente mencionadas son: Sensores para monitorear la in-tegridad de las estructuras en obras civiles [12], medición de agentes peligrososen sistemas de aguas[10], aplicaciones médicas incluidas la medición de presiónintraocular[4, 5, 13] o medición de presión gastrointestinal[11].

El incremento en la utilización de este tipo de sensores en la industria promueve eldesarrollo de unidades de interrogación que permitan medir la variable deseada[2][7].Un hito importante en el diseño de estas unidades de interrogación es la obtenciónde dispositivos inalámbricos que permitan la medición a distancias cada vez mayoressin un aumento sustancial de la potencia de la señal de interrogación; para lograr


esto, es necesario aumentar la sensibilidad de la técnica de interrogación.

En [9] se presenta una técnica de interrogación para dispositivos pasivos reso-nantes que utiliza una espectroscopia de frecuencia modulada FMS (Frequency Mo-dulated Spectroscopy). Los autores consiguen portar con éxito una técnica de inte-rrogación del campo de la óptica al campo de las radiofrecuencias para obtener unamedición de alta sensibilidad para sensores pasivos resonantes. La técnica FMS ade-más de presentar una alta sensibilidad tiene como ventaja la posibilidad de hacerel seguimiento a la variable que se está interrogando mediante un control de lazocerrado.

Durante este trabajo se va a explorar la interrogación de dispositivos pasivosresonantes mediante la utilización de una señal de interrogación modulada que per-mita conservar las ventajas que presenta FMS y proponer alternativas de mitigar susdesventajas.

Para la implementación de la unidad de interrogación se utiliza una plataformade software definido por radio SDR (Software Defined Radio), las SDR son sistemasque permiten implementar funciones de radio a partir de una capa software[3]. Altiempo contienen unidades de procesamiento digital que sirven como generadoresy/o procesadores digitales de señal. Para poder portar la arquitectura FMS a unaplataforma definida por radio, es necesario hacer una revisión de la técnica que per-mita a una unidad de lectura de dispositivos pasivos resonantes [6] ser implementadaen una plataforma de radio genérica.

El objetivo del presente trabajo es presentar al lector la fundamentación básicay detallada de una técnica de interrogación de sensores pasivos resonantes, La cualconserva las ventajas de FMS y adicionalmente permite su implementación sobre pla-taformas SDR genéricas. El resultado esperado es aumentar el rango de frecuenciasen las que se puede hacer la interrogación. Adicionalmente se provee al sistema con lacapacidad de procesamiento digital en banda intermedia inherente a las plataformasSDR. Para lograr esto, en el capítulo 2 se presenta un resumen con las generalidadesde la técnica de interrogación FMS y se propone una arquitectura para una unidadde lectura digital. Adicionalmente, en el capitulo 3 se presenta la fundamentacióndel principio que permite portar la técnica a una plataforma digital. Después en


el capítulo 4 se presentan mediante un algoritmo el método de espectroscopia digi-tal, posteriormente, en el capítulo 5 se explora la implementación del método sobreuna plataforma de radio definida por software, para finalmente presentar resultados,conclusiones y recomendaciones del trabajo en el capítulo 6.

Capítulo 2

Espectroscopia FM

9

Capítulo 2. Espectroscopia FM 10

En la figura 2.1 se ilustra la arquitectura típica de FMS. El interrogador transmiteuna señal modulada en frecuencia (FM), La frecuencia fc de la portadora es variablede manera que se pueda hacer con ella un barrido de frecuencia sobre el sensor pasivoresonante. El mensaje que se modula es un tono sencillo a una frecuencia fm.

El espectro generado por la modulación contiene un componente centrado en fc

y dos bandas laterales simétricas de menor potencia situadas en fc − fm y fc + fm

(ver figura 2.2). Los componentes espectrales transmitidos tienen una separación fm;para una correcta interrogación se debe garantizar que la respuesta del sensor pasivoresonante solo afecte un componente del espectro a la vez como se aprecia en la figura2.2.

FMModulator

passivewirelessresonantsensor

BPF

LPF

r2

DC signal

mixer

fc

m(t)

message modulation sensor

receptor

Figura 2.1: Diagrama de Bloques FMS

La señal modulada se transmite de forma inalámbrica a través del dispositivopasivo resonante y así obtener una señal recibida que es una versión de la señal deinterrogación afectada por la respuesta del sensor. La señal recibida pase por un dis-positivo de ley cuadrada y un filtro pasabandas, se mezcla por una señal senosoidalpura cuya frecuencia coincide con la mensaje original. Tras un proceso de filtrado enbanda base se obtiene una señal de DC que es proporcional a la dispersión y a laabsorción del sensor pasivo resonante iluminado.


Δ𝛿 Δ𝜑

ωc ωc + ωmωc - ωm

Frequency

Am

plit

ude

Figura 2.2: Espectro generado por FMS

En la arquitectura planteada por [9] hay dos elementos cuyo rendimiento se pue-de ver afectado a medida que la frecuencia aumenta, uno es el modulador FM, estetipo de dispositivos se fabrica para operar en rangos de frecuencias que oscilan en los100MHz, esto impone restricciones a la hora de interrogar dispositivos resonantescuya frecuencia esté muy por encima de este rango. Por otro lado, hay un disposi-tivo de ley cuadrada en la banda de radiofrecuencias, estos dispositivos presentanrestricciones en su rango de operación a frecuencias relativamente altas.

La figura 2.3 presenta una alternativa que incorpora el concepto del principiosuperheterodino, de esta manera, la señal modulada con la que se realiza la inte-rrogación se genera en una banda intermedia y es llevaba después a la banda deradiofrecuencias. De forma similar, la señal que contiene la respuesta del dispositivopasivo resonante se puede llevar a banda intermedia en donde se puede realizar unprocesamiento digital que demande una menor exigencia computacional. El siguientecapítulo presenta una sustentación formal del principio anteriormente expuesto, enel mismo, se selección de una modulación digital acorde con la aplicación, así comola manera en la que se puede hacer el barrido de frecuencias usando la topologíadescrita en la figura 2.3. Adicionalmente, hay una descripción de un receptor quepermita obtener las curvas de absorción y dispersión del dispositivo interrogado.


passivewirelessresonantsensor

DC signal

DigitalModulator

Receptor

carrier

message modulation sensor

Figura 2.3: Arquitectura propuesta para la interrogación usando plataformas digita-les

Capítulo 3

Espectroscopia FM Digital

13

Capítulo 3. Espectroscopia FM Digital 14

3.1. Señal de interrogación

Se utiliza la modulación BFSK para iluminar los sensores pasivos por su analogíacon la señal FM. En la modulación BFSK se utiliza la conmutación de dos tonoscos((ω+∆ω)t) y cos((ω−∆ω)t) para representar dos símbolos diferentes, el tiempoque hay entre símbolos se define como tiempo de bit (Tb). La (figura 3.1) muestraun esquema de modulación BFSK. Donde, r(t) es un señal periódica que representamatemáticamente la conmutación cada Tb segundos, esta señal se ilustra en la (figura3.2). La salida del modulador está descrita por (3.1) [8]. El espectro generado por lamodulación BFSK está dado por dos tonos modulados en amplitud por las señalescuadradas r(t) y r(t+ Tb), como se describe en (3.2).

cos((ωc+∆ω)t)

r(t) ×

Σ s(t)

r(t+ Tb) ×cos((ωc−∆ω)t)

Figura 3.1: Esquema de modulación BFSK

s(t) = r(t) · cos((ωc +∆ω)t) + r (t− Tb) · cos((ωc −∆ω)t) (3.1)

S(jω) =1

2[R(jω + jωc + j∆ω) +R(jω − jωc − j∆ω)]

+1

2[RT (jω + jωc − j∆ω) +RT (jω − jωc + j∆ω)]

(3.2)


t

r(t)

1

-Tb 0 Tb Tb-Tb2 2

... ...

Figura 3.2: Señal cuadrada periódica

Donde R(jω) es la transformada de Fourier de la señal cuadrada r(t) y RT (jω)

es la transformada de Fourier de la señal r(t− Tb). R(jω) se encuentra definido por(3.3).

R(jω) =∞∑

k=−∞

Ak · δ[ω − π(2k + 1)

Tb

]+ 2πδ(ω) (3.3)

Siendo:

Ak =4

2k + 1(−1)k

Usando la transformada de Fourier se pueden relacionar las expresiones R(jω) yRT (jω) mediante (3.4).

RT (jω) = R(jω) · e−jωTb (3.4)

~ ~ ωωc ωc+∆ωωc-∆ω

S(jω)Tbπ

Tbπ

Figura 3.3: Espectro FSK


De (3.3) de deduce que el espectro generado es un conjunto de pulsos ubicados enω = 0,±π/Tb,±3π/Tb,±5π/Tb, ..., (2k+1)π/Tb. Si se reemplazan lo valores posiblesde ω en (3.4) se llega a que RT (jω) = −R(jω), por lo tanto (3.2) puede ser reescritacomo en (3.5). El espectro de (3.5), corresponde a dos tonos centrados en ω −∆ω yω +∆ω con componentes laterales ubicadas a π/Tb[rad/s], (figura 3.3).

S(jω) =1

2[R(jω + jωc + j∆ω) +R(jω − jωc − j∆ω)]

−1

2[R(jω + jωc − j∆ω) +R(jω − jωc + j∆ω)]

(3.5)

Para lograr que el espectro de la señal de interrogación sea simétrico, la separaciónentre los tonos centrados en ω − ∆ω y ω + ∆ω y sus componentes laterales debenser igual a ∆ω. Si los parámetros de la modulación cumplen la restricción dada por(3.6), el espectro de la señal de interrogación es como el de la (figura 3.4). De estemodo se logra generar un espectro análogo al que utiliza el principio FMS (figura2.2).

π

Tb

= ∆ω

Rb =1

Tb

=∆ω

π= 2∆f

Rb = 2∆f

(3.6)

~ ~ ωωc

S(jω)

ωc-∆ω ωc+∆ω

Tbπ

Tbπ

Figura 3.4: Espectro de interrogación BFSK


3.2. Principio de operaciónLa figura 3.5 muestra como se aplica el principio de un transceptor superhetero-

dino a la interrogación de circuitos pasivos resonantes, se utiliza este principio paradesplazar el espectro de la señal de interrogación S(jω) a las distintas bandas dondepuede estar localizado el dispositivo pasivo resonante.

a En la figura 3.5a se diferencian el espectro de interrogación producido porla modulación BFSK en banda intermedia, y la respuesta en frecuencia delsensor pasivo resonante en banda de radiofrecuencia centrado en ω0. Para poderutilizar la señal de banda intermedia S(jω) para interrogar el sensor pasivoresonante es necesario que la separación entre las componentes principales delespectro formados por S(jω) sea mayor que el ancho de banda del dispositivopasivo resonante.

b Para interrogar el dispositivo pasivo resonante con la señal de interrogaciónes necesario usar un mezclador de readiofrecuencia y un oscilador local. Lafrecuencia del oscilador será tal que permita que el espectro que antes estabaen señal intermedia quedé ubicado en la parte del espectro en donde resuenael dispositivo pasivo como se muestra en 3.5b.

c Se procede a desplazar el espectro de la señal de interrogación a través de larespuesta en frecuencia del dispositivo pasivo resonante como se indica en 3.5c.Para lograr esto, de manera discreta se hacen incrementos de la frecuenciadel oscilador local, consiguiendo de esta manera una versión de la señal deinterrogación en banda intermedia que contiene la información de la dispersióny absorción asociadas al dispositivo pasivo resonante.

d Finalmente, se utiliza un mezclador y el oscilador local (3.5d) para obtener enbanda intermedia la señal modulada que ha sido afectada por la respuesta enfrecuencia del dispositivo pasivo resonante S ′(jω). Por cada punto en el barridode frecuencia se va a producir una respuesta diferente que contiene informaciónde la curva de absorción y dispersión.

De esta manera se utiliza el principio superheterodino para obtener informaciónde un sensor pasivo resonante en una señal de banda intermedia. Como S ′(jω) se


encuentra en banda intermedia, su procesamiento va a resultar más simple en ter-minos computacionales, las tecnologías disponibles actuamente en paltaformas deradio definidas por software permiten hacer una discretización de señales en bandaintermedia para su posterior procesamiento de forma digital.

3.3. Obtención de curvas de Absorción y Disper-sión

Una vez se tiene la señal S ′(jω), se procede a completar el lazo de recepción delprincipio FMS para obtener las señales de absorción y dispersión. Para lograr esto,es necesario definir la función de transferencia del sensor pasivo resonante como semuestra en (3.7).

Tn = e−δn−jϕn (3.7)

Donde Tn corresponde a la respuesta del sensor pasivo resonante para una fre-cuencia n. En la cual δn es la atenuación de amplitud para esta frecuencia y ϕn esel cambio de fase que le proporciona a esta misma frecuencia. Los valores de interésque puede tomar n, se escriben en (3.8). A partir de esto, se puede escribir la señalS ′(t) como (3.9).

n = −1 para ω = ωc −∆ω

n = 0 para ω = ωc

n = 1 para ω = ωc +∆ω

(3.8)

S ′(t) = 2πT−1ej(ωc−∆ω)t

+ 8T0ejωct

+ 2πT1ej(ωc+∆ω)t

(3.9)


Esta señal S ′(t) se eleva al cuadrado y se filtran las componentes frecuencialesubicadas en 2ωc. Teniendo en cuenta que la separación entre las componentes del es-pectro de la señal de interrogación son mayores que el ancho de banda del sensor. Seasume que las atenuaciones en amplitud, y los corrimientos en fase que ocurren fuerade la respuesta del sensor pasivo resonante, son constantes. Como se indica en (3.10).

δ−1 = δ0 = δ

ϕ−1 = ϕ0 = ϕ(3.10)

Por otro lado, si el valor de las expresiones mostradas en (3.11) es << 1, lostérminos que contienen estas expresiones, son despreciables [1].

|δ0 − δ−1|

|δ0 − δ1|

|ϕ0 − ϕ−1|

|ϕ0 − ϕ1|

(3.11)

Por lo tanto, la señal recibida en banda intermedia S ′(t) elevada al cuadrado,esta dada por (3.12).

|S ′(t)|2 =e−2δ0 [64

+16π ·∆δ · cos(∆ω)

+16π ·∆ϕ · sin(∆ω)]

(3.12)

Donde ∆δ y ∆ϕ corresponden respectivamente al cambio relativo de la absorcióny dispersión debidos al sensor pasivo resonante (3.13).


∆δ = δ − δ1

∆ϕ = ϕ1 − ϕ(3.13)

Para obtener la absorción y la dispersión, la señal |S ′(t)|2 es mezclada con unaseñal senoidal en fase o en cuadratura de frecuencia πRbt. Los valores de absorcióno dispersión quedan expresados mediante un valor en DC.


ωc-∆ω ωc+∆ωωc

~ ~

ω0

SensorResponse

|H(jw)|

~ ~ ω

RF~ ~Intermediate Band

(a)

S( jw)|H(jw)|~ ~ ω

~ ~S( jw)ejωLOt

LocalOscillator

ωLO+ωc-∆ω

ωLO+ωc+∆ω

ωLO+ωc

(b)

~ ~ ω

~ ~

ωLO sweeps

S( jw)ejωLOt

ωLO+ωc-∆ω

ωLO+ωc+∆ω

ωLO+ωc

(c)

LocalOscillator|H(jw)|

~ ~ ωωc-∆ω ωc+∆ωωc

~ ~

S'( jw)

(d)

Figura 3.5: Diagrama de operación del principio superheterodino

Capítulo 4

Simulación

22

Capítulo 4. Simulación 23

El algoritmo descrito en la figura 4.2 detalla los pasos principales para obteneruna espectroscopia digital usando la técnica descrita en el capítulo 3. El algoritmo fueimplementado usando la herramienta de software matemático Matlab de Mathworks,para la simulación del dispositivo resonante se utilizó un filtro pasabandas con unafrecuencia central fc de 590MHz y un factor de calidad de 200.

Se hace un barrido de la frecuencia del oscilador local ωLO0 desde ωinicio =

589MHz hasta ωfinal = 591,5MHz en pasos de ωpaso = 100kHz. De esta mane-ra, es posible almacenar los valores DC[i] y ωLO[i] de cada iteración que permitenhacer la reconstrucción de las curvas de absorción y dispersión del sensor pasivoresonante.

Una vez que se obtienen las curvas de absorción y dispersión es posible obtenerla frecuencia de resonancia del dispositivo resonante utilizando cualquiera de las doscurvas. En el caso de la curva de absorción cuando se obtiene un máximo. En el casode la curva de dispersión se puede detectar mediante su paso por cero, que coincidecuando se anula la parte reactiva del dispositivo.

La figura 4.1 muestra los resultados de la simulación para la curva de dispersión.

589 589.5 591 591.5590 590.5

Frequency (MHz)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

No

rma

lize

d a

mp

litu

de

DFMS Ou put Signal

Figura 4.1: Señal de dispersión simulada

Capítulo 4. Simulación 24

Ajustar parámetros Tb, F1, F2, Fs

Generar señal moduladaFSK, S(t)

configurar ωLO = ωinicio

Mezclar S(t) · ejωLOt

Transmitir y recibirS ′(t) · ejωLOt

Mezclar por la portadora yfiltro pasa-bajas para

obtener S ′(t)

dispositivo de ley cuadrada|S ′(t)|2

filtro pasa-banda fc = Rb/2

mezclarcos(πRbt)

mezclarsin(πRbt)

filtro pasa-bajas DC

Almacenar ω[i] = ωLO,DC[i] = DC

ActualizarωLO = ωLO + ωstep, i = i+ 1

ωLO < ωend

Final

Absorción Dispersión

no

sí

Figura 4.2: Algoritmo implementado en la simulación DFSK

Capítulo 5

Montaje Experimental

25

Capítulo 5. Montaje Experimental 26

Con el objetivo de demostrar la validez del principio propuesto en capítulos ante-riores, se implementa un montaje experimental como el de la figura 5.1. Se pueden di-ferenciar tres componentes en el sistema de tomografía, el primero es un computadorque se utiliza para generar la señal de interrogación modulada en banda intermedias(t) según las especificaciones descritas en el capítulo 3 y siguiendo el algoritmo quese define en el capítulo 4. Adicionalmente, se utiliza la plataforma SDR como trans-ceptor para enviar y recibir las señales s(t) y s′(t) respectivamente, la arquitectura yconfiguración realizadas a la plataforma SDR se detallan en la sección 5.2. Finalmen-te, hay un dispositivo pasivo resonante son una frecuencia de resonancia conocida.

El objetivo de este experimento, es determinar al frecuencia de resonancia deldispositivo resonante utilizando el algoritmos descrito por 4.2 sobre una implemen-tación basada en una plataforma SDR.

SDRPassiveResonantSensor

Tx

Rx

USBPC

HostTxFile

RxFile

Figura 5.1: Diagrama de montaje experimental

5.1. Dispositivo pasivo resonante

En la figura 5.2 se muestra el montaje experimental realizado para la verificacióndel principio, a la derecha un filtro pasabandas UHF para televisión digital conreferencia 3278(40)D-31 de la empresa Microwave Filter Co.,INC. Éste filtro estacompuesto por cuatro cavidades resonantes, las cuales se conectaron en derivación aun corto circuito para lograr una configuración de filtro rechaza bandas. El puertode transmisión TX del SDR es conectado a la entrada del filtro, a su vez, el puertode recepción RX del SDR es conectado al puerto de salida del filtro.


Figura 5.2: Montaje experimental

Para determinar la respuesta en frecuencia de la cavidad resonante se utilizó unanalizador vectorial de redes VNA Rohde & Schwarz FSH4, los resultados obtenidosson presentados en la figura 5.3. La frecuencia de resonancia del filtro es de 590MHz,ésto se puede apreciar en las curvas de magnitud y fase en donde se aprecia que hayun mínimo de la magnitud y un paso por cero respectivamente.

580 585 590 595 600-20

-10

0

Frequency (MHz)580 585 590 595 600

Phase (

°)

Magnit

ude (

dB

)

0

50

100

Figura 5.3: Respuesta en frecuencia de la cavidad resonante


Figura 5.4: Arquitectura BladeRF, tomado de

5.2. Configuración de plataforma SDR

La plataforma SDR seleccionada para la implementación de la unidad de interro-gación DFMS es la bladeRF de Nuand. BladeRF es una plataforma de radio definidopor software. Ofrece las ventajas de una comunidad que provee software y hardwareabierto, su arquitectura es como se describe en la figura 5.4.

El elemento principal en la arquitectura es el transceptor digital LMS6002D dela empresa Lyme Micro Systems. La implementación de toda la parte del frente deradio de la arquitectura del interrogador se puede implemntar usando el LMS6002(ver figura 5.5), este dispositivo contiene dos lazos de tranmisión y de recepeciónreconfigurables e independientes; en dónde se pueden configurar el ancho de bandade los filtros, ganancias de amplificadores, tasa de muestreo de señales, frecuencia delos osciladores, etc.

La arquitectura interna del LMS6002D es como se indica en la figura 5.6, todoslos parámetros que son reconfigurables mediante software están consignados en latabla 5.1. La selección de los parámetros se hizo de tal manera que se obtuviera unrelación de señal a ruido lo más alta posible sin saturar el convertidor análogo-digitaldel LMS6002D.

Adicionalmente la plataforma SDR cuenta con un dispositivo Cypress FX3 que esun controlador de USB 3.0, mediante este controlador es posible transmitir y recibir


Figura 5.5: Asignación de bloques funcionales dentro de la arquitectura

una digitalización de la señal de banda intermedia a una tasa de baudios de hasta 40MSPS. La transferencia se señales se puede hacer a un dispositivo de procesamientocomo un computador o un sistema embebido.

5.3. OperaciónSe utiliza el enlace USB con al plataforma SDR para recuperar una digitalización

de la señal de banda intermedia S ′(t), una vez que se encuentran los datos en elcomputador, se utilizó Matlab Mathworks para emular los bloques de la señal deinterrogación y de procesamiento digital descritos en la figura 5.6. La implementaciónde la arquitectura se da en dos dispositivos, sin embargo el procedimiento paraobtener las curvas de absorción y dispersión son iguales a los planteados en 4.2.


Figura 5.6: Arquitectura del transceiver LMS6002D

Cuadro 5.1: Configuración de parámetros del transceiver digital

Lazo de transmisióntx_vga1 -10dBtx_vga2 10dBLazo de recepciónrx_vga1 20dBrx_vga2 5dBlna_gain1 3dBConfiguración generalbandwidth 28MHzsamplerate 40MSPSloopback none

Capítulo 6

Resultados

31

Capítulo 6. Resultados 32

La gráfica de dispersión ilustrada en la figura 6.1 presenta el resultado de inte-rrogar el dispositivo resonante previamente caracterizado. El procedimiento seguidoes el descrito en el capítulo 5.

La gráfica tiene un aspecto escalonado debido a la toma de datos discreta delinterrogador presentada en el capítulo 4. Debido a la naturaleza digital de la plata-forma es necesario discretizar el barrido de frecuencias de la interrogación, entre másfino el paso, mayor tiempo se tomará en la medición. Sin embargo el paso no debe sermuy grueso porque se corre el riego de perder la respuesta del dispositivo resonante.Para el ejemplo mostrado, la duración de un cambio de frecuencia es de 200µs conun total de 125 pasos, lo cual da un tiempo total de interrogación de 25ms.

Si se saca la frecuencia de resonancia a partir del cruce por 0 de la curva dedispersión se obtiene un valor de 589,85MHz, Mientras que le resultado medido porel VNA es des 590MHz; se obtiene entonces un error relativo de 0.025 %.

De manera similar, la curva de absorción (figura 6.2) presenta un punto máximoaproximadamente en 590,85MHz, que corresponde a la frecuencia de resonancia conun error relativo de 0.025 %.

Capítulo 6. Resultados 33

589 589.5 591 591.5590 590.5

Frequency (MHz)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

No

rma

lize

d a

mp

litu

de

DFMS Ou put Signal

Figura 6.1: Dispersión medida utilizando el principio DFMS

Frequency [MHz]589 589.5 590 590.5 591 591.5

Am

plitu

de

×10 -3

4

5

6

7

8

9

10

11

Output Absorption Signal

Figura 6.2: Absorción medida utilizando el principio DFMS

Capítulo 7

Conclusiones

El uso del principio superheterodino brinda al sistema un rango de operaciónamplio. El trabajo inicialmente desarrollado en FM permitía la medición de un sen-sor con una frecuencia de resonancia de 1MHz y un ancho de banda de 100kHz,mientras que el enfoque digital permite una medición de una cavidad resonante quese encuentra a 590MHz y tiene un ancho de banda de 3MHz. Existe entonces unabrecha significativa entre una técnica y la otra que vale la pena ser explotada, sobretodo para la medición de la respuesta de circuitos resonantes pasivos que se encuen-tren a frecuencias en bandas de microondas como las ISM.

Por otro lado, el uso de plataformas digitales de radio muestra una gran versatili-dad en la implementación de este tipo de unidades lectoras. Usando pocos elementos,como un sistema SDR, y un dispositivo host (puede ser reemplazado por un sistemaembebido), es posible la implementación de diversas arquitecturas. El paradigma dedesarrollo también es un factor relevante, un desarrollo software se hace más rápidode implementar, probar y depurar que uno hardware. Por consiguiente, reemplazarel desarrollo de tipo hardware por un sistema de radio definido por software implicamejoras en los tiempos de implementación.

La técnica de espectroscopía por modulación en fase, permite hacer el seguimien-to de la frecuencia de resonancia de un sensor pasivo resonante. En este trabajo, seinterrogó un resonador de cavidad, debido a que presenta una respuesta estable y

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Capítulo 7. Conclusiones 35

un factor de calidad alto; características deseables para probar el principio de opera-ción de la espectroscopía por modulación digital BFSK. Debido a las característicasestáticas de la cavidad resonante, en este trabajo no se realiza el seguimiento de larespuesta del elemento pasivo resonante, dejando abierta la posibilidad de imple-mentar técnicas de seguimiento para sensores cuya resonancia cambie en función devariables físicas.

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espectroscopía de frecuencia modulada digital

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