PULSE CODE MODULATION (PCM)

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1 LABORATÓRIO 1 PULSE CODE MODULATION (PCM) 1. RESUMOEQUATION CHAPTER 1 SECTION 1 Na sessão de laboratório vão ser realizadas experiências que permitem corroborar os conhecimentos sobre a representação digital da voz através PCM (Pulse Code Modulation). Serão elaborados ensaios de emissão e de recepção de dois sinais digitais multiplexados no tempo. Analisar-se-ão as consequências da quantificação da amplitude do sinal durante a codificação. 2. INTRODUÇÃO O principal objectivo deste trabalho é proporcionar aos alunos o contacto específico com o equipamento que codifica, envia, recebe e descodifica num só canal vários sinais digitalizados de voz e multiplexados no tempo FUNCIONAMENTO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO As experiências são realizadas por um grupo de três alunos que têm de entregar no final da aula um relatório da sessão de laboratório. O grupo dispõe de 2 horas para a realização das montagens e elaboração do respectivo relatório. O presente guia de laboratório descreve as montagens e as experiências que têm de ser realizadas e serve simultaneamente como relatório. Cada grupo deverá entregar no final da aula uma cópia do relatório com todos os dados e resultados das experiências devidamente preenchidos, bem como pequenas descrições e justificações sobre os resultados obtidos. A composição dos grupos e o horário da respectiva sessão de laboratório são previamente marcados pelo docente da disciplina. Cada grupo poderá apenas comparecer no horário de laboratório previamente acordado. Antes da sessão de laboratório os alunos terão de ler cuidadosamente este guia de laboratório e preencher a respectiva secção de dimensionamento. Só será autorizado o acesso ao laboratório aos grupos que entreguem ao docente no início de cada sessão uma cópia do dimensionamento. Os alunos podem tirar dúvidas sobre o seu ensaio durante os horários de dúvidas da cadeira ou enviando as suas questões para o do docente (joao.rebola@iscte.pt) DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO Nesta sessão de laboratório utilizam-se os seguintes equipamentos: Fonte de tensão DC, I.C. POWER 60. Esta fonte alimenta os módulos de emissão e de recepção com os valores de tensão contínua, 12V, 0V, +5V e 12V. Módulo emissor PCM, MODICOM 3/1. Permite a amostragem, multiplexagem, codificação e envio até um máximo de dois sinais analógicos distintos. O módulo é constituído por 4 blocos, representados na Figura 1. O módulo permite dois modos de funcionamento. Um modo rápido (FAST) para transmissões em tempo real e um modo lento (SLOW) que permite uma análise detalhada dos sinais de controlo e de todo o processo de digitalização. Pág. 1

2 Figura 1 Módulo emissor PCM. Módulo receptor PCM, MODICOM 3/2. Permite a descodificação, desmultiplexagem e reconstrução até um máximo de dois sinais analógicos distintos. O módulo é constituído por 4 blocos, representados na Figura 2. Figura 2 Módulo receptor PCM. Osciloscópio, TDS Equipamento de medida que permite visualizar a variação temporal de tensões provenientes de um ou dois canais independentes. Permite medições até à frequência de 60MHz (com uma amostragem de 1GS/s) Blocos do módulo emissor MODICOM 3/1 De seguida, descrevem-se alguns dos blocos do módulo MODICOM 3/1 Pág. 2

3 A. Gerador de funções Os sinais a transmitir podem ser externos, contudo, e para simplificar, este módulo gera duas sinusóides de frequências f m =1 khz e 2 khz, todas em sincronismo com o sinal de amostragem para facilitar o sincronismo num osciloscópio. Os sinais sinusoidais só podem ser utilizados no modo de funcionamento FAST. Este bloco também gera duas tensões DC que podem ser utilizadas para simular sinais analógicos em ambos os modos de funcionamento FAST e SLOW. Todos os sinais dispõem de botões de ajuste de amplitude. B. Unidade de amostragem e multiplexagem Figura 3 Unidade de amostragem e multiplexagem. Os dois canais de informação são amostrados sequencialmente e ambos são agrupados em tramas. A amostragem verifica-se quando a amplitude do sinal de controlo apresenta um flanco descendente. O período de amostragem depende do modo de funcionamento do bloco e é de T s =62.5µs no modo FAST e de T s =15s no modo SLOW. No entanto, a amostra de cada canal é obtida no início de cada período e mantida num intervalo correspondente a metade de T s. Esse intervalo é conhecido pelo respectivo time-slot de cada canal. Um conjunto de dois time-slots correspondentes a cada um dos dois canais, mais possíveis bits de sincronismo, compõem um trama. C. Conversor analógico digital Figura 4 Conversor analógico digital. A amplitude de cada uma das amostras é codificada através de uma palavra binária com 7 bits (D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0). D. Gerador de código de linha Figura 5 Gerador de código de linha. O módulo dispõe de uma unidade de geração de códigos de linha que substitui os bits menos significativos de uma palavra binária por bits de controlo. Pág. 3

4 E. Circuito de gerador de código de sincronismo Figura 6 Circuito de gerador de código de sincronismo. Para se efectuar a correcta descodificação do sinal recebido é preciso que o emissor e o receptor estejam sincronizados. O receptor tem de efectuar a detecção dos bits nos instantes certos, o que é assegurado através de um sinal de relógio. Por outro lado é necessário que o receptor saiba encaminhar todos os bits de um time-slot para o seu respectivo canal, o que é controlado através de um sinal de sincronismo. Deste modo, a completa sincronização entre emissor e receptor pode ser assegurada se os sinais de relógio e sincronismo forem transmitidos separadamente, e em meios diferentes, do sinal de informação. Alternativamente, o sincronismo pode ser obtido no receptor através de circuitos de recuperação de relógio e de recuperação do sinal de sincronismo. Os módulos MODICOM 3 dispõem de três modos de funcionamento: Modo 1: Neste modo são necessários três fios a ligar o emissor ao receptor. Um dos fios transmite as tramas de dados, no segundo é enviado o sinal de sincronismo e no terceiro é transmitido o sinal de relógio. A complexidade do receptor é neste caso mínima. Modo 2: A ligação entre emissor e receptor é feita com dois fios: um para as tramas de dados e outro para o sinal de relógio. No entanto, é necessário introduzir no início de cada trama um bit de sincronismo, vide Figura 7. O sincronismo é assegurado quando em tramas sucessivas é enviada uma sequência de bits de sincronismo (um por trama) que formam uma palavra binária previamente acordada entre emissor e receptor. Essa palavra de código é gerada no circuito apresentado na Figura 6. Se este circuito for desactivado (botão na posição OFF) todas as tramas apresentam o bit de sincronismo colocado a zero. Trama Time-slot canal 0 Time-slot canal 1 bit de sincronismo Figura 7 Composição de uma trama. Modo 3: Exige apenas um fio a ligar o emissor e o receptor. O sinal de sincronismo é recuperado no receptor da mesmo forma que no modo de funcionamento anterior. O sinal de relógio é recuperado numa PLL (Phase Locked Loop) no receptor que alinha o relógio com as transições entre 0 e 1 nas tramas de dados. Esta forma de recuperação de relógio apenas funciona no modo FAST. No presente ensaio de laboratório apenas serão realizados ensaios no modo 1. Pág. 4

5 2.2.2 Blocos do módulo receptor MODICOM 3/2 De seguida, descrevem-se alguns dos blocos do módulo MODICOM 3/2 A. Circuito de recuperação do sinal de relógio Figura 8 Circuito de recuperação do sinal de relógio. Este bloco, representado na Figura 8, gera o sinal de relógio a partir das transições entre 0 e 1 nas tramas de dados recebidas. O elemento principal deste circuito é uma PLL (Phase Locked Loop). B. Unidade de recuperação do sinal de sincronismo Figura 9 Unidade de recuperação do sinal de sincronismo. O receptor gera um sinal de sincronismo através da detecção de uma palavra de código, previamente acordada com o emissor, na sequência dos diferentes bits de sincronismo em tramas consecutivas SEGURANÇA Antes de aplicar qualquer tensão assegure-se que todas as ligações estão correctamente efectuadas. Nenhum equipamento pode sair do laboratório. É especialmente importante não tocar com as pontas dos cabos de ligação em parte alguma dos circuitos que não a apropriada pois estes circuitos são muito frágeis e facilmente se avariam. Todas as ligações nos módulos têm de ser realizadas com a fonte de alimentação desligada. Pág. 5

6 Data: Horário: Turma: Turno: Grupo: Aluno N : Nome: Aluno N : Nome: Aluno N : Nome: 3. DIMENSIONAMENTO Esta secção visa preparar os alunos para as experiências que irão realizar no laboratório. Todos os grupos terão de no início da sessão de laboratório entregar ao docente uma cópia desta secção. 1 = 2sen 8000π utilizando uma frequência de amostragem de f s =48(kamostras/s). Considere que cada amostra é obtida no início de um período de amostragem e mantida num intervalo correspondente a metade desse período. Desenhe na Figura 10 t 0,125 µ s a forma temporal do canal amostrado. Suponha que dispõe de 4 bits Pretende-se codificar um canal analógico x ( t) ( t) para o intervalo de [ ] para quantificar equiespaçadamente os níveis de tensão entre 4V e 4V. Desenhe os bits necessários t 0,125 µ s e identifique a amplitude de cada para transmitir o sinal digitalizado no intervalo de [ ] amostra. Identifique o valor de cada bit e a duração de cada time-slot. (A) (B) Para o mesmo intervalo de tempo t [ ] Figura 10 (A) Sinal amostrado; (B) sinal codificado. 0,125 µ s desenhe na Figura 11, a forma temporal das amostras descodificadas no receptor. Indique a amplitude de cada amostra. Pág. 6

7 Figura 11 Amostras do sinal descodificado. Para o sinal transmitido qual é a relação sinal-ruído, em dbs, devido a erros de quantificação? Justifique todos os cálculos apresentados. Pág. 7

8 4. ESQUEMA DA MONTAGEM De seguida, enumeram-se os passos da montagem da experiência a realizar. A. Assegure-se que a fonte de alimentação se encontra desligada. B. Ligue os módulos MODICOM 3/1 e 3/2 à fonte de alimentação de acordo com o ilustrado na Figura 12. Figura 12 Ligações de alimentação aos módulos MODICOM 3/1 e 3/2. C. No módulo emissor comute os seguintes interruptores: a. MODE para a posição FAST; b. SYNC. CODE GENERATOR para a posição OFF; c. ERROR CHECK CODE SELECTOR para a posição OFF (A=0, B=0); d. Todos os interruptores de falhas para a posição OFF. D. No módulo receptor comute os seguintes interruptores: a. MODE para a posição FAST; b. SYNC. CODE DETECTOR para a posição OFF; c. ERROR CHECK CODE SELECTOR para a posição OFF (A=0, B=0); d. Todos os interruptores de falhas para a posição OFF. E. Ligue a saída D.C.1 à entrada CH.0 no módulo emissor. Em seguida, ligue a entrada CH.0 à entrada CH.1 e deste modo irá assegurar que ambos os canais terão a mesma amplitude contínua. F. Entre os módulos emissor e receptor efectue as seguintes ligações: a. TX CLOCK OUTPUT ligue a RX CLOCK INPUT; b. TX T0 OUTPUT ligue a RX SYNC INPUT; c. TX DATA OUTPUT ligue a RX DATA INPUT; G. Chame o docente para que as ligações sejam verificadas antes de ligar a fonte de alimentação. H. Ligue a fonte de alimentação. 5. EXPERIÊNCIAS De seguida descrevem-se as experiências que têm ser efectuadas pelos alunos NÍVEIS DE QUANTIFICAÇÃO 1) Ligue a ponta de prova do canal 1 do osciloscópio ao porto TP10 no emissor (assegure-se que a ponta de prova tem o multiplicador em 1 e verifique esse valor no MENU do canal 1 do osciloscópio). Ligue a ponta de prova do canal 2 do osciloscópio ao porto TP30 no receptor (assegure-se que a ponta de prova tem o multiplicador em 1 e verifique esse valor no MENU do canal 2 do osciloscópio). Configure ambos os canais do osciloscópio para modo DC. Pág. 8

9 2) Através do ajuste do potenciómetro do sinal DC1, e observando a situação dos LEDs no conversor analógico digital no emissor, meça a amplitude da tensão no canal 2 do osciloscópio correspondente ao sinal descodificado pelo conversor digital analógico do receptor. Um LED iluminado significa que o respectivo bit se encontra a 1 enquanto que um LED apagado significa um 0. Meça a amplitude da tensão para todas as palavras binárias apresentadas na Tabela 1. 3) Desligue a fonte de alimentação TRANSMISSÃO DE DOIS CANAIS ANALÓGICOS 1) Ligue a saída da sinusóide de f m =1 khz à entrada CH.0 no módulo emissor e desligue qualquer sinal da entrada CH.1. Ligue a fonte de alimentação. Coloque o canal 1 do osciloscópio no porto TP10 do emissor. Ligue um cabo BNC-bananas entre a saída da sinusóide de f m =1 khz e a entrada de TRIGER EXT do osciloscópio. Modifique o modo de sincronismo do osciloscópio para o sinal externo e altere a opção de COUPLING para HF REJECTION. Regule a amplitude da sinusóide para 8V pico-a-pico (V pp ). Desligue a fonte de alimentação. 2) Ligue a saída DC1 à entrada CH1. Ajuste a amplitude deste sinal para o seu valor máximo. Ligue a fonte de alimentação. Ligue o segundo canal do osciloscópio ao porto TP15 do emissor. Ajuste a escala temporal do osciloscópio para 25 µs/div e registe o sinal de entrada do canal 1 e o sinal amostrado na Figura 13 a). Determine a frequência de amostragem e a duração dos impulsos. 3) Desloque a sonda de prova do canal 1 do osciloscópio para o porto TP44 correspondente à saída das tramas de dados do emissor e desenhe o sinal codificado na Figura 13 b). Determine a duração de cada bit e a duração do time-slot de cada canal [note que em cada trama de dados envia-se primeiro o bit menos significativo]. 4) Desligue a fonte de alimentação. Ligue a saída da sinusóide de f m =2 khz à entrada CH.1. Ligue a fonte de alimentação. Desloque a sonda de prova do canal 1 do osciloscópio para o porto TP12 do emissor. Regule a amplitude da sinusóide para 6V pp. Ajuste a escala temporal do osciloscópio para 25 µs/div e registe o sinal amostrado na Figura 14 a). 5) Desloque a sonda de prova do canal 1 do osciloscópio para o porto TP44 correspondente à saída das tramas de dados do emissor e desenhe o sinal codificado na Figura 14 b). Determine a duração de cada bit e a duração do time-slot de cada canal. 6) Ligue o canal 1 do osciloscópio a TP12 no emissor e o canal 2 a TP36 no receptor. Compare as formas de onda nos dois canais do osciloscópio correspondentes ao sinal antes e depois de transmitido. Verifique que as amplitudes de ambos os canais estão concordantes. Em seguida, ligue o canal 1 do osciloscópio a TP10 no emissor e o canal 2 a TP33 no receptor. Compare novamente as duas formas de onda observadas. 7) Rode totalmente o botão de amplitude da sinusóide de f m =1 khz no sentido horário. Comente e justifique o observado nas novas formas de onda. Em seguida, ajuste a amplitude da sinusóide de f m =1 khz para 0.5V pp. Observe e justifique as possíveis diferenças observadas nos dois sinais do osciloscópio. 8) Desligue a fonte de alimentação. Com os resultados obtidos preencha a secção 7 do relatório e comente possíveis diferenças com o dimensionamento. 6. CONCLUSÃO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO A. Desligue a fonte de alimentação e o osciloscópio. B. Desmonte as ligações por si efectuadas e deixe o material arrumado. Pág. 9

10 Data: Horário: Turma: Turno: Grupo: Aluno N : Nome: Aluno N : Nome: Aluno N : Nome: 7. RELATÓRIO Cada grupo após terminar a sessão de laboratório terá de entregar ao docente uma cópia deste relatório. Os alunos deverão preencher todos os valores solicitados, justificar os resultados obtidos e se possível efectuar a comparação com os valores teóricos estimados. Preencha a Tabela 1 com o valor da tensão de saída do conversor digital analógico correspondente a cada uma das palavras binárias e estime o valor do passo de quantificação q, usando a voltagem medida para uma palavra binária e a voltagem medida para a palavra binária anterior [não se esqueça que entre as duas palavras binárias existem vários níveis de quantificação]. Palavra binária Voltagem (V) q (mv) Palavra binária Tabela 1 Níveis de quantificação. Voltagem (V) q (mv) Tendo em conta os valores obtidos na Tabela 1, estime a largura do intervalo de quantificação utilizado no MODICOM 3 (usando o valor médio dos valores estimados na Tabela 1). Sabendo que a diferença entre o nível máximo de quantificação (correspondente à palavra binária ) e o nível mínimo de quantificação (correspondente à palavra binária ) é 10V, calcule teoricamente a largura do intervalo de quantificação. Compare o valor teórico com o valor experimental. Pág. 10

11 Desenhe na Figura 13 a), a forma da sinusóide no canal CH.0 com amplitude 8V pp e a forma do sinal de amostras multiplexado no tempo para um intervalo temporal de 200 µs, quando o sinal de entrada no canal CH.1 é uma amplitude contínua. Identifique a correspondência entre cada amostra e o respectivo canal. Represente na figura o período de amostragem. Na Figura 13 b), desenhe a trama de dados para o mesmo intervalo de tempo e faça a correspondência entre cada conjunto de 7 bits, indicando o valor de cada bit [para auxiliar a leitura dos bits, pode utilizar alguns níveis de quantificação (voltagens) medidos na Tabela 1], e cada time-slot e o respectivo canal. Indique o valor do tempo de bit. (A) (B) Figura 13 Sinusóide com 8 V pp no CH.0 e amplitude contínua no CH.1. (A) sinal amostrado; (B) sinal codificado. Comente se observa alguma particularidade na trama de dados enviada. Desenhe na Figura 14 a), a forma das sinusóides nos canais CH.0 e CH.1 e a forma do sinal de amostras multiplexado no tempo para um intervalo temporal de 200 µs. Identifique a correspondência entre cada amostra e o respectivo canal. Represente na figura o período de amostragem. Na Figura 14 b), desenhe o sinal codificado para o mesmo intervalo de tempo quando as amplitudes dos canais forem, respectivamente, 8V pp e 6V pp. Indique o valor de cada bit e a correspondência entre cada timeslot e o respectivo canal. Indique o valor do tempo de bit. Pág. 11

12 (A) Figura 14 Sinusóide com 8 V pp no CH.0 e sinusóide com 6 V pp no CH.1 (A) sinal amostrado; (B) sinal codificado. (B) Comente o observado no sinal recebido quando a amplitude da sinusóide de f m =1 khz é regulada para o seu valor máximo. Justificadamente, calcule o valor da relação sinal-ruído, em dbs, do sinal recebido com amplitude máxima e para a amplitude de 8V pp. Pág. 12

13 Justifique o observado quando a amplitude do sinal sinusoidal de f m =1 khz é reduzida para 0.5V pp. Volte a calcular a nova relação sinal-ruído, em dbs. Tendo como base os resultados obtidos anteriormente, diga as desvantagens de uma codificação PCM uniforme em relação à codificação PCM não uniforme. Pág. 13