Sistemas de Telecomunicações Guiados Laboratório 2 − Modulação Delta

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LABORATÓRIO 2

MODULAÇÃO DELTA 1 RESUMOEQUATION CH APT ER 1 SECTION 1

O principal objectivo deste trabalho é proporcionar aos alunos o contacto com equipamento que efectua a modulação delta bastante usada para transmissão de sinais de voz e sinais vídeo. A principal vantagem da modulação delta sobre a codificação PCM, é a simplicidade do hardware utilizado tanto no receptor como no emissor. Em particular, vai ser estudado pormenorizadamente todo o processo de modulação e desmodulação Delta que permite de uma forma simples, a conversão de sinais analógicos em sinais digitais, a sua transmissão e recuperação do sinal analógico após uma conversão digital-analógica do sinal transmitido.

2 INTRODUÇÃO

O principal objectivo deste trabalho é proporcionar aos alunos o contacto específico com o equipamento que efectua a modulação e desmodulação delta de um sinal analógico.

2.1 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 e-mail do docente (joao.rebola@iscte.pt).

2.2 DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO

Nesta sessão de laboratório utilizam-se os seguintes equipamentos:

2.2.1 PLACA MODICOM 4

O bloco principal desta experiência de laboratório é a placa MODICOM 4 – Modulação Delta, que se encontra representada na Figura 1. Este módulo é constituído por 4 blocos que são apresentados em seguida.

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Figura 1. Placa MODICOM 4

2.2.1.1 Entradas de alimentação

Estas são os pontos de alimentação do módulo de Modulação Delta que permitem o correcto funcionamento do circuito.

Figura 2. Entradas de alimentação

2.2.1.2 Gerador de funções

Este circuito é responsável por gerar sinais de entrada que são usados como sinais de informação no codificador delta da placa MODICOM 4. Este gerador gera um sinal contínuo e quatro sinais sinusoidais com frequências distintas (fo = 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz e 2000 Hz).

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Figura 3. Gerador de funções

2.2.1.3 Circuito emissor

Este circuito é responsável por receber o sinal de informação e gerar o sinal transmitido à saída do modulador.

Figura 4. Circuito emissor

A. Comparador (Voltage comparator) O comparador de voltagem tem duas entradas, uma entrada não-inversora (+) e a outra entrada inversora (−). As tensões de entrada são comparadas e o resultado desta comparação determina a tensão à saída do comparador. Se a tensão na entrada (+) for

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superior à da entrada (−), o comparador apresenta à sua saída uma tensão de +5V (nível lógico 1). Se a tensão na entrada (+) for inferior à da entrada (−), o comparador apresenta à sua saída uma tensão de 0V (nível lógico 0).

B. D-type bistable De cada vez que ocorre um impulso de relógio, o D-type bistable copia o nível lógico que tiver à entrada DATA INPUT para a sua saída DATA OUTPUT.

C. Comutador do nível de tensão (Level changer) Tem como função inverter o sinal de entrada e alterar a sua tensão para +4V ou −4V. Um bit ‘1’ lógico de entrada de +5V é convertido numa tensão de −4V. Um bit ‘0’ lógico de entrada de 0V é convertido numa tensão de +4V.

D. Integrador O integrador produz uma rampa à sua saída quando tem à sua entrada uma tensão constante. Este integrador é também inversor, pois para uma tensão positiva constante produz à sua saída uma rampa com declive negativo. Pode-se alterar o ganho do integrador usando os interruptores A e B do circuito GAIN CONTROL. De cada vez que se aumenta o ganho do integrador, este passa para o dobro.

2.2.1.4 Circuito receptor

Este circuito de desmodulação é responsável por receber o sinal transmitido e recuperar o sinal original.

Figura 5. Circuito receptor

A. D-type bistable, comutador do nível de tensão Operam exactamente da mesma maneira que no emissor.

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B. Filtro passa-baixo Serve para eliminar as componentes de frequência indesejadas do sinal que se obtém à saída do integrador. Tem uma frequência de corte fc = 3.4 kHz.

2.2.1.5 Circuito de relógio

O sinal transmitido e recebido tem de ser amostrado num determinado intervalo de tempo e a uma determinada taxa. A amostragem é obtida através das ondas quadradas geradas pelo circuito de relógio. O número de pulsos de relógio que ocorrem durante o período de sinal, determinam o número de amostras ocorridas. Qualquer uma das quatro frequências ( fs = 32 kHz, 64 kHz, 128 kHz e 256 kHz) apresentadas na Figura 6, pode ser seleccionada através dos interruptores A e B do CLOCK FREQUENCY SELECTOR.

Figura 6. Circuito de relógio

2.2.2 OSCILOSCÓPIO

Permite visualizar a variação temporal das tensões provenientes de um ou dois canais independentes.

2.2.3 FONTE DE ALIMENTAÇÃO DC

A fonte de alimentação DC fornece os valores de tensão contínua −12V, 0V, +5V e +12V ao bloco MODICOM 4 .

2.3 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.

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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.

a) Pretende-se codificar um sinal analógico ( ) ( )sen 2 ox t A f t= π usando modulação delta. Considerando que se obtém as amostras de sinal à frequência de amostragem fs, calcule o passo de quantificação mínimo que permite codificar o sinal sinusoidal sem saturação do declive.

b) Utilizando a fórmula obtida na alínea a), calcule o passo de quantificação mínimo para os

diferentes sinais sinusoidais de entrada, sabendo que a amplitude máxima do sinal é 5V.

fs [kHz] ∆min (V) fs [kHz] ∆min (V) fs [kHz] ∆min (V) fs [kHz] ∆min (V) 32 32 32 32 64 64 64 64

128 128 128 128 256 256 256 256

(A) fo = 250 Hz (B) fo = 500 Hz (C) fo = 1 kHz (D) fo = 2 kHz Tabela 1 – Passo de quantificação mínimo

c) Sabendo que o codificador delta tem um passo de quantificação ∆ = 0.5V, indique quais os sinais sinusoidais que apresentam saturação do declive, para as frequências de amostragem fs = 32 kHz e fs = 256 kHz .

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d) Sabendo que o filtro do receptor tem uma frequência de corte fc = 3.4 kHz, e considerando um passo de quantificação ∆ = 0.5V para a frequência de amostragem fs = 32 kHz, calcule a relação sinal-ruído de quantificação, em dB, para o sinal sinusoidal ( ) ( )5sen 2 ox t f t= π [Não se esqueça que o passo de quantificação se altera com a variação de fs]. Justifique todos os cálculos apresentados e preencha a Tabela 2.

fs [kHz] ∆ (V) nq (W) S/Nq (dB) (à saída do emissor)

S/Nq (dB) (à saída do receptor)

32 64 128 256

Tabela 2 – Relação sinal-ruído de quantificação

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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. Fazer as ligações entre a placa MODICOM 4 e a fonte de alimentação, como se ilustra na Figura 7.

Figura 7. Ligações para a alimentação do módulo MODICOM 4.

C. Efectuar as ligações ilustradas na Figura 8 na placa da modulação Delta.

Figura 8. Ligações necessárias para efectuar a experiência.

D. No módulo emissor comute os seguintes interruptores: a. Interruptores A e B do circuito GAIN CONTROL do integrador para a posição A=0

e B=0 (corresponde ao ganho mínimo do integrador); b. Interruptor S1 do integrador para a posição esquerda;

E. No módulo receptor comute os seguintes interruptores:

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a. Interruptores A e B do circuito GAIN CONTROL do integrador para a posição A=0 e B=0;

b. Interruptor S1 do integrador para a posição direita; F. No circuito de relógio, coloque os interruptores A e B do CLOCK FREQUENCY

SELECTOR nas posições A=0 e B=0 (a frequência de relógio corresponde a 32 kHz);

G. No gerador de funções, rode totalmente todos os potenciómetros no sentido contrário aos ponteiros do relógio.

H. Ligue a saída do gerador de funções de 250 Hz à entrada (+) do comparador de voltagem.

I. Chame o docente para que as ligações sejam verificadas antes de ligar a fonte de alimentação.

J. Ligue a fonte de alimentação.

5 EXPERIÊNCIAS

De seguida descrevem-se as experiências que têm ser efectuadas pelos alunos.

5.1 RUÍDO DE QUANTIFICAÇÃO

1) Ligue a ponta de prova do canal 1 do osciloscópio ao porto TP7 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) e ajuste o potenciómetro de ~250 Hz até que a amplitude do sinal atinja 10 Volts pico-a-pico (Vpp). Ligue a ponta de prova do canal 2 do osciloscópio ao porto TP47 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. Faça o TRIGGER do osciloscópio usando o canal 1.

2) Verifique que o sinal é correctamente descodificado à saída do filtro passa-baixo. Observe a existência de um ligeiro “ripple” no sinal descodificado, principalmente nas transições menos abruptas do sinal. Este ligeiro “ripple” no sinal descodificado deve-se ao ruído de quantificação [Se necessário, para conseguir um melhor desempenho na codificação/descodificação delta, ajuste os potenciómetros LEVEL ADJUST dos BISTABLE do emissor e do receptor].

3) Observe o sinal à saída do Integrador 1 (TP13) no canal 2 do osciloscópio, e usando o menu CURSORES do osciloscópio e fazendo “zoom” ao canal 2, calcule o passo de quantificação da modulação delta para as diversas frequências de relógio (alterando os interruptores A e B do CLOCK FREQUENCY SELECTOR). Preencha a Tabela 3 com os valores obtidos para o passo de quantificação.Verifique que há medida que aumenta a frequência de relógio diminui o ruído de quantificação [Sugestão: para efectuar mais facilmente a medição, páre a imagem no ecrã do osciloscópio usando o botão “run-stop”].

4) Recoloque os interruptores A e B do circuito de relógio na posição A=0 e B=0. Altere o sinal de entrada no codificador delta para o sinal com frequência de ~2 kHz (não se esqueça de ajustar a amplitude do sinal a 10 Vpp).

5) Mantenha o canal 2 do osciloscópio no ponto TP13, e verifique que o sinal gerado pelo codificador delta não consegue acompanhar a variação do declive do sinal de entrada (há ruído de saturação do declive). Explique porque aparece este ruído, tendo em conta, os circuitos utilizados neste codificador delta.

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6) Coloque os interruptores A e B dos integradores 1 e 2 na posição A=1 e B=1. Observe o sinal à saída do filtro passa-baixo do descodificador delta e verifique que deixou de existir ruído de saturação do declive. Observe que existe ruído de quantificação no sinal descodificado.

7) Recolocando a ponta-de-prova do canal 2 na saída do integrador 1, preencha a Tabela 4 com os valores obtidos para o passo de quantificação quando se altera a frequência de relógio e calcule a respectiva relação sinal-ruído de quantificação [se necessário, para medir o passo de quantificação, páre a imagem no ecrã do osciloscópio usando o botão “run-stop”] e estime o ganho do integrador de cada vez que se alteram os interruptores A e B.

8) Recoloque a frequência de relógio a 32 kHz, os interruptores dos integradores na posição A=0 e B=0 e mude o sinal de entrada para o sinal sinusoidal com frequência ~250 Hz (canal 1 do osciloscópio). Recoloque a amplitude do sinal a 10 Vpp. Coloque a ponta de prova do canal 2 na saída do BISTABLE (TP18) do emissor e observe os bits transmitidos na codificação delta. Observando no canal 1, a saída do integrador 1 (TP13), ponha no osciloscópio a escala do tempo a 100 µs/div. Registe as formas de onda observadas na Figura 9 e faça a correspondência entre os bits observados à saída do BISTABLE e os flancos do integrador [se necessário, para parar a imagem, utilize o botão “run-stop” e faça “zoom” na escala de amplitudes dos dois canais do osciloscópio]. Explique qual a função do Integrador e do BISTABLE no circuito da codificação delta.

9) Observe a entrada (TP46) e a saída do filtro passa-baixo (TP47) do receptor e explique porque se coloca este filtro no circuito do descodificador delta.

10) Ajuste a amplitude do sinal de entrada para 1.5 Vpp. Observe o sinal à saída do filtro passa-baixo e explique o que está a acontecer.

6 CONCLUSÃO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO

A sua sessão de laboratório terminou. Porém, e para que outros grupos também possam usufruir do equipamento, é essencial que deixe tudo como encontrou e siga mais estes pequenos passos:

a) Desligue a fonte de alimentação e o osciloscópio.

b) Desmonte as ligações por si efectuadas e deixe o material arrumado.

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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 3 com o passo de quantificação ∆, a potência de ruído nq, a relação sinal-ruído, em unidades lineares e em dB, obtidos para as diferentes frequências de relógio (frequências de amostragem), sendo o sinal de entrada, um sinal sinusoidal com fo = 250 Hz. Compare com os valores obtidos nas tabelas 1 e 2 e comente.

fs [kHz] ∆ (V) nq (mW) S/Nq (dB) (à saída do emissor)

S/Nq (dB) (à saída do receptor)

32 64

128 256

Tabela 3 – Passo de quantificação e relação sinal-ruído de quantificação para as diversas frequências de amostragem para um sinal de entrada com frequência 250 Hz.

Explique porque aparece o ruído de saturação do declive para um sinal sinusoidal com 2 kHz, baseando essa explicação nos blocos que compõem o codificador delta.

Para além de aumentar o ganho do integrador e aumentar a frequência de relógio, indique outra forma de eliminar o ruído de saturação do declive neste circuito transmissor. Indique qual o problema dessa solução.

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Preencha a Tabela 4 com o valor do passo de quantificação ∆, a potência de ruído nq, a relação sinal-ruído, em unidades lineares e em dB, obtidos para as diferentes frequências de relógio, sendo o sinal de entrada, um sinal sinusoidal com frequência 2 kHz. Comente os valores obtidos.

fs [kHz] ∆ (V) nq (mW) S/Nq (dB) (à saída do emissor)

S/Nq (dB) (à saída do receptor)

32 64

128 256

Tabela 4 – Passo de quantificação e relação sinal-ruído de quantificação para as diversas frequências de amostragem para um sinal de entrada com frequência 2 kHz.

Estime em quanto se altera o ganho do integrador cada vez que se alteram os interruptores A e B dos integradores uma posição [por exemplo: de A=0 e B=1 para A=1 e B=0].

Desenhe na Figura 9, as formas de onda registadas no canal 1 para a saída do integrador 1 e no canal 2 para a saída do BISTABLE. Faça a correspondência entre os bits observados à saída do BISTABLE e os flancos do integrador. Represente na figura o intervalo de amostragem, Ts.

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Figura 9 –Formas de onda à saída do BISTABLE do emissor e à saída do integrador 1.

Tendo como base a Figura 9, explique qual a função do integrador e do BISTABLE na codificação delta [sugestão: compare o sinal de entrada do BISTABLE com o sinal à saída do BISTABLE].

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Explique porque é necessária a colocação de um filtro passa-baixo no descodificador delta.

Explique o que observa à saída do descodificador delta quando o sinal de entrada é sinusoidal

com frequência 250 Hz e amplitude 1.5 Vpp. Sugira formas de reduzir o que está a observar.