Projeto – Transmissão de voz digital

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE TELECOMUNICAÇÃO

Projeto – Transmissão de voz digital

Ciro Marcus Monteiro Campos

Belo Horizonte,29/11/2006

Paulo Miranda Teixeira JuniorVanessa Gomes Faria

Projeto – Transmissão de voz digital

Trabalho apresentado na disciplina de Sistemas Analógicos VII, da Escola de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.

Orientador:FranciscoGarcia

Belo Horizonte

2

Sumário:

1. Lista de material 04

2. Objetivo 05

3. Introdução 05

4. Cálculos 07

5. Parte Digital 16

6. Resultados 20

7. Comentários 26

8. Conclusão 26

9. Bibliografia 26

Anexo:

DataSheet dos CI’s utilizados.

3

Lista de material:

Lista de componentes utilizados nos filtros:

Capacitores:

- 30 unidades 10nF;- 2 unidades 47nF;- 2 unidades 5,6nF;- 2 unidades 2,2nF;- 5 unidades 15nF.

Resistores de 1%:

- 4 unidades 4,02KΩ;- 5 unidades 6,65KΩ;- 4 unidades 7,87KΩ;- 2 unidades 2KΩ;- 2 unidades 3,32KΩ;- 2 unidades 3,92KΩ;- 2 unidades 59KΩ;- 2 unidades 301KΩ;- 2 unidades 249KΩ;- 2 unidades 82,5KΩ;- 2 unidades 18,2KΩ;- 2 unidades 14KΩ;- 8 unidades 10KΩ;- 1 unidade 232KΩ;- 1 unidade 31,6KΩ;- 1 unidade 16,2KΩ;

Amplificadores:- 9 unidades LF351.

- 2 protoboard de 2 vias;- Fios;- 1 microfone;

Lista de Componentes do Gerador de Onda Quadrada:

- 1 U1 CI555- 1 R1 3,3 KΩ 1/4W- 1 R2 383,8 Ω 1/4W

4

- 2 C 47nF 50V - 1 D 1N4148 - 1 C2 0.01uF 50V

Objetivo:

Este trabalho consiste em projetarmos um circuito de transmissão de voz digital, utilizando nossos conhecimentos obtidos a partir das aulas teóricas e também das práticas, com o auxílio do professor orientador.

Introdução:

Os sinais elétricos, provenientes de microfones, que captam e/ou que

agem sobre os sistemas físicos são geralmente sinais analógicos.O

processamento de sinal no domínio analógico é uma tarefa complexa e pouco

flexível, pelo que é muito comum o recurso à amostragem e ao processamento

do sinal analógico no domínio digital usando processadores digitais de sinal.

Uma vez transportado para o domínio digital, o sinal pode ser processado de

forma tão exata quanto o desejado - dependendo da resolução escolhida -

sendo esta uma das principais vantagens do processamento digital de sinal. O

desempenho de um sistema deste tipo é geralmente limitado pela velocidade e

resolução dos blocos de conversão e pela qualidade dos blocos de filtragem

envolvidos na aquisição e reconstrução do sinal. No sistema apresentado na

figura abaixo existe um pré - amplificador usado para condicionar o sinal para

um nível adequado. A característica mais importante que deve ter um pré-

amplificador diz respeito ao ruído: quanto maior a relação sinal/ruído melhor.

Seguido ao pré - amplificador temos filtro anti-aliasing (filtro passa – faixa) na

entrada, seguido de um circuito de sample & hold e de um conversor A/D,

vulgarmente designado por ADC – Analog to Digital Converter. O conversor

A/D transforma o valor de tensão em cada amostra num vetor digital de bits

que é processado na Linha de transmissão (LT). Após, o sinal digital

processado passa por um conversor D/A, ou DAC – Digital to Analog

Converter, que transforma um número digital num nível de tensão

correspondente e conseqüentemente num sinal analógico. Na saída é usado

um filtro de reconstrução ( Filtro passa baixa).

5

Definição:

fa \ frequência de amostragem (sample) - frequência à qual são

tiradas amostras do sinal de entrada.

Figura 1 – Diagrama de blocos.

Filtro anti-aliasing

A filtragem na entrada do sistema – tipicamente feita com um filtro passa-baixo

ou passa-faixa – tem como função reduzir o ruído fora da banda útil do sinal, e

evitar a degradação do sinal devido a aliasing provocado pelo efeito de

amostragem. O filtro Anti-Aliasing limita a frequência do sinal de entrada de

modo a evitar o surgimento de sobreposição espectral significativa próximo de

fa/2.

Circuito de Sample & Hold

O circuito de sample/hold pode ser representado conceitualmente como um

interruptor e um capacitor, tal como pode ser visto na figura seguinte.

Figura 2 – Circuito de Sample & Hold

O circuito de sample & hold funciona com base no sinal que controla o

interruptor. O seu funcionamento tem duas fases de operação distintas: na fase

de aquisição (sample) o interruptor fecha e a tensão de entrada vi é passada

6

para o capacitor C. Na fase de retenção (hold) o interruptor é aberto e o

capacitor mantém aos seus terminais a tensão no instante anterior ao de

comutação, devido à continuidade da tensão aos terminais do capacitor. Como

o circuito fica aberto este valor de tensão não é alterado até que o interruptor

volte a ser fechado. A frequência à qual é comutado o interruptor é a frequência

de amostragem (ou de sample). A figura seguinte ilustra a amostragem de um

sinal de entrada genérico vi . A tensão vs representa o sinal de relógio que

controla o interruptor. A tensão do sinal a observar é acompanhada pelo

capacitor na fase de aquisição e é armazenada no capacitor durante a fase de

retenção, dando origem ao sinal vo na saída do circuito.

Figura 3 – Amostragem de um sinal genérico.

7

Figura 4 – Sinal de entrada Vi e sinal amostrado Vs.

Filtro de reconstrução

Na saída, é comum a utilização de um filtro de reconstrução depois da

conversão de sinal digital para sinal analógico. Tipicamente esta tarefa é

realizada com um filtro passa-baixo e tem por objetivo a eliminação das

réplicas do sinal em múltiplos inteiros da freqüência de conversão.

Cálculos:

Cálculos para o filtro passa- baixa utilizando filtro Elíptico.

Circuito do Filtro Elíptico:

C1

C2

C4C3

+V

V2+15V

+V

V1-15V

+

R3

R4

R6

R7

R2R1

Figura 5 – Filtro Passa- Baixa

8

C5

R5

Figura 6– Continuação do filtro passa baixa, porém esta parte do circuito é utilizado somente no final do 3ºestágio.

Para o cálculo do filtro passa – baixa foi necessário normalizar o filtro e a partir desta normalização, procurar os valores normalizados na tabela 3.9 e fazer os procedimentos de cálculo.

Dados do filtro: 3KHz na freqüência de corte 40 Db de atenuação em 4KHz

Normalização: A = 4KHz / 3KHzA= 1,33

Dados da tabela:

N = 7 RdB = 0,28dB

R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 C3 C4 C5 K G α β ω N = 7 RdB = 0,28dBΩ = 1,325

Amin = 65,79

0,35250,44070,5221

0,70490,88151,0440

4,09700,91190,6146

18,444,10302,7650

1,000

7,02903,94902,9290

1,56200,84520,6297

0,26070,81701,07

0,13040,40850,5350

2,684

1,1061,91 32,,520

1,0461,4461,612

0,29040,14780,04180,3726

0,55240,88251,012

2,6061,5761,347

Figura 7 – Tabela 3 – 9 Filtro Passa - Baixa Elíptico

Através da tabela com os respectivos valores dos componentes acima, é possível calcular os valores dos componentes.

Para calcularmos os valores dos componentes, utilizamos as seguintes fórmulas:

Cálculo dos coeficientes:

9

Cálculo dos componentes 1 º , 2º e 3º estágios:

É necessário arbitrar um valor para o capacitor C1 e desta forma prosseguir com os cálculos.

C3 = C4 = C1/2

R1=R2=2R3

Assim como para o capacitor, também tivemos de arbitrar um valor para o parâmetro R = 10K.

R6=RR7 = (K – 1)R

Ganho da seção:

No 1º estágio teremos:

= = 0,930

= 17,437

=

10

Cálculo dos capacitores:

Arbitramos um valor para C1 = 10 nF

C3 = C4 = C1/2 = 5nF

C2 = 47nF

Cálculo dos resistores:

2KΩ

59,097KΩ

R1=R2=2R3 = 4 KΩ

Arbitramos um valor para o parâmetro R = 10 KΩ

R6=R = 10KΩ

R7 = (K – 1)R = (9,261 – 1)*10K = 82,61KΩ

9,261

Ganho da seção: 8,156

No 2º estágio teremos:

= = 0,330

= 3,1

=

11



C3 = C4 = C1/2 = 5nF

C2 = 5,6nF


3,311KΩ

298,14KΩ

R1=R2=2R3 = 6,622 KΩ


R6=R = 10KΩ

R7 = (K – 1)R = (2,838 – 1)*10K = 18,384KΩ

2,838


Cálculo do 3º estágio:

= = 0,0825

= 1,769

=


12


C3 = C4 = C1/2 = 5nF

C2 = 2,2nF


3,874KΩ

298,14KΩ

R1=R2=2R3 = 7,748 KΩ


R6=R5=R = 10KΩ

R7 = (K – 1)R = (2,413 – 1)*10K = 14,131KΩ

2,41

3


O ganho total do filtro será a multiplicação do ganho dos três estágios. Então, temos:

GTotal = 8,156*2,718*2,27 = 50,32

13

Figura 8 – Filtro Passa – Alta Chebyshev

Dados do filtro:

Freqüência de corte = 300HzChebyshev com ripple de 0,5dB

Utilizamos um filtro passa alta chebyshev de 4ªordem.

1º Estágio:

K=1

De acordo com a tabela 8.2, retirada do livro Amplificadores Operacionais – Antônio Pertence Júnior, temos:

a = 0,350706b = 1,063519Arbitramos um valor para C = 15nF

O valor comercial mais próximo para R1 = 232KΩ

O valor comercial mais próximo para R2 = 6,65KΩ

2º Estágio:

14

K=1

De acordo com a tabela 8.2, retirada do livro Amplificadores Operacionais – Antônio Pertence Júnior, temos:

a = 0,846680b = 0,356412

Arbitramos um valor para C = 15nF



Para a construção do filtro Passa – Faixa fizemos a junção do filtro Passa – Alta com o filtro Passa – Baixa.

Parte Digital do projeto:

15

Figura 9 – Implementação digital do projeto

Teoria sobre o 555:

O temporizador 555 é um circuito integrado de alta versatilidade, pois

apresenta um grande número de aplicações em circuitos eletrônicos. Na

maioria das aplicações o 555 é utilizado para produzir intervalos de tempo.

Dentre as aplicações principais, podemos citar: temporizadores, geradores de

pulsos, multivibradores, alarmes etc.

O temporizador 555 foi introduzido no mercado mundial pela

SIGNETICS (uma subsidiária da PHILLIPS) em 1972.A alta aceitação do

mesmo, levou inúmeras industrias de semicondutores a fabricarem (sob

concessão da SIGNETICS) o temporizador 555.

É conveniente ressaltar que o 555 é uma forma de aplicação dos AOP’s,

pois o circuito interno do mesmo apresenta dois comparadores.Na figura 10

apresentamos o diagrama em blocos do circuito interno do 555.Observe a

existência de 3 resistores de 5KΩ,razão pela qual este integrado é denominado

555.

16

Figura 10 – Circuito Integrado 555.

O 555 permite correntes de até 20mA e, portanto, pode acionar diversas

cargas TTL, bem como pequenos alto falantes e relés diretamente.

Uma das aplicações mais comuns do 555 é a sua situação como gerador de

sinais quadrados para acionar circuitos lógicos.Na figura 11 temos um exemplo

disso.

Esta parte do projeto trata de um oscilador que gera uma onda quadrada

com o CI555 para inicializar a conversão. Neste projeto também foi escolhida a

freqüência de 8KHz.

Com o CI555 existem várias possibilidades de gerar ondas quadradas, e neste

projeto específico onde temos que gerar uma onda com duty-cycle 10% em

nível baixo e 90% em nível alto, utilizaremos o circuito da figura 11.

17

Figura 11- Circuito gerador de onda quadrada.

Este circuito tem um tempo de nível alto igual ao tempo de nível baixo porque o

capacitor C é carregado pela malha de Vcc,R1,D e C, o diodo D curto-circuita

R2,retirando o mesmo do circuito de carga. A malha de descarga é feita por C,

R2 e o pino 7 do CI 555.

O tempo Ton=0.693xR1xC e Toff=0.693xR2xC.O capacitor de 0.01uF deve ser

colocado para redução de ruídos. Como nossa freqüência é de 8KHz então :

T=Ton+Toff=125 s. Ton=112,5 s. Toff=12,5 s. O capacitor arbitrado foi de

47nF, então :

.

.

O diodo D será o 1N4148.

Sample – Hold (LF398):

Como Toff(10%) = 12,5 s, o tempo para o capacitor C descarregar é

aproximadamente este. Segundo o gráfico Acquisition Time que pode ser

18

encontrado na primeira página do DataSheet do fabricante, com um tempo de

aproximadamente 10 μs, o capacitor recomendado é 3nF.

Figura 12 – Sample/Hold.

Conversor A/D 0802:

A freqüência de clock recomendada para este conversor é de 640KHz,

segundo o DataSheet. Porém, com esta freqüência, o tempo de conversão

seria superior ao Ton(112,5 μs) projetado para o 555. Escolhemos então, a

freqüência de 730KHz que gera um tempo de conversão de 100 μs. Este valor

foi arbitrado próximo ao valor do DataSheet para preservar a confiabilidade da

conversão. A partir desta freqüência, calculamos o resistor e o capacitor que

definem o CLK IN e o CLK R do conversor. De acordo com a página 23 do

DataSheet fclk = 1/1,1*RC.

19

Resultados:

Lay out do Filtro Passa Faixa:

Figura 13 – Lay out do filtro passa faixa/passa baixa impresso na placa de fenolite.

20

1.000 Hz 10.00 Hz 100.0 Hz 1.000kHz 10.00kHz

50.00 dB

25.00 dB

0.000 dB

-25.00 dB

-50.00 dB

-75.00 dB

-100.0 dB

A: c13_2

Measurement Cursors

1 c13_2 X: 3.0304k Y: 31.015

2 c13_2 X: 4.0530k Y: -55.161

Cursor 2 - Cursor 1 X: 1.0226k Y: -86.176

Simulações e testes feitos com os filtros no Circuit Maker:

C13

15nF

+

U3LF351

+V

V6-15V

+V

V5+15V

C125nF

C115nF

C102.2nF

C910nF

+

U2LF351

+V

V4-15V

+V

V3+15V

C85nF

C75nF

C65.6nF

C510nF

C110nF

C247nF

C45nF

C35nF

+V

V2+15V

+V

V1-15V

+

U1LF351 R19

10kR18

7.87KR17

7.87K

R1614K

R1510k

R14

249K

R133.92K

R126.65K

R116.65K

R1018.20K

R910k

R8301KR5

3.32KR32K

R459K

R610k

R782.5k

R24.02K

R14.02K

Figura 14 – Circuito Filtro Passa Baixa

Figura 15 – Simulação feita no Circuit Maker do filtro passa baixaCircuito Passa – Faixa:

21

1.000 Hz 10.00 Hz 100.0 Hz 1.000kHz 10.00kHz

75.00 dB

25.00 dB

-25.00 dB

-75.00 dB

-125.0 dB

-175.0 dB

A: c13_2

Measurement Cursors

1 c13_2 X: 3.0438k Y: 30.563

2 c13_2 X: 4.0234k Y: -41.658

Cursor 2 - Cursor 1 X: 979.57 Y: -72.221

1.000 Hz 10.00 Hz 100.0 Hz 1.000kHz 10.00kHz

75.00 dB

25.00 dB

-25.00 dB

-75.00 dB

-125.0 dB

-175.0 dB

A: c13_2

Measurement Cursors

1 c13_2 X: 60.607 Y: -27.181

2 c13_2 X: 295.14 Y: 34.165

Cursor 2 - Cursor 1 X: 234.53 Y: 61.346

C2015nF

+

U7LF351+

U6LF351 +V

V15+15V

+V

V14+15V

+V

V13-15V+V

V12-15V

C1915nF

C1815nF

C1715nF

1kHz

V7-100m/100mV

C13

15nF

+

U3LF351

+V

V6-15V

+V

V5+15V

C125nF

C115nF

C102.2nF

C910nF

+

U2LF351

+V

V4-15V

+V

V3+15V

C85nF

C75nF

C65.6nF

C510nF

C110nF

C247nF

C45nF

C35nF

+V

V2+15V

+V

V1-15V

+

U1LF351

R286.65K

R2716.2K

R2631.6k

R25232k

R1910k

R187.87K

R177.87K

R1614K

R1510k

R14

249K

R133.92K

R126.65K

R116.65K

R1018.20K

R910k

R8301KR5

3.32KR32K

R459K

R610k

R782.5k

R24.02K

R14.02K

Figura 16 – Circuito do filtro Passa – Faixa.Gráfico Passa – Faixa ( Corte de 60Hz a 300hz):

Figura 17 – Simulação do filtro PF (fc = 300Hz)

Gráfico Passa Faixa (3KHz a 4KHz):

Figura 18– Simulação do filtro PF (fc = 3KHz)

22

Gráfico Passa Faixa – Detalhe Ripple:

1.000kHz

50.00 dB

40.00 dB

30.00 dB

20.00 dB

10.00 dB

0.000 dB

-10.00 dB

A: c13_2

Measurement Cursors

1 c13_2 X: 292.56 Y: 34.140

2 c13_2 X: 2.1922k Y: 33.285

Cursor 2 - Cursor 1 X: 1.8997k Y: -854.71m

Figura 19 – Ripple do Filtro Passa Faixa.Tabela de dados, obtidos a partir dos testes feitos na sala de aula:

BASE DE DADOS f (Hz) V (saída) V (entrada) Ganho (dB)

10 0,05 0,2 -12,0411998320 0,05 0,2 -12,0411998330 0,05 0,2 -12,0411998340 0,05 0,2 -12,0411998350 0,05 0,2 -12,0411998360 0,05 0,2 -12,0411998370 0,05 0,2 -12,0411998380 0,05 0,2 -12,0411998390 0,07 0,2 -9,118639113

100 0,08 0,2 -7,958800173110 0,11 0,2 -5,19274621120 0,14 0,2 -3,0980392130 0,23 0,2 1,213956807140 0,34 0,2 4,608978428150 0,45 0,2 7,043650362160 0,6 0,2 9,542425094170 0,8 0,2 12,04119983180 1,1 0,2 14,80725379190 1,5 0,2 17,50122527200 2 0,2 20210 2,6 0,2 22,27886705220 3,4 0,2 24,60897843230 4,4 0,2 26,84845362240 5,6 0,2 28,94316063250 6,7 0,2 30,50089614260 7,9 0,2 31,93194191270 8,8 0,2 32,86905353280 9,28 0,2 33,33035961290 9,5 0,2 33,53387219300 9,55 0,2 33,57946752310 9,5 0,2 33,53387219320 9,44 0,2 33,47883997330 9,4 0,2 33,44195716

23

340 9,3 0,2 33,34905906350 9,2 0,2 33,25515663360 9,15 0,2 33,20782197370 9,15 0,2 33,20782197380 9,12 0,2 33,17929685390 9,12 0,2 33,17929685400 9,13 0,2 33,18881564450 9,22 0,2 33,27401851500 9,37 0,2 33,4141919550 9,45 0,2 33,48803626600 9,47 0,2 33,50639967700 9,47 0,2 33,50639967800 9,47 0,2 33,50639967900 9,3 0,2 33,349059061000 9,2 0,2 33,255156631100 9,09 0,2 33,150677751200 9 0,2 33,064250281500 8,8 0,2 32,869053531700 8,7 0,2 32,769785142000 8,9 0,2 32,967200222100 9,25 0,2 33,302234742200 10 0,2 33,979400092300 10,7 0,2 34,567075642400 10,9 0,2 34,727930052500 10,6 0,2 34,485517392600 10,1 0,2 34,065827562700 9,4 0,2 33,441957162800 8,4 0,2 32,464985812900 7,1 0,2 31,004567062950 6,6 0,2 30,37027883000 5,84 0,2 29,307657033050 4,5 0,2 27,043650363100 3 0,2 23,521825183150 2 0,2 203200 1,4 0,2 16,90196083250 0,9 0,2 13,064250283300 0,7 0,2 10,881360893350 0,5 0,2 7,9588001733400 0,3 0,2 3,5218251813450 0,2 0,2 03500 0,2 0,2 03550 0,15 0,2 -2,4987747323600 0,11 0,2 -5,192746213650 0,08 0,2 -7,9588001733700 0,06 0,2 -10,457574913750 0,05 0,2 -12,041199833800 0,04 0,2 -13,979400093850 0,04 0,2 -13,979400093900 0,04 0,2 -13,979400093950 0,04 0,2 -13,979400094000 0,04 0,2 -13,97940009

Figura 20 – Tabela de dados

24

A seguir segue o gráfico do Ganho(dB) x Freqüência(Hz) do Filtro Passa – Faixa:

Ripple

29

30

31

32

33

34

35

100 1000 10000

Frequência (Hz)

Gan

ho

(d

B)

Figura 21 – Gráfico do ripple do filtro passa – faixa, obtido a partir da tabela de dados.

A partir dos valores obtidos na tabela de dados, através de testes feitos na sala de aula, temos o gráfico do filtro passa – faixa abaixo:

Filtro Passa Faixa

-20

-10

0

10

20

30

40

10 100 1000 10000

Frequência (Hz)

Gan

ho

(d

B)

Figura 22 – Gráfico do filtro passa – faixa, obtido da tabela de dados.

25

Comentários sobre os testes realizados sobre o projeto:

Os testes foram realizados separadamente em cada circuito. Ao se realizar o teste no circuito passa faixa, o mesmo apresentou uma oscilação a partir do 2ºestágio. Após várias tentativas foi observado que durante a montagem dois resistores foram trocados, motivo pelo qual as oscilações apareceram. Foi feita a troca dos resistores e o circuito voltou a operar satisfatoriamente. Logo após, foi testada a parte onde se encontra o circuito digital do nosso projeto. No início dos testes foi observado primeiramente que o Sample/Hold ficava em Hold durante pouco tempo. Para melhorar seu funcionamento foi instalado um inversor com transistor para inverter o sinal de controle do sample/hold. Após esta implementação foi observada a onda digitalizada na saída do amplificador operacional acoplado ao conversor D/A. Em seguida, foi testado o filtro passa baixa, e este por sua vez, apresentou uma oscilação no 1º estágio, que não foi solucionado para os testes, ele foi jumpeado do circuito. Ao ser feita a interligação dos circuitos houve a necessidade de se elevar o nível DC da saída do filtro passa faixa, pois o circuito “digital” não aceita sinal negativo e também tivemos que alterar o valor do resistor de saída do amplificador operacional do conversor D/A para 1KΩ. Isso foi feito para diminuir o valor do sinal que entra no filtro passa baixa, pois o mesmo tem alto ganho e foi inserido um resistor de 100Ω antes deste mesmo filtro para servir como carga do 1º estágio.

Conclusão:

A partir deste trabalho pudemos colocar em prática nossos conhecimentos obtidos através de aulas teóricas e práticas vistas anteriormente. Este foi um projeto que englobou tanto a parte analógica (filtros) quanto a digital (conversores), nos exigindo bastante dedicação para poder fazer o projeto funcionar. Através deste, notamos o quão difícil é fazer um projeto e conseguir os resultados esperados na prática, pois nem sempre tudo que calculamos podem ser encontrados em valores comerciais. E muitas vezes as diferenças desses valores encontrados podem provocar distorções nos resultados esperados. Pudemos perceber que um projeto requer muito empenho e conhecimento sobre o que se está projetando, pois senão este não funciona. Concluindo, podemos dizer que esta foi uma experiência valida que necessitou muito dos nossos conhecimentos, nosso estudo, juntando em um só trabalho uma grande quantidade de informações no qual tivemos que nos dedicar para colocar na teoria e na prática o projeto funcionando.

Bibliografia:

- Internet;- Livro Amplificadores Operacionais – Antônio Pertence Júnior;- Apostila indicada pelo professor.

26

Projeto – Transmissão de voz digital

Education

Transcript of Projeto – Transmissão de voz digital