UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ LAB. DE TELECOMUNICACIONES Sección de Comunicaciones Especialización en Telecomunicaciones Digitales Cohorte Nº 5 LABORATORIOS Práctica # 10: MODULACIÓN PAM Módulo MCM-30/EV El informe de la práctica debe ser entregado el mismo día que se realiza Integrantes: __________________________________, C.I:____________ __________________________________, C.I:____________ Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 1 NOTA AL ESTUDIANTE: Antes de realizar la práctica usted debe leerla, comprenderla y asistir al pre-laboratorio. Es importante además, observar las siguientes normas de seguridad en forma permanente: a) Antes de proporcionar la tensión de alimentación de ±12V al módulo, verificar que los cables de alimentación estén conectados correctamente a la fuente de alimentación. b) Este módulo deberá destinarse sólo para el uso para el cual ha sido manifiestamente concebido; es decir, como equipo didáctico, y deberá utilizarse bajo el directo control por parte de personal experto. Cualquier otro uso deberá considerarse impropio y por consiguiente peligroso. INTRODUCCIÓN a la MODULACIÓN por IMPULSOS 1. OBJETIVOS • Introducir los conceptos generales sobre las Modulaciones por Impulsos PAM, PWM, PPM, PCM y la Multiplexación por División en el Tiempo (TDM). • Describir el Teorema de muestreo. 2. RECURSOS NECESARIOS • Módulos MCM30B • Fuente de alimentación de ±12 Vcc • Osciloscopio. • Cables • Puntas de prueba • Papel milimetrado 3. MARCO TEORICO DESCRIPCIÓN del MÓDULO El módulo MCM30 (Figura Nro.1) se divide en las siguientes secciones: Sources: generadores sinusoidales de 1-2-5kHz, síncronos con las temporizaciones generador en diente de sierra de 400 Hz, síncrono con las temporizaciones generador de tensión continua variable micrófono con amplificador PAM / PWM / PPM / TDM Transmitter: Filtro anti-aliasing (paso-baja de 3,4 kHz) 2 moduladores PAM (Pulse Amplitude Modulation); la combinación de ambos permite realizar una conexión de dos canales PAM multiplexada en el tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) Modulador PWM (Pulse Width Modulation) Modulador PPM (Pulse Position Modulation) Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 2 Selección de: a. muestreo natural/plano en 1 canal PAM b. dos duraciones distintas del impulso de muestreo c. funcionamiento PAM de 1 canal ó de 2 canales PAM / PWM / PPM / TDM Receiver: Regenerador del reloj para el muestreo de la señal recibida y para la correcta separación de los 2 canales TDM 2 demoduladores PAM Demodulador PWM Demodulador PPM 2 filtros de recepción (paso-baja de 3,4 kHz) Linear & Differential PCM: Modulador PCM (Pulse Code Modulation) Lineal y Diferencial Filtro de transmisión Filtro de recepción para delinear el diagrama de ojo Muestreador de recepción Demodulador PCM Lineal y Diferencial PCM-TDM: 2 CODECs PCM con codificación ley A y ley µ. La combinación de estos dos CODECs permite realizar una conexión de 2 canales PCM por multiplexación en el tiempo Selección de funcionamiento PCM de 1 canal ó de 2 canales • Delta Modulation: Modulador Delta Lineal y Adaptativo Slope Delta_modulator) Demodulador Delta Lineal y Adaptativo Selección de: a. reloj de 16 y 32 kHz b. funcionamiento Lineal y CVSD (CVSD, Continuous Variable Channel Simulator: − línea artificial con atenuación y banda pasante regulable − generador de ruido con amplitud regulable Audio Amplifier: − amplificador de audio con regulación del volumen − altavoz Temporizaciones: − Todas las señales de temporización y las señales síncronas utilizadas para las fuentes analógicas (Sources) son procesadas por un Logic Array. El módulo se alimenta con ±12V a través del conector B (Figura Nro.1) o los cables individuales. El conector A debe conectarse a una de las Unidades de control individual SIS1, SIS2 o SIS3 (véase Manual de Servicio, Tomo 2/2). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 3 Los interruptores S (si están presentes) sirven para activar las averías en el funcionamiento de los circuitos y se accionan en base a lo descrito en los ejercicios. Se recomienda situar en OFF todos los interruptores S al inicio de cada ejercicio. Figura Nro. 1: Diagrama de bloques del Módulo MCM30 Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 4 3.1.- INTRODUCCIÓN Las modulaciones utilizadas para la transmisión de informaciones son múltiples. En radiotecnia, las más corrientes son la modulación en amplitud, en frecuencia y en banda lateral única; en cambio, en telefonía predominantemente se utilizan las modulaciones por impulsos, las cuales permiten transformar la información analógica en forma numérica. El diagrama funcional utilizado para transformar la señal analógica en señal numérica se muestra en la Figura Nro. 2, mientras que en la Figura Nro. 3 se observan las transformaciones de la señal en las diferentes fases. La señal analógica s(t) se muestrea; es decir, tras cada instante múltiplo de T (período de muestreo) se extrae una parte de s(t) por un tiempo τ. La fase siguiente consiste en asignar valores bien definidos a las muestras obtenidas de esta forma, lo cual se lleva a cabo recurriendo a la cuantificación: en la Figura Nro. 3 se utilizan cinco niveles y la ley de cuantificación resulta evidente a través de los diagramas b) y c). A este punto las diferentes muestras, cuantificadas en un número limitado de niveles, se transforman en señales numéricas; es decir, a cada muestra se le asigna una configuración de bit (“0” y “1”) que describe unívocamente su amplitud. PAM La señal s(nT) presente en la salida del muestreador puede verse como el resultado de una modulación en amplitud de portadora impulsiva, ya que la señal moduladora (t) modula la amplitud del impulso portador (de duración τ): se habla entonces de Modulación por Impulsos en Amplitud (PAM-Pulse Amplitude Modulation). PCM Análogamente, la señal numérica sN puede considerarse como el resultado de una modulación codificada, ya que el impulso portador es "modulado" por una señal codificada: se habla entonces de Modulación por Impulsos Codificados (PCM-Pulse Code Modulation). PWM y PPM La portadora impulsiva puede modularse, además que en amplitud como en el ejemplo anteriormente descrito, también en el tiempo; en este segundo caso se habla genéricamente de Modulación por Impulsos en el Tiempo (PTM-Pulse Time Modulation): dos ejemplos de PTM son la Modulación por Impulsos en Duración (PWM-Pulse Width Modulation) y la Modulación por Impulsos en Posición (PPMPulse Position Modulation) (Figura Nro. 4). La señal PWM es una señal de impulsos en la cual el ancho de los mismos es proporcional a la amplitud de la señal analógica moduladora. La señal PPM es una señal de impulsos en la cual la posición de los mismos es proporcional a la amplitud de la señal analógica moduladora. Figura Nro. 2: Transformación analógica-numérica de una señal s(t) Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 5 Figura Nro. 3: a) Señal analógica s(t) b) Señal muestreada s(nT) c) Señal cuantificada'(nT) d) Señal numérica sN (codif. de 3 bits) Figura Nro. 4: a) Señal analógica b) Impulsos de muestreo c) Señal PWM d) Señal PPM TDM Ya que las muestras de una señal ocupan sólo determinados intervalos de tiempo, los intervalos libres pueden utilizarse para la transmisión de muestras procedentes de otras señales. Se realiza de esta forma la Multiplexación por División en el Tiempo (TDMTime Division Multiplexing) de señales PAM (Figura Nro. 5) o PCM (Figura Nro. 6). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 6 Figura Nro. 5: a) Señales analógicas b) Señales PAM c) Multiplexación por División en el Tiempo (TDM) de señales PAM Figura Nro. 6: Multiplexación por División en el Tiempo (TDM) de señales PCM 3.2 NOCIONES sobre la TEORÍA de MUESTREO Por muestreo de una señal continua s(t) se entiende la extracción de los valores o muestras que la señal toma en un determinado conjunto de instantes (o en general de intervalos). Simbólicamente la operación de muestreo se representa mediante un interruptor ideal al cual se le aplica la señal a muestrear (Figura Nro. 7). El interruptor se mantiene cerrado en los intervalos τ (Figura Nro. 8) y abierto en los demás instantes. En esta esquematización la señal resultante s(nT) (señal muestreada) es igual a la señal s(t) durante los intervalos de tiempo τ y es nula en los demás instantes. La operación de muestreo se lleva a cabo periódicamente; es decir, en instantes t equidistantes: t = n·T, n = 0, 1, 2, ... donde T se llama período de muestreo y F=1/T frecuencia de muestreo (obviamente la información presente en la señal muestreada s(nT) aumenta al crecer τ y al disminuir T). El muestreo se utiliza para obtener a través de las muestras ciertas indicaciones en la señal s(t) sin considerar la entera marcha de la señal misma; sin embargo, respetando algunas condiciones, es posible reconstruir exactamente la señal s(t) a partir de los valores muestreados. Cabe observar la importancia de este resultado en las aplicaciones: en lugar de la señal pueden transmitirse las muestras sin perder información; en otras palabras, Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 7 una transmisión de tipo continuo puede ser sustituida por una transmisión de tipo discreto. Espectro de la señal muestrada Antes de enunciar el teorema que establece las condiciones para la perfecta reconstrucción de la señal, se hace necesario un llamado sobre el espectro de la señal muestreada. Obsérvese la Figura Nro. 8 la señal muestreada s(nT) puede verse como el producto entre las señales s(t) y u(t) (Figura Nro.9), donde u(t) es a su vez la repetición temporal (de período T) del impulso U(t). Si U(f) es la transformada de Fourier del impulso fundamental U(t) y S(f) la transformada de s(t), la teoría del análisis espectral dice que el espectro de s(nT) - que se indicará con Y(f) - será: En la fig.986.9 se muestran los espectros de U(f), S(f) e Y(f). Obsérvese que el espectro de U(t) no corresponde al de un impulso perfectamente rectangular (en cuyo caso U(f) sería tal como se muestra en la fig.986.9a) sino a un impulso real, o sea con los cantos "nivelados" tal como ocurre en las aplicaciones prácticas; por lo tanto, el espectro de s(nT) es la repetición periódica del espectro de s(t) corregido por la amplitud espectral de U(t). El período de repetición es F, o sea la frecuencia de muestreo. Figura Nro.7: Muestreador ideal Figura Nro. 8: a) Señal analógica s(t) b) Repetición del impulso U(t) muestreada s(nT) Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 c) Señal 8 Figura Nro. 9: Diagrama para obtener la señal muestreada s(nT) Teorema de muestreo Ahora podemos enunciar el teorema que establece las condiciones necesarias para la perfecta reconstrucción de la señal s(t) a partir de las muestras s(nt), el cual se conoce como Teorema de muestreo o de Shannon. Sea s(t) una señal que admite la transformada de Fourier, cuya banda está estrictamente limitada; es decir (Figura Nro. 10c): s(f) = 0 para | f | ≥ B. Sea s(nT) la serie obtenida a través del muestreo periódico de s(t). A través de esta serie se puede reconstruir perfectamente la señal s(t), con tal de que la frecuencia de muestreo F=1/T no sea inferior al doble de la banda de la señal, es decir: F ≥ 2B Una simple verificación intuitiva del teorema anterior puede realizarse considerando la Figura Nro. 11b, la cual muestra el espectro de una señal muestreada de frecuencia F=1.5B (para hacer más clara la figura no se ha considerado la "nivelación" introducida por el espectro del impulso fundamental real). Puede observarse que las repeticiones de S(f) no están separadas sino que se solapan. Ya que para la reconstrucción de s(t) puede utilizarse un filtro de paso-baja ideal (Figura Nro. 11c), se observa que la señal obtenida a través de la reconstrucción presenta un espectro S1(f) (Figura Nro. 11d) diferente que el espectro de la señal de partida (Figura Nro. 11a). Por consiguiente, en este caso ciertamente no puede afirmarse de haber reconstruido perfectamente la señal; sin embargo, cuando la frecuencia de muestreo es mayor que 2·B (es el caso que se muestra en la Figura Nro. 10), se observa que un filtro ideal de paso-baja, con banda pasante F/2, logra extraer perfectamente el mismo espectro que el de la señal de partida, obteniendo de esta forma la reconstrucción de s(t). Debe verificarse también la condición de banda limitada de la señal s(t), de lo contrario, aunque la frecuencia de muestreo F sea alta, habrá siempre una parte del espectro S(f) (centrado entorno a F) que se solapa a la parte del espectro que debe extraerse del filtro, alterando así la reconstrucción de s(t). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 9 Aliasing Muestrear la señal con una frecuencia inferior a la teórica o utilizar para la reconstrucción un filtro de banda no suficientemente limitada, provoca un fenómeno conocido como aliasing. El efecto es la reconstrucción de una frecuencia totalmente diferente que la de partida. Para aclarar este concepto considérese el ejemplo que se muestra en la Figura Nro. 12, con señal s(t) sinusoidal y muestreo ideal. Los valores muestreados de s(t) se muestran en la Figura Nro. 12d. En la Figura Nro. 12e se observa que también una señal s1(t) de frecuencia diferente puede satisfacer las condiciones impuestas por las muestras, por lo que es difícil o incluso imposible, al reconstruir la señal analógica, determinar cuál de las dos frecuencias es realmente la de partida. Figura Nro. 10: a) Espectro de impulso rectangular ideal b) Espectro de impulso real c) Espectro de la señal s(t), d) Espectro de la señal muestreada s(nT) Figura Nro. 11: a) Espectro de la señal s(t) b) Espectro de la señal s(t) muestreada con frecuencia F=1.5B. c) Respuesta ideal del filtro de paso-baja d) Espectro de la señal reconstruida, diferente que la de partida Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 10 Figura Nro. 12: Efecto de Aliasing 3.3.- MODULACIÓN por IMPULSOS en AMPLITUD (PAM) (PARTE I) Aspectos generales Una señal PAM es una señal muestreada formada por una serie de impulsos, cuya amplitud es proporcional a la amplitud de la señal analógica (Figura Nro. 13). El muestreo puede ser de tipo natural o plano. En el primer caso la señal muestreada sigue la forma de la señal analógica (Figura Nro. 13c), mientras que en el segundo caso la amplitud de los impulsos de la señal muestreada reproduce la amplitud tomada por la señal analógica en el instante de muestreo (Figura Nro. 13d). Figura Nro. 13: a) Señal analógica b) Impulsos de muestreo c) Señal PAM de muestreo natural d) Señal PAM de muestreo plano El muestreo plano introduce una mayor distorsión en la señal reconstruida, la cual aumenta al aumentar la duración τ del impulso; sin embargo, este muestreo se hace Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 11 necesario en los sistemas en los cuales la muestra es posteriormente convertida en un valor digital, como por ejemplo en el sistema PCM. En efecto, en estos casos se utiliza un convertidor analógico/digital que, durante el proceso de conversión, requiere un valor analógico de entrada estable y fijo. Diagrama de bloques del modulador PAM Muestreo natural El diagrama de bloques del modulador PAM de muestreo natural montado en el módulo se muestra en la Figura Nro. 14. La señal analógica de entrada pasa a través de un filtro de paso-baja de 3,4 KHz que suprime el efecto del aliasing y llega al muestreador PAM1. El impulso de muestreo (señal T2, Test Point 6) tiene una frecuencia de 8 kHz correspondiente a un período de 125µs. El ancho del impulso de muestreo se determina mediante el desviador SW3 (Pulse Width) y puede ser de 10 ó 20 µs. Muestreo plano El diagrama de bloques del modulador PAM de muestreo plano montado en el módulo se muestra en la Figura Nro. 15. Con respecto al modulador con muestreo natural incorpora un circuito de Sample&Hold que mantiene la amplitud de la señal de salida en el valor de entrada en el instante de muestreo (Figura Nro. 16). El muestreador sucesivo (PAM1) produce los impulsos con la parte superior plana y una amplitud proporcional a la amplitud de la señal analógica. El muestreo del S&H (señal T1, TP5) está adelantado con respecto al muestreo del muestreador PAM1 (señal T2, TP6). La frecuencia de muestreo obviamente es de 8 kHz para ambos. Figura Nro. 14: Modulador PAM de muestreo natural Reconstrucción de la señal analógica La reconstrucción de la señal analógica a partir de las muestras se lleva a cabo utilizando un filtro de paso-baja. Hágase referencia a la Figura Nro. 17. Cuando la frecuencia de muestreo es igual a 2·B, un filtro ideal de paso-baja - con banda pasante F/2 - logra extraer perfectamente el mismo espectro que el de la señal de partida, obteniendo de esta forma la reconstrucción de s(t). Obsérvese que si el filtro no es ideal, estará siempre presente una parte del espectro S(f) (centrado entorno a F) que se solapa a la parte del espectro que debe ser extraída del filtro, alterando así la reconstrucción de s(t). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 12 Figura Nro. 15: Modulador PAM de muestreo plano Si se aumenta la frecuencia de muestreo, la operación de filtrado resulta más cómoda ya que las repeticiones del espectro de la señal s(t) están separadas entre sí (Figura Nro. 18); en este caso, aunque el filtro no es ideal se logra extraer sólo la primera parte del espectro, correspondiente a la señal analógica inicial s(t). Si la frecuencia de muestreo disminuye, podrá verificarse el fenómeno del Aliasing. Figura Nro. 16: Señal PAM de muestreo plano a) señal analógica b) impulsos de muestreo c) salida Sample&Hold d) señal PAM de muestreo plano Aliasing Si la señal se muestrea con una frecuencia inferior a la teórica o si para la reconstrucción se utiliza un filtro de banda no suficientemente limitada, se verifica un fenómeno conocido como aliasing. El fenómeno resulta evidente a través del análisis de la Figura Nro. 19, en la cual se observa que las repeticiones de S(f) no están separadas sino que se solapan. Ya que para Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 13 la reconstrucción de s(t) se utiliza un filtro de paso-baja ideal, se observa que la señal obtenida a través de la reconstrucción tiene un espectro S1(f) diferente que el espectro de la señal de partida. El efecto es la reconstrucción de frecuencias totalmente diferentes que las de partida. Considérese el ejemplo que se muestra en la Figura Nro. 20, con señal s(t) sinusoidal. Los valores muestreados de s(t) se muestran en la Figura Nro. 19d. En la Figura Nro. 20e se observa que también una señal s1(t) de frecuencia diferente puede satisfacer las condiciones impuestas por las muestras, por ello es difícil o incluso imposible, en el instante de la reconstrucción de la señal analógica, determinar cuál de las dos frecuencias es realmente la de partida. Figura Nro. 17: a) Espectro de la señal s(t) b) Espectro de la señal s(t) muestreada con frecuencia F=2·B c) Respuesta ideal del filtro de paso-baja d) Espectro de la señal reconstruida Figura Nro. 18: a) Espectro de la señal s(t) b) Espectro de la señal s(t) muestreada con frecuencia F=3·B Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 14 c) Respuesta del filtro de paso-baja d) Espectro de la señal reconstruida Figura Nro. 19: a) Espectro de la señal s(t) b) Espectro de la señal s(t) muestreada con frecuencia F=1.5B c) Respuesta ideal del filtro de paso-baja d) Espectro de la señal reconstruida, diferente que la de partida Figura Nro. 20: Aliasing Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 15 4.0.- EXPERIMENTACION NOTA: EMPLEE LA HOJA DE REPORTE ANEXA PARA ENTREGAR SUS RESPUESTAS DE LA PRACTICA DE LABORATORIO 4.1.- Modulador PAM de muestreo natural Realice los pasos siguientes: a) Alimentar el módulo. 12V b) Predisponer el circuito en modo PAM-1_canal, con muestreo natural (situar SW1=Nat, SW2=1CH, SW3=2, según se muestra en la Figura Nro. 21). c) Aplicar 1kHz-2Vpp a la entrada analógica del modulador PAM (conectar TP24 a TP1 y regular el nivel de la señal en 2Vpp). d) Conectar el osciloscopio a la señal analógica de entrada (TP1) y a la salida del modulador PAM (TP11). Pregunta Nro. 1: ¿Qué puede afirmarse de la señal PAM ? i. Consta de una sucesión de impulsos cuya amplitud sigue la forma de onda de la señal analógica de entrada; el extremo de los impulsos PAM es llano; los impulsos PAM se obtienen a través del muestreo de la señal de entrada; los intervalos de muestreo están determinados por la señal T2 (Test Point 6) ii. Consta de una sucesión de impulsos cuya amplitud sigue la forma de onda de la señal analógica de entrada; los impulsos PAM se obtienen a través del muestreo de la señal de entrada; los intervalos de muestreo están determinados por la señal T3 (Test Point 3) iii. Consta de una sucesión de impulsos cuya amplitud sigue la forma de onda de la señal analógica de entrada; los impulsos PAM se obtienen a través del muestreo de la señal de entrada; los intervalos de muestreo están determinados por la señal T2 (Test Point 6) iv. Consta de una sucesión de impulsos cuya amplitud sigue la forma de onda de la señal analógica de entrada; los impulsos PAM se obtienen a través del muestreo de las dos señales aplicadas a las entradas IN1 (TP1) y IN2 (TP2); los intervalos de muestreo están determinados por la señal T2 (TP 6) Pregunta Nro. 2: ¿Dónde se miden los impulsos de muestreo para el modulador PAM1? ¿Cuánto vale la frecuencia, el período y la duración de los impulsos? i. TP5 - 8kHz - 125µs – 20 µs ii. TP2 - 125kHz - 8µs – 10 µs iii. TP3 - 8kHz - 125µs – 20 ms iv. TP6 - 8kHz - 125µs – 20 µs v. TP6 - 8kHz - 125µs – 1 µs Variar el ancho de los impulsos de muestreo (poner SW3=1) y observar la correspondiente variación de la señal PAM. Establezca sus conclusiones al respecto. Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 16 Figura Nro. 21: Esquema de conexiones del diagrama de bloques del módulo 4.2.- Modulador PAM de muestreo plano Realice los pasos siguientes: a) Predisponer el circuito en modo PAM-1_canal, con muestreo plano (SW1=Flat, SW2=1CH, SW3=2). b) Aplicar 1 kHz - 2 Vpp a la entrada IN1 del modulador PAM (conectar TP24 a TP1 y regular el nivel de la señal en 2 Vpp). c) Analizar las formas de onda de la señal analógica de entrada (TP1), de la señal presente en la salida del Sample&Hold (TP7) y de los impulsos de muestreo para el S&H (TP5) (ver Figura Nro. 22). d) Observar que la señal se muestrea al comienzo del impulso de muestreo y que la amplitud se mantiene constante hasta el impulso sucesivo; en TP7 se obtiene una señal de escalón que aproxima la señal analógica de entrada. e) Analizar las formas de onda de los impulsos de muestreo para el modulador (TP6) y de la señal PAM de salida (TP11); a continuación, observar que la señal de escalón se muestrea cuando su nivel resulta estable. f) Observar que los impulsos PAM tienen una amplitud constante durante toda su duración. g) Variar el ancho de los impulsos de muestreo (poner SW3=1) y observar la correspondiente variación de la señal PAM. h) Establezca las conclusiones del proceso observado. 4.3.- Reconstrucción de la señal mediante filtrado a) Predisponer el circuito en modo PAM-1_canal, con muestreo plano (SW1=Flat, SW2=1CH, SW3=2; conectar J2=d, según se muestra en la Figura Nro. 22). b) Aplicar 1 kHz – 2 Vpp a la entrada analógica del modulador PAM (conectar TP24 a TP1 y regular el nivel de la señal en 2Vpp). c) Conectar la salida del modulador a la entrada del filtro de paso-baja de 3,4 kHz (conectar TP11 con EXT IN). Situar LEVEL F1 en la posición máxima d) En TP21 se obtiene la forma de onda de la señal reconstruida, la cual es igual a la señal transmitida (TP1), salvo retrasos o diferencias de amplitud recuperables con LEVEL F1. e) Variar el ancho del impulso PAM (poner SW3=1). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 17 Figura Nro. 21: Formas de ondas del Muestreo Plano Pregunta Nro. 3: ¿Cómo cambia la señal reconstruida? i. Disminuye la amplitud, ya que el impulso PAM es más ancho ii. Aumenta la amplitud, ya que el impulso PAM es más estrecho iii. Disminuye la amplitud, ya que el impulso PAM es más ancho y tiene menor potencia iv. Disminuye la amplitud, ya que el impulso PAM es más estrecho y tiene menor potencia v. No hay variación alguna Figura Nro. 22: Esquema de conexiones del diagrama de bloques del módulo 4.4.- Fenómeno del Aliasing a) Predisponer el circuito en modo PAM-1_canal, con muestreo plano (SW1=Flat, SW2=1CH, SW3=2; J2=d, según la fig.987.11). b) Aplicar 5kHz a la entrada analógica del modulador PAM (conectar TP26 a TP1). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 18 c) Conectar la salida del modulador a la entrada del filtro de 3,4 kHz (conectar TP11 con EXT IN). Situar LEVEL F1 en posición máxima. d) Analizar la señal analógica transmitida (TP4), los impulsos de muestreo (TP6) y la señal PAM (TP11). Pregunta Nro. 4: A través del análisis de las formas de onda se observa que: i. Las muestras siguen la marcha de la señal analógica sinusoidal y en promedio hay más de dos muestras por período, lo cual satisface la condición requerida para la correcta reconstrucción de la señal ii. Las muestras siguen la marcha de la señal analógica sinusoidal y en promedio hay menos de dos muestras por período, lo cual satisface la condición requerida para la correcta reconstrucción de la señal iii. Las muestras siguen la marcha de la señal analógica sinusoidal y en promedio hay menos de dos muestras por período, lo cual no satisface la condición requerida para la correcta reconstrucción de la señal iv. Las muestras siguen la marcha de la señal analógica sinusoidal y en promedio hay más de cuatro muestras por período, lo cual satisface la condición requerida para la correcta reconstrucción de la señal Pregunta Nro. 5: Analizar en TP21 la forma de onda de la señal reconstruida. Se observa que: i. La señal reconstruida (levemente distorsionada) tiene una igual frecuencia a la de la señal de origen (3kHz) ii. La señal reconstruida (levemente distorsionada) tiene una frecuencia diferente que la de la señal de origen (3kHz en lugar de 5kHz), lo cual es causado por el sobremuestreo de la señal de origen; el filtro de reconstrucción extrae la componente 8-5=3kHz iii. La señal reconstruida (levemente distorsionada) tiene una frecuencia diferente que la de la señal de origen (1kHz en lugar de 5kHz) iv. La señal reconstruida (levemente distorsionada) tiene una frecuencia diferente que la de la señal de origen (3kHz en lugar de 5kHz), lo cual es causado por el submuestreo de la señal de origen; el filtro de reconstrucción extrae la componente 8-5=3kHz 5.- DEMODULACIÓN por IMPULSOS en AMPLITUD (PAM) 5.1.- NOCIONES TEÓRICAS 5.1.1 Receptor PAM Como ya descrito anteriormente, para demodular la señal PAM es suficiente un filtro de paso-baja. Esta solución sencilla en realidad no garantiza la buena calidad de la conexión y además no puede aplicarse a sistemas de comunicación PAM por división en el tiempo (TDM); por consiguiente, el receptor PAM se realiza de acuerdo al diagrama de la Figura Nro. 23. Los impulsos PAM de llegada del transmisor son muestreados por una señal de muestreo regenerada en el receptor mismo. La salida del muestreador se mantiene a nivel fijo hasta la llegada de la muestra siguiente, generando así una señal de escalón que aproxima la señal de partida. La señal reconstruida a partir de la señal de escalón tiene una amplitud mayor que la reconstruida directamente a partir de los impulsos Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 19 PAM; además, comprende menores armónicos que la señal de partida y de esta forma puede filtrarse con mayor facilidad. El diagrama de bloques del receptor PAM montado en el módulo se muestra en la Figura Nro. 24. La señal procedente del transmisor se amplifica y posteriormente se aplica a dos secciones: el regenerador de los impulsos de muestreo y el demodulador (Sample&Hold). La salida del demodulador se filtra a través del filtro de paso-baja, del cual se obtiene la señal analógica demodulada. La regeneración de los impulsos de muestreo se realiza con un PLL que genera una señal de muestreo síncrona con los impulsos de la señal PAM recibida. La sección siguiente permite desplazar en fase los impulsos proporcionados por el PLL, de manera de hacerlos coincidir con el punto de máxima amplitud de los impulsos PAM de llegada al demodulador (circuito de Sample&Hold). Figura Nro. 23: Receptor PAM Figura Nro. 24: Diagrama de bloques del receptor montado en el módulo 5.1.2.- Sistema de comunicación PAM El sistema de comunicación realizado en el módulo se muestra en la Figura Nro. 25. La señal PAM se transmite a través de una línea artificial, de la cual es posible variar la longitud (atenuación) y la banda pasante de -3dB (5/10/20/40/100 KHz). El generador de ruido permite sumar ruido a la señal PAM, de manera de obtener en la salida de la línea una señal PAM afectada por el ruido. Ya que en una señal PAM la información está contenida en la amplitud de sus impulsos, cualquier interferencia solapada a los impulsos puede cambiar su amplitud original. Como resultado, la salida del demodulador PAM resultará distorsionada con respecto a la señal original de partida. Además del ruido, también la banda pasante del canal de comunicación influye sobre la calidad de la señal recibida. Como se muestra en la Figura Nro. 26, un insuficiente ancho de banda del canal de comunicación puede Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 20 distorsionar los impulsos PAM, empeorando de esta forma la relación señal/ruido en la entrada del receptor y disminuyendo consecuentemente la calidad de la señal recibida. Figura Nro. 25: Diagrama de bloques de Sistema de comunicación PAM Figura Nro. 26: a) Suficiente ancho de banda del canal b) Insuficiente ancho de banda del canal 5.13.- EXPERIMENTACION 1) Regenerador de los impulsos de muestreo a) Alimentar el módulo. b) Predisponer los circuitos en modo PAM-1_canal, con muestreo plano (SW1=Flat, SW2=1CH, SW3=2; J1=20kHz; J2=c, Figura Nro. 27). c) Conectar la salida del transmisor (TP11) a la entrada de la línea (TP12) y la salida de la línea (TP13) a la entrada del receptor (TP14). Poner Attenuation y Noise en el mínimo. d) Analizar las formas de onda en la salida de la línea (TP14) y en la salida del amplificador de recepción (TP15). Los impulsos PAM están distorsionados debido a la respuesta de paso-baja de la línea. Pregunta Nro. 6: ¿Cuánto vale la ganancia del amplificador de recepción? i. Aproximadamente 10 ii. Unitaria y negativa iii. Aproximadamente 4 iv. Aproximadamente 20 v. Unitaria y positiva Analizar la señal en la salida del regenerador de reloj (TP17). Pregunta Nro. 7: Si el PLL está enganchado (led LOCK encendido intensamente), ¿cuál es la forma de onda que se obtiene en TP17? i. Onda sinusoidal de frecuencia igual a la de la señal analógica transmitida (1 kHz) Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 21 ii. iii. iv. v. Onda cuadrada de frecuencia igual a la de los impulsos PAM presentes en la entrada del receptor (1 kHz) Onda cuadrada de frecuencia el doble de la de los impulsos PAM presentes en la entrada del receptor (16 kHz) Onda cuadrada de frecuencia igual a la de los impulsos PAM presentes en la entrada del receptor (8 kHz) Una tensión continua, utilizada para retrasar la señal PAM recibida Analizar la señal PAM en la salida del amplificador (TP15) y los impulsos de muestreo regenerados salientes del circuito Phase Adjust (TP18). Observar cómo, a través del potenciómetro Phase Adjust, los impulsos de muestreo pueden situarse exactamente en el centro de los impulsos PAM. Esto permitirá que el demodulador muestree la señal PAM exactamente en correspondencia con la máxima amplitud de los impulsos. Figura Nro. 27: Diagrama de conexiones para el sistema de comunicaciones PAM 2) Demodulador y filtro de recepción a) Mantener las predisposiciones del ejercicio anterior (Figura Nro. 27). b) Aplicar 1 kHz – 2 Vpp a la entrada del modulador (conectar TP24 a TP1 y regular el nivel de la señal en 2 Vpp). c) Analizar las formas de onda de la señal PAM en la entrada y en la salida del demodulador (TP15 y TP20). d) Girar Phase Adjust. Pregunta Nro. 7: ¿Cuál es el efecto sobre la señal detectada en TP20? i. Varía la amplitud de la señal demodulada (forma de onda de escalón) en la salida del demodulador; se tiene la máxima amplitud cuando los impulsos de Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 22 ii. iii. iv. muestreo (TP18) se encuentran exactamente en el centro de los impulsos PAM recibidos No hay variación alguna Varía la frecuencia de la señal demodulada (forma de onda de escalón) en la salida del demodulador; se obtiene la misma frecuencia que la de la señal transmitida (1 kHz) cuando los impulsos de muestreo (TP18) se encuentran exactamente en el centro de los impulsos PAM recibidos Varía la amplitud de la señal demodulada (sinusoide) en la salida del demodulador Analizar la forma de onda de la señal en la salida del filtro de recepción (TP21, poner LEVEL F1 en la posición intermedia) y observar su correspondencia con la señal analógica transmitida (TP1). Establezca las conclusiones correspondientes. Figura Nro. 28: Formas de onda del sistema de comunicación PAM 3) Efecto del ruido sobre la señal demodulada y el regenerador de reloj a) Mantener las predisposiciones de la experiencia anterior. b) Aplicar 1 kHz - 2 Vpp a la entrada del modulador (conectar TP24 a TP1 y regular el nivel de la señal en 2 Vpp). c) Aumentar gradualmente el ruido en línea (Noise) y analizar las formas de onda en la entrada y en la salida de la línea (TP11 y TP14). La amplitud de los impulsos PAM de salida resulta continuamente variable debido al ruido. d) Analizar la forma de onda en la salida del demodulador (TP20) y observar cómo el ruido varía la amplitud de la señal de escalón (ajustar Phase Adjust para obtener la máxima amplitud de la señal). Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 23 e) Analizar la forma de onda de la señal de reloj regenerada (TP17). f) Observar cómo, al aumentar el ruido, aumenta también la inestabilidad (Jitter) del reloj regenerado. El efecto resulta sumamente evidente si se introduce atenuación también en línea, de manera de empeorar la relación señal/ruido en los extremos del receptor. g) La pérdida de enganche del regenerador de reloj se señaliza también mediante la disminución de intensidad del led Lock. Pregunta Nro. 7: En base a lo observado, ¿qué puede afirmarse? i. El ruido no provoca ningún efecto sobre la calidad de la señal demodulada ii. La distorsión de la señal demodulada causada por el ruido se debe sólo a la variación de la amplitud de los impulsos PAM iii. La distorsión de la señal demodulada causada por el ruido se debe a la combinación de dos efectos: la variación de amplitud de los impulsos PAM y la inestabilidad de los impulsos de muestreo regenerados y utilizados en recepción para demodular la señal PAM iv. La distorsión de la señal demodulada causada por el ruido se debe a la inestabilidad de los impulsos de muestreo regenerados y utilizados en recepción para demodular la señal PAM 4) Efecto de la banda del canal de comunicación a) Mantener las predisposiciones del ejercicio anterior. b) Aplicar 1kHz-2Vpp a la entrada del modulador (conectar TP24 a TP1 y regular el nivel de la señal en 2Vpp). c) Poner Noise en el mínimo y analizar las formas de onda en la entrada y en la salida de la línea (TP11 y TP14). d) Variar la banda pasante de la línea (situar J1 en la posición e) 5/10/40/100 kHz). Observar cómo, al disminuir la banda, aumenta la distorsión de los impulsos y disminuye su amplitud (ver Figura Nro. 28). f) Analizar la forma de onda en la salida del demodulador y del filtro de recepción (TP20 y TP21); a continuación, observar cómo al estrecharse la banda disminuye también la amplitud de la señal detectada (regular cada vez Phase Adjust para obtener la máxima amplitud). g) Establezca sus conclusiones para esta experiencia. 5) Transmisión fónica a) Mantener las predisposiciones del ejercicio anterior. b) Utilizar como señal moduladora la señal de micrófono (conectar el micrófono a la toma MIC y conectar TP29 a TP1). c) Conectar la salida del filtro de recepción al amplificador de audio (TP21-TP47). d) Escuchar la señal recibida al variar las siguientes condiciones: fase de los impulsos de muestreo de recepción (Phase Adjust) ruido banda pasante y atenuación de línea Establezca sus conclusiones para esta experiencia. Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 24 REPORTE DE LABORATORIO Fecha Practica Nro Hoja de Respuestas Nombres de los Integrantes Especialización en Telecomunicaciones Digitales / Vigencia Enero 2014 C.I. Firma 25 N° Grupo
