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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSE DO RIO PRETO
DISPOSITIVO DE CONTROLE REMOTO PARA AMPLIFICADORES UTILIZADOS EM REDES DE
TELECOMUNICAÇÕES COM ARQUITETURA HFC
Danilo Luiz Fernandes Garcia
Orientador Prof. M.Sc. Kleber Sartorio
Co-Orientador
Prof. M.Sc. Lucimar Sasso Vieira
São José do Rio Preto 2009
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSE DO RIO PRETO
DISPOSITIVO DE CONTROLE REMOTO PARA AMPLIFICADORES UTILIZADOS EM REDES DE
TELECOMUNICAÇÕES COM ARQUITETURA HFC
Danilo Luiz Fernandes Garcia
Projeto de Graduação apresentado à Faculdade de
Tecnologia de São José do Rio Preto para obtenção do grau de Tecnólogo em Informática para a Gestão de
Negócios, sob a orientação do Prof. M.Sc. Kleber Sartorio.
São José do Rio Preto
2009
ii
iii
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DE SÃO JOSE DO RIO PRETO
Banca Examinadora:
Aprovado em: _____/_____/_____
Nome:__________________________________________ Assinatura:__________________
Nome:__________________________________________ Assinatura:__________________
Nome:__________________________________________Assinatura: __________________
São José do Rio Preto
2009
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha esposa Tatiana, minha filha Kathleen, também para
meu(minha) filho(a) que está a caminho e a meus pais Wagner e Meire.
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus familiares, especialmente à minha esposa Tatiana e a minha filha
Kathleen que souberam, com imenso amor e desprendimento, reconhecer minhas limitações e
pacientemente perdoar meus momentos de ausência.
Agradeço a meus pais Wagner e Meire, que sempre confiaram na minha capacidade
em alcançar meus objetivos, me apoiando sempre em qualquer escolha, mas sempre
acrescentavam que eu encontraria muitas dificuldades, mas teria que procurar ser o melhor
para superá-las. Essa confiança, eu acredito que seja fruto de um trabalho árduo no processo
de educação dos filhos e que pretendo aplicá-lo em minha filha.
Agradeço aos colegas de turma que me acompanharam nesta jornada e que, juntos
comigo, estão agora colhendo os frutos de sua dedicação e trabalho.
Agradeço a todos meus colegas de trabalho que pacientemente ensinaram-me na
prática o que eu conhecia apenas na teoria. Também não poderia deixar de agradecer ao
Eduardo Pereira da Matta, um colega de trabalho, que durante este projeto de graduação me
deu todo apoio com seu conhecimento na área da Eletrônica.
Agradeço de forma muito especial ao Profº M.Sc. Kleber Sartorio, que mais do que
orientador, foi um verdadeiro amigo apontando de maneira clara e objetiva o caminho a
seguir.
vi
RESUMO
Este Projeto de Graduação trata da construção de um protótipo, denominado: DMLC (Dispositivo Modular de Leitura e Controle), que possibilita às empresas de telecomunicações que utilizam como arquitetura as Redes HFC (Hibrid Fiber Coax – Arquitetura Híbrida de Cabos Ópticos e Coaxiais) controlarem remotamente os amplificadores de suas redes. Neste tipo de rede, o ruído é um dos grandes responsáveis pela queda na qualidade dos serviços oferecidos. A identificação do ingresso do ruído na rede pode exigir um longo esforço da equipe de infraestrutura em localizá-lo para posteriormente eliminá-lo. Sendo assim, o protótipo desenvolvido neste trabalho auxiliará as equipes responsáveis pela infraestrutura a reduzir o seu tempo de atuação. Como benefícios da implantação de um dispositivo similar teríamos a diminuição da indisponibilidade de seus serviços., redução dos custos homens-hora, de combustíveis, entre outros. O trabalho inicia-se com uma revisão teórica sobre o funcionamento das Redes HFC, os impactos do ruído sobre os serviços oferecidos e os referenciais teóricos básicos de programação e de microcontroladores. A seguir são demonstrados os diagramas de blocos do DMLC, seu princípio de funcionamento e atuação. Finalmente são apresentados os resultados e conclusões.
Palavras Chave: Redes, Redes HFC, Ruído, Infraestrutura.
vii
ABSTRACT
This graduation project treats of the construction of a prototype, denominated DMLC (Modular Dispositive of Read and Control) that makes possible to the companies of telecommunications that uses as arquiteture the HFC (hybrid fiber coax), to control the amplifiers of their nets remotely. In this type of net, the noise is one of the great responsible for the quality fall of available services. The identification of the noise source in the net can demand a long effort of the infrastructure team to locate the source and solve the problem. Then, this development prototype in this work will help the teams responsible for the infrastructure to reduce his/her time of performance. As benefits of the implantation of a similar device we will have the decrease of the unavailability of their services, reduction of costs man-hour, reduction of fuel costs, among others. The work begins with the theoretical revision on the operation of HFC network, the impacts of the noise on the offered services and the basic theoretical references of programming and microcontrollers. Next, we have the demonstration of the diagram of blocks of DMLC model, his operation principles and performance.
Keywords: Network, HFC Network, Noise, Infrastructure
viii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
1.1 Problema ................................................................................................................. 3
1.2 Justificativa .............................................................................................................. 3
1.3 Objetivos ................................................................................................................. 4
1.4 Proposta para solução do problema .......................................................................... 4
1.5 Organização do Trabalho ......................................................................................... 5
CAPÍTULO 1 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA........................................................... 6
1.1 Topologia da Rede HFC .......................................................................................... 6
1.2 Princípios de funcionamento dos amplificadores na Rede HFC ................................ 8
1.3 Problemas pertinentes à Rede HFC ........................................................................ 16
1.3.1 Efeito do Ruído na Modulação QAM utilizada para transmissão de Dados ..... 21
1.3.2 Método de identificação de ruído na Rede HFC .............................................. 27
O Microcontrolador.......................................................................................................... 31
1.3.3 A História ....................................................................................................... 31
1.3.4 Microprocessador “versus” Microcontrolador ................................................. 33
1.3.5 PIC 16F628A .................................................................................................. 33
1.4 Linguagem de Programação ................................................................................... 35
1.4.1 Os Compiladores ............................................................................................ 35
1.4.2 Linguagem C .................................................................................................. 36
1.4.3 Programação em Microcontroladores utilizando a Linguagem C ..................... 38
CAPÍTULO 2 METODOLOGIA .................................................................................... 39
2.1 Tipo do trabalho .................................................................................................... 39
2.2 Etapas metodológicas adotadas .............................................................................. 39
2.3 Materiais ................................................................................................................ 40
2.3.1 Equipamentos ..................................................................................................... 40
2.3.2 Softwares utilizados ........................................................................................... 41
CAPÍTULO 3 DESENVOLVIMENTO .......................................................................... 42
3.1 Gravador de Microcontrolador / Software de Gravação .......................................... 42
3.2 Desenvolvimento do Hardware utilizando PIC16F628A ........................................ 43
3.3 Desenvolvimento do Software ............................................................................... 48
3.4 Integração do Hardware com o Amplificador ........................................................ 51
CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................. 52
CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 54
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Rede com Arquitetura Tree and Branch ................................................................. 7
Figura 2 - Rede com Arquitetura Hibrid Fiber / Coaxial ......................................................... 8
Figura 3 - Simbologia do diagrama de blocos de um amplificador .......................................... 9
Figura 4 - Amplificador Operacional ...................................................................................... 9
Figura 5 - Filtro Passa - Alta ................................................................................................ 10
Figura 6 - Filtro Passa-Baixa ................................................................................................ 10
Figura 7 - Filtro Passa-Faixa ................................................................................................ 10
Figura 8 - Filtro Rejeita-Faixa .............................................................................................. 11
Figura 9 - Atenuador em "T" ................................................................................................ 11
Figura 10 - Atenuador em π ("Pi")........................................................................................ 12
Figura 11 – Representação do Tilt ........................................................................................ 12
Figura 12 - Atenuação de elementos passivos na Rede HFC ................................................. 14
Figura 13 - Diagrama de blocos de um amplificador ............................................................ 15
Figura 14 - Amplificador Scientific Atlanta HGD GAINMAKER ........................................ 15
Figura 15 - Camadas de um cabo coaxial ............................................................................. 17
Figura 16 - Trajetória de um ruído no sentido normal da rede ............................................... 17
Figura 17 - Trajetória de um ruído no sentido de retorno da rede (uma fonte de ruído) ........ 18
Figura 18 - Trajetória de um ruído no sentido de retorno da rede (duas fontes de ruído) ...... 18
Figura 19 - Análise de ruído na Rede HFC ........................................................................... 19
Figura 20 - Análise de ruído na Rede HFC ........................................................................... 19
Figura 21 - Análise de ruído na Rede HFC ........................................................................... 20
Figura 22 - Análise de ruído na Rede HFC ........................................................................... 20
Figura 23 - Tipos de Modulação ........................................................................................... 22
Figura 24 - Modulação QPSK / 4 QAM ............................................................................... 24
Figura 25 - Modulação QPSK / 4 QAM ............................................................................... 24
Figura 26 - Modulação QPSK / 4 QAM ............................................................................... 25
Figura 27 - Modulação 16 QAM .......................................................................................... 25
Figura 28 - Modulação 64 QAM .......................................................................................... 26
Figura 29 - Modulação 256 QAM ........................................................................................ 26
Figura 30 - Nível de SNR em um canal Upstream ................................................................ 27
Figura 31 - Identificação da fonte de Ruído .......................................................................... 29
Figura 32 - Intel 4004 (6 kHz) .............................................................................................. 31
Figura 33 - Busicom 141 PF (Intel 4004) ............................................................................. 32
Figura 34 - Intel 8008 (500 kHz) .......................................................................................... 32
Figura 35 - Intel 8080 (3 MHz) ............................................................................................ 32
Figura 36 - Diagrama de blocos do microcontrolador ........................................................... 35
Figura 37 - Etapa de compilação de um programa ................................................................ 36
Figura 38 - Gravador de Microcontrolador ........................................................................... 43
Figura 39 - Módulo de Controle ........................................................................................... 45
Figura 40 - Módulo de Comunicação ................................................................................... 45
Figura 41 - Módulo de Alimentação ..................................................................................... 46
Figura 42 - Acoplamento do Módulo Atenuador e Atenuador .............................................. 46
Figura 43 - Módulo Atenuador ............................................................................................. 47
Figura 44 - Fluxograma do Software .................................................................................... 49
Figura 45 - Integração dos circuitos (Amplificador e DMLC) .............................................. 53
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Problemas característicos em meios de transmissão ............................................. 16
Tabela 2 - Comparação entre modulação QAM .................................................................... 23
INTRODUÇÃO
As mudanças tecnológicas e políticas no cenário mundial têm provocado alterações
significativas no ambiente organizacional. Seguramente, dentre as possíveis mudanças
tecnológicas, as que mais têm impacto sobre as empresas, são as ligadas ao setor de
telecomunicações.
Hoje há uma imensa gama de serviços de telecomunicações oferecidos as pessoas
físicas e jurídicas, como por exemplo: a Internet banda-larga, os serviços de telefonia fixa, os
serviços de telefonia móvel, as TV´s por assinatura, serviços de comunicação de dados e de
vídeo conferências, dentre outros. Além da vasta oferta, verificou-se que os consumidores
necessitavam contratar, por vezes, uma combinação dos mesmos, ou seja, associar o serviço
de TV a cabo com o serviço de Internet, o serviço de telefonia fixa ao serviço de TV, de
Telefonia ao de Internet e assim por diante. No passado, cada um desses serviços era ofertado
distintamente, mas com o uso de novas tecnologias, passaram a serem comercializados pela
mesma empresa e sobre a mesma infraestrutura.
Desde então passaram a ser vendidos nas mais diversas combinações, denominadas
mercadologicamente de: “combos”, “mix” ou “plays”. Estas agregam dois ou mais serviços,
por exemplo, no caso da empresa NET Serviços de Comunicação S/A, a combinação entre os
serviços de internet, telefonia e TV é chamado de NET Combo.
Denominamos de serviços convergentes a tendência tecnológica e de mercado de
integrar diversos serviços utilizando uma única plataforma para suporte e gerenciamento.
As empresas prestadoras que atuam nesse segmento tendem a oferecer aos seus
clientes cada vez mais serviços convergentes, pois necessitam se adequar ao arranjo
competitivo imposto pelo mercado.
Para fazer frente a essas vicissitudes as organizações que atuam na indústria de
telecomunicações têm que ampliar tanto sua capacidade interna de inovação e de
incorporação de novos conhecimentos, como também buscar novas fontes de tecnologia que
sejam complementares, a fim de proporcionar um diferencial competitivo no mercado no qual
atua.
Do outro lado estão os consumidores desta grande indústria, que como pode ser visto
no modelo de competitividade de Porter (1996), exercem grande pressão sobre as
organizações do setor, exigindo serviços com maior qualidade e menor preço.
2
Os serviços de telecomunicação são hoje em dia de vital importância para qualquer
organização. Numa economia globalizada, onde o seu concorrente está a um clique de
distância, as empresas são extremamente sensíveis a falhas de comunicação. Apenas alguns
minutos de indisponibilidade podem causar grandes prejuízos.
Por esses motivos, as empresas de telecomunicações procuram fidelizar e manter a
satisfação de seus clientes, e isso pode ser mensurado por um índice denominado: Índice de
Disponibilidade de Serviço (IDS). Quanto mais alto for este índice maior tempo estará o
serviço disponível para os usuários.
Podemos, entretanto, relativizar o problema de indisponibilidade dependendo da
região afetada; uma hora de interrupção de serviço na cidade de Neves Paulista/SP1 é muito
menos significativo do que uma hora de interrupção de serviço na cidade de São Paulo/SP.
Também podemos voltar a nossa análise para os usuários finais não corporativos,
estes parecem cada vez mais não suportar ficarem sem os serviços contratados. Poder-se-ia
até questionar a necessidade de estar permanentemente conectado, mas deve-se lembrar que
cada vez mais o cliente não corporativo está interligado aos serviços telemáticos
cotidianamente e os utiliza e maneira freqüente (por exemplo: acesso ao home-banking,
estudos, busca de informações, etc).
Como verificamos nos parágrafos anteriores, a manutenção da disponibilidade e da
qualidade de serviços é fundamental. Este estudo quer contribuir de forma efetiva para o
aumento desta disponibilidade e qualidade dos serviços ofertados por estas operadoras, em
particular para as operadoras de serviços convergentes sobre a infraestrutura de cabos
coaxiais.
Isto será realizado ao longo deste trabalho com o desenvolvimento de um dispositivo
que permitirá as operadoras efetuar a ativação/desativação de portas de comunicação de
qualquer amplificador que nela estiver conectado. Um dispositivo deste tipo possibilita ações
sobre a rede que auxiliam na identificação e reparo de problemas na infraestrutura, sendo
assim, este dispositivo: minimiza o tempo para identificação do problema, garante um maior
IDS, reduz os custos de homens hora envolvidos no processo de manutenção corretiva,
oferece maior eficiência e eficácia na operação da plataforma de operação do serviço.
1 Cidade no Interior de São Paulo, localizada no Noroeste do Estado a 470 km da Capital com 8825 habitantes. Fonte: IBGE (dados de 2007)
3
1.1 Problema
Em uma Rede HFC (Hibrid Fiber Coax – Rede Híbrida de Cabos Ópticos e
Coaxiais) o ruído proveniente de interferência de outros sinais é um dos principais problemas
e também um dos mais freqüentes. Esse tipo de intercorrência pode causar queda na qualidade
do serviço oferecido pela rede. Em comunicação chamamos de ruído todo sinal que atrapalha
o receptor em compreender a informação que foi transmitida. As conseqüências deste tipo de
problema podem resultar em:
• Lentidão no serviço de Internet banda larga;
• Redução na qualidade do serviço de VoIP2
Outro aspecto a ser destacado, não diretamente relacionado com a parte técnica, é o
tempo gasto pela equipe de infraestrutura no processo de identificar onde há o ingresso do
ruído na rede.
O método atual é bastante demorado, já que se baseia na tentativa e erro para
encontrar a fonte do ruído. A equipe de infraestrutura é alertada pelo Centro de Operações da
Rede que há uma ocorrência de ruído em uma determinada região. A partir daí a equipe inicia
seus trabalhos deslocando-se até o receptor óptico responsável por atender aquela região. Ao
chegar, a equipe constata em qual das micro-regiões o problema se apresenta, como o sistema
baseia-se numa cascata de equipamentos (amplificadores), a equipe técnica seguirá este
procedimento até a fonte do problema. Esse processo de busca pode se estender por até 6
níveis, o que resulta em um grande desperdício de horas-homem, combustível, além da
demora em sanar o problema definitivamente. Não podemos nos esquecer de que outros
aspectos podem dificultar o acesso da equipe de infraestrutura aos equipamentos, como por
exemplo, uma rua central da cidade em horário de pico.
1.2 Justificativa
Nos dias de hoje as telecomunicações são essenciais a qualquer tipo de serviço,
qualquer falha no sistema deve ser restabelecida rapidamente. São grandes os impactos que
um sistema inoperante pode causar. Há riscos tanto para os usuários quanto para as empresas.
Uma operadora, por exemplo, detentora da licença de prestação de serviço pode ser autuada
2 Voice over Internet Protocol – Voz Sobre IP
4
pelo órgão regulador (Anatel - Agência Nacional de Telecomunicações), segundo a Lei nº
9.472 de 16 de Julho de 1997.3
Como pudemos verificar no item anterior deste projeto de graduação, a identificação
do ingresso do ruído na rede feito da forma tradicional é extremamente demorada.
Para possibilitar a resolução deste problema, o objetivo deste projeto é fornecer aos
gerentes das Redes HFC a possibilidade de determinar precisamente o ponto de ingresso mais
próximo do ruído. Sendo assim, o gerente da rede poderá enviar sua equipe técnica
diretamente ao foco do problema, evitando todo processo de identificação por tentativa e erro,
descrito anteriormente. Um gerente munido destas informações pode previamente tomar
decisões mais assertivas, antecipar falhas, reduzir custos, diminuir a indisponibilidade do
serviço, entre outras ações.
1.3 Objetivos
Objetivos Gerais:
Desenvolver um hardware que agilize o processo de identificação do ruído na Rede
HFC Bidirecional.
Objetivos Específicos:
Entender o funcionamento de uma Rede HFC Bidirecional;
Analisar os efeitos do ruído em canais de retorno em uma Rede HFC;
Analisar o circuito (diagrama de blocos) dos amplificadores para entender seu
funcionamento na Rede HFC;
Estudar modos de programação em microcontroladores PIC;
Produzir o dispositivo que será instalado no laboratório a fim de efetuar testes;
1.4 Proposta para solução do problema
Para minimizarmos os problemas causados pelo ruído, a proposta deste estudo será:
a) A criação de um hardware, que será instalado dentro de cada amplificador.
Este hardware será denominado doravante de Dispositivo Modular de
Leitura e Controle (DMLC)
3 Disponível em: http://www.planalto.gov.br/ccivil/leis/L9472.htm
5
b) O desenvolvimento de um software para os hardwares instalados nos
amplificadores da rede HFC Bidirecional receberem comandos remotos;
c) Através deste acesso remoto, o envio de comandos que permitirão
ativação/desativação do canal de retorno do amplificador;
O processo acima feito diretamente do Centro de Operações da Rede permitirá que
sem o deslocamento físico de nenhum técnico a precisa identificação do ponto mais próximo
de ingresso do ruído.
1.5 Organização do Trabalho
Este trabalho está dividido em 5 capítulos, cada qual abordamos os aspectos abaixo:
- Introdução: Nesta são apresentados os objetivos do trabalho, o problema, solução
proposta e a justificativa do trabalho.
- Capítulo 1: Neste capítulo são apresentados fundamentos teóricos necessários para
o desenvolvimento do trabalho, principalmente os conceitos de uma Rede HFC, tais como:
arquitetura, problemas pertinentes, protocolo de comunicação utilizado.
- Capítulo 2: Neste capítulo é apresentada a metodologia utilizada no
desenvolvimento do projeto.
- Capítulo 3: Neste capítulo é apresentado o desenvolvimento deste trabalho.
- Capítulo 4: Neste capítulo são apresentados os resultados e discussões.
- Conclusão: Neste último tópico são apresentadas as reflexões sobre o projeto.
- Referências: Aqui são apresentadas as referências utilizadas para realização deste
trabalho.
CAPÍTULO 1 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
“Tenha em mente que tudo que você aprende na escola é trabalho de muitas gerações. Receba essa herança, honre-a, acrescente a ela e, um dia, fielmente, deposite-a nas mãos de seus filhos”
Albert Einstein
Antes de iniciarmos a exploração deste estudo, precisamos entender o funcionamento
de uma rede com arquitetura HFC:
a) Quais são os problemas pertinentes a este meio de comunicação;
b) Como utilizamos uma rede;
c) Como foi desenvolvida;
É importante destacar que esta rede a princípio foi desenvolvida para transmitir
sinais de TV e por ela atualmente trafegam-se dados em altíssimas velocidades. Toda essa
teoria tornasse importante para compreendermos o problema e o objetivo deste projeto.
1.1 Topologia da Rede HFC
As primeiras redes de CATV que surgiram tinha uma arquitetura denominada Tree
and Branch, que compreendia em ter vários amplificadores em uma linha tronco (que envia os
sinais para regiões mais distantes) e suas ramificações. Dentro dessa estrutura existiam alguns
amplificadores conectados a uma rede tronco e que tinha por finalidade distribuir os sinais
analógicos de TV para uma região menor. Na proporção que a rede de distribuição de sinais
se estendia, era instalado um novo amplificador na rede para aumentar o nível de sinal
garantindo a reposição do nível que se havia perdido devido a distância. A Figura 1 ilustra
como é formado este tipo de arquitetura.
7
Figura 1 - Rede com Arquitetura Tree and Branch - Fonte: Autoria própria
Essa arquitetura de rede tem muitas desvantagens, algumas delas são:
a) Manutenção;
b) Devido à próprias características de sistemas amplificadores, a cada
amplificador que o sinal passa até chegar à residência do usuário, este sinal é
acrescido de um ruído que será amplificado no próximo amplificador e assim
por diante, até o momento que inviabiliza o fornecimento de um sinal de
qualidade.
Resumindo, nesta arquitetura o cliente mais distante do centro de distribuição da
operadora, também conhecido como Headend terá um sinal de qualidade muito inferior do
que o usuário que está conectado logo nos primeiros amplificadores desta cascata.
Para resolver este problema, no início dos anos 90, uma nova arquitetura de rede foi
proposta. A atualmente utilizada é denominada de Rede com Arquitetura HFC (Hibrid Fiber
Coax), ou seja, utiliza simultaneamente cabos ópticos e coaxiais. O sucesso do uso de uma
rede óptica como linha tronco, se deve ao fato da:
a) Fibra óptica ter baixa atenuação (entre 0,2 e 0,7 dB/Km);
b) Fibra óptica ser imune a ruídos externos;
c) Fibra óptica ser de fácil manutenção;
d) Fibra óptica ter baixo custo, se comparado aos custos dos cabos coaxiais; etc.
Graças às características descritas acima se eliminam os problemas da qualidade dos
sinais, provocados pelo grande número de amplificadores na cascata. Assim se garante a
8
qualidade dos sinais não importando a distância da residência do usuário até o Headend,
conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 2 - Rede com Arquitetura Hibrid Fiber / Coaxial – Fonte: Autoria própria
1.2 Princípios de funcionamento dos amplificadores na Rede HFC
Os amplificadores são equipamentos essenciais em uma Rede HFC, pois possibilita
que os serviços sejam disponibilizados cada vez mais distantes dos Headend. Sua função é
aumentar o ganho (amplitude) de um sinal com relação à intensidade do sinal que tinha na
entrada do amplificador. Esse ganho é expresso em dB (deciBel).
Genericamente o amplificador pode ser dividido em 3 partes: Alimentação (AC /
DC), Módulo de amplificação do sinal do direto (Forward) e Módulo de amplificação do sinal
do retorno (Reverse).
O módulo de alimentação baseia-se em converter a tensão alternada presente na Rede
HFC, que pode variar entre 60, 75 ou 90 volts de acordo com o projeto da rede, em tensão
contínua de 24 volts para o funcionamento do circuito amplificador. Não será abordado como
esse processo é executado em detalhes, pois não é este o foco deste projeto.
Os módulos responsáveis pela amplificação do sinal (direto e reverso) apesar de
operarem em freqüências diferentes tem o mesmo princípio de funcionamento. Na Figura 3
temos ilustrado a simbologia que será utilizada neste trabalho para a apresentação do
funcionamento de cada componente de um circuito amplificador. No texto a seguir será
explicitado o funcionamento detalhado de cada componente e posteriormente do
funcionamento destes em conjunto.
9
Figura 3 - Simbologia do diagrama de blocos de um amplificador - Fonte: Autoria própria
1.2.1 Componentes do módulo amplificador
1.2.1.1 Amplificador
Também chamado de amplificador operacional, é o componente responsável por
aumentar a amplitude do sinal que foi inserido na entrada do amplificador. Esse aumento da
amplitude pode ser chamado de Ganho e é expresso pela relação entre o nível de saída e o
nível de entrada de um sinal (G=Nívelout - Nívelin). A unidade de medida é dB.]. Na Figura 4
temos a representação do um amplificador operacional.
Figura 4 - Amplificador Operacional - Fonte: Autoria própria
1.2.1.2 Filtro de Freqüência
É o nome dado ao circuito eletrônico que tem a função de permitir a passagem de
algumas freqüências e atenuando outras freqüências.
Esses filtros podem ser, basicamente, de 4 tipos: Passa - Alta, Passa - Baixa, Passa -
Faixa e Rejeita – Faixa, representados pelas Figuras 5, 6, 7 e 8, respectivamente.
• Passa – Alta: Permite a passagem somente de freqüências acima do valor que
foi projetado (Fc=1/2πRC) para os capacitores (C) e resistores (R).
10
Figura 5 - Filtro Passa - Alta - Fonte: www.cp.utfpr.edu.br/chiesse/Eletronica/Filtros_passivos.pdf
• Passa – Baixa: Permite a passagem somente de freqüências acima do valor que
foi projetado (Fc=1/2πRC) para os capacitores (C) e resistores (R).
Figura 6 - Filtro Passa-Baixa - Fonte: www.cp.utfpr.edu.br/chiesse/Eletronica/Filtros_passivos.pdf
Nota-se que o modelo matemático utilizado para a construção dos filtros passa-baixa
e passa - alta é o mesmo, diferenciando apenas na posição onde os componentes são
montados.
• Passa – Faixa (ou Passa-Banda): Permite a passagem de certa faixa de
freqüência, atenuando todas as outras freqüências abaixo e acima das
freqüências de cortes projetadas. Pode ser construído através da combinação
entre um filtro passa-baixa e outro passa - alta. Onde, para as freqüências
baixa temos Fc1=1/2πC1(R1+R2) e para as freqüências altas Fc2=1/2πReqC2,
onde Req=R1/R2.
Figura 7 - Filtro Passa-Faixa - Fonte: www.cp.utfpr.edu.br/chiesse/Eletronica/Filtros_passivos.pdf
• Rejeita – Faixa (ou Rejeita-Banda): Com funcionamento inverso ao Filtro
Passa-Faixa, esse filtro atenua a(s) freqüência(s) intermediária(s), permitindo
11
a passagem de todas as freqüências abaixo e acima das freqüências de corte
do projeto. Matematicamente, os cálculos são os mesmo para os filtros passa-
baixa e passa - alta, diferenciando apenas na construção, onde o sinal deve ser
dividido antes da passagem nos filtros e combinados novamente depois de
filtrados.
Figura 8 - Filtro Rejeita-Faixa - Fonte: www.cp.utfpr.edu.br/chiesse/Eletronica/Filtros_passivos.pdf
1.2.1.3 Atenuadores
São dispositivos que tem a função de atenuar o nível dos sinais. Seu funcionamento é
o inverso dos amplificadores. Geralmente são construídos a partir de elemento resistivos que
dependendo da combinação podem fornecer diversos valores para atenuação. Em CATV, os
atenuadores mais utilizados, são os construídos tipo “T” ou π (“Pi”), representados pelas
Figuras 9 e 10 respectivamente.
Figura 9 - Atenuador em "T" - Fonte: Autoria própria
Req=(R3/(R1+R3))+R2
12
Figura 10 - Atenuador em π ("Pi") - Fonte:Autoria própria
O atenuador é um divisor de tensão onde o valor do atenuador pode ser
Req=R2/(R1+R2)+R3/(R1+R3)
1.2.1.4 Equalizadores
Na Rede HFC, os equalizadores são circuitos utilizados para efetuar a correção na
resposta em freqüência que ocorre durante a passagem dos sinais pelos cabos coaxiais.
Nos cabos coaxiais quanto mais altas forem as freqüências que trafega por ele, maior
é a atenuação sofrida por estes sinais. Esta diferença entre o nível de sinal da freqüência mais
baixa e a freqüência mais alta chama-se Tilt e é expresso em dB. Esse tilt é calculo por, tilt =
fa - fb, e pode ser positivo (tilt > 0), nulo (tilt = 0) ou negativo (tilt < 0), onde “fa” é o nível de
sinal da freqüência mais alta e “fb” é o nível do sinal da freqüência mais baixa e a
representação deste tilt pode ser observada na Figura 11.
Figura 11 – Representação do Tilt - Fonte: Autoria própria
13
Nos amplificadores, todas as freqüências devem estar com o mesmo nível (tilt = 0),
portanto faz-se necessário a utilização de equalizadores de sinal para efetuar este ajuste dos
sinais que entram no amplificador e também os que saem dele para efetuar a compensação
deste sinal até o próximo amplificador da cascata. Para isso o nível de sinal das freqüências
mais altas é ajustado de forma que sejam maiores que as freqüências mais baixas, a
representação gráfica é semelhante ao item “c” da Figura 11.
Existem dois tipos de equalizadores. O primeiro simula a atenuação dos cabos
coaxiais e é utilizado quando o tilt na entrada do amplificador está positivo; o segundo
comporta-se de forma inversa aos cabos coaxiais, chamado de equalizador inversor, ou seja, a
atenuação é maior nas freqüências mais baixas e é utilizado quando o tilt na entrada do
amplificador está negativo
O tilt estimado na entrada do próximo pode ser calculado a partir da seguinte
formula:
Tilt = (Nívela – ((d*AtCa) + ∑ (AtPa)) ) - (Nívelb – ((d*AtCb) + ∑ (AtPb)) )
Sendo;
Nível = Intensidade de sinal;
a = Freqüência alta;
b = Freqüência baixa;
d = Distância entre os amplificadores (em metros);
AtC = Atenuação do cabo coaxial (em metros);
AtP = Atenuação dos passivos da rede (divisores, acopladores, etc.)
Na Figura 12 temos mais esquerda a representação do nível de sinal na saída de um
amplificador (em verde) e a atenuação total (em vermelho) sofrida no cabo coaxial até a
entrada do próximo amplificador. Mais a direta desta mesma figura pode observar o tilt
esperado na entrada do próximo amplificador.
14
Figura 12 - Atenuação de elementos passivos na Rede HFC - Fonte: Autoria própria
O funcionamento de todos os componentes em conjunto segue os seguintes passos,
que serão enumerados a seguir:
1. O sinal antes de ser amplificado passa por um filtro de freqüências, que
separa todas as freqüências acima de 54 MHz e abaixo de 45 MHz, que serão
tratadas independentemente dentro do conjunto amplificador;
2. O sinal passa no atenuador de forma que o seu nível é reduzido;
3. Em seguida o equalizador ajusta a inclinação do sinal de todas as freqüências;
4. Nesta etapa o sinal passa pelo componente amplificador e o sinal tem o ganho
que foi determinado pelo fabricante;
5. Em seguida o sinal novamente é ajustado com atenuadores e equalizadores
após ser amplificado;
6. Por último o sinal passa novamente por um filtro de freqüência, que agora,
junta todas as freqüências acima de 54 MHz e abaixo de 45 MHz que já
foram amplificadas.
A figura 13 ilustra de maneira simplificada o diagrama de blocos de um
amplificador. Nota-se que no módulo do sentido direto temos um estágio pré-amplificador, ou
seja, dois componentes amplificadores. Onde vemos ponto de teste neste diagrama refere-se
onde é possível tirar uma amostra do sinal que está dentro do circuito e assim fazer os ajustes.
15
Figura 13 - Diagrama de blocos de um amplificador - Fonte: Autoria própria
É possível analisar que todos os componentes são dispostos seqüencialmente e que a
retirada de qualquer um deles abre o circuito, interrompendo a continuidade do sinal.
Na Figura 14 temos a representação real de um amplificador utilizado em Redes
HFC.
Figura 14 - Amplificador Scientific Atlanta HGD GAINMAKER – Fonte: www.scientificatlanta.com
16
1.3 Problemas pertinentes à Rede HFC
Em qualquer meio de transmissão todo sinal que é transmitido sofre um degradação.
Essa degradação pode ser linear ou não-linear. A Tabela 1 relaciona alguns tipos de
problemas encontrados e a que grupo de degradação pertence.
Tabela 1 - Problemas característicos em meios de transmissão. - Fonte:Autoria própria
Degradação em canais de retorno
Lineares (Distorções)
Amplitude
HUM
Jitter
Polarização
Não lineares (Ruídos)
Branco
Cross-talk
Impulsivo
Interferência
Intermodulação
Modo comum ou diferencial
Térmico
O objeto de estudo deste projeto é a degradação não linear causada por interferência
e que trataremos a partir de agora apenas como ruído. Ele será abordado de duas maneiras
distintas, ou seja, quando o ruído segue o sentido normal da rede (Headend > Usuários) e
também quando segue o sentido de retorno da rede (Usuários > Headend).
Antes vamos definir o que é ruído. Em comunicação, é todo sinal que atrapalha o
receptor em compreender a mensagem original que foi transmitida, podendo fazer com que
parte desta informação seja perdida e nos casos mais graves, toda a mensagem é perdida.
Toda Rede HFC além de formar uma grande rede de distribuição, forma também
uma grande rede de aterramento, sendo que este último que tem como função isolar, do meio
externo, toda informação que trafega nos cabos e vice-versa. A Figura 15 ilustra como são as
camadas que formam um cabo coaxial e que é parte essencial nesta rede de distribuição de
sinais e aterramento.
17
Figura 15 - Camadas de um cabo coaxial – Fonte: Autoria própria
Várias podem ser as causas de ruídos na rede, dentre elas destacam-se falhas em
conexões, problema na isolação do cabo coaxial equipamentos ativos (amplificadores) e
passivos (divisores de sinal) mal encaixados/fechados o que pode ocasionar em uma falha na
isolação, permitindo que outros sinais externos ingressem na rede. Para a isolação perfeita,
todo o sistema deve estar em perfeitas condições, mas na prática não é o que ocorre.
Como dito anteriormente, o ruído pode aparecer basicamente em dois momentos na
rede: 1º quando ele aparece em uma faixa de freqüência acima de 54 MHz até 1 GHz (sentido
Headend > Usuários). Neste caso o problema normalmente é causado por falha na rede de
distribuição externa e é percebido apenas para os usuários conectados a partir do ponto onde
está ocasionando o problema. No exemplo da Figura 16, um problema “X” em uma das saídas
do amplificador (5) está ingressando um ruído (acima de 54 MHz) que só é perceptível para
os usuários das casas 5, 6 e 7, todas as demais continuam com os serviços sem nenhum
problema. Resumindo, o ruído é dividido com os demais conectado.
Figura 16 - Trajetória de um ruído no sentido normal da rede - Fonte: Autoria própria
Em um 2º momento, é quando o ruído aparece em uma faixa entre 5 Mhz até 45
MHz (sentido Usuários > Headend). Nesta pode-se dizer que os problemas causados são
18
maiores que o primeiro caso, pois basta que uma simples conexão mal feita em um dos pontos
de distribuição do sinal dentro da casa de um usuário para que cause problemas perceptíveis a
todos conectados nesta rede. Na medida em que o ruído de uma residência (neste caso a casa
6) vem retornando até voltar para o Headend, e ele se soma com os sinais de retorno de todos
os outros usuários até o momento que no receptor ópticos se chega ao final desta soma e todos
sentem o efeito do ruído. A Figura 17 mostra um exemplo de uma única fonte de ruído e a
Figura 18 de duas fontes de ruído. Nota-se a diferença na soma dos ruídos.
Figura 17 - Trajetória de um ruído no sentido de retorno da rede (uma fonte de ruído) - Fonte:
Autoria própria
Figura 18 - Trajetória de um ruído no sentido de retorno da rede (duas fontes de ruído) - Fonte:
Autoria própria
19
A seguir, as Figuras 19, 20, 21 e 22 ilustram uma representação real de um canal de
retorno em uma Rede HFC. Nas figuras abaixo podemos obter quatro informações, sendo:
- Linha azul escura: amplitude máxima alcançada por determinada freqüência;
- Linha verde: leitura atual da amplitude de determinada freqüência;
- Linha laranja: média da amplitude de determinada freqüência;
- Linha azul clara: amplitude mínima de determinada freqüência;
Figura 19 - Análise de ruído na Rede HFC - Fonte: Imagem extraída do software Pathtrack
Figura 20 - Análise de ruído na Rede HFC - Fonte: Imagem extraída do software Pathtrack
20
Figura 21 - Análise de ruído na Rede HFC - Fonte: Imagem extraída do software Pathtrack
A seguir, na Figura 22, temos a ilustração da situação perfeita na análise de uma
Rede HFC, onde vemos que em toda faixa de freqüência temos apenas a portadora de
comunicação DOCSIS sem nenhum ruído.
Figura 22 - Análise de ruído na Rede HFC - Fonte: Imagem extraída do software Pathtrack
As causas perceptíveis para os clientes quando ocorre este tipo de problema tem
impactos distintos dependendo do serviço que está sendo utilizado. Quando o serviço
utilizado é o de banda larga, caso ocorra perda de informação, devido a própria característica
21
do protocolo TCP4, a informação é retransmitida caso haja falha, garantindo que a informação
final será íntegra. Nesse caso o cliente perceberá a deficiência, pois devido altos índices de
retransmissão, notará alguma lentidão no tráfego das informações. Caso o serviço utilizado
seja o da telefonia, a presença de qualquer falha (perda de informação), é percebida
imediatamente pelos usuários, pois utiliza o protocolo UDP5 que fornece serviço de
transmissão sem conexão, não confiável, ou seja, não há garantia de que os pacotes de dados
serão recebidos.
1.3.1 Efeito do Ruído na Modulação QAM utilizada para transmissão de Dados
Em telecomunicações, modulação consiste em modificar um sinal inicialmente
gerado (onda portadora) antes de ser transmitido, utilizando um sinal modulante (a
informação) para fazer a alteração na onda portadora, fazendo com que esta transporte a
informação desejada até o destino onde o equipamento demodulador separa a informação da
onda portadora, concluindo o ciclo da transmissão.
Existem inúmeras técnicas de modulação, e a escolha de uma delas dependerá de
vários fatores, como: meio de transmissão utilizado; do tipo de informação (analógica ou
digital); alcance máximo; complexidades dos equipamentos (moduladores e demoduladores) e
confiabilidade na informação recebida. Podemos citar a seguir algumas técnicas de
modulação:
• AM – Modulação em Amplitude; consiste em modificar a amplitude da
onda portadora.
• FM – Modulação em Frequencia; Consiste em modificar a frequencia da
onda portadora.
• PM – Modulação em Fase; consiste em modificar a fase da onda
portadora.
• Na transmissão de sinais digitais existem modulações que utilizam os
conceitos das técnicas citadas acima para determinar qual bit será
transmitido (0 ou 1)
o ASK - Modulação por Chaveamento de Amplitude;
o FSK - Modulação por Chaveamento de Freqüência;
4 TCP - Transmission Control Protocol 5 UDP - User Datagram Protocol
22
o PSK - Modulação por Chaveamento de Fase;
A Figura 23 ilustra como uma onda portadora se comporta dependendo da
modulação e do tipo de informação utilizada
Figura 23 - Tipos de Modulação – Fonte: http://blackmagic.com
De acordo com as técnicas demonstradas, nota-se, no caso de transmissão digital, que
elas são limitadas a transmitir apenas dois estados possíveis (0 e 1) e que dependendo da
quantidade de informação trafegada, isso passa a ser o limitador.
Com o aumento na oferta de serviços que demandam uma quantidade muito grande
de tráfego de informação, como por exemplo: Sinal de TV de alta definição (HDTV - High
Definition Television), Internet banda-larga, Vídeo sob Demanda (VoD - Video on-Demand),
e outros, novas técnicas de modulação precisaram ser criadas para suprir esse obstáculo
tecnológico que as técnicas de modulação digitais disponíveis (ASK, FSK e PSK) não
conseguiam transpor. Algumas melhorias foram feitas na modulação FSK, onde se conseguiu
aumentar a quantidade de estados possíveis de um sinal de 2 para 4 estados, ou seja, ao invés
de transmitir apenas um bit por ciclo (0 ou 1), passou a transmitir dois bits por ciclo de
transmissão (00, 01, 10 ou 11). Mas isso não foi suficiente e uma nova técnica foi criada, a
Modulação de Amplitude em Quadratura (QAM - Quadrature Amplitude Modulation).
QAM é a técnica de modulação que consiste em combinar duas técnicas diferentes de
modulação (ASK e PSK), e com isso tornar aumentar a quantidade de estados possíveis,
podendo transmitir mais bits por ciclo. Para representação dessa modulação utiliza-se um
diagrama de constelação, que se apresenta como uma grade quadrada dividida em várias
23
partes menores, onde cada uma dessa partes representa os bits que são transmitidos. Existem
vários níveis de modulação QAM e a escolha de um nível depende da capacidade máxima de
dados a ser transmitida, e qualidade da rede. Nesta, a qualidade da rede refere-se,
principalmente, o quanto a Rede HFC está imune a ruídos. Quanto mais alto é o nível dessa
modulação mais dividido será essa grade e por isso maior será sua sensibilidade ao ruído.
Alguns desses níveis de modulação mais comuns são: QPSK/4 QAM e 16 QAM,
utilizadas na upstream em canal de 3,2 MHz e também 64 QAM e 256 QAM, utilizados na
downstream em canal de 6,4 MHz, mas existem outros com maiores capacidades de
transmissão (512 QAM, 1024 QAM, etc.), porém pouco utilizado neste tipo de rede. A Tabela
2 demonstra a comparação entre esses vários níveis.
Tabela 2 - Comparação entre modulação QAM - Fonte:Autoria própria
Modulação bits/Symb MSymb/s Taxa de transferência (KBytes) Taxa (Mbps) SNR (dB)
QPSK / 4 QAM 2 2560 5120 5 > 12
16 QAM 4 2560 10240 10 > 15
64 QAM 6 5057 30342 30 > 18
256 QAM 8 5361 42888 42 > 24
A representação da modulação QAM em uma grade quadrada, no caso da Figura 24
temos essa grade dividida em 4 partes, cada uma com capacidade de transmitir apenas 2 bits
por vez, sendo o resultado da concatenação do(s) valor(es) do eixo horizontal com o(s)
valor(es) do eixo vertical, ou seja, seriam transmitidos os bits 01.
Ainda Figura 24, o círculo vermelho indica o ponto ideal, dentro dessa subdivisão da
grade, onde, durante o processo de transmissão da informação deveria “atingir” para
transmitir os bits 01. A presença de ruído na Rede HFC afeta justamente na exatidão dessa
recepção, ou seja, ao invés da modulação “atingir” o centro dessa subdivisão, ela começa
“atingir” regiões próximas a este ponto ideal, como representado pelo círculo azul na Figura
25.
24
Figura 24 - Modulação QPSK / 4 QAM - Fonte: Autoria própria
Figura 25 - Modulação QPSK / 4 QAM - Fonte: Autoria própria
Mesmo não atingindo o ponto ideal nota-se que a informação recebida continua
sendo os bits 01. O que determina o quanto a modulação está distante de atingir o ponto ideal
é a quantidade de ruído presente no meio de transmissão. Quanto menor for o SNR6 mais na
extremidade da subdivisão a modulação atingirá, até que se seja inferior dos limites
estabelecidos e a informação recebida seja divergente da que foi transmitida, conforme
ilustrado na Figura 26.
6 Signal to Noise Ratio – Relação Sinal Ruído
25
Figura 26 - Modulação QPSK / 4 QAM - Fonte: Autoria própria
Neste caso nota-se que os bits que transmitidos foram 01, porém devido as altas taxas
de ruído presentes no meio de transmissão, após a demodulação deste sinal ruidoso, o receptor
interpretou como sendo os bits 11. A ocorrência desse problema com uma freqüência alta
ocasiona a percepção da falha de fornecimento do serviço, pelo cliente, como citado
anteriormente.
A seguir temos as Figuras 27, 28 e 29 demonstrando a representação das modulações
16 QAM, 64 QAM e 256 QAM, respectivamente, que seguem os mesmo princípios da
modulação explicada anteriormente, porém nota-se que quanto maior é o nível de modulação,
mais subdividida está esta grade e mais suscetível a ruído está a informação.
Figura 27 - Modulação 16 QAM - Fonte: Autoria própria
26
Figura 28 - Modulação 64 QAM - Fonte: Autoria própria
Figura 29 - Modulação 256 QAM - Fonte: Autoria própria
Para viabilizar a utilização de uma dessas modulações, deve-se verificar o nível de
ruído presente na Rede HFC. Estes níveis são medidos em dB (deciBel) e utiliza-se a
denominação SNR (Signal to Noise Ratio – Relação Sinal/Ruído) e a Figura 30 demonstra,
graficamente, como pode ser feita essa medição.
27
Figura 30 - Nível de SNR em um canal Upstream - Fonte: Imagens extraídas do software Nagios
No primeiro quadro superior da Figura 30 temos a leitura do SNR da upstream que
está utilizando a modulação de 16 QAM e logo abaixo a leitura do percentual de pacotes
retransmitidos (corrigidos e não corrigidos). Nota-se que no exato momento de uma queda
nos níveis de SNR da upstream, a quantidade de pacotes retransmitidos se elevam. Neste caso
é possível verificar que na média o SNR estava com 32 dB, bem acima dos 15 dB definidos
na tabela 2 para este nível de modulação.
1.3.2 Método de identificação de ruído na Rede HFC
O método atual de identificação da fonte de ruído na Rede HFC é sem dúvida o mais
demorado em todo o processo, que compreende em identificar e resolver o problema, já que
se baseia em tentativa e erro, pois a equipe técnica segue os seguintes passos, que serão bem
detalhados a seguir:
28
a) O técnico dirigi-se ao amplificador (quando for a primeira vez, será
receptor/transmissor óptico) da Rede HFC;
b) Retira-se a escada do veículo e a estende no poste para ter acesso ao
amplificador;
c) Isola-se o local com cones de segurança, para evitar acidentes;
d) Coloca-se o cinturão de segurança com algumas ferramentas, capacete,
luvas, etc.;
e) Sobe na escada e fixa-se na Rede HFC com o cinturão de segurança para
evitar acidentes;
f) Abre o gabinete do amplificador;
g) Retirando, rapidamente, atenuadores do módulo amplificador, identifica com
aparelho de medição em qual porta de saída apresenta maior incidência de
ruído;
h) Após identificar, fecha o gabinete do amplificador;
i) Desprende-se da Rede HFC e desce da escada;
j) Retiram-se todos os equipamentos de segurança citados no item “d”;
k) Retira a escada do poste e coloca no veículo;
l) Retiram-se os cones de segurança;
m) Verifica no mapa a localização do próximo amplificador da cascata de onde
origina o problema;
n) Próximo passo: voltar no item “a”.
Todos esses passos citados anteriormente podem demorar em média até 20 minutos,
por ciclo. Isso pode, em alguns casos, se estender por até 6 ciclos e nos piores casos podem
existir várias fontes de ruídos em diferentes pontos da Rede HFC, como já foi ilustrados nas
Figuras 17 e 18, que podem atrasar ainda mais o processo de resolução.
Como a etapa de identificação da fonte do ruído é a mais demorada, portanto é a que
representa maior custo homem-hora para as empresas prestadoras de serviço.
Vamos utilizar como exemplo a situação representada na Figura 31, onde temos 2
fontes de ruído (Casa 4 e 6) e apenas 1 técnico envolvido neste serviço Calcularemos o
29
número de ciclos até chegar nas fontes, sendo o Nó Óptico o primeiro amplificador da Rede
HFC e Amp os demais amplificador de RF:
a) Fonte(Casa 4): Nó Óptico > Amp 1 > Amp 2 > Amp 3 > Amp 4 > Casa 4, ou
seja, 6 ciclos;
b) Fonte (Casa 6): Como a Casa 6 é uma ramificação da rede do amplificador 1,
não é preciso subir novamente no Nó Óptico e no Amp 1, portanto os ciclos
seguintes são: Amp 5 > Amp 7 > Casa 6, ou seja, mais 3 ciclos.
Figura 31 - Identificação da fonte de Ruído - Fonte: Autoria própria
Neste caso tivemos 9 ciclos para identificar e tomando como base o tempo médio do
ciclo, totalizam 180 minutos. Sendo R$ 2.000,007 o salário médio de um técnico de
telecomunicações, temos:
R$ 2.000,00 dividido por 4 semanas = R$ 500,00/semanal;
R$ 500,00 dividido por 44 Horas Semanais = R$ 11,37/hora.
Considerando apenas o valor do salário, desconsiderando demais encargos
trabalhistas, benefícios, entre outros, o custo para a empresa na situação citada anteriormente
seria de aproximadamente R$ 34,11.
Com o acesso remoto pode-se reduzir o tempo de cada ciclo para apenas alguns
segundos, uma vez que não é necessário o deslocamento até o local e também não temos
perda de tempo com o deslocamento até o amplificador que está no próximo nível da cascata.
7 Média salarial em Março/2009 de Técnico em Telecomunicações Sênior. Fonte: www.rhinfo.com.br
30
Considerando a mesma situação exposta anteriormente, mas com um tempo de 1
minuto por ciclo de análise. Neste caso temos os mesmos 9 ciclos para identificar e tomando
como base o tempo médio do ciclo, totalizam 9 minutos. Sendo R$ 2.000,00 o salário médio
de um técnico de telecomunicação, temos:
R$ 2.000,00 dividido por 4 semanas = R$ 500,00/semanal;
R$ 500,00 dividido por 44 Horas Semanais = R$ 11,37/hora.
R$ 11,37 dividido por 60 Minutos = R$ 0,19/minuto
Podemos observar que o custo para a empresa é reduzido para apenas R$ 1,71, ou
seja, uma economia de 95% na homem-hora.
31
O Microcontrolador
1.3.3 A História
Em 1969, uma equipe de engenheiros de uma empresa japonesa chamada BUSICOM
foi enviada aos Estados Unidos com o propósito de desenvolver um projeto para uma
calculadora eletrônica. O projeto foi entregue a Intel Corporation, fundada em 1968 e já se
destacava com a produção de memórias do tipo RAM (Random Access Memory – Memória
de Acesso Aleatório) chegando à liderança de mercado nos anos 70’. Os engenheiros da Intel
Marcian Hoff, Federico Faggin, Stanley Mazor e Masatoshi Shima foram os responsáveis
pelo andamento do projeto que tinha como objetivo a substituição os ASICs (Application
Specific Integrated Circuit – Circuito Integrado com Aplicação Específica) das calculadoras
por um tipo de circuito que fosse capaz de executar funções especiais, de acordo com o
programa que estivesse nele gravado.
Em 1971, a Intel lança o seu primeiro processador de 4 bits, denominado 4004. Esse
foi o primeiro processador de 4 bits e conseguia processar 6000 operações por segundo (6
kHz), vide Figura 32.
Figura 32 - Intel 4004 (6 kHz) – Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Intel_4004
Na Figura 33 temos a ilustração da calculadora desenvolvida pela Intel, solicitada
pela empresa BUSICOM.
32
Figura 33 - Busicom 141 PF (Intel 4004) - Fonte: www.cpu-museum.com/4004_e.htm
Já no próximo ano, mais precisamente em Abril de 1972, a Intel anuncia o seu
primeiro processador de 8 bits, o 8008. Este processador podia endereçar 16 KB de memória,
tinha 45 instruções, além de ter um barramento de dados maior, conseguia processar até
500.000 operações por segundo (500 kHz), vide Figura 34.
Figura 34 - Intel 8008 (500 kHz) – Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Intel_8008
Em 1974 microprocessador de 8 bits (8080) com capacidade de 64KB de memória e
75 instruções, podendo operar em até 3 MHz, vide Figura 35.
Figura 35 - Intel 8080 (3 MHz) – Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/8080
33
E com advento de novas tecnologias e empresas concorrentes que enxergaram a na
produção de microprocessadores um negócio rentável, os microprocessadores não pararam de
serem aperfeiçoados de acordo com a necessidade do mercado.
1.3.4 Microprocessador “versus” Microcontrolador
Esses dois hardwares se diferem principalmente pela funcionalidade. O
microprocessador devido sua evolução, como citada anteriormente, teve que ter todos os seus
componentes de funcionamento auxiliar retirados do mesmo encapsulamento para que ele
ficasse somente com a função de processar as informações com taxas muito alta, normalmente
por volta de 2.000.000.000 operações por segundo (2 GHz), atualmente encontrados em
computadores pessoais. Embora o microprocessador seja, de certa forma, a essência de um
computador, ele está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir o
processador precisa de: memória, controladores de entradas/saídas, um clock, controladores e
conversores de sinais entre outros. Cada um desses circuitos de apoio interage de modo
peculiar com os programas e, dessa forma, ajuda a moldar o funcionamento do computador.
O microcontrolador (também denominado MCU ou µC) pode ser considerado um
computador completo, pois em um único chip integra elementos adicionais tais como
memória RAM, EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory –
Memória Somente de Leitura Programada e Apagada Eletricamente) para armazenamento de
dados ou programas, dispositivos periféricos e interfaces de entrada/saída que podem ir de um
simples pino digital do componente a uma interface USB8 ou Ethernet nos mais avançados.
Com freqüências de clock de poucos MHz ou ainda mais baixas, os
microcontroladores são considerados lentos se comparados aos microprocessadores
modernos, mas isso é perfeitamente adequado para aplicações típicas. Eles consomem
relativamente pouca energia (miliwatts), e geralmente possuem a capacidade de "hibernar"
enquanto aguardam que aconteça algum evento provocado por um periférico, como por
exemplo: o pressionar de um botão, que os colocam novamente em atividade. O consumo de
energia enquanto estão "hibernando" pode ser de nanowatts, tornando-os ideais para
aplicações de baixa energia e que economizem bateria.
1.3.5 PIC 16F628A
Produzido pela empresa Microchip Technology, pertence a família PIC de
microcontroladores e apresenta as seguintes características: 8 Universal Serial Bus – Barramento de Comunicação Serial Universal
34
• Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer - Computador com
Conjunto Reduzido de Instruções) com 35 instruções;
• Clock de até 20 MHz;
• Memória de programa (tipo flash) de 2048 palavras de 14 bits;
• Memória RAM de 224 bytes e EEPROM de 128 bytes;
• Possui oscilador interno, o que em muitos casos dispensa a necessidade de
cristal de quartzo, o que diminui a complexidade do projeto;
• Possui USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter -
Transmissor/Receptor Universal Síncrono e Assíncrono) para comunicação
direta com outros dispositivos através da interface RS232;
• Suporte a Bootloader que permite que o software do microcontrolador seja
atualizado via porta serial RS232.
Este microcontrolador ainda conta com outros periféricos, como:
• Contadores de 8 e 16 bits;
• Módulo CCP (Capture, Compare e PWM);
• Comparadores analógicos; e
• Watchdog Timer, que é um temporizador que dispara um reset ao sistema se o
programa principal apresentar alguma condição de erro.
A Figura 36 ilustra o diagrama de blocos do PIC 16F628A e como todos esses
periféricos interagem entre si em um único encapsulamento de 18 pinos
35
Figura 36 - Diagrama de blocos do microcontrolador - Fonte: Microchip (PIC16F628A)
1.4 Linguagem de Programação
1.4.1 Os Compiladores
Os compiladores são softwares responsáveis por traduzir o código fonte que foi
escrito em uma linguagem de programação de alto nível para uma linguagem de baixo nível
(por exemplo, assembly ou código de máquina) como uma sequência de instruções a ser
executada pelo processador.
36
O processo de compilação é composto de análise e síntese. A análise tem como
objetivo entender o código fonte e representá-lo em uma estrutura intermediária. A síntese
constrói o código objeto a partir desta representação intermediária.
A análise pode ser subdividida ainda em análise léxica, análise sintática e análise
semântica. A síntese é mais variada, podendo ser composta pelas etapas de geração de código
intermediário, otimização de código e geração de código final (ou código de máquina), e
somente esta última etapa é obrigatória. Na Figura 37 temos a representação das etapas
seguidas pelo compilador, conforme descrito anteriormente.
Figura 37 - Etapa de compilação de um programa - Fonte: http://blogs.msdn.com
1.4.2 Linguagem C
As linguagens de programação surgiram praticamente simultaneamente com a era
dos computadores digitais, porém era uma linguagem de “baixo nível”, ou seja, exigia do
programador um conhecimento muito profundo no funcionamento do processador utilizado. O
37
nível da linguagem é determinada pelo grau de abstração do código escrito, ou seja, o quanto
mais próximo da linguagem humana, mais de alto é o nível da linguagem.
Devido a evolução na complexidade dos cógidos escritos, tornou-se necessário criar
linguagens que facilitasse o trabalho do programador, que a partir de então passava a
preocupar-se com toda a lógica da programação, já que os compiladores assumiam a tarefa de
converter todo o código escrito em uma linguagem de alto nível para a linguagem de
máquina.
Segundo Kenrighan e Ritchie (1978) a linguagem C não é de “muito alto nível”,
sendo uma linguagem intermediária o que não desmerece a linguagem, pois C pode manipular
os mesmos tipos de objetos que na maioria dos computadores, tais como caracteres, números
e endereços de memória. Estes podem ser combinados com operadores aritméticos e lógicos
usuais implementados pelas máquinas atuais.
Segundo Pereira (2007) A origem do C é atribuida a três linguagens de programação:
• ALGOL (Algorithmic Language – Linguagem Algorítmica): Linguagem de
alto nível mais voltada para aplicações científicas;
• BCPL (Basic Combined Programming Language – Linguagem de
Programação Básica Combinada): Desenvolvida em 1969 que associa a
estrutura do ALGOL com a eficiência do Assembly, no entanto devido a
complexidade e limitação, não obteve exito;
• B: Linguagem desenvolvido por Ken Thompson em 1970, baseou-se na
linguagem BCPL, na tentativa de facilitar a linguagem BCPL. BCPL e B são
linguagens com um único tipo de dados (palavra de máquina), e qualquer
acesso a outros tipos de objetos é feitos através de operadores especiais ou
chamada de função;
A linguagem C provê a construção de fluxos de controle essenciais para aplicações
estruturadas, como: laços de repetição while (enquanto) e for (para), tomadas de decisão , com
os comandos if (se) e esle (senão) e seleção entre um grupo de opções disponíveis com o
comando switch (caso positivo selecione...). Esses comandos já eram encontrados na
linguagem BCPL, porém com algumas diferenças. A linguagem C lançou a moda da
programação estruturada muito antes de qualquer outra.
38
Com C é possível escrever programas transportáveis, isto é, que podem ser
executados em qualquer máquinas quase sem nenhum alteração. Devido esta
transportabilidade do código, torna a linguagem C tão poderosa que foi escolhida para o
desenvolvimento de vários sistemas operacionais como UNIX, Windows e o Linux.
1.4.3 Programação em Microcontroladores utilizando a Linguagem C
A utilização da linguagem C para a programação em microcontroladores, de acordo
com a facilidade em desta linguagem, torna uma escolha natural, pois permite a construção de
programas e aplicações mais complexos em tempo reduzido, permite a reutilização do código,
devido sua portabilidade de um tipo de microcontrolador para outro com pequena alteração no
código fonte.
Hoje, no mercado, vários microcontroladores contam com compiladores de
linguagem C para o desenvolvimento de softwares.
Segundo Pereira(2007), outro aspecto favorável da utilização da linguagem C é a sua
eficiência, sendo que ela é medida com acordo com o grau de inteligência com que o
compilador interpreta o código fonte em linguagem de alto nível e gera o código de máquina.
Quanto menor o código de máquina gerado, maior será a eficiência do compilador, já que em
microcontroladores o tamanho do código gerado é um fator crítico, devido o tamanho de
memória ROM disponível de acordo com o microcontrolador utilizado.
39
CAPÍTULO 2 METODOLOGIA
“A imaginação é mais importante do que o conhecimento.”
Albert Einstein
2.1 Tipo do trabalho
Este trabalho do ponto de vista metodológico tem uma característica principal, é um
trabalho calcado no desenvolvimento de um protótipo, portanto trata-se de uma pesquisa
exploratória.
Entretanto foi necessário o estudo aprofundado de algumas vertentes da engenharia e
da informática para a construção do conhecimento para o desenvolvimento deste protótipo.
Para tanto se lançou mão da pesquisa bibliográfica efetuada em livro e apoiada pela pesquisa
realizada em sites da Internet.
A metodologia científica vista em classe, classifica o desenvolvimento de um
protótipo com uma aplicada. Sendo assim a nossa pesquisa do ponto de vista de seu objetivo é
exploratória, pois vai testar de certa forma, um novo conceito, o desenvolvimento de um novo
produto, para um público alvo definido (no caso as operadoras de Redes HFC). Sob o ponto
de vista dos procedimentos técnicos, será uma pesquisa aplicada.
2.2 Etapas metodológicas adotadas
O desenvolvimento metodológico deste projeto de graduação deu-se em três etapas, a
saber:
Gravador Microcontrolador
a) Projeto de um gravador para microcontroladores;
b) Aquisição do material necessário para a confecção do gravador para
microcontroladores;
c) Construção da placa segundo projeto definido no item “a”;
d) Testes dos componentes de gravador;
40
Protótipo do DMLC
a) Projeto modular do protótipo;
b) Aquisição do material necessário para a confecção;
c) Construção das placas segundo projeto definido no item “a”;
d) Testes dos componentes do DMLC e da funcionalidade do componente.
e) Integração de todos os módulos e do amplificador;
f) Teste em bancada;
g) Análise dos resultados.
Software
a) Criação do fluxograma de funcionamento do software;
b) Escolha da Linguagem de Programação;
c) Escolha da IDE para a programação;
d) Teste no simulador;
e) Gravação no microcontrolador;
Para o desenvolvimento deste projeto de graduação foram utilizadas algumas
ferramentas, que serão explicadas nos tópicos seguintes:
2.3 Materiais
2.3.1 Equipamentos
Para este projeto foi utilizado o computador com as seguintes características:
- Notebook: MIRAX® MM6600;
- Processador: Intel® Core™ 2 Duo T5500 @ 1,66 GHz;
- Memória Cache: 2 MB L2 - FSB: 533MHz;
- Memória RAM: 2 GB DDR2 533 MHz SO-DIMM;
- HD: SATA 80 GB – 5400 RPM;
- Sistema Operacional: Windows® XP™ Professional SP3 – Versão 2002
41
- Amplificador de Sinal do tipo Line Extender (Extensor de Linha) modelo BHA 87
da empresa Motorola Co.
2.3.2 Softwares utilizados
Para este projeto foi utilizado o software com as seguintes características:
- Compilador IDE: PCWHD (versão 4.086) com licença de 30 dias disponível para
qualquer usuário, desenvolvido pela empresa Custom Computer Services, Inc., disponível
para download no endereço http://www.ccsinfo.com/content.php?page=compdemo.
- Software de programação de microcontroladores mikroC, mikroElektronika C
compiler para microcontroladores PIC da empresa Microchip, versão 8.2.0.0. Disponível para
download no endereço http://www.mikroe.com.
42
CAPÍTULO 3 DESENVOLVIMENTO
“A mente avança até o ponto onde pode chegar; mas depois passa para uma dimensão superior, sem saber como lá chegou. Todas as grandes descobertas realizaram esse salto.”
Albert Einstein
O desenvolvimento deste projeto de graduação deu-se em 4 etapas a saber:
f) Desenvolvimento de um gravador para microcontroladores;
g) Desenvolvimento de hardware utilizando microcontrolador PIC16F628A;
h) Desenvolvimento do software;
i) Integração do hardware com o amplificador
3.1 Gravador de Microcontrolador / Software de Gravação
Para dar início ao desenvolvimento de todas as tarefas relativas ao desenvolvimento
do DMLC era necessário o desenvolvimento de um dispositivo que permitisse a gravação e
leitura dos códigos do microcontrolador PIC16F628A.
O circuito de gravação do microcontrolador foi desenvolvido pelo autor e o projeto
escolhido foi do tipo JDM Programmer. Esse circuito caracteriza-se por não utilizar fonte
externa de alimentação para gravação. A alimentação que será utilizada neste gravador será
fornecida pela própria porta serial do PC. Esse tipo de design funciona muito bem para a linha
PIC utilizado no projeto. O software utilizado para a gravação neste tipo de circuito foi o IC-
Prog. Na Figura 38 temos o circuito do gravador produzido.
43
Figura 38 - Gravador de Microcontrolador - Fonte:Autoria própria
No site http://www.ic-prog.com está disponível o esquema elétrico do circuito para a
construção do gravador, os tipos de microcontroladores suportados por este gravador, o
software IC-Prog e também como configurá-lo dependendo o sistema operacional utilizado.
3.2 Desenvolvimento do Hardware utilizando PIC16F628A
O desenvolvimento do dispositivo de controle remoto deu-se em três etapas bem
distintas, a saber:
• Desenvolver o diagrama de blocos;
• Desenvolver / Desenhar o circuito do dispositivo;
• Montagem do Protótipo;
Então detalhamos a seguir cada uma destas etapas:
A primeira etapa foi desenvolvimento do diagrama de blocos, que consiste
basicamente de quatro módulos com as seguintes funções:
• Módulo de Alimentação DC: Parte do circuito responsável por captar a tensão
de 24 volts DC existente no circuito de alimentação do amplificador e
converter para 5 volts DC, que é a tensão de trabalho do microcontrolador
utilizado
• Módulo de Interface para Comunicação: Responsável por manter a
comunicação com o computador via porta serial RS232 e encaminhar a
informação recebida para módulo de controle;
44
• Módulo de Controle: Responsável por receber a informação, interpretá-la e
executar a função solicitada no módulo de função específica;
• Módulo de Função Específica: Parte do hardware que fica conectado
diretamente ao amplificador. Dependendo do tipo de ação que se queira
tomar sobre o amplificador, este módulo é o que atuará produzindo as ações
desejadas. Este dispositivo é acoplá-lo aos dois módulos anteriores que
servem de suporte. Trocando-se a programação do módulo de controle e o
módulo de função específica podemos alterar a função principal do DMLC,
por exemplo, de controlador de sinais para leitor de níveis de sinais. Neste
trabalho a função designada para este módulo será a de um atenuador de
sinais.
O segundo passo foi utilizar software de simulação de circuitos eletrônicos, Proteus,
para desenvolver e testar o circuito.
E o terceiro e último passo nesta etapa do desenvolvimento foi a montagem do
protótipo em uma placa do tipo protoboard (matriz de contatos) para testar na prática o
funcionamento do circuito.
3.2.1 Funcionamento do Módulo de Comunicação e Controle
Para o módulo de controle executar algum comando ele deve receber um comando na
forma de trecho de texto (string), interpretá-la de forma que ele sabia qual comando que
deverá ser executado (atenuar ou não atenuar) e em qual saída do amplificador o modulo
executará o comando.
Na Figura 39 temos o Módulo de Controle, onde podemos observar o
microcontrolador (PIC16F628A) contendo as portas de entrada/saída e responsável por
executar o comando solicitado pelo operador e na Figura 40 temos o Módulo de Comunicação
onde se podem notar os pinos de comunicação com a interface RS232.
45
Figura 39 - Módulo de Controle - Fonte:Autoria própria
Figura 40 - Módulo de Comunicação - Fonte: Autoria própria
3.2.2 Funcionamento do Módulo Atenuador e Alimentação
Para o funcionamento de todo o circuito do protótipo foi necessário construir um
módulo que retirasse do amplificador a tensão suficiente para o funcionamento. Nos
amplificadores a tensão DC presente para o seu próprio funcionamento é de 24 volts, mas o
46
protótipo necessita de apenas 5 volts. Para isso foi necessário incluir um regulador de tensão
para executar tal tarefa. A Figura 41 mostra o circuito construído.
Figura 41 - Módulo de Alimentação - Fonte: Autoria própria
O Módulo de Atenuadores, representado pela Figura 43, foi construído para que
conectado serialmente ao atenuador do amplificador eleve a atenuação do sinal, fazendo com
que o sinal tenha sua intensidade reduzida a níveis muito baixos (por volta de -45dB), que
para o sistema de CATV é considerada ausência de sinal.
Para concretizar esta ação utilizamos o princípio dos divisores de tensão em que a
atenuação do sinal irá depender dos valores dos resistores de R3 e R6 que estão aterrados,
conforme representados na Figura 42.
Figura 42 - Acoplamento do Módulo Atenuador e Atenuador - Fonte: Autoria própria
47
Figura 43 - Módulo Atenuador - Fonte: Autoria própria
No módulo de atenuadores, R6 é um componente do tipo LDR (Light Dependent
Resistor), é um dispositivo cuja resistência elétrica diminui quando aumenta a incidência de
radiação luminosa do led interno. Quando este led está desligado o circuito fica com a
resistência altíssima, fazendo que praticamente todo o sinal flua de Vin para o ponto A, (ver
representação na Figura 42). Assim se dará o processo, o sinal após passar pelo módulo de
atenuadores do DMLC é encaminhado ao atenuador do amplificador que agora encontra-se
acoplado ao DMLC retornando posteriormente para o amplificador.
Quando o led excita o LDR a resistência fica muito baixa, fazendo com que grande
parte do sinal flua para o aterramento. Apenas um sinal muito atenuado fluirá para o ponto A
que como foi exposto no parágrafo acima passará por outro atenuador, diminuindo ainda mais
a intensidade do sinal, que ficará imperceptível para rede CATV, esta ação, portanto terá
como resultado uma aparente abertura física do circuito, deixando que quaisquer ruídos que
estavam no trecho da rede analisada não retornem ao Headend cessando o problema.
Posteriormente a equipe de infraestrutura deverá identificar a fonte geradora do ruído e
normalizar a rede.
A tensão de alimentação que será responsável por acender o led e assim alterar a
resistência do LDR, vira do módulo de controle.
48
As dificuldades encontradas nesta etapa do projeto foram principalmente por ser a
primeiro contato do autor com a confecção de circuitos elétricos. A construção do hardware
não envolve unicamente a disposição dos componentes eletrônicos suas soldagens e
interconexões, também devemos atentar para o cálculo dos componentes eletrônicos que serão
utilizados. Mesmo fazendo o uso de um software de simulação de circuito (Proteus)
verificamos que “na prática a teoria é outra”, pois muitas vezes as simulações não produziam
os mesmos resultados que eram encontrados no circuito real.
3.3 Desenvolvimento do Software
O desenvolvimento do dispositivo de controle remoto deu-se em quatro etapas, a
saber:
• A escolha da Linguagem de Programação e a IDE a ser utilizada;
• Desenvolver o fluxograma de execução;
• Desenvolvimento do software;
• Compilação e Gravação do arquivo gerado no microcontrolador;
Então detalhamos a seguir cada uma destas etapas:
Nesta primeira etapa os fatores que influenciaram na escolha da linguagem C para o
desenvolvimento do software foram:
a) Familiaridade com a linguagem C. Mesmo o programa não tendo um grau de
complexidade elevado, o que permitiria escrevê-lo utilizando a linguagem
assembly (aumentado sua eficiência e reduzindo o tamanho do código
gerado), optamos por utilizar a linguagem C, pois a familiaridade com a
linguagem nos permitiu uma economia de tempo e esforços que não
impactam de maneira nenhuma à utilidade e funcionalidade do projeto. Para
utilizar assembly, seria necessária a mudança no paradigma da programação,
pois deveríamos estudar o modo de funcionamento do processador, seus
registradores, seu banco de memórias
b) Várias consultas a fóruns na Internet relacionados ao assunto, onde
programadores experientes recomendavam utilizar a linguagem C devido a
portabilidade do código para outros microcontroladores com maior facilidade,
sendo que em Assembly não era uma tarefa fácil;
49
c) Conversas com um profissional especializado em Robótica, sendo ele que
indicou a IDE a ser utilizada devida sua facilidade na manipulação do
software, compatibilidade com a padronização ANSI e ISO, eficiência do
código gerado.
Então devido a esses fatores foi escolhida a linguagem C para programação e o
software PCWH da empresa CCS como IDE (Integrated Development Environment -
Ambiente Integrado de Desenvolvimento).
O segundo passo foi o desenvolvimento do fluxograma de execução do software,
pois é uma ferramenta que auxilia o processo de codificação, ou seja, graficamente foi
possível estabelecer a seqüência de execução do programa para a resolução do problema
proposto. A Figura 44 ilustra o fluxograma do software compilado.
Figura 44 - Fluxograma do Software - Fonte: Autoria própria
O terceiro passo foi o desenvolvimento do software e codificando para a linguagem
C todo o fluxograma desenvolvido. A programação também foi escrita de forma modular,
bem semelhante à forma modular com que foi desenvolvido o hardware. Na programação
chamamos esses módulos de funções. As funções são:
50
• string_serial( ): responsável por receber o comando pela porta serial e
transmiti-la para função compara_id( );
• compara_id ( ): decodifica a informação e compara se o ID (identificação)
informado é igual o ID do microcontrolador e envia para as próximas funções
(turn_on ( ) ou turn_off ( )) o restante da informação que foi decodificada;
• turn_on ( ) e turn_off( ): responsável por receber o comando de efetuar a
ativação ou desativação de uma saída no módulo de atenuadores.
Da mesma forma que a construção do hardware em módulo facilita a sua
reutilização/manutenção e programação com o uso de funções proporciona as mesmas
facilidades.
De acordo com o fluxograma de execução e as funções existentes no software, é
necessário que o Módulo de Comunicação receba a seguinte informação:
CMD#ID_PIC#PORT#STATUS#TIME#END
Onde;
• CMD: String para controle de início do comando;
• ID_PIC: Identificador do Microcontrolador para uso em broadcast;
• PORT: Saída do amplificador que receberá o comando;
• STATUS: Comando que será executado (ligar ou desligar);
• TIME: Tempo em que o comando ficará ativo (somente para status desligado);
• END: String para controle de fim do comando;
• #: Caractere delimitador usado pelo software para separar as informações.
O quarto e último passo da etapa de desenvolvimento do software foram a
compilação e gravação do arquivo hexadecimal gerado no microcontrolador.
Algumas dificuldades foram detectadas nesta etapa do projeto, como por exemplo, a
quantidade de memória ROM disponível para programação, o que exigiu um maior
reaproveitamento de código e de variáveis, uma vez que cada variável ocupa um espaço na
memória. O uso de algumas funções já prontas, como por exemplo a função de comparação
de strings, strncmp (string str1, string str2, int length);, apesar de facilitar a programação,
ocupava 3% a mais de memória do que outra que executava a mesma tarefa e que foi escrita
51
pelo programador. A seguir o trecho de código escrito para obter a mesma resposta, com
economia de memória.
... for(i=0,x=8;i<x;i++) if(id[i]!=id_pic[i]) c=1; ...
3.4 Integração do Hardware com o Amplificador
As dificuldades encontradas nesta última etapa do projeto foram primeiramente a
integração entre o software e o hardware. Para verificarmos inicialmente a compatibilidade
entre esses dois elementos, o circuito foi testado para realizar uma função básica, que
consistia em enviar uma informação (string) pelo computador via porta serial RS232, onde o
hardware deveria receber essa informação interpretá-la e executar o acendimento de um led.
No software simulador, esse funcionamento ocorria sem nenhum problema, porém o circuito
não respondia da mesma forma. Várias alterações no código fonte do microcontrolador
tiveram que ser feitas para que obtivéssemos a resposta esperada. Seguramente este foi o
maior processo de aprendizagem.
O segundo problema foi na utilização da própria função (gets( )) que faz a leitura de
uma string pela porta serial, pois estava ocorrendo perda de informação. A função gets( )
realiza chamadas recursivas a função getc( ), que aguarda a recepção de apenas um caractere
pela porta serial padrão. Foi necessário programar “manualmente” a chamada recursiva à
função getc( ) e armazenando cada caractere em uma matriz de caracteres.
Felizmente todos os problemas foram contornados e o protótipo pode finalmente
funcionar corretamente.
52
CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
“Imaginação é tudo, é a prévia das atrações futuras”
Albert Einstein
Após o desenvolvimento do protótipo DMLC iniciou-se os testes. Os testes foram
realizados em um ambiente desenvolvido na residência do autor. Consistia na conexão dos
equipamentos que fazem parte da Rede HFC (amplificador9, dispositivo DMLC, Cable
Modem), procurando simular uma condição mais próxima possível do que se é verificado na
rede. Para simular o ruído presente na rede foi adotado o seguinte procedimento: o cabo
conectado na saída do amplificador foi danificado de forma com que a malha de aterramento
não isolasse o condutor central do cabo.
Foram observados os seguintes resultados:
a) Que o dispositivo DMLC cumpriu adequadamente o seu papel. Após
receber o comando enviado via porta serial RS232, o dispositivo elevou a
atenuação do circuito, impedindo o retorno de quaisquer sinais para o
headend e assim eliminando o ruído, o que em uma situação real permitiria
a identificação aproximada do ingresso do ruído.
b) Após o envio de um comando para restabelecer os mesmo níveis de
atenuação do amplificador, deixando o sinal retornasse para headend, o
ruído foi novamente introduzido na rede.
c) Verificou-se que todos os módulos funcionaram adequadamente.
d) Foram observados que os componentes em funcionamento, não
apresentavam superaquecimento.
De acordo com esses resultados verificou-se a sua aplicabilidade do DMLC pelas
empresas do setor que utilizam esta arquitetura de rede. Verificou-se também que seriam
necessárias algumas alterações:
9 Motorola: tipo Line Extender , Modelo BHA-87
53
a) Construção do circuito (módulo atenuador) para que a Rede HFC mantenha
a impedância de 75Ω fundamental para o casamento das impedâncias dos
diversos circuitos conectados.
b) Substituição do módulo de comunicação de RS232 por um que utilize o
protocolo de comunicação TCP, trabalhando em conjunto com um cable
modem instalado dentro do amplificador;
c) Utilização de componentes eletrônicos compactos, como por exemplo,
resistores do tipo SMD (Surface Mounting Devices – Dispositivo de
Montagem em Superfície);
d) Troca do microcontroladores com encapsulamento menor;
Na Figura 45 temos a integração dos módulos DMLC com o amplificador.
Figura 45 - Integração dos circuitos (Amplificador e DMLC) - Fonte:Autoria própria
CONCLUSÃO
Este projeto de graduação permitiu o desenvolvimento de um protótipo do
dispositivo modular de leitura e controle (DMLC) que poderá futuramente ser utilizados em
Redes HFC com sucesso.
Sua concepção e realização demonstram sua viabilidade como dispositivo que auxilia
a detecção de problemas em uma Rede HFC, permitindo de maneira mais sensata e otimizada
a determinação do ponto mais próximo da fonte ingresso do ruído. É claro que com a adoção
deste tipo de dispositivo há ganhos significativos em termos de eficácia e eficiência da equipe
técnica responsável pela manutenção da funcionalidade de toda rede.
Este projeto propiciou ao seu autor uma ampliação de seus conhecimentos sobre
Redes HFC, microcontroladores e dispositivos de controle.
Como sugestões para os próximos trabalhos ficam:
a) Substituição do módulo de comunicação, que neste, foi utilizado porta serial
RS232 por uma tecnologia que utilize o protocolo de comunicação TCP;
b) A inclusão de novas funções para o módulo de controle, como por exemplo,
leitura da tensão AC/DC presentes no amplificador da Rede HFC; entre
outras.
Todo o projeto de graduação deve servir para o enriquecimento do arcabouço do
conhecimento do aluno e se possível para a construção de algo prático que possa ser utilizado
pela comunidade da qual ele faz parte.
Ficam nessas linhas a certeza que o enriquecimento foi atingido e que o protótipo
desenvolvido será aprimorado e quem sabe futuramente comercializado, atingindo aos
objetivos propostos no parágrafo acima.
55
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
HAYKIN, Simon e VEEN, Barry V. – Sinais e Sistemas. trad. SANTOS, José C. B., Porto Alegre: Bookman, 2001.
DOCSIS. Disponível em http://www.docsis.org – acesso em: 18/01/2009
DOCSIS. Disponível em http://en.wikipedia.org/wiki/Docsis - acesso em: 02/11/2008.
Fibra Óptica. Disponível em www.inf.ufrgs.br/~mirella/redes/fibra.html - acesso em 18/01/2009.
Rede HFC. Disponível em http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Fibre_Coaxial - acesso em:02/11/2008.
PEREIRA, Fábio – Microcontroladores PIC: Programação em C / Fábio Pereira. – 7ª Ed. – São Paulo: Érica, 2007.
SCHILDT, Herbert – C Completo e Total – 3ª Ed. Revisada e atualizada – Herbert Schildt; Tradução e revisão técnica: Roberto Carlos Mayer, São Paulo: Pearson Makron Books, 1997.
KERNIGHAN, Brian W. e RITCHIE, Dennis M. – The C, Programming Language – Tradução sob responsabilidade de EDISA Eletrônica Digital S.A.,Rio de Janeiro: Ed. Elsevier, Porto Alegre, 1985.- 21ª Reimpressão.
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