LABORATÓRIO 4 MULTIPLEXAGEM POR DIVISÃO NO Tcadeiras.iscte-iul.pt/STG/STG_ano_passado/Acetatos/Lab_TDM.pdf · • Osciloscópio, TDS 1002. Equipamento de medida que permite visualizar

Sistemas de Telecomunicações Guiados Laboratório 4 – Multiplexagem por Divisão no Tempo

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LABORATÓRIO 4 MULTIPLEXAGEM POR DIVISÃO NO TEMPO

1. RESUMOEQU ATION CH APTER 1 SECTION 1

Na sessão de laboratório vão ser realizadas experiências que permitem corroborar os conhecimentos sobre sinais multiplexados no tempo (TDM). Serão elaborados ensaios de emissão e recepção de sinais TDM no tempo com diferentes formas de sincronismo, de modo a estabelecer uma relação entre o número de ligações necessárias entre o emissor e o receptor e a complexidade do receptor.

2. INTRODUÇÃO

O principal objectivo deste trabalho é proporcionar aos alunos o contacto específico com equipamento que envia e recebe num só canal vários sinais multiplexados no tempo, de forma a permitir uma melhor compreensão dos fenómenos associados e da sua utilidade prática nos meios de transmissão.

2.1. FUNCIONAMENTO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO As experiências são realizadas por um grupo de três alunos que têm de entregar no final da aula

um relatório da sessão de laboratório. O grupo dispõe de 3 horas para a realização das montagens e elaboração do respectivo relatório. O presente guia de laboratório descreve as montagens e as experiências que têm de ser realizadas e serve simultaneamente como relatório. Cada grupo deverá entregar no final da aula uma cópia do relatório com todos os dados e resultados das experiências devidamente preenchidos, bem como pequenas descrições e justificações sobre os resultados obtidos.

A composição dos grupos e o horário da respectiva sessão de laboratório são previamente marcadas com o docente da disciplina durante a aula de apresentação. Cada grupo poderá apenas comparecer no horário de laboratório previamente acordado. Impedimentos de força maior que impeçam por parte dos alunos a realização do laboratório no horário estipulado terão de ser previamente comunicados ao docente. A não comparecência de um aluno na sua sessão de laboratório equivale a sua não realização e correspondente nota de 0 valores nessa componente de avaliação.

Antes da sessão de laboratório os alunos terão de ler cuidadosamente este guia de laboratório e preencher a respectiva secção de dimensionamento. Só será autorizado o acesso ao laboratório aos grupos que entreguem ao docente no início de cada sessão uma cópia do dimensionamento. Os alunos podem tirar dúvidas sobre o seu ensaio durante os horários de dúvidas da cadeira ou enviando as suas questões para o e-mail do docente ([email protected]).

2.2. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO

Nesta sessão de laboratório utiliza-se os seguintes equipamentos:

• Fonte de tensão DC, I.C. POWER 60. Esta fonte alimenta o módulos com os valores de tensão contínua, -12 V, 0 V , +5 V e +12 V.

• Módulo de multiplexagem no tempo, MODICOM 2. Permite a amostragem, multiplexagem, desmultiplexagem e reconstrução até um máximo de 4 sinais analógicos distintos. O módulo é constituído por 6 blocos, representados na Figura 1. Os blocos do lado esquerdo constituem o emissor e os blocos do lado direito compõem o receptor.


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Figura 1 – Módulo de multiplexagem no tempo.

• Osciloscópio, TDS 1002. Equipamento de medida que permite visualizar a variação temporal de tensões provenientes de um ou dois canais independentes.

2.2.1 Blocos do módulo MODICOM 2 De seguida, descrevem-se alguns dos blocos do módulo MODICOM 2

A. Gerador de funções Os sinais a multiplexar podem ser externos, contudo, e para simplificar, este módulo gera quatro sinusóides de frequências fm = 250Hz, 500 Hz, 1 kHz e 2 kHz, todas em sincronismo com o sinal de amostragem para facilitar o sincronismo num osciloscópio. Este bloco também gera uma tensão DC que pode ser utilizada como referência para um sinal de sincronismo do receptor. Todos os sinais dispõem de botões de ajuste de amplitude.

B. Bloco de geração dos sinais de controlo de amostragem

Figura 2 – Bloco de geração dos sinais de controlo de amostragem.

O bloco representado na Figura 2 gera quatro sinais de controlo que activam sequencialmente os interruptores de amostragem de cada canal. A amostragem verifica-se quando a amplitude do sinal de controlo se encontra no nível inferior. Cada canal é amostrado em cada Ts = 62.5µs, ou seja a uma frequência de amostragem de fs=16 kamostras/s. No entanto, a amostra de cada canal é contida num intervalo máximo correspondente a 1/4 Ts. Esse intervalo é habitualmente designado por time-slot do canal respectivo. À razão entre o tempo em que efectivamente se amostra o sinal e a duração total do time-slot dá-se o nome de duty-cycle, podendo este parâmetro ser variado no botão DUTY CYCLE CONTROL entre 0 e 90% em passos de 10%. Um conjunto dos time-slots de todos os diferentes canais compõem um trama. Neste bloco também são gerados um sinal de sincronismo e um sinal de relógio.


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C. Transmissor

Figura 3 – Transmissor.

Os quatro canais de “informação” são amostrados sequencialmente e todos eles são agrupados em tramas e transmitidos através do mesmo meio.

D. Circuito de recuperação de relógio

Figura 4 – Circuito de recuperação de relógio.

Para se efectuar a correcta desmultiplexagem do sinal recebido, é necessário que o emissor e o receptor estejam sincronizados. O receptor tem de efectuar a detecção das amostras nos instantes correctos, o que é assegurado através de um sinal de relógio. Por outro lado é necessário que o receptor saiba encaminhar cada uma das amostras para o seu respectivo canal, o que é controlado através de um sinal de sincronismo. Deste modo, a completa sincronização entre emissor e receptor pode ser assegurada se os sinais de relógio e sincronismo forem transmitidos separadamente, e em meios diferentes, do sinal de informação. Alternativamente, o sincronismo pode ser obtido no receptor através do circuito de recuperação de relógio ilustrado na Figura 4 que gera novos sinais de relógio e sincronismo no receptor. O elemento principal deste circuito é uma PLL (Phase Locked Loop). O módulo MODICOM 2 dispõe de três modos de funcionamento:

• Modo 1: Neste modo são necessários três fios a ligar o emissor ao receptor. Um dos fios transmite os quatro sinais multiplexados, no segundo é enviado o sinal de sincronismo e no terceiro é transmitido o sinal de relógio. A complexidade do receptor é neste caso mínima.

• Modo 2: A ligação entre emissor e receptor é feita com dois fios: um para os quatro canais multiplexados e outro para o sinal de sincronismo. No entanto, é necessário usar uma PLL (Phase Locked Loop) para gerar o sinal de relógio no receptor a partir do sinal de sincronismo.

• Modo 3: Exige apenas um fio a ligar o emissor e o receptor. No entanto, transmite-se apenas três canais de dados sendo o quarto canal multiplexado usado para transmitir um sinal de sincronismo. Continua a ser necessário ter uma PLL no receptor para gerar o sinal de relógio e o sinal de sincronismo de trama.


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E. Bloco de geração dos sinais de controlo de detecção

Figura 5 – Bloco de geração dos sinais de controlo de detecção.

Este bloco, Figura 5, gera quatro sinais de controlo que activam sequencialmente os interruptores de detecção e encaminhamento para cada um dos quatro canais. Estes sinais de controlo são sincronizados a partir do sinal de relógio e do sinal de sincronismo.

F. Receptor

Figura 6 – Receptor.

Os interruptores do receptor separam as amostras de cada um dos canais nas tramas. Em seguida, os sinais analógicos transmitidos são reconstruídos através de filtros passa-baixo.

2.3. SEGURANÇA

Antes de aplicar qualquer tensão, assegure-se que todas as ligações estão correctamente efectuadas. Nenhum equipamento pode sair do laboratório. É especialmente importante não tocar com as pontas dos cabos de ligação em parte alguma dos circuitos que não a apropriada pois estes circuitos são muito frágeis e facilmente se avariam.


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Data: _________ Horário: __________ Turma: _______Turno: _______ Grupo: ____ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________

3. DIMENSIONAMENTO

Esta secção visa preparar os alunos para as experiências que irão realizar no laboratório. Todos os grupos terão de no início da sessão de laboratório entregar ao docente uma cópia desta secção.

Considere que irá amostrar sequencialmente e em seguida multiplexar três canais analógicos: ( ) ( )t8000sen41 π⋅=tx , ( ) ( )t12000sen62 π⋅=tx e ( ) ( )t16000sen83 π⋅=tx . A frequência de amostragem

de cada canal é de fs = 32 kamostras/s e o seu duty cycle é de 50%. Desenhe na Figura 7 para o intervalo 0,250t � �� ∈ µs a forma temporal de cada um dos canais amostrados separadamente e em diferentes cores e, em seguida desenhe no segundo gráfico, a forma das tramas do sinal com os canais multiplexados no tempo.

(A) (B)

Figura 7 – Forma temporal: (A) sinais amostrados separadamente; (B) tramas com os sinais multiplexados.

Suponha que devido a um erro de sincronismo do receptor, o relógio do receptor se encontra

com um atraso de ∆t = 2 µs face ao início de cada amostra recebida, mas apresenta a frequência correcta. Desenhe na Figura 8 as amostras recolhidas no receptor para o canal 1 no intervalo

0,250t � �� ∈ µs. Estime também a forma desse sinal depois de reconstruído pelo filtro passa-baixo.


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(A) (B)

Figura 8 – (A) Amostras detectadas no receptor para o canal 1 com a presença de um atraso de ∆t = 2 µs no relógio; (B) sinal reconstruído pelo filtro passa-baixo.


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4. ESQUEMA DA MONTAGEM

De seguida, enumeram-se os passos da montagem da experiência a realizar.

A. Assegure-se que a fonte de alimentação se encontra desligada.

B. Ligue o módulo MODICOM 2 à fonte de alimentação de acordo com o ilustrado na Figura 9.

Figura 9 – Ligações de alimentação ao módulo MODICOM 2.

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

D. Ligue a fonte de alimentação.

5. EXPERIÊNCIAS

De seguida descrevem-se os resultados que têm ser obtidos pelos alunos.

5.1. GERAÇÃO DE UMA TRAMA

5.1.1 Multiplexagem

Coloque o botão DUTY CYCLE CONTROL na posição 5. Ligue, através de um cabo de 4 mm verde, a saída de fm=250 Hz do bloco gerador de funções à entrada CH.0. Ajuste o botão do sinal de modo a assegurar uma amplitude de 10V pico-a-pico (Vpp) no TP11. Ligue uma sonda de prova entre o porto TP11 e a entrada de TRIGGER EXT do osciloscópio. Modifique o modo de sincronismo do osciloscópio para o sinal externo e altere a opção de COUPLING para HF REJECTION. Ligue a sonda de prova do canal 2 do osciloscópio ao porto TP20, ajuste a escala temporal para 25 µs/div e calcule a frequência de amostragem.

Ligue a saída de fm = 500 Hz à entrada CH.1, fm = 1 kHz a CH.2 e fm = 2 kHz a CH.3. Ajuste os respectivos botões de modo a obter as amplitudes 8 Vpp, 6 Vpp e 4 Vpp. Registe na Figura 10, a forma de onda no TP20 (canal 2) durante um intervalo de 200 µs. Identifique a correspondência entre as amostras e os canais. Se necessário poderá deslocar a sonda do canal 1 do osciloscópio para os portos TP11, TP13, TP15 ou TP17 para facilitar a identificação das amostras.

5.1.2 Sinais de sincronismo

Ligue o canal 1 do osciloscópio à saída do sinal de relógio (TP6). Visualize a forma de onda e determine a sua frequência. Ligue a sonda do canal 2 do osciloscópio para a saída do sinal de sincronismo (TP5). Visualize a forma de onda e determine a sua frequência. Desenhe na Figura 11 a forma do sinal de relógio (TP6) e do sinal de sincronismo (TP5) para um intervalo de 100 µs. Determine o atraso entre os impulsos no sinal de relógio e os impulsos no sinal de sincronismo


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(canal 2 do osciloscópio). Justifique a necessidade deste atraso. Comparando com os impulsos nas tramas (TP20), qual dos canais é amostrado durante os impulsos do sinal de sincronismo?

Com os resultados obtidos preencha a secção 7.1 do relatório e comente possíveis diferenças com o dimensionamento.

5.2. RECEPÇÃO E DESMULTIPLEXAGEM

5.2.1 Modo 1

Com cabos verdes de 4 mm, ligue a saída TX CLOCK à entrada RX CLOCK, TX CH.0 a RX CH.0 e TX OUTPUT a RX INPUT. Rode o botão CLOCK TIMING CONTROL totalmente no sentido anti-horário. Ligue o canal 1 do osciloscópio ao porto TP11 e o canal 2 ao porto TP43. Compare a forma de onda antes e depois da transmissão. Realize a mesma verificação para os restantes canais multiplexados.

Ligue a sonda do canal 1 do osciloscópio ao porto TP20 (sinal multiplexado) e o canal 2 ao porto TP36 (sinal de controlo do interruptor de detecção do CH.0). Qual a influência do botão CLOCK TIMING CONTROL no sinal de controlo do interruptor? Desloque o canal 2 do osciloscópio para o porto TP42 (amostras detectadas para o CH.0). Qual é a influência do ajuste do botão CLOCK TIMING CONTROL na forma de onda dos diferentes canais reconstruídos? Porquê?

Desligue o emissor de todos os canais do bloco gerador de funções. Ligue o SYNC LEVEL à entrada CH.0 e ajuste a sua amplitude para 5V. Rode o botão CLOCK TIMING CONTROL totalmente no sentido anti-horário. Retire o cabo entre TX CH.0 e RX CH.0. Ligue a sonda do canal 1 do osciloscópio ao porto TP20 (sinal multiplexado) e com o canal 2, determine em qual dos portos TP42, TP44, TP46 ou TP48 se encontra as amostras do sinal SYNC LEVEL [faça TRIGGER pelo canal 1 do osciloscópio]. Desligue e volte a ligar o cabo entre TX CLOCK e RX CLOCK. Determine novamente em qual dos portos se encontra as amostras detectadas. Repita mais três vezes a simulação de falha de sinal de relógio e em cada uma determine o porto de saída. Explique o observado.

5.2.2 Modo 2

Neste modo o sinal de relógio não é enviado pelo emissor, como tal, retire o cabo entre TX CLOCK e RX CLOCK. Ligue o canal 1 do osciloscópio à saída TP29 no circuito de recuperação de relógio do receptor. Observe a forma de onda e determine a frequência deste sinal. Em seguida, comute no módulo PHASE LOCKED TIMING CIRCUIT, o interruptor INPUT SELECT SWITCH para a direita. Ligue com um cabo verde de 4 mm a saída TX CH.0 à entrada PLL I/P. Volte a analisar a saída TP29 e a frequência do sinal no canal 1 do osciloscópio e compare-a com o sinal de sincronismo em TP5. No canal 2 do osciloscópio, observe a saída TP27 e compare-a com sinal de relógio em TP6. Registe na Figura 12, o sinal de sincronismo (TP29) e o sinal de relógio (TP27) recuperados pelo PLL.

Recoloque à entrada do multiplexador, os quatro sinais sinusoidais com as amplitudes pico-a-pico indicadas no ponto 5.1.1. Faça o TRIGGER pelo canal externo do osciloscópio. Ligue a saída SYNC no circuito de recuperação de relógio à entrada RX CH.0 no receptor. Ligue a saída CLK no circuito de recuperação de relógio à entrada RX CLOCK no receptor. Rode o botão CLOCK TIMING CONTROL totalmente no sentido anti-horário. Compare a forma de onda antes e depois da transmissão para cada um dos canais.

Retire o cabo entre o TX CH.0 e o PLL I/P. Comente e justifique o que observa nos canais reconstruídos.


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5.2.3 Modo 3

Substitua o sinal de fm = 250 Hz pelo sinal SYNC. LEVEL na entrada do canal CH.0. Ajuste a amplitude do canal CH0 para 7V. Faça o TRIGGER do osciloscópio pelo canal externo, deslocando a sonda de prova relativa ao TRIGGER para o TP13. Desloque a sonda de prova do canal 1 do osciloscópio para o porto TP20. Registe na Figura 13, a forma de onda das tramas multiplexadas durante um intervalo de 200µs. Identifique a correspondência entre as amostras e os canais. Se necessário poderá deslocar a sonda do canal 2 do osciloscópio para os portos TP11, TP13, TP15 ou TP17 para facilitar a identificação das amostras. Como é que os impulsos do canal de sincronismo se evidenciam face aos restantes?

Neste modo, nem o sinal de relógio nem o sinal de sincronismo são enviados separadamente pelo emissor. Como tal, retire o cabo entre TX CH.0 e PLL I/P. Rode totalmente no sentido horário o botão COMPARATOR no circuito de recuperação de relógio. Em seguida, comute o interruptor INPUT SELECT SWITCH para a esquerda. Desloque o canal 2 do osciloscópio para o porto TP22 à saída do comparador. Observe a forma de onda e calcule a frequência deste sinal. Compare o sinal à saída do comparador com o sinal de sincronismo gerado pelo emissor no porto TP5. Reduzindo a amplitude do SYNC. LEVEL (TP11), determine qual o valor de referência do comparador quando o seu botão está totalmente rodado no sentido horário.

Reponha a amplitude do canal SYNC. LEVEL para 7V. Rode o botão CLOCK TIMING CONTROL totalmente no sentido anti-horário. Compare a forma de onda antes e depois da transmissão para cada um dos canais. Baixe a amplitude do canal SYNC. LEVEL para 3.5V. Comente e justifique o que se observa nos canais reconstruídos.

Com os resultados obtidos preencha a secção 7.2 do relatório e comente possíveis diferenças em relação ao dimensionamento.

6. CONCLUSÃO DA SESSÃO DE LABORATÓRIO

A. Desligue a fonte de alimentação e o osciloscópio.

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


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Data: _________ Horário: __________ Turma: _______Turno: _______ Grupo: ____ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________ Aluno N°: _________ Nome:_______________________________________________

7. RELATÓRIO

Cada grupo após terminar a sessão de laboratório terá de entregar ao docente uma cópia deste relatório. Os alunos deverão preencher todos os valores solicitados, justificar os resultados obtidos e se possível efectuar a comparação com os valores teóricos estimados.

7.1. GERAÇÃO DE UMA TRAMA

Desenhe na Figura 10, a forma do sinal multiplexado com os 4 quatro canais sinusoidais para um intervalo de 200 µs. Identifique a correspondência entre os impulsos e os canais. Identifique o período de amostragem Ts de um canal.

Figura 10 – Forma de onda do sinal multiplexado.

Desenhe na Figura 11 a forma do sinal de relógio e do sinal de sincronismo para um intervalo de 100 µs. Identifique o atraso entre o sinal de sincronismo e o sinal de relógio.

Figura 11 – Forma de onda do sinal de relógio e de sincronismo gerado pelo emissor.


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Justifique a necessidade do atraso entre os impulsos no sinal de sincronismo e os impulsos no sinal de relógio. Qual dos canais é amostrado durante os impulsos do sinal de sincronismo?

7.2. RECEPÇÃO E DESMULTIPLEXAGEM

Qual a função do botão CLOCK TIMING CONTROL e o que pretende simular? Qual é a influência do ajuste do botão CLOCK TIMING CONTROL na forma de onda dos diferentes canais reconstruídos? Porquê?

Comente e justifique o observado no ensaio realizado em modo de funcionamento 1 onde foram simuladas falhas no sinal de relógio.

Desenhe na Figura 12 a forma dos sinais de relógio e de sincronismo recuperados pela PLL para um intervalo de 100 µs. Identifique o atraso entre o sinal de sincronismo e o sinal de relógio.


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Figura 12 – Forma de onda do sinal de relógio e de sincronismo gerado pela PLL.

Analise e justifique o observado [relativamente ao funcionamento da PLL] quando é retirada a ligação entre TX CH.0 e PLL I/P no modo de funcionamento 2.

Desenhe na Figura 13, a forma do sinal multiplexado com os três canais mais o sinal de sincronismo para um intervalo de 200 µs. Identifique a correspondência entre os impulsos e os canais.

Figura 13 – Forma de onda do sinal multiplexado com a presença do sinal de sincronismo.

Qual a função do comparador no circuito de recuperação de relógio e qual o seu valor de referência com o botão totalmente rodado no sentido horário?


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Analise e justifique o observado nos canais reconstruídos quando a amplitude do canal de sincronismo foi reduzida para 3.5 V.

Comente e justifique o que aconteceria nos canais reconstruídos, se o nível de referência do comparador do circuito de recuperação de relógio fosse reduzido para 3.5V [mantendo as amplitudes dos 4 sinais sinusoidais de entrada].

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