Proyecto de Ingeniería Electrónica II. (Reporte Final)

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1 Proyecto de Ingeniería Electrónica II. (Reporte Final) Modulador/Demodulador DPCM a 4 bits. Unidad: Iztapalapa División: CBI Grado: Licenciatura Alumno: César Gustavo Enríquez Gabino. Matrícula: Licenciatura: Ing. Electrónica en Comunicaciones Asesor: Fausto Casco Sánchez Fecha: Viernes, 4 de Abril de 2003

2 Modulador/Demodulador DPCM 1 Contenido ANTECEDENTES 2 Codificadores de forma de onda 2 Codificadores en el dominio del 2 Modulación por codificación de impulsos (PCM) 2 Modulación por codificación de impulsos diferencial (DPCM) 3 Modulación por codificación de impulsos diferencial adaptiva (ADPCM) 4 Modulación Delta (DM) 5 Necesidades 8 DISEÑO 8 Ecuaciones de modulación / demodulación. 8 Esquema de modulación / demodulación a bloques. 9 Esquema de modulación / demodulación con CI. 9 GRÁFICAS OBTENIDAS 11 CONCLUSIONES 17 BIBLIOGRAFÍA 18

3 Modulador/Demodulador DPCM 2 Codificadores de forma de onda ANTECEDENTES Los codificadores de forma de onda intentan reproducir la forma de la onda de la señal de entrada. Generalmente se diseñan para ser independientes a la señal, de tal forma que pueden ser usados para codificar una gran variedad de señales. Presentan una degradación aceptable en presencia de ruido y errores de transmisión. Sin embargo, para que sean efectivos, sólo se deben usar a BIT-rates medios. La codificación se puede llevar a cabo tanto en el dominio del como de la frecuencia. Codificadores en el dominio del Dentro de este grupo tenemos los siguientes codificadores: PCM DPCM ADPCM DM Modulación por codificación de impulsos (PCM) La modulación por codificación de impulsos es la codificación de forma de onda más sencilla. Básicamente, consiste en el proceso de cuantificación. Cada muestra que entra al codificador se cuantifica en un determinado nivel de entre un conjunto finito de niveles de reconstrucción. Cada uno de estos niveles se hace corresponder con una secuencia de dígitos binarios, y esto es lo que se envía al receptor. Se pueden usar distintos criterios para llevar a cabo la cuantificación, siendo el más usado el de la cuantificación logarítmica. La ecuación que rige el ancho de banda del canal es: BT=nFm Donde BT es el ancho de banda del canal, n el número de bits empleados y Fm es la frecuencia de muestreo.

4 Modulador/Demodulador DPCM 3 Esquema de un modulador PCM Modulación por codificación de impulsos diferencial (DPCM) Puesto que PCM no tiene en cuenta la forma de la onda de la señal a codificar, funciona muy bien con señales que no sean las de la voz, sin embargo, cuando se codifica voz hay una gran correlación entre las muestras adyacentes. Esta correlación puede aprovecharse para reducir el BIT-rate. Una forma sencilla de hacerlo sería transmitir solamente las diferencias entre las muestras. Esta señal de diferencia tiene un rango dinámico mucho menor que el de la voz original, por lo que podrá ser cuantificada con un número menor de niveles de reconstrucción. Supongamos que se requiere enviar en un canal no la muestra codificada sino la diferencia entre la muestra actual y una estimación de la muestra comparada, calculada a partir de las muestras anteriores. La idea no es enviar aquella parte de la información que puede ser reconstruida con las muestras anteriores. Este método es usado para enviar imágenes fijas o de vídeo y utiliza una mayor velocidad de bits por segundo (bps). Usualmente, las imágenes que son enviadas no incluyen mucha información nueva, generalmente hay una alta correlación con la imagen previa. Tanto el codificador como el decodificador usan varias muestras o información previa acumuladas en el predictor y trata de predecir la imagen siguiente. El mismo operador de predicción existe tanto en el codificador como en el decodificador. Para ejemplificar la transmisión mediante un DPCM tenemos la imagen de una ciudad, esta imagen es fija, esto es que los edificios no están en movimiento como los automóviles, entonces, al ser transmitida, solo se envía la diferencia. Aquí nuestra señal de entrada sería la toma de la ciudad y la diferencia es el automóvil en movimiento. Esto es útil cuando la correlación entre las muestras sucesivas es significativa. Por lo tanto si hay un cambio mínimo, es efectiva.

5 Modulador/Demodulador DPCM 4 Una imagen difícil de comprimir es la un partido del fútbol, ya que los jugadores se encuentran en movimiento constantemente, por lo cual se necesita una mayor velocidad de compresión, las imágenes anteriores no tienen relación con la imagen actual, por lo tanto decimos que no hay una alta correlación. Esquema de un modulador dpcm Modulación por codificación de impulsos diferencial adaptiva (ADPCM) En DPCM tanto el predictor como el cuantificador permanecen fijos en el. Se podría conseguir una mayor eficiencia si el cuantificador se adaptase a los cambios del residuo de predicción. Además, también se podría hacer que la predicción se adaptase a la señal de la voz. Esto aseguraría que la raíz cuadrada del error de predicción se minimice continuamente, con independencia de la señal de voz y de quién la emita. Hay dos métodos para adaptar los cuantificadores y los predictores, llamados adaptación en feedforward y adaptación en feedbackward. En la adaptación feedforward los niveles de reconstrucción y los coeficientes de predicción se calculan en el emisor, usando un bloque de voz. Después son cuantificados y transmitidos al receptor como información lateral. Tanto el emisor como el receptor usan estos valores cuantificados para hacer las predicciones y cuantificar el residuo. En la adaptación feedbackward los niveles de reconstrucción y los coeficientes de predicción se calculan a partir de la señal codificada. Puesto que la señal es conocida tanto por el emisor como por el receptor, no hay necesidad de transmitir información lateral, así el predictor y el cuantificador pueden actualizarse para cada muestra. La adaptación feedbackward puede dar menores BIT rates, pero es más sensible a los errores de transmisión que la adaptación feedforward.

6 Modulador/Demodulador DPCM 5 Esquema de un modulador adpcm Modulación Delta (DM) La modulación delta emplea el mismo esquema que el DPCM con la diferencia que está codificado en un bit, este se usa para determinar un incremento o decremento en la reconstrucción, sin embargo esta modulación presenta problemas al encontrar una pendiente muy grande ya que el sistema no puede seguir la señal, esto es llamado sobrecarga de pendiente. Esto se soluciona utilizando una modulación ADM en al cual el tamaño del paso a sumar es variable. Esquema de un modulador delta

7 Modulador/Demodulador DPCM 6 Esquema de un modulador ADM

8 Modulador/Demodulador DPCM 7 Comparación entre Dm y ADM

9 Modulador/Demodulador DPCM 8 Necesidades Debido a la cantidad creciente de usuarios de servicios de comunicación y del ancho de banda limitado del que se dispone se deben proponer métodos alternativos de codificación para aprovechar lo mejor posible esos recursos se han propuesto diversas técnicas para solucionar este problema y se ha encontrado que para el caso de señales muy correlacionadas como son voz e imágenes fijas pueden transmitirse solo los cambios que han tenido lugar reduciendo el número de bits considerablemente, este número de bits dependerá de los señal y la calidad que se desee obtener, este diseño se propone para modular en DPCM de manera mas simple y con circuitos integrados de uso comercial DISEÑO Ecuaciones de modulación / demodulación. Modulador Dx=x(t)-x(t-1) Demodulador Y(t)=Dx+Y(t-1)

10 Modulador/Demodulador DPCM 9 Esquema de modulación / demodulación a bloques. Modulador A/D Demodulador D/A Esquema de modulación / demodulación con CI. Modulador 7483 A/D

11 Modulador/Demodulador DPCM 10 Demodulador D/A La modulación se realiza restando la muestra actual de la muestra anterior, que es cargada en el latch, este circuito no es retroalimentado, por lo que la modulación no toma en cuenta lo que pasa en el demodulador y siempre se transmitirá la información correcta que puede estar truncada si el número de bits es pequeño, esto se vera reflejado en la demodulación. Al trabajarse todas las operaciones digitalmente se reduce el error al evitar el ruido de cuantización en conversión digital / analógico en la modulación, aunque se desea transmitir en cuatro bits las operaciones se realizan en ocho bits para mejor la precisión. La demodulación se realiza sumando los n bits transmitidos con la demodulación anterior, este circuito es retroalimentado, por lo que los datos recuperados están muy relacionados entre si y una variación en una recuperación puede afectar a otras antes de obtener una convergencia a los valores normales, por el diseño del modulador una secuencia de datos en cero realiza la convergencia y puede limpiar la recepción para evitar que el error se siga propagando, las operaciones se realizan en ocho bits independientemente de los bits transmitidos. Una diferencia entre un esquema típico de DPCM y este diseño es que la señal se codifica en ocho bits y luego se le aplican las operaciones truncando al final en el número de bits requeridos en lugar de hacer las operaciones y luego codificar en el número de bits requeridos y decodificar para la siguiente operación. Si se desease transmitir los datos en serie en lugar de en paralelo se puede utilizar un multiplexor con un contador ajustado al número de bits deseados para conversión serie en el transmisor y un demultiplexor para su conversión a paralelo en el receptor

12 Modulador/Demodulador DPCM 11 GRÁFICAS OBTENIDAS señal cuadrada original 2v p-p señal cuadrada recuperada v p-p

13 Modulador/Demodulador DPCM 12 onda senoidal original 1.28 v p-p onda senoidal recuperada v p-p

14 Modulador/Demodulador DPCM 13 señal triangular original 1.36 v p-p senal triangular recuperada v p-p

15 Modulador/Demodulador DPCM 14 señal original de frecuencia media 1.28 v p-p señal recuperada de frecuencia media v p-p

16 Modulador/Demodulador DPCM 15 señal original cuadrada de frecuencia media 2.08 v p-p señal cuadrada recuperada de frecuencia media v p-p

17 Modulador/Demodulador DPCM 16 señal original de frecuencia media 1.28 v p-p señal recuperada de frecuencia media v p-p

18 Modulador/Demodulador DPCM 17 CONCLUSIONES Se observa que el circuito construido reconstruye las señales correctamente, donde el ruido depende de la forma de onda que se este trabajando, el diseño permite la eliminación de algunos errores presentes en otros diseños como los que puede presentar la etapa de demodulación en el modulador además de la conversión digital analógica que puede encontrarse en estos, si bien estas técnicas reducen el error de la demodulación al reconstruir el proceso en el transmisor introducen ruido de cuantización y la información puede corromperse al reducir el número de bits, en este diseño el modulador no efectúa ninguna demodulación ni retroalimentación, sin embargo, los datos que manda siempre son correctos pues son tomados de las muestras originales a ocho bits, la demodulación puede presentar errores si demasiados datos son truncados sin embargo en un breve periodo en que no exista señal (como es una pausa en una conversación) el sistema se limpiara evitando que el error se propague. Para evitar que la información sea truncada demasiado significativamente se recomienda que el voltaje de referencia del convertidor analógico digital sea mayor que el máximo valor esperado de la señal, evitando así que los dígitos más significativos contengan información importante, con lo que se pueden usar pocos bits, el sistema presenta una atenuación grave esto puede corregirse con un amplificador o en la conversión digital analógica.

19 Modulador/Demodulador DPCM 18 BIBLIOGRAFÍA Diseño Digital M. Morris Mano. Prentice may Pp 442, Data Conversion/Acquisition Databook National Semiconductor Pp 8_5-8_12,5_21-5_44 Digital Signal Processing William D. Stanley Reston Publishing Company, inc. Pp Principles of communication systems Taub-Schilling Second edition McGraw Hill Pp 229,212,