PRÁCTICA 1: MODULACIÓN PCM

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1 PRÁCTICA 1: MODULACIÓN PCM OBJETIVOS: Introducir las nociones generales sobre la modulación PCM. Describir las distintas formas de codificación PCM. Describir los aspectos relativos a la transmisión de señales pulsivas en canales de banda limitada. Codificación PCM lineal Analizar el funcionamiento del codificador y del decodificador PCM lineal de 4 y 12 bits Trazar la curva de cuantificación y verificar la ley de codificación Verificar la calidad de transmisión de la voz al variar la ley de codificación y la frecuencia de muestreo. Codec Describir un sistema de comunicación realizado con un Codec y analizar sus características de funcionamiento. Analizar las codificaciones PCM efectuadas con la ley A y la ley µ. Analizar el diagramas de ojo al variar las características del canal. Verificar la calidad de la transmisión de la voz al variar el canal y el ruido. PCM diferencial Analizar el funcionamiento de un codificador y de un decodificador PCM diferencial Analizar las formas de onda de las señales. Realizar un ejemplo de transmisión de la voz.

2 Pág : 44 Laboratorio de Transmisión Digital 1.- VERIFICACIONES EXPERIMENTALES 1.1.-Material necesario - Modulo T20B - Fuente de alimentación - Osciloscopio Modulo T20B Tal como se muestra en la figura 2.21, el módulo T20B (PULSE CODE MODULATION) está compuesto por los siguientes bloques: Filtro transmisión MODULADOR PCM Modulador PCM lineal T20B Ruido de cuantificación Modulador PCM diferencial Filtro receptor Generador de señal - Reloj - Sinusoidal - Rampa Codificador-decodificador PCM (PCM con cuantificación no uniforme) Figura 2.21: Módulo T20B Línea de transmisión con ruido Timining & Generators: Genera una señal sinusoidal de 1 khz, una rampa de 500 Hz y las señales de temporización utilizadas en el PCM lineal de 12 bits, en PCM diferencial y en el Codec. Filtro TX: Filtro paso bajo de frecuencia de corte 3400 Hz. Tiene entrada para señal y para micrófono y cumple también la función de amplificación de la señal de entrada. PCM Lineal: La señal analógica de entrada es muestreada por el Sample & Hold y luego aplicada a un conversor A/D, que realiza una codificación a 4 ó 12 bits, seleccionable mediante un puente. El margen dinámico del conversor va desde 5 V (todos los leds a 0 ) hasta + 5 V (todos los leds a 1 ). La salida paralelo del A/D es transformada en serie por la pareja de registradores de desplazamiento que forman el conversor paralelo serie. Los 12 leds conectados a las 12 líneas de salida del conversor

3 Práctica 2: Modulación PCM Pág : 45 A/D señalizan el estado alto o bajo de cada línea. La conversión a 4 bits se realiza considerando sólo los cuatro bits más significativos de la conversión a 12 bits y poniendo a 0 los otros ocho. En el decodificador la señal PCM entrante es convertida en formato paralelo por la pareja de registradores de desplazamiento y luego aplicada al conversor D/A y a un filtro paso bajo de frecuencia de corte 3,4 khz. Codec: La señal PCM saliente del Codec (codificador+decodificador PCM con cuantificación no uniforme) es filtrada por el filtro transmisor y enviada al receptor a través de la línea de transmisión artificial. DPCM: La salida de la etapa substractora es muestreada por el Sample & Hold y enviada al conversor A/D de 8 bits (sin embargo, del conversor se utilizan sólo los 6 bits más significativos, realizando de esta manera la codificación a 6 bits). La salida paralelo del A/D es transformada en serie por el conversor paralelo/serie sucesivo y los bits obtenidos de esta manera se transmiten. En la cadena de realimentación, la predicción de la señal de entrada se obtiene de la siguiente forma: el conversor D/A reconvierte la señal diferencia de digital a analógica, la señal diferencia es muestreada y las muestras son integradas, el resultado de la integración es enviado al substractor. El decodificador pasa la señal DPCM entrante a través de un amplificador y un circuito de trigger, luego se aplica al conversor serie/paralelo, cuya palabra digital de salida es convertida en un valor analógico por el conversor sucesivo. La salida del conversor es muestreada y luego las muestras son integradas. Filtro RX: Filtro paso bajo de frecuencia de corte 3400 Hz. Canal: Produce ruido blanco de algunas decenas de mv.

4 Pág : 46 Laboratorio de Transmisión Digital 2.- SISTEMA DE COMUNICACIÓN PCM LINEAL En la figura 2.21 se muestra el diagrama de bloques del sistema de comunicación PCM lineal, desde que se introduce la señal hasta que esta es recuperada por el receptor: Figura 2.21: Modulador PCM lineal Filtro paso bajo: Cuya misión es la de limitar la señal en banda para proceder al muestreo. S&H: Encargado de muestrear la señal analógica a la frecuencia indicada, además de muestrear retiene el valor de la muestra hasta el siguiente instante de muestreo. La frecuencia de muestreo va a poder ser seleccionada, en la sección TIMING, a 4 o 8 khz. Conversor Analógico/Digital: La señal muestreada se aplicará a un conversor A/D que realiza una codificación que puede ser seleccionada a 4 o 12 bits. La conversión a 4 bits se realiza considerando solo los cuatro bits más significativos de la conversión a 12 bits, estando los 8 bits restantes a cero. La gama del conversor va desde -5 V (todos los leds a 0 ) hasta 5 V (todos los leds a 1). Conversor Serie/Paralelo: La salida del conversor A/D pasa a un conversor paraleloserie, encargado de enviar los bits que codifican una misma información de uno en uno a través de una línea de transmisión. El demodulador está compuesto por un conversor Serie/Paralelo y un conversor Digital/Analógico que convierte la secuencia de bits en paralelo en su valor analógico correspondiente. La salida del conversor D/A es una señal escalonada que aproxima la señal analógica de partida. El filtro paso bajo limita el ancho de banda a 3,4 khz, dando como resultado una señal similar a la señal moduladora de partida Codificación PCM Lineal. En este ejercicio se pretende obtener la función de transferencia del conversor A/D, para ello, se introducen diferentes niveles de tensión continua (desde 5V a + 5V) a la entrada del cuantificador (no utilizar el filtro de entrada y que este puede modificar el valor

5 Práctica 2: Modulación PCM Pág : 47 seleccionado) y se observa a que código de salida corresponden. Aquellos niveles de tensión que produzcan un mismo código a la salida, formarán parte del mismo escalón cuántico. Estudio de la influencia del número de bits de codificación Seleccionar una frecuencia de muestreo de 8 khz y en el conversor A/D seleccionar una codificación de 4 bit. Unir el generador de señal continua a la entrada del cuantificador. Variar el potenciómetro DC OUT del mínimo (- 5 V) al máximo (+5 V) y observar la variación del encendido de los leds de la salida de conversor A/D. Obtener el salto de tensión correspondiente al cambio de un bit. Nivel de tensión teórico: Nivel de tensión medido: pasos: Para observar la señal a la salida del conversor paralelo-serie se siguen los siguientes Visualizar la salida del conversor paralelo-serie y la señal TX FRAME SYNC, sincronizando el osciloscopio con la señal TX FRAME SYNC. Variar el potenciómetro DC OUT y observar la señal a la salida del conversor paralelo-serie. Indicar cuántos bits están comprendidos entre dos impulsos de sincronismo de trama sucesivos. Calcular la velocidad de transmisión de la señal PCM. R b = Estudio de la influencia de la frecuencia de muestreo Observar la señal PCM con una frecuencia de muestreo de 8 y 4 KHz, tanto con 12 bits como con 4 bits. Calcular las velocidades de transmisión binarias. R b 12 bits y 8 KHz = R b 12 bits y 4 KHz = R b 4 bits y 8 KHz R b 4 bits y 4 KHz Conclusiones sobre la influencia del a frecuencia de muestreo.

6 Pág : 48 Laboratorio de Transmisión Digital Decodificación PCM lineal. Partiendo de la señal codificada en PCM se va a proceder a la decodificación, es decir, a la recuperación de la señal analógica moduladora. Estudio de la influencia del número de bits de codificación Predisponer una frecuencia de muestreo de 8 khz y una codificación de 12 bits. Generar la modulación PCM de un tono sinusoidal de frecuencia 1 khz y amplitud 5 V PP. Observar el diagrama de bloques del sistema de comunicación completo, analizando la función de cada uno de los bloques involucrados. Comparar y dibujar la señal moduladora y la señal recuperada. Explicar el motivo del desfase entre las dos señales. Modificar el número de bits de codificación de 12 a 4 bits. Dibujar las señales a la entrada y a la salida del filtro paso bajo de recepción. Existe pérdida de calidad respecto la codificación con 12 bits?. Si no fuese así, disminuir la amplitud de la señal moduladora hasta que se observe este efecto. Indicar a que se puede deber esta pérdida de calidad con señales de baja amplitud. Estudio de la influencia de la frecuencia de muestreo Modificar la frecuencia de muestreo de 8 khz a 4 khz y observar tanto la señal moduladora como la detectada en ambos casos. Indicar si se produce o no diferencias en la señal recuperada en cada uno de los dos casos.

7 Práctica 2: Modulación PCM Pág : SISTEMA DE COMUNICACIÓN PCM CON CODEC. El diagrama de bloques del sistema de comunicación CODEC utilizado en este ejercicio es el mostrado en la figura 2.22 y se corresponde con el bloque COMPANDED PCM del módulo T20B: Figura 2.22: Modulación PCM con CODEC. La señal PCM saliente del CODEC es filtrada por el TX FILTER y transmitida al receptor a través de la línea de transmisión artificial, en donde: Es filtrada por el RX FILTER Amplificada y luego aplicada a un circuito de trigger (elemento de decisión), el cual reconstruye la señal de pulsos estropeada durante la transmisión. Un circuito denominado RETIMING, temporiza la señal PCM recibida con el clock de bit utilizado por el codec (RX BIT CLOK). Esta operación puede verse como una operación de muestreo de los bits recibidos. Para comprobar el efecto del bloque RETIMING, se puede variar el trimer PHASE ADJ correspondiente al reloj del receptor en el bloque de TIMING. El conjunto TX FILTER + LINE + RX FILTER constituye el canal de transmisión y de su respuesta en frecuencia depende la calidad de los impulsos recibidos (interferencia entre símbolos y diagrama de ojos) Codificación PCM con Codec Señal codificada y Sincronismos. En este apartado se va a realizar la modulación PCM de una señal analógica utilizando cuantificación no uniforme de ley A.

8 Pág : 50 Laboratorio de Transmisión Digital Predisponer el CODEC en la posición de ley A. Generar una señal sinusoidal de 1 khz y 2 V PP (punto 38) y aplicarla a la entrada del CODEC. La señal TX FRAME SYNC representa la señal de reloj de muestreo, es decir, establece los instantes de tiempo en los que se produce el muestreo de la señal de entrada. Para visualizar los instantes de muestreo, visualizar la señal TX FRAME SYNC y la señal aplicada al CODEC. Sincronizar el osciloscopio con la señal de sincronismo y predisponer la base de tiempos para visualizar aproximadamente 1.5 periodos de la señal sinusoidal. Cuántas muestras toma en cada periodo de la señal de entrada? Modificando la base de tiempos del osciloscopio visualizar dos impulsos de la señal de sincronismo, y visualizar la salida del modulador PCM. Dibujar ambas señales. Cuántos bits utiliza para codificar cada muestra? Visualizar las señales PCM de salida y TX BIT CLOCK. Indicar la relación existente entre un periodo de reloj y la duración de un bit. Dibujar ambas señales. Cada cuántos impulsos de sincronismo de trama se repiten ciertas configuraciones de bits?. Por qué? Decodificación PCM con codec Diagrama de ojos Para detectar la interferencia entre símbolos se utiliza una representación conocida como diagrama de ojos. Un diagrama de ojos, tal como se observa en la figura 2.23, consiste en la representación en el osciloscopio de un número pequeño de símbolos de la señal PCM recibida. Si en el osciloscopio se representan, dos o tres símbolos de la señal recibida, debido a la persistencia del tubo de rayos catódicos, en pantalla va a aparecer la superposición de la señal recibida, presentándose esta como la forma de un ojo humano. Figura 2.23: Diagrama de ojos.

9 Práctica 2: Modulación PCM Pág : 51 En la figura 2.24 muestran tres posibles situaciones que se pueden dar en la señal obtenida a la salida del canal. a.- Diagrama de ojos ideal; b y c.- Diagrama de ojos con distorsión; d.- Diagrama de ojos con distorsión y ruido Figura 2.24 En la figura 2.25 muestra las lecturas que se pueden obtener en un diagrama de ojos: Instante óptimo de muestreo Umbral Distorsión por cruces por cero (JITTER) Margen de defensa frente al ruido Figura 2.25 Interferencia entre símbolos (IES) Puede, por tanto, concluirse diciendo que: 1. El instante óptimo de muestreo se da cuando la apertura de ojo es máxima y coincide con la mitad de intervalo entre los cruces por cero.

10 Pág : 52 Laboratorio de Transmisión Digital 2. La máxima distorsión se indica por el ancho vertical de las dos ramas en el instante de muestreo. 3. El margen de defensa contra el ruido está relacionado con la apertura del ojo. 4. La duración del ojo va a marcar la sensibilidad del sistema a errores de temporización y por tanto va a marcar el margen de muestreo. 5. La cantidad de distorsión en los cruces por cero indica la cantidad de JITTER o variación en la tasa de reloj y fase. Formas de onda y diagrama de ojos Efectuar las conexiones necesarias para realizar un sistema de comunicación PCM Codec completo. Indicar un diagrama de bloques del sistema indicando las conexiones realizadas Generar una señal sinusoidal de 1 khz y 2 V PP y llevarla a la entrada del CODEC. Analizar y dibujar las formas de onda a lo largo de todo el recorrido de la señal PCM, comparando las señales y explicar la función de cada bloque. Para obtener el diagrama de ojos de la señal recuperada, conectar el canal I del osciloscopio en RX BIT CLOCK, poner la base de tiempos en 5 µsg/div. y sincronizar el osciloscopio con este canal. En el canal II visualizar la señal obtenida a la salida del amplificador. NOTA: para poder visualizar el diagrama de ojos correctamente pulsar en el osciloscopio la tecla DISPLAY y en las teclas de programación de la pantalla seleccionar VECTOR OFF. Una vez acabado este apartado volver a situar DISPLAY + VECTOR ON. Disminuir la banda pasante de la línea a 32 khz y observar el empeoramiento que sufre el diagrama de ojos. Dibujarlo. Indicar a que se debe este empeoramiento del diagrama de ojos. Aumentar el ruido y observar su influencia sobre el diagrama de ojos y sobre la señal analógica recuperada. Dibujarlo. Suprimir los filtros de transmisión y recepción y observar como vuelve a empeorar el diagrama de ojos, con la atenuación de línea al máximo. Dibujarlo. Indicar a que se debe este empeoramiento del diagrama de ojos. Señal demodulada. Situar la línea de transmisión en 100 khz y añadir los filtros de transmisión y recepción.

11 Práctica 2: Modulación PCM Pág : 53 Visualizar en el osciloscopio la señal analógica de entrada y la señal analógica obtenida a la salida del receptor. Ajustar el trimer PHASE ADJ, del bloque TIMING, hasta obtener a la salida la misma señal que a la entrada. Indicar que se esta modificando con el potenciómetro PHASE ADJ para que se modifique la señal de salida. Aumentar el nivel de ruido y comentar su efecto sobre la señal demodulada. Eliminar el ruido, aumentar el nivel de atenuación del canal y comentar su efecto sobre la señal demodulada. Modificar la atenuación y el ruido simultáneamente y comentar su efecto sobre la señal demodulada.

12 Pág : 54 Laboratorio de Transmisión Digital 4.- SISTEMA DE COMUNICACIÓN PCM DIFERENCIAL El diagrama funcional del sistema de comunicación utilizado para los ejercicios se muestra en la figura Codificación Figura Una etapa substractora de entrada realiza la diferencia entre la señal y su predicción reconstruida en base a la última muestra. La diferencia es convertida por un conversor A/D de 6 bits (el S&H que lo precede sirve sólo para mantener fijo el nivel de la señal durante la fase de conversión). La salida paralelo del A/D es transformada en serie por el conversor P/S sucesivo y los bits obtenidos de esta manera son transmitidos. La predicción de la señal de entrada se obtiene de la manera siguiente: Un conversor D/A que reconvierte la señal diferencia de digital a analógica La señal diferencia es muestreada y las muestras se integran sucesivamente El integrador reconstruye un valor de señal que aproxima el valor asumido por la señal de entrada en el instante de muestreo anterior. Decodificación La señal DPCM serie se aplica a un conversor S/P, cuya palabra digital de salida es convertida en un valor analógico por el conversor D/A sucesivo. La salida del conversor es la señal diferencia que había sido transmitida por el transmisor. Luego, la señal diferencia es muestreada y las muestras se integran sucesivamente, obteniendo así la reconstrucción de la señal analógica de partida. La salida del integrador es una señal escalonada que aproxima la señal analógica de partida. El filtro paso bajo de 3.4 khz limpia la señal y suministra la forma de onda de partida. La forma de onda a utilizar para este sistema de codificación va a ser un diente de sierra de 500 Hz.

13 Práctica 2: Modulación PCM Pág : Codificación PCM diferencial Formas de onda Colocar una frecuencia de muestreo de 8 khz. Tomar una señal de diente de sierra de 2 Vpp de amplitud y aplicarla a la entrada del codificador. Visualizar y dibujar las señales en todos los puntos del codificador. a. Señal de entrada b. Señal reconstruida en base al valor muestreado anterior c. Señal diferencia entre el valor actual y el valor reconstruido en base a la muestra anterior. d. Señal diferencia muestreada a enviarse al conversor A/D e. Señal reconvertida en analógica f. Señal muestreada, enviada al integrador de reconstrucción sucesiva. A través del análisis de las formas de onda deducir: Si la ganancia de la etapa de sustracción es aproximadamente 4. Demostrar que a igual calidad, codificando la señal diferencia se requiere un número de niveles de codificación inferior que si se codificase la señal. A través de la visualización de la señal diferencia pueden deducirse algunas características de la señal de entrada?. Cuáles?. Analizando la señal de entrada, el impulso de sincronismo de trama, la señal PCM y el reloj de bit, indicar: Cuántos bits PCM existen entre dos impulsos de sincronismo?. Indicar las medidas realizadas. Cuánto dura cada bit?. Indicar las medidas realizadas. Las configuraciones de bits son prácticamente las mismas durante la parte ascendente de la rampa. Explicar la razón Decodificación PCM diferencial Colocar una frecuencia de muestreo de 8 khz y realizar las conexiones necesarias para la decodificación. Indicarlas. Visualizar y dibujar las señales en los puntos siguientes: a. Señal PCM diferencial

14 Pág : 56 Laboratorio de Transmisión Digital b. Señal diferencia en forma analógica (salvo imprecisiones debidas al proceso de conversión A/D en transmisión, resulta igual a la señal detectada en el transmisor en el mismo punto) c. Señal muestreada, enviada al integrador de reconstrucción sucesiva d. Salida del integrador, correspondiente a la señal inicial reconstruida mediante integraciones sucesivas e. Salida del filtro paso bajo, que suprime a la señal reconstruida el ripple solapado a la señal original f. Señal de entrada al codificador