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UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

CIENCIA E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES E.P.I.E.

FACULTAD: Ingeniería Electrónica CURSO: Telecomunicaciones II TRABAJO: Practica #1 – Conversión A/D y D/A cuantificación y muestreo AUTOR: o o o o

Mendiguri Rodríguez Paola Nathaly Lovon Chislla Zai Gianfranco Terán Vargas Miguel Ángel Meza Díaz Stephen Marcel

AREQUIPA-PERU 2017

PRACTICA Nº 1.- CONVERSION A/D Y D/A. MUESTREO Y CUANTIFICACION 1.1 Objetivos prácticos El objetivo principal de esta práctica es tomar un primer contacto con los efectos del muestreo y cuantificación de señales. En primer lugar se efectúan experimentos sobre señales de osciloscopio, visualizando los efectos de muestreos correctos e incorrectos, así como la forma de la señal cuantificada. En segundo lugar, se oyen los efectos de la cuantificación, así como el efecto beneficioso del compansor en señales vocales. Finalmente se estudian efectos asociados a la reducción del ancho de banda del canal y a los ruidos.

1.2 Bases teóricas Las bases teóricas necesarias para la correcta comprensión y realización de la práctica. - Capítulo 1: Comunicaciones digitales. - Capítulo 2: Muestreo, cuantificación y codificación. - Capítulo 7: Canal de transmisión. Opcionalmente Pueden consultarse, aunque no es imprescindible, los siguientes apéndices para una mejor profundización en aspectos tecnológicos asociados a esta práctica: -

Apéndice A: Conversión A/D y D/A. Apéndice B: Características del conversor ADC0820. Apéndice C: Características del conversor DAC08. Apéndice D: Características del NE571. Apéndice E: Características de la UART6402.

1.3 Equipo necesario Elementos necesarios: -

Dos cables BNC – BNC (coaxial) Dos sondas de osciloscopio Dos cables banana – banana. Fibra óptica Dos antenas Micrófono Auriculares

Instrumental necesario: -

Osciloscopio. Generador de funciones

1.4 Determinación de la frecuencia de muestreo Después de conectar el emisor y el receptor mediante cables bifiliares, coaxial, fibra óptica y radio (antenas), poner en funcionamiento el emisor y el receptor. Seleccionar, mediante los pulsadores, la siguiente situación Emisor: -

Entrada de señal (sig). Filtro antialiasing: OFF, compresor: OFF Transmisión en banda base (BB) Canal sin interferencias (Directo). Salida bifiliar.

Receptor -

Entrada bifiliar. Recepción en banda base (BB). Salida de señal. Filtro reconstructor: OFF expansor: OFF.

Ajustar el generador de funciones con una señal senoidal a una frecuencia de, aproximadamente, 1khz y una amplitud de 2V pico a pico (Vpp), sin offset, y conectarlo a la entrada de señal (BNC 1) del emisor.

FRECUENCIA aproximado a 1k Hz V pico-pico aproximado a 2V

Punta ubicada en TPE1

Observar en el canal 1 del osciloscopio el punto de test TPE1 (este punto es el mismo que el conector BNC1 del emisor), y en el otro canal el punto TPR41 del receptor. Dispare el osciloscopio con el canal 2, en modo alternado. Modifique ligeramente la frecuencia del generador hasta que consiga ver en el osciloscopio los niveles de cuantificación de la señal reconstruida en TPR1. Intente medir el intervalo entre dos muestras consecutivas (Tiempo de muestreo de la señal analógica) midiendo la duración de cada nivel cuántico (nota: esta medida será aproximada, ya que sea difícil dejar totalmente quieta la señal en el osciloscopio. Pruebe de estabilizarla modificando la frecuencia del generador de funciones). Anote el resultado:

FUIMOS VARIANDO GRADUALMENTE LA FRECUENCIA EN EL GENERADOR Y LAS SEÑALES SIGUIENTES SON LAS QUE OBTUVIMOS:

Señal obtenida cuando la frecuencia es mayor a 1 KHz.

Señal en TPE1

Señal en TPR41

Señal obtenida cuando la frecuencia es 1.2 KHz. Señal en TPE1

Señal en TPR41

Señal obtenida cuando la frecuencia es menor a 1 KHz. Señal en TPE1

Señal en TPR41

CH1

CH2

TIEMPO DE MUESTREO (APROXIMADO): De 140 µs a 150 µs

 CH1 ES LA SEÑAL MUESTREADA  CH2 UART

Sabiendo que la UART codifica cada muestra con 8 bits, a los que se añaden un bit de inicio, otro de paridad y otro de final, y que la velocidad de estos bits viene determinada por la señal de reloj del punto TPE13, vamos a calcular el tiempo de muestreo. Para ellos visualice en el canal 1 el punto TPE13, vamos a calcular el tiempo de muestreo. Para ellos visualice en el canal 1 el punto TPE13 y en el canal 2 el punto TPE4 (salida de la UART). Apague le generador, de modo que la salida de la UART repita siempre la misma secuencia. Observe que la frecuencia del reloj en TPE13 es doble de la duración de un pulso básico de la UART. Mida el periodo TPE13 y cuente cuantos ciclos de reloj (N) se producen hasta que se vuelva a repetir la secuencia de la UART. Calcule el tiempo de muestreo:

Tclk = 12,02µs

N = 12

TIEMPO DE MUESTREO (Tm) = Tclk * N = 12.02µs * 12 = 144.24 µs

FRECUENCIA DE MUESTREO (fm) = 1/Tm = 1/144.24µs = 6.93 kHz

Sabiendo que la condición de Nyquist dice que fm debe ser mayor o igual que el doble del ancho de banda (BW) de la señal para poder recuperar a esta, determine el máximo BW de la señal de entrada procesable con la frecuencia de muestreo obtenida.

MAXIMO BW DE LA SEÑAL: fm ≥ 2 * BW

𝒇𝒎 𝟐

≥ 𝑩𝑾

BW=3.47 kHz

Ahora se va a medir si el filtro antialiasing es correcto según la condición de Nyquist. Conecte el canal 1 al osciloscopio en TPE1 (señal de entrada) y el canal 2 en TPE2 (salida del filtro antialiasing). Active el filtro antialiasing sin compresor. Con el generador de funciones activado, y manteniendo una amplitud de 2 V a la frecuencia de 1Khz, mida la amplitud de la salida del filtro en el canal 2. ¿Cuál es la amplificación del filtro a 1 KHz?

La señal se atenúa cuando se seleccionó el filtro antiliasing sin compresor como podemos ver en la imagen.

Vpp= 2V≈ 1.92V

Con filtro antiliasing: Vpp= 1.76V

Vaya aumentando la frecuencia del generador hasta detectar que la salida disminuye en un factor multiplicativo de 0.7 respecto a la que tenía para la frecuencia de 1Khz: en este momento mida exactamente la frecuencia del generador, que es la frecuencia de corte superior del filtro a 3 dB. Repita el proceso disminuyendo la frecuencia del generador para determinar la frecuencia de corte inferior. Vpp=1.92V

Vpp* 0.7 = 1.34 Vpp

La diferencia entre ambas es el ancho de banda del filtro. Complete la siguiente tabla: Amplificación a 1Khz: 1.76 v Frecuencia de corte superior: 3.325 kHz Frecuencia de corte inferior: 156.8 Hz Ancho de banda a 3 dB: 3.325 kHz-156.8 Hz= 3.17 kHz Atendiendo a la frecuencia de corte superior, diga si el filtro antialiasing hace que la señal de entrada cumpla de condición de Nyquist: Si, observamos que a medida que gradualmente íbamos moviendo el perillero que modifica el valor de frecuencia, para hallar la frecuencia de corte superior iba aumentado la frecuencia en el generador hasta el valor del cual cumplía con 1.34 Vpp o aproximado al valor, igualmente para hallar la frecuencia de corte inferior fuimos disminuyendo de manera gradual hasta conseguir dicho valor lo cual nos prueba que se cumplió correctamente la condición Nyquist.

1.5 Filtro reconstructor Mantenga el canal 1 a TPE1y conecte al canal 2 a TPR41 (sincronizando con este canal). Ajuste la entrada en TPE1 a 3.5 Vpp (sin offset) y a 1Khz. Observe la calidad de la señal recuperada en TPR41, mientras va reduciendo el número de bits de la comunicación. Para ello quite de la posición ON en bit 1 de SW2 del receptor continuando con el bit 2, y así sucesivamente hasta llevar al bit 8 (que es el bit de mayor peso).

Señal con SW2 la posición de todo en ON

Vamos sucesivamente a ir colocando los switchs de SW2 quitarlos de ON.

BIT 1

BIT 2

BIT 3

BIT 4

BIT 5

BIT 6

BIT 7

BIT 8

Vuelve a poner todo el micro interruptores de SW2 en la posición de ON. Conecte con el pulsador correspondiente, el filtro reconstructor (del equipo receptor). De forma que este se active. Observe la señal recuperada, y repita el proceso anterior de reducción del número de bits de la comunicación. Compruebe que, al reducir el número de bits se añade un ruido a la señal recuperada.

Señal con Filtro activado SW2 la posición de todos en ON

Vamos sucesivamente a ir colocando los switchs de SW2 quitarlos de ON.

BIT 1

BIT 2

BIT 3

BIT 4

BIT 5

BIT 6

BIT 7

BIT 8

1.6 Efectos del filtro antialiasing Deje las sondas en la situación en que se encuentren, con el filtro reconstructor conectado, sin filtro antialiasing y con todos los micro interruptores de SW2 en la posición de ON.

Efecto del Filtro Antiliasing

Vaya variando la frecuencia del generador de funciones, y observe la de la señal recuperada en TPR1. Note que, mientras la frecuencia del generador está dentro del BW calculando anteriormente según la condición de Nyquist, observara un muestreo correctamente. Para una frecuencia de entrada fuera de la banda de Nyquist, por ejemplo 5 Khz, mida exactamente las frecuencias de entrada (TPE1) y de salida (TPR41) y calcule la diferencia entre la frecuencia de entrada y la frecuencia de muestreo (Fm) obtenida antes:

FRECUENCIA DE ENTRADA

FRECUENCIA DE SALIDA

FRECUENCIA DE ENTRADA (fi): 5.018 kHz FRECUENCIA DE SALIDA: 2.04 kHz DIFERENCIA (fm-fi): 6.93kHz-5.018kHz=1.93 kHz aprox. 2.04kHz

Nótese que la diferencia coincide con la frecuencia de la salida. Para evitar la aparición de estas frecuencias incorrectas, conecte el filtro antialiasing del emisor. Vuelva a ajustar el generador de funciones a 1Khz, y compruebe que señales de frecuencia dentro del ancho de banda telefónico (300 hz a 3400 hz) son correctamente recuperadas, mientras que las señales de frecuencia superior a esta banda son eliminadas. SEÑAL RECUPERADA

1.7 Señal de voz Conecte el micrófono al Jack de entrada, y seleccione la entrada de micrófono con el pulsador. Conecte los auriculares en el conector Jack del receptor, y seleccione la salida de audio. Ajuste el volumen de los auriculares hasta entender bien a su compañero de prácticas cuando hable por el micrófono (no excesivamente fuerte, pues se trata de oírlo por los auriculares, no directamente). - Retire el filtro reconstructor y “oiga” el ruido debido a la cuantificación pídele a su compañero que le hable. - Vuelva a conectar el filtro reconstructor, y vaya notando la inteligibilidad de la señal microfónica a medida que va retirando bits del SW2 del receptor. Notara que a partir del 4 o 5 bit retirado la calidad de voz ya es muy defectuosa. En este momento note el efecto del compansor, conectando el compresor en el emisor (y manteniendo el antialiasing) y el expansor del receptor (y manteniendo el filtro reconstructor). ¿Cuántos bits serían necesarios sin compansor para tener una calidad similar? Haga las pruebas subjetivas

necesarias (conectando y desconectando el compresor a la vez que va modificando el número de bits) para responder a esta pregunta. De echo que la experimentacion fue clara para entender los aspectos de calidad de voz que transmitia por que a medida que quitabamos los bits de la posicion ON la calidad en la voz iba cambiando a partir del 5 bit pues a partir de alli notamos que hay como interferncia mucho ruido que no permitian la auidicion correcta de la voz de nuestro compañero. Según el efecto del compansor por lo menos son necesarios de 3 bist a 4 cuando empieza la calidad a bajar.

1.8 Ancho de banda de la señal PCM (en banda base) Mantenga las sondas en el punto TPE1 del emisor y en TPR41 del receptor, retire el micrófono y los auriculares y conecte el generador de funciones con una amplitud de unos 2 Vm y una frecuencia de 1khz. Retire el compresor y el expansor, pero deje los filtros antialiasing y reconstructor. Observe la correcta recuperación de simulación de canal del equipo emisor. Desplazando el potenciómetro en sentido anti horario, se reduce el ancho de banda del canal. Compruebe que se producen y que la señal recuperada en TPR41 aparece ruidosa.

Moviendo el potenciómetro en dirección anti horaria

Retire la sonda de TPR1 y conéctela en TPR36 (señal recibida antes de la UART receptora). Apague el generador de funciones para una mejor sincronización. Moviendo el potenciómetro de reducción del ancho de banda, compruebe el efecto de filtrado de primer orden TPR36. La señal de TPR36 pasa por un comparador que la vuelve a conformar antes de la UART receptora. Conecte la sonda que tiene en TPR36 en el punto TPR38 (entrada a la UART), y compruebe que, si se reduce mucho el ancho de la banda del canal (ajuste del potenciómetro), los pulsos se deforman y aumentan los errores en la comunicación (con lo que se enciende más el led asociado al bit de error de paridad de la UART).

Filtrado de primer orden en TPR36

Ajustando el potenciómetro de manera que reducimos el ancho de banda del canal, vemos los efectos en la deformación de la señal e inmediatamente se activa el led indicativo que hay error de paridad.

1.9 Ruidos en el canal

Vuelva a conectar el generador de funciones (2vpp.1 Khz) y las sondas en TPE1 y TPR41. Seleccione el LED de degradaciones del canal en el equipo emisor. La posición inicial de todos los potenciómetros es al límite en sentido horario.

Señal en la cual se visualiza el ruido que posee

Desplace en sentido anti horario el potenciómetro de ruido (‘noise’). A continuación, disminuya lentamente el nivel de señal moviendo el potenciómetro de atenuación hasta que la relación señal/ruido produzca errores en la recepción (LED de errores de paridad). Desplace ahora muy ligeramente el potenciómetro de atenuación hacia la derecha, hasta llegar a un punto en que vea la señal de TPR41 sin ruidos: en este momento está al límite de la relación señal/ruido. (Puede ver la señal contaminada con el ruido en el punto TPR36, apagando el generador de funciones para una mejor sincronización en el osciloscopio).

Al instante de mover el potenciómetro notamos la transición de cambio que ocurre en la señal al progresivamente desparecer el ruido en la señal

Visualizando TPR41, con el generador de funciones activado, compruebe ahora el ruido asociado a los diferentes canales de comunicación: coaxial, fibra óptica, infrarrojos (quizás deberá mover la posición de los equipos) y radio. ¿Cuál es el canal más ruidoso?

CABLE BIFILAR

INFRARROJO

FIBRA OPTICA

Al analizar los diferentes medios de transmisión pudimos notar que el medio que presenta más ruido es la transmisión mediante INFRARROJO

1.10

Velocidad de transmisión

Seleccione la conexión entre los dos equipos por línea bifiliar, conecte el generador de funciones (en señal TTL) en la entrada TTL (BNC 2), y selecciónela en el emisor. Retire las degradaciones de canal, activando el LED de conexión directa. En el receptor seleccione la salida TTL (en este momento puede quedar encendido el LED de errores de paridad: no importa, puesto que la UART no trabaja en modo TTL). Conecte una sonda en TPE4 del emisor y otra en TPR41 del receptor. Aumente la frecuencia de la entrada del generador de funciones hasta que la señal recibida no pueda seguir a la transmitida: anote los máximos bits por

segundo (bps) que se han podido transmitir (bps = frecuencia*2). Repita la operación del cable coaxial, fibra óptica, infrarrojos y radio.

Bps= frecuencia * 2 CABLE BIFILAR

𝑩𝒑𝒔 = 𝟑𝟎. 𝟕𝑲𝑯𝒛 ∗ 𝟐 = 𝟔𝟏𝟒𝟎𝟎 𝒃𝒑𝒔 = 𝟔𝟏. 𝟒𝟎 𝑲𝒃𝒑𝒔

INFRARROJO

B𝒑𝒔 = 𝟓𝟓. 𝟐𝑲𝑯𝒛 ∗ 𝟐 = 𝟏𝟏𝟎𝟒𝒃𝒑𝒔 = 𝟏𝟏𝟎. 𝟒𝒌 𝒃𝒑𝒔

CABLE COAXIAL

B𝒑𝒔 = 𝟐𝟕. 𝟔𝑲𝑯𝒛 ∗ 𝟐 = 𝟓𝟓𝟐𝟎𝟎 𝒃𝒑𝒔 = 𝟓𝟓. 𝟐 𝑲𝒃𝒑𝒔 Según el límite de Shannon, la máxima capacidad en bps de un canal depende de su nivel de ruido. Repita el experimento anterior seleccionando degradaciones de canal en el equipo emisor, sin atenuación ni interferencias (potenciómetros a la derecha), y con el nivel del potenciómetro de ruido al máximo (izquierda).

CABLE BIFILAR

B𝒑𝒔 = 𝟓𝟔. 𝟏𝑲𝑯𝒛 ∗ 𝟐 = 𝟏𝟏𝟐𝟎𝟎 𝒃𝒑𝒔 = 𝟏𝟏𝟐. 𝟐 𝑲𝒃𝒑𝒔

Concluimos que mientras la señal sin interferencias y sin ruido se ve notoriamente que mejora la velocidad de transmision (aumenta la velocidad de transmision )

CONCLUSIONES: 



 

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1.11

Al desarrollar la práctica podemos concluir que el muestreo y digitalización de señales analógicas a digital se requiere una buena cantidad de bits para que podamos reconstruir la señal con mayor precisión. Ya que al quitarle demasiados bits la señal tiene muchos saltos y ya no es óptima la reconstrucción de esta Pudimos comprobar que la señal digitalizada no siempre es simétrica al observar los bits de inicio y final (al tener la ausencia del oscilador o generador de señales) a viendo un desfase entre estas y no repitiendo se el periodo de la señal con y esto se debe al ruido que se inyecta en el emisor Otro punto a tomar es que el filtro antiliasing es esencial ya que este borra el ruido al momento de hacer la prueba con voz y ayuda a mejorar la transmisión de la señal ( voz) Podemos concluiré que al disminuir el valor del ancho de banda La señal es más inestable y el ruido se inyecta ya que recortamos la señal de audio casi llegando a no comprender el audio de entrada o voz Y por último el valor en donde obtuvimos menos ruido entre el receptor y el emisor fue al utilizar el cable apantallado o coaxial ya que este está blindado contra el ruido disminuyendo así la inyección de este.

Cuestiones  ¿Qué mejoras introduce el filtro reconstructor?

Nos permite observar la señal recuperada. Elimina las variaciones que se presentan en el espectro de salida. Ayuda a mejorar la voz y audio  ¿En que ha notado la presencia del filtro antialiasing? El filtro antialiasing nos permite eliminar toda presencia, antes de hacer el muestreo, de las frecuencias superiores a Fe/2, siendo Fe la frecuencia muestreo. El uso del filtro antialiasing previo a la discretización de los datos es necesario ya que al discretizar aparece una réplica espectral de la señal muestreada desplazada a la frecuencia de muestreo y a sus múltiplos. Esta replica espectral puede mezclarse con la señal deseada y por ello la necesidad de dicho filtro.  Al conectar el compansor, ha recuperado una calidad auditiva similar a tener 3 a 4 bits adicionales.  ¿Cuál ha sido el efecto de reducir el ancho de banda del canal? La relación señal ruido (a menudo abreviado como SNR o S/R) es una medida de ingeniería electrónica que define la relación entre la potencia de una señal con la potencia del ruido que la corrompe. En términos menos técnicos, la relación señal ruido compara el nivel de una deseada señal (como música) con el nivel del ruido de fondo. Cuanto más alto la relación, menos molesto es el ruido de

fondo. Entonces se puede entender que si la relación señal ruido es pobre, el ruido de fondo llegare a ser de gran molesta en la recepción de la señal.  ¿Qué ocurre cuando la relación señal ruido es pobre? El ancho de banda si se reduce se presenta PARITY ERROR en consecuencia de girar el potenciómetro de manera anti horaria, Se observa una señal cuadrada y con muchas pulsaciones.  ¿Qué canal de comunicación se ha manifestado como más ruidoso? COAXIAL: Presenta un ruido mínimo. BIFILIAR: Hay un poco de ruido en la señal. FIBRA OPTICA: Hay más ruido que señal. INFRARROJO: Presenta mucho ruido.  ¿Cuántos bps (bits por segundo) ha podido transmitir por cada canal en modo TTL sin ruido? ¿Y con ruido? Con ruido: 𝑩𝒑𝒔 𝒃𝒊𝒇𝒊𝒍𝒂𝒓 = 𝟔𝟏. 𝟒𝟎 𝑲𝒃𝒑𝒔 𝑩𝒑𝒔 𝒊𝒏𝒇𝒓𝒂𝒓𝒓 = 𝟏𝟏𝟎. 𝟒𝒌 𝒃𝒑𝒔 𝑩𝒑𝒔 𝒄𝒐𝒂𝒙𝒊𝒂𝒍 = 𝟓𝟓. 𝟐 𝑲𝒃𝒑𝒔 Sin ruido: 𝑩𝒑𝒔 𝒃𝒊𝒇𝒊𝒍𝒂𝒓 = 𝟏𝟏𝟐. 𝟐 𝑲𝒃𝒑𝒔

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