T. II - LAB. 04 - EMONA - Modulación PCM

UNTECS 2013 - I TELECOMUNICACIONES II

LABORATORIO 04

CODIFICACION PCM

Los sistemas de transmisión digital están reemplazando constantemente a los sistemas analógicos en aplicaciones de comunicaciones comerciales. Esto es especialmente cierto en el campo de las telecomunicaciones. Así, la comprensión de los sistemas de transmisión digital es de suma importancia para el personal técnico en las industrias de las comunicaciones y telecomunicaciones. Los experimentos restantes emplean el EMONA TELECOMS-TRAINER 101 para analizar varios de estos sistemas, se inicia con la modulación por codificación de pulsos (PCM – Pulse Code Modulation).

PCM es un sistema para convertir señales análogas en ráfagas de 0s y 1s. El proceso de conversión se denomina CODIFICACION (ENCODING). En términos simples, la codificación incluye:

Muestreo de la señal análoga a intervalos regulares usando un circuito de muestreo y retención (S/H - Sample & Hold).

Comparación de cada muestra con un conjunto de voltajes de referencia llamados niveles de cuantización.

Decidir qué nivel de cuantización es más próximo al voltaje muestreado. Generar el número binario para el nivel de cuantización - codificación. Enviar el número binario bit a bit (esto es, en forma serial). Tomar la siguiente muestra y repetir el proceso.

Un aspecto crucial de los sistemas PCM es la frecuencia de reloj del codificador. Este reloj indica al codificador cuando tomar una muestra y, como se analizó en experimentos previos, deberá ser al menos dos veces la frecuencia del mensaje para evitar ALIASING (teorema del muestreo o Nyquist).

Otro aspecto importante del rendimiento de PCM tiene que ver con la diferencia entre voltaje muestreado y los niveles de cuantización con los que se compara. La mayoría de las muestras no serán de la misma magnitud que los niveles de cuantización. El codificador PCM asigna a cada muestra el nivel de cuantización más próximo. No obstante, en el proceso, el valor de la muestra original se pierde y la diferencia se conoce como error de cuantización. Este error se reproduce cuando el dato PCM es decodificado por el receptor ya que no existe forma que el receptor conozca cual fue el voltaje muestreado original. El tamaño del error depende del número de niveles de cuantización. Cuanto más niveles de cuantización existan (para un rango dado de voltaje análogo de entrada) más próximos estarán estos entre sí y más pequeña será la diferencia entre ellas y las muestras.

Módulo PCM ENCODER del EMONA TELECOMS-TRAINER 101El módulo PCM ENCODER usa un chip de codificación y decodificación (llamado CODEC) para convertir voltajes entre -2V y +2V a un número binario de 8 bits. Con ocho bits es posible producir 256 números distintos desde 0000 0000 a 1111 1111. Esto significa que existen 256 niveles de cuantización (uno para cada número).

Guía de laboratorio Pág. 1


Cada número binario es convertido a formato serial en tramas (frames). El bit más significativo del número (denominado bit 7) se envía primero, el bit 6 se envía a continuación y así hasta el bit menos significativo (bit 0). El módulo PCM ENCODER también genera una señal FRAME SYNCHRONISATION (FS) que es alto al mismo tiempo que se envía el bit 0. La señal FS ha sido incluida para ayudar con la decodificación PCM, pero también puede ser usada para ayudar en el disparo del osciloscopio al mostrar una señal generada por el módulo PCM ENCODER.

La Figura 01 muestra un ejemplo de tres tramas de datos en la salida del módulo PCM ENCODER (cada bit se muestra como 0 y 1 ya que podría ser cualquier bit) junto con su entrada de reloj y la salida FS.

Figura 01 – Formas de onda en el módulo PCM

El experimentoEn este experimento se empleará el módulo PCM ENCODER del EMONA TELECOMS-TRAINER 101 para convertir las siguientes señales a PCM:

- Voltaje DC constante- Voltaje DC variable - Señal senoidal- Señal de voz

Verificará, también, la operación del codificador PCM e investigará el error de cuantización.

Equipamiento 01 EMONA TELECOMS-TRAINER 101, con adaptador de poder y terminales 01 osciloscopio de doble canal (con dos terminales) 20 cables de conexión del para EMONA TELECOMS-TRAINER 101

PROCEDIMIENTOPARTE A – CODIFICACION PCM USANDO UN VOLTAJE DC CONSTANTE1.- Consiga todo el equipamiento requerido.2.- Configure el osciloscopio. Asegúrese que:

El control TRIGGER SOURCE este fijado a la posición CH1 (o INT). El control MODE es fijado a la posición CH1.

3.- Ubique el módulo PCM ENCODER y fije su switch MODE a la posición PCM.



4.- Realice las conexiones mostradas en la Figura 02 siguiente. Inserte los plugs negros de los terminales del osciloscopio en socktes de tierra (GND).

Figura 02 – Conexiones para el codificador PCM del diagrama de bloques de la Figura 03

Las conexiones mostradas en la Figura 02 pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 03. El módulo PCM ENCODER tiene como reloj la salida DIGITAL de 8 KHz del módulo MASTER SIGNAL. Su entrada análoga está conectada a 0V DC.

Figura 03 – Diagrama de bloques para la codificación PCM de una señal DC

5.- Ajuste el control TIMEBASE del osciloscopio para ver tres pulsos de la salida FS del módulo PCM ENCODER.

6.- Fije el control SLOPE del osciloscopio a la posición “-“.Fijando el control SLOPE a la posición “-“ permite que el osciloscopio inicie su barrido a través de la pantalla cuando la señal FS pasa de alto a bajo en lugar de bajo a alto. Puede notar la diferencia entre las dos configuraciones si manipula el control SLOPE del osciloscopio hacia delante y hacia atrás. Asegúrese que el control SLOPE termine en la posición “-“.

7.- Ajuste el control HORIZONTAL POSITION del osciloscopio tal que el inicio del trazo se alinee con la línea vertical más a la izquierda de la pantalla.



8.- Fije el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 0.1ms/div.9.- Ajuste el control VARIABLE SWEEP del osciloscopio hasta que la señal FS se muestre

como en la Figura 04. Este control tiene distintos nombres según el osciloscopio en particular. Si no lo encuentra o si no está seguro del control correcto, pregunte a su instructor. Ajustando este control del osciloscopio en la forma indicada será fácil visualizar las formas de onda. No obstante, debe tomar en cuenta que las divisiones horizontales de la pantalla podrían no ser iguales a la configuración del control TIMEBASE. En tal caso, el control TIMEBASE del osciloscopio estará descalibrado. Asegúrese de ponerlo en su posición normal (LOCKED).

Figura 04 – Visualización en osciloscopio de la señal de sincronismo de trama FS

10.- Fije el control MODE del osciloscopio a la posición DUAL para ver la entrada CLK del módulo PCM ENCODER así como su salida FS.

11.- Dibuje, a escala, las dos formas de onda (señal de reloj y señal FS) en el espacio provisto para ello en la página 6, deje espacio para una tercera señal.

12.- Conecte la entrada del canal 2 del osciloscopio a la salida del módulo PCM ENCODER como se muestra en la Figura 05. Las líneas punteadas muestran conexiones existentes.

Figura 05 – Conexiones para el diagrama de bloques de la Figura 06



Esta configuración puede ser representada por el diagrama de bloques de la Figura 06. El canal 2 deberá mostrar ahora 10 bits de la salida de datos del módulo PCM ENCODER. Los primeros 8 bits pertenecientes a una trama y los dos últimos bits pertenecientes a la siguiente trama.

Figura 06 – Visualización de la trama PCM en el canal 2 del osciloscopio

13.- Dibuje la forma de onda de la salida PCM en el espacio sobrante de la página 6.

SUGERENCIA: Si tiene problemas de disparo con el osciloscopio fije el control TRIGGER SOURCE COUPLING a la posición HF REJ.

PREGUNTAS 0101.- Cada trama consta de _______ bits e ________ en el flanco de __________ de cada

pulso FS.

02.- El módulo PCM, a qué frecuencia realiza el muestreo de la señal analógica: _________

03.- Durante la transmisión de cada trama, qué bit se envía primero, ¿bit 0 o bit 7? _______

04.- Para entrada análoga 0 V, ¿cuál es la salida digital del módulo PCM? _____________

05.- ¿Por qué el código cambia aunque el voltaje de entrada es estable?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

06.- ¿Por qué el módulo PCM ENCODER arroja ese código para 0V DC y no 0000 0000?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

07.- La conversión de una señal análoga a PCM incluye tres etapas:

______________________________________________________________________



08.- El error de cuantización se produce al ________________ una muestra con el ____________ de ________________ más _______________.

09.- La codificación permite obtener una señal digital. ¿Qué se codifica, la señal muestreada o la señal cuantizada? ____________________________________________________

10.- ¿Cuál es la magnitud máxima del error de cuantización y cómo se puede reducir?

______________________________________________________________________

11.- ¿Qué frecuencia tiene la señal FS? _________________¿Cuál es la duración de un bit? _________________¿Cuál es el bit rate de la salida PCM? _________________



PARTE B – CODIFICACION PCM DE UN VOLTAJE DC VARIABLEHasta el momento ha usado el módulo PCM ENCODER para convertir un voltaje DC fijo (0 V) a PCM. La parte siguiente del experimento le permitirá ver qué ocurre cuando varía el voltaje DC.

14.- Habilite el canal 1 (CH1) del osciloscopio.15.- Fije el control TRIGGER SOURCE del osciloscopio a la posición EXT.16.- Fije el control TRIGGER SOURCE COUPLING del osciloscopio a la posición HF REJ.17.- Modifique las conexiones tal como se muestra en la Figura 07. Está usando una tercera

entrada del osciloscopio. Esta entrada se etiqueta como EXT TRIGGER o EXTERNAL, su ubicación varía según el modelo de osciloscopio.

Figura 07 – Conexiones para el diagrama de bloques de la Figura 08

Estas conexiones pueden ser representadas por el diagrama de bloques de la Figura 08. El módulo VARIABLE DC se emplea para modificar el voltaje DC en la entrada del módulo PCM ENCODER. La entrada de disparo externa (EXT TRIGGER) del osciloscopio se emplea tal que pueda ver de manera ESTABLE el voltaje DC en la entrada del canal 1.

Figura 08 – Codificación PCM de un voltaje DC variable

18.- Fije el control VERTICAL ATTENUATION del canal 1 del osciloscopio a 1 V/div.19.- Fije el control INPUT COUPLING del canal 1 del osciloscopio a la posición GND.



20.- Use el control VERTICAL POSITION del canal 1 del osciloscopio para alinear el trazo del canal 1 con una de las líneas horizontales de la pantalla del osciloscopio. Esta línea sobre la pantalla del osciloscopio es ahora la referencia de voltaje cero el cual puede usarlo para ver si la salida del módulo VARIABLE DCV es positiva o negativa.

21.- Fije los controles INPUT COUPLING de los canales 1 y 2 del osciloscopio a DC.22.- Habilite los dos canales del osciloscopio.23.- Ajuste el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV hasta que el módulo PCM

ENCODER arroje el código que dibujó anteriormente (vea su dibujo en la página 6).24.- Use el osciloscopio para medir el voltaje de salida del módulo VARIABLE DCV. Este

deberá ser próximo a 0 V.25.- Gire el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV en sentido horario mientras

observa la pantalla del osciloscopio.26.- Continúe girando el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV en sentido horario

y deténgase al momento que la salida del módulo PCM ENCODER sea 1111 1111.27.- Use el osciloscopio para medir el voltaje de salida del módulo VARIABLE DCV. Anote su

medida en la Tabla 1.28.- Retorne la salida del módulo PCM ENCODER al código para 0 V.29.- Gire el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV en sentido antihorario mientras

observa la pantalla del osciloscopio.30.- Continúe girando el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV en sentido

antihorario y deténgase al momento que la salida del módulo PCM ENCODER sea 0000 0000.

31.- Mida y registre el voltaje de salida del módulo VARIABLE DCV en la Tabla 1.

Tabla 1

Código de salida del codificador PCM Voltaje de entrada del codificador PCM

1111 1111

0000 0000

PREGUNTAS 021.- ¿Cuál es el rango de entrada analógica para el módulo PCM? ____________________

2.- ¿Cuál es la magnitud del STEP o separación entre niveles de cuantización?

______________________________________________________________________

3.- La entrada 0 V a qué nivel de cuantización corresponde? ________________________

4.- La entrada 0 V qué valor digital tiene como salida en el módulo PCM? _____________

5.- Basado en sus mediciones de la Tabla 1, ¿cuál es la amplitud máxima permisible (pico a pico) para una señal AC sobre la entrada del módulo PCM ENCODER?

______________________________________________________________________

6.- ¿Por qué se conecta la señal FS a la entrada de disparo externo del osciloscopio?

______________________________________________________________________



PARTE D – CUANTIZACIONLa parte siguiente de este experimento permite investigar la cuantización.

32.- Retorne el control VARIABLE DC del módulo VARIABLE DCV aproximadamente a la mitad de su recorrido.

33.- Vea si puede variar (ligeramente) el control VARIABLE DC a la izquierda y derecha sin provocar el cambio del código de salida. _______________________________________

Se puede variar el voltaje de entrada sin provocar que el código de salida cambie. Esto es así ya que cada muestra es comparada con un conjunto de niveles de cuantización. Estos niveles son finitos y están espaciados. Esto significa que, en la práctica, existe un RANGO de voltaje de entrada para cada nivel de cuantización.

PARTE E – CODIFICACION PCM DE VOLTAJES VARIABLES CONTINUAMENTE34.- Retorne el control TRIGGER SOURCE del osciloscopio a la posición CH1 (o INT).35.- Retorne el control TRIGGER SOURCE COUPLING a la posición AC.36.- Fije los controles VERTICAL ATTENUATION de los canales 1 y 2 a la posición 2V/div.37.- Ubique el módulo VCO y fije su control de rango a la posición HI.38.- Gire el control FREQUENCY ADJUST del módulo VCO completamente en sentido

antihorario. El módulo VCO es usado para proveer al módulo PCM ENCODER con un reloj de 50 KHz aproximadamente.

39.- Desconecte todas las conexiones realizadas.40.- Realice las conexiones mostradas en la Figura 0941.- Fije el control TIMEBASE del osciloscopio a la posición 50 us/div.42.- Observe la salida PCM DATA del módulo PCM ENCODER sobre la pantalla del

osciloscopio.

Figura 9 – Conexiones para codificación PCM de un voltaje variable continuamente

PREGUNTAS 031.- ¿Por qué la salida PCM DATA cambia continuamente?

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_______________________________________________________ E. Oporto – febrero 2013


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