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Desenvolvimento de Ferramentas para Modelização de Canais de Comunicação usados
em Sistemas de Transmissão de Dados até 10Gbps
Miguel Margarido Oliveira
PREPARAÇÃO PARA A DISSERTAÇÃO
Relatório Final realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Major Telecomunicações
Orientador da Synopsys: Me. Eng.º Luís Moreira
Orientador da FEUP: Prof. Dr. Henrique Salgado
12 de Fevereiro de 2012
iii
Resumo
O principal objetivo deste projeto de dissertação é desenvolver uma biblioteca
de modelos de canais de transmissão usados em sistemas de transmissão com
velocidades até 10 Gbps. Com esta finalidade, serão obtidos resultados no domínio do
tempo, utilizando Refletometria no Domínio do Tempo(TDR) que posteriormente serão
convertidos para o domínio da frequência, para analisar os parâmetros-S. Assim serão
criados modelos de cabos e estes posteriormente serão integrados em modelos de
simulação globais do sistema.
v
Abstract
The main goal of this dissertation project is to develop a library of models of
transmission channels used in transmission systems with speeds up to 10 Gbps. To this
end, results will be obtained in the time domain, using Time Domain
Reflectometry(TDR) which will later be converted into frequency domain, to analyze
the S-parameters. Therefore will be created cable models (HDMI) and these will be
integrated in simulation global system models.
vii
Índice
Resumo ............................................................................................ iii
Abstract ............................................................................................. v
Índice ............................................................................................... vii
Lista de figuras .................................................................................. viii
Lista de tabelas .................................................................................. ix
Abreviaturas e Símbolos ......................................................................... x
Capítulo 1 .......................................................................................... 1
Introdução ......................................................................................................... 1 1.1 - Enquadramento ........................................................................................ 1 1.2 - Motivação ............................................................................................... 1 1.3 - Objetivos ................................................................................................ 2 1.4 - Estrutura do Documento .............................................................................. 2
Capítulo 2 .......................................................................................... 3
Estado da Arte .................................................................................................... 3 2.1 - Linhas de Transmissão ................................................................................ 3 2.2 - Métodos de Caraterização de Canais de Transmissão ........................................... 8 2.2.1. Caraterização no Domínio da Frequência .................................................... 8 2.2.2. Caraterização no Domínio do Tempo ........................................................ 13
Capítulo 3 ......................................................................................... 16
Proposta de Trabalho ......................................................................................... 16 3.1 - Metodologia ........................................................................................... 16 3.2 - Ferramentas e Tecnologias a Utilizar ............................................................ 16 3.2.1. MATLAB ........................................................................................... 16 3.2.2. Vector Network Analyser ...................................................................... 17 3.2.3. Digital Serial Analyser Sampling Oscilloscope ............................................. 18 3.2.4. Carta de Smith .................................................................................. 18 3.2.5. Diagrama de Olho ............................................................................... 19 3.2.6. HDMI ............................................................................................... 21 3.3 - Plano de Trabalho ................................................................................... 22
Referências ....................................................................................... 24
viii
Lista de figuras
Figura 1 - Diagrama de Comunicação .............................................................. 3
Figura 2 - Estrutura de Cabo Coaxial[1] ........................................................... 4
Figura 3 - Estrutura Microstrip[3] ................................................................... 4
Figura 4 - Linha de Transmissão [4] ................................................................ 5
Figura 5 - Elementos Distribuídos [4] ............................................................... 6
Figura 6 - Ondas e diferentes Meios [2] ............................................................ 7
Figura 7 - Linhas de Transmissão e Meios diferentes [2] ........................................ 7
Figura 8 - Diagrama de circuito de dois portos[5] ............................................... 9
Figura 9 - Diagrama de Fluxo dos Parâmetros-S [7]............................................ 10
Figura 10 - Diagrama da técnica de-embedding [8] ........................................... 11
Figura 11 - De-embedding [7] ...................................................................... 12
Figura 12 - De-embedding já com as matrizes T [8] ........................................... 12
Figura 13 - Diagrama da técnica TDR [9] ........................................................ 13
Figura 14 - Possíveis análises no domínio TDR[5] .............................................. 14
Figura 15 - TDR - Tempo até ocorrer eventual distorção[5] ................................. 15
Figura 16 - VNA HP 8720D [6] ...................................................................... 17
Figura 17 – Digital Serial Analyser Sampling Oscilloscope DSA8200 [11] ................... 18
Figura 18 - Diagrama de Smith[12] ............................................................... 19
Figura 19 - Diagrama de olho com 8 estados[13] ............................................... 20
Figura 20 - Fator Q [13] ............................................................................. 20
Figura 21 - Diagrama de Olho - Informação Importante [13]................................. 21
Figura 22 - HDMI conector macho[14] ............................................................ 21
Figura 23 - Diagrama de Gantt do Projeto de dissertação .................................... 23
ix
Lista de tabelas
Tabela 1 - Representação do Impulso Refletido em função das alterações da impedância da Carga[10] .................................................................... 14
x
Abreviaturas e Símbolos
Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabética)
DUT Device Under Test
FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Gbps Gigabits por segundo
HDMI High-Definition Multimedia Interface
MIEEC Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
OSL “Open Short Load”
Parâmetros-S Scattering Parameters
PDI Preparação para a Dissertação
RF Rádio Frequência
SL “Short Load”
TDR Time Domain Reflectometry
VNA Vector Network Analyser
Lista de símbolos
Comprimento de Onda
Velocidade de Propagação
Frequência
Permeabilidade Magnética
Constante Dieléctrica
Velocidade Angular
γ Constante de Propagação
α Constante de Atenuação
β Constante de Fase
Oi Onda Incidente
Or Onda Refletida
Ot Onda Transmitida
xi
Z0 Impedância Caraterística da Linha de Transmissão
ZL Impedância da Carga
Delta Comprimento
Fator de Qualidade de um Diagrama de Olho
Tensão Associada ao Nível Lógico “1”
Tensão Associada ao Nível Lógico “0”
Desvio Padrão Associado ao Nível Lógico “1”
Desvio Padrão Associado ao Nível Lógico “0”
Distorção de Amplitude
Margem de Ruído
Margem de Erro de Temporização
Jitter de Tempo
Momento Ótimo de Amostragem
Intervalo Intersimbólico
Capítulo 1
Introdução
Neste capítulo, serão abordados os aspetos introdutórios do projeto da dissertação.
Será feito um enquadramento em relação ao tema da dissertação, à forma como será
realizado o projeto e ao âmbito deste documento. Seguidamente, serão referidos os
motivos pelos quais foi escolhida esta proposta, ou seja, o que motivou a escolha da
dissertação. Posteriormente, serão apresentados os objetivos do projeto e, por fim,
será referida a estrutura do presente documento.
1.1 - Enquadramento
O presente documento trata-se do Relatório Final e foi elaborado no âmbito da
cadeira “Preparação para a Dissertação”, do Mestrado Integrado em Engenharia
Eletrotécnica e de Computadores(MIEEC), da Faculdade de Engenharia da Universidade
do Porto(FEUP).
O tema da dissertação proposto pela Synopsys Portugal à FEUP e apresentado neste
documento é o “Desenvolvimento de Ferramentas para Modelização de Canais de
Comunicação usados em Sistemas de Transmissão de Dados até 10Gbps” e irá ser
desenvolvido, a espaços, nas instalações da FEUP, mas maioritariamente nas
Instalações da Synopsys Portugal, na Maia, Porto.
1.2 - Motivação
Num tempo em que a competitividade do mercado é cada vez mais elevada e a
tecnologia disponível na área das Telecomunicações é cada vez mais sofisticada, as
frequências de transmissão de sinal vão aumentando exponencialmente. Contudo, só é
possível existir transmissão de dados, se existirem meios de transmissão capazes de o
fazer. Por outro lado, estes canais são os principais responsáveis pela deterioração do
sinal e com o aumento das velocidades de transmissão, os fenómenos de distorção
ocorrem com maior volume e frequência. Assim, revela-se de extraordinária
importância caraterizar os diversos canais de transmissão, para poder prever as
alterações que vão ser feitas ao sinal quando este atravessa os mesmos. Com esta
2 Introdução
2
finalidade, é feita uma caraterização e são criados modelos para representar
conceptualmente os canais de transmissão(cabos HDMI) e posteriormente analisar,
descrever, explicar, simular e prever os fenómenos que ocorrem no sinal.
1.3 - Objetivos
O trabalho a ser desenvolvido nesta dissertação tem como principais objetivos:
a comparação entre modelos teóricos e obtidos por análise vectorial;
a obtenção de ferramentas para conversão de dados de caracterização dos
canais de transmissão, para modelos utilizáveis em simulação, utilizando
parâmetros-S e TDR(Time Domain Reflectometry);
a aquisição de dados em laboratório para a caracterização dos diferentes
meios de comunicação, utilizando TDR;
a obtenção de uma biblioteca de modelos de simulação, para diversos
protocolos de transmissão, cujas velocidades atingem os 6 Gbps.
1.4 - Estrutura do Documento
O documento que se segue está estruturado em três capítulos, sendo o presente a
Introdução e os restantes o Estado da Arte e a Proposta de Trabalho. No presente
capítulo, são abordados o enquadramento, a motivação e os objetivos do projeto de
dissertação. Já no Estado da Arte são apresentadas e descritas as técnicas de
caracterização existentes na atualidade. Por fim, no capítulo “Proposta de Trabalho”
será apresentada a metodologia utilizada para a realização da proposta de dissertação,
o plano do trabalho a completar e as ferramentas e tecnologias que serão utilizadas
durante a execução da proposta de trabalho.
3
Capítulo 2
Estado da Arte
Este capítulo está dividido em duas secções. A primeira apresenta as linhas de
transmissão e a segunda os métodos utilizados para caraterizar os canais de
transmissão. No âmbito do projeto de dissertação será usada caraterização no domínio
do tempo, mas é também objetivo comparar os resultados obtidos a partir deste tipo
de caraterização com os resultados obtidos no domínio da frequência. Assim, a segunda
secção está dividida em duas subsecções: caraterização no domínio da frequência e
caraterização no domínio do tempo.
2.1 - Linhas de Transmissão
Em qualquer comunicação existe sempre uma fonte, um transmissor, um recetor e
um destino. No entanto, se não existir um Canal entre o transmissor e o recetor a
comunicação não pode ser feita(figura 1). Ora, é de extraordinária importância
conhecer bem os canais de transmissão. Esta comunicação pode ser feita de diversas
formas, mas analisando cabos metálicos, pode fazer-se a analogia entre estes e as
linhas de transmissão.
Qualquer configuração de dois ou mais condutores pode operar como uma linha de
transmissão, mas há alguns tipos de linhas que são relativamente simples de estudar e
muito usadas nos seus domínios de aplicação[2]. Assim, considera-se para este
propósito que uma linha de transmissão tem sempre dois condutores, o “condutor de
Fonte Transmissor Recetor Destino
Figura 1 - Diagrama de Comunicação
4 Estado da Arte
4
sinal” e o “condutor de retorno”. A existência destes condutores é imprescindível, uma
vez que sem estes não seria possível que as forças originadas nas cargas dum condutor
se fechassem sobre as cargas do outro, garantindo que a energia ficasse situada em
torno destes e seria impossível existir transmissão de dados. [2]
Como os condutores podem ter posições diferentes relativamente um ao outro,
existem vários tipos de linhas de transmissão. O Cabo Coaxial é uma possível estrutura
para uma linha de transmissão e, como pode ser visto na figura 2, é constituído por um
condutor de sinal, na figura 2 designado por “centre core”, um dielétrico, que separa e
isola o condutor central do condutor de retorno, designado na figura 2 por “metallic
shield”. A envolver estes três componentes, existe uma proteção em plástico, que é
designada na figura 2 por “plastic jacket”[1].
Outro exemplo de linha de transmissão é a “microstrip”, também conhecida como
linha impressa. Como se pode ver na figura 3, este tipo de linha é constituída por um
plano de massa e uma fita condutora, separados por um dielétrico.
A permitividade dielétrica efetiva de uma linha com esta estrutura é dado pela
equação (2.1.1). E, por sua vez, a impedância caraterística duma linha deste tipo é
determinada consoante a dimensão física da linha, nomeadamente a espessura e a
largura do substrato, como se pode ver na equação (2.1.2).
Figura 2 - Estrutura de Cabo Coaxial[1]
Figura 3 - Estrutura Microstrip[3]
5 Estado da Arte
5
√ (2.1.1)
√ (
)
√ [
⁄ ⁄ ]
(2.1.2)
Uma linha de transmissão é uma linha cujo comprimento físico é da ordem de
grandeza do comprimento da onda que a atravessa(figura 4). Assim, importa perceber
as relações entre a velocidade de propagação, o comprimento de onda e a frequência a
que operam as linhas de transmissão[2]. A relação entre estas variáveis pode ser
entendida pela equação (2.1.3). A velocidade de propragação pode ser obtida a partir
da equação (2.1.4), sendo μd a permeabilidade magnética e εd a constante dielétrica
do substrato da linha.
(2.1.3)
√ (2.1.4)
Como o comprimento de onda é frequentemente comparável com o comprimento
físico da linha de transmissão, é necessário considerar as variações dos parâmetros ao
longo do canal. Assim, são considerados elementos distribuídos, como se pode ver na
figura 5.
Figura 4 - Linha de Transmissão [4]
6 Estado da Arte
6
Na figura 5, podemos ver os vários elementos multiplicados por , sendo que este
significa um comprimento. Assim, descrevendo cada elemento, tem-se que:
R corresponde à resistência por unidade de comprimento(Ω/m)
L corresponde à indutância por unidade de comprimento(H/m)
C corresponde à capacidade por unidade de tempo(F/m)
G corresponde à condutância por unidade de comprimento(S/m)
Definidos os parâmetros distribuídos, importa perceber como são analisadas as
linhas de transmissão no domínio fasorial. Para isso, importa olhar para a constante de
propagação(γ), constante de atenuação(α) e constante de fase(β). A sua relação pode
ser vista na equação (2.1.5). A constante de propagação pode ainda ser calculada
através da equação (2.1.6), em que w representa a velocidade angular. Por outro lado,
a velocidade de propagação pode ser calculada no domínio fasorial através da equação
(2.1.7) e o comprimento de onda através da equação (2.1.8). Outra definição muito
importante neste domínio é de impedância caraterística e esta pode ser calculada
através da equação (2.1.9)[4].
(2.1.5)
√ (2.1.6)
(2.1.7)
(2.1.8)
√
(2.1.9)
Analisando agora as ondas e os fenómenos que estão associados às mesmas, é um
dado adquirido que segundo as leis da física, quando uma onda se propaga, o meio 1
até ao o meio 2, se os meios tiverem caraterísticas diferentes, existem sempre
reflexões como resultado da transição de meios. Como se pode ver na figura 6, quando
a onda incidente(Oi) chega ao meio 2, origina duas novas ondas, a onda refletida(Or) e a
Figura 5 - Elementos Distribuídos [4]
7 Estado da Arte
7
onda transmitida(Ot). Ou seja, parte da onda incidente é refletida e a restante é
transmitida.
O problema referido anteriormente é o grande problema das linhas de transmissão.
Quando existe uma desadaptação entre os meios ou canais, podem resultar desta
fenómenos indesejados sobre o sinal. Esta desadaptação está relacionada, no caso das
linhas de transmissão com a impedância caraterística(Z0) de cada canal, como podemos
ver na figura 7. Como Z0 é diferente da impedância da carga(impedância caraterística
do meio 2), existe uma desadaptação que origina uma onda refletida. Ora, isto traduz-
se numa perda de energia e pode ainda originar interferências no que se pretende
transmitir.
A resolução deste problema passa por eliminar esta desadaptação, fazendo com que
as impedâncias características dos dois meios sejam iguais.
Compreendido o problema da desadaptação de impedâncias, revela-se importante
apresentar outro conceito que é muito útil na análise de linhas de transmissão, o
coeficiente de reflexão. Sabendo que ZL representa e impedância da carga, Z0
representa a impedância caraterística da linha e Zs representa a impedância do
gerador, o coeficiente de reflexão é o quociente entre a tensão refletida e a tensão
Figura 6 - Ondas e diferentes Meios [2]
Figura 7 - Linhas de Transmissão e Meios diferentes [2]
8 Estado da Arte
8
incidente. Ora, considerando (2.1.10) e tendo presente que a corrente(I) é sempre a
mesma na carga, o quociente de reflexão na carga é dado pela equação (2.1.11). Já o
coeficiente de reflexão no gerador é dado pela equação (2.1.12).
.
(2.1.10)
(2.1.11)
(2.1.12)
2.2 - Métodos de Caraterização de Canais de Transmissão
2.2.1. Caraterização no Domínio da Frequência
Os métodos de caraterização de canais de transmissão no domínio da frequência são
baseados em análise vetorial. Como o objetivo do projeto é desenvolver ferramentas
para modelização de canais de comunicação usados em sistemas de transmissão de
dados até 10 Gbps, trata-se do domínio da alta frequência, mais conhecida como Rádio
Frequência(RF). Assim, os métodos de caraterização que se revelam mais adequados
são os distribuídos. Nos métodos de caraterização concentrados(“Lumped”), as
variações que ocorrem ao longo da linha de transmissão são desprezadas. Ora este
princípio nas RF não pode ser assumido, já que as sobreposições entre ondas incidentes
e refletidas é um fenómeno com uma dimensão bastante considerável e os curto-
circuitos e circuitos abertos são complicados de implementar nas altas frequências,
num grande intervalo de frequências.
Como consequência da necessidade de serem utilizados parâmetros distribuídos na
caraterização dos canais de transmissão que operam no domínio das RF, os parâmetros-
S são os que merecem maior destaque. Estes parâmetros comparam as tensões de
entrada com as tensões de saída e revelam-se simples conceptualmente,
analiticamente convenientes e capazes de fornecer uma boa compreensão dos
problemas de medida e de desenho.
Normalmente esta caraterização é feita utilizando circuitos com dois portos, um de
entrada e outro de saída, como se pode ver na figura 8.
9 Estado da Arte
9
Figura 8 - Diagrama de circuito de dois portos[5]
Nesta figura, estão também representadas a tensão V1, as variáveis a1 e b1, relativas
ao porto 1 e a tensão V2, as variáveis a2 e b2, relativas ao porto 2. Os parâmetros-S são
simbolicamente representados, como se pode ver na equação 2.2.1, em que as
variáveis ai e bi são tensões complexas normalizadas das ondas incidentes e refletidas
pela porta i da rede, como se pode ver nas seguintes equações 2.2.2 e 2.2.3.. Os
índices m, n e i correspondem aos portos[6].
(2.2.1)
√ (2.2.2)
√ (2.2.3)
Olhando de novo para a figura 9, em circuitos de dois portos, as relações entre a, b
e S, são dadas através das equações (2.2.4) e (2.2.5). Podem ainda ser representadas
na forma matricial, como podemos ver na equação(2.2.6).
(2.2.4)
(2.2.5)
[
] [
] [
] (2.2.6)
Os parâmetros-s podem ainda ser representados através de um diagrama de fluxo(figura
9).
10 Estado da Arte
10
Figura 9 - Diagrama de Fluxo dos Parâmetros-S [7]
Através do diagrama da figura 9, pode observar-se que o nome atribuído a cada
parâmetro tem um significado particular e facilmente se compreende que as variáveis
independentes das equações (2.2.4) e (2.2.5), ou seja, a1 e a2, representam ondas
incidentes. Já as variáveis dependentes das mesmas equações, b1 e b2, representam as
ondas que são refletidas[17][20]. Olhando para cada um dos parâmetros-S, podemos
dizer que[5]:
S11 representa o coeficiente de reflexão da porta de entrada(“return loss”)
com a porta de saída terminada com uma impedância adaptada(ZL=Z0);
S22 representa o coeficiente de reflexão da porta de saída com a porta de
entrada terminada com uma impedância adaptada(Zs=Z0 e Vs=0);
S21 representa o ganho de transmissão com a porta de saída terminada com
uma impedância adaptada;
S12 representa o ganho de transmissão inverso (“insersion loss”) com a porta de
entrada terminada com uma impedância adaptada;
Assim, os parâmetros-S são dados pelas seguintes equações:
| (2.2.7)
| (2.2.8)
| (2.2.9)
| (2.2.10)
Outro assunto de extraordinária importância no domínio da frequência é a
necessidade de retirar da caraterização de um dispositivo(DUT) todos os elementos que
11 Estado da Arte
11
são necessários, quer para a calibração, quer para eventuais conversões necessárias nas
interfaces do dispositivo a testar. Para extrair apenas a informação do dispositivo faz-
se o de-embedding. Esta técnica, como diz a Agilent Technologies, “é um processo
matemático que remove os efeitos de partes indesejadas da estrutura que são
incorporados nos dados medidos, subtraindo a sua contribuição”[8]. Um diagrama desta
técnica pode ser visto na figura que se segue:
Figura 10 - Diagrama da técnica de-embedding [8]
Do de-embedding resulta que o dados que caraterizam o DUT (espaço a azul, na figura
10) são iguais aos dados medidos (espaço vermelho, na figura 10) subtraídos dos dados
intrínsecos à estrutura na qual o DUT está inserido.
Considerando agora a representação esquemática representada anteriormente, na
figura 10, como os parâmetros-s permitem fazer a caraterização de dispositivos (DUT) e
podem ser representados matricialmente, como se pode ver na equação (2.2.6), o de-
embedding pode ser feito aproveitando estes parâmetros. Pode ver-se na figura que se
segue a caraterização dos elementos que devem ser subtraídos(“Fixture A” e “Fixture
B”) e o elemento que queremos extrair(“DUT”):
12 Estado da Arte
12
Figura 11 - De-embedding [7]
O objetivo será extrair as caraterísticas do DUT através de manipulações nas matrizes
que caraterizam cada di-porto. No entanto, como se pode observar na figura 11, estão
representados os parâmetros-S e para se poder simplificar as operações entre as
matrizes e poder fazer apenas produtos de matrizes, os parâmetros-S convertem-se
para parâmetros T. Esta conversão pode ser feita através da equação (2.2.11). E a
conversão inversa pode ser feita a partir da equação (2.2.12). Na figura 12, apresenta-
se um diagrama desta operação[7].
[
]
[
]
(2.2.11)
[
]
[
]
(2.2.12)
Figura 12 - De-embedding já com as matrizes T [8]
13 Estado da Arte
13
Como se pode ver na figura 12, começa-se por multiplicar todas as matrizes e depois
multiplica-se a matriz resultante desta operação pela inversa das matrizes que
representam as caraterísticas que se querem eliminar. Assim, a matriz final TD contém
apenas as caraterísticas do DUT, como é desejado.
A calibração no domínio da frequência é bastante exigente. Contudo, existem
vários tipos de calibração possíveis: a calibração da resposta em frequência, a
calibração da resposta e do isolamento, a calibração de um porto e a calibração
completa de ambos os portos. De todas as calibrações enunciadas, a mais precisa e a
que importa estudar é a última. Esta corrige todos os erros sistemáticos que ocorrem
em ambas as direções, no entanto é complicada e demorada.
2.2.2. Caraterização no Domínio do Tempo
No domínio do tempo, a técnica de caraterização mais utilizada é a Refletometria
no Domínio do Tempo(TDR), em inglês Time Domain Reflectrometry. Esta técnica é
baseada no princípio da reflexão (figura 13).
Figura 13 - Diagrama da técnica TDR [9]
É injetado um impulso num DUT, este impulso atravessa o mesmo até chegar à
carga, ou ao fim do Device Under Test e as reflexões que forem registadas representam
alterações na impedância característica. Assim, podem ser identificadas três respostas
diferentes para três terminações possíveis da linha de transmissão (tabela 1)[10].
14 Estado da Arte
14
Impedância
Caraterística do
Cabo(Z0)
Impedância da
Carga(ZL)
Impulso de Entrada Impulso Refletido
Z0 ZL -> ∞
Z0 ZL -> 0
Z0 ZL=Z0
Tabela 1 - Representação do Impulso Refletido em função das alterações da impedância da Carga[10]
Analisando a tabela, observa-se que quando ZL -> ∞, ou seja, a carga é um circuito
aberto, o impulso refletido não apresenta inversão de fase. Quando ZL -> 0, ou seja, a
carga é um curto-circuito, o impulso refletido apresenta uma inversão de fase. Já
quando ZL=Z0, não existe reflexão, uma vez que as impedâncias estão adaptadas. A
figura que se segue representa as três situações referidas anteoriormente e apresenta
ainda dois tipos de distorção que podem ser analisados através da TDR: a distorção
provocada por um elemento indutivo da linha e a distorção provocada por um elemento
capacitivo da linha[5].
Figura 14 - Possíveis análises no domínio TDR[5]
Através destes resultados, facilmente se consegue determinar a posição em que
ocorre uma desadaptação de impedâncias. Com este objetivo, começa-se por medir o
tempo de reflexão, isto é, a diferença entre o tempo em que ocorre a reflexão e o
15 Estado da Arte
15
tempo em que é injetado o impulso de entrada e depois multiplica-se pela velocidade
de propagação(figura 15). No caso do impulso ser injetado na entrada e o refletido ser
observado na saída do cabo, então o tempo calculado anteriormente deve ser dividido
por dois, uma vez que o sinal tem de percorrer o cabo duas vezes.
Figura 15 - TDR - Tempo até ocorrer eventual distorção[5]
Existem vários tipos de calibração para a técnica TDR, mas os mais utilizados são os
“Short Load (SL)” e o “Open Short Load (OSL)”. O primeiro trata-se de uma calibração
usando dois tipos terminação conhecidos, o curto-circuito(short) e a carga
adaptada(load). Já o segundo, usa três tipos de terminação da linha para fazer a
calibração e são eles o circuito-aberto (open), o curto-circuito (short) e a carga
adaptada (load). Após esta calibração, os efeitos dos conetores e das superfíceis de
teste são removidos da resposta[5].
16
Capítulo 3
Proposta de Trabalho
Neste capítulo, é apresentada a metodologia, as ferramentas e tecnologias a
utilizar na realização do projeto de dissertação e o plano de trabalho, com um
diagrama de Gantt, no qual são apresentadas todas as tarefas propostas, assim como as
datas espectáveis de início e fim.
3.1 - Metodologia
Para completar o projeto de dissertação descrito anteriormente será necessário
começar por caraterizar os diversos canais de transmissão e posteriormente
desenvolver uma biblioteca de modelos em ambiente MATLAB. O objetivo é o de
automatizar o processamento e a conversão de dados resultantes da caraterização,
para que estes tenham formatos adequados aos sistemas em que vão ser integrados.
A caracterização dos canais (linhas) de transmissão será feita com recurso à técnica
TDR e com o auxílio do equipamento TDR Analyser ou osciloscópio de amostragem tal
como descrito na secção 3.3.
3.2 - Ferramentas e Tecnologias a Utilizar
3.2.1. MATLAB
O MATLAB é um software que foi criado em 1970 por Cleve Moler, por esta altura
presidente do departamento de ciências da computação da Universidade do Novo
México. Após uma visita de Moler à Universidade de Stanford, em 1983, o engenheiro
Jack Little reconheceu o potencial comercial deste software e em parceria com Moler e
Steve Bangert reescreveram o MATLAB em C e em 1984 fundaram a MathWorks e
17 Proposta de Trabalho
17
prosseguiram no seu desenvolvimento, passando este Software a ser muito utilizado no
domínio da Engenharia.
O MATLAB integra análise numérica , cálculo utilizando matrizes, processamento de
sinais e construção gráfica e tem como elemento básico de informação a matriz,
permitindo a resolução de muitos problemas numéricos através de um ambiente fácil
de utilizar, em comparação com outras linguagens de programação.
Para além do sotware principal, o programa dispõe ainda de várias extensões,
designadas por toolboxes, sendo a mais conhecida o Simulink. Este último implementa
uma interface de diagrama de blocos e é uma ferramenta muito utilizada para
modelação, simulação e análise de sistemas dinâmicos. Existe ainda uma toolbox de RF.
No domínio do projeto da dissetação, o MATLAB vai ser usado para construir modelos
que permitam caraterizar os diversos canais de transmissão.
3.2.2. Vector Network Analyser
O Vector Network Analyser(VNA) é uma ferramenta que permite fazer caraterização
no domínio da frequência. As funcionalidades de um VNA são muitas, mas este
instrumento permite obter os parâmetros-S, assim como diagramas de smith para
analisar filtros, ou quaisquer Devices Under Test(DUT’s) que se queiram caraterizar.
Permite ainda fazer as diferentes calibrações necessárias no domínio da frequência. Um
exemplo de VNA pode ser visto na figura 16.
Figura 16 - VNA HP 8720D [6]
18 Proposta de Trabalho
18
3.2.3. Digital Serial Analyser Sampling Oscilloscope
No âmbito do projeto de dissertação será utilizado um Digital Serial Analyser
Sampling DSA8200, da Tektronicks, semelhante ao que se pode ver na figura 17.
Figura 17 – Digital Serial Analyser Sampling Oscilloscope DSA8200 [11]
Este aparelho permite fazer caraterização no domínio do tempo, através da técnica
TDR e a partir desta extrair a informação necessária para a análise no domínio da
frequência, nomeadamente os parâmetros-S.
3.2.4. Carta de Smith
A Carta de Smith é uma ferramenta muito utilizada no âmbito das linhas de
transmissão. Esta foi inventada por Phillip Hagar Smith e é muito útil no domínio da
engenharia eletrónica, especialmente para as RF. Esta carta representa a sobreposição
entre o diagrama polar do coeficiente de reflexão e o diagrama carteziano da parte
real e imaginária da impedância normalizada. O modelo da carta de smith mais usado
atualmente corresponde ao mostrado na figura 18[12].
19 Proposta de Trabalho
19
Figura 18 - Diagrama de Smith[12]
3.2.5. Diagrama de Olho
O diagrama de olho é uma ferramenta que permite fazer uma análise estatística do
sinal. Este é obtido sobrepondo os vários impulsos, captados temporalmente por forma
a que os símbolos fiquem sobrepostos. Estas amostras/impulsos devem ser sinronizadas
previamente com o sinal analisado[13]. Assim a sobreposição de todos os símbolos
permite analisar variações de amplitude(distorção) e de fase(jitter)(figura 19).
20 Proposta de Trabalho
20
Figura 19 - Diagrama de olho com 8 estados[13]
A qualidade do diagrama de olho é definida pelo fator Q. Este fator depende das
variáveis Vbase e VTop, que correspondem às níveis lógicos 0 e 1, respetivamente.
Depende ainda do desvio padrão destes dois níveis lógicos, . A equação que
permite obter o fator Q é a (3.4.5.1) e quanto maior for este fator, melhor é o
diagrama(figura 20) [13].
(3.4.5.1)
Figura 20 - Fator Q [13]
Em relação ao diagrama de olho, as medidas importantes estão resumidas na figura
que se segue, retirada da referência[13].
21 Proposta de Trabalho
21
Figura 21 - Diagrama de Olho - Informação Importante [13]
3.2.6. HDMI
A tecnologia HDMI(High-Definition Multimedia Interface) foi projetada em Dezembro
de 2002 e começou a ser produzido em 2003. Foram sete as empresas de criaram este
tipo de cabo digital, a Hitachi, Matsushita Electric Industrial (Panasonic/National/
Quasar), Philips, Silicon Image, Sony Thomson, RCA e Toshiba. Esta tecnologia
representa uma interface compacta para transferência de audio/video em alta
definição e é muito usada nos dias de hoje, para conectar monitores de computador,
projetores ou televisões digitais[14]. Pode ver-se um exemplo de um conetor macho de
um cabo HDMI na figura 22.
Figura 22 - HDMI conector macho[14]
22 Proposta de Trabalho
22
3.3 - Plano de Trabalho
Nesta secção, pode visualizar-se na figura 23 o diagrama de Gantt com a
planificação do trabalho a desenvolver. Neste estão incluídos os relatórios
desenvolvidos no âmbito de PDI e as seguintes tarefas:
Tarefa 1.1-Estudo das técnicas de modelização/modelos de canais de transmissão;
Tarefa 1.2-Estudo das técnicas de caracterização de canais de transmissão de sinais
digitais, com especial ênfase em técnicas no domínio do tempo;
Tarefa 2.1-Aquisição de dados de caracterização de canais de transmissão,
utilizando Time Domain Reflectometry(TDR);
Tarefa 2.2-Validação dos resultados obtidos por comparação com modelos teóricos
ou obtidos por análise vectorial;
Tarefa 2.3-Desenvolvimento de scripts em ambiente MATLAB, para automatização
do processo de conversão dos dados de caracterização para formatos adequados à
integração em modelos de sistemas;
Tarefa 2.4-Contrução de uma biblioteca/base de dados com os modelos dos canais
de transmissão caracterizados (parâmetros S e resposta impulsional);
Tarefa 2.5-Desenvolvimento de scripts em ambiente MATLAB, para automatização
do processo de construção de modelos de canais de transmissão mais complexos, por
composição de vários modelos elementares, e que caracterizem todo o percurso do
sinal digital, desde a sua geração (driver de linha) até à entrada do circuito de decisão;
Tarefa 2.6-Dissertação.
24
Referências
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