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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

ii

© Miguel Margarido Oliveira, 2013

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

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

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

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

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

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.


23

Figura 23 - Diagrama de Gantt do Projeto de dissertação

24

Referências

[1-13, 15-38]

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4. Carvalho, M.I.B.d., Linhas de Transmissão. Ondas Electromagnéticas - MIEEC -

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