Enunciado de la práctica del Enunciado de la práctica del Laboratorio de Circuitos Laboratorio de Circuitos Electrónicos (LCEL)Electrónicos (LCEL) Sistema de difusiónSistema de difusión selecti selectiva de mensajes va de mensajes con con cifrado de audio y control digitalcifrado de audio y control digital

Plan 94. Curso 2001-2002. Versión 2001-09-28/19:40

Javier Macías Guarasa Juan Manuel Montero Martínez

Laboratorio de Circuitos Electrónicos

Departamento de Ingeniería ElectrónicaE.T.S.I. de Telecomunicación

Universidad Politécnica de Madrid

ÍNDICE GENERAL

1 INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................................1

1.1 AVISO PARA NAVEGANTES ....................................................................................................................................1

2 DESCRIPCIÓN GENERAL ..................................................................................................................................... 2

2.1 ANTECEDENTES .....................................................................................................................................................2 2.2 OBJETIVO GENERAL ...............................................................................................................................................2 2.3 ESQUEMA GENERAL DE BLOQUES .........................................................................................................................4 2.4 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL...................................................................................................................................... 4

3 ARQUITECTURA......................................................................................................................................................5

3.1 ARQUITECTURA DEL SUBSISTEMA EMISOR (CENTRO DIFUSOR DE MENSAJES).....................................................6 3.2 ARQUITECTURA DEL SUBSISTEMA RECEPTOR.......................................................................................................7 3.3 DIVISIÓN EN SUBSISTEMAS ANALÓGICO Y DIGITAL...............................................................................................8 3.4 SIMPLIFICACIONES DE DISEÑO ...............................................................................................................................8

3.4.1 Simulación de la transmisión de señales ....................................................................................................9 3.4.2 Sincronización de relojes.............................................................................................................................9 3.4.3 Distorsión admisible en la señal de audio ..................................................................................................9 3.4.4 Fuente de audio y auriculares.....................................................................................................................9

4 DESARROLLO RECOMENDADO .....................................................................................................................10

5 SUBSISTEMA DIGITAL ........................................................................................................................................10

5.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................10 5.2 CARACTERIZACIÓN DE LA FAMILIA LÓGICA UTILIZADA ......................................................................................11

5.2.1 Curva de transferencia y tensiones de conmutación................................................................................11 5.2.2 Tiempo de retardo ......................................................................................................................................11 5.2.3 Tiempo de subida .......................................................................................................................................11

5.3 DESCRIPCIÓN GENERAL .......................................................................................................................................11 5.4 FORMATO DE TRANSMISIÓN ................................................................................................................................13 5.5 UNIDAD DE ENTRADA ..........................................................................................................................................14 5.6 MÓDULO DE VISUALIZACIÓN ...............................................................................................................................15 5.7 TRANSMISOR DIGITAL..........................................................................................................................................15 5.8 GENERADOR DE RELOJES.....................................................................................................................................16 5.9 MÓDULO DE RECEPCIÓN......................................................................................................................................16

5.9.1 Receptor digital ..........................................................................................................................................17 5.9.2 Selector de dispositivo................................................................................................................................17 5.9.3 Controlador de selección...........................................................................................................................17

5.10 CONSIDERACIONES FINALES ................................................................................................................................18 5.10.1 Circuitos de inicialización .........................................................................................................................18 5.10.2 Desacoplo de las alimentaciones ..............................................................................................................18 5.10.3 Selección de la tecnología a usar..............................................................................................................18 5.10.4 Prueba y depuración de circuitos secuenciales........................................................................................18 5.10.5 Diseño versátil............................................................................................................................................19

6 SUBSISTEMA ANALÓGICO................................................................................................................................20

6.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................20 6.2 CARACTERIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL .....................................................................................21

6.2.1 Medida del slew rate ..................................................................................................................................21 6.2.2 Efecto de la realimentación sobre la ganancia y el ancho de banda......................................................21

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6.3 DESCRIPCIÓN GENERAL .......................................................................................................................................22 6.4 INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE CIFRADO DE AUDIO BASADO EN INVERSIÓN DE FRECUENCIA.........................22

6.4.1 Generalidades.............................................................................................................................................23 6.4.2 Modulación por amplitud de pulso ...........................................................................................................25

6.5 ADAPTADOR DE SEÑAL........................................................................................................................................26 6.5.1 Adaptador de nivel e impedancia..............................................................................................................26 6.5.2 Filtro limitador de ancho de banda ..........................................................................................................27

6.6 CIFRADOR Y DESCIFRADOR DE AUDIO (MODULADOR Y (DE)MODULADOR)......................................................29 6.7 SELECTOR DE CIFRADO DE SEÑAL .......................................................................................................................31 6.8 ADAPTADOR A LÍNEA DE SALIDA (EN EL EMISOR)...............................................................................................31 6.9 ETAPA DE SALIDA EN POTENCIA (EN EL RECEPTOR)............................................................................................31 6.10 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN................................................................................................................................31 6.11 CONSIDERACIONES FINALES ................................................................................................................................32

6.11.1 Ajuste de ganancias....................................................................................................................................32 6.11.2 Desacoplo de las alimentaciones ..............................................................................................................32 6.11.3 Prueba y depuración del sistema ..............................................................................................................32 6.11.4 Aprovechamiento del Laboratorio ............................................................................................................33

7 MEJORAS..................................................................................................................................................................34

7.1 USO DE UN TECLADO PARA LA SELECCIÓN DEL RECEPTOR SOBRE EL QUE ACTUAR..........................................34 7.2 AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE APERTURA Y CIERRE DEL CANAL .............................................................34 7.3 USO DE CIFRADO DE AUDIO EN EL DOMINIO DIGITAL ..........................................................................................34 7.4 DETECCIÓN DE PALABRAS EN LÍNEA Y PARIDAD ................................................................................................35

7.4.1 Introducción de la generación y detección de paridad............................................................................35 7.4.2 Autómata de control de recepción de palabras........................................................................................36

7.5 TRANSMISIÓN ASÍNCRONA ..................................................................................................................................36 7.6 RECONOCIMIENTO ...............................................................................................................................................38 7.7 USO DE MODULACIÓN DIGITAL PARA EL ENVÍO DE LA SECUENCIA SERIE...........................................................39 7.8 USO DE MODULACIONES ALTERNATIVAS ............................................................................................................39 7.9 MULTIPLEXACIÓN DE LAS SEÑALES TRANSMITIDAS POR DIVISIÓN EN FRECUENCIA..........................................39 7.10 USO DE ESQUEMAS CIRCUITALES ALTERNATIVOS A LOS PROPUESTOS...............................................................40 7.11 USO DE UN MODULADOR INTEGRADO .................................................................................................................40 7.12 IMPLEMENTACIÓN DE UNA DIRECCIÓN DE DIFUSIÓN ..........................................................................................40 7.13 IMPLEMENTACIÓN EN CIRCUITOS LÓGICOS PROGRAMABLES .............................................................................40 7.14 SIMULACIÓN CON PSPICE ..................................................................................................................................40 7.15 MONTAJE EN PCB ...............................................................................................................................................41

8 NORMAS DE REDACCIÓN DE LA MEMORIA DE LA PRÁCTICA ........................................................41

9 EQUIPOS Y MATERIAL DISPONIBLE ............................................................................................................42

10 BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................................42

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Arquitectura global del sistema......................................................................................................................3 Ilustración 2. Esquema simplificado de los bloques del sistema .........................................................................................4 Ilustración 3. Esquema de bloques del subsistema emisor ..................................................................................................6 Ilustración 4. Esquema de bloques del subsistema receptor................................................................................................8 Ilustración 5: Esquema general del sistema con indicación de las líneas a transmitir....................................................13 Ilustración 6: Ejemplo de señal en línea a transmitir para la activación del dispositivo 3 sin cifrado ..........................14 Ilustración 7. Ejemplo de conexión de uno de los elementos de un conjunto de cinco microinterruptores....................15 Ilustración 8: Generación de pulsos periódicos para test..................................................................................................20 Ilustración 9: Esquema del amplificador no inversor a diseñar .......................................................................................21 Ilustración 10. Espectro de una señal real genérica, limitada en banda..........................................................................23 Ilustración 11. Espectro de una señal sinusoidal de frecuencia wp..................................................................................23 Ilustración 12. Espectro de la señal x(t) modulada por una portadora sinusoidal..........................................................24 Ilustración 13. Filtrado de la señal modulada para recuperar el espectro invertido de la original...............................24 Ilustración 14. Señal cuadrada bipolar ..............................................................................................................................25 Ilustración 15. Esquema circuital del adaptador de entrada ............................................................................................26 Ilustración 16. Filtro paso bajo de 2º orden Sallen-Key....................................................................................................27 Ilustración 17. Esquema genérico del proceso de modulación .........................................................................................29 Ilustración 18. Esquema genérico de un modulador equivalente con portadora cuadrada bipolar, sin usar un multiplicador analógico .......................................................................................................................................................29 Ilustración 19. Ejemplo de circuito de salida en potencia (Catálogo de National) .........................................................31 Ilustración 20: Modificación al subsistema de recepción para introducir el autómata de control.................................36 Ilustración 21: Esquema modificado del receptor para introducir la recepción asíncrona............................................37 Ilustración 22: Ejemplo del reloj regenerado en el receptor con comunicación asíncrona............................................38

1 Introducción

El objetivo del Laboratorio de Circuitos Electrónicos es que el alumno revise, amplíe, aplique y consolide de una manera práctica los conocimientos adquiridos en las asignaturas de segundo curso Circuitos Electrónicos Analógicos y Circuitos Electrónicos Digitales.

Para ello deberá seguir las instrucciones aquí incluidas, que implicarán diversas fases de diseño, análisis, montaje y medida de los circuitos o subsistemas propuestos. Igualmente se hará especial énfasis en que los alumnos adquieran una visión práctica de los problemas con los que se encuentra el diseño de circuitos analógicos y digitales en las implementaciones de prototipos reales de laboratorio.

El resultado del trabajo realizado debe quedar reflejado en una memoria que contenga los detalles del proceso, así como los resultados obtenidos y todas aquellas cuestiones específicas que se indiquen en el enunciado.

Como documentación adicional, está disponible el libro Aspectos prácticos de diseño y medida en laboratorios de electrónica [13], que podrá adquirir en el Servicio de Publicaciones de la Escuela, donde encontrará recomendaciones, criterios de diseño y comentarios de interés de carácter general, y cuyo contenido podrá ser objeto de pregunta en el examen oral. El uso de esta documentación y su utilidad se extiende al Laboratorio de Sistemas Electrónicos Digitales.

La práctica propuesta contiene las especificaciones mínimas (obligatorias) que deben cumplir los circuitos. Adicionalmente, se presentarán sugerencias de mejoras opcionales a las especificaciones, dejando a los alumnos la libertad de añadir nuevas mejoras y montajes alternativos en las mismas.

Podrá encontrar éste y otros documentos relacionados, así como información actualizada sobre la asignatura, en

http://www-gth.die.upm.es/~macias/lcel.html

Para cualquier consulta, puede dirigirse a Javier Macías Guarasa (B-108, macias@die.upm.es).

1.1 Aviso para navegantes

Cuando aborde la lectura de este documento, hágalo con tranquilidad y detenimiento. Frases o comentarios que no se entiendan en una primera lectura pueden albergar avisos y recomendaciones que le serán útiles a lo largo del desarrollo del Laboratorio.

No se preocupe si no alcanza a comprender todos los términos, conceptos y detalles que se discuten. Todos ellos se irán aclarando a medida que avance en la lectura de este documento y en el desarrollo de la práctica. Por supuesto, asuma que necesitará varias lecturas y una reflexión a fondo sobre todo esto.

Preste especial atención a todas las referencias explícitas a aspectos que se indican como obligatorios para incluir en la memoria. Esto no quiere decir que algo no referenciado explícitamente no tenga que ser tratado, sino que nuestra experiencia demuestra que algunos de los requisitos explícitamente citados (como por ejemplo el análisis teórico y las medidas previas) no son considerados por un cierto número de alumnos, lo que da lugar a desagradables sorpresas en los exámenes.

A lo largo de este enunciado irá descubriendo cómo multitud de detalles imprescindibles de solventar en un sistema real se dejan de lado o se simplifican notablemente. Es fundamental que tenga en cuenta que esta práctica pretende ser un ejercicio de diseño, implementación y prueba de

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circuitos analógicos y digitales, con lo que es seguro que encontrará decisiones de diseño y recomendaciones que harían imposible que el prototipo final construido pudiera llegar a formar parte de un sistema real. Encontrará detalles adicionales al respecto en el apartado 3.4.

2 Descripción general

2.1 Antecedentes

Debido a la creciente expansión del mercado de las telecomunicaciones, se hace cada vez más importante la necesidad de diseñar e implementar sistemas de codificación o cifrado1 que permitan dotar de un cierto grado de privacidad a la información transmitida por los sistemas de telecomunicación.

En el mundo real podemos encontrar multitud de aplicaciones que hacen uso de dichas técnicas. Un ejemplo paradigmático lo constituyen los sistemas de secrafonía, cuyo objetivo es cifrar una señal de audio de forma que dificulten la comprensión del mensaje transmitido, es decir, el acceso no autorizado al contenido de la conversación en curso en un enlace por cable, telefónico o por radio.

Hay multitud de ejemplos prácticos de sistemas de este tipo2. Con frecuencia, se utiliza una sencilla transformación frecuencial, que genera una señal con el mismo ancho de banda que la original, pero invertida en el espectro, lo que la hace incomprensible si no se invierte el proceso (referencias al respecto pueden encontrarse en [1] y [2]).

Igualmente podemos encontrar ejemplos prácticos de sistemas de difusión de mensajes, de un centro difusor a un conjunto de receptores, de forma controlada.

En esta práctica trataremos de contemplar ambas ideas, abordando el diseño, montaje y prueba de un sistema completo de transmisión de audio en un entorno centralizado de difusión de mensajes a distintos receptores, que incluirá mecanismos de cifrado y descifrado de la señal de audio.

2.2 Objetivo general

Nuestra asignación se limitará a realizar el diseño e implementación de un prototipo que muestre la funcionalidad de un sistema de envío de mensajes de audio, de un centro emisor a una serie de receptores, de forma selectiva y con la posibilidad de introducir cifrado de dichos mensajes, basándonos en la idea de inversión en frecuencia en el terreno analógico.

Como puede verse en la Ilustración 1, el sistema está compuesto por un centro emisor de mensajes y una serie de receptores. Cada uno de los receptores tiene asignado un código distinto, de forma que desde el centro de control puede seleccionarse el dispositivo sobre el que se va actuar, enviando por la línea de transmisión la información pertinente. Todos los receptores están conectados al mismo bus serie, con lo que tendrán que actuar sólo si el código enviado coincide con el programado en cada uno.

Para facilitar el trabajo, se simplificarán algunas de las condiciones de diseño, como se detallará más adelante en el apartado 3.4.

1 A lo largo de este documento, usaremos los términos cifrado y codificación, que, en nuestro contexto, pueden considerarse intercambiables, haciendo en todos los casos referencia al proceso que transforma una señal cualquiera en otra que contiene la información necesaria para recuperar la primera con un método determinado, pero que es lo suficientemente distinta como para que un observador intermedio tenga dificultad en comprender el mensaje transmitido. 2 El lector interesado puede consultar el servidor de patentes de IBM http://www.patents.ibm.com donde encontrará múltiples entradas referidas a este tema, o hacer una simple búsqueda en Internet con los términos “voice scrambler”.

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Ilustración 1: Arquitectura global del sistema

Evidentemente no vamos a implementar un sistema completo con varios receptores, de modo que nos centraremos en la implementación final del centro emisor y de sólo uno de los receptores sobre el que podremos actuar para que emule el comportamiento de varios de ellos, sucesivamente en el tiempo (cambiando su dirección).

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Ilustración 2. Esquema simplificado de los bloques del sistema

2.3 Esquema general de bloques

Un esquema general de la arquitectura propuesta, incorporando detalles adicionales sobre los módulos fundamentales, es el mostrado en la Ilustración 2.

El mecanismo básico de cifrado de audio estará basado en inversión espectral3, como ya se ha comentado y la transmisión de información relativa al cifrado y al receptor al que va dirigido el mensaje se hará usando una línea serie, construyendo una trama con los requisitos necesarios.

En los apartados siguientes se refinará la arquitectura del sistema, haciendo énfasis en la descomposición modular del mismo, tarea clave para abordar con éxito el diseño de cualquier sistema medianamente complejo.

Igualmente se harán algunas simplificaciones dado que lo que se pretende es construir un prototipo que sirva para demostrar la viabilidad de la idea.

2.4 Descripción funcional

En el prototipo que vamos a diseñar, implementar y probar, dispondremos de una fuente de audio que proporcionará los mensajes a transmitir. Dichos mensajes se generan en el centro emisor, donde un operador controla todo el proceso.

3 La técnica de inversión espectral consiste en alterar el contenido frecuencial de la señal de audio transmitida de forma que se produzca una inversión del espectro alrededor de una frecuencia dada. De ese modo, las componentes de baja frecuencia se desplazan a la zona de altas frecuencias y viceversa, con lo que la señal de audio mantiene toda la información necesaria para su descifrado, pero es ininteligible de cara a un posible espía que tenga acceso al canal.

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Se transmitirá la señal original o la cifrada en función de los requisitos del operador del centro emisor de mensajes, que decidirá en cada momento el grado de confidencialidad del mensaje, activando o no el mecanismo de cifrado.

Igualmente, la selección del receptor al que enviar el mensaje se hace en el centro emisor, que es el que tiene el control en todo momento.

Las dos observaciones anteriores implican la necesidad de enviar tanto el identificador del receptor destinatario como el indicador de si se está cifrando o no la señal de audio.

Además, se va a introducir un bit adicional en la secuencia digital a enviar, indicando si lo que se pretende es abrir el canal de audio (el receptor correspondiente permitirá la salida de audio por el altavoz) o cerrarlo.

El proceso de conexión con un receptor es, por supuesto, manual. Por el contrario, en un sistema real sería deseable que el proceso de desconexión con un receptor fuera automático, de forma que el operador no tuviera que hacer una desconexión “explícita”.

Resumiendo, en nuestro prototipo el modo de operación será como sigue:

• El operador selecciona el código del receptor deseado y si va a usar o no cifrado de audio. Debe igualmente activar el código de “abrir canal” (que será uno de los bits a transmitir).

• El operador envía la selección realizada actuando sobre un pulsador. Cuando el receptor adecuado recibe la secuencia correspondiente (que incluye el código de “abrir canal”), abre el canal de comunicación y a partir de ese instante comienza a escuchar el mensaje generado en el emisor.

• Cuando el mensaje ha concluido o el operador decide interrumpir la transmisión, éste debe desactivar el código de “abrir canal”, manteniendo el del receptor deseado y el de cifrado.

• El operador envía la selección realizada actuando sobre un pulsador. Cuando el receptor adecuado recibe la secuencia correspondiente (que incluye el código de desactivación de “abrir canal”), cierra el canal de comunicación.

Y vuelta al comienzo, cambiando o no de receptor y/o uso de cifrado.

Por supuesto no queremos pretender que el sistema sea inatacable. Simplemente se trata de dificultar la escucha por parte de espías que puedan tener acceso cómodo al canal.

3 Arquitectura

En este apartado refinaremos un poco más la división modular vista en el anterior, acercándonos a la definitiva.

La visión que vamos a ofrecer es la funcional, es decir, considerando por separado:

• Un subsistema emisor, que es el centro difusor de mensajes.

• Un subsistema receptor

Dicha división es más razonable de cara a la descripción modular, pero más adelante ofreceremos una ortogonal a ella, la basada en el tipo de electrónica implicada, esto es, analógica o digital. Ésta última visión es más adecuada al desarrollo práctico en el laboratorio y será la que deberán seguir para el proceso de diseño, implementación y prueba.

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3.1 Arquitectura del subsistema emisor (centro difusor de mensajes)

En la Ilustración 3 se muestra la arquitectura más detallada del centro emisor de mensajes.

Ilustración 3. Esquema de bloques del subsistema emisor

A grandes rasgos:

• Unidad de entrada: Encargada de seleccionar el receptor al que enviar el mensaje así como la decisión o no de cifrar la señal de audio transmitida y la orden de apertura o cierre del canal. En el sistema real se trataría del puesto de control del operador del centro emisor, pero en nuestro caso se hará una simulación, usando microinterruptores y pulsadores.

• Unidad de visualización: Proporciona información sobre el receptor al que se dirige el mensaje en curso, así como si se usa la opción de cifrado de audio y el indicador de apertura y cierre del canal.

• Transmisor digital: Se encarga de componer la secuencia de bits a transmitir a los receptores y de enviarlos en formato serie.

• Adaptador de señal: Encargado de adaptar los niveles de tensión de la señal procedente de la fuente de audio a los necesarios en el resto del sistema, ofrecer una impedancia de entrada adecuada a dicha fuente y fijar el ancho de banda de la señal a procesar.

• Cifrador de audio (modulador o inversor de espectro): Generará una señal conteniendo toda la información frecuencial de la original, pero lo suficiente deformada como para que sea razonablemente ininteligible, si no se dispone del descifrador correspondiente. Como ya se ha comentado, el mecanismo produce una inversión del

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contenido espectral de la señal original. Este módulo deberá incluir las etapas de filtrado reconstructor correspondientes.

• Selector de cifrado de señal: Decide la señal que hay que transmitir a los receptores: la original o la cifrada, en función de lo seleccionado en la unidad de entrada

• Adaptador a línea de salida: Convierte los niveles y el ancho de banda de la señal a los adecuados para su inserción en la señal a transmitir, compensando, en su caso, las pérdidas debidas a atenuación en los módulos previos.

• Generador de relojes: se encarga de obtener las señales que sincronizan los procesos digitales y las que se utilizan en el modulador.

Como puede observarse, la entrada a este módulo es la señal de audio original junto con las órdenes que el operador introduce a través de la unidad de entrada, y la salida es la señal de audio cifrada y una secuencia de bits que indican el receptor al que va dirigido el mensaje, si dicho mensaje está o no cifrado, y la acción de apertura o cierre del canal.

3.2 Arquitectura del subsistema receptor

En la ilustración 4 se muestra la arquitectura detallada del subsistema receptor.

De nuevo a grandes rasgos:

• Receptor digital: Recibe la secuencia de bits enviada por el centro emisor de mensajes.

• Controlador de selección: Recupera y procesa la información relevante de la secuencia de bits recibida (el código del receptor, la indicación de si la señal está o no cifrada y la orden de apertura y cierre del canal), decidiendo si el mensaje va dirigido a dicho receptor (si el código del mismo coincide con el recibido) y actuando sobre el resto de los módulos de la forma adecuada.

• Selector de dispositivo: Almacena el código del receptor correspondiente.

• Adaptador de señal: Encargado de adaptar los niveles de tensión de la señal de audio recibida, a los necesarios en el resto del sistema, de ofrecer una impedancia de entrada adecuada al canal y de fijar el ancho de banda a procesar4.

• Descifrador de audio ((De)Modulador o inversor de espectro): Bloque análogo al presente en el centro emisor, que se encargará de invertir el espectro de la señal recibida. Este módulo deberá incluir las etapas de filtrado reconstructor correspondientes.

• Selector de cifrado de señal: Decide la señal que hay que reproducir a los destinatarios del mensaje: la original o la cifrada, en función de lo indicado por el controlador de selección.

• Etapa de salida: Convierte los niveles y el ancho de banda de la señal a los adecuados para el ataque a unos auriculares, compensando, en su caso, las pérdidas debidas a atenuación en los módulos previos.

• Generador de relojes: se encarga de obtener las señales que sincronizan los procesos digitales y las que se utilizan en el inversor de frecuencia.

4 Más adelante se indicará cómo en nuestro caso omitiremos la implementación de este módulo, al asumir que la señal ya viene con las condiciones adecuadas.

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Ilustración 4. Esquema de bloques del subsistema receptor

Como puede observarse, la entrada a este módulo es la señal de audio procedente del canal y la secuencia de bits que indican el receptor al que va destinado el mensaje, si éste está cifrado o no, y si se desea abrir o cerrar el canal del altavoz.

3.3 División en subsistemas analógico y digital

A modo de convención, entenderemos que la parte analógica la constituyen los módulos de adaptación de señal y filtrado, inversión espectral (modulación), selectores de cifrado de señal, así como la etapa de salida. Se entenderán como pertenecientes al subsistema digital el resto de módulos, fundamentalmente los sistemas de transmisión y recepción digital serie, el controlador de selección, los de interacción con el usuario (unidad de entrada y de visualización) y los de generación de relojes,.

Tras esta descripción genérica de los módulos que intervendrían en el diseño final, pasaremos a describir detalladamente cada uno de aquellos, haciendo previamente ciertas aproximaciones y simplificaciones que faciliten el diseño y la implementación.

3.4 Simplificaciones de diseño

En este apartado presentamos las simplificaciones de diseño que nos limitarán la complejidad de nuestro sistema (y en parte la credibilidad en el sentido de su posible implementación en el mundo real), pero que harán más sencillo el trabajo.

Insistimos en que puede que en la primera lectura no entienda exactamente el alcance de lo que discutimos en este apartado, por lo que posiblemente deba volver sobre ello una vez haya asimilado los conceptos fundamentales del desarrollo propuesto.

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3.4.1 Simulación de la transmisión de señales

Para el proceso de transmisión, supondremos que algún módulo adicional del sistema emisor se encarga de preparar adecuadamente la señal de audio que hay que transmitir junto con la secuencia digital, y otro en el receptor de separar ambas.

En un caso real habría que cuidar este aspecto, para integrar la señal digital y la de audio en la señal a transmitir por el canal dado, pero en nuestro prototipo supondremos que existe un medio físico directo (cable) entre emisor y receptor, para la transmisión de la señal digital, por un lado, y otro cable para la transmisión de la señal de audio.

Igualmente, y como se verá más adelante, llevaremos igualmente un cable con la referencia (masa del circuito) y otros dos con la señal de los relojes utilizados (uno para el reloj que usa cifrador de audio y otro para el de los circuitos de transmisión digital serie).

En lo que respecta al canal, en nuestro caso asumiremos que el canal sobre el que transmitiremos nuestra señal tiene un ancho de banda de 15 KHz. y atenuación nula, con lo que no tendremos que preocuparnos por ese aspecto.

3.4.2 Sincronización de relojes

En los esquemas arquitecturales vistos más arriba aparecía un módulo de generación de relojes separado para emisor y receptor.

Si se hace un estudio detallado del efecto de las posibles discrepancias en la fase y la frecuencia de los relojes utilizados entre emisor y receptor en el funcionamiento del sistema, se puede verificar cómo éste puede degradarse significativamente si no se cuida la sincronización entre ambos extremos.

En nuestro caso utilizaremos un único bloque de generación de relojes, que utilizarán tanto emisor como receptor, sin preocuparnos por más detalles al respecto (lo que equivale a tener dichas señales insertadas de algún modo en la señal transmitida por el canal, o a disponer de algún sistema de sincronización de relojes). En nuestro caso, utilizaremos una conexión directa (cable) entre emisor y receptor para llevar cada una de las señales de reloj que intervienen en el proceso.

3.4.3 Distorsión admisible en la señal de audio

En un sistema real los requisitos de calidad de audio pueden ser muy estrictos. Pequeñas distorsiones debidas a componentes frecuenciales indeseadas pueden no ser admisibles.

En nuestro caso exigiremos simplemente una calidad razonable del audio final extraído, que permita que sea plenamente inteligible.

En lo que respecta a la calidad de la señal cifrada, será admisible una cierta componente en banda base, pero debe estar suficientemente distorsionada como para hacer incómoda la audición al posible espía del canal.

3.4.4 Fuente de audio y auriculares

La señal a tratar procederá de una fuente de audio convencional: la salida de auriculares/altavoces de un walkman o cualquier otro equipo de audio (radio, CD, cinta, etc.), de la que tomaremos una única componente (no entraremos en el procesamiento de la señal estéreo).

En cuanto a la audición final, los alumnos deberán utilizar auriculares, prohibiéndose terminantemente el uso de altavoces.

Por último, recomendarles que NUNCA conecten el equipo de audio utilizado al prototipo si el primero está alimentado directamente de la red (o usando un transformador), para prevenir

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posibles problemas en la referencia de señal utilizada en cada sistema. Así, utilicen siempre el equipo alimentado con pilas.

4 Desarrollo recomendado

La primera tarea, a la que deberá dedicar el tiempo necesario en la primera sesión de Laboratorio, consistirá en la realización de las medidas de caracterización que se indican en los apartados 5.2 y 6.2, anotando los datos que se indican en la hoja de resultados y la de diagramas de respuesta en frecuencia. Para aprovechar el tiempo y los recursos del Laboratorio, recuerde que debe llegar al laboratorio con los circuitos montados y los cálculos previos hechos (todos aquellos que pueda adelantar). La hoja de resultados y diagramas se deberán entregar al profesor que tenga tutoría en su turno, durante la segunda o tercera semana (es decir, entre el 15 y el 26 de octubre). Dichas hojas se deberán entregar igualmente como parte de la memoria final del Laboratorio.

A continuación, y dado el enfoque de la práctica, recomendamos que en primer lugar se realice la parte digital, diseñando modularmente cada subsistema y conectando progresivamente cada uno de ellos, analizando aisladamente, siempre que sea posible, su funcionamiento.

Una vez ajustado el sistema de esa manera, se pasará a la parte analógica, al diseño e implementación de cada subsistema, conectando progresivamente cada uno de ellos, fundamentalmente a los módulos de cifrado y descifrado, que resultan ser prácticamente idénticos y que finalmente deberán ser probados simultáneamente. Por supuesto, pruebe inicialmente cada uno de ellos por separado.

Finalmente, se realizará la integración de subsistemas, conectando los módulos desarrollados en cada apartado, y haciendo las medidas y ajustes finales que aseguren el funcionamiento correcto del sistema completo.

A lo largo del proceso, es conveniente tratar de independizar en lo posible cada uno de los módulos que se vayan diseñando, de forma que sea más sencillo identificar la fuente de los problemas y fallos que se vayan detectando. Así, recomendamos que entre etapa y etapa se disponga algún tipo de mecanismo que permita conectar y desconectarlas con facilidad (utilizando jumpers, por ejemplo). Igualmente, es recomendable insertar puntas de prueba a lo largo del circuito, para agilizar la realización de medidas y los diagnósticos de funcionamiento.

Es muy importante que disponga los mecanismos necesarios para que sea posible, por ejemplo durante el examen, estudiar el efecto de introducir una señal sinusoidal determinada, en lugar del audio.

De nuevo: No olvide filtrar adecuadamente las alimentaciones (la global del circuito y la de cada integrado), tal y como se comenta en el apartado correspondiente de [13]. Sobre este particular, recomendamos igualmente separar las alimentaciones de la parte digital y la analógica, tomando las entradas a cada una de ellas de la misma salida de la fuente de alimentación (lleve las líneas de alimentación y masa desde un punto común hasta la parte analógica y desde el mismo punto a la parte digital, y filtre dichas alimentaciones en cada zona (digital y analógica)).

5 Subsistema digital

5.1 Introducción

En el apartado del subsistema digital se comenzará haciendo algunas medidas sobre las puertas lógicas a utilizar, para pasar inmediatamente al diseño e implementación del sistema propuesto.

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En la memoria deberá indicar el resultado de las medidas de caracterización y los circuitos utilizados para ello, así como los detalles del diseño final y la implementación realizada.

5.2 Caracterización de la familia lógica utilizada

Como paso previo a la realización del diseño propuesto, se deberá llevar a cabo una serie de medidas sobre la familia lógica que haya decidido utilizar, para familiarizar al alumno con las características de la misma. Si utiliza integrados pertenecientes a distintas familias, indique sobre cuál de ellas ha efectuado la medida. Recuerde que deberá realizar los cálculos y montajes previos antes de ir a la primera sesión de Laboratorio y hacer los mismos durante ésta, incluyendo los resultados en la hoja correspondiente, que deberá entregar a lo largo de la segunda o tercera semana de Laboratorio.

En todos los casos podrá utilizar cualquier puerta lógica para realizar las medidas, siempre que pueda configurarla para tener una única entrada y una salida. Así, inversores típicos o puertas NAND o NOR de dos entradas, con ambas cortocircuitadas, son válidas para realizar estas medidas. Anote en la hoja de resultados el número de referencia del integrado usado (por ejemplo 74HC00).

5.2.1 Curva de transferencia y tensiones de conmutación

Obtenga experimentalmente la curva de transferencia de la puerta lógica utilizada, en régimen dinámico, utilizando el modo XY del osciloscopio, introduciendo una señal triangular en el canal X, y la salida de la puerta lógica en el Y. Cuide en este caso el rango de tensiones de dicha señal triangular, teniendo en cuenta que deberá atacar a una puerta lógica. En la hoja de resultados de caracterización, dibuje la curva de transferencia y especifique los niveles de entrada (VIH, VIL) y salida (VOH, VOL). Discuta igualmente su parecido con los valores especificados por el fabricante.

Tenga en cuenta en cualquier caso que habrá una zona intermedia en el rango de tensiones de entrada y salida, en la que los resultados podrán variar de una puerta a otra.

5.2.2 Tiempo de retardo

Mida el tiempo de retardo de la puerta lógica bajo estudio. Para ello puede utilizar una onda cuadrada de niveles compatibles a los de la familia lógica que utilice. Anote en la hoja de resultados el valor medido y discuta sobre la precisión de la medida, el parecido con los valores del fabricante y discuta los problemas encontrados.

5.2.3 Tiempo de subida

Mida el tiempo de subida de la salida de la puerta lógica bajo estudio, utilizando un procedimiento similar al del apartado anterior. Anote en la hoja de resultados el valor medido y discuta sobre la precisión de la medida, el parecido con los valores del fabricante y discuta los problemas encontrados.

5.3 Descripción general

El núcleo más importante del sistema digital se compone básicamente de un transmisor, que constituye el centro emisor del que hablamos en apartados anteriores, y un conjunto de receptores, que en la versión básica pueden ser hasta ocho.

Cada uno de los receptores tiene un código (entre 0 y 7), diferente al de las demás unidades de este tipo presentes en el sistema. De esta forma no es necesario establecer una línea entre el transmisor y cada uno de los receptores, sino que todos los elementos de recepción se conectan a la misma línea y deciden en función del código recibido si la orden transmitida es para ellos. El transmisor enviará por la línea el código correspondiente al periférico receptor sobre el que desee

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actuar y además de este código, indicará con un bit adicional si lo que desea es activar (“abrir canal”) o desactivar (anular la orden de “abrir canal”) el dispositivo; y con uno más si el mensaje de audio está o no cifrado.

Como puede verse en la Ilustración 5, las líneas a conectar entre el transmisor y los receptores son: la de transmisión de datos; el reloj de transmisión del sistema, para permitir la sincronización entre transmisor y receptores; y la masa, para poder referenciar las dos anteriores.

Los cometidos del subsistema digital son los siguientes:

• Interaccionar con el operador del centro de control:

• En la entrada de datos, permitiéndole que modifique el código del dispositivo sobre el que actuar, así como las condiciones de control del sistema (cifrado o no del mensaje y apertura o cierre del canal del receptor) y efectúe la transmisión del mensaje digirtal de control.

• En la salida de datos, permitiéndole visualizar el contenido de los registros importantes y las señales fundamentales.

• Generar los relojes que determinarán:

• La frecuencia de transmisión de la señal serie digital.

• La frecuencia de inversión utilizada.

• Componer y recuperar la información digital necesaria para la operación del sistema (código del dispositivo, apertura del canal y cifrado) en un formato serie adecuado

• Comprobar ya en los receptores si el mensaje recibido les afecta y actuar en consecuencia.

• Interaccionar con el subsistema analógico, proporcionándole las señales necesarias para realizar la inversión frecuencial por un lado y las señales de control de uso de la señal cifrada o la original.

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Ilustración 5: Esquema general del sistema con indicación de las líneas a transmitir

5.4 Formato de transmisión

El formato de transmisión de datos por la línea será del tipo serie, muy simplificado y usando transmisión síncrona (se envía el reloj de datos). Las características básicas del mismo serán:

• Cuando no se transmitan datos, la línea permanecerá en estado ‘1’ (5 V), para validar la conexión (si se detecta un nivel bajo continuo será debido a un problema en el enlace o en el equipo transmisor)

• Al comienzo de la palabra debe mandarse un bit de arranque (start), que es un bit puesto a ‘0’

• A continuación, el código de dispositivo – 3 bits –, seguido del bit de abrir canal – 1 bit – y , del de cifrado – 1 bit –

• Un bit de relleno adicional, que será un ´0´

• Al final de la palabra, se enviará un bit de parada (stop), que por convención será un ‘1’

• El bit más significativo es el primero en transmitirse

De esta forma, si quisiésemos transmitir al dispositivo con código ‘3’ (011) una orden de abrir canal ‘1’, y no cifrar audio, deberíamos mandar la palabra de 8 bits que se muestra en la Ilustración 6. En ella tenemos en orden de transmisión5:

5 Téngase en cuenta que el sentido marcado como “de transmisión” es inverso al que tendría el eje temporal del osciloscopio, o de una simulación de ordenador. Así, al visualizar la señal en el osciloscopio, el bit de arranque quedaría a la izquierda.

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• 0: Bit de arranque (start).

• 011: Los tres bits del código

• 1: indicador de abrir canal.

• 0: indicador de no cifrar audio.

• 0: bit de relleno

• 1: Bit de parada (stop).

Ilustración 6: Ejemplo de señal en línea a transmitir para la activación del dispositivo 3 sin cifrado

5.5 Unidad de entrada

Debe permitir programar el código del sistema periférico (entre 0 y 7), la acción a realizar sobre el mismo (activar o no el canal), y el uso o no de cifrado de audio. Esto debe realizarse mediante micro-interruptores en la versión básica, ofreciéndose alternativas en el apartado 7.1. En la Ilustración 7 se muestra un posible esquema de conexión, que genera un nivel alto con el interruptor desactivado y un nivel bajo en caso contrario6. Tenga en cuenta que ON no tiene por qué significar estado alto (realmente significa “cerrado”): analice el comportamiento del circuito en cualquier caso.

6 El valor de la resistencia no es crítico si utiliza integrados de tecnología CMOS (ya que la caída de tensión será pequeña, al ser mínimas las corrientes de entrada/salida digitales de los integrados), pero tenga cuidado si usa un valor alto de resistencia con tecnología TTL, en la que dichas corrientes son significativamente más altas.

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R

...

...

ON

Ilustración 7. Ejemplo de conexión de uno de los elementos de un conjunto de cinco microinterruptores

Igualmente estará compuesta por un pulsador de transmisión que será el que inicie el envío de la orden a los receptores. Debe tenerse en cuenta que es necesario incluir algún tipo de circuito antirebotes en el pulsador para evitar transiciones de señal espúreas al pulsar el mismo, siendo válido cualquier montaje de los descritos en el apartado correspondiente de las notas prácticas7.

Así, la entrada a este módulo la proporciona el usuario al accionar los microinterruptores y el pulsador de transmisión, y la salida la forman las siguientes señales:

• La señal digital procedente de los microinterruptores (y su montaje con pull-up o pull-down) (5 bits) y el circuito de eliminación de rebotes tras el pulsador (1 bit): Estas salidas atacarán al registro de transmisión (código del dispositivo, apertura del canal y selección de cifrado), así como al selector de cifrado en la parte analógica (únicamente el bit de selección de cifrado).

• La señal digital de activación de la transmisión, que atacará al transmisor digital.

5.6 Módulo de visualización

Proporciona realimentación visual acerca del estado del centro emisor en un instante dado.

Estará compuesta por:

• Un visualizador de 7 segmentos que indique el código del dispositivo sobre el que se va actuar y su decodificador asociado (como el 74HC4511, por ejemplo). El punto del display se encenderá cuando se seleccione la opción de usar cifrado de audio

• Un led adicional que muestre si la orden que se enviará al actuar sobre el pulsador de transmisión es de apertura (encendido) o cierre (apagado) del canal.

Las entradas a esta unidad serán:

• Las señales procedentes de los microinterruptores de la unidad de entrada.

5.7 Transmisor digital

Básicamente consiste en un registro de transmisión (carga paralelo, salida serie, como el 74HC165, por ejemplo). Debe enviar por la línea serie el mensaje seleccionado, de acuerdo con el formato descrito en el apartado 5.4, cuando el pulsador de transmisión sea activado8.

Una posibilidad de trabajo con el registro sería mantenerlo en estado permanente de carga paralelo, y pasar a estado de transmisión al actuar sobre el pulsador de transmisión. El 74HC165

7 Recuerde que es imprescindible que utilice un inversor con histéresis a la salida del filtro paso bajo de eliminación de rebotes (como el 74HC14 por ejemplo). 8 Recordamos aquí que mientras el pulsador permanezca en reposo, la línea deberá permanecer en estado lógico ‘1’

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propuesto como alternativa tiene una entrada simultánea de carga/desplazamiento (shift/load), ideal para este propósito.

Una forma sencilla de asegurar que el valor de la línea en reposo es estado alto sería cargar un 1 en el primer bit del registro, con lo que nos quedarían 7 bits útiles de los 8 necesarios. En ese caso, se permite, por simplicidad, no cargar explícitamente el bit de parada y asumir que el ´1´ de la entrada serie de desplazamiento (que generará los sucesivos niveles de reposo en línea) corresponderá a dicho bit de parada.

Las entradas a este módulo son:

• Los bits de código de receptor, cifrado y activación de canal procedentes de la unidad de entrada (5 bits)

• El bit de transmisión que indica la orden de inicio de transmisión.

• Valores fijos de tensión para establecer los niveles adecuados en el resto de la palabra digital a transmitir (bits de arranque y parada).

• El reloj de transmisión, que regula la velocidad de comunicación serie.

La salida es únicamente la línea serie que comunica con el receptor digital al otro lado del canal y que, recordamos, se trata de un simple cable.

5.8 Generador de relojes

En nuestro prototipo necesitaremos relojes tanto para atacar los biestables del transmisor (registro de transmisión, que será enviado al receptor para que éste pueda capturar los datos de forma síncrona) como para seleccionar la frecuencia de la señal portadora en el modulador (que realizará la inversión frecuencial).

Para generar dichas señales, puede utilizarse el montaje aestable típico usando un 555 o bien inversores junto con un cristal de cuarzo o una red RC, con cualquiera de los esquemas que se incluyen en el apartado correspondiente de [13]. No podrá hacerse uso de osciladores integrados (integrados metálicos de cuatro patas mas habitualmente conocidos en el argot como “botes”).

La frecuencia de trabajo en el caso de los relojes que controlan la transmisión digital no es un parámetro crítico si tenemos en cuenta exclusivamente la parte digital y contamos con las restricciones impuestas por la velocidad de la tecnología usada, pudiendo variar desde pocos centenares de hertzios hasta centenares de kilohertzios, por dar un margen de variación razonable.

En lo que respecta al inversor de frecuencia, la decisión sobre la frecuencia a utilizar (portadora) vendrá justificada por la parte analógica y nuestra recomendación es trabajar con un valor de 6400 Hz., por ejemplo, aunque tiene plena libertad para modificar este valor, siempre que esté por encima de los 4 HKz. (algunos sistemas comerciales utilizan una portadora de 12800 Hz.). Tenga en cuenta que a mayor frecuencia de portadora, mayor ancho de banda disponible, y mayor calidad de audio. Por último, hay que mencionar que, como se verá en el desarrollo teórico posterior, es muy importante que la señal portadora tenga exactamente un ciclo de trabajo del 50%. Con el montaje típico basado en un LM555 esto es imposible y, en cualquier caso, difícil dadas las tolerancias de los valores usados, por lo que una aproximación más eficiente consiste en generar una frecuencia doble de la necesaria y dividirla a continuación con un simple flip-flop (o un contador).

5.9 Módulo de recepción

Los módulos receptores deben estar leyendo constantemente los datos de la línea, para detectar cuándo les llega un mensaje. El núcleo del subsistema receptor se ha dividido en tres bloques que describimos a continuación:

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5.9.1 Receptor digital

Básicamente un registro de desplazamiento (entrada serie, salida paralelo, como en 74HC164, por ejemplo). En este registro deben permanecer almacenados los últimos datos que van leyéndose por la línea de recepción. Los datos entran en serie y se ponen a disposición del resto de los bloques en paralelo.

Las entradas al módulo serían:

• La señal digital serie procedente del centro emisor de mensajes (1 bit).

• La señal del reloj de transmisión procedente también del centro emisor de mensajes (1 bit).

Y las salidas:

• Cada uno de los bits del registro de recepción (salida paralelo), que atacarán al controlador de selección.

5.9.2 Selector de dispositivo

Este bloque debe permitir seleccionar mediante 3 micro-interruptores, el código correspondiente al dispositivo receptor, que será único para cada uno de ellos. El montaje es similar al usado en la unidad de entrada, por lo que no lo repetimos aquí.

Las entradas son las acciones manuales que configuran los microinterruptores y las salidas son los 3 bits correspondientes al código del receptor, que serán usardos en la comparación.

5.9.3 Controlador de selección

La función de este módulo consiste en procesar las palabras que se reciben. En la versión básica utilizaremos un método para distinguir palabras en línea muy simplificado, basándose exclusivamente en la comparación (usando uno o varios comparadores integrados, como el 74HC85, por ejemplo) de los últimos bits recibidos a través de la línea con los bits de arranque, parada y código del receptor, en el orden adecuado; cuando coincidan se pasará al estado de canal abierto o cerrado según se indique con el bit de apertura de canal.

Si el código es el de otro dispositivo debe mantenerse la situación actual en la que se encuentre el receptor, con lo que el estado de apertura o cierre del canal y el de cifrado deben ser almacenados (usando un biestable, por ejemplo) y presentados en sendos LEDs (que deben encenderse cuando el canal del receptor esté abierto y cuando se esté reproduciendo la señal descifrada, respectivamente).

Finalmente, deberá indicar al selector de cifrado de señal si debe proporcionar al usuario la señal tras atravesar el descifrador o la original recibida.

Las entradas a este módulo son:

• Los bits recibidos por la línea serie que indicarán el código del receptor sobre el que se desea actuar, la orden de apertura/cierre del canal y la de cifrado o no.

• Los 3 bits que indican el código del receptor actual.

Y sus salidas:

• Los bits que indican el estado de apertura del canal y el del selector de señal del canal o descifrada (que estarán almacenadas en sendos flip-flops, como se ha comentado).

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5.10 Consideraciones finales

Para concluir, daremos unas notas adicionales de interés de cara al diseño y montaje:

5.10.1 Circuitos de inicialización

En cualquier circuito digital en el que intervienen elementos con memoria (registros, contadores, flip-flops, etc.), es imprescindible asegurar un estado inicial conocido al conectar la alimentación del sistema.

Así, en el prototipo a construir es obligatoria la inclusión de circuitos de inicialización que garanticen que en el momento del arranque del sistema, todos los receptores tienen el canal cerrado. El mecanismo más sencillo para implementar estos circuitos consiste en el uso de una red RC de valor adecuado, conectada entre alimentación y masa, y cuyo punto medio se conecta a la entrada de set/reset/load correspondiente, de modo que en el proceso de carga del condensador el nivel de voltaje se mantenga por debajo o por encima de los niveles requeridos por dicha entrada.

Consulte el apartado correspondiente de [13] para conseguir más detalles al respecto.

5.10.2 Desacoplo de las alimentaciones

Les recordamos una vez más en que es IMPRESCINDIBLE que desacople la alimentación de todos los integrados, utilizando condensadores tal y como se indica en [13]. Si no hace caso de esta recomendación, es seguro que se encontrará con multitud de problemas de ruido e interferencias en su sistema, lo cual será especialmente problemático cuando integre el subsistema analógico con el digital, sobre todo en una práctica en la que interviene una señal de audio que va a ser escuchada.

Esta recomendación es especialmente importante en una práctica como ésta, en la que se trabaja con señales de audio. Cualquier fuente de ruido en alimentación puede provocar desagradables efectos en la señal analógica a escuchar.

Consulte el apartado correspondiente de [13] para conseguir más detalles sobre este tema.

5.10.3 Selección de la tecnología a usar

No hay restricciones en cuanto al tipo de tecnología a usar, dado que no estamos en el caso de una aplicación con imposiciones en cuanto a consumo o velocidad.

Recomendamos en general el uso de cualquier familia CMOS (en lo posible compatible TTL, como la HCT, aunque la familia HC lo es prácticamente, salvo en ciertos casos, como se comenta en las notas prácticas), o pueden usarse si es necesario integrados de tecnología TTL (estándar, LS o ALS).

En la mayor parte de los casos encontrará integrados directamente sustituibles en cualquiera de esas familias, pero deberá prestar atención a los posibles problemas de interconexión entre ellas (niveles de tensión y corriente diferentes, fundamentalmente), así como a los distintos requisitos de consumo de potencia y velocidad (aunque estos no serán parámetros críticos en nuestro caso).

5.10.4 Prueba y depuración de circuitos secuenciales

En el proceso de análisis y depuración del correcto funcionamiento de los circuitos propuestos, será necesario habilitar ciertos mecanismos que lo faciliten, dado que nos encontramos con una funcionalidad que implica la transmisión de señales digitales en serie que pueden ser más difícilmente visualizables en un osciloscopio convencional.

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Así, tendrá que usar las capacidades de captura digital de los osciloscopios del laboratorio (para lo que recomendamos el modo de funcionamiento digital con captura que arranca con flanco de subida), o bien usar dos técnicas de sencilla aplicación si cuenta con osciloscopios analógicos en algún otro lugar o quiere usar el modo analógico de los disponibles en el laboratorio. La primera consiste en utilizar relojes de baja frecuencia que permitan la visualización de las señales pertinentes (por ejemplo mediante leds). La segunda se basa en la generación automática de señales de prueba periódicas, de modo que puedan visualizarse con facilidad en el osciloscopio.

El problema básico es que con el pulsador de transmisión se provoca el envío de paquetes. Estos paquetes son fácilmente visualizables en un osciloscopio digital con memoria como los existentes en el laboratorio, pero en los analógicos su visualización no es posible. Para poder visualizarlos, al objeto de depurar la práctica debe dejarse un jumper que permita seleccionar como señal de activación de transmisión la salida del pulsador (funcionamiento normal), o un tren de pulsos periódicos. Estos pulsos pueden generarse con un contador síncrono con el reloj del transmisor y una lógica muy simple.

La Ilustración 8 muestra el tren de pulsos de transmisión que debe generarse para producir transmisiones periódicas de los paquetes de datos. Sincronizando el osciloscopio con el tren de pulsos que simula un comportamiento periódico del pulsador, podemos ver en la pantalla del osciloscopio un paquete de datos estable.

De ambos métodos, recomendamos el uso del segundo (aparte del modo digital del osciloscopio), por su mayor versatilidad, a costa de un diseño más complicado. Obsérvese cómo haciendo que los pulsos se produzcan cada 10 periodos de reloj se producen detecciones erróneas de datos con el receptor básico, que no deben producirse si se implementa la mejora de detección de palabras.

5.10.5 Diseño versátil

En el diseño e implementación de circuitos electrónicos en general, es conveniente hacer un cierto esfuerzo en preparar los mecanismos necesarios para facilitar la prueba de los mismos y versatilizar su funcionamiento.

Algunas ideas en este sentido son las siguientes:

• Prepare en el circuito puntas de prueba que le permitan medir con facilidad en puntos críticos del mismo (por ejemplo usando espadines y fastones).

• Separe adecuadamente todas las etapas en las que se descompone su montaje. Con ello conseguirá facilitar la prueba por separado de cada una de ellas. En estos casos, habilite algún método para realizar cómodamente la interconexión entre ellas, una vez que se asegure de su funcionamiento correcto. Para ello puede pensar en utilizar jumpers o espadines y cables con fastones en los extremos, por ejemplo.

• Piense por adelantado en las posibles mejoras a realizar, de modo que su diseño inicial más simple sea fácilmente extensible para incorporarlas.

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Ilustración 8: Generación de pulsos periódicos para test

6 Subsistema analógico

6.1 Introducción

Al igual que en el caso del subsistema digital, se comenzará haciendo algunas medidas y ejercicios simples de diseño sobre operacionales, para pasar inmediatamente a tratar el sistema final propuesto.

En cada uno de los casos el alumno deberá seguir fielmente las instrucciones dadas, teniendo en cuenta que en la memoria final deberá aparecer reflejado el resultado de todas las cuestiones planteadas, aparte de los detalles del diseño final y la implementación del mismo.

En todos los ejercicios de diseño (síntesis) y para TODOS los circuitos que se utilicen, es imprescindible que el alumno realice el desarrollo y la formulación teórica en la que basarse, llegando al establecimiento de valores concretos y de fórmulas y estrategias de diseño a aplicar.

Igualmente deberá aplicar su sentido crítico para valorar, discutir y argumentar los resultados obtenidos, razonando sobre la adecuación de las previsiones teóricas a las medidas experimentales.

En todos los casos será perfectamente válido y recomendable hacer las simplificaciones y aproximaciones que considere oportunas, previa justificación de las mismas y validación a posteriori de aquéllas.

En los apartados que impliquen selección de valores de componentes, deberá tener en cuenta las series comerciales, así como recalcular las características del circuito, una vez haya decidido el valor final de aquellos.

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Para cada uno de los bloques del diseño y de los apartados de síntesis, se propone el uso del amplificador operacional integrado, recomendándose los modelos LF356 (más caro y preciso, disponiendo de un único operacional por integrado) y los LM324 o TL084 (más baratos, sobre todo el primero, y con cuatro amplificadores en cada integrado). Tenga en cuenta la versión específica del AO que esté utilizando y consulte el catálogo del fabricante para consignar los parámetros específicos de la versión del integrado con la que trabaja en sus cálculos teóricos, así como para compararlos con los resultados experimentales y tomar decisiones de diseño sobre la adecuación o no de cada uno de ellos a la función para la que se utilicen.

6.2 Caracterización del amplificador operacional

El objetivo de este apartado es familiarizarse con los equipos y montajes, midiendo algunas de las características no ideales de un amplificador operacional real, estudiando su efecto en condiciones reales de laboratorio. Recuerde que deberá realizar los cálculos y montajes previos antes de ir a la primera sesión de Laboratorio y hacer los mismos durante ésta, incluyendo los resultados en la hoja correspondiente, que deberá entregar a lo largo de la segunda o tercera semana de Laboratorio.

6.2.1 Medida del slew rate

Utilizando un seguidor de tensión basado en el operacional LM324, e introduciendo una señal cuadrada a la entrada, estime el slew-rate del mismo. Utilice inicialmente, por ejemplo, una frecuencia de 1 KHz y una amplitud de 100 mVpp. Suba progresivamente dicho valor de amplitud hasta que comience a notar los efectos del slew-rate (en múltiplos de 2, por ejemplo) y verifique si el valor del slew rate medido en cada caso es constante. Si es necesario, utilice valores de frecuencia superiores. Compruebe igualmente si los valores se corresponden con los especificados por el fabricante. Anote en la hoja de caracterización tres de los valores medidos, indicando la amplitud de la señal de entrada, la frecuencia y el slew-rate medido. Calcule y anote la frecuencia máxima que podría tener una sinusoidal de 3V de amplitud (tensión de pico) a la salida de un LM324, para que no sufra distorsión debida al slew-rate.

6.2.2 Efecto de la realimentación sobre la ganancia y el ancho de banda

En este apartado se pretende estudiar el efecto de la realimentación en la ganancia y el ancho de banda. Se utilizará el amplificador operacional LM324.

Ilustración 9: Esquema del amplificador no inversor a diseñar

Los valores de los componentes del circuito de la Ilustración 9 son:

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R1 = 22KΩ; R2=220KΩ; R4 = 100KΩ; C1 = 10nF

Diseñe los valores de la resistencia R3 y el condensador de compensación C2, como se indica en el apartado correspondiente de [13].

Calcule las frecuencias de corte inferior y superior esperadas, y dibuje el diagrama de Bode correspondiente, tanto en módulo como en fase. Mida las frecuencias de corte inferior y superior, y dibuje la respuesta en frecuencia del circuito (también módulo y fase) sobre el mismo diagrama de bode (para ello tendrá que introducir una señal sinusoidal a la entrada, variando su frecuencia y anotando los valores de amplitud y fase resultante9) y discuta si se cumple la condición de conservación del producto ganancia por ancho de banda.

6.3 Descripción general

Como se comentó más arriba, consideraremos que el subsistema analógico está compuesto por los módulos de adaptación de señal, las etapas de filtrado y ganancia, los moduladores, los selectores de señal cifrada o no, y el circuito de potencia de salida.

El objetivo básico es recoger una señal de audio, adaptarla en amplitud y frecuencia a las necesidades de nuestro sistema y, a continuación, invertir su espectro utilizando técnicas de modulación con una frecuencia dada (indicada por el subsistema digital), de forma que quede lo suficientemente alterada como para dificultar la inteligibilidad de la misma, caso de que un usuario no autorizado recibiera la señal. Seguidamente, ya en el receptor, se volverá a aplicar el proceso de (de)modulación, de modo que aplicando los filtrados necesarios lleguemos a recuperar la señal original con el máximo grado de fiabilidad posible. Todo ello si se ha seleccionado la emisión del mensaje cifrado, por supuesto.

Los cometidos de este subsistema son los siguientes:

• Ofrecer a la fuente de audio la impedancia de entrada esperada y acomodar los niveles a los necesarios para el resto del sistema.

• Limitar la señal a la banda frecuencial necesaria para evitar problemas de reconstrucción por solapamiento (aliasing).

• Efectuar la modulación/demodulación que permitirá obtener el espectro invertido/original de la señal enviada/recibida, limitándola de nuevo en banda, como paso previo a su envío/audición al receptor/altavoz.

• Aplicar las amplificaciones (o atenuaciones) pertinentes para conseguir los niveles adecuados en cada punto de interés del circuito.

• Seleccionar la señal cifrada o la original para ser transmitida o bien enviada al amplificador de potencia.

• Preparar la señal para atacar una carga de potencia, que serán unos auriculares en nuestro caso.

6.4 Introducción a la teoría de cifrado de audio basado en inversión de frecuencia

La técnica que vamos a utilizar se basa en el concepto de modulación en amplitud de la que encontrará más amplia información en el capítulo 7 de [14]. El uso adecuado de la frecuencia de la señal portadora nos permite conseguir el efecto deseado: la inversión del espectro de la señal original

9 Tome como mínimo 3 medidas en las zonas de pendiente estable de la curva y otras tres alrededor de cada frecuencia de corte.

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6.4.1 Generalidades

Dada una señal de audio x(t), limitada en banda a ωx rad· s-1, tendremos el espectro mostrado en la Ilustración 10.

Ilustración 10. Espectro de una señal real genérica, limitada en banda

Si ahora tomamos una señal p(t), sinusoidal de pulsación ωp, el espectro correspondiente será el de la Ilustración 11.

Ilustración 11. Espectro de una señal sinusoidal de frecuencia wp

Analíticamente:

( )tAtp pp ωcos)( =

( ) ( ) ( )[ ]pppAP ωωδωωδπω ++−=

Si ahora realizamos una multiplicación de ambas señales, o lo que es lo mismo una modulación analógica, tendremos:

( ) )()( tptxty ⋅=

Lo que en frecuencia equivale a una convolución de las mismas:

X(ω )

ωωx−ωx

P(ω )

ωωp−ωp

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( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )[ ]ppp XX

AY

PXY

ωωωωω

ωωπ

ω

++−=

∗=

2

21

o lo que es lo mismo, el espectro original de x(t) replicado alrededor de las dos deltas de la señal sinusoidal, tal y como aparece en la Ilustración 12.

Ilustración 12. Espectro de la señal x(t) modulada por una portadora sinusoidal

Ilustración 13. Filtrado de la señal modulada para recuperar el espectro invertido de la original

Llegados a este punto, tan sólo quedaría filtrar la señal de salida mediante un filtro paso bajo ideal, para eliminar toda la banda sobrante y quedarnos con la señal yc(t), proceso que se muestra en la Ilustración 13, en la que podemos notar que el espectro correspondiente a yc(t) es el de la señal original invertido en frecuencia.

Y (ω )

ωωp−ωp−ωp− ωx −ωp+ ωx ωp− ωx ωp+ ωx

Y(ω )

ωωp−ωp−ωp− ωx −ωp+ ωx ωp− ωx ωp+ ωx

Filtro paso bajoideal

Yc(ω )

ωωp−ωp −ωp+ ωx ωp− ωx

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Evidentemente, la señal y(t) será claramente ininteligible, al haber modificado radicalmente las componentes frecuenciales de la misma, invirtiendo el espectro original, lo que hace de esta técnica una de las preferidas en el cifrado de audio de baja complejidad.

Puede verificarse que la señal original x(t) puede recuperarse sin más que seguir un proceso análogo, multiplicando de nuevo por la señal p(t) y haciendo el filtrado correspondiente. La formulación matemática del proceso de recuperación se deja al alumno como ejercicio.

Nótese que la elección de ωp es crítica para asegurar el correcto funcionamiento del esquema propuesto.

6.4.2 Modulación por amplitud de pulso

En el apartado anterior hemos descrito el efecto de modular una señal cualquiera usando como portadora una señal sinusoidal.

También es posible utilizar señales portadoras distintas para conseguir efectos similares. Si pensamos por ejemplo en emplear una señal cuadrada bipolar, con ciclo de trabajo del 50%, el desarrollo visto más arriba será perfectamente válido salvo por el hecho de la distinta composición frecuencial del espectro de dicha señal cuadrada.

Así, si la señal cuadrada bipolar (entre +1 y –1), c(t), es periódica de periodo T0, (frecuencia fp=1/T0) como la de la Ilustración 14, el espectro C(ω) consistirá en una sucesión de deltas en frecuencia separadas por 2π/T0.

( ) ( )∑+∞

−∞=

−=k

kkaP ωωδπω 2 con 0

2T

kk

πω ⋅=

Ilustración 14. Señal cuadrada bipolar

donde los coeficientes (si el ciclo de trabajo es del 50%, es decir T0=4T1, y la amplitud es ±1) resultan ser:

π

π

k

ka

a

k

=

=

2sen

00

c(t)

t20T

20T−

1T1T−

26

o lo que es lo mismo: [ ]

−= ,...0,

51

,0,31

,0,1

,0πππka .

Así, nos encontramos con una sucesión de deltas en frecuencias iguales a múltiplos impares de la frecuencia de la señal portadora utilizada.

A partir de aquí, estimar el efecto que tiene la modulación con dicha señal cuadrada es trivial, sin más que recordar que debemos convolucionar ambos espectros. Tras la modulación tendremos el espectro de la señal a cifrar replicado en cada componente frecuencial de la portadora, afectada por un valor de amplitud determinado por la sucesión de coeficientes ak.

De nuevo, si elegimos adecuadamente la frecuencia de la portadora y aprovechando que se anulan los armónicos pares de la misma, conseguiremos el efecto de inversión de espectro, o lo que es lo mismo, cifrar y descifrar aplicando sucesivamente el mismo modulador y filtrando adecuadamente en cada etapa.

Dejamos como ejercicio al alumno la verificación analítica de todas las expresiones que incluimos, así como el estudio detallado de la modulación para el caso de la señal cuadrada.

Igualmente sugerimos el estudio del efecto de emplear una señal cuadrada unipolar (entre 0 y 1, por ejemplo), ya que el resultado de dicho estudio puede proporcionar interesantes explicaciones a efectos que probablemente observe en el montaje real.

La realización de todo el desarrollo teórico planteado es imprescindible para proceder al diseño del sistema propuesto con garantías de éxito, así que no lo pase por alto.

6.5 Adaptador de señal

Está presente tanto en el emisor como en el receptor, y su misión es adaptar impedancias, niveles y limitar el ancho de banda.

En nuestro caso únicamente lo implementaremos en el emisor, ya que, por simplicidad, supondremos que la señal llega al receptor correctamente ajustada tras haber pasado por el adaptador a línea de salida, que se describe más adelante.

Así, este módulo estará compuesto por un adaptador de nivel e impedancia, seguido por un filtro limitador del ancho de banda.

Ilustración 15. Esquema circuital del adaptador de entrada

6.5.1 Adaptador de nivel e impedancia

Para su diseño, deberá medir el nivel de la señal de salida que le proporcionará el equipo utilizado, y preparar un montaje que le permita disponer a la salida del rango dinámico adecuado para el

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correcto funcionamiento del resto del sistema. Tenga en cuenta que el margen dinámico máximo, con las recomendaciones de alimentación dadas es de ±5V, con lo que nuestra sugerencia es que trate de usar valores de pico en torno a 1V o 2V en toda la cadena de proceso.

Los operacionales a utilizar pueden tener un slew-rate relativamente pequeño, por lo que no conviene trabajar con señales grandes. Evalúe los límites admisibles de amplitud para las frecuencias de las señales con las que trabajaremos.

Cuide igualmente la impedancia de entrada, teniendo en cuenta que las etapas de salida a auriculares/altavoces de radios y cassettes esperan encontrar una impedancia de 8 a 300 Ω típicamente. Consulte el manual de su equipo para obtener este valor o asuma un valor en el rango dado.

La opción más sencilla es la de usar un atenuador resistivo que ajustaremos para que a la salida nos dé el rango dinámico esperado, tal y como indica la Ilustración 15, en la que Vi es la señal de salida para auriculares y Vo es la de entrada al resto de nuestro circuito, obteniéndola del cursor del potenciómetro.

El condensador C2 tiene la misión de acoplar el circuito en alterna, implicando por supuesto la existencia de un filtro paso alto, de frecuencia de corte inferior dependiente de las resistencias asociadas en su montaje (R1 y R2 en este caso10). Diséñelo de forma que la frecuencia de corte inferior se sitúe alrededor de los 20 Hz.

Puede ser necesario (y es recomendable) que utilice una etapa separadora a continuación del adaptador de nivel (con un seguidor de tensión, por ejemplo) o sustituyendo al atenuador, y puede ser incluso necesario que amplifique en lugar de atenuar. Para ello puede usar el mismo separador, en configuración de amplificador no inversor, en este caso.

6.5.2 Filtro limitador de ancho de banda

En la práctica se diseñarán únicamente filtros para limitar el ancho de banda de la señal procesada. Tendrá que decidir los filtros a utilizar y la posición de los mismos en la secuencia de módulos del sistema.

Ilustración 16. Filtro paso bajo de 2º orden Sallen-Key

El esquema propuesto para la realización de los filtros necesarios es el de Sallen-Key, descrito en [3], en el capítulo 12. Se trata de un filtro de segundo orden, de fácil análisis y diseño. En la Ilustración 16 se muestra la versión para el filtro paso bajo, para ganancia unidad a frecuencias medias.

10 Utilice R2 mucho mayor que R1 para disminuir el efecto de carga y hacer que prevalezca el de R1 de cara a la fuente de audio.

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Tenga en cuenta que la expresión general de un filtro paso bajo de segundo orden es:

10

20

2

++=

Qss

AA vm

V

ωω

Que presenta dos polos, que serán reales o complejos, en función del valor de Q.

Analice teóricamente tanto el filtro paso bajo mostrado arriba como la versión del filtro paso alto Sallen-Key, y llegue a una estimación analítica de ωωo y Q en función de los valores de los componentes de su circuito.

Obtenga igualmente la expresión de los polos en función de ωωo y Q, de modo que una vez obtenidos los valores de éstos, le sea sencillo calcular aquellos. Un filtro paso banda se construirá conectando un filtro paso bajo seguido de uno paso alto, o viceversa. La decisión acerca del valor de ωo depende de las frecuencias de corte que desee utilizar.

Los filtros a construir deberán ser, como mínimo, de orden dos. La frecuencia de corte inferior (fijada con el filtro paso alto), no es crítica, y valores del orden de 100 a 300 Hz. son razonables.

En lo que respecta a la frecuencia de corte superior (fijada con el filtro paso bajo), a partir del estudio del efecto de la modulación en la señal de entrada utilizando la frecuencia de inversión que indicamos anteriormente de 6´4 KHz., llegará a la decisión sobre el ancho de banda que necesita imponer11. La opción más cómoda (y válida como primera aproximación) sería utilizar el valor del ancho de banda requerido como valor de ωo, aunque tenga en cuenta que ωo NO coincide con la frecuencia de corte del filtro. Si quiere hacerlo con más precisión, diseñe el filtro imponiendo el ancho de banda que desee, lo que fijará el valor de ωo a usar. Tenga también en cuenta el efecto de múltiples polos dobles si sube el orden del filtro.

Para el diseño, utilizaremos un valor de Q que nos asegure la máxima atenuación fuera de la banda de operación del filtro, es decir, que contemos con la máxima caída de 40 dB por década, tan pronto como sea posible, una vez que estemos fuera de la banda de funcionamiento. Así, dicha condición se reduce a imponer que exista un polo doble a la pulsación ωo, lo que a su vez se traduce en Q = 1/2 (deduzca dicha condición). En cualquier caso, el comportamiento asintótico de caída a 40 dB por década se mantendrá independientemente del valor de Q. La limitación en éste viene dada por la aparición de picos en la respuesta espectral, a partir de Q = 1/√2 (deduzca igualmente dicha limitación).

En todos los casos, diseñe para obtener ganancia unidad en la zona de funcionamiento normal del filtro (frecuencias bajas en el filtro paso bajo y altas en el paso alto). Si no consigue que sea así, necesitará ganancia adicional para dicha banda, ganancia que podrá obtener de esos mismos filtros, modificando el lazo de realimentación negativa, introduciendo un atenuador resistivo, tal y como haría en un amplificador no inversor. Tenga en cuenta en este caso que la modificación sobre la ganancia también afecta al valor de Q, y que deberá recalcular la función de transferencia para tener en cuenta dicho efecto. Posibilidades alternativas son utilizar un amplificador adicional, o dejar para etapas posteriores la corrección de dicha ganancia. La opción más simple sería la utilización de un amplificador adicional en el que puede variar la ganancia con un potenciómetro, hasta conseguir a la salida de todo el bloque ganancia unidad.

Estime y dibuje el diagrama de Bode de los filtros finales diseñados y dibuje sobre los mismos la respuesta en frecuencia medida en el Laboratorio. Calcule y mida las frecuencias de corte superior e inferior. Analice y justifique el porqué de las posibles discrepancias entre la teoría y la práctica, si es que existen.

11 Recomendamos que se haga el análisis gráfico completo en el dominio de la frecuencia, para todo el proceso de cifrado y descifrado, incluyendo los efectos de los filtros usados

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Insistimos: No olvide hacer el análisis matemático completo de los módulos diseñados. Así, le será fácil dibujar la secuencia completa de los módulos que tendrá que diseñar y montar junto con la representación espectral resultante tras cada uno, lo que le dará la información necesaria para hacer las decisiones correctas acerca de los filtros necesarios, las frecuencias de corte a utilizar y las ganancias adecuadas.

6.6 Cifrador y descifrador de audio (Modulador y (de)modulador)

El (des)cifrador es idéntico tanto en el emisor como en el receptor. Su misión será efectuar la modulación buscada, multiplicando la señal de entrada (ya limitada en banda y con la amplitud requerida) por la señal portadora y filtrar posteriormente el resultado para quedarnos con el espectro invertido deseado.

De entrada, la señal portadora debería ser sinusoidal pero para facilitar el diseño, utilizaremos el enfoque teórico visto en el apartado 6.4.2 a partir de la página 25.

Así, en nuestra implementación, la portadora a utilizar será una onda cuadrada bipolar, con ciclo de trabajo del 50%, y amplitud entre +1 y –1 voltios.

Ilustración 17. Esquema genérico del proceso de modulación

De lo que se trata es de construir un circuito que consiga efectuar la multiplicación, tal y como muestra la Ilustración 17. Lo que a simple vista parece sencillo no lo es tanto. En el mercado existen circuitos integrados que efectúan precisamente dicha operación (por ejemplo el MC1496, de Motorola), pero el diseño de la red de polarización no es sencillo para el nivel de conocimientos disponible en este punto de la carrera.

Ilustración 18. Esquema genérico de un modulador equivalente con portadora cuadrada bipolar, sin usar un multiplicador analógico

señal señal modulada

+1

-1

MU

X

portadora

portadora

señal señal modulada

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Así, buscaremos un mecanismo alternativo que consiga el mismo efecto. Si pensamos en la operación a realizar, nos daremos cuenta que multiplicar por una señal cuadrada bipolar consistirá en trocear la señal de acuerdo al periodo de la señal portadora, y seleccionar la misma señal de entrada en un semiperiodo (en ciclos positivos) y la señal invertida en otro semiperiodo (ciclos negativos).

Así, si encontráramos un dispositivo de dos entradas (a las que atacaríamos con la señal original y con la señal original invertida, en cada una), y que además permitiera conectar alternativamente cada una de las dos entradas con una salida común, de acuerdo con el valor de una señal cuadrada (básicamente una señal digital, si prescindimos de la condición de bipolaridad), tendremos resuelto nuestro problema, tal y como se muestra en la Ilustración 18, siendo la señal portadora la salida del reloj diseñado de 6400 Hz.

Afortunadamente dichos dispositivos existen y son baratos. Estamos hablando de los multiplexores analógicos (74HC4051/2/3, en tecnología HC-MOS, por ejemplo).

Así, el esquema visto en la Ilustración 18 es equivalente funcionalmente al de la Ilustración 17, siempre que la señal portadora sea cuadrada (bipolar en la Ilustración 17 y unipolar (señal de control digital) en la Ilustración 18.

El alumno deberá analizar en detalle el sistema de modulación, estimando analíticamente las amplitudes esperadas de las componentes frecuenciales a la salida del modulador12, y verificar su funcionamiento en el prototipo real del laboratorio.

A la entrada del multiplexor analógico es conveniente controlar los offsets de tensión: si el offset no es nulo, o es distinto entre la entrada de señal y la invertida, el efecto a la salida será la presencia de un tono fundamental a la frecuencia de la señal moduladora. Para ello puede tratar de compensar los offsets tal y como se indica en el apartado correspondiente de [13] o bien usar amplificadores operaciones que permitan su ajuste.

Además de lo visto, este módulo se encargará también de filtrar de nuevo la señal de salida del modulador, eliminando las componentes no deseadas y limitando el ancho de banda para poder introducir la señal de audio en el canal.

En este caso tendrá que decidir de nuevo el ancho de banda a utilizar, teniendo en cuenta la transformación frecuencial realizada. La decisión crítica estará otra vez en la frecuencia de corte superior y el esquema circuital a utilizar será de nuevo el filtro Sallen-Key, como mínimo de orden dos.

12 Lo que le dará los datos necesarios para decidir los valores de amplificación a utilizar.

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Ilustración 19. Ejemplo de circuito de salida en potencia (Catálogo de National)

6.7 Selector de cifrado de señal

Este módulo se encarga simplemente, tanto en el emisor como en el receptor, de seleccionar la señal a colocar a su salida, en función de la indicación que reciba de la unidad de entrada en el emisor o del controlador de selección en el receptor (que serán las señales de control de los multiplexores utilizados).

Para ello bastará que use un multiplexor analógico como los descritos en el apartado anterior:

• En el emisor, las entradas al multiplexor serían la señal original (a la salida del adaptador de señal) y la cifrada (salida del cifrador).

• En el receptor, sin embargo, tenemos que implementar de alguna manera la acción de “abrir o cerrar el canal”. Una posible alternativa sería permitir la selección de la señal proveniente del canal, la cifrada y “masa”. Cuando el canal esté abierto se seleccionará una de las dos primeras y cuando esté cerrado, la última. Así, en este caso necesitaremos un multiplexor con 3 entradas.

6.8 Adaptador a línea de salida (en el emisor)

En nuestro caso, este módulo se limitaría a modificar la amplitud de la señal con la que atacar la línea de salida con una etapa de amplificación, si es que es necesario (si la atenuación de la señal resultante del modulador es demasiado alta), pudiendo ser eliminado en caso contrario.

6.9 Etapa de salida en potencia (en el receptor)

Encargada de atacar los auriculares. Utilice, por ejemplo, el amplificador de potencia13 LM386, y siga cualquiera de las recomendaciones del fabricante para este integrado, como la que aparece en la Ilustración 19.

Insistimos en que utilice auriculares en el Laboratorio y NUNCA un altavoz. Piense en el espectáculo que pueden ofrecer 35 altavoces emitiendo disonantes acordes .

6.10 Sistema de alimentación

En el sistema completo necesitará alimentación simétrica. Inicialmente utilice ±5V para el subsistema analógico, y 5V para el digital.

Si desea trabajar fuera del laboratorio, necesitará construirse una pequeña fuente de alimentación.

Para ello, puede usar la salida de un transformador convencional y utilizar integrados de la familia 78XX (reguladores de tensión positiva de precisión) y 79XX (idénticos pero para tensión negativa), o bien construir un sistema de alimentación a partir únicamente de un regulador de tensión positiva creando una masa virtual de la que obtener la referencia para su circuito.

Intercale los condensadores de filtrado de alimentación adecuados tal y como se describe en [13].

13 Tenga en cuenta que un amplificador operacional convencional NO está preparado para atacar cargas de baja impedancia de entrada, como es el caso de unos auriculares. NO conecte unos auriculares o altavoces a la salida de un operacional convencional, aunque aparentemente obtenga una señal de salida audible.

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6.11 Consideraciones finales

6.11.1 Ajuste de ganancias

Dados los distintos caminos por los que puede ir la señal finalmente recibida en cada caso, puede que las atenuaciones resultantes sean distintas y se produzcan saltos de volumen apreciables entre la señal recibida sin cifrar y la recibida tras cifrar y descifrar.

Así, debería introducir elementos de amplificación que traten de minimizar este efecto (si es que se produce en su caso). Para ello, introdúzcalos de forma selectiva en cada camino posible de señal. No tiene que funcionar para todas las posibles combinaciones, sino sólo para los casos de transmisión sin cifrado y transmisión con cifrado y descifrado posterior.

6.11.2 Desacoplo de las alimentaciones

Para que se dé cuenta de que verdaderamente es importante, insistimos una vez más en que es IMPRESCINDIBLE que desacople la alimentación de todos los integrados, utilizando condensadores tal y como se indica en las notas complementarias. Si no hace caso de esta recomendación, es seguro que se encontrará con multitud de problemas de ruido e interferencias en su sistema, lo cual será especialmente problemático cuando integre el subsistema digital con el analógico. ¿Le suena esta recomendación? Si no es así, consulte por favor el apartado 5.10.1 en la página 18 y el apartado correspondiente de las notas prácticas.

Tenga especial cuidado en filtrar la alimentación del LM386, usando un electrolítico de valor medio (consulte el comentario al respecto de la Figura 10.30 en [3]).

6.11.3 Prueba y depuración del sistema

El análisis del correcto funcionamiento del sistema global puede presentar algunas dificultades.

Los módulos de ganancia, adaptación de impedancias y filtrado son muy simples de analizar, pero no sucede lo mismo en el caso del modulador y demodulador.

Para verificar que las operaciones que realiza son correctas, le recomendamos que trabaje con señales sinusoidales de frecuencias adecuadas para poder estudiar los efectos esperados. Así por ejemplo, pruebas con sinusoidales de 2KHz o 4KHz le permitirán estimar si el proceso de modulación y demodulación (cifrado y descifrado) son correctos. A partir de los cálculos teóricos llegará a la conclusión de que usando una frecuencia de inversión de 6400 Hz, la señal de 2KHz se convertirá en una de 4400 Hz. sumada a otra de 8400 Hz, y la de 4KHz se convertirá en una de 2400 Hz sumada a otra de 10400 Hz14. En el osciloscopio no le será fácil ver las dos componentes, pero si cuida la sincronización en pantalla podrá estimar con razonable aproximación el periodo de ambas componentes (fíjese en los máximos).

Igualmente tendrá dificultad en sincronizar el osciloscopio para ver claramente las señales de salida del multiplexor analógico (antes de filtrar). Para conseguirlo, utilice adecuadamente los controles de disparo del osciloscopio con señales de sincronismo distintas (conectadas al otro canal del osciloscopio o a la entrada EXT).

El análisis del correcto funcionamiento del sistema global puede presentar algunas dificultades. Siga las siguientes recomendaciones:

• Pruebe cada módulo por separado. En el caso de los filtros, no olvide caracterizarlos de forma independiente, dibujando su función de transferencia (módulo y fase) y

14 No entraremos en este punto a discutir las amplitudes relativas de cada componente sinusoidal, pero recuerde que podrá calcularlas a partir del estudio teórico del sistema, de forma que podrá decidir si lo observado en el osciloscopio es razonable.

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comparándola con las previsiones teóricas. Emplee todas las posibilidades que le ofrecen los equipos de instrumentación disponibles en el laboratorio (generador de funciones y osciloscopio en modo digital y en modo analógico) para simular señales y observar el comportamiento de sus módulos).

• Nunca tome medidas y verifique un módulo en el laboratorio sin haber hecho los cálculos teóricos previos. De otro modo no tendrá la certeza de que el montaje sea correcto. En contra de lo que puede ser su experiencia en montajes electrónicos previos, le aseguramos que la correspondencia entre los cálculos teóricos y los resultados prácticos debe ser prácticamente total, salvo errores en el diseño o el montaje. Es decir, si su filtro paso banda debe presentar una frecuencia de corte superior de 3KHz, la frecuencia de corte medida debe ser muy próxima a ella, y las ligeras variaciones serán debidas a las tolerancias de los componentes. En caso contrario, verifique los cálculos y el montaje.

• Si no ha cuidado el efecto de carga de unos módulos sobre otros, puede que modifique el comportamiento de los mismos al efectuar la interconexión. Tenga en cuenta este factor durante la fase de diseño. A modo de ejemplo, si la resistencia que define la impedancia de entrada de un filtro Sallen-key paso bajo es igual a 1KΩ y conecta dicho filtro a un generador de funciones de impedancia de salida igual a 600Ω, la resistencia real que verá el filtro será de 1600Ω, lo que evidentemente modificará la respuesta en frecuencia del mismo.

• Cuando encuentre problemas, sea creativo y sistemático. Intente elaborar una teoría acerca de la fuente del fallo y aísle los sistemas que sean necesarios hasta identificarlo. No pase nada por alto y no suponga que lo que funcionó ayer tiene que funcionar hoy, sobre todo si usa placas de inserción.

• Trabaje en equipo: 4 ojos ven más que 2.

• El único medio de no llegar a solucionar un problema es quedarse sentado delante del montaje mirándolo fijamente y con los brazos cruzados.

6.11.4 Aprovechamiento del Laboratorio

El Laboratorio, y por tanto el equipamiento del mismo, es un recurso limitado. Intente en lo posible hacer un aprovechamiento óptimo del mismo, empezando a trabajar desde el primer día.

Hay tareas que puede realizar fuera del Laboratorio, como por ejemplo:

• Realizar el diseño sobre papel

• Realizar los cálculos teóricos con valores comerciales

• Realizar el montaje físico de los integrados y su interconexión, así como verificar la corrección del mismo

Dentro del Laboratorio:

• Medir el comportamiento de los circuitos

• Investigar los fallos de funcionamiento

• Corregir sobre papel y sobre el montaje cuando sea necesario (no olvide tener siempre una versión actualizada de los esquemáticos en papel, de otro modo perderá el control sobre su montaje)

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Si no sigue escrupulosamente estas recomendaciones y desaprovecha el tiempo de estancia en el Laboratorio, puede que tenga problemas para acabar la práctica propuesta con comodidad.

7 Mejoras

En los apartados precedentes se ha hecho una descripción más o menos detallada de los subsistemas a diseñar, así como de alguno de los esquemas circuitales utilizables. Salvo que se haya indicado lo contrario, lo descrito corresponde a las especificaciones mínimas que deberá cumplir el diseño realizado, lo que constituirá el requisito mínimo para aprobar la asignatura, partiendo de la base de que el funcionamiento es correcto y que se han comprendido los fundamentos teórico-prácticos de todo ello, lo que será verificado a través de la memoria y el examen oral a realizar.

Así, para incrementar la calificación, puede abordar alguna de las posibles realizaciones opcionales que se plantean a continuación.

Recuerde que no se trata de multiplicar innecesariamente el número de circuitos integrados en su prototipo, ni de replicar módulos idénticos.

Recomendamos encarecidamente a los alumnos que antes de abordar cualquiera de ellas, hagan un estudio pormenorizado de las implicaciones de la misma. Tómense el tiempo necesario en la fase de diseño y no ataquen el montaje de forma impulsiva. Una mejora en apariencia inocente, en el sentido de sencilla conceptualmente, puede volverse sumamente engorrosa debido al número de pastillas a interconectar.

7.1 Uso de un teclado para la selección del receptor sobre el que actuar

La manera más sencilla de seleccionar el código del dispositivo receptor sobre el que actuar es mediante microinterruptores que atacan las entradas de datos de los registros correspondientes, que es lo que se pide en la especificación básica.

Se propone como mejora el uso de un teclado, bien completo, o compuesto por dos pulsadores, que permitan incrementar o decrementar el código correspondiente al receptor.

DIFICULTAD: BAJA

7.2 Automatización del proceso de apertura y cierre del canal

Para evitar que el operador tenga que seleccionar manualmente el bit correspondiente a la indicación de apertura y cierre del canal, se propone como mejora que el sistema conmute automáticamente entre ambas, al actuar sobre el pulsador de transmisión.

La implementación tendrá que incorporar un biestable (tipo “T” por ejemplo, construido a partir de un JK) en lugar de la entrada a partir del microinterruptor.

DIFICULTAD: BAJA

7.3 Uso de cifrado de audio en el dominio digital

Una posibilidad interesante (y complicada) sería utilizar un esquema de conversión analógico-digital en el emisor, y volviendo a convertir a analógico en el receptor.

El esquema deberá invertirse en el receptor, evidentemente, y la señal de audio digital se transmitirá por una línea serie, de forma similar a la que se usa en la práctica para el envío del código de receptor.

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En este caso, parámetros críticos serán la frecuencia de muestreo a utilizar, así como los mecanismos de sincronización necesarios para las correspondientes conversiones serie-paralelo y paralelo-serie.

DIFICULTAD: MÁXIMA

7.4 Detección de palabras en línea y paridad

En la versión básica detectamos las palabras en línea mediante comparación de secuencias de bits que sean coincidentes con el formato de las mismas, es decir fijándonos exclusivamente en la aparición temporal de los bits de arranque, código de dispositivo y bit de parada. Esto puede dar lugar a errores, tomando conjuntos de bits que no son una palabra en línea como tal, si se producen dos secuencias consecutivas con una configuración adecuada.

En la versión básica de la práctica hemos supuesto que dos palabras tienen un cierto tiempo entre ellas. Esto es bastante cierto al dispararse por pulsador, pero si fuera un ordenador el encargado de controlar el proceso, no podríamos asegurar dicha premisa.

Así, la mejora propuesta se divide en dos partes: introducción de protección contra errores mediante el uso un bit de paridad impar, y detección correcta de llegada de palabras evitando las simplificaciones de la versión básica. La dos partes pueden implementarse por separado, aunque lo más razonable es hacerlas simultáneamente.

7.4.1 Introducción de la generación y detección de paridad

En esta mejora añadiremos un bit de paridad impar de 4 de los datos de la palabra15, justo antes del bit de parada. Esto significa que el número de bits con valor ‘1’ del conjunto de los tres bits del código, el de cifrado y el de paridad, debe ser impar. Para ello, puede optar por construirse el generador y el detector de paridad a partir de puertas lógicas, o bien utilizar algún integrado específico, como el 74LS180.

Veamos ahora un ejemplo similar al de la práctica básica para transmisión, pero con el bit de paridad incluido. Si quisiésemos transmitir al dispositivo con código ‘4’ (100), una orden de apertura del canal (1) y otra de cifrado de mensaje (1), deberíamos mandar la palabra de 8 bits que se describe a continuación:

• “0”: Bit de arranque.

• “100”: Los tres bits del código.

• “1”: indicador de apertura del canal.

• “1”: indicador de cifrado del mensaje.

• “1”: Bit de paridad. Como el número de bits a ‘1’ en el código y cifrado es par, hemos de colocar paridad a ‘1’ para que la suma total de unos en estos cuatro bits sea impar.

• ‘1’: Bit de parada.

DIFICULTAD: MEDIA-BAJA

15 Calcularemos la paridad a partir de 4 bits en lugar de los 5 que realmente contienen información en la palabra por comodidad.

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Ilustración 20: Modificación al subsistema de recepción para introducir el autómata de control

7.4.2 Autómata de control de recepción de palabras

Además de la introducción del bit de paridad que proteje frente a errores de transmisión, podemos implementar un mecanismo más robusto de detección de palabras. Para ello es necesario mejorar el sistema de localización de las mismas en línea, para lo que variaremos el receptor introduciendo un nuevo bloque, con lo que quedará como el que se muestra en la Ilustración 20. El funcionamiento de este nuevo bloque se describe a continuación.

Esta FSM (Finite State Machine) debe permanecer en estado de reposo hasta que reciba un ‘0’ por la línea (bit de start), tras ello esperará hasta haber recibido la palabra completa, contando los bits que llegan. Cuando se recibe una palabra completa, si el bit de stop es correcto se activa una señal para que la palabra sea procesada. Téngase en cuenta que en la mayor parte de los estados la única función es pasar al estado siguiente para contar los 7 bits que deben llegar, por ello puede simplificarse la implementación del bloque haciendo uso adecuado de un contador.

El resto de los bloques son los mismos que los del receptor básico, con la salvedad de que ahora el controlador de selección de dispositivo sólo cambia su estado cuando, además de cumplirse las condiciones de correcta identificación de dispositivo, el autómata le indica que se ha recibido una palabra completa. Obsérvese que en este caso el autómata se encarga de contar los bits de palabras completas, evitando así que secuencias intermedias de bits que puedan coincidir con códigos se interpreten como tales.

DIFICULTAD: MEDIA

7.5 Transmisión asíncrona

En una transmisión de tipo RS232, la manera habitual de enviar los datos es de forma asíncrona. Esto significa que el reloj de transmisión no es enviado. En este caso, para poder recuperar los

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datos en el receptor debe conocerse a priori la frecuencia de los datos transmitidos. Frecuencias habituales en interfaces de este tipo son 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 baudios...

Ilustración 21: Esquema modificado del receptor para introducir la recepción asíncrona

En la práctica básica se asumía que el reloj estaba disponible en todo momento, aunque ésta tampoco es una asunción demasiado realista.

El concepto de transmisión asíncrona no implica que no haya reloj en el emisor y receptor, sino simplemente que los relojes son independientes, de forma que no es necesario enviarlos por la línea, ahorrándonos además un cable.

Así, el receptor en este caso tiene un reloj independiente del transmisor, y este reloj trabaja a mayor frecuencia (es muy habitual utilizar un reloj de 8 o 16 veces la frecuencia de transmisión). De este modo puede muestrear la línea a mayor velocidad para observar cuando se produce un bit de start y sincronizar con el mismo la adquisición de datos. La Ilustración 21 muestra el esquema simplificado del receptor resultante.

Para realizar esta mejora se debe:

• Fijar una velocidad de transmisión de datos f.

• Generar un reloj en el receptor de frecuencia n*f.

• A partir de este reloj obtener otro de frecuencia f con sus flancos activos coincidentes con el punto medio de los bits que se reciben en línea para que funcione con el un receptor como el presentado en la práctica básica.

En la Ilustración 22 se muestra el reloj que debe generarse para el funcionamiento del bloque receptor en relación con los datos de entrada.

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DIFICULTAD: MUY ALTA

7.6 Reconocimiento

Esta mejora consistirá en incluir un mensaje de respuesta del receptor hacia el transmisor, indicando que se ha recibido correctamente la orden y ésta ha sido procesada. Deberá implementarse en el transmisor un time-out (contador de tiempo). Cuando el transmisor envía un mensaje a un dispositivo periférico, lanza el temporizador. El receptor que recibe el mensaje, debe contestar con un mensaje de confirmación. Cuando el transmisor recibe la confirmación enciende un LED verde indicando que la transmisión ha sido correcta. En el caso de que no llegue la confirmación antes de que el temporizador se agote, se encenderá un LED en rojo, indicando el error.

Ilustración 22: Ejemplo del reloj regenerado en el receptor con comunicación asíncrona

El formato de la palabra de reconocimiento será muy simple, colocándose únicamente un bit a ‘0’ en la línea de respuesta. Debe tenerse en cuenta que ahora hay que añadir una línea más en el interfaz entre transmisor y receptor. Además, en esta línea colocarán datos todos los receptores, por lo que estos deben atacarla con salidas en colector abierto, debiendo llevar ésta un pull-up (ver el apartado correspondiente en [13]). Obsérvese en cualquier caso que si dos de las salidas conectadas colocan datos a la vez, se realiza el AND lógico de los mismos, pudiendo dar lugar a transmisión de datos erróneos. Para evitarlo se debe asegurar que sólo uno de los dispositivos lógicos conectados a la línea está forzando datos en un instante determinado de tiempo. En la mejora propuesta esto está garantizado, ya que solo responde al mensaje el dispositivo cuyo código coincide con el enviado por el transmisor.

DIFICULTAD: ALTA

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7.7 Uso de modulación digital para el envío de la secuencia serie

En la propuesta de práctica básica se envía la señal digital haciendo uso de una línea serie directa. En un sistema real suele ser necesario la introducción de algún mecanismo de modulación que aproveche de forma adecuada las características del canal de transmisión disponible.

Así, la propuesta de mejora consiste en el diseño e implementación de un sistema de modulación/demodulación ASK (Amplitude Shift Keying) para enviar la secuencia binaria del centro de control a los receptores. El sistema analógico a diseñar consiste básicamente en un modulador y un demodulador ASK, junto con algún módulo adicional para la generación de la señal portadora.

La idea es utilizar unas frecuencias de transmisión más adecuadas al canal a utilizar, fundamentalmente en lo que se refiere a la eficiencia en dicha transmisión. Si pensamos por ejemplo en transmisión vía radio, tendremos que tener en cuenta los efectos de ruido admisible, interferencias, atenuación, etc. En nuestro caso, la transmisión de la señal digital tal cual puede ser poco adecuada. Así, asumiremos que nuestro canal tiene un ancho de banda determinado, y decidiremos la frecuencia de la portadora a transmitir.

Si recordamos las especificaciones iniciales, entre las líneas a transmitir estaba la señal de reloj, siendo un sistema síncrono. Así, tendríamos que enviar también dicha señal en analógico, modulándola. Nuestra primera aproximación para simplificar el diseño será suponer que el reloj con el que funcionan todos los sistemas está distribuido a través de la interfaz de comunicaciones, de esta forma al insertar el subsistema de modulación ASK, solo será necesario tratar la línea de datos de la interfaz.

DIFICULTAD: ALTA

7.8 Uso de modulaciones alternativas

En la propuesta del apartado anterior se utiliza la modulación más simple de las disponibles. Se plantea como alternativa la utilización de esquemas de modulación distintos al ASK, como por ejemplo FSK, usando constelaciones de 2 o más símbolos.

Esta modificación implicaría la decisión de las frecuencias a utilizar, así como el diseño de generadores sinusoidales correspondientes, con el objetivo, de nuevo, de minimizar los recursos necesarios.

En el caso de usar constelaciones de orden superior a 2, habría que revisar la asignación de códigos a dispositivos y a comandos, así como replantear los sistemas de transmisión y recepción.

DIFICULTAD: ALTA

7.9 Multiplexación de las señales transmitidas por división en frecuencia

Si opta por implementar el envío de la señal digital usando algún tipo de modulación, se propone como mejora adicional el uso de una multiplexación por división en frecuencia para transmitir tanto la señal de audio como la digital modulada por el mismo canal de transmisión analógico.

La idea sería utilizar una frecuencia de señal portadora por encima del ancho de banda de la señal de audio y por debajo del ancho de banda del canal, de forma que no interfieran entre sí y puedan ser recuperadas y procesadas en el receptor.

DIFICULTAD: MUY ALTA (requiere además la mejora de modulación digital ASK o FSK)

40

7.10 Uso de esquemas circuitales alternativos a los propuestos

Se valorará positivamente la inclusión de montajes circuitales distintos a los propuestos, siempre que:

• Impliquen una dificultad razonable

• No se limiten a duplicar subsistemas ya construidos

• Tengan justificación práctica en el sentido de incrementar prestaciones o reducir el coste o consumo del sistema

DIFICULTAD: En función del esquema alternativo, atendiendo tanto a la complejidad conceptual como de implementación

7.11 Uso de un modulador integrado

Se propone en este caso el uso de un modulador demodulador balanceado MC1496 de Motorola, que efectivamente realiza la multiplicación que hemos simulado con el uso de los multiplexores analógicos.

El principal problema está en el diseño de la red de polarización del multiplicador y en cuidar los niveles de señal que aseguren el funcionamiento en zona lineal.

DIFICULTAD: MUY ALTA

7.12 Implementación de una dirección de difusión

Se trata de definir una de las 8 direcciones disponibles como de difusión (broadcast), de modo que las acciones tengan efecto sobre todos los receptores simultáneamente.

Utilice por ejemplo la dirección 0 o la 7 para este fin.

DIFICULTAD: MEDIA-BAJA

7.13 Implementación en circuitos lógicos programables

La práctica básica asume el montaje de los circuitos haciendo uso de integrados MSI (lógica discreta), de modo que se valorará positivamente la realización del diseño utilizando cualquiera de los dispositivos lógicos programables disponibles en el mercado, con el objetivo de minimizar el tamaño del circuito final.

En este sentido, los alumnos interesados deberán contar con las herramientas software adecuadas (muchas de ellas disponibles de forma gratuita y accesibles vía Internet), así como consultar con el coordinador de la asignatura la disponibilidad del programador correspondiente para el integrado a utilizar.

DIFICULTAD: MÁXIMA

7.14 Simulación con PSPICE

Se propone igualmente la simulación de todos los sistemas haciendo uso de PSPICE, disponible en los ordenadores del laboratorio.

En este sentido, será necesario incluir los esquemáticos utilizados, así como las gráficas de las simulaciones temporales o frecuenciales obtenidas, discutiendo igualmente la adecuación de dichos resultados a las previsiones teóricas y a las medidas experimentales.

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DIFICULTAD: MEDIA (En función del número de subsistemas simulados y la completitud de dicha simulación)

7.15 Montaje en PCB

En la práctica básica se exige el montaje, como requisito mínimo, en placa de inserción, de modo que se valorará positivamente la construcción de los prototipos en placa de circuito impreso.

En este sentido, los alumnos interesados deberán contar con las herramientas software adecuadas (muchas de ellas disponibles de forma gratuita y accesibles vía Internet).

DIFICULTAD: ALTA

8 Normas de redacción de la memoria de la práctica

La memoria debe contener:

• Una portada indicando: nombre de la asignatura, título de la práctica, nombre completo de los autores, y su código correspondiente (el correspondiente a su turno: día de la semana, número de puesto y turno asignado)

• Un apartado indicando las mejoras realizadas, junto con un breve resumen de cada una de ellas.

• En la parte de caracterización digital, los esquemas utilizados en el proceso, así como los resultados obtenidos.

• En la parte de carácterización del montaje analógico, el análisis teórico de los circuitos desarrollados, junto con el cálculo de los componentes utilizados, justificando las aproximaciones que se han aplicado. Igualmente incluya los diagramas de Bode previstos de los amplificadores, así como las medidas realizadas (incorpore dichas medidas a la misma gráfica del diagrama de Bode, para facilitar la comparación). También es imprescindible argumentar los resultados obtenidos y hacer las comparaciones y razonamientos pedidos.

• En la parte de diseño práctico, las especificaciones de los diseños realizados, así como una descripción general de los mismos

• Una descripción exhaustiva de cada uno de los bloques que componen el sistema, justificando la solución adoptada. En el caso de los montajes analógicos, un estudio teórico de cada uno de ellos, justificando analíticamente los resultados obtenidos.

• El esquema final completo de los circuitos implementados, así como los valores de todos los componentes utilizados. No es necesario que incluya en un solo gráfico el sistema completo si no dispone de espacio para ello o la calidad final no es buena. Hágalo por partes si es necesario, detallando en un diagrama de bloques adicional las conexiones entre cada una de ellas.

• Si lo desea, puede incluir igualmente una copia en disquete de los documentos generados (memoria, simulaciones, etc.).

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9 Equipos y material disponible

Cada puesto de Laboratorio está compuesto de osciloscopio, fuente de alimentación y generador de funciones. Se proporcionará además, a los alumnos que lo soliciten sondas de osciloscopio para las medidas que así lo requieran.

Igualmente hay a disposición de los alumnos, catálogos de hojas de características de los dispositivos electrónicos susceptibles de ser utilizados en la práctica, además de haberse instalado un catálogo en formato electrónico en los ordenadores del Laboratorio.

Tanto para la petición de sondas como de manuales, el alumno deberá dejar un carnet identificativo a uno de los instructores de su turno. Dicho carnet le será devuelto una vez finalizado el uso o consulta del material prestado.

A lo largo del cuatrimestre, se pondrán a disposición de los alumnos un número de ordenadores tipo PC para simulación con PSPICE de los montajes de la práctica (opcional). La versión de evaluación de dicho programa estará disponible para cualquier alumno que lo solicite. Los equipos tienen instalado Windows NT versión 4, siendo el nombre de usuario a utilizar “alumno”, y la contraseña también la palabra “alumno”. Para editar sus diseños, hágalo en un subdirectorio creado por usted debajo de D:\ALUMNOS, con el nombre de su grupo, por ejemplo. Tenga igualmente en cuenta que debe guardar copias de seguridad de sus diseños, ante la posibilidad de que se borren o se pierdan por algún motivo. También es conveniente que, regularmente, guarde versiones de sus diseños con el objeto de que, en caso de que algo deje de funcionar, pueda recuperar una versión anterior válida. En [13] se dan más detalles al respecto.

10 Bibliografía

1. Method and apparatus for performing frequency spectrum inversion. D.A. Heerman. US Patent 5796838. Documento accesible desde http://www.patents.ibm.com

2. Scrambling Essentials. D. Ehlers. En http://www.transcrypt.com/Pages/scrames.html

3. Electronic Circuits: Analysis, simulation and design. N.R. Malik. Prentice Hall International Editions, 1995

4. Microelectronic Circuits. A. S. Sedra y K.C. Smith. 4ª edición. Oxford University Press. 1998

5. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits (Segunda edición). Sergio Franco. McGraw Hill International Editions 1998

6. MM54HC/74HC High Speech microCMOS Logic Family Databook. National Semiconductor Corporation

7. National Advanced Bipolar Logic Databook FAST/FASTr ALS/AS. National Semiconductor Corporation

8. National Operational Amplifiers Databook. National Semiconductor Corporation

9. Enunciado de la práctica del Laboratorio de Electrónica de Circuitos II del curso 1997/98. Modulador para secrafonía. Departamento de Ingeniería Electrónica. ETSI Telecomunicación. Universidad Politécnica de Madrid

10. Enunciado de la práctica del Laboratorio de Electrónica Digiral del curso 1993/94. Cifrado y descifrado de datos. Departamento de Ingeniería Electrónica. ETSI Telecomunicación. Universidad Politécnica de Madrid

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11. MC1596 Balanced Modulator. Nota de aplicación de MOTOROLA, Ref AN-531

12. Signals and Systems. A. V. Oppenheim y A.S. Willsky. Prentice may

13. Aspectos prácticos de diseño y medida en laboratorios de electrónica. Departamento de Publicaciones de la ETSIT-UPM. 2001.

14. Enunciados de la práctica del Laboratorio de Circuitos Electrónicos del curso 1998/1999 (Control remoto codificado) y 1999/2000 (Sistema de cifrado y descifrado de audio). Departamento de Ingeniería Electrónica. ETSI Telecomunicación. Universidad Politécnica de Madrid