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DESENVOLVIMENTO DE UM ANALISADOR PARA CABOS DE REDE DO TIPO PAR TRANÇADO (UTP)
GUILHERME ELIDIO FERRI
CAMPO GRANDE – MS 2010
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO DO SUL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DESENVOLVIMENTO DE UM ANALISADOR PARA CABOS DE REDE DO TIPO PAR TRANÇADO (UTP)
Dissertação submetida à
Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
GUILHERME ELIDIO FERRI
Campo Grande, Março de 2010.
Dedico este trabalho a Deus pela saúde e força, a minha família e esposa que sempre me apoiou e me incentivou e a meus amigos.
Obrigado.
AGRADECIMENTOS
São muitos os agradecimento que tenho a prestar. Primeiramente a Deus, pela
oportunidade de estar aqui hoje na busca pelo conhecimento e por ter me cercado de amigos
que nas horas felizes e nas horas difíceis nunca deixaram de me acompanhar.
Agradeço também meus pais, irmãos e esposa, pelo apoio e dedicação em prol da
minha felicidade, os quais procurei honrar em minhas atitudes e são sem dúvida minhas fontes
de inspiração.
Ao meu orientador, João Onofre, que acreditou em meu trabalho, dando suporte para
realizá-lo. A este tenho profundo respeito e apreço.
Aos amigos do laboratório BATLAB, que me apoiaram nos momentos de dificuldade e
propiciaram grandes momentos de alegria, que com certeza ficaram guardados em minha
memória por toda minha vida.
Ao Diretor do Centro de Tecnologia da Informação da Marinha, por disponibilizar um
período do dia para que eu concluí-se este trabalho. Aos meus novos colegas de trabalho na
Marinha do Brasil, em especial o Capitão-de-Corveta (T) Rogers, pela compreensão e apoio.
Ao Diretor do Centro de Eletrônica da Marinha, por disponibilizar seus laboratórios
para eu concluir meu projeto. Em especial ao Capitão-de-Corveta (EN) Auro e ao Primeiro-
Tenente (EN) Mendes.
Agradeço a Fundação de Apoio ao Desenvolvimento do Ensino, Ciência e Tecnologia
do Estado de Mato Grosso do Sul (FUNDECT) pelo apoio financeiro.
Um grande abraço, meus amigos. E que Deus
continue iluminando a todos.
ii
Resumo da Dissertação apresentada à UFMS como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
DESENVOLVIMENTO DE UM ANALISADOR PARA CABOS DE REDE DO TIPO PAR TRANÇADO (UTP)
GUILHERME ELIDIO FERRI Mar/2010
Orientador: Dr. João Onofre Pereira Pinto. Área de Concentração: Inteligência Computacional – Teoria e aplicação em sistema de
energia. Palavras-chave: Par trançado, analisador, UTP, redes. Número de Páginas: 88.
Este trabalho descreve o desenvolvimento de um analisador para cabos de rede do tipo par
trançado (UTP - Unshielded Twisted Pair) de baixo custo e que realize os dez testes exigidos
pela norma ANSIA/TIA/EIA-568B. O equipamento é composto por dois dispositivos, mestre
e escravo. O mestre é responsável por gerenciar e executar os testes e exibir os resultados ao
usuário. O escravo tem a finalidade de dar suporte ao mestre e executar três dos dez testes. O
projeto físico do mestre é dividido em quatro blocos, sendo estes, controle, transmissor,
amostragem e TDR (Time Domain Reflectometry). O bloco de controle é responsável pelo
gerenciamento, execução e exibição dos testes, este foi programado na linguagem C e se
utilizou o software MPLAB da microchip e Proteus da Labcenter Eletronics para sua
validação. Os blocos de transmissão e amostragem, destinados a geração e captura dos sinais
usados nos testes foram simulados com o auxílio do software Proteus. O bloco TDR, usado
para diagnosticar falhas no cabo foi simulado também com o software Proteus. Os resultados
obtidos nas simulações foram satisfatórios. Depois de simulados, foi construído um protótipo
que possibilitou a validação do equipamento.
iii
Abstract of Dissertation presented to UFMS as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.
DEVELOPMENT OF AN ANALYZER FOR NETWORK CABLES OF TYPE TWISTED PAIR (UTP)
GUILHERME ELIDIO FERRI
March /2010
Advisor: Dr. João Onofre Pereira Pinto.
Area of Concentration: Computing Intelligence. Theory and application in energy system.
Keywords: Twisted Pair, analyzer, UTP, network.
Number of Pages: 88.
This work describes the development of a low cost analyzer for network cables of type
twisted pair (UTP - Unshielded Twisted Pair) and that carry ten tests out required by
ANSIA/TIA/EIA-568B rule. The equipment is made up for two devices, master and slaver.
The master is responsible for the tests manage and show the results to the user. The slaver has
the aim to give support to the master and to carry three of the ten tests out. The master
physical project is divided in four blocks, which are, control, transmission, sample and TDR
(Time Domain Reflectometry). The control block is responsible for the manager, carrying out
and show the tests, this was programmed in C language and it used the MPLAB software
from microchip and Proteus from Labcenter Electronics for its validation. The transmission
and sample blocks, used for created and capture of signs used in the tests were simulated with
aid of Proteus software. The TDR block, used to diagnose fails in the cable was simulated
also with the Proteus software. The simulates results obtained was satisfactory. After its
simulate, was made a prototype that can the validation of equipment.
iv
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. viii
LISTA DE TABELAS ..................................................................................................... x
LISTA DE SÍMBOLOS ................................................................................................ xi
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 13
1.1 Objetivo ............................................................................................................ 13
1.2 Introdução ......................................................................................................... 13
1.3 Organização da Dissertação .............................................................................. 14
2 MEIOS DE TRANSMISSÃO ................................................................................ 15
2.1 Introdução ......................................................................................................... 15
2.2 Cabo de par trançado não blindado (UTP) ....................................................... 15
2.3 Tecnologia 10Base-T ........................................................................................ 18
2.4 Tecnologia 100Base-T ...................................................................................... 18
2.5 Tecnologia 1000Base-T .................................................................................... 19
2.6 Considerações finais ......................................................................................... 19
3 PADRÕES ............................................................................................................... 20
3.1 Introdução ......................................................................................................... 20
3.2 Principais tópicos abordados na certificação .................................................... 20
3.2.1 Mapa de fios ............................................................................................ 20
3.2.2 Perda por inserção ................................................................................... 22
3.2.3 Diafonia próxima (NEXT) ....................................................................... 23
3.2.4 Diafonia próxima por soma de potências (PSNEXT) .............................. 24
3.2.5 Diafonia distante de mesmo nível (ELFEXT) ......................................... 25
3.2.6 Diafonia distante por soma de potência de mesmo nível (PSELFEXT) .. 26
3.2.7 Perda de retorno ....................................................................................... 27
3.2.8 Atraso de propagação .............................................................................. 28
3.2.9 Comprimento do cabo ............................................................................. 29
3.2.10 Desvio de atraso .................................................................................... 29
3.3 Considerações finais ......................................................................................... 29
v
4 LINHAS DE TRANSMISSÃO .............................................................................. 30
4.1 Introdução ......................................................................................................... 30
4.2 Parâmetros característicos de uma linha de transmissão .................................. 30
4.2.1 Parâmetros Primários .............................................................................. 31
4.2.2 Parâmetros Secundários .......................................................................... 33
4.2.3 Atenuação e defasamento do sinal .......................................................... 34
4.3 Equações Gerais de tensão e corrente ............................................................... 35
4.4 Considerações finais ......................................................................................... 39
5 REFLECTOMETRIA NO DOMÍNIO DO TEMPO .......................................... 40
5.1 Introdução ......................................................................................................... 40
5.2 Propagação de uma onda eletromagnética (OEM) em um condutor ................ 40
5.3 Casamento de impedância................................................................................. 41
5.4 Reflexão de sinais ............................................................................................. 42
5.5 Considerações finais ......................................................................................... 44
6 DEFINIÇÃO DO HARDWARE ........................................................................... 45
6.1 Introdução ......................................................................................................... 45
6.2 Metodologia de Trabalho .................................................................................. 45
6.3 Definição do diagrama de blocos do ACR Mestre ........................................... 45
6.3.1 Bloco de Controle .................................................................................... 46
6.3.1.1 Display e Teclado ................................................................................. 46
6.3.1.2 Controle de Terra e Transceiver .......................................................... 47
6.3.1.3 Microcontrolador ................................................................................. 47
6.3.2 Bloco de Transmissão ............................................................................. 47
6.3.3 Bloco de Amostragem ............................................................................. 48
6.3.3.1 Comparador ......................................................................................... 49
6.3.4 Bloco TDR .............................................................................................. 49
6.3.4.1 Gerador de Pulso ................................................................................. 50
6.3.4.2 Contadores ........................................................................................... 51
6.4 Definição do diagrama de blocos do ACR Escravo.......................................... 52
6.4.1 Controle de Acoplamento ........................................................................ 53
6.5 Considerações finais ......................................................................................... 54
vi
7 DEFINIÇÃO DO SOFTWARE ............................................................................. 55
7.1 Introdução ......................................................................................................... 55
7.2 Fluxograma Resumido do Software .................................................................. 55
7.3 Protocolo de Comunicação ............................................................................... 56
7.3.1 Pacote de Controle ................................................................................... 56
7.3.2 Pacote de Dados ...................................................................................... 57
7.3.3 Pacote de Aviso ....................................................................................... 58
7.4 Fluxograma Geral do software ......................................................................... 59
7.5 Processo Inicial ................................................................................................. 60
7.6 Cálculo dos Resultados ..................................................................................... 61
7.6.1 Cálculo da Perda por Inserção e ELFEXT .............................................. 61
7.6.2 Cálculo da Perda de Retorno e NEXT ..................................................... 62
7.6.3 Cálculo da PSNEXT e PSELFEXT ......................................................... 63
7.7 Ajuste dos Resultados ....................................................................................... 63
7.8 Exibição dos Resultados ................................................................................... 64
7.9 Considerações finais ......................................................................................... 65
8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ..................................................................... 66
8.1 Introdução ......................................................................................................... 66
8.2 Protótipo do Mestre e Escravo .......................................................................... 66
8.3 Resultados Experimentais do Mestre ................................................................ 67
8.3.1 Bloco de Transmissão e Recuperação dos Sinais Amostrados ............... 67
8.3.2 Bloco de Amostragem ............................................................................. 69
8.3.2.1 Teste de Diafonia próxima (NEXT) ...................................................... 71
8.3.3 Bloco TDR .............................................................................................. 71
8.3.3.1 Gerador de pulso .................................................................................. 71
8.3.3.2 Identificador ......................................................................................... 72
8.4 Resultados Experimentais do Escravo .............................................................. 75
8.4.1 Bloco de Controle .................................................................................... 76
8.4.2 Bloco de Amostragem ............................................................................. 77
8.4.2.1 Teste de Diafonia distante de mesmo nível (ELFEXT) ....................... 78
8.5 Considerações Finais ........................................................................................ 79
9 CONCLUSÕES ....................................................................................................... 80
vii
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 82
ANEXO A – LAYOUT DO ACR MESTRE ............................................................... 84
ANEXO B – LAYOUT DO ACR ESCRAVO ............................................................. 85
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Cabo UTP [1]. ...................................................................................................... 16
Figura 2.2 - Distância máxima especificada para cabos UTPs [1]. .......................................... 17
Figura 3.1 – (a) Circuito aberto, (b) Curto circuito. ................................................................. 21
Figura 3.2 – (a) Direto, (b) Cruzado (crossover) e (c) Rollover. .............................................. 21
Figura 3.3 – Efeito da NEXT em dois pares [3]. ....................................................................... 23
Figura 3.4 – Soma das potências da Diafonia Próxima (PSNEXT) [3]. .................................... 25
Figura 3.5 – Processo de medição da FEXT. [3] ...................................................................... 26
Figura 3.6 – Processo simbólico da medição da PSELFEXT [3]. ............................................. 27
Figura 3.6 – Processo de medição do tempo de propagação em um cabo. ............................... 29
Figura 4.1 – Circuito equivalente de uma fatia de comprimento ∆z de uma linha de
transmissão [7]. .................................................................................................... 31
Figura 4.2 – Evolução da amplitude da onda incidente ao longo da linha [7] .......................... 38
Figura 5.2 – Igualdade de impedância entre fonte e carga [5]. ................................................. 42
Figura 5.3 – Impedância em função da freqüência. .................................................................. 42
Figura 5.4 – Reflexão do sinal emitido [5]. .............................................................................. 43
Figura 5.5 – Variação do coeficiente de reflexão em função da impedância da carga. ............ 43
Figura 5.6 – Relação da resistência da carga com o sinal refletido [16]. ................................. 44
Figura 6.1 – Diagrama de blocos do ACR Mestre. ................................................................... 46
Figura 6.2 – Definição do teclado. ............................................................................................ 46
Figura 6.3 – Circuito envolvendo o controle de terra e o transceiver. ..................................... 47
Figura 6.4 – Detalhamento do bloco transmissor. .................................................................... 48
Figura 6.5 – Detalhamento do bloco de amostragem. .............................................................. 48
Figura 6.7 – Detalhamento do circuito do gerador de pulso. .................................................... 50
Figura 6.8 – Detalhamento do circuito do identificador. .......................................................... 50
Figura 6.9 – Diagrama de tempo dos contadores de 16 bits em paralelo. ................................ 51
Figura 6.10 – Detalhamento dos contadores de 16 bits em paralelo. ....................................... 52
Figura 6.11 – Diagrama de blocos do escravo. ......................................................................... 52
Figura 6.12 – Acoplamento entre cabo UTP e carga. ............................................................... 53
Figura 6.13 – Detalhamento do circuito de controle de acoplamento. ..................................... 53
Figura 7.1 – Fluxograma resumido do software. ...................................................................... 55
Figura 7.2 – Fluxograma geral dos softwares do mestre e escravo. ......................................... 59
ix
Figura 7.3 – Diagrama de tempo da fase 1 no processo inicial do escravo. ............................. 60
Figura 7.4 – Diagrama de tempo da fase 2 no processo inicial do escravo. ............................. 61
Figura 7.5 – Representação da soma de potência sobre um par. .............................................. 63
Figura 7.6 – Diagrama do conteúdo de exibição do display durante processo de teste. ........... 64
Figura 7.7 – (a) Mapa de fios correto (b) Pinos em aberto (c) Pinos em curto circuito. .......... 64
Figura 8.1 – Protótipo do Mestre. ............................................................................................. 66
Figura 8.2 – Protótipo do Escravo. ........................................................................................... 67
Figura 8.3 – Simulação dos blocos de transmissão e amostragem. .......................................... 67
Figura 8.4 – Teste do processo de transmissão. ........................................................................ 68
Figura 8.5 – Processo de recuperação do sinal amostrado........................................................ 68
Figura 8.6 – (A) Sinal Amostrado, (B) Sinal após retificação. ................................................. 69
Figura 8.7 – (A) Sinal recuperado. (B) Tensão no Capacitor. .................................................. 69
Figura 8.8 – Simulação do comparador. ................................................................................... 70
Figura 8.9 – Teste do comparador. (A) Referência, (B) Sinal Recuperado e (C) Resultado. ... 70
Figura 8.10 – Efeito da NEXT sobre um par de fios. ............................................................... 71
Figura 8.11 – Teste do Gerador de Pulso. ................................................................................. 72
Figura 8.12 – Saídas dos amplificadores operacionais. ............................................................ 73
Figura 8.13 – Tensão dos sinais depois de retificados. ............................................................. 73
Figura 8.14 – Simulação do Identificador para um sinal refletido negativo. ............................ 74
Figura 8.15 – Teste real do Identificador para um sinal refletido negativo. ............................. 74
Figura 8.16 – Simulação do Identificador para um sinal refletido positivo.............................. 75
Figura 8.17 – Teste real do Identificador para um sinal refletido positivo. .............................. 75
Figura 8.18 – Teste dos sinais da Fase 1 no processo inicial. ................................................... 76
Figura 8.19 – Teste dos sinais da Fase 2 no processo inicial (Parte 1). .................................... 76
Figura 8.20 – Teste dos sinais da Fase 2 no processo inicial (Parte 2). .................................... 77
Figura 8.21 – (A e B) Sinais Transmitidos, (C e D) Sinais recebidos. ..................................... 77
Figura 8.22 – (A e B) Sinais diferenciais transmitidos e (C) Tensão no capacitor de
amostragem. ......................................................................................................... 78
Figura 8.23 – Efeito da ELFEXT sobre um par de fios. ........................................................... 78
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Categoria dos cabos UTP. .................................................................................... 16
Tabela 2.2 – Codificação dos pares para 10Base-T e 100Base-T............................................. 17
Tabela 3.1 – Valores limites de Perda Por Inserção permitida pelos órgãos de padronização
(ANSI/EIA/TIA). ................................................................................................. 22
Tabela 3.2 – Valores limites para NEXT permitidos pelos órgãos de padronização
(ANSI/EIA/TIA). ................................................................................................. 24
Tabela 3.3 – Valores limites para PSNEXT permitidos pelos órgãos de padronização
(ANSI/EIA/TIA). ................................................................................................. 25
Tabela 3.4 – Valores limites para ELFEXT permitidos pelos órgãos de padronização
(ANSI/EIA/TIA). ................................................................................................. 26
Tabela 3.5 – Valores limites para PSELFEXT permitidos pelos órgãos de padronização
(ANSI/EIA/TIA). ................................................................................................. 27
Tabela 3.6 – Valores limites para Perda de Retorno (Return Loss) permitidos pelos órgãos de
padronização (ANSI/EIA/TIA). ........................................................................... 28
Tabela 7.1 – Tipos de protocolo de comunicação. ................................................................... 56
Tabela 7.2 – Pacote de controle. ............................................................................................... 56
Tabela 7.3 – Códigos de operação (CO) e seus respectivos valores. ........................................ 56
Tabela 7.4 – Valores para cada par de fios do RJ-45. .............................................................. 57
Tabela 7.5 – Exemplo de envio de pacote de controle. ............................................................ 57
Tabela 7.6 – Pacote de Dados. .................................................................................................. 57
Tabela 7.7 – Tipo de Teste e seus valores. ............................................................................... 57
Tabela 7.8 – Freqüências usadas nos testes e seus códigos em binário. ................................... 58
Tabela 7.9 – Pacote de Aviso. ................................................................................................... 58
Tabela 7.10 – Tipos de avisos e seus códigos binários. ............................................................ 58
Tabela 7.11 – Armazenamento dos dados amostrados para perda por inserção e ELFEXT. ... 62
Tabela 7.12 – Armazenamento dos dados amostrados para perda de retorno e NEXT............ 62
xi
LISTA DE SÍMBOLOS
UTP -Unshielded Twisted Pair (Cabo de par trançado não-blindado) LAN -Local Area Network (Rede de comunicação local) EMI -Electromagnetic Interference (Interferência Eletromagnética) RFI -Radio FrequencyIinterference (Interferência por Radio Freqüência) bps -bits por segundo ISDN -Integrated Services Digital Network (Serviços integrados para rede
de comunicação digital) STP -Shielded Twited Pair (Cabo de par trançado blindado) EIA -Electronic Industries Alliance (Aliança das Indústrias Eletrônicas) TIA -Telecommunications Industry Association (Associação das Indústrias
de Telecomunicação) AWG -American Wire Gauge (Bitola de Fio Americano) PVC -Policloreto de vinila IEEE -Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de
Engenharia Elétrica e Eletrônica) NRZI -Non-Return to Zero Inverted (Não-Retorno a zero invertido) NEXT -Near-end Crosstalk (Linha Cruzada Próxima) FEXT -Far-end Crosstalk (Linha Cruzada Distante) PSNEXT -Power Sum Near-end Crosstalk (Soma de Potência para Linha
Cruzada próxima) PSFEXT -Power Sum Equal Level FEXT (Soma de Potência para Linha
Cruzada Distante) ELFEXT -Equal Level FEXT (FEXT de mesmo nível) VNP -Velocidade nominal de propagação do cabo v - Índice de refração C -Velocidade da Luz no vácuo (299792458 m/s) tp -Tempo de propagação TDR -Time Domain Reflectometer (Reflectometria no Domínio do Tempo) TT -Taxa de Torções de um cabo UTP zreal -Comprimento real do cabo R -Resistência por unidade de comprimento (Ω/m) L -Indutância por unidade de comprimento (H/m) G -Condutância por unidade de comprimento (S/m) C -Capacitância por unidade de comprimento (F/m) F/m -Farad por metro S/m -Siemens por metro H/m -Henry por metro Ω/m -Ohms por metro Ro -Resistência em corrente continua por unidade de comprimento d -Diâmetro do condutor sem isolação (mm) D -Distância entre os dois condutores (mm) Ρ -Resistividade do cobre (ρ=17.241 Ω.mm²/km) αt -Coeficiente médio de temperatura do condutor (cobre = 0.00382) ∆t -Variação da temperatura em relação a 20 ºC
xii
Rt -Resistência à temperatura t t -Temperatura do cabo R20ºC -Resistência do condutor a 20 ºC δ -Efeito Pelicular σcond -Condutividade do condutor (58.1 m/mm²) f -Freqüência em Hertz µ -Permeabilidade magnética do dielétrico r -Raio do condutor σdiel -Condutividade do dielétrico ε -Permeabilidade do dielétrico γ -Constante de propagação Zo -Impedância característica da linha α -Constante de atenuação β -Constante de fase Np -Neper (1 Np = 8.686 dB) dB -Decibéis Rad -Radianos z -Comprimento do cabo ∆z -Pequena seção da linha de transmissão VF -Tensão da fonte Vi -Tensão incidente Vr -Tensão refletida ΓL -Coeficiente de reflexão tr -Tempo de retorno PL -Potência na carga OEM -Onda Eletromagnética RF -Resistência da Fonte RL -Resistência da Carga XF -Parte reativa da Fonte XL -Parte reativa da Carga tpd -Time Popagation Delay (Atraso de propagação) Vpp -Tensão de pico-a-pico ACR -Analisador para Cabos de Rede ns -Nanosegundo (10-9 s) C1 -Contador 1 C2 -Contador 2 ADC -Conversor Analógico Digital
Capítulo 1 – Introdução
13
CAPÍTULO 1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é desenvolver um equipamento que permita a análise de cabos
do tipo par trançado usados na interconexão de computadores, visando minimizar o custo de
implementação do mesmo sem a perda das funcionalidades exigidas pelas normas
internacionais.
1.2 Introdução
Atualmente os computadores desempenham papel fundamental na sociedade, através
deles é possível ter acesso a uma grande quantidade de informações e funcionalidades em
tempo real. A interconexão entre os computadores pode ser feita de duas formas, através de
meios guiados (cabos de metal ou ópticos) ou não guiados (via ondas eletromagnéticas).
O cabo de par trançado não blindado (UTP) trata-se de um meio guiado de cobre que foi
desenvolvido para substituir os tradicionais cabos coaxiais, os fios que constituem os cabos
UTP são trançados por toda a extensão e envolvidos com uma capa protetora. As principais
características desse cabo é o suporte a altas freqüências, resistência física, redução da
interferência eletromagnética, fácil instalação e baixo custo. O cabo UTP é muito usado na
instalação de redes locais (LAN – Local Area Network), normalmente a topologia usada é a
estrela, onde todos os terminais estão conectados a um concentrador.
Os equipamentos de teste para cabos de transmissão de dados desempenham papel
fundamental na prevenção e diagnostico de falhas que normalmente estão relacionados com a
camada física. O que se verifica é que nem sempre os instrumentos de teste são usados, o
motivo principal é o elevado custo destes equipamentos. Esse trabalho se propõe a
desenvolver um equipamento que contenha todos os testes exigidos, para certificação de
cabos do tipo par trançado categorias 4, 5, 5e e 6, buscando reduzir o custo de produção do
equipamento.
O padrão ANSIA/TIA/EIA-568B especifica dez testes que o cabo de cobre deve passar
antes que possa ser usado em redes locais Ethernet de alta velocidade. Todos os links de cabos
Capítulo 1 – Introdução
14
deverão ser testados até a capacidade máxima que é aplicada a categoria do cabo em teste. Os
dez testes especificados estão descritos no capítulo 3.
1.3 Organização da Dissertação
O capítulo 2 apresenta os meios de comunicação, onde são abortados assuntos
pertinentes aos tipos de cabos de par trançado, suas características e as tecnologias que serão
testadas pelo analisador proposto neste trabalho. O capítulo 3 define os dez testes que são
usados para a certificação de cabos de rede do tipo par trançado, estes testes são definidos
pelo padrão internacional ANSIA/TIA/EIA-568B. Cada teste é detalhado e para os testes de
atenuação e linha cruzada as tabelas com valores limites são mostrados.
Os cabos de par trançado apresentam características estruturais que podem ser
modeladas de forma a definir as propriedades elétricas do cabo. O capítulo 4 exibe a teoria
das linhas de transmissão aplicada para cabos de par trançado de alta velocidade. Neste
capítulo são estudadas as equações que definem os parâmetros primários e secundários do
cabo. Em seguida são definidas duas equações, que representam à tensão e corrente em um
ponto qualquer do cabo.
O capítulo 5 apresenta o estudo sobre reflectometria no domínio do tempo (TDR).
Inicialmente são estudados os motivos pela quais existem reflexões em uma linha.
Posteriormente são mostradas as características das reflexões e quais suas utilidades neste
trabalho.
Os capítulos 6 e 7 mostram as definições do hardware e software do mestre e escravo.
No capítulo 6 os blocos que compõe os equipamentos são exibidos e detalhados. O capítulo 7
mostra as características do software através de fluxogramas.
O capítulo 8 apresenta os resultados experimentais que são obtidos através das
simulações e testes com o protótipo. O capítulo 9 apresenta a conclusão, dificuldades
encontradas, soluções propostas e sugestões para trabalhos futuros.
Capítulo 2 – Meios de Transmissão
15
CAPÍTULO 2
2 MEIOS DE TRANSMISSÃO
2.1 Introdução
Os meios de transmissão são classificados em duas formas gerais guiados e não-
guiados, sendo que, guiados são os condutores metálicos ou fibra ótica, e os não-guiados são
sinais que trafegam no formato de ondas eletromagnéticas ou microondas. Ambos os sinais
estão sujeitos a interferências do meio, os cabos de cobre, por exemplo, não apenas estão
expostos as interferências externas, mas também são limitados em extensão devido a
condições do próprio cabo.
Esta seção apresenta o estudo sobre cabos de par trançado do tipo UTP, suas aplicações
e características. Ao final deste capitulo é abordado as tecnologias que o equipamento usará
como base para seus testes.
2.2 Cabo de par trançado não blindado (UTP)
O cabo de par trançado não blindado (UTP), é constituído por quatro pares de fios
entrelaçados entre si, cada um dos oito fios individuais de cobre no cabo é coberto por um
material isolante. Esse tipo de cabo usa apenas o efeito de cancelamento, produzido pelos
pares de fios trançados para limitar a distorção do sinal causada por EMI (Interferência
eletromagnética) e RFI (interferência de radio freqüência) e a diafonia, que consiste na
interferência provocada pelos cabos adjacentes. Para reduzir a diafonia entre os pares no cabo
UTP, o número de tranças de cada categoria de cabos varia. O cabo UTP deve seguir
criteriosamente as especificações que se refere à quantidade de tranças que são permitidas por
metro de cabo. A Tabela 2.1 mostra a relação dos cabos UTPs e suas respectivas categorias.
Capítulo 2 – Meios de Transmissão
16
Tabela 2.1 – Categoria dos cabos UTP.
Categoria Descrição de Uso Exemplos de Redes
1 Cabos com taxa de transmissão Sistema de alarmes, telefone e outras de até 56 Kbps. aplicações não críticas.
2 Cabos com taxa de transmissão Sistemas com baixa transferência de até 1 Mbps de dados
3 Cabos e hardware com largura 10BaseT, Token-Ring de 4Mbps, de banda de até 16 MHz 100BaseT4, 100VG-AnyLan, ISDN.
4 Cabos e hardware com largura Token-Ring de 16Mbps, 10BaseT de banda de até 20 MHz
5 Cabos e hardware com largura 100BaseTX, Sonet, OC-3 (ATM) de banda de até 100 MHz
6 Cabos e hardware com largura 1000BaseT, 1000BaseTX banda de até 250 MHz
Fonte [10]
Os cabos UTPs são constantemente utilizados em projetos de redes, por fatores físicos e
econômicos, pois ele é de fácil manuseio e instalação e principalmente o baixo custo de
aquisição considerando os parâmetros de custo e desempenho.
Existe no mercado o STP (Shielded Twited Pair), que é também um cabo de par
trançado, mas que apresenta blindagem contra interferência externa, sua aplicação geralmente
é em locais com fortes interferências geradas, por exemplo, por motores de uma indústria.
Figura 2.1 – Cabo UTP [1].
Cabos UTP possuem oito fios (quatro pares) com cores distintas, como mostra a Figura
2.1, mas tanto no padrão 10Base-T quanto no 100Base-T (10 Mbps e 100 Mbps,
respectivamente) apenas quatro desses fios (dois pares) são realmente utilizados. Um par é
usado para transmissão dos dados e outro para recepção. A Tabela 2.2 mostra os pares usados
na transmissão e recepção em um cabo UTP.
Capítulo 2 – Meios de Transmissão
17
A sigla TD significa transmissor diferencial, os sinais positivo (+) e negativo (-)
indicam que um é o inverso do outro, a sigla RD é o receptor diferencial que é conectado ao
transmissor mantendo os sinais positivo e negativo, esses sinais são mostrados na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Codificação dos pares para 10Base-T e 100Base-T.
Pinos Cor Função 1 Branco/Verde +TD 2 Verde -TD 3 Branco/Laranja +RD 4 Azul Não usado 5 Branco/Azul Não usado 6 Laranja -RD 7 Branco/Marrom Não usado 8 Marrom Não usado
Como qualquer condutor metálico, o cabo UTP tem seu comprimento limitado por suas
condições físicas, segundo a EIA/TIA 568, após 100 metros não é garantida a entrega correta
dos dados. A Figura 2.2 mostra a distância máxima especificadas para cabos UTP sem o uso
de repetidores.
Figura 2.2 - Distância máxima especificada para cabos UTPs [1].
Os cabos de categoria 4 tem uma impedância característica de 100 ohms com 22 ou 24
AWG, e é testado para uma largura de banda de 20MHz. O cabo de categoria 4 funciona bem
com instalações 10Base-T, com transmissão de 10 Mbps sobre banda base.
Os cabos de categoria 5 e 5e são compostos por 4 pares de fios trançados sem
blindagem com 22 ou 24 AWG e uma impedância característica de 100 ohms. Testado para
uma largura de banda de 100 MHz, esse cabo é capaz de transportar uma sinalização de 100
Mbps.
Os cabos de categoria 6 também são compostos de 4 pares de fios de cobre de 24 AWG
isolados em polietileno especial, envoltos com uma capa de PVC. A principal diferença entre
as categorias 4, 5, 5e e 6 é o número de tranças por metro, que segundo [11] dois fios em
paralelo formam uma antena simples. Quando os fios são trançados, as ondas de diferentes
partes dos fios se cancelam, o que significa menor interferência. Quanto maior a categoria
maior a quantidade de espiras e menor a interferência [4].
Capítulo 2 – Meios de Transmissão
18
2.3 Tecnologia 10Base-T
A tecnologia 10Base-T foi introduzida em 1990, ela usa cabos de cobre trançados, não
blindados (UTP), que é mais barato e mais fácil de instalar que o cabo coaxial. O cabo é
conectado a um dispositivo central. Esse dispositivo pode ser um hub, ele se localizava no
centro de um conjunto de cabos que são distribuídos aos computadores, conhecido como
topologia estrela. Originalmente, 10Base-T usava um protocolo half-duplex, onde as
transmissões ocorrem em uma direção de cada vez, posteriormente foi introduzida a
tecnologia full-duplex.
A tecnologia Ethernet 10Base-T usa codificação Manchester, seu comprimento máximo
é de 90 metros para cabos horizontais segundo os padrões de infra-estrutura da
ANSI/EIA/TIA 568, seu conector é o RJ-45 de oito pinos.
2.4 Tecnologia 100Base-T
Segundo [11], o padrão 802.3u, foi oficialmente aprovado pelo IEEE em 1995. Esse
padrão popularmente conhecido como fast Ethernet não era um padrão novo, mas sim uma
evolução do padrão Ethernet. Sua principal melhoria foi a redução do tempo de bit, que antes
era de 100ns passou a ser 10ns, portanto essa tecnologia transporta dados a uma taxa de 100
Mbps com uma freqüência de sinalização de 100 MHz.
O projeto 100Base-T baseado no 10Base-T, usa cabos de par trançado de categoria 5 ou
superior, para transmitir 100 Mbps em banda base. São usados somente dois pares trançados,
um transmissor e outro receptor.
Segundo [11] essa nova tecnologia não usa mais uma codificação binária comum de
dois níveis significativos, ela possui um esquema chamado 4B/5B que basicamente
transforma 4 bits em 5 bits, essa codificação foi criada para evitar que uma seqüência de três
bits zeros consecutivos estejam presentes na linha de transmissão. Segundo [10] a codificação
4B/5B foi criada para resolver os problemas causados por zeros consecutivos da codificação
Manchester, no entanto ainda restava o problema de uns consecutivos, foi então adotado a
codificação NRZI (Non-Return to Zero Inverted), que se preocupa com uns seguidos. “Juntas
as codificações 4B/5B e NRZI obtiveram uma eficiência de 80% na transmissão”[10].
Capítulo 2 – Meios de Transmissão
19
2.5 Tecnologia 1000Base-T
Segundo [11], o padrão 802.3z conhecido como gigabit Ethernet foi ratificada pelo
IEEE em 1998. O objetivo dessa nova tecnologia era o mesmo do padrão 802.3u, que consiste
em aumentar sua velocidade em dez vezes, passando o tempo de bit de 10ns para 1ns e manter
os padrões de quadros da Ethernet.
As redes Ethernet de gigabit que utiliza a tecnologia 1000Base-T usam um esquema de
codificação diferente, pois a transmissão de dados em fios de cobre com tempo de bit de 1ns é
muito difícil. Essa solução utiliza os quatro pares trançados de categoria 5e para permitir a
transmissão de quatro símbolos em paralelo. “Esse esquema permite que um único símbolo
codifique 00, 01, 10, 11 ou um valor especial para fins de controle” [11]. Desse modo, um par
de fios transmite dois bits simultâneos, tendo o cabo quatro pares, a quantidade de bits por
ciclo é de oito bits. Com um sinal a 125 MHz, sendo 8 bits transmitidos por ciclo, tem-se 8
bits vezes 125 MHz o que resulta em 1 Gbps [11].
2.6 Considerações finais
Os cabos UTPs são o centro do desenvolvimento deste trabalho, no entanto o cabo é um
condutor de informações e existem várias tecnologias operando junto a ele. As tecnologias
10Base-T, 100Base-T e 1000Base-T foram escolhidas em virtude da sua grande aceitação
mundial na confecção de redes de computadores. O equipamento final de análise deverá ser
capaz de realizar os testes com base nessas tecnologias.
Capítulo 3 – Padrões
20
CAPÍTULO 3
3 PADRÕES
3.1 Introdução
Este capítulo tem por objetivo apresentar os tópicos abordados na certificação de cabos
de par trançado destinados à comunicação de dados. São necessários dez testes para certificar
que o cabo está em condições de transmitir sem percas consideráveis de dados.
3.2 Principais tópicos abordados na certificação
Segundo a norma ANSIA/TIA/EIA-568B, dez testes devem ser realizados em um cabo
do tipo par trançado antes que possa ser usado. O cabo é considerado certificado se nenhum
dos dez testes resultarem em valores discrepantes dos exigidos pela norma. Os dez testes são
os seguintes:
• Mapa de fios
• Perda por inserção
• Diafonia próxima (NEXT – Near-end crosstalk)
• Diafonia próxima por soma de potências (PSNEXT – Power sum near-end
crosstalk)
• Diafonia distante de mesmo nível (ELFEXT – Equal-level far-end crosstalk)
• Diafonia distante por soma de potência de mesmo nível (PSELFEXT – Power sum
equal-level far-end crosstalk)
• Perda de retorno
• Atraso de propagação
• Comprimento do cabo
• Desvio de atraso
3.2.1 Mapa de fios
O padrão Ethernet especifica que cada um dos pinos em um conector RJ-45 tenha um
determinado propósito. Uma placa de rede transmite sinais nos pinos 1 e 2, e recebe sinais nos
Capítulo 3 – Padrões
21
pinos 3 e 6 para as tecnologias Ethernet e fast Ethernet. A gigabit Ethernet usa todos os
quatro pares de fios durante a transmissão [1].
Os fios do cabo UTP precisam estar conectados aos pinos corretos de cada extremidade
de um cabo. O teste de mapa de fios garante que não existe nenhum circuito aberto ou curto
no cabo. Um circuito aberto ocorre se o fio não for ligado corretamente ao conector. Um curto
circuito ocorre se dois fios forem ligados um ao outro. A Figura 3.1 mostra um mapa de fios
sinalizando um circuito aberto (a) e outro um curto circuito (b).
Figura 3.1 – (a) Circuito aberto, (b) Curto circuito.
O conector pode ter três formas diferentes de configurações, direto, cruzado e rollover.
A Figura 3.2 mostra a ligação que é feita nos pinos do conector para cada tipo de
configuração.
12345678
12345678
Mapa de Fios
(a)
123
45
6
78
123
45
6
78
Mapa de Fios
(b)
12345678 1
2345678
Mapa de Fios
(c) Figura 3.2 – (a) Direto, (b) Cruzado (crossover) e (c) Rollover.
O tipo Rollover é usado para conectar um computador à entrada de console de
roteadores e switchs. O mapa de fios deve ser capaz de mostrar as conexões dos pares de fios
e classificar sua configuração, se um pino estiver conectado de forma errada em uma das
pontas este teste é capaz de identificar a falha e mostrá-la.
Capítulo 3 – Padrões
22
3.2.2 Perda por inserção
Sinais eletromagnéticos ao trafegar por um condutor metálico perdem intensidade, e em
cabos de rede, procede da mesma forma. Quanto maior a atenuação, menor a amplitude do
sinal presente no receptor. A atenuação é proporcional ao comprimento do cabo. Ela é
geralmente medida em decibéis, e como se trata da redução do sinal em relação ao sinal
original, seu valor é negativo [1]. A atenuação do cabo também está relacionada com o
diâmetro do condutor e com a temperatura ambiente.
A diferença de impedância ou descontinuidade de impedância entre conector e cabo
provoca a reflexão de parte do sinal, reduzindo mais ainda a amplitude e contribuindo para a
atenuação. A combinação dos efeitos da atenuação do sinal e as descontinuidades de
impedância em uma linha de comunicações são chamadas de perda por inserção. A perda por
inserção é medida inserindo um sinal no cabo e medindo o sinal presente na extremidade mais
distante, geralmente o valor obtido é expresso em decibéis. “O padrão TIA/EIA exige que um
cabo e seus conectores passem por um teste de perda por inserção antes que possam ser
usados como link de comunicações em uma rede local” [1]. A Tabela 3.1 mostra os valores
limitantes para perda por inserção para as categorias 3, 4, 5, 5e e 6.
Tabela 3.1 – Valores limites de Perda Por Inserção permitida pelos órgãos de padronização (ANSI/EIA/TIA).
Freqüência (MHz)
Cat. 3 (dB/100m)
Cat. 4 (dB/100m)
Cat. 5 (dB/100m)
Cat. 5e (dB/100m)
Cat. 6 (dB/100m)
1 4.2 2.6 2.5 2.0 2.0 4 7.3 4.8 4.5 4.1 3.8 8 10.2 6.7 6.3 5.8 5.3
10 11.5 7.5 7.0 6.5 6.0 16 14.9 9.9 9.2 8.2 7.6 20 11.0 10.3 9.3 8.5 25 11.4 10.4 9.5
31,25 12.8 11.7 10.7 62,5 18.5 17.0 15.4 100 24.0 22.0 19.8 125 22.4 155 25.2 200 29.0 225 31.0 250 32.8
Fonte [4]
Capítulo 3 – Padrões
23
3.2.3 Diafonia próxima (NEXT)
Quando uma corrente flui através de um condutor, um campo eletromagnético é criado
em torno deste, e este pode gerar interferência nos condutores adjacentes, esse efeito é
chamado de diafonia e é proporcional ao aumento da freqüência. No caso do cabo UTP, cada
par é trançado e os sinais transmitidos são diferenciais com o objetivo de cancelamento de
campo mútuo, tornando o efeito de cancelamento proporcional ao número de espiras, portanto
quanto maior for à quantidade de tranças do par, menor será o efeito da diafonia e
consequentemente, maior será a taxa de transmissão que o cabo suporta [2].
A diafonia NEXT do inglês Near-end crosstalk, trata-se da interferência provocada por
um par de fios próximo ao outro e a magnitude da interferência medido na mesma
extremidade do transmissor, a Figura 3.3 mostra esse efeito, verifica-se que o sinal sendo
transmitido com uma tensão Ve gera uma outra tensão Vr em seu adjacente, a medição de Vr
permite calcular o efeito da NEXT para aquele par. Com o sinal inserido em um par os outros
três são medidos, após muda-se o gerador para outro par, e novamente amostram-se os pares
restantes, esse processo se repete até que todos os pares tenham sidos conectados ao gerador.
Ao termino de todas as amostras, calcula-se o resultado de todos os valores amostrados
usando a Equação 3.1. Com os resultados obtidos, seleciona-se o pior caso, ou seja, o par que
apresente menor valor em decibéis.
O valor da NEXT é negativo e expresso em decibéis, no entanto, normalmente não se
mostra o valor como sendo negativo, portanto quanto menor for Vr maior o valor em decibéis
e menor a interferência, por exemplo, 80dB em termos de NEXT é melhor que 50dB.
Figura 3.3 – Efeito da NEXT em dois pares [3].
O efeito da NEXT é calculado usando como referência a tensão do sinal emitido, a
Equação 3.1 mostra como calcular a NEXT em decibéis.
)(*20e
rV
VLogNEXT = (3.1)
Capítulo 3 – Padrões
24
Os resultados obtidos nos testes devem ser comparados com os valores estipulados pelas
normas de utilização destes cabos, a Tabela 3.2 mostra os valores limites de NEXT que cada
categoria pode ter, valores menores que os estipulados podem ocasionar redução da qualidade
de transmissão.
Tabela 3.2 – Valores limites para NEXT permitidos pelos órgãos de padronização (ANSI/EIA/TIA).
Freqüência (MHz)
Cat. 3 (dB/pior par)
Cat. 4 (dB/ pior par)
Cat. 5 (dB/ pior par)
Cat. 5e (dB/ pior par)
Cat. 6 (dB/ pior par)
1 39.1 53.3 60.3 65.3 74.3 4 29.3 43.3 50.6 56.3 65.3 8 24.3 38.2 45.6 51.8 60.8
10 22.7 36.6 44.0 50.3 59.3 16 19.3 33.1 40.6 47.3 56.2 20 31.4 39.0 45.8 54.8 25 37.4 44.3 53.3
31,25 35.7 42.9 51.9 62,5 30.6 38.4 47.4 100 27.1 35.3 44.3 125 42.8 155 41.4 200 39.8 225 39.0 250 38.3
Fonte [4]
3.2.4 Diafonia próxima por soma de potências (PSNEXT)
A NEXT por Soma de Potências (PSNEXT – Power sum near-end crosstalk) mede o
efeito acumulado da NEXT de todos os pares de fios no cabo. A PSNEXT é computada para
cada par de fios baseada nos efeitos da NEXT dos outros três pares. O efeito combinado da
diafonia de múltiplas fontes simultâneas de transmissão pode ser muito prejudicial ao sinal. A
certificação TIA/EIA-568-B exige o teste da PSNEXT [1].
Alguns padrões Ethernet como 10BASE-T e 100BASE-TX recebem dados de apenas
um par de fios em cada direção. No entanto, para as novas tecnologias como é o caso do
1000BASE-T que recebe dados simultaneamente de vários pares na mesma direção, as
medições de soma de potências é um teste muito importante. A Figura 3.4 mostra o
procedimento usado para calcular a PSNEXT.
Capítulo 3 – Padrões
25
Figura 3.4 – Soma das potências da Diafonia Próxima (PSNEXT) [3].
A Tabela 3.3 mostra os valores mínimos que um par pode receber de interferência dos
seus adjacentes, assim como a NEXT a PSNEXT é expressa em decibéis e um valor maior
representa menor interferência.
Tabela 3.3 – Valores limites para PSNEXT permitidos pelos órgãos de padronização (ANSI/EIA/TIA).
Freqüência (MHz)
Cat. 3 (dB)
Cat. 4 (dB)
Cat. 5 (dB)
Cat. 5e (dB)
Cat. 6 (dB)
1 57.0 62.3 72.3 4 50.6 53.3 63.3 8 45.6 48.8 58.8
10 44.0 47.3 57.3 16 40.6 44.3 54.2 20 39.0 42.8 52.8 25 37.4 41.3 51.3
31,25 35.7 39.9 49.9 62,5 30.6 35.4 45.4 100 27.1 32.3 42.3 125 40.8 155 39.4 200 37.8 225 37.0 250 36.3
Fonte [4]
3.2.5 Diafonia distante de mesmo nível (ELFEXT)
A ELFEXT (Equal Level Fext) é um cálculo que normaliza os efeitos da FEXT (Far End
Cross Talk). A Figura 3.5 mostra o processo de medição da FEXT.
Capítulo 3 – Padrões
26
Figura 3.5 – Processo de medição da FEXT. [3]
A FEXT é medida na extremidade distante do cabo e não leva em consideração a
atenuação sofrida pelo sinal ao se propagar pelo par, a ELFEXT é a FEXT com a atenuação,
esse valor qualifica melhor o efeito provocado pelo par adjacente. A ELFEXT é expressa em
decibéis, seu valor é calculado usando a Equação 3.1. Os efeitos provocados pela FEXT são
mais prejudiciais em redes de alta velocidade principalmente 1000Base-T, a Tabela 3.4
mostra os valores exigidos pelas normas internacionais para cada freqüência.
Tabela 3.4 – Valores limites para ELFEXT permitidos pelos órgãos de padronização (ANSI/EIA/TIA).
Freqüência (MHz)
Cat. 3 (dB/pior par)
Cat. 4 (dB/ pior par)
Cat. 5 (dB/ pior par)
Cat. 5e (dB/ pior par)
Cat. 6 (dB/ pior par)
1 57.0 63.8 67.8 4 45.3 51.7 55.8 8 39.3 45.7 49.7
10 37.4 43.8 47.8 16 33.3 39.7 43.7 20 31.4 37.7 41.8 25 29.4 35.8 39.8
31,25 27.5 33.9 37.9 62,5 21.5 27.8 31.9 100 17.4 23.8 27.8 125 25.9 155 24.0 200 21.8 225 20.8 250 19.8
Fonte [4]
3.2.6 Diafonia distante por soma de potência de mesmo nível (PSELFEXT)
PSELFEXT (Power Sum Equal Level FEXT) é um cálculo e não uma medida. Ele é
derivado de uma soma algébrica dos efeitos individuais do ELFEXT em cada par, pelos três
outros pares. Segundo [4], é importante conhecer o PSELFEXT e o PSNEXT para garantir que
Capítulo 3 – Padrões
27
o cabeamento transmita nos quatro pares ao mesmo tempo (Full-Duplex) como ocorre na
Gigabit Ethernet. A Figura 3.6 mostra o processo simbólico para medição da PSELFEXT.
Figura 3.6 – Processo simbólico da medição da PSELFEXT [3].
A Tabela 3.5 exibe os valores limites para a interferência distante por soma de potência,
valores maiores que estes podem ocasionar na redução da capacidade de recepção ou
transmissão dos equipamentos envolvidos.
Tabela 3.5 – Valores limites para PSELFEXT permitidos pelos órgãos de padronização (ANSI/EIA/TIA).
Freqüência (MHz)
Cat. 3 (dB/pior par)
Cat. 4 (dB/ pior par)
Cat. 5 (dB/ pior par)
Cat. 5e (dB/ pior par)
Cat. 6 (dB/ pior par)
1 54.4 60.8 64.8 4 42.4 48.7 52.8 8 36.3 42.7 46.7
10 34.4 40.8 44.8 16 30.3 36.7 40.7 20 28.4 34.7 38.8 25 26.4 32.8 36.8
31,25 24.5 30.9 34.9 62,5 18.5 24.8 28.9 100 14.4 20.8 24.8 125 22.9 155 21.0 200 18.8 225 17.8 250 16.8
Fonte [4]
3.2.7 Perda de retorno
A perda de retorno é medida em decibéis, que mostra as reflexões que são causadas
pelas descontinuidades de impedância em todos os locais ao longo do link. O principal
problema da perda de retorno não é a redução da intensidade do sinal. “O problema mais
significativo é que os ecos de sinais causados pelas reflexões das descontinuidades de
impedância atingirão o receptor a diferentes intervalos causando o atraso de sincronismo do
Capítulo 3 – Padrões
28
sinal” [1]. A Tabela 3.6 mostra os valores limites que um par de fios pode ter de reflexões
causadas por descontinuidades de impedância.
Tabela 3.6 – Valores limites para Perda de Retorno (Return Loss) permitidos pelos órgãos de padronização (ANSI/EIA/TIA).
Freqüência (MHz)
Cat. 3 (dB/pior par)
Cat. 4 (dB/ pior par)
Cat. 5 (dB/ pior par)
Cat. 5e (dB/ pior par)
Cat. 6 (dB/ pior par)
1 17.0 20.0 20.0 4 17.0 23.1 23.0 8 17.0 24.5 24.5
10 17.0 25.0 25.0 16 17.0 25.0 25.0 20 17.0 25.0 25.0 25 16.0 24.3 24.3
31,25 15.1 23.6 23.6 62,5 12.1 21.5 21.5 100 10.0 20.1 20.1 125 19.4 155 18.8 200 18.0 225 17.6 250 17.3
Fonte [4]
3.2.8 Atraso de propagação
O atraso de propagação é o tempo gasto por um sinal para percorrer toda a extensão de
um cabo. O atraso em um par de fios depende do seu comprimento, taxa de torcimento e
propriedades elétricas.
A medição de atraso de propagação é à base de cálculo do comprimento do cabo, como
mostra a Equação 3.2. O padrão TIA/EIA-568-B.1 especifica que o comprimento físico do
link será calculado usando-se o par de fios com o menor atraso elétrico.
tpcVNPz ××= )( (3.2)
• z é o comprimento do cabo.
• VNP é a velocidade nominal de propagação do cabo, que para cabos UTP é de 68%.
• c é a velocidade da luz no vácuo.
• tp é o tempo de propagação de um pulso ao longo do cabo.
O processo de medição do tempo de propagação de uma onda eletromagnética em um
cabo está mostrado na Figura 3.6.
Capítulo 3 – Padrões
29
Figura 3.6 – Processo de medição do tempo de propagação em um cabo.
3.2.9 Comprimento do cabo
Os testadores medem o comprimento do fio baseando-se no tempo gasto por um pulso
elétrico em percorrer toda a extensão do cabo, um TDR (Reflexão no Domínio do Tempo) é
geralmente usado para este fim. Os fios internos do cabo UTP são trançados e seu
comprimento é maior que o medido externamente. Quando um testador de cabos faz uma
medição TDR, ele envia um sinal de pulso ao longo do par de fios e mede o tempo exigido
para que o pulse volte ao mesmo par de fios, esse tempo é relativo ao comprimento real dos
pares, para se obter o comprimento externo do cabo é necessário conhecer a taxa de torções
(TT) do cabo, que exprime a porcentagem em que o cabo é maior em relação ao tamanho real.
A Equação 3.3 mostra como calcular o comprimento real de um cabo.
)1( TTzzreal −×= (3.2)
3.2.10 Desvio de atraso
O atraso de propagação pode ser diferente entre os pares em um único cabo devido às
diferenças no número de tranças e propriedades elétricas de cada par de fios. A diferença de
atraso entre pares é conhecida como desvio de atraso. O desvio de atraso é um parâmetro
crítico para redes de alta velocidade nas quais os dados são simultaneamente transmitidos. Se
o desvio de atraso entre os pares for muito grande, os bits chegam em diferentes tempos e os
dados não podem ser reagrupados adequadamente.
3.3 Considerações finais
Um cabo de rede é certificado quando os dez testes são aplicados e nenhum deles
resulte em valores maiores que os exigidos pelas normas. O fato de um cabo não passar em
um determinado teste não implica na sua impossibilidade de transmissão, mas sim que sua
capacidade máxima poderá não ser alcançada. Apenas o teste de mapa de fios quando
negativo implica na inoperância do cabo.
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
30
CAPÍTULO 4
4 LINHAS DE TRANSMISSÃO
4.1 Introdução
Este capítulo tem por objetivo apresentar o estudo sobre linhas de transmissão, a qual se
destina a compreensão dos efeitos naturais sofridos por sinais ao trafegar por condutores
metálicos, esta teoria pode ser aplicada para compreender os efeitos ocorridos na transmissão
em par trançado. A princípio é mostrado o cálculo dos parâmetros primários de uma linha de
transmissão, que em seguida são usados para calcular os parâmetros secundários. Por fim, é
definida uma equação geral que determina a tensão e a corrente em um ponto qualquer da
linha.
4.2 Parâmetros característicos de uma linha de transmissão
Segundo [7], uma seção horizontal de linha é formada pelo esquema representado na
Figura 4.1. Os elementos desse esquema são chamados de parâmetros primários, classificados
em parâmetros horizontais e parâmetros verticais.
• Parâmetros horizontais:
Ø R (Ω/m): resistência por unidade de comprimento incluindo o efeito pelicular.
Ø L (H/m): indutância por unidade de comprimento.
• Parâmetros verticais:
Ø G (S/m): condutância transversal por unidade de comprimento.
Ø C (F/m): capacitância por unidade de comprimento.
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
31
Figura 4.1 – Circuito equivalente de uma fatia de comprimento ∆z de uma linha de transmissão [7].
Uma linha de transmissão é dividida em parâmetros horizontais (indutância e
resistência) e parâmetros verticais (capacitância e condutância). Os parâmetros horizontais são
responsáveis pela redução da amplitude do sinal que trafega pela linha, no caso dos
parâmetros verticais a condutância é responsável por fugas de corrente pelo isolamento e a
capacitância expressa a capacidade que o cabo tem em armazenar energia entre os condutores.
Todos esses fatores estão distribuídos pelo cabo, para saber o seu valor em uma linha de
tamanho z basta multiplicar pelo valor do parâmetro (R, L, G e C) [7], os cálculos de
resistência, indutância, condutância e capacitância serão descritos nesta seção.
4.2.1 Parâmetros Primários
Resistência ôhmica em corrente continua – Ro:
Em alguns momentos durante a transmissão o comprimento de onda de um sinal pode
ser maior que o tamanho da linha de transmissão, nesse período um sinal contínuo está
presente no cabo, conhecer a resistência ôhmica em corrente contínua permite saber
previamente o que ocorre com o sinal nesta situação. A resistência em corrente contínua é
representada pela letra Ro, seu cálculo é baseado nas propriedades físicas do cabo, neste caso
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
32
um cabo de cobre com resistividade ρ = 17.241Ω.mm2/Km e diâmetro d, a Equação 4.1
mostra o cálculo da resistência em corrente continua.
Kmdd
Ro /448
22Ω≅=
πρ
(4.1)
A resistência ôhmica de um condutor depende do material que ele foi construído, do
coeficiente médio de temperatura e da temperatura ambiente onde o cabo está implantado.
Costuma-se usar 20 ºC como temperatura de referência para calcular a resistência à
temperatura t [9], como mostra a Equação 4.2.
Ω∆+= )1(º20 tRR tCt α (4.2)
• αt é o coeficiente médio de temperatura (cobre = 0,00382).
• ∆t é a variação da temperatura em relação a 20 ºC.
Resistência ôhmica em corrente alternada – R:
Antes de calcular a resistência em corrente alternada é necessário compreender um
efeito que ocorre na transmissão de sinais eletromagnéticos, principalmente quando aplicado a
altas freqüências, esse efeito se traduz na concentração da corrente nas proximidades da
superfície reduzindo a área de condução e consequentemente aumentando a resistência. No
entanto o efeito pelicular (δ), assim como é conhecido, é mais agravante em altas freqüências.
A Equação 4.3 mostra como calcular o efeito pelicular [7].
condf σµπδ
...
1= (4.3)
• σcond é a condutividade do condutor, neste caso o cobre (58,1 S.m/mm2).
• f é a freqüência em Hertz.
• µ é a permeabilidade magnética do dielétrico.
A Equação 4.4 permite calcular a resistência em corrente alternada por unidade de
comprimento considerando o efeito pelicular.
]/[...1
mr
Rcond
Ω=σδπ
(4.4)
• r é o raio do condutor.
Indutância – L:
A indutância está relacionada ao campo magnético criado pela corrente que passa pelo
condutor, a Equação 4.5 mostra o calculo para este parâmetro.
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
33
]/[2
cosh 1 mHr
DL −=
πµ
(4.5)
• D é a distância entre os dois condutores.
Condutância – G:
A condutância representa as fugas através da isolação do cabo, sua unidade de medida é
o Siemens, a equação 4.6 mostra o cálculo da condutância [8].
]/[
2cosh 1
KmS
rD
G diel
−=
πσ (4.6)
• σdiel é a condutividade do dielétrico.
Capacitância – C:
Segundo [8], esse parâmetro demonstra a capacidade dos dois condutores em armazenar
energia sob a forma de campo elétrico quando existir uma diferença de potencial entre os
condutores.
A Equação 4.7 é utilizada para o cálculo da capacitância entre dois fios cilíndricos
isolados.
]/[
2cosh 1
mF
rD
C−
=πε
(4.7)
• ε é permeabilidade do dielétrico.
4.2.2 Parâmetros Secundários
De posse dos quatro parâmetros primários é possível calcular os parâmetros
secundários, que consiste em uma nova categoria de parâmetros que descrevem melhor o
comportamento do cabo [8].
Basicamente os parâmetros secundários de uma linha de transmissão é a impedância
característica Zo e a constante de propagação γ. Esses parâmetros são calculados diretamente
usando as equações 4.8 e 4.9.
Ω++
=CjGLjR
Zo ωω
(4.8)
))(( CjGLjRj ωωβαγ ++=+= (4.9)
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
34
A impedância característica (Zo) é complexa, isto é, composta por uma componente
resistiva e uma reativa. Em baixas freqüências, a indutância e condutância podem ser
desprezadas [8], resultando na Equação 4.10.
Ω=Cj
RZo ω
(4.10)
Para altas freqüências a resistência e a condutância podem ser desprezadas, sendo assim,
a impedância característica da linha fica dependente da indutância e capacitância, como
mostra a Equação 4.11.
Ω==CL
CjLj
Zo ωω
(4.11)
4.2.3 Atenuação e defasamento do sinal
A atenuação de um sinal ao se propagar por uma linha de transmissão diz respeito a
perca de parte de sua energia, devido aos efeitos da resistência e condutância, que
corresponde á parte real da Equação 4.9. A parte imaginaria é responsável pelos efeitos
reativos ou o defasamento do sinal que resulta na variação do ângulo de rotação que a fase do
sinal transmitido vai sofrendo ao se propagar pelo cabo [8].
A atenuação e o defasamento são calculados a partir da constante de atenuação (α) e da
constante de fase (β), respectivamente a parte real e imaginária da constante de propagação na
linha (γ). Para baixas freqüências, as perdas dielétricas são desprezíveis, dessa forma a
constante de atenuação e fase pode ser escrita conforme as Equações 4.12 e 4.13 [8].
]/[2
mNpRCωα = (4.12)
• 1 Np = 8.686dB.
]/[2
mRadRC
jωβ = (4.13)
Para freqüência na ordem de MHz às perdas dielétricas passam a ser consideradas como
mostra a Equação 4.14.
]/[2
))(( 2222222
mNpCGLRLCRG ωωω
α+++−
≅ (4.14)
A fase é calculada pela Equação 4.15.
]/[ mradLCωβ ≅ (4.15)
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
35
As Equações 4.14 e 4.15 mostram que para as altas freqüências a constante de
atenuação cresce em função da resistência (R) que varia em virtude do efeito pelicular, que
para altas freqüências não é desprezível. Por sua vez, o coeficiente de fase aumenta
linearmente com o aumento da freqüência [6].
4.3 Equações Gerais de tensão e corrente
Aplicando a lei de kirchoff no circuito apresentado na Figura 4.1, obtém-se a Equação
4.16:
),(),(..),(..),( tzzVtzIzRtzIt
zLtzV ∆++∆+∂∂
∆= (4.16)
Arranjando os termos da Equação 4.16 de forma a deixar todos os ∆z do lado esquerdo,
obtém-se a seguinte relação:
),(),(),(),(
tzRItzIt
Lz
tzVtzzV+
∂∂
=∆
−∆+− (4.17)
Observa-se que o termo a esquerda da Equação 4.17 é a solução de uma equação
diferencial usando limite quando ∆z tende a zero, como mostra a equação 4.18 [7].
),(),(),(
0tzV
zztzVtzzV
Limz ∂
∂−=
∆−∆+
−→∆
(4.18)
Substituindo a Equação 4.18 em 4.17, obtém-se a Equação 4.19.
),(),(),( tzRItzIt
LtzVz
+∂∂
=∂∂
− (4.19)
A Equação 4.19 é a primeira equação diferencial retirada do circuito da Figura 4.1 e que
relaciona a tensão com a corrente em uma linha de comprimento z [7].
O objetivo é encontrar equações que expressem o comportamento da corrente e da
tensão separadamente, no entanto, a equação 4.19 tem dependência de ambas.
Com base nos divisores de correntes da Figura 4.1, obtém-se a seguinte equação:
),(),(..),(..),( tzzItzzVt
zCtzzVzGtzI ∆++∆+∂∂
∆+∆+∆= (4.20)
Da mesma forma que a Equação 4.16, reorganiza-se as variáveis de forma a ter todos os
∆z do lado esquerdo da igualdade, como mostra a Equação 4.21.
),(),(),(),(
tzzVt
zCtzzGVz
tzItzzI∆+
∂∂
∆+∆+=∆
−∆+− (4.21)
Diminuindo-se o tamanho da seção horizontal para zero (∆z→0), obtém-se a seguinte
relação:
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
36
),(),(),(
0tzI
zztzItzzI
Limz ∂
∂−=
∆−∆+
−→∆
(4.22)
Substituindo a Equação 4.22 em 4.21, resulta na Equação 4.23, que relaciona a corrente
com a tensão, mas agora em função dos parâmetros verticais.
),(),(),( tzVt
CtzGVtzIz ∂
∂+=
∂∂
− (4.23)
As Equações 4.19 e 4.23 são equações que caracterizam o comportamento elétrico da
linha. Segundo [7], as Equações 4.19 e 4.23 nada dizem sobre a forma da corrente e da tensão,
mas apenas a relação entre ambas e a dependência destas com os parâmetros distribuídos.
Para facilitar a análise do comportamento da tensão e corrente adota-se um regime
senoidal, sendo o sinal do gerador indicado pela Equação 4.24.
)cos( tVvg ω= (4.24)
Com base na função do gerador, pode-se definir o seguinte:
)()cos( tjsentVVe tj ωωω += (4.25)
Verifica-se que a parte real da Equação 4.25 é igual ao gerador, portanto defini-se as
seguintes equações:
)(),( tjezVtzV ωℜ= (4.26)
)(),( tjezItzI ωℜ= (4.27)
Nota-se que a derivada de V(z, t) e I(z, t) é igual à jω, como mostra a Equação 4.28.
ωω ωω jt
ezVjezVt
tjtj =∂∂
⇒=∂∂
)()( (4.28)
Com base nas Equações 4.26, 4.27 e 4.28, reescreve-se as Equações 4.19 e 4.23
obtendo-se as Equações 4.29 e 4.30.
)()()( zILjRzVz
ω+=∂∂
− (4.29)
)()()( zVCjGzIz
ω+=∂∂
− (4.30)
Para ter equações apenas em função da tensão ou da corrente deriva-se 4.29 e 4.30 em
função de z, como mostras as Equações 4.31 e 4.32.
)()()(2
2
zIz
LjRzVz ∂
∂+=
∂∂
− ω (4.31)
)()()(2
2
zVz
CjGzIz ∂
∂+=
∂∂
− ω (4.32)
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
37
Substituindo 4.29 em 4.32 e 4.30 em 4.31 resulta-se nas seguintes expressões
diferenciais.
)())(()(2
2
zVCjGLjRzVz
ωω ++=∂∂
(4.33)
)())(()(2
2
zICjGLjRzIz
ωω ++=∂∂
(4.34)
As Equações 4.33 e 4.34 expressam o comportamento do circuito em termos de tensão e
corrente de forma separada. A Equação 4.35 mostra a solução para a equação 4.33. z
rz
i eVeVzV ..)( γγ += − (4.35)
Onde γ é a constate de propagação e dada pela Equação 4.11. Verifica-se que γ é
complexa e, portanto pode ser dividida em constante de atenuação (α) e fase (β).
βαγ j+= (4.36)
Utilizando 4.36 em 4.35 obtém-se a seguinte expressão.
zjzr
zjzi eeVeeVzV ....)( βαβα += −−
(4.37)
Para facilitar a análise da equação da tensão recupera-se a dependência temporal em
4.37. Para tal aplica-se 4.37 em 4.26 para obter a Equação 4.38.
)cos()cos(
)(),(..
.......
zteVzteV
eeeVeeeVezVtzVz
rz
i
tjzzr
tjzzi
tj
βωβω αα
ωβαωβαω
++−=
+ℜ=ℜ=−
−−
(4.38)
Analisando a equação 4.38, verifica-se a presença de duas ondas uma associada a
exponencial negativa com amplitude Vi, que é a tensão incidente na linha e outra associada a
exponencial positiva, que se trata da tensão refletida por qualquer descontinuidade de
impedância. Se a tensão refletida for nula, então a resultante é a tensão que se propaga pelo
cabo, como mostra a Equação 4.39.
)cos(),( . zteVtzV zi βωα −= − (4.39)
A exponencial negativa vai tendo uma amplitude cada vez menor à medida que z
aumenta. Esta parcela é responsável pela atenuação do sinal ao trafegar por uma linha de
transmissão. A exponencial imaginaria não introduz qualquer variação na amplitude da tensão
sendo apenas responsável pela variação da fase.
A Figura 4.2 mostra a atenuação de um sinal senoidal ao se propagar por uma linha com
diferentes constantes de atenuação, no entanto, para este exemplo a tensão refletida é nula.
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
38
Figura 4.2 – Evolução da amplitude da onda incidente ao longo da linha [7].
A Figura 4.3 exibe um sinal senoidal com constante de atenuação e fase iguais a um e
para este caso a tensão refletida é mostrada.
Figura 4.3 - Evolução da amplitude de uma onda incidente e refletida ao longo da linha
Para melhorar a visualização do sinal refletido na Figura 4.3 os sinais incidentes e
refletidos são calculados e mostrados separadamente. Foi adotado como tendo uma resistência
infinita na carga, isso resulta na reflexão total do sinal.
Conhecendo a impedância característica da linha e a tensão ao longo da linha, a corrente
pode ser determinada pelo principio fundamental da corrente (I = V/R), a Equação 4.40
mostra esta relação.
o
zjzr
zjzi
ZeeVeeV
zI)(
)(.... βαβα +
=−−
(4.40)
Capítulo 4 – Linhas de Transmissão
39
A impedância é independente da posição da linha e é calculada apenas em função dos
parâmetros distribuídos, ou seja, depende unicamente das condições físicas da linha de
transmissão e do tipo de material utilizado na fabricação do cabo. Por este motivo esta
impedância é denominada impedância característica da linha [7].
4.4 Considerações finais
O estudo desta seção possibilita a obtenção de um modelo matemático para conhecer
com antecipação o comportamento de um sinal transmitido em um cabo. Também é
necessário conhecer as características elétricas para projetar as condições de recepção e
transmissão do equipamento, com base no modelo elétrico é montado um modelo de
simulação para testes e configuração.
Capítulo 5 – Reflectometria no Domínio do Tempo
40
CAPÍTULO 5
5 REFLECTOMETRIA NO DOMÍNIO DO TEMPO
5.1 Introdução
Reflectometria no Domínio do Tempo do inglês Time Domain Reflectometry (TDR) é
uma importante técnica baseada nas teorias de reflexão ópticas e usada para identificar e
diagnosticar sistemas de transmissão, principalmente sistemas digitais de alta velocidade.
Sua utilização se estende deste testes em sistemas de transmissão ópticos a sistemas de
transmissão baseados em condutores metálicos, esta seção descreverá as teorias aplicadas na
fundamentação teórica do TDR.
5.2 Propagação de uma onda eletromagnética (OEM) em um condutor
A velocidade de propagação de uma OEM num cabo condutor é menor que à velocidade
da luz no vácuo e é relacionada com a sua permeabilidade magnética (µ) e com a constante
dielétrica (ε) do isolante que separa os dois condutores. Estes dois parâmetros definem o
índice de refração (n) do meio de propagação, dado pela Equação 5.1:
rrcn µεεµ == (5.1)
• 0ε é a permissividade dielétrica no vácuo ( mpF /8542.8 ) e 0µ é a
permeabilidade magnética no vácuo ( mH /104 7−π ).
• rε é a permissividade dielétrica relativa e rµ é a permeabilidade magnética
relativa do condutor.
• ε é a permissividade dielétrica, sendo rεεε 0= .
• µ é a permeabilidade magnética do condutor, sendo rµµµ 0= .
• c é a velocidade da luz no vácuo (299792458 m / s).
A velocidade de propagação da OEM por sua vez é relacionada com o índice de
refração do meio pela seguinte expressão:
ncc
vrr
===µεεµ
1 (5.2)
Capítulo 5 – Reflectometria no Domínio do Tempo
41
• v velocidade de propagação.
Com a velocidade de propagação pode-se determinar o comprimento do cabo elétrico
aplicando-se em uma das extremidades um pulso de tensão e medindo-se o tempo de
propagação até o pulso atingir a outra extremidade. Para se ter precisão nessa medida o pulso
aplicado deve ter tempo de duração inferior ao tempo de propagação da OEM no cabo.
O comprimento do cabo é obtido usando a Equação 5.3.
tpvz ⋅= (5.3)
• tp é o tempo de propagação medido.
O TDR baseia-se na reflexão do sinal emitido que retorna a fonte, sendo o tempo de
propagação duas vezes maior que tp, portanto tr = 2tp. Para obter o comprimento do cabo
substitui-se tp da Equação 5.3 por tr/2.
2rtvz = (5.4)
Outra forma de analisar as características de propagação da OEM é com base nos
parâmetros distribuídos da linha que são relacionados pela Equação 4.9. Seu cálculo resulta
em uma constante de atenuação (α) e uma constante de fase (β). A velocidade pela qual a
tensão viaja pela linha pode ser definida em função de β, como mostra a Equação (5.5).
scuv /..βω
= (5.5)
Para altas freqüências o cálculo da constante de fase é mostrado pela Equação 4.15,
substituindo a Equação 5.5 pela Equação 4.15, obtém-se a seguinte expressão.
scuLCLC
v /..1
=/
/=ωω
(5.6)
A Equação 5.6 mostra o cálculo da velocidade de propagação em função apenas do
produto da indutância com a capacitância.
5.3 Casamento de impedância
Uma fonte ideal com impedância ZF, que possui uma parte real RF e uma parte
imaginaria XF, quando acoplado a uma carga com impedância ZL, a máxima transferência de
potência ocorre quando ZL é o complexo conjugado de ZF, como mostra a Equação 5.8.
LLFF jXRjXR −=+ (5.8)
A Figura 5.1 mostra o casamento de impedância entre carga e fonte.
Capítulo 5 – Reflectometria no Domínio do Tempo
42
Figura 5.2 – Igualdade de impedância entre fonte e carga [5].
Se as partes reativas (XF e XL) forem ambas capacitivas ou indutivas, elas se cancelam e
a corrente e tensão estão em fase com a fonte [5].
Segundo [5], em altas freqüências a reatância relativa às capacitâncias e indutâncias
torna-se equivalentes as resistências da fonte e da carga, isso dificulta o acoplamento entre
fonte e carga e é necessária a compensação de ambas para um correto acoplamento entre fonte
e carga.
A Figura 5.3 mostra o gráfico da impedância característica do cabo em função do
aumento da freqüência. Verifica-se uma estabilidade em 100 Ω quando a freqüência se
aproxima de 1 MHz.
Figura 5.3 – Impedância em função da freqüência.
Para máxima transferência de potência entre fonte e carga as impedâncias ZF, Zo e ZL
precisão estar devidamente casadas.
5.4 Reflexão de sinais
Um sinal é refletido quando encontra qualquer diferença de impedância no seu caminho,
caso a carga não esteja completamente casada com a impedância do cabo, parte do sinal
emitido é refletido de volta a fonte. Se as impedâncias estiverem devidamente acopladas,
então toda a potência emitida é absorvida.
Capítulo 5 – Reflectometria no Domínio do Tempo
43
Supondo que Zo ≠ ZL, ao sair da fonte, o sinal se propaga pelo cabo até à carga onde
sofre uma reflexão e parte dele retorna à fonte. O tempo entre a emissão do sinal e o retorno
da reflexão (tr) é o dobro do tempo de propagação do sinal pelo cabo, como mostra a Figura
5.4.
Figura 5.4 – Reflexão do sinal emitido [5].
O sinal refletido tem a mesma forma e fase do sinal original. Sendo que sua amplitude
depende da diferença entre as impedâncias da carga e do cabo. Um coeficiente de reflexão
(ГL) pode ser calculado para expressar a relação entre a amplitude do sinal refletido e o sinal
emitido, como mostra a Equação 5.9. O coeficiente de reflexão é calculado a partir das
impedâncias do cabo (Zo) e da carga (ZL) pela expressão 5.9.
0
0
ZZZZ
V
V
L
L
inc
refL +
−==Γ (5.9)
O coeficiente de reflexão (ΓL) pode ser complexo ou não, depende de ZL, uma vez que a
impedância característica da linha é real. Com base na Equação 5.9, pode-se inferir que o
coeficiente de reflexão varia de -1 (ZL = 0, curto-circuito) à +1 (ZL = ∞, circuito aberto). Se a
impedância da carga for menor que a do cabo, o sinal refletido tem polaridade negativa, do
contrario o sinal refletido é positivo, se as impedâncias da carga e do cabo estiverem casadas
(ZL = Zo) o coeficiente de reflexão é igual à zero. A Figura 5.5 mostra a variação do
coeficiente de reflexão em função do aumento da impedância da carga, para uma impedância
do cabo igual a 100 ohms.
Figura 5.5 – Variação do coeficiente de reflexão em função da impedância da carga.
Capítulo 5 – Reflectometria no Domínio do Tempo
44
Havendo descasamento de impedância, a potência do sinal refletido retorna a fonte,
podendo em alguns casos ser suficiente para danificar seu estágio de saída. A Figura 5.6
mostra a relação da resistência da carga com o sinal refletido.
Figura 5.6 – Relação da resistência da carga com o sinal refletido [16].
Segundo [5], alterações na geometria do cabo (tais como emendas, conexões mal feitas,
conectores inadequados, dobras acentuadas) alteram localmente sua impedância e provocam
reflexões. Dessa forma é importante que sejam utilizados cabos sem emenda e conectores
com impedância característica igual à do próprio cabo.
5.5 Considerações finais
A teoria de reflexão de sinais é amplamente usada no diagnóstico de linhas de
transmissão, através da observação do coeficiente de reflexão várias conclusões podem ser
obtidas, como por exemplo, a existência de um curto ou uma ruptura no cabo e a possibilidade
de localizar o ponto onde está o problema.
Para realizar a análise do sinal refletido é necessário antes ter um casamento de
impedância entre a fonte e a linha, do contrário reflexões ocorrem na entrada do cabo,
distorcendo os resultados.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
45
CAPÍTULO 6
6 DEFINIÇÃO DO HARDWARE
6.1 Introdução
Este capítulo apresenta a definição detalhada do hardware usado na implementação do
analisador. A princípio é mostrada a metodologia de trabalho, que é usada como base para
definição dos diagramas de blocos do mestre e escravo. Em seguida cada bloco é detalhado e
definido as suas características elétricas.
6.2 Metodologia de Trabalho
A redução de custo se fundamenta na construção de um equipamento com a base de
processamento em baixa velocidade e as estruturas referentes aos testes de alta velocidade
com componentes que a suportem, a filosofia se resume em dividir o processo em grupos com
velocidades diferentes, possibilitando a definição individual de cada componente.
O analisador proposto opera no modo mestre/escravo, sendo o mestre responsável pela
configuração, gerenciamento e análise dos testes. O escravo realiza três testes e transmite os
resultados ao Mestre.
6.3 Definição do diagrama de blocos do ACR Mestre
O analisador apresenta um número grande de funções a ser realizadas, para reduzir a
complexidade no processo de projeto, o mesmo está dividido em blocos, cada um responsável
por realizar um conjunto de testes dos dez pré-estabelecidos. Dessa forma cada bloco pode ser
tratado individualmente e posteriormente trata-se do relacionamento entre eles.
A Figura 6.1 mostra o diagrama de blocos do ACR Mestre, para facilitar sua descrição o
mesmo foi dividido em quatro blocos maiores, sendo esses: controle, transmissão,
amostragem e TDR.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
46
Figura 6.1 – Diagrama de blocos do ACR Mestre.
6.3.1 Bloco de Controle
O bloco de controle é composto pelo microcontrolador, display, teclado, transceiver e
controle de terra. Sendo o microcontrolador responsável por gerenciar todos os outros blocos
durante o processo de teste e processar os dados obtidos. O display é usado para exibir os
resultados ao usuário que pode interagir através do teclado.
6.3.1.1 Display e Teclado
O teclado é composto por cinco teclas, back, enter, next, up e down. As teclas estão
ligadas ao microcontrolador e resistores de pull-down são usados para manter nível lógico
zero, quando nenhuma tecla estiver pressionada, como mostra a Figura 6.2.
Figura 6.2 – Definição do teclado.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
47
O display LCD de 20x4 e o transceiver usam as mesmas portas de entrada e saída do
microcontrolador. Como o display usa apenas a operação de escrita, suas portas estão sempre
configuradas como entrada, e não interfere na comunicação com o transceiver que pode entrar
em estado de alta impedância, liberando as portas para o display.
6.3.1.2 Controle de Terra e Transceiver
Para que ambos os equipamentos, mestre e escravo, se comuniquem é necessário que
eles estejam na mesma referencia de terra, no entanto, todos os fios devem ser testados. Usar
um fio como terra gera um ponto de falha, se este fio estiver rompido os equipamentos
perdem a referência.
Para evitar a utilização de um fio como referência fixa, foi adicionado um controle de
terra, que trata-se de uma chave analógica de 8 bits que é controlada pelo microcontrolador,
possibilitando a escolha dinâmica do terra. A Figura 6.3 mostra em detalhes o controle de
terra e suas ligações.
Figura 6.3 – Circuito envolvendo o controle de terra e o transceiver.
O transceiver mostrado na Figura 6.3, tem a função de isolar o microcontrolador do
cabo em teste. O componente usado é o 74HC245, que consiste em um tri-state bidirecional.
6.3.1.3 Microcontrolador
O microcontrolador é o centro de processamento e gerenciamento dos testes, sua função
se estende deste a configuração das portas de entrada e saída aos cálculos realizados com os
dados adquiridos nos testes. O componente usado é o PIC18F6550 da microchip de 8 bits.
6.3.2 Bloco de Transmissão
O bloco de transmissão usa o sinal digital proveniente de um gerador de onda quadrada
ajustável, para gerar dois sinais diferenciais com amplitude de +/- 1 Volts e frequência
Capítulo 6 – Definição do Hardware
48
variando entre 1 e 250 MHz, em seguida a DEMUXB seleciona o par a ser transmitido
conforme a necessidade do teste. A Figura 6.4 mostra o detalhamento do circuito do bloco de
transmissão.
Figura 6.4 – Detalhamento do bloco transmissor.
Junto ao bloco de transmissão foi inserido um modelo de cabo baseado nas teorias
estudadas no capítulo 4, esse modelo permite simular o circuito de transmissão de forma a
obter resultados mais próximos da realidade.
6.3.3 Bloco de Amostragem
Com o sinal inserido no par, o bloco de amostragem através da MUXA seleciona um
par de fios conforme o tipo de teste sendo realizado, e em seguida o sinal é multiplicado por
uma constante e retificado. Se o sinal transmitido atenuar, o mesmo ocorre com o sinal
amostrado, mantendo a mesma proporção. Um capacitor é usado para identificar a tensão de
pico e manter uma tensão contínua na entrada do conversor analógico/digital de 16 bits. A
Figura 6.5 mostra o processo de amostragem.
Figura 6.5 – Detalhamento do bloco de amostragem.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
49
6.3.3.1 Comparador
Analisando a Equação 4.37, observa-se que a mesma é composta por duas partes, uma
representando a tensão incidente, e a outra a tensão refletida. A Figura 6.6 mostra esses dois
sinais, o incidente e o refletido, que estão plotados separadamente. O segundo gráfico
representa a soma desses dois sinais.
Figura 6.6 – Comparação entre sinal incidente e refletido.
Sendo o sinal presente na linha formado pela soma entre o sinal incidente e o refletido,
para se obter o refletido, é necessário subtrair o sinal presente na linha do incidente, como
mostra o terceiro gráfico da Figura 6.6, onde o resultado da subtração é o sinal refletido.
O comparador baseia-se nessa teoria para calcular a perca de retorno. O sinal recebido é
comparado com uma referência (sinal incidente), a mesma usada para gerar os sinais
diferenciais. Se uma reflexão ocorrer, o valor da subtração entre o sinal recebido e a
referencia deve ser diferente de zero. Um capacitor é usado para identificar a tensão de pico e
um conversor analógico/digital de 16 bits é usado para amostrar o resultado da comparação,
como mostra a Figura 6.5.
6.3.4 Bloco TDR
O bloco TDR tem a função de gerar um pulso de curta duração que é inserido no cabo
em teste, esse mesmo pulso entra no identificador que ativa os contadores. Com base na teoria
estudada no capítulo 5, quando um pulso encontra uma descontinuidade de impedância ele é
refletido. O pulso refletido volta ao bloco TDR que é capturado pelo identificador e analisado.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
50
6.3.4.1 Gerador de Pulso
A Figura 6.7 mostra o detalhamento do bloco gerador de pulso, para tanto é usado um
flip-flop do tipo D, que tem a saída invertida ligada ao seu próprio reset, possibilitando a
geração de um pulso de duração igual ao tempo de propagação (tpd) especificado pelo
fabricante, portanto a definição do tamanho do pulso é baseada na tecnologia do componente.
Figura 6.7 – Detalhamento do circuito do gerador de pulso.
Segundo o padrão TIA/EIA-568B, o comprimento mínimo especificado para um cabo UTP é
de um metro, e sendo 68% a velocidade nominal de propagação, pode-se calcular o tempo que
um sinal gasta para percorrer um metro de cabo, esse tempo é de aproximadamente 4,9 ns,
portanto o gerador de pulso deve ser capaz de fornecer um pulso com comprimento de duas
vezes este valor, pois se leva em consideração o tempo de ida e retorno do pulso.
Com o pulso gerado e inserido na linha, o mestre precisa receber o sinal refletido e
analisá-lo. Para fazer a captura deste pulso seria necessário a implementação de um sistema de
conversão analógico/digital de alta capacidade de amostragem, o que elevaria o custo do
equipamento. Para não necessitar de um conversor de alta capacidade o circuito mostrado na
Figura 6.8 é usado para capturar o pulso refletido e classificá-lo.
Figura 6.8 – Detalhamento do circuito do identificador.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
51
O objetivo do identificador é receber o sinal proveniente do gerador de pulso, antes de
ser inserido no cabo e iniciar os contadores através do sinal ENDCONT. O pulso refletido
também entra no identificador bloqueando os contadores, portanto, o identificador mede o
intervalo de tempo entre a emissão do pulso e sua recepção.
O identificador gera dois sinais, que representam se o pulso refletido tem polaridade
positiva, sinal de aberto, ou polaridade negativa, sinal de curto. Dois flip-flop do tipo D são
usados para armazenar o pulso, possibilitando que o microcontrolador recupere esses sinais
em baixa velocidade.
6.3.4.2 Contadores
Os contadores têm a função de medir o tempo decorrido da emissão do pulso a sua
recepção, o sinal do gerador ajustável é usado como referência, quanto maior a freqüência
maior é a precisão. Por exemplo, para uma freqüência de 800 MHz com período T = 1.25 ns e
4,9 ns o tempo de propagação (tp) para um metro de cabo, tem-se uma precisão de 25,5 cm na
medida do comprimento do cabo, como mostra a Equação 6.1.
][100 cmtT
xp
×= (6.1)
Para melhorar a resolução sem aumentar o custo de implementação, dois contadores de
16 bits de alta freqüência são montados em paralelo. A Figura 6.9 mostra o diagrama de
tempo dos contadores em paralelo.
Figura 6.9 – Diagrama de tempo dos contadores de 16 bits em paralelo.
As variáveis C1 e C2 indicam respectivamente os contadores 1 e 2 de 16 bits, como
mostra a Figura 6.8 o contador C1 é incrementado na transição positiva do relógio e o
contador C2 na transição negativa. Observa-se que o intervalo entre um contador e outro é
igual à metade do período (T/2). Cada contador é incrementado em um intervalo de período T,
mas a soma de ambos os contadores resulta em um valor que possui a metade do período.
Portanto para o mesmo sinal de 800 MHz aplicado a esse contador ter-se-ia uma precisão de
12,75 cm.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
52
A aplicação desta técnica resulta em um ganho de 50% na precisão da medida do cabo
sem a necessidade de aumentar a freqüência do relógio. A Figura 6.10 mostra o detalhamento
dos contadores de 16 bits em paralelo.
Figura 6.10 – Detalhamento dos contadores de 16 bits em paralelo.
6.4 Definição do diagrama de blocos do ACR Escravo
O diagrama de bloco do escravo está dividido em duas partes, controle e amostrador,
como mostra a Figura 6.11. O bloco de controle é composto pelo microcontrolador,
Transceiver, controle de terra e controle de acoplamento, sendo o ultimo responsável pelo
acoplamento da impedância do cabo com o receptor. O bloco de amostragem é semelhante ao
do mestre, com uma diferença, ele não tem o comparador.
Figura 6.11 – Diagrama de blocos do escravo.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
53
6.4.1 Controle de Acoplamento
Segundo a teoria estudada no capítulo 5, as impedâncias do cabo e da carga devem estar
devidamente acopladas para não haver reflexões. Para executar os testes de perca por
inserção, NEXT, ELFEXT e perca de retorno, as impedâncias devem estar acopladas. A
Figura 6.12 mostra o acoplamento entre cabo e carga de forma a não gerar reflexões.
Figura 6.12 – Acoplamento entre cabo UTP e carga.
Se as impedâncias estiverem casadas, não haverá reflexão e o TDR não será capaz de
realizar o teste de atraso de propagação, que é a base para o cálculo do comprimento do cabo
e do desvio de atraso. Por esse motivo, foi implementado um controle de acoplamento que
trata de uma chave analógica em série com resistores. Desse modo o microcontrolador pode
controlar o acoplamento da carga em relação ao cabo, dependendo do tipo de teste. A figura
6.13 mostra em detalhes o circuito usado para controlar o acoplamento entre cabo e carga.
Figura 6.13 – Detalhamento do circuito de controle de acoplamento.
Capítulo 6 – Definição do Hardware
54
Quando o TDR é usado as chaves são abertas, fazendo com que a carga fique em alta
impedância, refletindo o pulso incidente. Sendo 7 Ω a resistência quando a chave está fechada
(Ron) e a impedância característica do cabo é 100 Ω, é necessário adicionar 93 Ω para que
ambas as impedâncias estejam casadas.
6.5 Considerações finais
Ao termino da descrição de todos os blocos, faz-se necessário à definição de como os
blocos vão se interagir, muitos deles não fazem contado com outros, apenas o bloco de
controle tem comunicação com todos os outros. Com os blocos interligados o software do
microcontrolador poderá realizar suas tarefas de gerenciamento.
Capítulo 7 – Definição do Software
55
CAPÍTULO 7
7 DEFINIÇÃO DO SOFTWARE
7.1 Introdução
Este capítulo apresenta o desenvolvimento do software responsável pelo controle das
funcionalidades dos equipamentos. A principio é apresentado o fluxograma resumido do
software que objetiva a visualização do processo completo de teste, em seguida é definido o
protocolo de comunicação que descreve as regras e pacotes usados na comunicação entre
mestre e escravo. O subitem 7.4 exibe o fluxograma geral dos dois sistemas em paralelo, após
é definido as diretrizes do processo inicial e exibição dos resultados.
7.2 Fluxograma Resumido do Software
O fluxograma geral do software mostrado na Figura 7.1, esboça o procedimento
completo a ser executado pelo analisador. Os blocos destacados pela linha tracejada são os
testes que o escravo realiza e transmite os resultados para o mestre, para tanto é implementado
um protocolo destinado a comunicação entre os dois equipamentos.
Figura 7.1 – Fluxograma resumido do software.
Capítulo 7 – Definição do Software
56
O fluxograma mostrado na Figura 7.1 pode ser dividido em três partes, sendo a primeira
responsável por garantir a integridade do cabo, a segunda consiste na realização dos testes e a
terceira em exibir os resultados obtidos.
7.3 Protocolo de Comunicação
Durante o processo de analise, os equipamentos necessitam se comunicar. A comunicação é
feito sob o cabo em teste. O protocolo de comunicação descreve todos os critérios lógicos
necessários para haver a comunicação e os pacotes usados, sendo estes, controle, dados e
aviso. A Tabela 7.1 mostra os tipos de protocolos de comunicação.
Tabela 7.1 – Tipos de protocolo de comunicação.
TP Valor Descrição Controle 01 Pacote do tipo Controle Dados 10 Pacote do tipo Dados Aviso 11 Pacote de avisos
7.3.1 Pacote de Controle
A comunicação de controle é feita pelo ACR escravo, que solicita funcionalidades ao
mestre, a Tabela 7.2 mostra a composição do pacote de controle.
Tabela 7.2 – Pacote de controle.
TP CO Par n 2bits 5bits 3bits
O escravo usa o pacote de controle para solicitar ao mestre que o mesmo insira uma
determinada frequência em um par de fios, para avisar sobre um pedido de reset ou para
solicitar o tipo de teste a ser executado. A Tabela 7.3 mostra o valor de cada código de
operação e sua descrição.
Tabela 7.3 – Códigos de operação (CO) e seus respectivos valores.
Decimal Binário Descrição 2 00010 Ativa oscilador de 1 MHz no pino n 3 00011 Ativa oscilador de 4 MHz no pino n 4 00100 Ativa oscilador de 8 MHz no pino n 5 00101 Ativa oscilador de 10 MHz no pino n 6 00110 Ativa oscilador de 16 MHz no pino n 7 00111 Ativa oscilador de 20 MHz no pino n 8 01000 Ativa oscilador de 25 MHz no pino n 9 01001 Ativa oscilador de 31.25 MHz no pino n
10 01010 Ativa oscilador de 62.5 MHz no pino n 11 01011 Ativa oscilador de 100 MHz no pino n 12 01100 Ativa oscilador de 125 MHz no pino n 13 01101 Ativa oscilador de 155 MHz no pino n 14 01110 Ativa oscilador de 200 MHz no pino n
Capítulo 7 – Definição do Software
57
Decimal Binário Descrição 15 01111 Ativa oscilador de 225 MHz no pino n 16 10000 Ativa oscilador de 250 MHz no pino n 17 10001 Reinicia ACR escravo 18 10010 Retransmite último pacote de dados 19 10011 Processo concluído 20 10100 Solicitação do Tipo de teste 21 10101 Tipo 1 (10BaseT) 22 10110 Tipo 2 (100BaseT) 23 10111 Tipo 3 (1000BaseT)
O escravo pode determinar também em qual par de fios o sinal deve ser inserido, para
tanto, ele envia junto ao código de operação o valor do par de fios. A Tabela 7.4 mostra os
valores para cada par de fios.
Tabela 7.4 – Valores para cada par de fios do RJ-45.
Par n Valor Descrição 1 001 Pinos 1,2 RJ-45 2 010 Pinos 3,6 RJ-45 3 011 Pinos 4,5 RJ-45 4 100 Pinos 7,8 RJ-45
A Tabela 7.5 mostra um exemplo de utilização do pacote de controle. Para este exemplo
o escravo solicita ao mestre que ative o oscilador a 155 MHz no par 3.
Tabela 7.5 – Exemplo de envio de pacote de controle.
TP CO Par n 01 01101 011
7.3.2 Pacote de Dados
O pacote de dados é usado pelo ACR escravo para enviar os resultados dos testes
realizados por ele, a Tabela 7.6 mostra o pacote de dados.
Tabela 7.6 – Pacote de Dados.
TP Tipo de Teste Freqüência Dados 2bits 2bits 4bits 16bits
O ACR escravo realiza três testes, perda por inserção, ELFEXT e PSELFEXT. Para que
o ACR mestre identifique o tipo de teste que corresponde ao resultado enviado, foi inserido
no pacote de dados um código contendo o tipo de teste. A Tabela 7.7 exibe os valores de cada
tipo de teste.
Tabela 7.7 – Tipo de Teste e seus valores.
Tipo de Teste Valor Descrição Perda por inserção 01 Atenuação ELFEXT 10 Crosstalk distante PSELFEXT 11 Crosstalk distante por soma de potência
Capítulo 7 – Definição do Software
58
Os testes são realizados para um conjunto de frequência pré definidos, esses valores
foram codificados para serem transmitidos junto com seus resultados. A Tabela 7.8 mostra as
freqüências usadas nos testes e seus respectivos valores em binário.
Tabela 7.8 – Freqüências usadas nos testes e seus códigos em binário.
Freqüência (MHz) Valor 1 0001 4 0010 8 0011
10 0100 16 0101 20 0110 25 0111
31.25 1000 62.5 1001 100 1010 125 1011 155 1100 200 1101 225 1110 250 1111
7.3.3 Pacote de Aviso
O pacote de aviso é responsável por manter a consistência na transmissão. Ao receber
um pacote de dados ou controle o destino envia um pacote de aviso informando o recebimento
correto ou com falha do ultimo pacote recebido. A origem continua a transmissão se somente
receber um aviso confirmando a entrega do pacote, se a origem não receber a confirmação
num intervalo de tempo ela retransmite o pacote e aguarda novamente um pacote de aviso.
Após três tentativas a origem para a transmissão e reinicia o processo, o destino após um
determinado tempo também reinicia o sistema. A Tabela
Tabela 7.9 – Pacote de Aviso.
TP Tipo aviso 2bits 2bits
Há três tipos de avisos possíveis de ser relatado pela origem, a Tabela 7.10 mostra os
tipo de avisos e suas descrições.
Tabela 7.10 – Tipos de avisos e seus códigos binários.
Tipo de aviso Valor Descrição Pacote desconhecido 01 Pacote não identificado Pacote recebido 10 Pacote recebido com sucesso Falha 11 Falha na entrega do pacote
Capítulo 7 – Definição do Software
59
7.4 Fluxograma Geral do software
Os equipamentos mestre e escravo dependem um do outro para executar os testes, por
este motivo, eles necessitam estar sincronizado. O fluxograma da Figura 7.2 exibe de maneira
paralela o funcionamento do software de ambos.
Inicio
Mestre Escravo
Fase 1 Fase 2Resposta?
Resposta?
Sim
Sim
Não
NãoSolicita Tipode Teste
Solicita Frequência(Freq f, Par n)
Testa Atenuação(Freq f, Par n)
Testa ELFEXT(Freq f, Par x)
CalculaPSELFEXT
n++
x++
f++
x <= 4?
n <= 4?
f <= qtdF?
Sim
Sim Sim
Não
Não
Não
Testes Escravo
TransmiteDados
AguardaConexão
Integridade
VerificaTipo de Teste
Mapa deFios
Solicita trocade Fase
Falha?
InicioInicio
Avisa Escravo
RecebePacotes
Controle?
Dados?
Aviso?
Executa
Armazena
VerificaAviso
Recebendo?
Não
Não
Não
Sim
Sim
Sim
Sim
Testes Mestre
Ajusta Gerador(Freq f)
Testa NEXT(Freq f, Par x)
x++
x <= 4? n++
n <= 4?Posiciona Chave
(Par n)
f++ F <= qtdF?
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Dispara TDR(Par n)
Não
Tempo dePropagação n++ n <= 4?
Sim
Calcula Desviode Atraso
Não
Ajusta Gerador(Freq f)
n++ n <= 4?
Testa Perca deRetorno (Par n)
f++
f <= qtdF?
Sim
Sim
Não
Não
Exibe Resultados
Aguarda
AcoplaResistência
Abre todas aschaves
Aguarda
Sim
Não
Figura 7.2 – Fluxograma geral dos softwares do mestre e escravo.
O processo inicial consiste no escravo gerar uma sequência de pulsos que são recebidos
pelo mestre e usados para garantir a integridade do cabo. Esse processo está dividido em duas
Capítulo 7 – Definição do Software
60
fases, a primeira é usada para realizar o teste de integridade do cabo e localizar possíveis
pontos de ruptura e curto circuito. A segunda é usada para geração do mapa de fios.
Os testes do escravo são realizados após a confirmação da integridade do cabo, nesse
momento o escravo necessita se comunicar com o mestre, para tanto ele usa o protocolo de
comunicação.
O escravo realiza os testes e transmite os resultados ao mestre, em seguida o mestre
realiza os testes restantes e exibe os resultados.
7.5 Processo Inicial
Quando o escravo inicia seu sistema ele gera uma sequência de pulsos com duração de 1
milissegundo nos pinos do conector RJ-45, como mostra a Figura 7.3. Se o mestre receber
todos os sinais, ele garante a continuidade dos fios no cabo, caso dois sinais estejam presentes
ao mesmo tempo em dois pinos distintos, ele conclui a existência de um curto circuito. Se
após um ciclo de verificação um dos pinos não receber um pulso, esse pino é classificado
como aberto. Para ambos os casos o TDR é acionado para determinar a distância até o
problema e certificar o tipo de falha.
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
1ms 200us 1ms 1ms 1ms 1ms 1ms 1ms 1ms200us 200us 200us 200us 200us 200us
Figura 7.3 – Diagrama de tempo da fase 1 no processo inicial do escravo.
O intervalo de 200 microssegundos entre um pulso e outro é usado para que o mestre se
comunique com o escravo e solicite a troca de fase no processo inicial, indicando o termino da
averiguação da integridade do cabo.
Após o escravo receber a solicitação de troca de fase, ele inicia uma nova geração de
pulsos, como mostra a Figura 7.4. Para cada pino é gerado uma quantidade diferente de pulsos
em um intervalo de 1 milissegundo que simboliza o valor do pino no conector RJ-45 do
escravo. O mestre recebe esses pulsos no seu conector RJ-45, a qual ele conhece os pinos e
conta dentro de um intervalo de 1 milissegundo a quantidade de pulsos recebidos. Essa
Capítulo 7 – Definição do Software
61
quantidade de pulsos é referente ao pino onde esse sinal foi inserido. De posse desse valor o
mestre é capaz de determinar as conexões nas duas extremidades do cabo e gerar o mapa de
fios.
Figura 7.4 – Diagrama de tempo da fase 2 no processo inicial do escravo.
Da mesma maneira que na fase 1 o intervalo de 200 microssegundos é usado para que o
mestre comunique ao escravo que o teste está concluído e passe para os próximos testes.
7.6 Cálculo dos Resultados
Os dados amostrados precisão ser convertidos em tensão. A Equação 7.1 é usada para
transformar a entrada de 16 bits do conversor ADC em um valor em ponto flutuante
representando a tensão amostrada.
refn
nm
m
mm
s Vb
bV12
2)( 0
)1(
−
×=∑=
=
−
(7.1)
Sendo bm o bit na posição m e n a capacidade binária máxima do conversor ADC, no
caso 16 bits. A precisão (Vmin) da amostra é definida pela Equação 7.2, sendo a tensão de
referência definida em 5 volts, a precisão é de aproximadamente 76.3 micro volts.
12min −= n
refVV (7.2)
7.6.1 Cálculo da Perda por Inserção e ELFEXT
Para o cálculo da ELFEXT um sinal é inserido em um dos quatro pares e são
amostrados os outros três pares adjacentes na outra extremidade, esse processo se repete até
todos os pares serem portadores do sinal. Os resultados são armazenados em uma tabela como
mostra a Tabela 7.11. As linhas da tabela representam os pares portadores do sinal, e as
Capítulo 7 – Definição do Software
62
colunas representam os valores amostrados dos outros pares adjacentes. Cada par é amostrado
dez vezes e seleciona-se o maior valor, garantindo a tensão de pico do sinal.
Tabela 7.11 – Armazenamento dos dados amostrados para perda por inserção e ELFEXT.
AxxxPar
xAxxParxxAxPar
xxxAPar
ParParParPar
j
j
j
j
iiii
4
3
2
1
4321
A perda por inserção é medida na extremidade distante do par portador do sinal. A
diagonal principal da Tabela 7.11 representa as perdas por inserção amostradas em todos os
pares. O resultado final é obtido encontrando o menor valor contido na diagonal principal.
A NEXT ou a ELFEXT é determinada encontrando-se o maior valor contido na tabela,
desconsiderando a diagonal principal, esse valor representa o pior caso. Para cada frequência
de teste uma tabela é gerada e um valor de perda por inserção, NEXT e ELFEXT calculado.
7.6.2 Cálculo da Perda de Retorno e NEXT
O processo de analise da NEXT é semelhante ao da ELFEXT, no entanto, os pares
amostrados estão na mesma extremidade que o par portador do sinal. A diferença entre a
Tabela 7.11 e a 7.12 está na diagonal principal, que anteriormente continha os valores da
perda por inserção e agora é composta pela perda de retorno, simbolizada pela letra R. A
tabela 7.12 mostra o modelo de armazenamento dos dados coletados para NEXT e perda de
retorno.
Tabela 7.12 – Armazenamento dos dados amostrados para perda de retorno e NEXT.
RxxxPar
xRxxParxxRxPar
xxxRPar
ParParParPar
j
j
j
j
iiii
4
3
2
1
4321
O resultado da perda de retorno é obtido encontrando-se o maior valor contido na
diagonal principal da Tabela 7.12. O resultado da NEXT é o maior valor encontrado na tabela,
desconsiderando a diagonal principal.
Capítulo 7 – Definição do Software
63
7.6.3 Cálculo da PSNEXT e PSELFEXT
A PSNEXT e PSELFEXT não são uma medida, mas sim uma soma de potência da
NEXT ou ELFEXT sobre um mesmo par, para tanto as Tabelas 7.11 e 7.12 são usadas, a
diferença é que suas diagonais principais são zeradas.
Observando as Tabelas 7.11 e 7.12, verifica-se que a soma de uma coluna representa o
efeito acumulado dos outros pares no par que representa a coluna, como demonstra a Figura
7.5.
0
0
0
0
4
3
2
1
4321
xxxPar
xxxPar
xxxPar
xxxPar
ParParParPar
j
j
j
j
iiii
Figura 7.5 – Representação da soma de potência sobre um par.
Para não haver a necessidade de se calcular a PSNEXT ou PSELFEXT para todos os
pares e depois definir o pior caso, primeiro se aplica a Equação 7.3, que retorna o índice da
coluna com pior caso. Posteriormente aplica-se a Equação 7.4 com o valor encontrado pela
Equação 7.3.
=
= =∑U
4
1
4
1j ijiParMaxj (7.3)
∑=
=4
1
2)]([)|(i
jisj ParVPSELFEXTPSNEXT (7.4)
7.7 Ajuste dos Resultados
Os resultados exibidos ao usuário é uma comparação entre a amplitude do sinal
amostrado (Vs) e a do inserido no cabo (Vi), seu valor é expresso em decibéis. Para este
cálculo, usa-se a Equação 7.5.
dBVV
resi
s
×= log20 (7.5)
O resultado da Equação 7.5 está em ponto flutuante e precisa ser ajustado para poder ser
exibido no display. Para isso, divide-se o resultado em dois, uma com a parte inteira e outra
com a fracionária. Em seguida aplica-se um algoritmo de ajuste decimal, que consiste em
Capítulo 7 – Definição do Software
64
separar o valor inteiro em casas decimais individuas. No final o valor é transformado em
ASCII e exibido no display.
Os resultados de atraso de propagação e desvio de atraso são exibidos em
nanossegundos, e o resultado do comprimento do cabo em metros.
7.8 Exibição dos Resultados
Inicialmente o display apresenta uma introdução, em seguida se nenhum cabo estiver
conectado ele mostra a mensagem “Sem Conexão”, como mostra a Figura 7.6. Com o cabo
conectado em ambas as extremidades, o sistema pergunta ao usuário o tipo de teste a ser
executado, e após sua execução mostra um menu geral com todos os testes.
Figura 7.6 – Diagrama do conteúdo de exibição do display durante processo de teste.
O mapa de fios mostra as conexões em ambas às extremidades do cabo, sendo que do
lado esquerdo está os pinos referentes ao mestre e do direito ao escravo, como mostra a Figura
7.7(a), o traço ‘-‘ entre os dois números representa que os pinos estão conectados
corretamente. A Figura 7.7(b) exibe um caso onde os pinos 2 e 6 estão rompidos, o símbolo
utilizado é o ‘|’, para este caso o sistema já localizou a distância até a ruptura e exibe logo à
frente do pino, sua unidade é metros. A Figura 7.7(c) exibe o caso de um curto circuito,
representado pelo símbolo ‘x’, entre os pinos 1, 2 e 3, também para este caso a distância até o
curto circuito é mostrado em metros e a frente dos pinos.
Mapa de Fios1-12| :23,4 m3-34-45-56| :42,3 m7-78-8
Mapa de FiosMapa de Fios1x2x3 :10,0 m4-45-56-67-78-8
Mapa de FiosMapa de Fios1-12-23-34-45-56-67-78-8
Mapa de Fios
(a) (b) (c) Figura 7.7 – (a) Mapa de fios correto (b) Pinos em aberto (c) Pinos em curto circuito.
Capítulo 7 – Definição do Software
65
Os resultados da Atenuação, NEXT, PSNEXT, ELFEXT, PSELFEXT e perda de
retorno são exibidos em decibéis e em duas colunas, a primeira com as frequências do teste, e
a segunda com os valores dos resultados.
7.9 Considerações finais
O software é responsável por coordenar todas as funcionalidades físicas dos
equipamentos e calcular os resultados amostrados para serem exibidos ao usuário. Foi usado
para sua validação o simulador Proteus da Labcenter Eletronics e o Software MPLAB da
microchip, os resultados obtidos foram satisfatórios e comprovam sua funcionalidade.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
66
CAPÍTULO 8
8 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
8.1 Introdução
Este capítulo apresenta os resultados e as discussões obtidos nas simulações e nos testes
com o protótipo. Os resultados das simulações adquiridas com o auxilio do software Proteus
da Labcenter Eletronics, são exibidos juntos aos resultados experimentais, obtidos nos testes
com o protótipo.
Os blocos descritos no capítulo 6 foram simulados e testados e os resultados estão
descritos a seguir.
8.2 Protótipo do Mestre e Escravo
As Figuras 8.1 e 8.2 exibem respectivamente o protótipo do mestre e do escravo, usados
nos testes de validação do projeto.
Figura 8.1 – Protótipo do Mestre.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
67
Figura 8.2 – Protótipo do Escravo.
8.3 Resultados Experimentais do Mestre
Antes de realizar os testes, o bloco de amostragem do mestre e escravo devem ser
calibrados. Para tanto, o software do mestre permite que o processo de transmissão ocorra
junto ao de amostragem e no mesmo pino. Para calibrar o escravo um cabo curto com baixa
resistência elétricas é usado.
8.3.1 Bloco de Transmissão e Recuperação dos Sinais Amostrados
Os blocos de transmissão e amostragem foram simulados juntos, como mostra a Figura
8.3. Desta forma é possível observar como o processo de recuperação do sinal é feito.
Figura 8.3 – Simulação dos blocos de transmissão e amostragem.
O sinal da Figura 8.3(A) representa a referência, que é usada como base para a geração
dos sinais diferenciais, Figura 8.3(B e C).
A Figura 8.4 mostra o resultado real do processo de transmissão. Onde o sinal da Figura
8.4(A) é a referência e o os sinais da Figura 8.4(B e C) são os sinais diferencias transmitidos
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
68
pelo cabo para realização dos testes. Os sinais diferenciais entram em uma chave analógica,
controlada pelo microcontrolador, a qual define o cabo que será testado.
Figura 8.4 – Teste do processo de transmissão.
O processo de amostragem consiste inicialmente em capturar os sinais diferencias e
transformá-los em um sinal com características semelhantes ao da referência. O processo
consiste em multiplicar o sinal de entrada por uma constante e depois retificá-lo. Se os sinais
transmitidos atenuarem, o mesmo ocorre com o sinal amostrado, Figura 8.3(D) e 8.6(B),
mantendo a mesma proporção. A Figura 8.5 exibe a saída do sinal diferencial depois de
amplificado, onde a entrada (Figura 8.5(A)) tem amplitude de ±1 Volts e a saída (Figura
8.5(B)) tem amplitude de ±5 Volts.
Figura 8.5 – Processo de recuperação do sinal amostrado.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
69
O sinal da Figura 8.5(B) é retificado, como mostra a Figura 8.6(B), e usado para se obter a
atenuação do mesmo em relação ao transmitido e para ser comparado com a referência, este
tópico será detalhado no item 8.3.2.
Figura 8.6 – (A) Sinal Amostrado, (B) Sinal após retificação.
8.3.2 Bloco de Amostragem
O sinal recuperado é usado em dois processos distintos. O primeiro é a aferição da
amplitude máxima, que será usada para o cálculo das perdas elétricas. Para isto um capacitor,
colocado em paralelo, condiciona o sinal alternado em um com tensão continua, ao qual é
amostrada pelo ADC. Quanto maior a freqüência, menor será o efeito causado pelo tempo de
carregamento e descarregamento do capacitor, mantendo a tensão constante. A Figura 8.7
mostra a aferição feita no capacitor durante o processo de amostragem.
Figura 8.7 – (A) Sinal recuperado. (B) Tensão no Capacitor.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
70
Para o caso da Figura 8.7, a tensão no capacitor não apresenta variações, devido o ADC estar
em alta impedância e a única forma do capacitor se descarregar ser pela resistência, que
possui um valor elevado.
O sinal recuperado é usado no comparador, a Figura 8.8 exibe o resultado da simulação
do comparador, que é usado para medir a perca de retorno.
Figura 8.8 – Simulação do comparador.
O comparador subtrai o resultado adquirido com o sinal de referência, Figura 8.8(A e
B). O resultado, Figura 8.8(C), para este caso deve ser aproximadamente zero, sendo que o
sinal recuperado não sofreu alterações em sua amplitude, somente em sua fase. A Figura 8.9
mostra o resultado real obtido.
Figura 8.9 – Teste do comparador. (A) Referência, (B) Sinal Recuperado e (C) Resultado.
Observa-se um efeito capacitivo no sinal recuperado (Figura 8.9(B)), este efeito é
conseqüência do capacitor usado para identificar a tensão de pico estar ligado diretamente à
saída do amplificador, fazendo com que o efeito capacitivo seja realimentado. No entanto este
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
71
problema é resolvido na calibração do equipamento, onde a tensão DC do resultado da
comparação (Figura 8.9(C)) é usado como zero nos cálculos dos testes.
A tensão de pico do resultado é armazenada em um capacitor que está ligado ao ADC,
como mostra a Figura 6.5.
8.3.2.1 Teste de Diafonia próxima (NEXT)
A interferência provocada por um par ao seu adjacente, quando medida na mesma
extremidade do transmissor é conhecida como diafonia próxima. A Figura 8.10 mostra o sinal
sendo transmitido e a medição de um par adjacente. Estes sinais são de baixa amplitude e
apresentam elevado ruído.
Figura 8.10 – Efeito da NEXT sobre um par de fios.
Depois de recebido, o sinal é amplificado para ser amostrado pelo conversor através de
um capacitor, ao qual armazena a tensão de pico do sinal.
8.3.3 Bloco TDR
8.3.3.1 Gerador de pulso
O comprimento de onda do pulso usado no TDR impacta diretamente na precisão das
medidas realizadas pelo TDR. Sendo que há a possibilidade da falha se encontrar próxima do
transmissor, o comprimento de onda tem que ser menor que o tempo de retorno da reflexão. O
gerador foi projetado com base no comprimento mínimo de um cabo UTP, que é de um
metro. Sendo o tempo de retorno de aproximadamente 9,8 ns.
A Figura 8.11 mostra o teste com o gerador de pulso, que proporciona um pulso com
comprimento de 8,4 ns.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
72
Figura 8.11 – Teste do Gerador de Pulso.
O Identificador usa este sinal para controlar os contadores e indicar o tipo de falha. Por
se tratar de tecnologia TTL, o nível de tensão para lógica “1” é acima de 50% da tensão de
entrada, por tanto, o comprimento do pulso está entre 50% da tensão de subida e decida do
sinal.
8.3.3.2 Identificador
Como já relatado no item anterior, o identificador controla os contadores e indica o tipo
de falha. Sua função é identificar a polaridade dos sinais refletidos e medir o tempo entre o
pulso incidente e o refletido. Os testes deste bloco se iniciam medindo a saída dos
amplificadores operacionais. A Figura 8.12 mostra o resultado dos amplificadores, onde o
sinal mostrado na Figura 8.12(A) representa tanto o pulso incidente quanto o refletido, neste
caso positivo, verifica-se que os sinais da Figura 8.12(B e C) são invertidos, um com
polaridade positiva e outro negativo.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
73
Figura 8.12 – Saídas dos amplificadores operacionais.
Depois de amplificados ambos passam por diodos retificadores, que bloqueiam os sinais
com amplitude negativa, este processo é mostrado na Figura 8.13.
Figura 8.13 – Tensão dos sinais depois de retificados.
Em seguida o sinal passa por um Schmit-triggered que gera os pulsos que irão controlar
os contadores e fornecer sinal para os flip-flops, responsáveis por sinalizar o tipo de falha. A
seguir é mostrado a simulação e os testes reais para o Identificador, sendo primeiro mostrado
a simulação e em seguida o teste real com o protótipo.
A Figura 8.14 exibe o resultado da simulação do identificador, neste caso, um pulso
refletido negativo. A variável “ENDCONT” é usada para medir o intervalo de tempo entre a
emissão do pulso e a recepção de sua reflexão. O identificador inicia e bloqueia os contadores,
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
74
e gera dois sinais constantes que indicam se o pulso refletido é positivo ou negativo. Para a
simulação exibida na Figura 8.14, a variável “CURTO” ficou ativa após a recepção do pulso,
indicando a recepção de um pulso negativo.
Figura 8.14 – Simulação do Identificador para um sinal refletido negativo.
A Figura 8.15 exibe o resultado do teste no protótipo para a reflexão de um pulso
negativo, verifica-se que o sinal Figura 8.15(B) ocorre devido o pulso incidente ser sempre
positivo, e o sinal Figura 8.15(C) representa a identificação do pulso negativo. O intervalo de
tempo entre estes pulsos dividido por dois corresponde à distância até o curto.
Figura 8.15 – Teste real do Identificador para um sinal refletido negativo.
A Figura 8.16 exibe a recepção de um pulso positivo, da mesma forma que na Figura
8.14 a variável “ENDCONT” indica o intervalo de tempo entre os pulsos incidentes e
refletidos. A diferença, é que para este caso a variável “ABERTO” fica ativa indicando um
sinal refletido positivo.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
75
Figura 8.16 – Simulação do Identificador para um sinal refletido positivo.
A Figura 8.17 mostra o pulso refletido positivo, a diferença neste caso, é que apenas o
sinal mostrado pela Figura 8.17(B) está ativo, isto porque, a reflexão é positiva, indicando
uma ruptura.
Figura 8.17 – Teste real do Identificador para um sinal refletido positivo.
8.4 Resultados Experimentais do Escravo
O Escravo é responsável por realizar três dos dez testes, sendo estes a perca por
inserção, diafonia distante de mesmo nível (ELFEXT) e diafonia distante por soma de
potência de mesmo nível (PSELFEXT). Outra função do Escravo é dar suporte para o Mestre
realizar os outros testes, como a geração de sinais que são usados para determinar a
integridade do cabo e a geração do mapa de fios, além de prover acoplamento de resistência
entre os pares do cabo UTP.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
76
8.4.1 Bloco de Controle
Durante o processo de conexão o Escravo gera um pulso com intervalos de tempo fixo
em cada pino do conector RJ-45, como mostra a Figura 8.18. Este processo é chamado de
Fase 1. Estes sinais são utilizados pelo Mestre, para estabelecer conexão e realizar o teste de
integridade do cabo.
Figura 8.18 – Teste dos sinais da Fase 1 no processo inicial.
O mestre precisa conhecer a configuração dos conectores em ambas as extremidades do
cabo, para tanto, ele avisa o Escravo para trocar da Fase 1 para Fase 2. Nesta fase o escravo
gera uma quantidade de pulsos referente ao valor do pino a qual está conectado, por exemplo,
para o pino 4 ele gera 4 pulsos em um intervalo de 1 ms, estes pulsos são exemplificados nas
Figuras 8.19 e 8.20.
Figura 8.19 – Teste dos sinais da Fase 2 no processo inicial (Parte 1).
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
77
Através destes pulsos, o Mestre é capaz de definir o mapa de fios, e caso seja necessário
interromper o processo de analise do cabo, passando a utilizar o TDR para identificar o ponto
da falha.
Figura 8.20 – Teste dos sinais da Fase 2 no processo inicial (Parte 2).
8.4.2 Bloco de Amostragem
O bloco de Amostragem do Escravo é semelhante ao do mestre, no entanto, para este
caso o sinal não precisa ser multiplicado por um valor alto e sim apenas para compensar a
queda provocada pelo diodo retificador.
A Figura 8.21 mostra um teste realizado para verificar a atenuação de um sinal em cabo
de aproximadamente 90 metros. Os sinais Figura 8.21(A e B) correspondem ao transmitido e
os representados pela Figura 8.21(C e D) os recebidos.
Figura 8.21 – (A e B) Sinais Transmitidos, (C e D) Sinais recebidos.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
78
A Figura 8.22(C) mostra o sinal amplificado e retificado, o seu valor de pico é o mesmo
do sinal recebido. Seu valor é amostrado pelo ADC, e o valor de pico é usado para calcular a
atenuação.
Figura 8.22 – (A e B) Sinais diferenciais transmitidos e (C) Tensão no capacitor de
amostragem.
8.4.2.1 Teste de Diafonia distante de mesmo nível (ELFEXT)
A ELFEXT é amostrada na extremidade distante do transmissor, sendo o Escravo
responsável por medi-la. A Figura 8.23 mostra o resultado desta medição, onde os sinais
representados pela Figura 8.23(A e B) são os transmitidos e os da Figura 8.23(C e D) são os
medidos no par adjacente.
Figura 8.23 – Efeito da ELFEXT sobre um par de fios.
Capítulo 8 – Resultados Experimentais
79
A amplitude destes sinais é baixa e devem ser amplificadas para serem amostradas. O
processo da amostragem destes sinais é semelhante ao do Mestre.
8.5 Considerações Finais
O processo de depuração dos protótipos é complexo, pois há muitas variáveis que
podem influenciar nos resultados, uma delas são as altas freqüências usadas nos testes. A
principio é adotada a menor freqüência, sendo de 1 MHz, esta é usada para testar todos os
blocos para confirmar seu funcionamento com o projetado.
Com base nos testes e simulações realizadas, os blocos envolvidos no processo de teste
do cabo estão funcionando corretamente. Para as altas freqüências, deverá ser implementado
meios de compensação nos circuitos envolvidos na transmissão e recepção dos sinais, devido
às perdas ocorridas com o aumento da freqüência.
Capítulo 9 – Conclusões
80
CAPÍTULO 9
9 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi desenvolvido um analisador para cabos de rede do tipo par trançado
de baixo custo que realiza os dez testes exigidos pela norma ANSIA/TIA/EIA-568B. O
analisador é dividido em dois equipamentos, “Mestre” e “Escravo”. O Mestre é responsável
pela realização de sete dos dez testes, gerenciamento e interface com usuário. O Escravo
realiza os três testes restantes e transmite os resultados para o Mestre.
O Mestre foi dividido em quatro blocos: controle, transmissor, amostragem e TDR. O
bloco de controle é responsável pelo gerenciamento e processamento dos dados que são
adquiridos pelo bloco de amostragem. Os sinais usados para testar os cabos são gerados pelo
bloco transmissor. O bloco TDR gera um pulso de curta duração que é inserido no cabo em
teste, esse pulso ao encontrar qualquer diferença de impedância no cabo é refletido e sua
polaridade é identificada. Três sinais são gerados, dois indicando a existência de ruptura ou
curto-circuito e o terceiro é usado para controlar os contadores.
Com base nos resultados obtidos nas simulações e testes dos blocos, gerador e
amostragem, conclui-se que a função de transmissão e recepção do sinal está sendo realizada
de forma correta, sendo que um sinal contínuo entra no conversor AD e este é usado para
medir a redução ou a interferência sofrida pelo sinal. A simulação e teste do bloco
Identificador mostram que o mesmo desempenha corretamente sua função de sinalização.
Dificuldades Encontradas e Soluções Propostas
Os sinais usados nos testes são ajustados por um amplificador operacional, que
transforma um sinal digital em dois sinais diferencias com amplitude de ±1V. O fato do ganho
do amplificador decrescer com o aumento da freqüência, gera um problema com a variação de
freqüência do equipamento. Para solucionar esta dificuldade o ganho do amplificador precisa
ser controlado, cabendo ao processador ajustá-lo conforme a freqüência. Quanto aos
amplificadores responsáveis pelas amostras o ajuste pode ser feito no cálculo, onde o
processador possuiria uma tabela de valores de compensação para cada freqüência.
Para a atual conjectura foi utilizado um ganho fixo nos amplificadores operacionais no
bloco de amostragem, contudo, os mesmos têm a largura de banda limitada pelo ganho. Para
Capítulo 9 – Conclusões
81
evitar distorções no sinal de saída, é estudado a configuração de um off-set que compense as
percas dos diodos usados na retificação. Para aplicação desta solução o processo de
comparação, usado para medir a perda de retorno, teria que ser alterado, onde haveria uma
comparação entre os sinais transmitidos com os recebidos, evitando a necessidade de
transformar o sinal diferencial em um sinal digital novamente.
Durante o processo de teste os equipamentos alternam o terra, para isto, eles usam
chaves analógicas que são controladas pelos processadores do Mestre e do Escravo. Estas
chaves apresentam uma resistência que modifica a base de terra dos equipamentos, para evitar
este problema é necessário implementar circuitos que conectem fisicamente os terras durante
os testes e permitam ser controlados, como por exemplo relés de baixa tensão.
Implementações Futuras
Foi estudada a implantação de uma memória externa e uma porta serial para armazenar
e transmitir os resultados e a implementação de um software que receberia os resultados dos
testes e geraria relatórios. Existe a possibilidade de implantação de amplificadores
operacionais ajustáveis, os quais seriam responsáveis pela auto calibração do equipamento.
Durante o processo de amostragem, o analisador realiza dez amostras, para então
escolher o maior valor. Para não haver a possibilidade de ocorrer discrepância nas amostras
realizadas, foi estudada a implementação de um método estatístico que descarte valores
maiores que o coeficiente de variação das amostras.
Bibliografia 82
BIBLIOGRAFIA
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Bibliografia 83
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[16] ANDREWS, James R. Time Domain Reflectometry (TDR) and Time Domain Transmission (TDT) Measurement Fundamentals. Application Note AN-15. Picosecond Pulse Labs. Copyright November 2004.
Anexo A – Layout do ACR Mestre 84
ANEXO A – LAYOUT DO ACR MESTRE
Anexo B – Layout do ACR Escravo 85
ANEXO B – LAYOUT DO ACR ESCRAVO
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