Sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital: PC2IR

Texto completo

(1)i. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital: PC2IR Autor: Andy Rodríguez Morales. Tutores: Ing. Armando Moreno Valiño Ing. Arnaldo Moreno Montes de Oca. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(2) ii. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital: PC2IR Autor: Andy Rodríguez Morales armorales@uclv.edu.cu. Tutores: Ing. Armando Moreno Valiño armando.moreno@cimex.com.cu. Ing. Arnaldo Moreno Montes de Oca arnaldomm@uclv.edu.cu. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(3) iii. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de información Científico-Técnica.

(4) iv. PENSAMIENTO. Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad. Albert Einstein.

(5) v. DEDICATORIA. A mis padres..

(6) vi. AGRADECIMIENTOS. A mis tutores Arnaldo y Armando por su gran ayuda. A mis padres por brindarme siempre su amor, apoyo incondicional y guiarme en el camino de la vida. A mi hermano por su colaboración. A Sheila por su amor, comprensión y apoyo incondicional. A todos los profesores que influyeron en mi formación.. A todos gracias..

(7) vi i. TAREA TÉCNICA. . Estudio del sistema de televisión por cable emplazado en el polo turístico Cayo Santa María.. . Estudio y análisis de los aspectos teóricos relacionados con la solución al problema.. . Confección de un sistema para el control a distancia de los receptores de televisión satelital pertenecientes al sistema de televisión por cable.. . Confección de una guía para el manejo y explotación del sistema de control diseñado.. . Confección y presentación de un informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) vi ii. RESUMEN. En el presente trabajo se realiza el diseño e implementación de un sistema para controlar de manera remota un conjunto de receptores de televisión satelital. Dichos receptores pertenecen a un sistema de televisión por cable, instalado por la corporación CIMEX en el polo turístico Cayo Santa María, el cual brinda servicio a las instalaciones de este lugar. El sistema de control desarrollado permite actuar sobre los receptores de televisión satelital desde la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX ubicada en Santa Clara. Esto contribuye disminuir los tiempos de interrupción así como a ahorrar recursos de la empresa al no tener que mover personal calificado hasta las instalaciones del polo turístico. Este sistema consta de dos aplicaciones: cliente y servidor, que realizan la comunicación entre los puntos distantes a través de una red TCP/IP, y de un dispositivo que sirve de interfaz entre la aplicación servidor y los receptores de televisión satelital. Palabras clave: Receptores de televisión satelital, control por infrarrojos, LabVIEW..

(9) ix. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO.....................................................................................................................iv DEDICATORIA.......................................................................................................................v AGRADECIMIENTOS ...........................................................................................................vi TAREA TÉCNICA .............................................................................................................. vii RESUMEN ......................................................................................................................... viii INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 Organización del informe ...................................................................................................2 CAPÍTULO 1.. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA. EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL .......................................................................4 1.1. Televisión por cable..................................................................................................4. 1.1.1. Visión general de los sistemas de cable HFC .................................................5. 1.1.2. La televisión satelital como fuente de información en la televisión por cable7. 1.1.2.1. Receptores de televisión satelital ....................................................................8. 1.2. Comunicación infrarroja para mando a distancia .....................................................9. 1.2.1. El mando a distancia .......................................................................................9. 1.2.2. Protocolos de comunicación.........................................................................13. 1.2.3. Receptores de infrarrojo ...............................................................................14. 1.3. Comunicación entre los puntos distantes..............................................................16. 1.3.1. Elección del protocolo de transporte ...........................................................16.

(10) 1.3.2. Arquitectura cliente-servidor de TCP/IP.....................................................17. 1.3.3. Seguridad de la comunicación.......................................................................17. 1.4. Conclusiones del capítulo .......................................................................................20. CAPÍTULO 2.. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL. HARDWARE. .............................................................................................................21. 2.1. Sistema de control de receptores de televisión satelital PC2IR..............................21. 2.1.1. Especificaciones ............................................................................................21. 2.1.2. Requisitos ......................................................................................................22. 2.2. Arquitectura del sistema PC2IR .............................................................................22. 2.3. Diseño del hardware PC2IR_H ..............................................................................23. 2.3.1. Puertos para la comunicación entre el hardware y la PC Servidor ...............24. 2.3.1.1. Puertos de entrada y salida de audio .............................................................24. 2.3.1.2. Puerto paralelo...............................................................................................26. 2.3.2. Hardware para la adquisición de datos..........................................................28. 2.3.3. Hardware de ejecución ..................................................................................29. 2.3.3.1. Circuito mezclador ........................................................................................29. 2.3.3.2. Matriz de selección........................................................................................32. 2.4. Funcionamiento, simulación y prueba del hardware ..............................................35. 2.4.1 2.5. Simulación y prueba......................................................................................37. Conclusiones del capítulo .......................................................................................38. CAPÍTULO 3.. SOFTWARE DEL SISTEMA PC2IR......................................................39. 3.1. ¿Por qué LabVIEW?...............................................................................................39. 3.2. Aplicación servidor PC2IR_S.................................................................................40. 3.2.1. Adquisición, procesamiento y almacenamiento de comandos infrarrojos ....41.

(11) 3.2.2. Representación de la asociación entre los receptores de televisión satelital y. los canales de televisión................................................................................................44 3.2.3. Interfaz para el control local de los receptores de televisión satelital ...........45. 3.2.4. Creación de las señales para el funcionamiento de PC2IR_H ......................46. 3.2.5. Función servidor de la aplicación PC2IR_S .................................................47. 3.2.6. Almacenamiento de los eventos....................................................................48. 3.3. Aplicación cliente PC2IR_C...................................................................................49. 3.3.1 3.4. Interfaz de usuario en la aplicación cliente ...................................................49. Protocolo de comunicación entre la aplicación cliente y la aplicación servidor ....50. 3.4.1. Seguridad de los datos en la comunicación...................................................52. 3.5. Instalación y funcionamiento total del sistema.......................................................52. 3.6. Conclusiones del capítulo .......................................................................................54. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES....................................................................55 Conclusiones.....................................................................................................................55 Recomendaciones .............................................................................................................56 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................57 ANEXOS ..............................................................................................................................60 Anexo I. Circuito impreso del hardware PC2IR_H. ....................................................60.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En la cayería norte de Villa Clara se encuentra emplazado uno de los polos turísticos más importantes del país: Cayo Santa María. El servicio de televisión por cable que se oferta a las instalaciones hoteleras ubicadas en el mismo es suministrado por la empresa Telecable Internacional perteneciente a la Corporación CIMEX. La fuente de información televisiva principal radica en la televisión satelital, que se obtiene a través de un receptor de televisión satelital para cada canal de televisión. Con este propósito existen 38 receptores de televisión satelital instalados en el Centro Técnico de Telecable Internacional ubicado en Cayo Santa María, conocido como cabecera. A partir de la misma se distribuye la señal hacia los distintos hoteles utilizando una red compuesta por fibra óptica y cable coaxial. Para operar estos receptores de televisión satelital es necesaria la presencia in situ de personal calificado, el cual radica en la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX ubicada en Santa Clara. Lo anterior conlleva a que ante interrupciones en el sistema los operarios tengan que desplazarse 120 km hasta el lugar donde se encuentran estos receptores. Esta situación, que ocurre frecuentemente, resulta costosa para la entidad operadora del servicio, debido al gasto de combustible y a la demora en acometer la posible solución de la misma, a la vez que la calidad del servicio ofrecido se degrada, lo que influye de forma negativa sobre la imagen del operador ante sus clientes. Los receptores de televisión satelital que forman parte de esta red de televisión por cable son del tipo doméstico y no poseen un sistema que permita actuar sobre ellos desde un lugar remoto, sino que están diseñados para que puedan ser gestionados a través de un control remoto infrarrojo (mando a distancia) convencional o mediante el panel frontal de botones, que deben ser manipulados en el propio lugar donde se encuentra el equipo..

(13) INTRODUCCIÓN. 2. Teniendo en cuenta que existe una red de datos corporativa, que permite el intercambio de información entre el Centro Técnico de Telecable Internacional en Cayo Santa María y la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX en Santa Clara, sería factible utilizar dicha red como soporte para un sistema que permita el control de los receptores de televisión satelital emplazados en Cayo Santa María desde la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX. Para desarrollar un sistema que solucione la problemática planteada se definen los siguientes objetivos. Objetivo general: Diseñar un sistema que permita el control a distancia de receptores de televisión satelital. Objetivos específicos: 1. Analizar las posibles formas de controlar los diferentes receptores de televisión satelital instalados en la cayería norte de Villa Clara. 2. Diseñar un dispositivo que posibilite el control local de los diferentes receptores satelitales de televisión disponibles. 3. Diseñar un software que permita la gestión remota de los receptores de televisión satelital emplazados en Cayo Santa María desde la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX. 4. Implementar la comunicación entre el software de control local y el software de gestión remota. Resultados esperados Contar con un sistema capaz de permitir el control, local y a distancia, de los receptores de televisión satelital emplazados en la cabecera de la cayería norte de Villa Clara. Este sistema posibilitará dar una solución a las interrupciones mucho más rápida y eficiente y además, hacer ajustes al servicio prestado en un menor tiempo. Organización del informe El informe se estructura de la siguiente manera: Resumen, Introducción, Desarrollo, Conclusiones, Recomendaciones, Bibliografía Anexos.. y.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. El Desarrollo se compone de tres capítulos: Capítulo 1: Se hace un análisis de los receptores de televisión satelital que utiliza la empresa Telecable Internacional para elegir la forma de control más adecuada. Se presentan aspectos teóricos relacionados con el diseño del sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital. Capítulo 2: Se muestra la arquitectura general que posee el sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital. Se describe el hardware diseñado en la solución del problema. Capítulo 3: Se describe el software diseñado para el sistema de control a distancia de los receptores de televisión satelital. Se presenta una guía para la instalación de este sistema..

(15) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 4. DEL SISTEMA DE CONTROL. CAPÍTULO 1.. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL. En el presente capítulo se realiza un análisis de los aspectos teóricos necesarios para el diseño e implementación del sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital. 1.1. Televisión por cable. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define la televisión por cable: “Sistema de comunicaciones que distribuye señales radiodifundidas y no radiodifundidas, así como una multiplicidad de señales de satélite que originan la programación y otras señales por medio de cable coaxial y/o fibra óptica’’(UIT-T, 2000). La televisión por cable se ha convertido en la tecnología de televisión de mayor consumo debido a la alta calidad de la señal en la toma de usuario y a la gran cantidad de canales que se pueden procesar y distribuir. Además las redes físicas que soportan este servicio permiten ofrecer otro conjunto de prestaciones tales como telefonía y acceso a Internet de banda ancha (Pérez, 2007). En el polo turístico Cayo Santa María, ubicado al norte de la provincia de Villa Clara, se ofrece el servicio de televisión por cable proporcionado por la empresa Telecable Internacional. Para brindarlo se utiliza un sistema de arquitectura híbrido fibra-coaxial (HFC), cuya fuente principal de información es la televisión satelital analógica..

(16) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 5. DEL SISTEMA DE CONTROL. 1.1.1 Visión general de los sistemas de cable HFC La televisión por cable opera en un espectro aislado que, a diferencia de la televisión convencional, no utiliza la difusión por aire, sino que la señal televisiva es dirigida hasta los equipos terminales a través de cable. La estructura típica de una red de cable HFC es mostrada en la figura 1.1.. Figura 1.1 Estructura simplificada de una red HFC. (Fuente: (Rodríguez, 2011)).. Las partes principales de un sistema de televisión por cable son: . Cabecera.. . Red troncal.. . Red de distribución.. . Acometida o red de abonado.. . Equipos terminales.. Cabecera: Es el punto de origen de las señales a transmitir. Cuenta con antenas parabólicas para recibir señales satelitales, antenas de alta ganancia para televisión abierta, servidores con bases de programas de video para reproducir material grabado y estudios de producción (sólo en algunos casos) (Navarrete, 2007). La cabecera es el centro desde el que se gobierna todo el sistema. Es la encargada de monitorear y supervisar la red. Estas actividades se están convirtiendo en un requerimiento básico de las redes de cable, debido a la actual complejidad de las nuevas arquitecturas y a la sofisticación de los nuevos servicios que.

(17) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 6. DEL SISTEMA DE CONTROL. transportan, que exigen de la red una fiabilidad alta. En la cabecera se realizan además todo tipo de funciones de tarificación y de control de los servicios prestados (Pérez, 2007). Red troncal: Es la encargada de repartir la señal compuesta generada por la cabecera a todas las zonas de distribución que abarca la red de cable. El primer paso en la evolución de las redes clásicas todo-coaxial de televisión por cable hacia las redes de telecomunicaciones por cable HFC consistió en sustituir las largas cascadas de amplificadores y el cable coaxial de la red troncal por enlaces punto a punto de fibra óptica. Posteriormente, la penetración de la fibra en la red de cable ha ido en aumento, y la red troncal se ha convertido, por ejemplo, en una estructura con anillos redundantes que unen nodos ópticos entre sí. En estos nodos ópticos es donde las señales descendentes (de la cabecera al usuario) pasan del dominio óptico al eléctrico para continuar su camino hacia el terminal de abonado a través de la red de distribución de cable coaxial. En los sistemas bidireccionales, los nodos ópticos también se encargan de recibir las señales del canal de retorno o ascendentes (del abonado a la cabecera) para convertirlas en señales ópticas y transmitirlas a la cabecera (Andreula, 2008). Red de distribución: Transporta las señales entre el nodo óptico y las proximidades del abonado. Es una red con estructura de árbol-ramas de cable coaxial. Soporta señales de radiofrecuencia multiplexadas en frecuencia en ambas direcciones de transmisión y adapta el sistema de transporte a las características específicas del lazo de abonado. Generalmente, el tipo de cable utilizado es el estándar RG-500. Las características de atenuación y respuesta de frecuencia del cable coaxial son compensadas en la red con la inclusión de amplificadores bidireccionales (Raúl Rodríguez, 2010). Acometida o red de abonado: Corresponde a la última milla, realiza la conexión entre los derivadores y la base de conexión de abonado. El tipo de cable coaxial más utilizado es el estándar RG-6 debido a que presenta mejores características físicas y mecánicas para su instalación dentro de los locales (Raúl Rodríguez, 2010). Equipo terminal: Acondiciona la señal para poder ser reproducida en una televisión no fabricada con la capacidad de desplegar todos los canales que el cable transporta, o bien,.

(18) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 7. DEL SISTEMA DE CONTROL. sirve como filtro para proporcionar al suscriptor únicamente los canales que ha pagado. En los casos más sencillos, el equipo terminal es la televisión del suscriptor (Navarrete, 2007). 1.1.2 La televisión satelital como fuente de información en la televisión por cable La fuente principal de información para la televisión por cable que se brinda en el polo turístico Cayo Santa María es obtenida de la televisión satelital. Para conformar el espectro de la señal televisiva se utiliza la arquitectura de sistema colectivo de distribución de televisión por cable, representada en la figura 1.2.. Figura 1.2 Sistema colectivo de distribución por cable. (Fuente: Elaboración propia, basada en (Moreno, 2011)).. La función del conmutador múltiple es proporcionar en cada una de sus salidas el espectro que contiene los transponders verticales u horizontales en dependencia de la configuración elegida. Los receptores de televisión satelital (IRD x) se sintonizan para adquirir la información individual de un transponder determinado y a su salida brinda esa información.

(19) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 8. DEL SISTEMA DE CONTROL. en señales de audio y video en banda base. Los moduladores (Modulador x) se encargan de modular estas señales de audio y video en banda base a la frecuencia de un canal deseado. El combinador realiza la unión de todos estos canales para conformar el espectro de canales que es distribuido hacia los terminales. El amplificador se encarga de proporcionarle potencia a la señal para compensar los efectos atenuantes de la línea y de los derivadores que se encuentran en el camino hacia los terminales de televisión. 1.1.2.1 Receptores de televisión satelital Un receptor de televisión satelital es a menudo llamado receptor y decodificador integrado (IRD, por sus siglas en inglés) ya que estas son sus funciones principales. La figura 1.3 muestra un diagrama en bloques elemental de un IRD.. Figura 1.3 Esquema básico de un receptor de televisión satelital. (Fuente: Elaboración propia, basada en (María José Alonso, 2007)).. Un IRD convencional se compone básicamente de un sintonizador, un demodulador QPSK con componentes analógicos, un demultiplexor para separar los diferentes canales, un decodificador de vídeo y audio MPEG-2, conversores digitales/analógicos, modulador PAL y/o NTSC, interfaces para tarjetas inteligentes y otros dispositivos, y todo ello gobernado por un microcontrolador (Yolanda Lucas Baldó, 1997)..

(20) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 9. DEL SISTEMA DE CONTROL. El microcontrolador modifica variables de los bloques funcionales del IRD en dependencia de los parámetros que le introduce el usuario utilizando las interfaces para la comunicación entre el usuario y el IRD. Existen en la actualidad gran cantidad de receptores para televisión satelital, los cuales varían según los fabricantes y modelos. Se fabrican receptores de televisión satelital profesionales y domésticos en dependencia del destino que tendrán. Los receptores de televisión satelital profesionales poseen varios tipos de interfaces de control, entre las que se pueden mencionar: panel frontal de botones en el receptor, de luz infrarroja para mando a distancia, web y de protocolo para la administración simple de red (SNMP, por sus siglas en inglés) (TIERNAN, 2012). Los receptores de televisión satelital de tipo domésticos poseen solo dos tipos de interfaces de control: panel frontal de botones en el receptor y de luz infrarroja para mando a distancia. Los receptores de televisión satelital que se encuentran en explotación en Cayo Santa María son del tipo doméstico, por lo que no están diseñados para realizar el control de ellos desde un local distante a donde se encuentran instalados, ya que sus interfaces de control fueron implementadas para ser operadas mediante la presencia de un ser humano que realice las modificaciones. Como interfaz para realizar el control desde un local distante se eligió la de luz infrarroja para mando a distancia que poseen estos equipos. La interfaz de control de panel frontal de botones en el equipo no fue elegida porque sería necesario el empleo de un sistema mecánico capaz de oprimir los botones de cada uno de los receptores de televisión satelital, lo cual es extremadamente complejo. 1.2. Comunicación infrarroja para mando a distancia. 1.2.1 El mando a distancia Un mando a distancia o control remoto es un dispositivo electrónico usado para realizar una operación remota o telemando sobre determinado sistema. El término se emplea para referirse al dispositivo utilizado para comunicarse con el televisor u otro tipo de equipo electrónico doméstico. También suele tener otras funciones como encender y apagar un.

(21) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 10. DEL SISTEMA DE CONTROL. interruptor, alarma o abrir la puerta del un estacionamiento. Los mandos a distancia para esos dispositivos contienen una matriz de botones para ajustar los distintos valores, como por ejemplo, el canal de televisión, el número de canción o el volumen. En la mayoría de los dispositivos modernos el mando contiene todas las funciones de control mientras que el propio equipo sólo dispone de los controles primarios. La comunicación entre un mando a distancia y su receptor se produce mediante un haz de luz infrarroja cuya frecuencia está en el intervalo 0.3 THz < f < 428.5 THz (Hernández, 2010). La figura 1.4 muestra espectro de la luz infrarroja utilizada para el control con mando a distancia.. Figura 1.4 Espectro de emisión típico de un mando a distancia. (Fuente: (Hernández, 2010)).. Para emitir dicha luz los mandos utilizan diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) infrarrojos. Un mando a distancia de un sólo canal permite enviar una señal portadora, usada para accionar una determinada función. Para controles remotos multicanales, se necesitan procedimientos más sofisticados, uno de ellos consiste en modular la señal portadora con señales de diferente frecuencia. Después en la demodulación de la señal recibida se aplican los filtros de frecuencia apropiados para separar las señales respectivas. Hoy en día, se suelen usar métodos digitales (Valcarce, 2005)..

(22) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 11. DEL SISTEMA DE CONTROL. Funcionamiento Cuando se presiona una tecla, el mando envía una secuencia de pulsos de luz infrarroja que transportan un código de bits que identifica la tecla pulsada. La secuencia de pulsos de luz se obtiene como muestra la figura 1.5. La señal x(t) es la que genera en concreto el mando a distancia. En distintos mandos a distancia, dicha señal puede ser diferente.. Figura 1.5 Señales generadas por un mando a distancia. (Fuente: (Hernández, 2010)).. La figura 1.5 muestra las señales necesarias para construir la señal final m(t) que es la que apaga o enciende el LED infrarrojo. Obviamente, es necesario un circuito electrónico que genere las señales y realice las operaciones. Descripción de las señales de la figura 1.5: x(t): Señal moduladora. Es una señal eléctrica digital en banda base. Los bits van codificados en la señal de a acuerdo con un determinado tipo de modulación digital (también llamado código de línea), por ejemplo: modulación por Ancho del Pulso (PWM, por sus siglas en inglés), Manchester, Manchester Diferencial, etc. c(t): Portadora eléctrica. En el caso de los receptores de televisión satelital de Cayo.

(23) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 12. DEL SISTEMA DE CONTROL. Santa María posee frecuencias entre 36 kHz y 40 kHz, siendo la más común 38 kHz. m(t): Señal modulada. Señal eléctrica originada a partir del producto de las dos anteriores. Esta es la señal que excita al LED infrarrojo. Luz infrarroja: Portadora óptica generada por un LED infrarrojo. Se trata de una onda electromagnética modulada en amplitud, lo que da lugar a una secuencia de pulsos (destellos) de luz cuyo espectro está centrado en 319.15 THz (λ = 940 nm) como muestra la figura1.4. Como se puede ver, la señal digital en banda base x(t) es subida en frecuencia dos veces: 1. Cuando se multiplica x(t) por la portadora eléctrica c(t). Esto hace que el espectro de x(t) se desplace a f0 (banda de radiofrecuencia). 2. Cuando se modula la luz del LED infrarrojo para generar una ráfaga de pulsos de luz infrarroja (señal óptica modulada). Esto hace que el espectro de m(t) se desplace a frecuencias ópticas (λ = 940 nm). La primera subida del espectro se realiza para combatir la radiación infrarroja ambiental que capta el fotodiodo positivo intrínseco negativo (PIN) del receptor que en este caso representa ruido sobre la señal m(t). Este ruido lo genera de manera natural cualquier objeto a temperatura T > 0 y tiene una densidad espectral de potencia mucho mayor en baja frecuencia que en frecuencias en torno a 38 kHz. Así pues, para evitar toda esta potencia de ruido se transmite la señal x(t) en una banda de frecuencias en torno a f0 donde la potencia de ruido es menor, luego en el receptor se filtra y baja a banda base. La segunda subida del espectro es algo inevitable porque se usa un LED infrarrojo para transmitir. Los términos "óptico" o "eléctrico" no hacen referencia solamente a la diferencia de frecuencias (kHz frente a THz) de las señales, sino también a su distinta naturaleza: . La portadora eléctrica es una corriente eléctrica oscilante, es decir, una onda electromagnética que mueve los electrones del metal conductor y provoca así una corriente eléctrica.. . La portadora óptica, en cambio, es una onda electromagnética que se propaga en el espacio libre y que no implica movimiento de electrones. Es imposible que.

(24) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 13. DEL SISTEMA DE CONTROL. exista una corriente eléctrica que pueda oscilar a frecuencias ópticas (THz) porque las cargas eléctricas no pueden vibrar tan rápido, el electrón tiene masa y por tanto inercia (Valcarce, 2005). 1.2.2 Protocolos de comunicación En el campo de las telecomunicaciones, un protocolo de comunicación es el conjunto de reglas normalizadas para la representación, señalización, autenticación y detección de errores necesario para enviar información a través de un canal de comunicaciones. Los protocolos para la comunicación digital tienen características destinadas a asegurar un intercambio de datos fiable a través de un canal de comunicación imperfecto (Hernández, 2010). Los protocolos de comunicación diseñados para los controles remotos especifican dos puntos fundamentales: 1. El código de línea (secuencia de pulsos y espacios) puede utilizar cualquiera de las siguientes formas de modulación digital para formar la señal x(t). . La duración del pulso.. . La duración del espacio (entre dos pulsos consecutivos).. . La duración del pulso o espacio.. . La posición del pulso dentro de un periodo de bit.. . Los flancos de la señal.. 2. La estructura de la trama, en la cual se especifican características como: . El número de octetos.. . Orden transmisión de los octetos dentro de la trama.. . Orden de transmisión de los bits dentro de un octeto.. . Octetos de dirección y datos.. . Pulso de control automático de ganancia (AGC, por sus siglas en. inglés). . Tiempo de bit..

(25) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 14. DEL SISTEMA DE CONTROL. La mayoría de los protocolos de comunicación infrarrojos presentan tres partes fundamentales en la estructura de las tramas. 1. AGC: Pulso que se encuentra al principio de la trama, con una duración considerablemente mayor a los tiempos de bits. Su función es la de servir como patrón de ajuste al circuito de AGC del receptor infrarrojo. 2. Dirección: Es el campo que contiene el código utilizado para identificar el dispositivo en específico con el que se desea la comunicación. Se transmite a continuación del AGC. 3. Código: Es el campo que contiene el código perteneciente a una tecla en particular, el cual es utilizado para realizar una función en específico. Se transmite seguido a la dirección. 1.2.3 Receptores de infrarrojo Los receptores de infrarrojos codificados integran en un solo chip el elemento sensible al infrarrojo, una lente, un filtro de espectro y toda la lógica necesaria para distinguir señales moduladas a una determinada frecuencia (SB-Projects, 2001). El receptor infrarrojo debe deshacer todas las operaciones que ha hecho el mando a distancia para poder recuperar los bits transmitidos. Esto se realiza en 3 fases: 1. Un fotodiodo PIN convierte la señal luminosa incidente en la señal eléctrica modulada m(t). Esto representa la primera bajada en frecuencia, desde las frecuencias ópticas (THz) a las frecuencias eléctricas (kHz). 2. Mediante un amplificador integrador y un filtro de pasa banda, se elimina la portadora eléctrica c(t) y se recupera la señal en banda base x(t) original. Esto representa la segunda bajada en frecuencia, desde radiofrecuencias hasta banda base. 3. Teniendo en cuenta la modulación digital que el mando emplea, se procede a demodular la señal en banda base x(t) para recuperar los bits enviados. A partir de la secuencia de bits enviados se conocerá qué tecla del mando ha sido pulsada. En la figura 1.6 se muestra un diagrama en bloques típico de un receptor infrarrojo. La señal infrarroja recibida es tomada por el diodo de detección infrarrojo (diodo PIN).

(26) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 15. DEL SISTEMA DE CONTROL. mostrado en el lado izquierdo del diagrama. Esta señal es amplificada y limitada por las 2 primeras etapas. El limitador actúa como un circuito de AGC para conseguir un nivel constante del pulso sin importar la distancia a la que se encuentre el control remoto. Como se puede ver solamente la señal de corriente alterna se envía al filtro pasa banda. El filtro pasa banda se sintoniza a la frecuencia de modulación de la unidad receptora, que se encuentra en una gama de frecuencias de 36 kHz a 40 kHz. Las etapas siguientes son un detector, un integrador y un comparador. El propósito de estos tres bloques es detectar la presencia de la frecuencia de la modulación. Si esta frecuencia está presente, la salida del comparador será puesta a un nivel bajo.. Figura 1.6 Diagrama en bloques de un receptor de IR.(Fuente: (Panasonic, 2006)).. Todos estos bloques se integran en un solo componente electrónico de tres terminales: . Vcc: Terminal de alimentación.. . Gnd: Terminal común.. . Vout: Terminal de salida de información.. Existen diversos fabricantes de estos componentes en el mercado. La mayoría de los dispositivos están disponibles en varias versiones, cada una de las cuales se sintoniza a una frecuencia particular de la modulación. El amplificador está fijado a un nivel muy alto de ganancia. Por lo tanto el sistema tiende a comenzar a oscilar muy fácilmente. La colocación de un condensador de 22µF aproximadamente cerca de las conexiones de energía del receptor es obligatoria para eliminar ruido de las líneas de alimentación. Las hojas de datos recomiendan un resistor de 330 ohmios en serie con la fuente de alimentación para desacoplar la fuente de alimentación del resto del circuito..

(27) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 16. DEL SISTEMA DE CONTROL. El integrado entrega en su terminal Vout la señal x(t) original. Queda la tercera tarea: decodificar y recuperar los bits enviados. Esto se puede realizar mediante un circuito hardware o bien mediante software corriendo en un microcontrolador (lo más habitual). También se puede muestrear la señal de Vout con la tarjeta de sonido de un ordenador y decodificar por software en él (Ringwald, 2008). 1.3. Comunicación entre los puntos distantes. Al local técnico de Telecable Internacional de Cayo Santa María llegan dos redes de comunicación que pueden ser empleadas para el intercambio de datos entre el equipamiento de este local y el equipamiento de la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX en Santa Clara: . Red Pública de Telefonía Conmutada (PSTN, por sus siglas en inglés).. . Red corporativa de CIMEX.. En la implementación del sistema para el control a distancia de receptores de televisión satelital propuesto se eligió la red corporativa de CIMEX debido a que para la utilización de la PSTN es necesario añadir al sistema un par de módems telefónicos que elevaría el precio de la propuesta. 1.3.1 Elección del protocolo de transporte La red corporativa de CIMEX posee la arquitectura TCP/IP la cual soporta dos protocolos de transporte: el Protocolo de Datagramas de Usuario (UDP, por sus siglas en inglés) y el Protocolo para el Control de la Transmisión (TCP, por sus siglas en inglés). TCP es un protocolo orientado a la conexión; eso significa que se ocupa de transmitir datos entre dos computadoras que previamente han establecido una conexión. TCP permite un flujo de datos bidireccionales y además se encarga de que los paquetes lleguen a su destino libre de errores, sin duplicados y en el orden correcto, asumiendo él mismo la corrección de posibles errores mediante el uso de mecanismos de corrección adecuados (Farrel, 2004). UDP es un protocolo sin conexión, lo que quiere decir que las entidades que se comunican no realizan un proceso de establecimiento de la conexión previo al.

(28) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 17. DEL SISTEMA DE CONTROL. intercambio de datos. UDP permite un flujo de datos bidireccionales pero los paquetes pueden llegar al destino con errores, duplicados, desordenados o pueden no llegar. En este caso UDP no establece mecanismos para la solución de estas deficiencias (Larry Peterson, 2003). Producto de lo anterior se seleccionó TCP como el protocolo para el transporte ya que este no permite la pérdida o corrupción de datos durante la comunicación. 1.3.2 Arquitectura cliente-servidor de TCP/IP Las características de la arquitectura cliente servidor están definidas por las características de sus elementos. A continuación se brinda una breve descripción de los mismos (Morales, 2010): El cliente: . Es quien inicia las solicitudes o peticiones, tiene por tanto un papel activo en la comunicación (dispositivo maestro o amo).. . Espera y recibe las respuestas del servidor.. . Por lo general puede conectarse con varios servidores a la vez.. . Normalmente interactúa directamente con los usuarios finales mediante el uso de una interfaz grafica de usuario.. El servidor: . Al iniciarse, espera a que lleguen las solicitudes de los clientes, desempeña entonces un papel pasivo en la comunicación (dispositivo esclavo).. . Tras la recepción de una solicitud, la procesa, elabora una respuesta y la envía al cliente.. . Por lo general acepta conexiones de un gran número de clientes (en ciertos casos el número máximo puede estar limitado).. . No es frecuente que interactúe con usuarios finales.. 1.3.3 Seguridad de la comunicación La información intercambiada entre las aplicaciones que comunican los puntos distantes debe cumplir con el criterio de autenticidad. Esto significa que sean capaces de responder.

(29) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 18. DEL SISTEMA DE CONTROL. solamente a las órdenes de personal autorizado. Lo anterior puede lograrse utilizando criptografía de bloque de clave simétrica, la cual brinda además integridad y confidencialidad de los datos en la comunicación. La mayoría de los algoritmos de cifrado simétrico de bloque tienen una estructura descrita inicialmente por Horst Feistel de IBM en 1973. Esta estructura se muestra en la figura 1.7. La entradas del algoritmo de cifrado son un bloque de texto claro de tamaño 2w bits y una clave K. El bloque de texto claro se divide en dos mitades, L0 y R0. Las dos mitades de datos pasan a través de n etapas de procesamiento y luego se combinan para producir el bloque de texto cifrado. Cada etapa i tiene como entradas Li-1 y Ri-1, que se derivan de la etapa anterior, así como una subclave K i generada a partir de K. En general, las subclaves Ki son diferentes a K y entre ellas mismas, y se generan a partir de K mediante un algoritmo de generación de subclaves (Stallings, 2004). Todas las etapas tienen la misma estructura. Se realiza una sustitución sobre la mitad izquierda de los datos. Esto se hace aplicando una función de etapa F a la mitad derecha de los datos y luego un OR exclusivo a la salida de la función y la mitad izquierda de los datos. La función de etapa tiene la misma estructura general para cada etapa pero está parametrizada por la subclave Ki de la etapa. Existen varios algoritmos de cifrados que se derivan de la red de Feistel, en los cuales la implementación depende de la elección de los parámetros: tamaño del bloque de datos, tamaño de la clave, número de etapas, algoritmo de generación de subclaves y la función de etapa. Para realizar el cifrado de datos en el sistema propuesto se eligió el algoritmo: Estándar de Encriptación de Datos (DES, por sus siglas en inglés), que no es más que una realización específica de la red de Feistel. El DES es el esquema de cifrado más extendido a nivel mundial. En él el texto claro tiene una longitud de 64 bits y la clave, de 56; si el texto claro es más largo se procesa en bloques de 64 bits. La estructura del DES consiste en una pequeña variación de la red de Feistel. Hay 16 etapas de proceso y se generan 16 subclaves Ki, una para cada etapa, partiendo de la clave original..

(30) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 19. DEL SISTEMA DE CONTROL. Para descifrar basta con usar el mismo algoritmo empleando las subclaves Ki en orden inverso(Sánchez, 1999).. Figura 1.7 Red de Feistel. (Fuente: (Stallings, 2004))..

(31) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS Y ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS A EMPLEAR PARA EL DISEÑO. 20. DEL SISTEMA DE CONTROL. 1.4. Conclusiones del capítulo. La televisión por cable es una tecnología ampliamente difundida en el mundo, soportada principalmente sobre la arquitectura de redes HFC. Se emplea como fuente principal para las señales televisivas a difundir, las de televisión satelital. Para la obtención de las mismas un elemento importante lo constituyen los IRDs que pueden ser del tipo doméstico como es el caso de los emplazados en la cabecera existente en Cayo Santa María, operada por la empresa Telecable Internacional. Estos receptores permiten que haciendo uso de la interfaz infrarroja que ellos poseen sea posible realizar el cambio de varios de sus parámetros, siempre de forma presencial por parte del personal autorizado para ello. Empleando la red corporativa de CIMEX se propone la implementación de un sistema para el control a distancia de los receptores de televisión satelital utilizando la arquitectura de cliente servidor y el protocolo TCP. Para implementar la seguridad en la comunicación se adopta un mecanismo de criptografía de clave simétrica: el algoritmo DES. En el capítulo siguiente se realizará una representación gráfica del sistema de control propuesto y se diseñará del componente de hardware del mismo..

(32) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. CAPÍTULO 2.. 21. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. El sistema de control de receptores de televisión satelital que se propone tiene por nombre PC2IR. Está compuesto por un hardware denominado PC2IR_H y dos aplicaciones de software: cliente y servidor, llamadas PC2IR_C y PC2IR_S respectivamente. PC2IR permite la modificación de los parámetros de configuración de los receptores de televisión satelital que se encuentran en el Centro Técnico de Telecable Internacional (ubicado en Cayo Santa María) desde la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX (ubicada en Santa Clara). PC2IR_H se encarga de ejecutar las acciones sobre los receptores de televisión satelital y las aplicaciones PC2IR_C y PC2IR_S establecen la comunicación entre los dos puntos geográficos distantes a 120 kilómetros. En el presente capítulo se realiza una descripción general de la arquitectura del sistema PC2IR y se aborda el diseño, prueba y montaje del módulo de hardware PC2IR_H. 2.1. Sistema de control de receptores de televisión satelital PC2IR. 2.1.1 . Especificaciones. Contar con un panel frontal en el escritorio de una computadora personal (PC, por sus siglas en inglés) en la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX que permita la selección del receptor de televisión satelital que se pretende controlar en el extremo perteneciente al Centro Técnico de Telecable Internacional, así como tener plasmado el conjunto de comandos que sobre el receptor se pueden ejecutar.. . Poseer un sistema de adquisición de comandos de los receptores de televisión satelital, cuyos fabricantes no los proporcionan, para almacenarlos en la PC Servidor..

(33) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. . 22. Poseer almacenada una relación entre los canales de televisión y los receptores de televisión satelital correspondientes.. . Establecer el control de los receptores de televisión satelital a través de PC2IR_H.. 2.1.2 . Requisitos. Tener la capacidad de aceptar un mayor número de receptores de televisión satelital que los que actualmente se encuentran emplazados, con el objetivo que, si se produjesen expansiones en un futuro, no fuere necesario su modificación.. . Comunicar de forma transparente las aplicaciones cliente y servidor, utilizando protocolos de red que garanticen la integridad de los datos intercambiados.. . Permitir que el sistema solo sea operado por el personal autorizado.. . Ser un sistema sencillo y funcional, sin grandes exigencias de hardware y fácil de utilizar.. 2.2. Arquitectura del sistema PC2IR. La arquitectura del sistema PC2IR se muestra en la figura 2.1.. …... Figura 2.1 Arquitectura del sistema de control a distancia de receptores de televisión satelital PC2IR. (Fuente: Elaboración propia)..

(34) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 23. Principio de funcionamiento: El usuario (personal técnico de Telecable Internacional) decide ejecutar una operación sobre un receptor de televisión satelital específico. Utilizando la aplicación cliente, que se encuentra en una PC en la Gerencia de Servicios Técnicos de CIMEX, lo selecciona y envía el comando que ejecutará el cambio requerido. La aplicación servidor, que se encuentra en una PC en el local de Telecable Internacional en Cayo Santa María, interpreta los datos recibidos desde la aplicación cliente y envía una orden al hardware que se halla en la misma instalación. Este último interpreta la orden de la aplicación servidor y ejecuta la acción sobre el receptor de televisión satelital elegido por el usuario. Para ejecutar el comando sobre los receptores de televisión satelital se construyó una matriz de LEDs infrarrojos. Cada LED que compone esta matriz se sitúa frente al módulo de recepción infrarroja de cada receptor de televisión satelital correspondiente. La disposición física de estos LEDs fue hecha cuidadosamente para que la luz infrarroja emitida por cada LED solo influya en el receptor infrarrojo del receptor de televisión satelital que se le ha asignado. 2.3. Diseño del hardware PC2IR_H. PC2IR_H utiliza el control por comandos de luz infrarroja para modificar los parámetros de los receptores de televisión satelital. Este hardware se ubica entre la PC Servidor y los receptores de televisión satelital. En la figura 2.2 se representa un diagrama en bloques del mismo. Este dispositivo consta de un módulo de adquisición de datos para extraer la forma de onda de la envolvente de los comandos infrarrojos de cada nuevo equipo, que es la que contiene la información del comando. Esta información es introducida en la PC Servidor a través de un puerto de entrada con el objetivo de almacenarla para su posterior utilización. PC2IR_H posee también un módulo de ejecución, formado por un circuito mezclador y un circuito de selección. Este módulo de ejecución es el encargado de conformar el comando a partir de la forma de onda de la envolvente y dirigirlo hacia el LED infrarrojo que corresponde al receptor de televisión satelital que se desea controlar. El intercambio de información entre el hardware y la PC Servidor se realiza utilizando determinados puertos de los que posee la PC Servidor para la comunicación con periféricos..

(35) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 24. Figura 2.2 Diagrama en bloques de PC2IR_H. (Fuente: Elaboración propia).. 2.3.1 Puertos para la comunicación entre el hardware y la PC Servidor Una PC posee varios puertos de entrada, salida o entrada-salida, para comunicarse con distintos periféricos. Entre ellos se encuentran el bus serie universal (USB, por sus siglas en inglés), el de interconexión de componentes periféricos (PCI, por sus siglas en inglés), los de entrada y salida de audio, el paralelo, entre otros. Para el desarrollo del sistema que se diseñó, se eligieron el puerto paralelo y los puertos de entrada y salida de audio, debido a que sus características son propicias para el manejo de las señales que PC2IR_H utiliza. 2.3.1.1 Puertos de entrada y salida de audio Las tarjetas de sonido se han convertido en un componente presente en cualquier PC. En la actualidad las PCs se fabrican con el hardware de audio integrado en la placa base..

(36) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 25. Las funciones básicas de una tarjeta de sonidos son: reproducción, captura, síntesis y procesamiento de audio. Dichas funciones demandan gran cantidad de procesamiento por lo cual “la tarjeta de sonido debe considerarse como un coprocesador dedicado a trabajar con información de audio, liberando a la Unidad Central de Procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés) de dicha carga” (Terra, 2002). Estas tarjetas operan en una PC bajo el control de un programa informático llamado controlador (Purizaca, 2009). Para realizar el proceso de interpretar y convertir el sonido en datos y viceversa, la tarjeta cuenta con dos dispositivos conversores, uno encargado de transformar el sonido en digital desde el modo analógico y otro de realizar el proceso inverso (Montas, 2005). Estos dispositivos son denominados Conversor Analógico-Digital (CAD) y Conversor DigitalAnalógico (CDA) respectivamente. Además estas tarjetas para su funcionamiento precisan de un Procesador Digital de Señales (PDS) dedicado, el cual se encuentra en la misma placa. El CAD actúa como interfaz con el mundo exterior de la PC para la entrada de audio. En el exterior de la PC, el sonido se encuentra en forma de ondas de presión (variaciones de presión en el espacio y en el tiempo). Gracias a un transductor primario, que suele ser un micrófono, dichas ondas de presión se convierten en señales eléctricas (variaciones de tensión en el tiempo). El CAD es capaz de tomar muestras de tensión sobre dichas señales, y asignar valores digitales (números binarios) a cada muestra. El uso de un micrófono no es imprescindible para introducir señal a la entrada de la tarjeta de audio ya que cualquier fuente de audio como un reproductor de cintas o un receptor de radio entrega el sonido directamente en forma de señales eléctricas (Terra, 2002). El CDA realiza el proceso inverso, implementando la interfaz entre el PC y el mundo exterior para la salida de audio. El CDA toma una secuencia de datos digitales, y transforma dichos datos en niveles de tensión, creando una señal eléctrica analógica. Después emplea un transductor (típicamente altavoces o auriculares) para convertir las señales eléctricas en ondas de presión, audibles por el ser humano. Entre el CAD y el CDA se encuentra el PDS, que dota a la tarjeta de capacidad de procesamiento. El PDS es un procesador especializado en el tratamiento de señales digitales para las cuales es necesaria una elevada capacidad de cálculo. Este procesamiento.

(37) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 26. no es obtenible mediante procesadores convencionales. Sus características son similares a las de un procesador de propósito general pero su arquitectura es diferente (típicamente Hardvard) (Terra, 2002). Estas tarjetas están destinadas para ser interfaz con el hombre, por lo cual, los parámetros que las caracterizan dependen de la sensibilidad del oído humano. De estos parámetros, los más importantes, debido a que definen la calidad del audio, son la frecuencia de muestreo y el tamaño de la palabra digital de la muestra. Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la máxima que posea la señal (Carlson, 1997). Como en este caso dicha señal es del tipo audible (valor máximo 20 kHz) en los procesos de conversión (análogo/digital y digital/analógico) se encuentra un filtro encargado de limitar las señales por encima de la frecuencia indicada para evitar el fenómeno de aliasing. La frecuencia de muestreo debe ser de al menos 40 kHz; sin embargo las tarjetas que se comercializan tienen un valor de dicha frecuencia de 44,1 kHz con el objetivo de compensar las pérdidas que pudieran producirse en los conversores análogo digitales. El segundo parámetro definitorio es, el tamaño de la palabra digital de cada muestra. Este está directamente relacionado con la capacidad del oído humano de distinguir diferentes matices de audio. Se ha demostrado que con una palabra digital de 16 bits, con la cual se pueden lograr hasta 65536 matices de sonidos, es suficiente para el oído más fino (Montas, 2005). Los valores de estos parámetros determinaron que la tarjeta de audio fuese escogida para adquirir y proporcionar la forma de onda de la envolvente de los comandos infrarrojos de los receptores de televisión satelital que se desean controlar, ya que la frecuencia máxima de dicha envolvente nunca superará los 2,5 kHz y posee solo dos valores posibles: alto o bajo. 2.3.1.2 Puerto paralelo Este puerto de entrada y salida de datos fue originalmente creado para establecer una comunicación estándar entre la PC y las impresoras (Murcia, 2006). Por esta razón es también conocido como puerto de impresora. Sus características se encuentran descritas en el estándar 1284 de la IEEE (Estándar del Método de Señalización para una Interfaz Paralela Bidireccional Periférica para.

(38) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 27. Computadoras Personales). En este documento están definidas las especificaciones físicas, eléctricas y los modos de trabajo para esta interfaz (Mueller, 2011). Para el puerto paralelo se ha estandarizado un conector DB25, el cual tiene la asignación de pines mostrada en la figura 2.3. Los voltajes de cada uno de estos pines siguen el convenio TTL (0V un 0 lógico y 5V un 1 lógico) (Mueller, 2011).. Figura 2.3 Puerto paralelo IEEE 1284. (Fuente: (Lava, 2002)).. El puerto paralelo es un conector con 17 líneas de señal y 8 líneas de tierra. Las líneas de señal se dividen en 3 grupos. . Control (4 líneas). . Estado (5 líneas). . Datos (8 líneas). Las Líneas de Control son usadas como control de la interfaz y señalización de establecimiento de comunicación de la PC a la impresora. Las Líneas de Estado se usan para la señalización de establecimiento de conexión y como indicador de estado para eventos tales como no tener papel, indicador de ocupado y errores de la interfaz o del periférico. Las líneas de Datos son usadas para proveer la información desde la PC a la impresora y en las implementaciones más modernas del puerto paralelo permiten que los datos fluyan en sentido inverso..

(39) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 28. Para el trabajo del software con dichos puertos se definen las direcciones asignadas a ellos tal y como se presenta en la tabla 2.1. Tabla 2.1 Direcciones e interrupciones de las interfaces paralelas. (Fuente: (Mueller, 2011)).. Cuando existe un solo puerto paralelo en la PC este tiene asignadas las direcciones 378 a 37A en hexadecimal y es denominado LPT1. Para el sistema que se propone es adecuado este puerto, ya que puede colocar en sus pines de salida una palabra digital que será utilizada para elegir el receptor de televisión satelital que se desea controlar. 2.3.2 Hardware para la adquisición de datos Los fabricantes no especifican el protocolo de comunicación que se utiliza entre el control remoto y el equipo. Para resolver esto se diseñó un sistema que permite la adquisición y almacenamiento de los comandos de control por infrarrojo de los receptores de televisión satelital. Este sistema de adquisición de datos está compuesto de un módulo de software y uno de hardware. El objetivo del hardware de adquisición de datos es proporcionar a la entrada de audio de la PC la forma de onda de x(t) tal como se muestra en la figura 1.5. En la PC se ejecuta un software que almacena la señal recibida. Para desempeñar esta tarea se diseñó el circuito que se muestra en la figura 2.4. Este circuito está formado por un transductor infrarrojo como el descrito en el epígrafe 1.2.3. A la salida de este transductor (terminal DATA), se ofrece la forma de onda del comando, la cual es conducida a través de un interruptor controlado hacia la entrada de audio de la PC donde se ejecuta el software de adquisición, procesamiento y almacenamiento. La función del interruptor controlado es aumentar el aislamiento entre la entrada y la salida de señal de PC2IR_H. Cuando el módulo de adquisición descrito no está funcionando, se desconecta el sensor infrarrojo de la entrada de la PC. Esto evita que el ruido infrarrojo ambiente se introduzca a través del transductor infrarrojo hacia el canal de salida de audio.

(40) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 29. de la PC, con efectos indeseables. Este interruptor controlado está formado por uno de los módulos del circuito integrado (IC, por sus siglas en inglés) 4066, y el voltaje que controla este módulo es proporcionado por el bit D7 del bus de datos del puerto paralelo de la PC.. Figura 2.4 Hardware de adquisición de datos. (Fuente: Elaboración propia).. 2.3.3 Hardware de ejecución El hardware de ejecución se encarga de interpretar las señales de salida de la PC Servidor, conformar el comando infrarrojo necesario y conducirlo hacia el LED infrarrojo que corresponde al receptor de televisión satelital que se desea controlar. Está compuesto de dos partes fundamentales: . Circuito mezclador (conformador de la señal de comando a enviar).. . Matriz de selección (seleccionador del receptor de televisión satelital).. 2.3.3.1 Circuito mezclador Es un circuito encargado de modular en amplitud la señal de comando con una portadora. La señal de comando es proporcionada por el puerto de salida de audio de la PC Servidor y la portadora por un circuito oscilador. El diagrama en bloques de la figura 2.5 representa los principales elementos que componen dicho modulador..

(41) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 30. Figura 2.5 Diagrama en bloques del circuito mezclador. (Fuente: Elaboración propia).. El interruptor controlado 1 tiene la función de aislar el hardware de control cuando esté funcionando el hardware de adquisición para evitar los acoples de la entrada a la salida en la tarjeta de audio de la PC y eliminar así una acción indeseada en algún receptor satelital de televisión. Cuando el hardware de ejecución está funcionando, el hardware de adquisición está inactivo, por lo que el interruptor controlado 1 se encuentra cerrado. Como la señal a modular tiene solo dos valores posibles la mezcla con la portadora se realiza utilizando el interruptor controlado 2. Mientras no existe señal en la entrada, el interruptor controlado 2 se encuentra abierto, por lo que a la salida del circuito existe un potencial de 0V. Cuando el software del servidor envía un comando, a la entrada del comparador aparece una señal conformada por un tren de pulsos. Esta señal posee los efectos del filtro de salida de la tarjeta de audio de la PC, por lo cual los pulsos no son totalmente cuadrados, sino que tiene los bordes redondeados debido a que las frecuencias superiores a la de corte de dicho filtro (20 kHz) son muy atenuadas. Además los niveles de voltaje de salida de esta tarjeta son pequeños, los cuales no son suficientes para el funcionamiento de los ICs que componen el modulador. El objetivo del comparador que se encuentra a la entrada es precisamente, elevar los niveles de la señal hasta un valor apropiado y regenerar el borde de los pulsos para que estos sean lo más cuadrados posible. La función de este comparador la.

(42) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 31. desempeña un amplificador operacional de propósito general TL064. El voltaje de comparación se ha fijado al nivel 0,45V mediante un divisor resistivo. Cuando la señal de entrada supera el voltaje de comparación, la salida del comparador es igual a Vcc y cuando la señal de entrada se encuentra por debajo del nivel de comparación la señal de salida es igual a 0V, con lo cual queda regenerado el tren de pulsos. Como las frecuencias de portadora para los receptores infrarrojo en cuestión es de 36, 38 y 40 kHz, se diseñó el circuito oscilador para que trabaje a una frecuencia de 38 kHz, debido a que esta es la frecuencia más usual en este tipo de sistema de comunicación infrarroja y además se encuentra en el centro de las otras dos (36 kHz y 40 kHz). Lo anterior posibilita que cualquier módulo de recepción infrarroja funcione de forma correcta ya que como se muestra en la figura 2.6, el ancho de banda de estos es de f0/10 que, en un módulo centrado en 36 kHz es de 32,4 kHz a 39,6 kHz y en uno centrado en 40 kHz es de 36 kHz a 44 kHz; lo que indica que la frecuencia de 38 kHz se encuentra dentro de las bandas de frecuencias de cualquier módulo receptor infrarrojo.. Figura 2.6 Respuesta de frecuencias de un módulo de recepción infrarroja. (Fuente: (Panasonic, 2006)).. Para crear el oscilador se utilizó el circuito integrado LM555, el cual se diseñó para que funcionara como astable de ciclo útil de 50% a una frecuencia de 38 kHz..

(43) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 32. Luego el interruptor controlado 2 deja pasar a la salida la señal generada por el circuito oscilador cuando la señal entregada por el circuito comparador sea de un nivel alto y ante un nivel bajo la salida es puesta a 0V, con lo cual queda conformado el tren de pulsos modulado que es necesario para que sea interpretado por el circuito de recepción infrarroja del receptor de televisión satelital que se está controlando. El circuito eléctrico del mezclador se muestra en su totalidad en la figura 2.7.. Figura 2.7 Circuito mezclador. (Fuente: Elaboración propia).. 2.3.3.2 Matriz de selección Para que el comando transmitido actúe solo sobre un receptor de televisión satelital a la vez, se diseñó un circuito capaz de conmutar la señal de salida del circuito modulador solamente hacia el LED infrarrojo que emite las señales de control hacia el receptor de televisión satelital seleccionado. Se eligió el puerto paralelo de la PC Servidor para proporcionar una palabra digital que permite, en dependencia de su valor binario, realizar dicha conmutación..

(44) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 33. En la actualidad se encuentran instalados 38 receptores de televisión satelital en la cabecera de Cayo Santa María. Por esta razón, y para permitir futuras expansiones, se diseñó PC2IR para soportar una capacidad máxima de 64 receptores de televisión satelital. Como la cantidad tope de receptores satelitales de televisión, y por tanto la cantidad de LEDs infrarrojos para este sistema es de 64, dicha palabra digital tiene una longitud de 6 bits. Es decir con una longitud de 6 bits se pueden lograr números desde 0 hasta 63; cada número corresponde a cada uno de los LEDs infrarrojos y cada uno de estos a su vez corresponde a cada receptor de televisión satelital. Para proporcionar esta palabra digital se eligieron los primeros 6 bits (D0-D5) del bus de datos del puerto paralelo. Como la matriz elegida fue de tipo cuadrada (8X8) esta palabra digital fue dividida como se muestra en la figura 2.8 para realizar la función de selección dentro de la misma.. Figura 2.8 Distribución de la palabra digital utilizada para controlar el circuito de selección. (Fuente: Elaboración propia).. La parte baja de la palabra digital conforma la entrada del circuito 4028, el cual es un decodificador binario codificado decimal (BCD) de diez dígitos, cuya tabla de la verdad se muestra en la tabla 2.1. La función de este IC es polarizar la base de un transistor que elige la columna de la matriz de selección. Dicho transistor pasa al estado de saturación, lo que provoca que en el cátodo del LED en cuestión exista un potencial de 0V aproximadamente. La parte alta de la palabra digital conforma la entrada del circuito 4051 el cual es un multiplexor/demultiplexor analógico de 1 a 8 cuya tabla de la verdad se muestra en la tabla 2.2..

(45) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 34. Tabla 2.2 Tabla de la verdad del IC 4028. (Fuente: (ROHM, 2007)).. Tabla 2.3 Tabla de la verdad del IC 4051. (Fuente: (Philips, 2000)).. La función de este IC es dirigir la señal del comando hacia la fila de la matriz de selección. La señal de comando pasa a través de un transistor en configuración colector común, que funciona como amplificador de corriente, el cual permite el funcionamiento del LED infrarrojo..

(46) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 35. Los transistores NPN colocados a las salidas de los ICs 4028 y 4051 tienen el objetivo de adaptar el nivel de corriente que circula por los LEDs, ya que esta es de alrededor de 20 mA, la cual es mucho mayor que la máxima corriente de salida permitida para los ICs mencionados que es de aproximadamente 10 mA. La configuración de salida para cada LED se muestra en la figura 2.9.. Figura 2.9 Configuración de salida para cada LED de la matriz de selección. (Fuente: Elaboración propia).. La figura 2.10 muestra el circuito de la matriz de selección. Para evitar que ante fallas eléctricas en el hardware PC2IR_H, se viera afectada la placa base de la PC Servidor, entre los ICs de la matriz de selección y el puerto paralelo se utilizaron optoacopladores, los cuales proporcionan un aislamiento eléctrico entre estos dos elementos (figura 2.11). 2.4. Funcionamiento, simulación y prueba del hardware. El hardware en su totalidad funciona de la siguiente manera: A través del puerto paralelo del la PC Servidor, se recibe una palabra digital de seis bits en la entrada de la matriz de selección. Esta es la orden proveniente de la aplicación cliente, de cuál es el receptor de televisión satelital que se desea modificar. Dicha palabra es.

(47) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Y DISEÑO DEL HARDWARE. 36. interpretada por los circuitos integrados 4028 y 4051, los cuales en su funcionamiento conjunto permiten la elección de un LED infrarrojo a la vez, correspondiente al receptor de televisión satelital seleccionado. Este LED queda a la espera de la señal de comando modulada en amplitud para emitirla hacia el receptor de televisión satelital correspondiente. Posteriormente por el terminal de entrada del circuito de modulación se recibe la forma de onda de la envolvente del comando preveniente de la PC Servidor y este circuito proporciona a su salida la señal del comando modulada. Esta señal de salida es entregada al circuito de selección, el cual ha elegido ya su LED infrarrojo correspondiente y transmite la señal hacia el receptor de televisión satelital deseado y este responde en dependencia de la orden que contenga el comando.. Figura 2.10 Matriz de selección. (Fuente: Elaboración Propia)..