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17° CORSO SERGENTI – TECNICO ELETTRONICO NOZIONI GENERALI DI RADIOTECNICA LEZIONE 2 Ten. ing. RN DI MARIO Andrea APRILE 2013 SCUOLA DELLE TRASMISSIONI.

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1 17° CORSO SERGENTI – TECNICO ELETTRONICO NOZIONI GENERALI DI RADIOTECNICA LEZIONE 2 Ten. ing. RN DI MARIO Andrea APRILE 2013 SCUOLA DELLE TRASMISSIONI E INFORMATICA

2 2 Gli argomenti trattati sono da considerare: INFORMAZIONI NON CLASSIFICATEINFORMAZIONI NON CLASSIFICATE CONTROLLATE AD USO ESCLUSIVO INTERNO DEGLI ALLIEVI DELLA SCUOLA SCUOLA DELLE TRASMISSIONI E INFORMATICA

3 FONTI SINOSSI: Nozioni generali di RadiotecnicaSINOSSI: Nozioni generali di Radiotecnica - ST

4 INDICE CAP. 2 La modulazione delle oscillazioni a radiofrequenza:CAP. 2 La modulazione delle oscillazioni a radiofrequenza: 1.Generalità sui metodi di modulazione 2.Modulazione di ampiezza AM. 3.Costituzione sommaria dei modulatori per AM. 4.Schema a blocchi di un trasmettitore AM. 5.La rilevazione dei segnali AM. 6.Schema a blocchi di un ricevitore AM. 7.La modulazione di ampiezza a banda laterale unica. 8.Modulazione di frequenza 9.Costituzione sommaria dei modulatori per FM. 10.La rilevazione dei segnali FM. 11.Schema a blocchi di un ricetrasmettitore FM. 12.Confronto AM – FM 13.Modulazione di fase

5 Generalità sui metodi di modulazione

6 Onda In fisica con il termine Onda si indica una qualsiasi perturbazione o oscillazione che nasce da una sorgente e si propaga nel tempo e nello spazio trasportando energia. Definizione intuitiva Onda: trasporto di energia senza trasporto di materia.

7 Tipologia di onde Onde luminose Onde sonore Onde radio

8 Formule utili Formule utili Onda sinusoidale Un'onda sinusoidale nella variabile x è una funzione della forma: In fisica, un'onda sinusoidale è un'onda descritta matematicamente dalla funzione seno. A= Ampiezza ω = Pulsazione (rad/s) Φ = Fase (rad) f = frequenza (Hz) t = periodo (s)

9 Onda sinusoidale Osservare sinusoide comportamento spaziale (punto dello spazio bloccato che varia) comportamento temporale (sinusoide che oscilla)

10 Onda sinusoidale Osservare sinusoide – cambiamento AMPIEZZA A Tasto destro per bloccare

11 Onda sinusoidale Tasto destro per bloccare Comportamento al variare di ω = Pulsazione (ω=2pf) Il parametro ω causa una dilatazione lungo l'asse x

12 Onda sinusoidale Tasto destro per bloccare Comportamento al variare di F = fase (sfasamento) Il parametro F provoca una traslazione orizzontale

13 PROBLEMI CON LA COMPRENSIONE? Fare riferimento all Analogia con lacqua

14 Lo spettro elettromagnetico Consideriamo ora unonda che si propaga nello spazio, per esempio a causa di una variazione di corrente in un conduttore

15 Lo spettro elettromagnetico Quest onda possiederà una certa: Velocità v: velocità con cui si propaga nel mezzo (m/s) Frequenza f: numero di onde intere che attraversano un punto in un secondo (Hz) Lunghezza donda λ: distanza misurata da un punto dellonda al punto equivalente dellonda successiva (m)

16 Lo spettro elettromagnetico Velocità = Frequenza * Lunghezza donda v= f * λ λ = v / f

17 Lo spettro elettromagnetico Esempio: Unonda sullacqua viaggia ad un metro al secondo. In un secondo oscilla cinque volte. Qual è la lunghezza donda? λ = v / f Soluzione: λ =1 metro/secondo / 5 cicli/secondo = 0.2 metri = 20 cm

18 Lo spettro elettromagnetico ONDA ELETTROMAGNETICHE: In fisica le onde elettromagnetiche o radiazioni elettromagnetiche, sono onde che si propagano nello spazio a causa di fenomeni di natura elettromagnetica.

19 Lo spettro elettromagnetico ONDA ELETTROMAGNETICHE: In fisica le onde elettromagnetiche o radiazioni elettromagnetiche, sono onde che si propagano nello spazio a causa di fenomeni di natura elettromagnetica.

20 Lo spettro elettromagnetico Torniamo alla relazione: Velocità = Frequenza * Lunghezza donda v= f * λ NOTA: Le onde elettromagnetiche, a differenza dalle onde meccaniche (acqua, suono ecc, non richiedono un mezzo per propagarsi, possono propagarsi anche nel vuoto. Nel caso di onde elettromagnetiche, la velocità è quella della luce, indicata con c. c = 300,000 km/s = 300,000,000 m/s = 3*10^8 m/s

21 ONDE RADIO ONDA RADIO: In fisica le onde radio o radioonde sono radiazioni elettromagnetiche, appartenenti allo spettro elettromagnetico, nella banda di frequenza fino a 300 GHz ovvero con lunghezza d'onda maggiore di 1 mm. Vengono generate applicando una corrente alternata ad unantenna.

22 Generalità sui metodi di modulazione ONDE RADIO: La gamma delle onde radio è convenzionalmente suddivisa nelle seguenti bande:

23 Generalità sui metodi di modulazione ESEMPIO: Frequenza delle reti wireless b: f = 2.4 GHz = 2,400,000,000 cicli / secondo Lunghezza donda lambda (λ) = c / f = 3*10^8 / 2.4*10^9 = 1.25*10^-1 m = 12.5 cm Calcolare la lunghezza donda

24 Generalità sui metodi di modulazione CONCETTO POCO INTUITIVO? analogia orecchio umano Parlando genero delle onde sonore (che fanno variare la pressione dellaria). Queste incidono sullorecchio umano che è in grado di percepire onde sonore che vanno tra i (20Hz - 20Khz)

25 DOMINIO DEL TEMPO DOMINIO DELLA FREQUENZA CONCETTO FONDAMENTALE: Un qualsiasi segnale tempocontinuo può essere visto come una somma di infiniti segnali sinusoidali aventi ampiezza, fase e di frequenza opportuna. Lanalisi di Fourier consente di analizzare segnali temporali nel dominio della frequenza.

26 Sviluppo in serie di Fourier di unonda quadra DOMINIO DEL TEMPO DOMINIO DELLA FREQUENZA Animazione in flash (tasto destro e avanti)

27 Sviluppo in serie di Fourier di unonda quadra DOMINIO DEL TEMPO DOMINIO DELLA FREQUENZA Tempo Frequenza

28 Sviluppo in serie di Fourier di unonda triangolare DOMINIO DEL TEMPO DOMINIO DELLA FREQUENZA Animazione in flash (tasto destro e avanti)

29 Dominio del tempo e dominio della frequenza rappresentano due modi diversi di vedere lo stesso segnale. Nel dominio del tempo i segnali possono essere visti attraverso un oscilloscopio. Nel dominio della frequenza possono essere visti attraverso un analizzatore di spettro. DOMINIO DEL TEMPO DOMINIO DELLA FREQUENZA

30 Modulazione di Ampiezza AM Domanda: quale è lo spettro di un segnale puramente sinusoidale nel dominio della frequenza? Sinusoide nel tempo Analisi di Fourier Sinusoide nella frequenza DOMINIO FREQUENZA

31 I segnali elettrici che rappresentano l'informazione da trasmettere, così come si presentano dopo essere stati generati da un trasduttore (microfono, sensori ecc), non sono idonei ad essere trasmessi su mezzo fisico (canale trasmissivo). Generalità sulla modulazione Con il termine modulazione si indica l'insieme delle tecniche matematiche finalizzate alla trasmissione di un segnale attraverso un canale trasmissivo. Si caratterizza combinando un segnale detto modulante (contenente informazione) con un altro segnale detto portante. La portante con il segnale informativo modulante sarà detto quindi segnale modulato.

32 Ammesso che londa da modulare abbia un andamento sinusoidale, la sua rappresentazione è: Generalità sulla modulazione Esistono diversi tipi di modulazione analogica utilizzate nelle rispettive trasmissioni analogiche: AM - (Amplitude Modulation) modulazione di ampiezza; FM - (Frequency Modulation) modulazione di frequenza; PM - (Phase Modulation) modulazione di fase. L'informazione da trasmettere può essere codificata all'interno di variazioni di ampiezza, frequenza e fase. In ricezione dovrà essere recuperata ovvero demodulata dal segnale portante ricevuto.

33 Modulazione di Ampiezza AM La modulazione di ampiezza, in acronimo AM (amplitude modulation) consiste nel modulare l'ampiezza del segnale radio portante in maniera proporzionale all'ampiezza del segnale che si intende trasmettere (modulante) e che contiene informazione. Segnale portante Segnale modulante (informazione da trasmettere) Segnale modulato (pronto per essere trasmesso)

34 Modulazione di Ampiezza AM Modulante Portante Consideriamo come segnale modulante (segnale che trasporta linformazione) un segnale puramente sinusoidale y=A sin(ωt)

35 Modulazione di Ampiezza AM Indice di modulazione m = rapporto tra lampiezza della modulante e lampiezza della portante ModulantePortante Segnale modulato m=1 (100%) Segnale modulato m=0.5 (50%) Segnale modulato m<1 perdita informazione DOMINIO TEMPO

36 Modulazione di Ampiezza AM STESSO SEGNALE – DIVERSO DOMINIO : TEMPO E FREQUENZA Segnale modulato m=1 (100%) Segnale modulato m=0.5 (50%) Dominio del tempo Dominio della frequenza

37 BANDA In telecomunicazioni la larghezza di banda è una misura dell'ampiezza di banda dello spettro di un segnale informativo trasmesso. Banda reale (-3db metà potenza massima) Con il termine banda ci si riferisce in generale ad un intervallo di frequenze (range di frequenze) Banda ideale

38 Dominio del tempo Dominio della frequenza Modulazione di Ampiezza AM Consideriamo come segnale modulante (segnale che trasporta linformazione) un segnale vocale che vogliamo trasmettere attraverso una linea telefonica con una banda di frequenze (banda conversazione telefonica [300 – 3400Hz]) Banda =intervallo di frequenze [300 – 3400Hz]

39 Modulazione di Ampiezza AM Modulante Portante Consideriamo come segnale modulante (segnale che trasporta linformazione) una banda di frequenze (esempio banda conversazione telefonica [300 – 3400Hz]) Banda =intervallo di frequenze [300 – 3400Hz] Dominio del tempo Dominio della frequenza

40 Modulazione di Ampiezza AM Consideriamo come segnale modulante (segnale che trasporta linformazione) una banda di frequenze (esempio banda conversazione telefonica [300 – 3400Hz]) Notiamo che nel dominio della frequenza osserviamo la portante e due bande laterali, una banda laterale superiore e una inferiore La banda laterale superiore e la banda laterale inferiore sono simmetriche rispetto alla portante (significa che possiamo ottenere lintero spettro conoscendo soltanto una di loro)

41 Modulazione di Ampiezza AM DSB-SC (Double Side Band Suppressed Carrier) (doppia banda laterale, portante soppressa) SSB (Single Side Band). (singola banda laterale) La DSB-SC consiste nel sopprimere la portante e trasmettere solo le bande laterali. Il segnale trasmesso è, in questo caso, costituito dal solo prodotto di modulazione. L'apparato ricevente, per poter estrarre il segnale modulante, deve ricostruire il segnale AM completo di portante. Nella SSB, invece si trasmette una sola banda laterale superiore (USB - Upper side band) o inferiore (LSB – Low side band). Si ottiene anche una riduzione della larghezza di banda del canale di trasmissione, cosa abbastanza utile nei sistemi di trasmissione a banda stretta come quelli telefonici. Considerando lo spettro del segnale AM, come posso fare per risparmiare potenza? Trasmettere una banda elevata significa trasmettere tanta informazione, quindi tanta potenza, tanta energia, tanto consumo.

42 Modulazione di Ampiezza AM DSB-SC (Double Side Band Suppressed Carrier) (doppia banda laterale, portante soppressa) SSB (Single Side Band). (singola banda laterale) AM Normale SSB SSB-SC DSB-SC

43 Modulazione di Ampiezza AM AM Normale SSB SSB-SC Risparmio in frequenza (banda) per frequenze telefoniche

44 Costituzione sommaria dei modulatori per AM

45 Costituzione sommaria dei modulatori AM Modulazione: tecnica matematica finalizzata alla trasmissione di un segnale attraverso un canale trasmissivo che si caratterizza combinando un segnale detto modulante (contenente informazione) con un altro segnale detto portante.

46 Schema a blocchi di un trasmettitore AM

47 Il trasmettitore AM può essere schematizzando genericamente con lo schema a blocchi riportato nella figura successiva. Generazione portante Generazione modulante Combinazione segnali trasmissione

48 L Oscillatore genera loscillazione a RF (Radio Frequenza) Il Trasduttore converte un segnale fisico in un segnale elettrico (esempio Microfono che converte la voce in un segnale elettrico). Spiegazione dei singoli blocchi Schema a blocchi di un trasmettitore AM Il Separatore separa/protegge il resto del circuito dalloscillatore. Il Moltiplicatore moltiplica la frequenza delloscillatore ad una adatta ad essere trasmessa (elevatore di frequenza). L Amplificatore di potenza aumenta la potenza delloscillatore proporzionalmente alla distanza da far raggiungere al segnale. L Amplificatore BF (Bassa frequenza) serve per aumentare la potenza del segnale modulante (informazione). L Amplificatore Modulatore amplifica il segnale in relazione allindice di modulazione. L Antenna irradia onde elettromagnetiche. L Alimentatore fornisce energia allintero sistema.

49 La rilevazione dei segnali AM

50 La rilevazione dei segnali AM La rilevazione dei segnali AM è il processo che in ricezione permette di separare il segnale modulante (informazione) dal segnale portante e renderlo utilizzabile. Onda ricevuta dallantenna Onda dopo il rettificatore Onda dopo lo spianamento Onda traslata nellorigine

51 La rilevazione dei segnali AM Principio di funzionamento: Il segnale ricevuto dallantenna ricevente entra nel circuito rettificatore (diodo) che elimina il segnale minore di 0 (crea unonda a valor medio non nullo); successivamente attraversa il circuito di spianamento (circuito RC=filtro passa basso) e infine viene traslato sullorigine. Onda ricevuta dallantenna Onda dopo il rettificatore Onda dopo lo spianamento Onda traslata nellorigine

52 Schema a blocchi di un ricevitore AM

53 Il ricevitore AM può essere schematizzando genericamente con lo schema a blocchi riportato nella figura successiva. Tale schema si riferisce ad un ricevitore di tipo supereterodina.

54 L Amplificatore RF amplifica londa che riceve (~da uV a mV) Il Trasduttore converte il segnale elettrico in un segnale fisico (esempio Microfono che converte la voce in un segnale elettrico). Spiegazione dei singoli blocchi Schema a blocchi di un ricevitore AM Il Mescolatore assieme all Oscillatore locale converte la frequenza dellonda in arrivo ad una frequenza fissa su cui far lavorare lintero circuito. Perché? Per avere elevata sensibilità e selettività. L Amplificatore FI (frequenza intermedia) aumenta la potenza delloscillazione fino ad un livello utilizzabile. Il Rilevatore separa il segnale modulante dalla portante dando in uscita unonda acustica. L Amplificatore BF (bassa frequenza) amplifica il segnale in relazione al tipo di trasduttore disponibile. L Antenna irradia onde elettromagnetiche. L Alimentatore fornisce energia allintero sistema.

55 Modulazione di frequenza FM

56 Ammesso che londa da modulare abbia un andamento sinusoidale, la sua rappresentazione è: Modulazione di frequenza FM Esistono diversi tipi di modulazione analogica utilizzate nelle rispettive trasmissioni analogiche: AM - (Amplitude Modulation) modulazione di ampiezza; FM - (Frequency Modulation) modulazione di frequenza; PM - (Phase Modulation) modulazione di fase. L'informazione da trasmettere può essere codificata all'interno di variazioni di ampiezza, frequenza e fase. In ricezione dovrà essere recuperata ovvero demodulata dal segnale portante ricevuto. Modulazione: tecnica matematica finalizzata alla trasmissione di un segnale attraverso un canale trasmissivo che si caratterizza combinando un segnale detto modulante (contenente informazione) con un altro segnale detto portante.

57 La modulazione di frequenza, in acronimo FM (frequency modulation) consiste nel modulare la frequenza del segnale radio portante in maniera proporzionale all'ampiezza del segnale che si intende trasmettere (modulante) e che contiene informazione. Segnale portante Segnale modulante Segnale modulato (pronto per essere trasmesso) Modulazione di frequenza FM

58 AMPIEZZA A AMPIEZZA 2A Esempio di segnali modulati in frequenza

59 Modulazione di Frequenza FM STESSO SEGNALE – DIVERSO DOMINIO : TEMPO E FREQUENZA ModulanteSegnale modulatoPortante Tempo Frequenza

60 Lo spettro (ovvero il segnale nel dominio delle frequenze) del segnale modulato in frequenza è costituito dalla portante e da un numero infinito di componenti laterali disposte simmetricamente rispetto alla portante. Segnale modulato Dominio frequenza Modulazione di frequenza FM Tuttavia il contributo delle componenti per frequenze sufficientemente lontane dalla portante può essere trascurabile. Segnale modulato Banda significativa trascurabili

61 Costituzione sommaria dei modulatori per FM

62 Costituzione sommaria dei modulatori FM Modulazione: tecnica matematica finalizzata alla trasmissione di un segnale attraverso un canale trasmissivo che si caratterizza combinando un segnale detto modulante (contenente informazione) con un altro segnale detto portante. Tra i possibili metodi per ottenere la modulazione di frequenza, i più comuni sono: 1.Metodo del tubo a reattanza 2.Metodo della bobina a permeabilità magnetica variabile

63 Costituzione sommaria dei modulatori FM Metodo del tubo a reattanza: Il segnale acustico applicato al tubo a reattanza, fa sì che il valore della reattanza equivalente del circuito vari in proporzione allampiezza del segnale. Variando la reattanza varia la frequenza con cui oscillerà il circuito, generando in questo modo unonda modulata in frequenza.

64 Costituzione sommaria dei modulatori FM Metodo della bobina a permeabilità magnetica: circuito formato da un oscillatore (circuito risonante LC) che presenta uninduttanza variabile L2. Una variazione dellampiezza del segnale acustico farà variare il valore dellinduttanza L2, che a sua volta farà variare la frequenza con cui oscillerà il circuito risonante, generando in questo modo unonda modulata in frequenza.

65 La rilevazione dei segnali FM

66 Per rilevare unonda modulata in frequenza occorre trasformarla in unonda modulata in ampiezza e poi rilevare questultima con il sistema già indicato per la rilevazione dellAM (diodo – circuito RC) Il circuito che esegue questa operazione prende il nome di discriminatore

67 La rilevazione dei segnali FM Principio di funzionamento del discriminatore

68 La rilevazione dei segnali FM Unonda modulata in frequenza (FM) presenterà per definizione unampiezza costante. In realtà a causa dei disturbi e rumori di varia natura nelletere e nei circuiti, il segnale che viene ricevuto dallantenna ricevente, presenterà unampiezza non perfettamente costante, compromettendo la qualità della trasmissione. Per ovviare a questo fenomeno, si inserisce tra lantenna e il discriminatore un limitatore di ampiezza, circuito che ha il compito di riportare il segnale corrotto da rumore ad un segnale avente ampiezza costante.

69 Schema a blocchi di un ricevitore FM

70 Il ricevitore FM può essere schematizzando genericamente con lo schema a blocchi riportato nella figura successiva.

71 Il Limitatore riporta il segnale corrotto da rumore ad un segnale avente ampiezza costante. Il circuito di spianamento (circuito RC – Passabasso) elimina le alte frequenze riportando in banda base il segnale, generando un segnale elettrico pronto ad essere inviato al trasduttore (altoparlante). Spiegazione dei singoli blocchi Schema a blocchi di un ricevitore FM Il Trasformatore FM-AM o Discriminatore trasforma londa modulata in frequenza in unonda modulata in ampiezza, adatta ad essere rilevata con un rilevatore AM visto in precedenza. Il Rettificatore (diodo) lascia passare solo la parte del segnale maggiore di 0 (stesso principio del rettificatore AM). La stabilizzazione del discriminatore viene controllata attraverso un circuito di retroazione che ha il compito di rendere stabile il segnale e di eliminare il rumore dovuto ad un non perfetto allineamento con la frequenza della portante.

72 Confronto AM-FM

73 MODULAZIONE AM MODULAZIONE FM Tecnica di modulazione La modulazione di ampiezza, in acronimo AM (amplitude modulation) consiste nel modulare l'ampiezza della portante in maniera proporzionale all'ampiezza della modulante. La modulazione di frequenza, in acronimo FM (frequency modulation) consiste nel modulare la frequenza della portante in maniera proporzionale all'ampiezza della modulante.

74 Confronto AM-FM MODULAZIONE AM MODULAZIONE FM Larghezza di banda B=2FB=2(Δf+F) DSB 6800 Hz SSC 3100 Hz Larghezza di canale 15-25Khz Numero canali ~ – 100Khz Larghezza di canale Khz Numero canali ~ 1000 Gamma di frequenze HF High Frequency Portante da 1 a 18 MHz VHF-UHF High Frequency >20MHz

75 Confronto AM-FM MODULAZIONE AM MODULAZIONE FM Propagazione Onda diretta Onda riflessa Propagazione ionosferica Onda diretta Onda riflessa Potenza [1-100 Watt] [<50] Watt Portata elevata. Onde superano bene ostacoli Problema interferenze Difficoltà ponti radio Portata elevata. Onde superano male ostacoli Facilità ponti radio Trasportabilità Dimensioni e pesi elevati Dimensioni e pesi ridotti Antenna ~ λ/2 Dimensioni elevate ~m Dimensioni modeste ~cm Electronic Warfare Onde facilmente intercettabili Onde difficilmente intercettabili

76 Modulazione di fase PM

77 Ammesso che londa da modulare abbia un andamento sinusoidale, la sua rappresentazione è: Modulazione di fase PM Esistono diversi tipi di modulazione analogica utilizzate nelle rispettive trasmissioni analogiche: AM - (Amplitude Modulation) modulazione di ampiezza; FM - (Frequency Modulation) modulazione di frequenza; PM - (Phase Modulation) modulazione di fase. Modulazione: tecnica matematica finalizzata alla trasmissione di un segnale attraverso un canale trasmissivo che si caratterizza combinando un segnale detto modulante (contenente informazione) con un altro segnale detto portante.

78 La modulazione di fase, in acronimo PM (Phase modulation) consiste nel modulare la fase della portante rispetto al suo valore in assenza di modulazione, proporzionalmente al valore istantaneo dell'ampiezza del segnale. Modulazione di fase PM Non utilizzata in ambito E.I. Utilizzata molto raramente negli altri ambiti.

79 DOMANDE!

80 17° CORSO SERGENTI – TECNICO ELETTRONICO NOZIONI GENERALI DI RADIOTECNICA LEZIONE 1 Ten. ing. RN DI MARIO Andrea APRILE 2013 SCUOLA DELLE TRASMISSIONI E INFORMATICA


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