1 Modulazioni Impulsive I.S.I.S.S. “F. FEDELE” di Agira (EN) Sez. I.T.I. “S. CITELLI” di REGALBUTO Prof. Mario LUCIANO MODULO 8: MODULAZIONI IMPULSIVE Lezioni di TELECOMUNICAZIONI MODULO 8: MODULAZIONI IMPULSIVE ANNO SCOLASTICO 2012/2013 Indice

2 I N D I C E 1 – PERCHE’ SI MODULA 2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL MODULATORE 2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL MODULATORE 3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI MODULAZIONE 3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI MODULAZIONE 4 – PREMESSE 5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE T.D.M. 5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE T.D.M. 6 – TEOREMA DI SHANNON 7 – MODULAZIONI IMPULSIVE: Generalità 7 – MODULAZIONI IMPULSIVE: Generalità 9 – MODULAZIONE PWM Modulazioni Impulsive 10 – MODULAZIONE PPM 8 – MODULAZIONE PAM 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM

3 1 – PERCHE’ SI MODULA Lo scopo della modulazione è di: adattare il segnale che si vuole trasmettere al mezzo utilizzato e per fare ciò, si porta il segnale posto in una certa banda, ad una frequenza più elevata della precedente senza portare modifiche al segnale, quindi portando il tutto alla banda di frequenza del mezzo di trasmissione; adattare i segnali ai circuiti di rice-trasmissione facendo in modo che il segnale venga opportunamente filtrato ed amplificato durante il viaggio nel mezzo; garantire la multiplazione (distinguere i diversi segnali) dove si separano più segnali trasmessi in un unico mezzo, facendo in modo che all’arrivo siano separati e distinguibili l’uno dall’altro dimensionamento delle antenne: se entrassimo nel campo della trasmissione via etere, dovremmo aggiungere che il segnale che deve essere trasmesso da un’antenna, questa dovrà essere opportunamente dimensionata secondo la formula =v/f che causa le basse frequenze dei segnali da trasmettere. Modulazioni Impulsive

4 2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL MODULATORE La modulazione consiste nel modificare le caratteristiche di un segnale detto portante, in funzione di un altro segnale detto modulante. La forma d’onda che si ottiene, è detta segnale modulato. N.B IN FASE DI MODULAZIONE VIENE FATTO VARIARE UN SOLO PARAMETRO DELLA PORTANTE. Modulazioni Impulsive

5 3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI MODULAZIONI LA MODULAZIONE Segnale Informazione ANALOGICO Portante Analogica AM FM PM Portante Impulsiva Non Quantizzata PAM PWM PPM Quantizzata PCM Segnale Informazione DIGITALE Portante Analogica FSK ASK PSK QAM Portante Digitale Codici Di linea Modulazioni Impulsive

6 4 – PREMESSE Il problema delle trasmissioni analogiche, sta nella ricostruzione dei segnali stessi in ricezione perché bisogna riconoscere istante per istante il loro contenuto, prendendo in considerazione anche il rumore del canale per poter ricostruire l’intera informazione di partenza correttamente. Per ovviare a tali problemi, si tende ad utilizzare in telefonia e in generale nell’elettronica, modulazioni di tipo impulsivo che permettono la conversione dell’informazione del segnale analogico in modo numerico, evitando così traslazioni dello spettro del segnale modulato di banda. Quindi il vantaggio dei segnali numerici è quello della corretta ricostruzione dell’informazione in ricezione perché l’informazione si presenta sotto forma di bit. In ricezione poi, ci basterà riconoscere il segnale in base agli istanti di trasmissione dei bit senza dover pensare a cosa accade nell’intervallo (privo d’informazione) tra un bit e l’altro. Le sole distorsioni che subisce il segnale trasmesso, sono legate al mezzo trasmissivo. Modulazioni Impulsive

7 4 – PREMESSE Quindi un altro dei nostri problemi, sarà quello di adattare il segnale al canale per avere una buona trasmissione. Il rumore, è un altro disturbo che si somma sul segnale utile e per eliminarlo, bisogna trovare la condizione migliore per far si che il segnale stesso non si degradi. Questi problemi possiamo facilmente risolverli con una trasmissione binaria. Se nella tecnica FDM i segnali occupavano bande di frequenza diverse e la trasmissione avveniva contemporaneamente, nella tecnica TDM, invece, i segnali sfruttano la medesima banda di frequenza, ma per quanto riguarda la trasmissione, questa non avviene contemporaneamente per tutti i segnali. Infatti, bisogna usare diversi intervalli di tempo per la Trasmissione dei canali. Modulazioni Impulsive

8 4 – PREMESSE In più per poter trasmettere dei segnali multiplati in un unico mezzo trasmissivo, il sistema è quello di rendere discreti i segnali analogici. Si fa ciò perché un segnale discreto occupa in parte il canale di trasmissione, invece un segnale analogico, essendo funzione continua del tempo lo occupa interamente. Allora sistemi numerici, si basano sul principio della divisione di tempo (TDM) che consiste, nell’utilizzare un solo canale ad alta velocità dividendolo in sottocanali definiti in base al tempo. Modulazioni Impulsive

9 5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE TDM La tecnica TDM consiste nel suddividere il dominio del tempo in piccole finestre (slots) nelle quali poi collocare i campioni dei segnali prelevati in ciascun canale. Quindi, ad ogni canale entrante nel multiplexer, viene assegnato un breve intervallo di tempo nel quale è contenuto un campione del segnale che trasporta ed in quella finestra di tempo, gli è consentito il passaggio nel canale principale. Questi campioni verranno prelevati secondo il teorema di Shannon.teorema di Shannon. In questo modo è possibile la trasmissione contemporanea di più messaggi attraverso una sola via di comunicazione, utilizzando un'unica banda di frequenza. Modulazioni Impulsive

10 5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE TDM Ad esempio due trasmettitori possono inviare i propri messaggi divisi in N parti ognuna delle quali si posiziona rispettivamente in N intervalli temporali. Il modo in cui vengono assegnati gli intervalli di tempo, avviene tramite dispositivi chiamati multiplexer a divisione di tempo. Essi si comportano come dei commutatori a rotazione; ogni posizione corrisponde ad un canale e pertanto essi prelevano periodicamente a rotazione, le porzioni dei vari segnali analogici da trasmettere e le restituiscono in uscita. La tecnica TDM può essere distinta in due categorie: TDM applicata per segnali analogici (PAM) (NON QUANTIZZATA) TDM applicata per segnali numerici (PCM)(QUANTIZZATA) Modulazioni Impulsive

11 5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE TDM SCHEMA A BLOCCHI DEL SISTEMA TDM ANALOGICO (PAM) Modulazioni Impulsive

12 6 – TEOREMA DI SHANNON Come detto in precedenza, il teorema di Shannon viene utilizzato per il prelevamento di campioni o parti del segnale, in un istante “t.”. La velocità con cui vengono prelevati i campioni del segnale è detta frequenza di campionamento definita dalla formula: Se volessimo immaginare il campionatore, potremmo pensarlo come un interruttore. Questo, ha come frequenza di apertura e chiusura la frequenza di campionamento. Quindi quando l’interruttore è chiuso il segnale viene prelevato, fino a quando l’interruttore non si richiuderà. Il campionamento allora, avviene in modo periodico, in istanti t n = n*  Tc dove  Tc sta per il periodo di campionamento e n sta per 1, 2, 3… Modulazioni Impulsive

13 6 – TEOREMA DI SHANNON Uno dei problemi della ricostruzione del segnale, sta nello stabilire la frequenza con la quale bisogna acquisire i campioni, per non venire poi a perdere parte dell’informazione. Il Teorema di Shannon ci aiuta ad ovviare questo problema, perché; se si conosce la massima frequenza dello spettro in banda base di un segnale, è possibile determinare la frequenza di campionamento tramite la formula fc  2 f max. Questa formula, ci permette di evitare perdite dell’informazione e quindi rende possibile la ricostruzione del segnale in ricezione in modo corretto utilizzando i campioni prelevati.Teorema di Shannon In termini migliori il Teorema di Shannon dice che: “qualunque forma d’onda, funzione continua del tempo, (avente frequenza massima fmax), risulta completamente determinata quando si prelevano dei campioni con una frequenza fc in istanti tn noti e separati da un intervallo di campionamento regolare  Tc, solamente se è rispettata la condizione f c  2 f max. ”Teorema di Shannon Modulazioni Impulsive

14 7 – MODULAZIONI IMPULSIVE: generalità GENERALITA' Si chiamano modulazioni impulsive quel tipo di modulazioni in cui la portante è costituita da un treno di impulsi e la modulante è di tipo analogico. Oggi sono poco usate perché per molti aspetti sono state superate dalla tecnica PCM (con la quantizzazione) Si suddividono in (senza quantizzazione): PAM (Pulse Amplitude Modulation = modulazione ad ampiezza di impulsi) PWM (Pulse Width Modulation = modulazione a larghezza di impulsi) PPM (Pulse Position Modulation = modulazione a posizione di impulsi) Modulazioni Impulsive

15 8 – MODULAZIONE PAM (non quantizzata) Nella PAM il segnale analogico modulante va a variare l’ampiezza del treno di impulsi che costituisce la portante secondo lo schema a destra Modulazioni Impulsive

16 9 – MODULAZIONE PWM (non quantizzata) Nella PWM le ampiezze degli impulsi sono tutte eguali e l’informazione data dal segnale modulante va a variare la larghezza, cioè la durata dell’impulso come nello schema a destra. Modulazioni Impulsive

17 10 – MODULAZIONE PPM (non quantizzata) Nella PPM invece, disegnata sotto, le ampiezze degli impulsi sono tutte eguali, le loro durate anche, ma la loro posizione, anticipata o ritardata rispetto a quella di riposo, racchiude l’informazione della modulante. Quanto più il segnale analogico è positivo, tanto più ritardata è la posizione degli impulsi rispetto alla posizione di riposo. Quanto più negativo è il segnale analogico, tanto più è anticipata la loro posizione, secondo lo schema di figura. Modulazioni Impulsive

18 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM (quantizzata) Intorno agli anni quaranta nacque l’esigenza di aumentare il numero di collegamenti telefonici interurbani. Questa esigenza però si scontrava con la grande complicazione e il considerevole costo di impianto di grandi fasci di conduttori, ingombranti e difficili da connettere. Si pensò allora a multiplare un gran numero di collegamenti telefonici su un solo cavo coassiale. Esisteva già a quell’epoca una tecnica per risolvere questo problema e si chiamava FDM (Frequency Division Multiplexing = multiplex a divisione di frequenza), ma presentava alcuni difetti e limitazioni. Nacque allora la più moderna TDM (Time Division Multiplexing = multiplex a divisione di tempo) e si tentò di realizzarla per mezzo delle tecniche già descritte impulsive PAM, PWM, PPM, che però costituirono solo una fase di passaggio, in quanto furono tutte presto superate dalla modulazione codificata PCM (Pulse Code Modulation = modulazione codificata ad impulsi). Modulazioni Impulsive

19 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM (quantizzata) Esiste oggi un PCM Americano, un PCM Europeo, un PCM giapponese. Questo rappresentato a destra è uno schema del PCM telefonico europeo a 32 canali. Il PCM si applica ai canali telefonici e, il tipo europeo, consente di far transitare su un solo cavo coassiale 32 telefonate contemporaneamente, senza, naturalmente che interferiscano fra loro e indirizzarle, in ricezione ciascuna all’utente richiesto come schematizzato nella figura di sopra. Dei 32 canali multiplexati, 30 sono canali vocali e 2 sono canali di servizio. Modulazioni Impulsive

20 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM (quantizzata) Per realizzare la tecnica PCM si effettuano tre operazioni a partire dal segnale microfonico di partenza: CAMPIONAMENTO CODIFICA QUANTIZZAZIONE Modulazioni Impulsive = PAM

21 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM Campionamento In base al teorema di SHANNON, un segnale a banda limitata, compresa fra le frequenze f 1 ed f 2 (f 2 >f 1 ) può essere rappresentato mediante una successione di campioni prelevati con una frequenza pari almeno a f c > 2f 2 In telefonia, essendo f 2 = f max = 4 KHz, si assume come frequenza di campionamento il valore di: f c = 8 KHz superiore di 1,2 KHz rispetto al valore minimo (banda netta) 2f 2 = 6,8 KHz, stabilito dal teorema di SHANNON. Il periodo di campionamento corrisponde, naturalmente all’inverso della frequenza di campionamento, e cioè: Modulazioni Impulsive

22 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM Commento al Teorema di Shannon: tale teorema ci dà delle garanzie sulla ricostruzione accettabile del segnale in ricezione, cioè prelevando e trasmettendo 8000 campioni in un intervallo di tempo di 1 sec. siamo sicuri di poter ricostruire il segnale in ricezione. Il segnale telefonico viene dunque per prima cosa campionato, viene poi sostituito dalla sequenza di impulsi PAM, così ottenuti, come si vede dalla figura seguente. Modulazioni Impulsive

23 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM Modulazioni Impulsive

24 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM La fase successiva prende il nome di quantizzazione, e consiste nella scelta di livelli discreti per i campioni così ottenuti che, nell’esempio seguente sono 8 e di valori tutti eguali. QUANTIZZAZIONE Nella realtà invece i livelli sono 256, di cui 128 positivi e 128 negativi, in relazione al tipo di codice. Un codice BINARIO a 8 Bit ci dà 256 combinazioni diverse. Modulazioni Impulsive

25 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM QUANTIZZAZIONE Modulazioni Impulsive Approssimare l’ampiezza dei campioni al livello più vicino, al fine di ridurre il numero di campioni diversi ad un numero finito e pari a 256 3,9  s

26 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM E’ evidente che in questa fase si compie un errore, detto errore o rumore di quantizzazione, in quanto il segnale vocale di partenza poteva assumere qualunque valore, all’interno della sua escursione, essendo continuo, mentre il segnale quantizzato può assumere solo alcuni valori precisi (dovuto alle approssimazioni dei campioni al livello più vicino). Scegliendo però un numero molto alto di livelli, 256, non ha effetto sull’orecchio umano la variazione per intervalli discreti dell’ampiezza del segnale, perché risulta al di sotto della soglia di sensibilità. In realtà, ai fini della trasmissione, quello che conta veramente è il rapporto SEGNALE/RUMORE (S/N). Per mantenerlo più elevato possibile ed abbastanza costante gli intervalli tra due livelli vicini non sono tutti di valore eguale ma sono anche di ampiezza variabile secondo una funzione logaritmica (variazioni più piccole per le ampiezze minori e variazioni più grandi per le ampiezze maggiori). Modulazioni Impulsive

27 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM Modulazioni Impulsive

28 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM In questa terza fase gli impulsi, campionati e quantizzati, vengono codificati, cioè la loro ampiezza viene trasformata in una sequenza di bit secondo un codice binario. Nel PCM Europeo, essendo il codice binario ad 8 bit, con un numero di livelli 256, per rappresentare ogni campione, o meglio una ampiezza, occorrono una sequenza di 8 bit. Il segnale analogico allora viene trasformato in una sequenza di bit che in codice rappresentano le ampiezze di ciascuno dei campioni del segnale stesso. CODIFICA Tra una sequenza di 8 bit e la successiva dello stesso canale, nel PCM Europeo, si trasmettono altre 31 sequenze di 8 bit che rappresentano altri 31 canali telefonici tutti multiplexati sullo stesso cavo coassiale. In un solo cavo pertanto transitano 32 segnali numerici che indipendentemente l’uno dall’altro vengono indirizzati ciascuno al proprio corrispondente utente destinatario. Modulazioni Impulsive

29 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM Si costituisce pertanto una TRAMA del PCM costituita da una sequenza temporale di 32 canali numerici, dal n. 0 al n. 31, in cui il n. 0 serve per dettare il sincronismo al ricevitore ed il n. 16 per il controllo della bontà di trasmissione degli altri canali. LA TRAMA TELEFONICA I canali vocali utili sono quindi 30, mentre 2 sono di servizio. In ricezione ogni canale viene inviato al destinatario richiesto in quanto esiste il primo canale di sincronizzazione. Non appena viene ricevuto pertanto il segnale di sincronizzazione infatti, il ricevitore invia il successivo canale all’utente richiesto dal n.1, il seguente al n.2 ecc. Modulazioni Impulsive Tc = 125  s 3,9  s

30 11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM Il tempo di un canale è naturalmente quello di tutta la trama diviso per 32 e coincide con la durata del singolo campione: LA TRAMA TELEFONICA Ma poiché per ogni canale si trasmettono 8 bit, il tempo dedicato alla trasmissione di un bit è quello di un canale diviso 8: Poiché vengono trasmessi 32 canali con 8000 campioni al secondo, ed ogni canale contiene 8 bit, ogni secondo vengono trasmessi un numero di bit: Se è necessario trasmettere un numero maggiore di canali, allora si raggruppano 4 gruppi da 30, si trasmettono 120 canali costituendo così un supergruppo del primo ordine. Si possono formare così anche supergruppi da 480, 1920, 7680 canali. Modulazioni Impulsive

31 FINE PRESENTAZIONE Modulazioni Impulsive DIMINUIRE IL RUMORE??  QUANTIZZAZIONE LOGARITMICA S/N = VALORE COSTANTE

32 NOTA BENE Modulazioni Impulsive RIGENERAZIONE Qualsiasi tipo di segnale, nel momento in cui viene trasmesso subisce delle distorsioni. SEGNALE ANALOGICO  AMPLIFICAZIONE SEGNALE IMPULSIVO  RIGENERAZIONE Rigenerare 1

33 FINE PRESENTAZIONE BUON LAVORO ……… ! Modulazioni Impulsive