1 Ponti Radio Satellitari I.S.I.S.S. “F. FEDELE” di Agira (EN) Sez. I.T.I. “S. CITELLI” di REGALBUTO Prof. Mario LUCIANO MODULO 6: MODULAZIONI ANALOGICHE Lezioni di TELECOMUNICAZIONI MODULO 6: MODULAZIONI ANALOGICHE ANNO SCOLASTICO 2012/2013 Indice

2 MODULO 6: Modulazioni Analogiche OBIETTIVI FORMATIVI (Conoscenza e comprensione) Modulazioni Analogiche

3 I N D I C E (Modulazioni Analogiche) 1 – PERCHE’ SI MODULA 2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL MODULATORE 2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL MODULATORE 3 – VARI TIPI DI MODULAZIONE 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) 5 – INDICE DI MODULAZIONE 6 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO IN AMPIEZZA 6 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO IN AMPIEZZA 7 – POTENZA DEL SEGNALE MODULATO IN AMPIEZZA 7 – POTENZA DEL SEGNALE MODULATO IN AMPIEZZA 8 – MODULAZIONE DSB – SSB - VSB ESERCIZIO 1 – ESERCIZIO 2 9 – MODULAZIONE DI AMPIEZZA CON SEGNALI MODULANTI NON SINUSOIDALI 9 – MODULAZIONE DI AMPIEZZA CON SEGNALI MODULANTI NON SINUSOIDALI Modulazioni Analogiche 10 – MULTIPLAZIONE FDM 10 – MULTIPLAZIONE FDM

4 1 – PERCHE’ SI MODULA Modulazioni Analogiche 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 (altezza).

5 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 Analogiche

6 3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI MODULAZIONI Nel campo delle modulazioni, esistono diverse tecniche di modulazione e come notiamo nello schema in figura, che queste tecniche possono essere analogiche e non analogiche. Osservando lo schema rappresentato ora possiamo dire che i metodi utilizzati quali: PM, FM per l’ANGOLARE ed, DSB, SSB, VSB per l’AM, vengono utilizzate con la generazione di una portante sinusoidale. Per quanto riguarda invece la modulazione,numerica abbiamo la ASK, FSK, PSK su portante analogica e DPSK che può essere effettuata anche su portante digitale. Per ultimo abbiamo la modulazione IMPULSIVA che usa la portante ad impulsi e le tecniche sono: PAM, PWM, PPM, PCM, DM. Modulazioni Analogiche

7 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) QUALI PARAMETRI CARATTERIZZANO IL SEGNALE ANALOGICO: AM = MODULAZIONE DI AMPIEZZA FM = MODULAZIONE DI FREQUENZA PM = MODULAZIONE DI FASE UNA PORTANTE SI DICE MODULATA IN AMPIEZZA, QUANDO LA SUA AMPIEZZA VIENE VARIATA IN FUNZIONE DELL’AMPIEZZA DELLA MODULANTE IN MODO PROPORZIONALE. Modulazioni Analogiche

8 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) Il sistema AM fu il primo sistema di modulazione impiegato nel campo delle telecomunicazioni,in particolare per la trasmissione di segnali audio. La modulazione di ampiezza produce onde la cui ampiezza è massima nei punti in cui la modulante presenta i picchi positivi, minima in corrispondenza dei picchi negativi. Il sistema di trasmissione in AM è particolarmente soggetto a difetti di distorsione, interferenza e rumore, che non possono essere eliminati in fase di demodulazione. Prendiamo in considerazione due tipi di modulante: Sinusoidale Complessa (tipo segnale audio) Modulazioni Analogiche

9 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) CON MODULANTE SINUSOIDALE dove il fattore di proporzionalità Ka determina la massima variazione di ampiezza Ka Vm causata dal segnale modulante di ampiezza Vm Vm = V m cos  m t Vp = V p cos  p t V = (V p +K a V m cos  m t)cos  p t Modulazioni Analogiche 1.La frequenza della portante è maggiore di quella del segnale modulante 2.L’ampiezza della portante è maggiore dell’ampiezza del segnale modulante

10 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) CON MODULANTE SINUSOIDALE Vm = V m cos  m t Vp = V p cos  p t V = (V p +K a V m cos  m t)cos  p t Per la modulazione AM, i componenti più utilizzati, sono degli amplificatori ad alta frequenza. Invece circuiti utilizzati per modulare in ampiezza possono essere l’uno differente dall’altro, ma sono comunque sia tutti accomunati da fatto che in tutti, il guadagno dipende dall’ampiezza del segnale modulante. In fine, se volessimo rappresentare il segnale modulante e questo risulta essere periodico e non armonico, dovremmo utilizzare la serie di Fourier, mentre se trovassimo lo stesso segnale, però aperiodico, dovremmo utilizzare la trasformata di Fourier perché il suo spettro non sarà più a righe, ma continuo. Modulazioni Analogiche

11 4 – GENERALITA’ SULLA MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) CON MODULANTE SINUSOIDALE Vm = V m cos  m t Vp = V p cos  p t V = (V p +K a V m cos  m t)cos  p t Modulazioni Analogiche

12 5 – INDICE DI MODULAZIONE Uno dei parametri fondamentali della modulazione di ampiezza, è l’indice di modulazione(rappresentato graficamente in Figura 3) usato per definire il rapporto che c’è fra l’ampiezza del segnale modulante e quello dell’ampiezza della portante L’indice di modulazione deve essere sempre compreso fra 0 ed 1 (vedi grafico di Figura 3). L’indice di modulazione viene indicato con la lettera (m), è espresso in percentuale, e la formula matematica per calcolarlo è la seguente: Modulazioni Analogiche

13 5 – INDICE DI MODULAZIONE Nel caso di m = 0, il segnale modulante risulta essere nullo e quindi in trasmissione troveremmo solamente il segnale portante naturalmente non modulato. Infine nel caso in cui m = 1, le ampiezze della portante e della modulante risultano essere uguali (Vp = Vm). Qui gli inviluppi sia negativi che positivi, si toccano in un punto ed in questa situazione ci troviamo nel limite della distorsione ancora non avvenuta (purtroppo in questo caso basterebbe una leggera variazione di tensione per entrare in distorsione). Modulazioni Analogiche

14 5 – INDICE DI MODULAZIONE Infatti se m>1, abbiamo sovramodulazione cioè: veniamo a trovare nell’onda modulata una distorsione data dalle dimensioni dell’ampiezza del segnale modulante che viene a risultare maggiore di quella della portante rendendo non più sinusoidale l’inviluppo. Quindi i picchi del segnale AM verranno tagliati dalla sovrapposizione degl’inviluppi. Modulazioni Analogiche

15 5 – INDICE DI MODULAZIONE Modulazioni Analogiche

16 6 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO IN AM Per quanto riguarda poi lo spettro del segnale AM, questo è un modo di osservare il segnale sostituendo il tempo sull’asse delle ascisse con la frequenza. Quindi lo spettro è semplicemente un modo di porre su un grafico, un segnale del quale né vengono indicate le diverse componenti in funzione della frequenza, evidenziando la sua larghezza di banda. Considerando i segnali di ingresso (portante e modulante) Vp =A cos (2  fp t) e Vm = B cos (2  fm t) Il segnale modulato è dato da: V AM = A cos (2  fp t) + B cos (2  fm t) cos (2  fp t) = = A cos (2  fp t) + m A [cos (2  fm t) cos (2  fp t)] Elaborando matematicamente l’ultima espressione si ottiene: V AM (t) = A cos (2  fp)t + mA/2 cos 2  (fp + fm)t + mA/2 cos 2  (fp - fm)t Modulazioni Analogiche

17 6 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO IN AM V AM (t) = A cos (2  fp)t + mA/2 cos 2  (fp + fm)t + mA/2 cos 2  (fp - fm)t Evidenziare che tale segnale è composto dalla somma di tre termini A cos (2 fp t)  portante mA/2 cos 2 (fp + fm) t  componente sinusoidale di ampiezza mA/2 e frequenza pari alla somma (fp + fm) mA/2 cos 2 (fp - fm) t  componente sinusoidale di ampiezza mA/2 e frequenza pari alla differenza (fp - fm) Le componenti fp + fm e fp – fm, sono definite anche come banda laterale superiore (BLS) e banda laterale inferiore (BLI). Modulazioni Analogiche B = 2f m

18 6 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO IN AM CON MODULANTE SINUSOIDALE Vm = V m cos  m t Vp = V p cos  p t V = (V p +K a V m cos  m t)cos  p t Modulazioni Analogiche

19 6 – SPETTRO-BANDA DEL SEGNALE MODULATO IN AM Osservando il grafico possiamo dire che nelle bande laterali vi è il segnale AM che si vuole trasmettere avendo così doppia informazione in trasmissione. BANDA PASSANTE B = F max – F min = (f p +f m )-(f p -f m )= 2f m Modulazioni Analogiche N.B. – tra tutti i diversi tipi di modulazione è quella che mi dà la banda del segnale modulato più piccola. 2f m

20 7 – POTENZA DEL SEGNALE MODULATO IN AM Modulazioni Analogiche Parlando ora della potenza del segnale modulato, è data dalla somma delle potenze delle tre parti che compongono lo spettro di frequenza del segnale. Quindi la formula matematica con la quale rappresentiamo la potenza totale è: P tot = P p +P BLS +P BLI P p rappresenta la potenza del segnale portante, P BLS rappresenta la potenza della banda laterale superiore P BLI la potenza della banda laterale inferiore. In generale Sostituendo Vmax con A per la portante e per le bande laterali Vmax con mA/2, otteniamo:

21 7 – POTENZA DEL SEGNALE MODULATO IN AM Modulazioni Analogiche Sostituendo nella formula della potenza totale associata al segnale modulato si ha: P tot = P p +P BLS +P BLI = P p +P BL La potenza delle due bande laterali è data da: Possiamo poi dire, che la potenza significativa in trasmissione risulta essere quella della portante contrariamente a quelle delle bande laterali, che è notevolmente minore. Inoltre all’aumentare dell’indice di modulazione “m” aumenta la potenza associata alle bande laterali, ma non quella della portante, che rimane di potenza costante.

22 8 – MODULAZIONI DSB – SSB - VSB Modulazioni Analogiche Esempio di dimensionamento e commento dei risultati DSB (Double Side Band) doppia banda laterale con soppressione della portante Conseguenze: banda del segnale modulato resta uguale; la potenza si ridurrà a quella delle bande laterali e quindi molto più piccola rispetto alla modulazione AM. Un aspetto notevolmente negativo riguarda il processo di demodulazione che non può essere eseguito senza la conoscenza della portante, che pertanto deve essere riprodotta dall’apparato ricevente, (più complesso e costoso)

23 8 – MODULAZIONI DSB – SSB - VSB Modulazioni Analogiche Esempio di dimensionamento e commento dei risultati VSB (Vestigial Side Band) (con attenuazione della portante ) CONSEGUENZE: Diminuzione dell’ ampiezza della portante che comporta una diminuzione della portante trasmessa. SSB (Single Side Band) singola banda laterale CONSEGUENZE (Senza soppressione): la banda si dimezza; non ci sono problemi di demodulazione; la potenza diminuisce di poco CONSEGUENZE (Con soppressione): banda minima; potenza minima; problemi in fase di demodulazione per via della ricostruzione della portante sull’apparato ricevente (più complesso costoso)

24 9 – MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) CON SEGNALI MODULANTI NON SINUSOIDALI CON SEGNALE MODULANTE TELEFONICO Vp = V p cos  p t Modulazioni Analogiche

25 9 – MODULAZIONE DI AMPIEZZA (AM) CON SEGNALI MODULANTI NON SINUSOIDALI CON SEGNALE MODULANTE TELEFONICO Vp = V p cos  p t Modulazioni Analogiche BANDA PASSANTE B = F max – F min = 2f max POTENZA DEL SEGNALE MODULATO Somma delle potenze di tutte le componenti contenute nella banda del segnale modulato

26 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche La trasmissione FDM (Frequency Division Multiplexing), cioè multiplazione a divisione di frequenza, è un sistema di trasmissione multicanale in banda traslata utilizzata in passato nella telefonia e oggi sostituita dalla tecnica numerica, che consente di trasmettere sullo stesso mezzo trasmissivo più canali telefonici aventi ciascuno una banda lorda da 0 a 4000 Hz (netta da 300 a 3400 Hz). I segnali relativi ad ogni canale modulano in ampiezza una frequenza portante ottenendo una traslazione dello spettro del canale modulante in un prefissato intervallo di frequenza. Il numero delle frequenze vettrici è pari al numero dei canali da trasmettere. Ogni frequenza vettrice deve essere distante da quelle adiacenti di una quantità pari alla banda del segnale modulato (per quella telefonica almeno uguale alla banda fonica SSB): soltanto così i canali modulati (traslati) si disporranno l’uno accanto all’altro senza sovrapporsi. Per ridurre la banda il tipo di modulazione è la SSB con soppressione della portante

27 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche

28 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche Gerarchia telefonica FDM Dallo schema di prima sembra che l’unico modo per aumentare la capacità del sistema, cioè il numero dei canali, è quello di aumentare il numero delle frequenze vettrici (portanti). Tale aumento comporta l’aumento del numero dei modulatori nonché il numero dei filtri ad elevata selettività. CONSEGUENZE: elevato costo – difficoltà tecniche (selettività filtri ecc) MODULAZIONE A PIU’ STADI Secondo la Gerarchia dei Gruppi Telefonici definita dal CCITT

29 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche

30 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche GRUPPO SECONDARIO da 60 canali

31 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche GRUPPO SECONDARIO da 60 canali

32 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche GRUPPO TERZIARIO da 300 canali

33 10 – MULTIPLAZIONE FDM (Telefonica) Modulazioni Analogiche GRUPPO QUATERNARIO da 900 canali

34 FINE PRESENTAZIONE BUON LAVORO ……… ! Modulazioni Analogiche