Lezioni di TELECOMUNICAZIONI MODULO 7: MODULAZIONI DIGITALI I.S.I.S.S. “F. FEDELE” di Agira (EN) Sez. I.T.I. “S. CITELLI” di REGALBUTO ANNO SCOLASTICO 2012/2013 Lezioni di TELECOMUNICAZIONI MODULO 7: MODULAZIONI DIGITALI Modulazioni Digitali Classe V ASK FSK Prof. Mario LUCIANO Sez. A QAM PSK Indice

I N D I C E Modulazioni Digitali 1 – PERCHE’ SI MODULA 9 – MODULAZIONE PSK 2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL MODULATORE 10 – MODULAZIONE QAM 3 – VARI TIPI DI MODULAZIONE 4 – MODEM Modulazioni Digitali 5 – CANALI NUMERICI E CANALI DI INFORMAZIONE 6 – MODULAZIONI DIGITALI CON PORTANTE SINUSOIDALE 7 – MODULAZIONE ASK 8 – MODULAZIONE FSK

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 Digitali

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. Modulazioni Analogiche N.B IN FASE DI MODULAZIONE VIENE FATTO VARIARE UN SOLO PARAMETRO DELLA PORTANTE.

3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI MODULAZIONI Modulazioni Analogiche by prof. Andrea Rabito ed alunni delle classi V

4 – MODEM L'operazione di modulazione ha dunque bisogno di un modulatore, dispositivo elettronico in grado di traslare in frequenza il segnale mantenendo invariata l'informazione da trasmettere. Modulazioni Analogiche In ricezione, naturalmente, avviene il procedimento inverso ed il segnale modulato, che ha attraversato il canale di trasmissione, viene demodulato dal demodulatore, rigenerando il segnale modulante originario che contiene l'informazione.

La parola modem deriva dall’unione di modulazione-demodulazione Modem Dispositivo che converte i segnali prodotti da un computer dalla forma digitale a quella analogica, e viceversa, per permettere la trasmissione di segnali digitali utilizzando linee progettate per la conduzione di segnali analogici. Vengono generalmente usati per permettere la comunicazione tra computer diversi, collegati in rete tramite le linee telefoniche. Il modem connesso al computer trasmittente converte i segnali digitali in segnali analogici (modulazione); una volta giunto a destinazione, il segnale analogico viene riconvertito nel segnale digitale originale(demodulazione), in modo che possa essere elaborato dal computer ricevente. La parola modem deriva dall’unione di modulazione-demodulazione Modulazioni Analogiche

5 – SEGNALI NUMERICI E CANALI DI INFORMAZIONE Il computer e numerosi altri dispositivi elettronici di recente costruzione sono costituiti da circuiti logici. Detti circuiti, per loro definizione, sono in grado di elaborare solamente segnali numerici costituiti, nella gran parte dei casi, da due livelli di tensione prestabiliti che si alternano per formare dei particolari codici. Il segnale che si viene così a creare è quindi di tipo rettangolare con un ampio contenuto armonico. Spesso, però, le informazioni prodotte da questi circuiti devono essere inviate a grande distanza utilizzando dei canali di comunicazione che possono avere una banda passante anche molto stretta. Modulazioni Analogiche Ad esempio un normale canale telefonico della rete commutata ha una banda passante da 300Hz a 3400Hz, circa la stessa di un semplice trasmettitore radiofonico per le conversazioni amatoriali. Il problema consiste quindi nell'adattare dei segnali con spettro molto ampio al passaggio attraverso un canale a banda stretta. Per la sua risoluzione è stato sviluppato un dispositivo capace di trasformare in qualche modo le onde rettangolari in onde sinusoidali, più facilmente trasmissibili, senza perdere informazione.

5 – SEGNALI NUMERICI E CANALI DI INFORMAZIONE Questo dispositivo, come già visto, è chiamato modem, dalle iniziali di MOdulator-DEModulator. Modulazioni Analogiche La tecnica di trasformazione delle informazioni numeriche in segnali sinusoidali si denomina, invece, modulazione digitale. Le modulazioni digitali si suddividono a loro volta in impulsive e a portante sinusoidale, i prossimi paragrafi di questo testo saranno incentrati sulle seconde.

6 – MODULAZIONI DIGITALI CON PORTANTE SINUSOIDALE Le modulazioni digitali a portante sinusoidale si rendono necessarie, come già accennato, in tutti quei casi in cui si utilizza un mezzo trasmissivo con banda passante ristretta. La modulazione consiste semplicemente nel variare uno dei parametri della portante sinusoidale (ampiezza, frequenza o fase) in relazione alle informazioni numeriche da trasmettere. A seconda del parametro della sinusoide sul quale agiscono, e da come agiscono, queste modulazioni si dividono in: Modulazioni Analogiche ASK (Amplitude Shift Keying)  Modulazione d'ampiezza FSK (Frequency Shift Keying)  Modulazione di frequenza PSK (Phase Shift Keying)  Modulazione di fase DPSK (Differential Shift Keying)  Modulazione di fase QAM (Quadrature Amplitude Modulation)  Modulazione mista di ampiezza e fase

ASK Modulazione UTILIZZO 7 – MODULAZIONE ASK La modulazione A.S.K. (amplitude shift keying = modulazione a spostamento di ampiezza) consiste nel far variare l’ampiezza di un segnale sinusoidale (portante) con il ritmo del segnale dati (modulante). Generalmente il modulatore Trasmette la portante inalterata quando il segnale dati è a livello alto (bit 1) Blocca la portante quando il segnale dati è a livello basso (bit 0) Pertanto tale modulazione e anche denominate MODULAZIONE ON-OFF. Modulazioni Analogiche UTILIZZO

UTILIZZO MODULAZIONE ASK Questo tipo di modulazione, di facile realizzazione sia nei modulatori che nei demodulatori, è stata usata sempre nelle telescriventi e in qualche tipo di ponte radio a breve distanza. Purtroppo è molto sensibile al rumore, per cui oggi è quasi caduta in disuso nonostante sia stata usata per prima. Modulazioni Analogiche SCHEMA A BLOCCHI DI UN TRASMETTITORE A MODULAZIONE TIPO ASK:

8 – MODULAZIONE FSK La modulazione F.S.K. (frequency shift keying = modulazione a spostamento di frequenza) consiste nel far variare la frequenza della portante sinusoidale con il ritmo del segnale dati modulante. Generalmente il modulatore: - Trasmette una sinusoide a frequenza f1 quando il segnale dati è a livello alto (bit 1) - Trasmette una sinusoide a frequenza f2 quando il segnale dati è a livello alto (bit 0) Normalmente la frequenza risulta sempre f1>f2 Modulazioni Analogiche GRAFICO

UTILIZZO DELLA MODULAZIONE FSK Modulazioni Analogiche UTILIZZO DELLA MODULAZIONE FSK Questo tipo di modulazione è stata usata nei primi modem, V21 e V23 molto lenti rispetto a quelli odierni, ed è tuttora usata nei ponti radio e nelle trasmissioni fra cellulari del tipo GSM.

9 – MODULAZIONE PSK La modulazione P.S.K. (phase shift keying = modulazione a spostamento di fase) consiste nel fare variare la fase di una portante sinusoidale con il ritmo del segnale dati in modulante. Generalmente il modulatore: Trasmette una sinusoide a frequenza fp pari a quella della portante con fase inalterata quando il segnale dati è a livello basso (bit 0). Trasmette una sinusoide sempre a frequenza fp ma sfasata di 180° quando il segnale dati passa dal livello basso a livello alto (bit 1). Questo tipo di modulazione si chiama 2-P.S.K. Modulazioni Analogiche UTILIZZO

UTILIZZO DELLA MODULAZIONE PSK Le più moderne modulazioni numeriche, quelle quindi che determinano grandi velocità di trasmissione sono quindi modulazioni di fase e di ampiezza.    Questo tipo di modulazioni sono usate soprattutto nel campo dei modem, ma anche dei ponti radio, delle trasmissioni satellitari e dei cellulari del tipo GSM.  Modulazioni Analogiche

10 – MODULAZIONE QAM Per aumentare la velocità di trasmissione dell’informazione, mantenendo costante la velocità di modulazione, invece di trasmettere solo due valori angolari, 0° e 180°, oggi si è pensato di trasmettere un maggior numero di angoli diversi fra loro, e per consentire una più facile demodulazione in ricezione, visto che il demodulatore potrebbe commettere errore di interpretazione, si è pensato di far variare anche l’ampiezza del segnale modulato dando luogo così alla modulazione QAMPSK (= Quadrature Amplitude Modulation Phase Shift Keying). Le più moderne modulazioni numeriche, quelle quindi che determinano grandi velocità di trasmissione sono quindi modulazioni di fase e di ampiezza. Modulazioni Analogiche La modulazione Q.A.M. (quadrature amplitude modulation) consiste nel fare variare quindi sia l’ampiezza che la fase della portante in funzione della diversa suddivisione dei bit del segnale dati. Se i dati vengono suddivisi in gruppi di tre (tribit) si avranno 8 combinazioni possibili dando così origine alla 8 Q.A.M.

10 – MODULAZIONE QAM La modulazione 16 QAM PSK, ad esempio, è una modulazione numerica di ampiezza e fase a 16 livelli diversi. In questo caso quindi si ha una sola portante sinusoidale a una sola frequenza, ma si possono trasmettere 16 simboli diversi tra loro per cui, poiché 24 =16, l’informazione racchiusa in ogni simbolo che arriva a destinazione è eguale a 4 bit. I 16 simboli che si vengono così a determinare sono costituiti da due gruppi di 8 ciascuno: un tratto di sinusoide con fase scelta fra: 0° - 90° - 180° - 270 e ampiezza 3V oppure 5V; un tratto di sinusoide con fase scelta fra: 45° - 135° - 225° - 315° e ampiezza (2)*V oppure 3(2)*V ; Come già detto, ogni configurazione che arriva a destinazione porta con sé l’informazione di 4 bit, per cui a ciascuna di esse è abbinato un quadribit, cioè un gruppo di 4 bit cui corrisponde secondo lo schema il diagramma seguente in cui ad ogni configurazione è fatta corrispondere, una fase angolare, un’ampiezza, ed un gruppo di 4 bit. Modulazioni Analogiche

10 – MODULAZIONE QAM Modulazioni Analogiche

e V.29 a 9600 bit/sec per uso su una linea dedicata a 4 fili. 10 – MODULAZIONE QAM UTILIZZO Questo tipo di modulazioni sono usate soprattutto nel campo dei modem, ma anche dei ponti radio, delle trasmissioni satellitari e dei cellulari del tipo GSM. La Q.A.M. è utilizzata: nella trasmissione digitale, nella T.D. per modem della serie V.22bis a 2400 bit/sec o 1200 bit al secondo full duplex su linea commutata o dedicate. Con modulazione 16 Q.A.M.; e V.29 a 9600 bit/sec per uso su una linea dedicata a 4 fili. Modulazioni Analogiche

Esempio di modulazione 2-PSK: MODULAZIONI DI FASE PSK E DPSK MODULAZIONE 2-PSK: Nella modulazione 2-PSK la portante mantiene valori costanti per ampiezza e frequenza, ma assume due valori di fase a seconda del valore logico del bit del segnale modulante. Esempio di modulazione 2-PSK:                                                                     

MODULAZIONE 4-PSK: Nella modulazione digitale a quattro fasi (denominata anche QPSK, quadrature PSK) i bit del segnale dati vengono riuniti in coppie (dibit) utilizzate per modulare in fase la portante sinusoidale. In questa tecnica di modulazione ad ogni bit è associato un salto di fase che il segnale modulato compie rispetto alla fase precedente. Vi sono fondamentalmente due modalità di assegnazione dei salti di fase alle doppiette di bit (secondo la normativa CCITT V.26), entrambe trovano applicazione nei segnali generati nei modem fonici.

MODULAZIONE 8 PSK E 8 DPSK: Nella modulazione 8-PSK e nella sua variante differenziale (8-DPSK) i bit che devono essere inviati lungo il canale di trasmissione vengono riuniti in gruppi di tre (tribit) ai quali è assegnata poi una fase (nella PSK) o una variazione di fase rispetto alla precedente (nella DPSK). In questo caso il codice trasmesso ha N=3 e quindi la velocità di modulazione in baud risulterà Vmod=(Vtr/3) e lo spettro del segnale modulato, a parità di informazioni trasmesse al secondo (bit/sec), risulterà dimezzato rispetto alla 4-PSK (o 4-DPSK).

FINE PRESENTAZIONE Modulazioni Analogiche BUON LAVORO ……… !