Lezioni di TELECOMUNICAZIONI MODULO 6: MODULAZIONI ANALOGICHE 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 6: MODULAZIONI ANALOGICHE Ponti Radio Satellitari Classe V Sez. A Prof. Mario LUCIANO Indice

I N D I C E (Modulazioni Analogiche) 9 – MODULAZIONE DI FREQUENZA 15 – CONFRONTO AM - FM 10 – DEVIAZIONE DI FREQUENZA 16 – MODULAZIONE PM 17 – RADIORIC. SUPERETERODINA 11 – INDICE DI MODULAZIONE Modulazioni Analogiche 12 – SPETTRO DEL SEGNALE FM 17 – RADIORIC. SUPERETERODINA 18 – RADIOR. SUPERETERODINA AM 13 – BANDA PASSANTE 14 – LA POTENZA 19 – RADIOR. SUPERETERODINA FM

PREMESSE 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.

PREMESSE QUALI PARAMETRI CARATTERIZZANO IL SEGNALE ANALOGICO: AM = MODULAZIONE DI AMPIEZZA FM = MODULAZIONE DI FREQUENZA PM = MODULAZIONE DI FASE Modulazioni Analogiche UNA PORTANTE SI DICE MODULATA IN FREQUENZA, QUANDO LA SUA FREQUENZA VIENE VARIATA IN MODO PROPORZIONALE ALL’AMPIEZZA DEL SEGNALE MODULANTE

9 – MODULAZIONE DI FREQUENZA LA MODULAZIONE FM Lo scopo della modulazione FM, è di poter modulare un segnale in modo tale che i disturbi esterni che lo attaccano, non modifichino l’informazione contenuta nel segnale. Infatti per poterlo modificare, il disturbo, al contrario della modulazione AM in quella FM dovrebbe distruggere tutta la forma d’onda. Quindi la modulazione FM consiste nel variare in modo proporzionale la frequenza del segnale portante, inizialmente a frequenza ed ampiezza costanti, in funzione dell’ampiezza del segnale modulante. Modulazioni Analogiche

9 – MODULAZIONE DI FREQUENZA CON MODULANTE SINUSOIDALE V = A cos FM t Modulazioni Analogiche La frequenza della portante è maggiore di quella del segnale modulante L’ampiezza della portante è maggiore dell’ampiezza del segnale modulante Vm = B cos mt Vp = A cos pt

9 – MODULAZIONE DI FREQUENZA CON MODULANTE SINUSOIDALE Vm = B cos mt VFM = Acos FM t Vp = A cos pt Modulazioni Analogiche dove Sostituendo e facendo alcuni passaggi matematici, si ha: Dove la costante di proporzionalità K caratterizza la sensibilità del modulatore (KHz/V)

10 – DEVIAZIONE DI FREQUENZA Uno dei parametri fondamentali della modulazione di frequenza, è la deviazione di frequenza, ossia quel parametro che definisce il massimo scostamento di frequenza del segnale modulato sopra o sotto la frequenza della portante e si indica con fmax. Se volessimo poi calcolare la frequenza istantanea della FM, avremmo che: fFM = FM/2 = p/2 + 2KB/2 * cos (m t) fFM = fp + KB * cos (m t) Di conseguenza, possiamo porre cos (m t) = 1 ottenendo così: fmax = ± KB cioè la deviazione della frequenza massima. Modulazioni Analogiche Nei trasmettitori radio la massima deviazione di frequenza è normalizzata a: Dfmax + 75 kHz

10 – DEVIAZIONE DI FREQUENZA Modulazioni Analogiche

10 – DEVIAZIONE DI FREQUENZA Infine se osserviamo i grafici di Figura 3, possiamo dire che una piccola ampiezza del segnale modulante provoca una piccola deviazione di frequenza, mentre una grande ampiezza provoca una grande deviazione di frequenza. Modulazioni Analogiche

11 – INDICE DI MODULAZIONE Un altro dei parametri fondamentali della modulazione di frequenza, è l’indice di modulazione usato per definire il rapporto tra la massima deviazione di frequenza e la frequenza della modulante. La formula matematica per calcolarlo è la seguente: Modulazioni Analogiche Possiamo infine dire dell’indice di modulazione mf, che serve per stabilire la distribuzione spettrale del segnale modulato e ci mostra come all’aumentare della frequenza della modulante diminuisce l’indice di modulazione, il che comporta una diminuzione delle righe significative dello spettro e quindi della banda passante

12 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO Elaborando la formula del segnale modulato e sviluppandolo in serie di Bessel, si ottiene: Modulazioni Analogiche

12 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO e nei seguenti grafici di (Figura 5 - 6 )lo spettro relativo al segnale modulante applicato non sinusoidale. Modulazioni Analogiche

12 – SPETTRO DEL SEGNALE MODULATO A loro volta, i grafici con modulante non sinusoidale, sono divisi in base ai valori di fm e di Vm. Modulazioni Analogiche

13 – BANDA PASSANTE Dalle (Figure 5 – 6) possiamo dire che la prima avendo fm costante, si ottiene che la distanza tra le righe dello spettro è costante, ma di conseguenza, varia la deviazione di frequenza fmax perché dipende dall’ampiezza della modulante. Quindi se fmax = KB e mf = fmax/fm abbiamo che all’aumentare di B aumenta anche la deviazione di frequenza e quindi anche le righe dello spettro. Se poi considerassimo B costante, si ottiene che la distanza tra le righe dello spettro è variabile, ma soprattutto aumenta all’aumentare di fm, mentre il numero delle righe diminuisce. Infine notiamo che con B = costante, anche fmax = costante e quindi tutte le righe con buon’ampiezza, sono contenute in un intervallo di frequenza di 2fmax. Modulazioni Analogiche

Bf = 2 (fmax + fm) = 2 (mf * fm + fm) = 2 fm (1 + mf). 13 – BANDA PASSANTE La banda passante del segnale modulato in frequenza, è definita da noi con la regola di Carson che ci aiuta ad individuarne le dimensioni con la seguente formula matematica, valida per valori di mf pari a qualche unità: Bf = 2 (fmax + fm) = 2 (mf * fm + fm) = 2 fm (1 + mf). a) Nei casi però in cui i valori di mf siano molto piccoli mf <<1 la precedente formula diventa: Bf = 2 fm perché la deviazione di frequenza è trascurabile essendo minore della fm. b) Se invece i valori di mf sono elevati, mf >10, la formula di Carson diventa: Bf = 2fmax perché la frequenza della modulante è trascurabile essendo minore di  fmax Modulazioni Analogiche

n. Righe totali spettro FM 13 – BANDA PASSANTE mf n. Righe + portante n. Righe totali spettro FM <1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 >15 1+1 3+1 4+1 6+1 7+1 8+1 9+1 10+1 11+1 13+1 14+1 15+1 16+1 17+1 18+1 19+1 (mf+4)+1 17 19 21 23 27 29 31 33 35 37 39 2mf+9 Modulazioni Analogiche

PFM = Pp = A2/2R 14 – LA POTENZA Per il parametro potenza del segnale modulato, possiamo dire che è uguale a quella della portante non modulata, diversamente dalla potenza del segnale modulato AM dove la presenza delle bande laterali richiede un aumento di potenza per poter effettuare la trasmissione. Quindi anche se la potenza associata alla portante diminuisce quando aumenta il numero di righe spettrali laterali, la potenza complessiva rimane costante e vale: PFM = Pp = A2/2R Modulazioni Analogiche

15 – CONFRONTO TRA AM ed FM I vantaggi della modulazione di frequenza riguardano soprattutto l'assenza dei disturbi, infatti i disturbi della tecnica FM in ricezione producono una modulazione di ampiezza (fluttuazione di tensione del segnale modulato FM) che causa distorsione dopo la demodulazione. Questi problemi tuttavia si possono eliminare impiegando uno stadio limitatore prima della demodulazione. E' possibile così eliminare i residui di ampiezza senza provocare alcun deterioramento dell' informazione in quanto essa non e' contenuta nelle variazioni di ampiezza , ma è contenuta nelle variazioni di frequenza. Per l'AM questo tipo di disturbo degrada l'informazione. maggior rendimento di modulazione in quanto viene sempre trasmessa la massima ampiezza della portante, altrimenti non ottenibile in AM. l' alto indice di modulazione la grande larghezza di banda aumentano notevolmente il rapporto di qualità segnale - rumore S/N . Il miglioramento quindi della qualità di trasmissione dipende dalla larghezza di banda che in teoria può diventare infinito. Modulazioni Analogiche

CARATTERISTICHE DEL SEGNALE PM 16 – MODULAZIONE PM La modulazione di fase PM (Phase Modulation) è analoga alla modulazione di frequenza (FM). Si può definire quindi una portante modulata in fase quando la sua fase varia in modo proporzionale all’ ampiezza del segnale della modulante. CARATTERISTICHE DEL SEGNALE PM Per ricavare lo spettro del segnale PM si fa sempre riferimento alla funzione di Bessel. Si sottolinea il fatto che mentre l’indice di modulazione (mf) dipende sia dall’ampiezza sia dalla frequenza della modulante (fm), la massima deviazione di fase dipende dipende solamente dall’ampiezza della modulante e risulta indipendente dalla sua frequenza. Modulazioni Analogiche Ottenere quindi un miglioramento, ossia un elevato valore di rapporto S/N a spese della larghezza di banda, costituisce uno svantaggio. Infatti se ad un prefissato valore della potenza di rumore corrisponde una certa banda passante, sicuramente ad una banda più larga il rumore può aumentare in modo spropositato e può accadere che potenza del segnale e del rumore siano uguali.

16 – MODULAZIONE PM Non si possono superare certi valori limite di S/N. Tali valori dipendono dall'indice di modulazione mf. Esistono degli accorgimenti che migliorano il rapporto S/N come le reti di preenfasi e deenfasi. Si può dimostrare che il rapporto segnale S/N all' uscita del demodulatore So/No ed il rapporto segnale/rumore all' ingresso dello stesso Si/Ni sono funzioni dell'indice di modulazione. Per l'AM quindi vale: So/No = m 2 * Si/Ni. Per la FM quindi vale: So/No = 3*mf 2*Bf / 2fm. Confrontando le due tecniche si ottiene ( So/No )FM = 3*mf 2*( Si /Ni )AM oppure (So/No )FM = 3* (mf / m)2*(So /No)AM . Infine per quanto riguarda i costi si può dire che i sistemi AM sono meno costosi dei sistemi FM, ma tale vantaggio va a scapito di qualità e affidabilità del sistema. Modulazioni Analogiche

17 – SISTEMI SUPERETERODINA Modulazioni Analogiche

17 – SISTEMI SUPERETERODINA I sistemi di modulazione di ampiezza o di frequenza finora considerati impiegano ricevitori a demodulazione diretta nei quali il segnale, una volta <<captato>> dall’ antenna ricevente, tramite opportuno circuito (sintonizzatore), viene demodulato e di seguito trasdotto in messaggio da destinare all’utilizzatore. In genere i ricevitori sono caratterizzati dai quattro parametri seguenti: sensibilità: rappresenta la capacità del ricevitore di fornire in uscita una certa potenza, anche se il livello del segnale di ingresso è basso. Essa dipende alla realizzazione circuitale del ricevitore; selettività: rappresenta la capacità del ricevitore di separare due canali (o portanti modulati) adiacenti, aventi frequenze molto prossime. Essa dipende soprattutto dal circuito sintonizzatore e dalla realizzazione circuitale; rapporto S/N: rappresenta la qualità di ricezione ed è definito come il rapporto tra la potenza del rumore all’uscita del ricevitore. Esso dipende dalla sensibilità del ricevitore e dalla realizzazione circuitale; fedeltà: rappresenta l’abilità del ricevitore di riprodurre il segnale d’informazione in modo più o meno preciso a quello originario. Essa dipende fondamentalmente dal circuito di demodulazione. Modulazioni Analogiche

17 – SISTEMI SUPERETERODINA Curva di risposta del sintonizzatore o preselettore. Poiché il successo della demodulazione dipende in buona parte dal circuito L-C del sintonizzatore, accordato sulla frequenza della portante(stazione) desiderata, il ricevitore è caratterizzato da una scarsa selettività, in quanto il circuito L-C presenta una banda di frequenza abbastanza larga (vedi figura) che implica una qualità di demodulazione non accettabile. In altri termini il circuito sintonizzatore, chiamato anche preselettore, lascia passare oltre la frequenza della portante desiderata anche le altre, di valore prossimo, il cui contributo di demodulazione provoca un peggioramento del rapporto S/N. L’effetto che si ottiene in destinazione è un segnale disturbato delle stazioni indesiderate che sono presenti nella banda passante del circuito L-C, indicate in ( figura 2.2) dalle righe spettrali avente frequenza fp1 e fp2.Il vantaggio principale invece dei ricevitori a demodulazione diretta è l’elevata sensibilità. La selettività e la sensibilità sono due parametri sempre in disaccordo (per i ricevitori a demodulazione diretta figura 2.2a), ossia non è possibile ottenere una buona sensibilità senza compromettere la selettività e viceversa. Esiste tuttavia una via di uscita, ma sicuramente non è attuabile in quanto ostacolata dai problemi di realizzazione circuitale. Modulazioni Analogiche

17 – SISTEMI SUPERETERODINA Infatti per soddisfare le esigenze di una ricezione di qualità occorre realizzare circuiti che permettano di ottenere due risultati fondamentali: -abbiano banda stretta; -permettano di variare la frequenza centrale. In termini semplici ciò significa costruire un amplificatore a banda stretta cioè selettivo, avente una banda passante variabile (impossibilità costruttiva). Per aggirare tale ostacolo si impiegano i cosiddetti sistemi supereterodina. Nei ricevitori supereterodina il segnale RF <<captato>> dall’antenna non viene subito demodulato, ma subisce prima una conversione f/f (frequenza-frequenza) in questo modo la frequenza del segnale, ancora modulato, viene trasformata in una frequenza diversa (inferiore rispetto alla portante) sempre di valore costante, chiamato a frequenza intermedia (fi). Il segnale ovviamente di frequenza intermedia deve contenere la stessa informazione di quello ricevuto dall’antenna. Pertanto l’amplificatore selettivo lavora ad una frequenza fissa, evitando così gli inconvenienti sopracitati. Modulazioni Analogiche

SCHEMA A BLOCCHI DI UN RADIORICEVITORE AM Modulazioni Analogiche Figura 2.2 A demodulazione diretta; (b) supereterodina.

18 – RADIORICEVITORI SUPERETERODINA AM Un sistema di ricezione di tipo supereterodina si basa fondamentalmente sul principio della conversione di frequenza-frequenza, ossia sfrutta il fenomeno dei battimenti. Lo schema a blocchi di un radioricevitore supereterodina a modulazione di ampiezza è rappresentato in figura 2.2 b. Il segnale AM irradiato tramite antenna trasmittente giunge all’antenna ricevente dell’utilizzatore. Il circuito sintonizzatore o preselettore si accorda sulla frequenza della portante desiderata (fp), tramite una capacità variabile. Il segnale modulato AM quindi viene amplificato mediante un amplificatore RF per ridare al segnale il giusto livello di potenza, essendo stato attenuato durante la trasmissione. La frequenza della portante (fp) sulla quale il preselettore è sintonizzato viene convertita dal convertitore f/f in una frequenza fissa ed inferiore alla fp, detta frequenza intermedia (fi). Poiché il campo delle frequenze delle portanti in AM è compreso tra 520 e 1620 kHz, la frequenza intermedia è in genere compresa tra 450 e 500 kHz, per ragioni che si chiariranno in seguito. Il valore più frequente è fi = 455kHz (per l’Italia 475 kHz). Modulazioni Analogiche

18 – RADIORICEVITORI SUPERETERODINA AM A questo punto il segnale, convertito a frequenza intermedia, viene nuovamente amplificato attraverso alcuni stadi di amplificazione (due o più a seconda dei costruttori) a fi. Si tratta di amplificatori selettivi opportunamente tarati sulla larghezza di banda del segnale. Segue lo stadio di demodulazione AM e quello dell’amplificazione a bassa frequenza, quindi l’ultimo stadio di trasduzione. Si nota che il ricevitore supereterodina si differenzia dal ricevitore ad amplificazione diretta (fig. 2.2a) soltanto nel blocco del convertitore f/f + amplificatore F1. Il convertitore è costituito da due dispositivi( figura 2.3): un mixer (o mescolatore ); un oscillatore locale (LO = Local Oscillator) Modulazioni Analogiche

18 – RADIORICEVITORI SUPERETERODINA AM SCHEMA A BLOCCHI DEL CONVERTITORE FREQUENZA-FREQUENZA Figura 2.3 Modulazioni Analogiche MIXER: Il mixer è un dispositivo non lineare,ossia un moltiplicatore analogico.Esso accetta in ingresso due segnali ,uno a radiofrequenza(di frequenza fp nel caso di AM),cioè quello modulato,ad uno sinusoidale a frequenza elevata (fLO),fornito da un oscillatore locale.I due segnali vengono combinati in modo tale da ottenere in uscita dal dispositivo un segnale piuttosto complesso.

18 – RADIORICEVITORI SUPERETERODINA AM OSCILLATORE LOCALE L’oscillatore locale nei sistemi supereterodina ha un comando comune con il circuito del preselettore ,che è un circuito risonante L-C accordato sulla frequenza RF(portante).In questo modo la frequenza di oscillazione dell’LO(fLO) segue quella di risonanza del preselettore (fp), ma con una differenza costante pari alla frequenza intermedia desiderata(fi). AMPLIFICATORE A FREQUENZA INTERMEDIA Modulazioni Analogiche L’amplificatore a frequenza intermedia può essere un dispositivo (BJT e JFET) selettivo a semplice circuito risonante sul collettore, accordato su una frequenza fissa,ad esempio di 455Khz. Esso quindi si comporta come un filtro che lascia passare una banda stretta di frequenza centrata sulla frequenza intermedia, prodotta dal sistema mixer –LO, ottenuta dal battimento sopra cioè data dalla differenza delle frequenze dell’LO ed RF. Le restanti frequenze prodotte del mixer, date dalla somma fLO + fp e dalle seconde armoniche,vengono fortemente attenuate quindi eliminate dal circuito ad accordo fisso dell’ amplificatore FI così come è stato evidenziato in figura 2.3.

18 – RADIORICEVITORI SUPERETERODINA AM CONTROLLO AUTOMATICO DEL GUADAGNO(CAG) Per mantenere elevata la sensibilità del ricevitore supereterodina,cioè avere la capacità di ricevere anche segnali molto deboli ,occorre inserire degli stadi di amplificazione prima che i segnali vengano demodulati. Questo accorgimento può influenzare in modo negativo la ricezione dei segnali forti. Modulazioni Analogiche

19 – RADIORICEVITORI SUPERETERODINA FM SISTEMI SUPERETERODINA FM I ricevitori supereterodina a modulazione di frequenza,dal punto di vista del principio di funzionamento, sono analoghi a quelli AM. Infatti essi si basano sul principio della conversione f/f con frequenza intermedia fissata al valore fi = 10,7 Mhz (figura 1). La gamma delle frequenze delle portanti FM è compreso tra 88 e 108 Mhz. Modulazioni Analogiche SCHEMA A BLOCCHI COMPLETO DI UN SISTEMA SUPERETERODINA Figura 1

FINE PRESENTAZIONE Modulazioni Analogiche BUON LAVORO ……… !