Elettronica- le modulazioni - Appunti

Modulazione analogica

AM - (Amplitude Modulation) modulazione di ampiezza;

FM - (Frequency Modulation) modulazione di frequenza;

PM - (Phase Modulation) modulazione di fase.

La trasmissione dalla trasmittente alla ricevente ovviamente deve essere fatta usando la stessa portante e lo stesso tipo di modulazione, ad esempio: 10MHz come portante, AM come modulazione. A parità di portante, l'uso di modulazioni differenti tra il trasmettitore ed il ricevitore rende inutilizzabile il segnale ricevuto.

Modulazione digitale

Con il termine di modulazione digitale, si indica una tecnica di modulazione in cui il segnale da modulare rappresenta un'informazione in formato binario, cioè tale da assumere solo due possibili valori (esempio 0 /1, -1 /+1). Un'applicazione tipica si ha nel modem. I principali tipi di modulazione digitale sono:

Amplitude-shift keying (ASK): modulazione digitale di ampiezza;

Frequency-shift keying (FSK): modulazione digitale a spostamento di

frequenza;Phase-shift keying (PSK): modulazione digitale di fase. Combinando la modulazione ASK e PSK si ottiene la modulazione di ampiezza inquadratura QAM, che viene così chiamata perché si può ottenere modulando in ampiezza due portanti della stessa frequenza, poi sommate in quadratura di fase (fasi ortogonali, ovvero a 90°). Altre tecniche di modulazione più complicate, rese possibili dall'integrazione elettronica di funzioni complesse (Fast Fourier Transform, FFT) in microchip, sono quelle che prevedono la modulazione di un numero elevato di portanti simultaneamente, in modo da minimizzare le interferenze reciproche. Queste tecniche vengono chiamate OFDM, e vengono utilizzate per esempio nei sistemi radio WIMAX.

Nel grafico sottostante si può notare la classificazione delle modulazioni numeriche ed analogiche.

Modulazione di ampiezza
La modulazione di ampiezza è uno dei sistemi utilizzati per trasmettere informazioni utilizzando un segnale.

La modulazione di ampiezza (AM) è una tecnica utilizzata per la trasmissione di segnali radio a radiofrequenza. Consiste nel modulare l'ampiezza del segnale radio (detto portante) in maniera proporzionale all'ampiezza del segnale che si intende trasmettere (modulante). Il segnale modulato ha la stessa frequenza della portante. È piuttosto semplice da realizzare ed è perciò stata utilizzata agli albori delle trasmissioni radio.

Nel caso della trasmissione binaria, così come in telegrafia, ad una potenza bassa corrisponde lo zero mentre ad una potenza alta corrisponde l'uno. I principali inconvenienti sono l'estrema sensibilità ai disturbi ed alle condizioni di propagazione, in quanto qualsiasi disturbo si va di fatto a sommare direttamente al segnale che si sta trasmettendo, e la poca efficienza che richiede l'uso di potenze maggiori per coprire le stesse distanze.

Il segnale in entrata viene

Il segnale modulante, chiamato "modulante", si rappresenta nel seguente modo: X(t).

La portante, con frequenza maggiore del segnale modulante, si rappresenta nel seguente modo: P(t).

Il segnale modulato risulterà come segue: Z(t).

Modulazione di frequenza

La modulazione di frequenza è uno dei sistemi utilizzati per trasmettere informazioni utilizzando un segnale a radiofrequenza. Spesso viene abbreviato in FM (dall'inglese Frequency Modulation).

Consiste nel modulare la frequenza del segnale radio che si intende utilizzare per la trasmissione (detto portante) in maniera proporzionale alla frequenza del segnale che si intende trasmettere. Rispetto alla modulazione di ampiezza ha il vantaggio di essere molto meno sensibile ai disturbi e di permettere una trasmissione di migliore qualità. Il difetto principale è la necessità di circuiti molto più complessi sia per la generazione del segnale da trasmettere che per la sua ricezione. L'attuale tecnologia

hareso facilmente superabili tali problematiche con il risultato che le trasmissioni in modulazione di ampiezza sono sempre meno usate soprattutto in ambito broadcasting.

In Italia la modulazione di frequenza è usata per le trasmissioni radiofoniche nella banda di frequenze che va dagli 87,5 ai 108 MHz.

Modulazione di fase

Il sistema a modulazione di fase (PM) presenta caratteristiche molto simili a quelle della modulazione di frequenza; per questo, entrambe vengono spesso riunite sotto la denominazione comune di modulazioni angolari. La PM e la FM si distinguono fondamentalmente per le bande di frequenza del segnale modulato e per la maggiore stabilità della frequenza portante nella modulazione di fase rispetto a quella della modulazione di frequenza. Il sistema PM consiste nella variazione della fase dell'onda portante in base alla forma del segnale modulante da trasmettere.

MODULAZIONE D'AMPIEZZA ASK:

Nella modulazione ASK l'ampiezza della portante sinusoidale

viene fatta variare incorrelazione al segnale digitale modulante. Nel caso più semplice e più comune incorrispondenza dello zero logico il segnale modulato ha ampiezza zero ed incorrispondenza dell'uno logico ha ampiezza pari a quella della portante non modulata.

Esempio di modulazione ASK:

Questo tipo di modulazione, derivato in maniera diretta dall'AM DSB TC, è abbastanza semplice da realizzare ma non molto utilizzato per le trasmissioni dati a grande distanza a causa della sua notevole sensibilità al rumore.

MODULAZIONE DI FREQUENZA FSK:

Nella modulazione digitale di frequenza FSK ad ogni simbolo logico viene assegnata una frequenza di valore compreso all'interno della banda passante del mezzo trasmissivo.

Esempio di modulazione FSK:

Ad esempio all'uno logico può essere assegnata una frequenza fmark mentre allo zero una frequenza fspace che solitamente è di valore maggiore rispetto fmark. 9Fmark = 1 Fspace =0 Fmark <

space = 1000Hz - 1000bit/sec (limita la velocità di trasmissione)

La scelta delle due frequenze deve essere fatta in modo da realizzare il migliore compromesso possibile, ma che soddisfi le seguenti esigenze: limitare l'occupazione della banda; mantenere il periodo relativo alle due sinusoidi minore o uguale alla frequenza di bit dell'informazione digitale e mantenere una continuità di fase nelle variazioni di stato. Quest'ultima condizione, assolutamente necessaria, è richiesta per il corretto funzionamento del circuito di demodulazione, il quale deve essere in grado di identificare con massima precisione il salto di frequenza. Riassumendo, le due condizioni principali che devono essere soddisfatte sono le seguenti:

1. La durata di un simbolo binario (0;1) deve essere maggiore o uguale al periodo della sinusoide associata.
2. Deve esserci continuità di fase.

La decodifica avviene tramite degli algoritmi particolari (viterbi, hamming) inseriti in un PLL.

e in altri componenti che demodulano il segnale

MODULAZIONI DI FASE PSK:

La modulazione PSK è una modulazione digitale di fase direttamente derivante dalla PManalogica. Nella PSK la portante è trasmessa con valori di frequenza e ampiezza costanti, mentre ciò che viene variato in relazione all'informazione digitale modulante è il valore della fase. La modulazione digitale di fase può essere applicata in vari modi, il più semplice è quello denominato 2-PSK ma si utilizzano molto spesso anche la 4-PSK, la 8-PSK, ognuna delle quali può essere realizzata a sua volta con diverse modalità.

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. Per garantire la massima protezione dal rumore e dalle interferenze vengono scelti i due valori di fase estremi 0 gradi e 180 gradi. L'assegnazione di questi valori

si possono ottenere utilizzando un oscillatore locale. I segnali modulanti vengono quindi combinati e inviati al circuito di modulazione, che cambia la fase della portante in base ai valori dei dibit. Il segnale modulato viene quindi trasmesso attraverso il canale di comunicazione. Nella demodulazione, il segnale ricevuto viene inviato a un circuito di demodulazione, che utilizza una portante di riferimento in fase con quella utilizzata per la modulazione. Il segnale demodulato viene quindi inviato a un convertitore parallelo/seriale per ottenere i bit originali. La modulazione 4-PSK è utilizzata in diverse applicazioni, come ad esempio nelle comunicazioni wireless e nelle trasmissioni satellitari.

hanno medesima frequenza ma le loro fasi differiscono di 90 gradi (per questo vengono dette inquadratura). In pratica la fase del segnale in uscita dal primo modulatore può assumere i valori 0 gradi e 180 gradi mentre quella del segnale in uscita dal secondo assume i valori 90 gradi e 270 gradi. Infine le due portanti vengono sommate originando un segnale che può assumere quattro fasi diverse (45 gradi, 135 gradi, 225 gradi, 315 gradi). Poiché la velocità del flusso di dati a di bit è dimezzata rispetto a quella del segnale digitale originario si ha un raddoppio di efficienza di banda. Vi è, però, una minore separazione tra i livelli di modulazione (valori di fase nel segnale modulato) e ciò comporta una maggiore sensibilità al rumore: per ottenere la medesima probabilità di errore della 2-PSK occorre che il canale trasmissivo abbia un rapporto segnale/rumore di 3dB maggiore. La demodulazione 4-PSK si effettua mediante

circuiti simili ademodulatori 2-PSK raddoppiati in alcune parti.

La Modulazione QPSK

Prendendo i concetti prima esposti per la PSK il passo successivo è assumere che il numero degli sfasamenti non è limitato a due e che la portante del trasmettitore può subire qualunque cambiamento di fase. Quindi in uscita del modulatore si ha un segnale che può presentare un certo numero di sfasamenti. Per de-modulare tale segnale lo si moltiplica con un segnale sinusoidale ad eguale frequenza ottenendo, dopo un filtraggio, un segnale di ampiezza proporzionale allo sfasamento. Se i possibili cambiamenti di fase della portante sono quattro si ha il caso del QPSK (quadraphase-shift keying). Così possono essere trasmessi 4 segnali diversi che corrisponde a trasmettere due bit contemporaneamente. Questo vuol dire che si è raddoppiata la banda della portante. Poiché QPSK ha 4 possibili segnali, può mettere due bit per ogni fase:

• 45 gradi 00 binari
• 135 gradi 01 binari
• 225 gradi

gradi 11 binari