MODULAZIONI IMPULSIVE - Istituto Tecnico "S.Citelli"

I.S.I.S.S.
“F. FEDELE” di Agira (EN)
Sez. I.T.I. “S. CITELLI” di REGALBUTO
Modulazioni Impulsive
ANNO SCOLASTICO 2012/2013
Lezioni di TELECOMUNICAZIONI
MODULO 8: MODULAZIONI IMPULSIVE
Prof. Mario LUCIANO
Indice
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INDICE
1 – PERCHE’ SI MODULA
Modulazioni Impulsive
2 – QUALI OPERAZIONI COMPIE IL
MODULATORE
7 – MODULAZIONI IMPULSIVE:
Generalità
8 – MODULAZIONE PAM
3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI
MODULAZIONE
9 – MODULAZIONE PWM
4 – PREMESSE
10 – MODULAZIONE PPM
5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE
T.D.M.
11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
6 – TEOREMA DI SHANNON
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1 – PERCHE’ SI MODULA
Modulazioni Impulsive
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.
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Modulazioni Impulsive
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.
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3 – PANORAMICA SUI VARI TIPI DI MODULAZIONI
Modulazioni Impulsive
LA MODULAZIONE
Segnale
Informazione
ANALOGICO
Portante
Analogica
Segnale
Informazione
DIGITALE
Portante
Impulsiva
AM
Portante
Analogica
FSK
Non Quantizzata
PAM
FM
Portante
Digitale
Codici
Di linea
ASK
PWM
PPM
PM
PSK
QAM
Quantizzata
PCM
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Modulazioni Impulsive
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.
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4 – PREMESSE
Modulazioni Impulsive
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.
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4 – PREMESSE
Modulazioni Impulsive
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.
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Modulazioni Impulsive
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.
In questo modo è possibile la trasmissione contemporanea di
più messaggi attraverso una sola via di comunicazione, utilizzando
un'unica banda di frequenza.
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Modulazioni Impulsive
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)
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5 – TECNICA DI MULTIPLAZIONE TDM
Modulazioni Impulsive
SCHEMA A BLOCCHI DEL SISTEMA TDM ANALOGICO (PAM)
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6 – TEOREMA DI SHANNON
Modulazioni Impulsive
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 tn = n*DTc dove DTc sta per il
periodo di campionamento e n sta per 1, 2, 3…
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6 – TEOREMA DI SHANNON
Modulazioni Impulsive
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 fmax. 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.
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 DTc,
solamente se è rispettata la condizione f c  2 f max. ”
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Modulazioni Impulsive
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)
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8 – MODULAZIONE PAM (non quantizzata)
Modulazioni Impulsive
Nella PAM il segnale analogico modulante va a variare l’ampiezza
del treno di impulsi che costituisce la portante secondo lo
schema a destra
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9 – MODULAZIONE PWM (non quantizzata)
Modulazioni Impulsive
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.
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10 – MODULAZIONE PPM (non quantizzata)
Modulazioni Impulsive
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.
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Modulazioni Impulsive
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).
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM (quantizzata)
Modulazioni Impulsive
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.
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM (quantizzata)
Modulazioni Impulsive
Per realizzare la tecnica PCM si effettuano tre operazioni a partire dal
segnale microfonico di partenza:
CAMPIONAMENTO
= PAM
QUANTIZZAZIONE
CODIFICA
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
Campionamento
Modulazioni Impulsive
In base al teorema di SHANNON, un segnale a banda limitata, compresa
fra le frequenze f1 ed f2 (f2 >f1) può essere rappresentato mediante una
successione di campioni prelevati con una frequenza pari almeno a
fc > 2f2
In telefonia, essendo f2 = fmax = 4 KHz, si assume come frequenza di
campionamento il valore di:
fc = 8 KHz
superiore di 1,2 KHz rispetto al valore minimo (banda netta) 2f2 = 6,8 KHz,
stabilito dal teorema di SHANNON.
Il periodo di campionamento corrisponde, naturalmente all’inverso della
frequenza di campionamento, e cioè:
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
Modulazioni Impulsive
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.
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Modulazioni Impulsive
11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
QUANTIZZAZIONE
Modulazioni Impulsive
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.
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.
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
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
Modulazioni Impulsive
QUANTIZZAZIONE
10011101
01000110
3,9 ms
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Modulazioni Impulsive
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).
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Modulazioni Impulsive
11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
Modulazioni Impulsive
CODIFICA
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.
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.
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
Modulazioni Impulsive
LA TRAMA TELEFONICA
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.
Tc = 125 ms
3,9 ms
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.
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11 – MODULAZIONE IN TECNICA PCM
LA TRAMA TELEFONICA
Modulazioni Impulsive
Il tempo di un canale è naturalmente quello di tutta la trama diviso
per 32 e coincide con la durata del singolo campione:
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.
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Si possono formare così anche supergruppi da 480, 1920, 7680 canali.
FINE PRESENTAZIONE
Modulazioni Impulsive
DIMINUIRE IL RUMORE??  QUANTIZZAZIONE LOGARITMICA
S/N = VALORE
COSTANTE
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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
32
Modulazioni Impulsive
FINE PRESENTAZIONE
BUON LAVORO ……… !
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