TELECOMUNICAZIONI

1. TELECOMUNICAZIONI 3.Trasmissione analogica dei segnali. Prof. Tozzi Gabriele – ITIS G. Marconi - Verona

2. Riferimenti • Gabriele Tozzi – Libroquaderno di Elettronica e Telecomunicazioni, Vol. 3 – Ed. Associazione Gente del Marconi – 2006. (Testo adottato dall’ITIS G. Marconi, Verona). • Bellini S., Elementi di teoria dei segnali,1983, Città Studi. • Tanenbaum A., Architettura dei Computer - Un approccio strutturato, 2000, Utet Libreria. • F. Marino, Telecomunicazioni, Voll. 1-2, Ed. Marietti Scuola, 2002. • D. Tomassini, Corso di Telecomunicazioni, Thecna Ed., 2003.

3. Sitografia • www.ilmondodelletelecomunicazioni.it/fibre_file/fibre.htm • www2.ing.unipi.it/~d7384/com_ottiche/cap1Frm.html 3) www.comunicazioni.it 4) www.det.unifi.it 5) infocom.uniroma1.it 6) www.ing.unibs.it 7) www.federica.unina.it

4. TELECOMUNICAZIONI 3.Trasmissione analogica dei segnali

5. 3.Trasmissione analogica dei segnali 3.1 – Trasmissione in banda base e in banda traslata. 3.2 – Modulazione di ampiezza. 3.3 – Modulazione angolare. 3.4 – Modulazione impulsiva. 3.5 – Da analogico a numerico

6. 3.1 Trasmissione in banda base e in banda traslata.

7. Banda base • Un segnale, nella maggior parte dei casi, presenta un maggior contenuto energetico in prossimità delle frequenze più basse, ossia la sua banda BS (= f2-f1) è concentrata inbassa frequenza (BF).

8. Trasmissione in banda base • Se la banda passante del canale, BP, è anch’essa concentrata alle BF (canale di tipo passa-basso, com’è nel caso del cavo a coppie simmetriche in rame), il segnale può essere direttamente trasmesso in quel canale senza subire alterazioni. • Si ottiene, così, una trasmissione in banda base (dal nome della banda originariamente occupata dal segnale).

9. Trasmissione in banda traslata • Nel caso in cui, invece, il mezzo trasmissivo presenti caratteristiche diverse da quelle del segnale da trasmettere, p.e. sia di tipo passa-banda (come nella maggioranza dei casi), la banda BS deve essere traslatadi una certa quantità: si ottiene così una trasmissione in banda traslata. approfondimento

10. Modulazione • L’operazione mediante la quale si effettua la traslazione, cioè si adattano le caratteristiche del segnale a quelle del mezzo trasmissivo, prende il nome di modulazione. • Per avere una corretta trasmissione la banda del segnale, Bs, deve risultare completamente contenuta nella banda passante del canale,BP.

11. Sistema trasmissivo • SCHEMA DI UN SISTEMA TRASMISSIVO IN BANDA BASE E IN BANDA TRASLATA.

12. MOdulatore-DEModulatore • In linea di principio il processo di modulazione consiste in una moltiplicazionetra il segnale modulante e il segnale portante. Tale operazione e’ ottenuta mediante dispositivi chiamati modulatori. • In ricezione, l’estrazione dell’informazione (segnale modulante) dal segnale modulatoavviene tramite il processo della demodulazione,per mezzo di un dispositivo chiamato demodulatore. • Se la modulazione permette di effettuare la traslazione di banda in zone a frequenza più elevata, la demodulazione, attraverso un filtro passa-basso (LPF)consente di riportare la banda nella sua posizione originaria.

13. 3.2 Modulazione di ampiezza

14. Tipi di modulazione • La classificazionedelle modulazioni può prendere in considerazione: • Il tipo di segnale informativo (segnale modulante): • Modulante analogica  Modulazione analogica. • Modulante numerica  Modulazione numerica. • Il segnale ad alta frequenza che realizza la traslazione di banda (segnale portante): • Portante impulsiva  Modulazione impulsiva. glossario

15. La modulazione di ampiezza • Nella trasmissione analogica esistono due metodi per trasferire sulla portante sinusoidale le caratteristiche del segnale modulante: • variare l’ampiezza della portante (Modulazione di ampiezza); • variare l’argomento della portante, sottoforma di frequenza o fase(Modulazione angolare). • La rappresentazione dei segnali: modulante (sinusoide), portante, modulato è la seguente: approfondimento

16. L’inviluppo • La curva che si ottiene unendo i punti di picco delle oscillazioni modulate costituisce l’inviluppo del segnale modulato, che coincide con la forma d’onda del segnale modulante. approfondimento

17. La demodulazione • La demodulazione o rivelazione AM e’ l’operazione che riporta lo spettro del segnale modulante nella sua posizione originaria (banda base). • In ricezione, grazie al demodulatore, sarà estratto l’inviluppo (= informazione), pertanto il demodulatore prende il nome di rivelatore a inviluppo.

18. I tre segnali nel tempo • Le funzioni del tempo dei segnali modulante, portante e modulato sono le seguenti: • Segnale modulante: vm(t) = Vmcos(2πfmt) dove fm= • Segnale portante: vp(t) = Vpcos(2πfpt) dove fp= • Segnale modulato: vAM(t) =VAMcos(2πfpt) = approfondimento

19. Indice di modulazione e spettri • Si definisce Indice di modulazione la quantità: m = • m = 0 assenza di modulazione; • m = 1  modulazione totale. • Lo spettro del s. modulato è formato dalla portante Vp (priva di contenuto informativo) e da due righe spettrali, entrambe contenenti la stessa informazione (spreco di banda). approfondimento

20. Potenza del segnale modulato • La maggior parte della potenza Pt del segnale modulato è contenuta nella portante (Pp) e non nelle bande laterali (PL) spreco di potenza: (R = carico sul quale si può ipotizzare sia dissipata la potenza del segnale modulato). • Inoltre si ha: PL=

21. AM con modulante non sinus. ma periodica • Se il s. modulante non è sinusoidale, il suo spettro non sarà costituito da una riga alla frequenza fm, bensì saranno possibili due casi:1.1 Segnale non sinusoidale ma periodico. In questo caso il segnale è sviluppabile in serie di Fourier e lo spettro consisterà in una serie di righe, fm1, fm2,…, fmax. Il s. modulato presenterà uno spettro in cui le componenti laterali sono costituite dalle righe del s. modulante, collocate simmetricamente rispetto alla portante.

22. AM con modulante non sinus. e aperiodica • 1.2 Segnale non sinusoidale e aperiodico. In questo caso lo spettro del s. modulante, ottenibile con la Trasformata di Fourier, è continuo (banda di frequenze da fmin a fmax) e non a righe. • Il s. modulato sarà costituito dalla portante associata alle due bande laterali, inferiore (BLI) e superiore (BLS) collocate simmetricamente rispetto alla portante, con banda = 2fmax. approfondimento

23. AM-DSB • Per ovviare all’ inefficienza di potenza e di banda tipici della AM sono stati introdotti due sistemi, denominati DSB e SSB. • 2.1 DSB (Double Side Band, Doppia Banda laterale). • E’ in grado di produrre un segnale modulato che ha lo stesso contenuto informativo di quello ottenuto con l’AM, in cui però la portante è soppressa( risparmio di potenza in trasmissione). • Tuttavia se la fase trasmissiva risulta agevolata, la fase di ricezione risulta penalizzata, in quanto la portante è utile in ricezione per l’ottenimento del segnale informativo originario (processo di demodulazione). Se si usa la DSB occorre pertanto, in ricezione, ricostruire la portante mediante un oscillatore locale.

24. AM-SSB • 2.2 SSB (Single Side Band, Banda Laterale Unica). • Consiste, oltre che nella soppressione della portante, nella trasmissione di una sola banda laterale (quella inferiore o quella superiore), senza alcuna perdita di informazione. • Si ottiene così una banda occupata uguale alla metà della banda ottenuta con la AM. • Attualmente la tecnica SSB è la più usata. Per passare dalla DSB alla SSB si può usare un filtro passa-banda (BPF).

25. 3.3 Modulazione angolare

26. La modulazione angolare • Nella modulazione angolare di una portante sinusoidale, l’angolo (argomento) della portante varia in funzione dell’ampiezza del segnale modulante. • La rappresentazione del segnale modulato angolarmente è la seguente: vang(t) = Vpcosφ(t) = Vpcos[2πfpt + θ(t)] dove φ(t) è l’angolo istantaneo del segnale modulato e θ(t) è la fase del segnale modulato. • La modulazione angolare può assumere due denominazioni diverse: modulazione di frequenza e modulazione di fase.

27. Modulazione di frequenza • Consiste nel variare, istante per istante, la frequenza della portante sinusoidale in funzione del valore del segnale modulante.

28. Il segnale FM in funzione del tempo • L’espressione della frequenza delsegnale modulatoin funzione della modulante è la seguente: dove ωm = 2πfm è la pulsazione della modulante. • Parametri caratteristici della FM: • kf= costante di proporzionalità che caratterizza la sensibilità del modulatore [Hz/V] • kfvm(t) =Δf = = deviazione di frequenza prodotta sulla portante. • mf = = indice di modulazione approfondimento

29. Spettro e banda del FM • In basso è rappresentato un esempio di spettro del segnale modulato in frequenza. • La Formula di Carson è una formula approssimata che consente di quantificare la larghezza di banda FM ed è data dalla seguente relazione:

30. Formula di Carson • Dalla formula di Carson si nota che all’aumentare della frequenza fm della modulante, aumenta la banda BFM del segnale modulato. • Nel caso di modulante non sinusoidale l’analisi spettrale diventa complessa, tuttavia la formula di Carson è ancora valida se riferita alla frequenza massima, fmax, contenuta nella modulante. approfondimento

31. Potenza del segnale modulato • Poiché il s. modulato varia in frequenza ma non in ampiezza, e dipendendo dall’ampiezza la potenza media di un segnale sinusoidale, ne segue che: PFM = potenza del segnale modulato in frequenza = Pp = potenza della portante non modulata = Vp2 /2R, dove R = resistenza di carico. • Tale potenza rimane costante ma si distribuisce sulle componenti laterali in maniera dipendente da mf .

32. Vantaggio della FM • Il vantaggio fondamentale della modulazione FM rispetto alla AM è il più favorevole SNR (Signal Noise Ratio):infatti il rumore, sommandosi al segnale modulato, ha un effetto maggiore sull’ampiezza piuttosto che sulla frequenza istantanea. • L’SNR in FM supera quello in AM di un fattore pari circa a 100 (20 dB in potenza). Ciò giustifica l’utilizzo della FM per le trasmissioni Hi-Fi. approfondimento

33. Modulazione di fase • Consiste nel variare, istante per istante, la fase della portante sinusoidale in funzione del valore del segnale modulante:

34. Il segnale PM in funzione del tempo • L’espressione della fase del segnale modulato in funzione della modulante è la seguente: θ(t)=θp+ kφvm(t)=θp+ kφVmcos(ωmt)= =θp+Δθcos(ωmt) = θp+ ∫kfvm(t)dt • kφ rappresenta la sensibilità del modulatore di fase • Δθ è la deviazione di fase, ossia la massimavariazione di fase prodotta dalla PM sulla portante. • kφVm = mφ = indice di modulazione di fase. approfondimento

35. Banda e SNR del segnale PM • La banda del segnale modulato in fase è data dalla formula di Carson: BPM = 2fm(Δθ+1) • Il SNR è peggiore in PM che in FM. Se si vuole pareggiare il conto con la FM occorre aumentare Δθa spese della occupazione di banda (aumenta BPM).

36. Da PM a FM e viceversa • Si può ottenere una modulazione di frequenza inserendo un integratoretra il s. modulante, m(t), e il modulatore PM. • Si può ottenere una modulazione di fase anteponendo un derivatore ad un modulatore FM:

37. 3.4 Modulazione impulsiva

38. Modulazioni non codificate e codificate • La modulazione impulsiva consiste nel variare un parametro (ampiezza, durata o posizione) degli impulsi di una portante impulsiva (treno d’impulsi),in funzione dei valori(campioni)prelevati dalla modulante, a intervalli regolari, nel rispetto della condizione di Shannon. • Le modulazioni impulsive di utilizzo pratico si dividono in: • Modulazioni non codificate: • PAM (Pulse Amplitude Modulation) • PWM (Pulse Width Modulation) • PPM (Pulse Position Modulation) • Modulazioni codificate: • PCM (Pulse Code Modulation)

39. PAM • Il segnale modulato presenta impulsi la cui ampiezza varia in modo proporzionale al valore dei campioni del segnale modulante. • La frequenza della portanteimpulsiva coincide con la frequenza di campionamento. approfondimento

40. PWM • La larghezza (durata) degli impulsi, tutti della stessa ampiezza, varia in funzione del segnale modulante. • La tecnica di modulazione PWM trova impiego nel campo dei sistemi di controllo industriale a catena chiusa.

41. PPM • La posizione degli impulsi varia in funzione del segnale modulante. Ampiezza, larghezza, frequenza rimangono costanti. • Il segnale PPM è ottenuto dal segnale PWM che viene inviato all’ ingresso di un multivibratore monostabile.

42. PCM • Tutti e tre i sistemi di modulazione (PAM, PWM e PPM) sono analogici, nel senso che ampiezza, durata e posizione degli impulsi modulati variano con continuità. • Pertanto, nei confronti del rumore presentano tutti gli inconvenienti tipici dei sistemi analogici. • Per questo oggigiorno viene impiegata la tecnica di trasmissione PCM (Pulse Code Modulation, modulazione ad impulsi codificati), in cui l’informazione e’ trasmessa impiegando impulsi elettrici di uguale ampiezza il cui contenuto informativo risiede nel codicedegli impulsi stessi.

43. 3.5 Da segnale analogico a numerico - Codifica PCM

44. Da segnale analogico a numerico Il progressivo miglioramento delle tecnologie digitali, a costi sempre più convenienti, ha determinato la crescente digitalizzazionedell’informazione analogica, che consente i seguenti e ben noti vantaggi:

45. Vantaggi della digitalizzazione • Maggior immunità ai disturbi. • Gestione mediante circuiti integrati digitali e perfetta compatibilità con la tecnologia dei microprocessori. • Utilizzo di sistemi dimultiplazionea divisione di tempo (TDM) più affidabili di quelli a divisione di frequenza (FDM). • Inserimento nel segnale numerico di informazioni addizionali e creazione quindi di un servizio a valore aggiunto.

46. Dalla PAM alla PCM • La PCM non è altro che un tipo particolare di conversione A/D, di cui il segnale PAM costituisce la prima fase, ossia il segnale analogico campionato. • Seguirà poi il processo di quantizzazione e codifica.

47. Sistema di trasmissione PCM • La tecnica PCM ha soppiantato completamente i sistemi di trasmissione analogica ed è sicuramente la tecnica più utilizzata per la trasmissione delle informazioni telefoniche. • Nelle due figure seguenti sono rappresentati due schemi a blocchi di un sistema trasmissivo PCM ad 1 solo canale.

48. Sistema di trasmissione PCM

49. Sistema di trasmissione PCM

50. Il PCM telefonico • Siccome la banda del segnale telefonico arriva fino a 3400 Hz, la minima frequenza con cui dobbiamo campionare il segnale è, per il criterio di Nyquist, di 2·3400 = 6800 Hz. Tenendo conto dei margini necessari per il filtraggio, è stata scelta una fcamp= 8 kHz. • La codifica avviene a 8 bit, quindi con 28 = 256 livelli di quantizzazione, che consentono un rapporto S/N di circa 35 dB, più che accettabile per una conversazione telefonica. • La frequenza di cifra del segnale PCM telefonico è dunque: Fc=n·fcamp=8·8000=64 kbit/s.