Modulazione ad impulsi e digitali

MODULAZIONE AD IMPULSI
PM
Pulse Modulation
La portante è costituita da un segnale impulsivo periodico con le seguenti caratteristiche:
ampiezza Vp, durata dell’impulso , periodo T.
All’atto della modulazione, uno dei parametri caratteristici del segnale portante viene variato
secondo la legge imposta dal segnale analogico modulante, che contiene l’informazione.
Si tratta di un modulazione impulsiva non quantizzata, in quanto i parametri del segnale portante
vengono modulati in modo continuo.
La modulazione PM ha le seguenti funzioni:
 rendere il segnale più idoneo ad essere trasmesso nel mezzo trasmissivo utilizzato;
 poter mescolare all’interno della stessa linea trasmissiva diversi segnali, in modo da poter
trasmettere in un solo cavo più informazioni contemporaneamente (multiplazione a divisione di
tempo).
Esistono tre tipi di modulazione impulsiva :
 modulazione PAM;
 modulazione PWM;
 modulazione PPM.
MODULAZIONE PAM
Pulse Amplitude Modulation
Con questo tipo di modulazione, l’ampiezza dell’impulso Vp viene variata in funzione del
segnale modulante (di frequenza più bassa), mantenendo costanti gli altri parametri.
Questo sistema assomiglia alla modulazione analogica di ampiezza, con la differenza che la
portante è impulsiva e non sinusoidale.
Modulatore PAM
modulante
segnale PAM
portante (clock)
Caratteristiche:
 rispetto alla modulazione analogica AM, lo spettro del segnale modulato PAM risulta molto più
esteso;
 a causa della elevata estensione dello spettro, per “mescolare” più segnali in unico mezzo
trasmissivo, si deve usare la multiplazione a divisione di tempo TDM e non la multiplazione a
divisione di frequenza FDM;
 come tutte le modulazioni di ampiezza, la modulazione PAM è molto sensibile al rumore e ai
disturbi.
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MODULAZIONE PWM
Pulse Width Modulation
Con questo tipo di modulazione, la durata dell’impulso  viene variata in funzione del segnale
analogico modulante, mantenendo costanti gli altri parametri.
Caratteristiche:
 lo spettro del segnale modulato PWM risulta molto esteso;
 la modulazione PWM è poco sensibile al rumore e ai disturbi;
 la modulazione PWM trova scarse applicazioni nella trasmissione dell’informazione, mentre
viene frequentemente utilizzata nel campo della regolazione automatica in continua. Con
questa tecnica è infatti possibile regolare il valor medio del segnale modulato.
Modulante
Modulatore
PAM
PAM
+
COMPARATORE
PWM
CONVERTITORE
IMPULSO
RAMPA
GENERATORE
DI CLOCK
(portante)
Schema a blocchi della modulazione PWM
MODULAZIONE PPM
Pulse Position Modulation
Con questo tipo di modulazione, la posizione dell’impulso viene variata all’interno del periodo, in
funzione del segnale analogico modulante, mantenendo costanti gli altri parametri.
Per consentire il “sincronismo” fra trasmettitore e ricevitore, con questo tipo di modulazione è
necessario trasferire, insieme al segnale modulato, anche un “impulso di riferimento” (segnale di
clock), rispetto al quale sia possibile valutare, all’atto della ricezione, la posizione esatta
dell’impulso modulato. Ciò limita l’impiego di questo tipo di modulazione.
Caratteristiche:
 lo spettro del segnale modulato PPM risulta molto esteso;
 la modulazione PPM è insensibile al rumore e ai disturbi.
La modulazione PPM
si ricava dalla PWM
mediante un monostabile
PWM
MONOSTABILE
negative edge trigger
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PPM
MODULAZIONE PCM
La Modulazione PCM consiste nel digitalizzare il segnale analogico informativo mediante le
operazioni di campionamento, quantizzazione e serializzazione.
Per la modulazione PCM si rimanda alla lezione n. 8 sulla digitalizzazione dei segnali.
I segnali in codice PCM utilizzano le linee ISDN.
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MODULAZIONE DIGITALE
Modulazione A.S.K. Amplitude Shift Keying
La modulazione A.S.K consiste nel far variare l’ampiezza di un segnale sinusoidale (portante) in
base al valore assunto dal segnale digitale (modulante) rappresentante i dati da trasmettere.
Generalmente il modulatore:


trasmette la portante inalterata quando il segnale dati è a livello alto;
blocca la portante e quindi trasmette un livello 0 di tensione quando il segnale dati è basso.
Pertanto tale modulazione è anche denominata modulazione ON-OFF (OOK).
Lo schema di principio che realizza tale modulazione può essere così rappresentato :
Dallo schema si vede che il segnale modulato di uscita s(t) può essere considerato il prodotto tra la
portante vp(t) e la modulante vm(t).
Nel dominio del tempo l’andamento dei segnali (modulante, portante, modulata) è il seguente.
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Lo spettro del segnale modulato è bilatero rispetto alla frequenza della portante fp e riproduce da
entrambi i lati di fp lo spettro della modulante.
La larghezza dello spettro della modulata è quindi doppio rispetto al quello della modulante e è
shiftato di fp.
Nel caso in cui la modulante sia un onda quadra con duty-cycle del 50%, lo spettro del segnale
modulato è il seguente.
La modulazione A.S.K. si usa nella radiotelegrafia, ma non nella trasmissione dati, in quanto è
molto sensibile ai disturbi.
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Modulazione F.S.K. Frequency Shift Keying
La modulazione F.S.K consiste nel far variare la frequenza di un segnale sinusoidale (portante) in
base al valore assunto dal segnale digitale (modulante) rappresentante i dati da trasmettere.
Generalmente il modulatore:


trasmette una sinusoide alla frequenza f1 quando il segnale dati è a livello alto;
trasmette una sinusoide alla frequenza f0 quando il segnale dati è a livello basso.
Normalmente f1 < f0.
Lo schema di principio che realizza tale modulazione può essere così rappresentato:
Dallo schema si nota che il segnale modulato di uscita s(t) è determinato dall’azione del segnale
dati modulante sul commutatore.
Nel dominio del tempo l’andamento dei segnali (modulante, modulata) è il seguente.
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Un segnale modulato in F.S.K. può essere espresso come somma di due segnali modulati
in A.S.K., con portanti rispettivamente di frequenze f0 e f1.
Il passaggio da una frequenza all’altra deve avvenire conservando la continuità di fase della
portante.
Per quanto detto per la modulazione A.S.K., lo spettro di un’onda quadra modulata in
F.S.K. può quindi essere rappresentato come in figura:
Come si può notare la banda del segnale modulato F.S.K. risulta più larga della banda del segnale
modulato A.S.K. di una quantità pari ad f0 –f1.
La modulazione F.S.K. si usa nei sistemi radio digitali e nella Trasmissione Dati per velocità fino a
1200 bit/s.
Il C.C.I.T.T. (Comitato Consultivo Internazionale per la Telegrafia e la Telefonia) ha stabilito che la
modulazione F.S.K. sia utilizzata :
 nei modem della serie V.21 a 300 bit/s su rete commutata;
 nei modem della serie V.23 bit/s a 600 e 1200 bit/s su rete commutata.
Entrambi ormai n disuso.
Si lascia per esercizio la determinazione dello spettro nel caso in cui il segnale digitale modulante
non sia un’onda quadra.
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NOTE sulla modulazione FSK
Segnale digitale (binario)
 Durata del Bit  Tb
 Velocità di trasmissione  vb = 1/ Tb bps
 Frequenza fondamentale della trasmissione  fo = vb /2
(è la frequenza dell’onda quadra avente semiperiodo uguale a Tb)
Portante sinusoidale


Frequenza portante  fp
Deviazione di frequenza  fp
Nel caso di modulazione digitale la frequenza può assumere solo 2 valori: fa = fp + fp
fz = fp - fp
di conseguenza:
fp = (fa – fz) / 2

Indice di modulazione  mf = f / fo = (fa – fz) / 2 fo = (fa – fz) / vb
Si può dimostrare che in fase di demodulazione la minima probabilità di errore si ottiene con
mf = 2/3 = 0.67.
Per questo motivo i modem FSK utilizzano un indice di modulazione con questi valori.
Frequenze caratteristiche dello standard V.21
Modem FSK con velocità di 300 bps in full duplex
Canale inferiore
Modem chiamante
Canale superiore
Modem chiamato
Portante
1080
1750
Livello 0
980
1650
Frequenze caratteristiche dello standard V.23
Modem FSK con velocità di 600/1200 con canale supervisore a bassa velocità
Funzionamento
a 600 bps (Hz)
Portante
Livello 0
Livello 1
1500
1700
1300
Funzionamento
a 1200 bps (Hz)
1700
2100
1300
Canale supervisore
a 75 bps (Hz)
420
450
390
Siccome un segnale digitale ha banda “infinita”, per evitare che le armoniche dei due canali si
sovrappongano il segnale prima di essere modulato viene opportunamente filtrato.
Un requisito molto importante nella modulazione FSK è il mantenimento della continuità di fase negli istanti
di transizione da una frequenza all’altra. Il mancato rispetto di questa condizione rende più difficoltosa
l’operazione di demodulazione.
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Modulazione P.S.K. Frequency Shift Keying
La modulazione P.S.K consiste nel far variare la fase di un segnale sinusoidale (portante) in base
al valore assunto dal segnale digitale (modulante) rappresentante i dati da trasmettere.
Generalmente il modulatore:


trasmette una sinusoide alla frequenza fp pari a quella della portante con fase inalterata,
quando il segnale dati è a livello basso;
trasmette una sinusoide alla frequenza fp, ma sfasata di 180° quando il segnale dati è a livello
alto.
Lo schema di principio che realizza tale modulazione può essere così rappresentato:
Nel dominio del tempo l’andamento dei segnali (modulante, portante, modulata) è il seguente.
Questo tipo di modulazione si chiama 2-P.S.K.
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Un segnale modulato in P.S.K. può essere considerato come somma algebrica di due
segnali modulati in A.S.K., con modulanti ritardate, l’una rispetto all’altra, di un tempo TB.
Lo spettro di un’onda quadra modulata in P.S.K. risulta il seguente:
Come si può notare tale spettro è analogo a quello dell’onda modulata A.S.K., privo dell’armonica
relativa alla portante.
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La modulazione 2-P.S.K. si usa nei sistemi radio digitali.
Nella Trasmissione Dati si utilizza una modulazione P.S.K. a più fasi.
La modulazione 4-P.S.K. prevede che la portante sinusoidale assuma quattro valori di fase in
funzione della combinazione di coppie di bit (dibit) del segnale dati.
I salti di fase della portante possono essere correlati ai dibit, ad esempio, secondo la seguente
tabella :
B1
B2
0
0
1
1
0
1
1
0
SALTI DI FASE
225°
315°
45°
135°
Raggruppando i bit in tribit e quadribit si ottengono rispettivamente 8 e 16 salti di fase della
portante dando luogo a modulazioni 8-P.S.K. e 16-P.S.K.
La modulazione 8-P.S.K. è utilizzata:


nella trasmissione radiodigitale;
nella Trasmissione dati con modem della serie V.27 a 4800 baud su linee dedicate.
La modulazione 16-P.S.K. è utilizzata:

prevalentemente nella trasmissione radio-digitale.
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Modulazione Q.A.M. Quadrature Amplitude Modulation
La modulazione Q.A.M. consiste nel far variare 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 da 3 (tribit) si avranno 8 combinazioni possibili dando così
origine alla 8-Q.A.M.
I primi due bit del tribit fanno variare la fase come nella 4-P.S.K., il terzo bit ne fa variare
l’ampiezza, come mostrato nella seguente tabella.
Il diagramma di rappresentazione della modulazione Q.A.M. è detto diagramma a costellazione.
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Se i dati vengono suddivisi in gruppi da 4 bit (quadribit) si avranno 16 configurazioni.
Il diagramma a costellazione della 16-Q.A.M. può essere di questo tipo:
La modulazione Q.A.M. è usata:
nella trasmissione radio-digitale;
nella trasmissione dati per modem della serie:

V-22bis a 2400 bit/s o 1200 bit/s full-duplex su linee commutate o dedicate con modulazione
16-Q.A.M.;

V.29 a 9600 bit/s per linea dedicata a quattro fili;
e in tutti i modem più recenti.
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