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LE MODULAZIONI

telecomunicazioni


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LE MODULAZIONI


La parola "telecomunicazioni" è un termine composto da due parole tele, dal greco significa "lontano", e comunicazioni, l'atto di trasmettere a qualcuno un'informazione.

Le telecomunicazioni sono nate quando nel 444d39e 1901 Guglielmo Marconi dimostrò che le onde radio potevano essere usate per trasmettere informazioni a lunga distanza, inviando un messaggio oltre l'oceano Atlantico.

Attualmente tale tipo di comunicazione è effettuato per mezzo d'apparecchiature elettroniche come la radio, il telegrafo, la televisione, ecc.

L'informazione trasmessa da queste apparecchiature può consistere in voce, simboli, immagini, dati o una loro combinazione. L'apparecchiatura fisica per i sistemi di telecomunicazione è costituita da trasmettitore, ricevitori e un canale, o mezzo di comunicazione, come onde elettromagnetiche, raggi a infrarossi, filo, fibre ottiche, ecc.

La maggior parte delle comunicazioni a grandi distanze avviene tramite onde elettromagnetiche e si utilizza la tecnica della modulazione.




Per trasmettere utilizzando questo metodo, l'informazione deve subire varie trasformazioni ed elaborazioni altrimenti la comunicazione non si riesce ad effettuare per i seguenti motivi:

Le dimensioni delle antenne, perché per trasmettere un segnale a bassa frequenza con per esempio la voce che ha come frequenza massima 5 Khz, e dovendo essere l'antenna di dimensioni λ/2 o λ/4, per avere una buona efficienza, la sua lunghezza risulterebbe o 15 km o 30 km;

La potenza necessaria ad alimentare un'antenna di queste dimensioni sarebbe enorme;

Il trasmettitore risulterebbe pesante e voluminoso;

Le frequenze di trasmissione sarebbero le stesse di tutti gli utenti, cioè il canale, senza modulazione, sarebbe unico per tutti gli utenti e perciò tutti ascolterebbero tutti.


Si è dimostrato cosi che se usiamo la tecnica della modulazione si possono eliminare tutti questi fastidiosi problemi. Le modulazioni più utilizzate possono essere classificate in due gruppi:

v    Modulazioni analogiche (AM, FM, PM); cioè le modulazioni che utilizzano sia come modulante (segnale da trasmettere) e sia come portante (segnale ad alta frequenza) un segnale di tipo analogico.

v    Modulazioni impulsive (PAM, PWM, PPM); cioè le modulazioni che utilizzano come modulante un segnale analogico e come portante un treno d'impulsi.







Quest'ultime modulazioni sono uno delle ultime modulazioni e a sua volta si dividono in tre gruppi secondo la tecnica usata:


PAM (Pulse Amplitude Modulation = modulazione ad ampiezza di impulsi);

Il segnale analogico modulante va a variare l'ampiezza del treno di impulsi che costituisce la portante secondo lo schema sottostante.



PWM (Pulse Width Modulation = modulazione a larghezza di impulsi);

In questa modulazione, invece, le ampiezze degli impulsi sono tutte eguali e l'informazione data dal segnale modulante va a variare la larghezza dell'impulso.



PPM (Pulse Position Modulation = modulazione a posizione di impulsi);

Nella modulazione PPM invece 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. Al contrario quanto più negativo è il segnale analogico, tanto più è anticipata la loro posizione




Esiste anche un quarto tipo di modulazione impulsiva ed è la tecnica PCM.

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, poiché furono tutte presto superate dalla modulazione codificata PCM (Pulse Code Modulation = modulazione a codificata ad impulsi).

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.

Dei 32 canali multiplexati, 30 sono canali vocali e 2 sono canali di servizio.

Per realizzare la tecnica PCM si effettuano tre operazioni a partire dal segnale microfonico di partenza:

Campionamento

Quantizzazione



Codifica


CAMPIONAMENTO


In base al teorema di SHANNON, un segnale a banda limitata, compresa fra le frequenze f1 e f2 (f2 >f1) può essere rappresentato mediante una successione di campioni prelevati con una frequenza pari almeno a 2f2.

In telefonia si assume come frequenza di campionamento il valore di:

fc = 8 KHz

superiore di 1,2 KHz al valore minimo:

2f2 = 6,8 KHz

stabilito dal teorema di SHANNON

Il periodo di campionamento corrisponde, naturalmente all'inverso della frequenza di campionamento, e cioè:


Il segnale telefonico viene dunque per prima cosa campionato, e poi viene sostituito dalla sequenza di impulsi PAM, così ottenuti.



QUANTIZZAZIONE


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, ed inoltre non sono tutti di valore eguale  ma, per mantenere costante il rapporto segnale/disturbo su tutta l'escursione dell'ampiezza, sono anche di ampiezza variabile secondo una funzione logaritmica.

E' evidente che in questa fase si compie un errore, detto errore 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.

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.



CODIFICA


Nell'ultima fase gli impulsi, campionati e quantizzati, vengono codificati, cioè la loro ampiezza viene trasformata in una sequenza di bit secondo un codice binario.  

Ad esempio, se l'ampiezza del primo impulso è di 5 V,  verrà rappresentata dalla sequenza binaria:  101.

In realtà nel PCM Europeo, essendo i livelli 256, per rappresentare ogni campione, occorrono 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 però, 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.


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. 

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.

Il tempo di un canale è naturalmente quello di tutta la trama diviso per 32:

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.

Si possono formare così anche supergruppi da 480, 1920, 7680 canali



L'altro tipo di modulazioni sono le modulazioni analogiche cioè le modulazioni che utilizzano sia la portante sia la modulante di tipo analogico.

Questo tipo di modulazione, come le precedenti, a loro volta, si dividono in tre gruppi:

FM - (Frequency Modulation = Modulazione di frequenza

Nella modulazione di frequenza, la frequenza della portante viene fatta variare secondo l'ampiezza della modulante, mentre l'ampiezza della portante rimane invariata.

La modulazione di frequenza (FM) è applicata nel campo delle trasmissioni stereofoniche nella gamma delle VHF.



PM - (Phase Modulation = Modulazione di fase)

La modulazione di fase è molto simile alla modulazione di frequenza, tant'è che ambedue vengono chiamate modulazioni angolari.

In questo caso la modulante va a modificare la fase della portante lasciandone invariata l'ampiezza e in questo caso, come anche nella modulazione di frequenza, la banda è molto larga ed i circuiti per realizzarla sono anche più complessi e sensibili di quella di frequenza.


AM - (Amplitude Modulation = Modulazione di ampiezza)

Infine la modulazione d'ampiezza consiste nel far variare l'ampiezza di una portante a radiofrequenza secondo l'ampiezza di una modulante a bassa frequenza.









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