Modulazioni

Segnali senza fili

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In questa pagina vengono illustrate alcune tecniche usate per trasmettere segnali con sistemi wireless. Molti degli esempio mostrati sono ottenuti tramite le applet scaricabili dal sito https://www.etti.unibw.de/labalive e che trovate anche nel file modulazioni.zip (nota 1).

Per trasmettere le informazioni useremo le antenne e non segnali di fumo, ovviamente...

Concetto di modulazione

Per trasmettere un generico segnale utilizzando un'antenna è necessario passare attraverso l'operazione di modulazione, cioè aumentare la frequenza del segnale. Due la ragioni:

La modulazione classica si basa sulla modifica di uno o più dei parametri di una sinusoide:

Tale sinusoide è detta portante ed in genere ha frequenza piuttosto elevata, tipicamente da 100 MHz a 10 GHz.

Di seguito vediamo alcuni esempi, partendo dalle modulazioni analogiche.

Modulazione di ampiezza

La modulazione di ampiezza risale agli inizi del secolo scorso e non è oggi praticamente più usata per trasmettere sorgenti analogiche (radio AM); è però diventato uno dei pilastri della comunicazione digitale moderna.

All'avvio di am.jnlp è mostrato lo schema a blocchi del circuito (la cui analisi è utile solo per chi studia in un indirizzo elettronico e/o comunicazioni). Gli aspetti che verranno analizzati fanno riferimento:

All'avvio sono presenti due grafici, entrambi riferiti al segnale modulato, presente in uscita dal circuito e pronto per essere trasmesso con un'antenna o più in generale al canale di comunicazione:

Modulazione AM

Se necessario è possibile vedere altri segnali cliccando sul filo corrispondente

Attività 1

In riferimento al file am.jnlp, modificare i parametri della portante e della sorgente ed osservare come cambia il segnale modulato. Prima di proseguire due avvertenze:

Impostare i parametri dell'analizzatore di spettro

  1. Come cambia il segnale modulato se la sorgente cambia frequenza, per esempio 1,1 MHz oppure 0.5 MHz?
  2. Come cambia il segnale modulato se la sorgente cambia ampiezza?
  3. Quanto vale la banda (nota) occupata dal segnale modulato?
  4. Come cambia il segnale modulato se la sorgente diventa un'onda quadra con frequenza 500 kHz? Potrebbe essere utile modificare gli assi dell'analizzatore di spetto e confrontare il risultato con quando descritto in questa pagina
  5. Come cambia il segnale modulato se la sorgente diventa una sequenza casuale di bit (random square)?
  6. Come cambia il segnale modulato se la portante cambia frequenza?

Modulazione digitale di ampiezza

Se la sorgente è un segnale digitale si tratta di modulazione digitale. In questo caso la modulazione viene a volte chiamata ASK (Amplitude-Shift Keying) e, pur non essendo oggi più utilizzata in quanto tale, è la base di molti sistemi di trasmissione moderni.

 

Per inciso: la portante rimane sinusoidale.

Modulazione di frequenza

La modulazione di frequenza ha oggi qualche marginale applicazione in campo analogico (radio FM) ed è usate in qualche caso anche nelle modulazioni digitali (FSK e sue varianti).

All'avvio di fm.jnlp è mostrato lo schema a blocchi del circuito, la sorgente nel dominio del tempo e lo spettro del segnale modulato (nota 3):

Modulazione FM

Attività 2

In riferimento al file fm.jnlp:

  1. Modificare l'ampiezza della sorgente
  2. Modificare la frequenza della sorgente
  3. Modificare (di poco) la frequenza della portante (nota 3)
  4. Quanto vale la banda del segnale modulato? Si confronti, a parità di frequenza della sorgente, con quanto osservato al precedente punto 3 relativo all'AM

Modulazione digitale di frequenza

La modulazione digitale derivata dalla FM è chiamata FSK (Frequency Shift Keying). Oggi è utilizzata soprattutto per il suo buon comportamento in situazione dove il SNR è basso e non si è particolarmente interessati all'occupazione di banda

Modulazione di fase

La modulazione di fase non ha praticamente mai avuto applicazioni in ambito analogico, ma è insieme alla modulazione di ampiezza la base di gran parte dei sistemi di modulazione per la trasmissione di segnali digitali.

Per comprendere come funziona la modulazione QPSK (Quadrature phase-shift keying) o semplicemente PSK occorre fare un doppio passaggio:

Graficamente (nota 4) si chiariscono forse meglio le idee:

La portante è una generica sinusoide. Possiamo rappresentarla con un punto come nel quadrato a sinistra, in analogia alla la rappresentazione su un piano cartesiano della funzione sin(x) oppure alla rappresentazione di una tensione sinusoidale nel metodo simbolico:

I quattro simboli con cui verranno rappresentati i gruppi di bit corrispondono quindi alle seguenti quattro sinusoidi:

Il grafico quadrato a sinistra prende il nome di costellazione o diagramma a costellazione, nome che sarà più chiaro nella descrizione della modulazione QAM.

La trasmissione delle sequenza di bit avviene scegliendo volta per volta quale sinusoide trasmettere tra le quattro mostrate. Purtroppo né il grafico del segnale nel dominio del tempo né quello nel dominio delle frequenze sono particolarmente utili per comprendere il segnale trasmesso, al contrario del diagramma a costellazione.

Analizziamo il segnale usando il file qpsk.jnlp; all'avvio oltre allo schema a blocchi sono presenti due altre finestre, una che mostra lo spettro in trasmissione ed uno le misura del BER. Possiamo chiudere entrambe le finestre, non significative, perlomeno all'inizio.

Attività 3

  1. Come cambia la costellazione in ricezione al cambiare del rumore?
  2. Come, a livello qualitativo, il rumore influisce sul BER? Per visualizzare la misura occorre ciccare sull'omonima casella

QAM

La modulazione di ampiezza in quadratura QAM è l'unione della QPSK con la ASK: il simbolo con cui si trasmette un gruppo di bit è codificato non solo dalla fase della sinusoide, ma anche dalla sua ampiezza.

La struttura del modulatore QAM è molto simile a quella del modulatore QPSK, al punto che nel mondo reale è possibile passare da uno all'altro con una semplice modifica del software. Anche con questo simulatore è possibile usare il file il file qpsk.jnlp; per simulare un modulatore QAM: basta cliccare su Simulation, quindi Setup e scegliere la costellazione che si vuole usare.

Di seguito una QAM-64 in cui ciascuno dei 64 simboli codifica 6 bit

QAM

Attività 4

Ripercorrere i passi già visti per il modulatore QPSK con un modulare QAM a scelta.

In particolare riflettere sull'impatto del rumore per i vari tipi di modulazione QAM

Il mondo reale

La modulazione QAM è la base per tutte le comunicazioni radio ad alta capacità ed anche per molte comunicazioni con cavi non di elevata qualità come le linee telefoniche. In genere l'effettivo numero di stati viene determinato in base al SNR effettivo.

Di seguito la costellazione mostrata da due trasmettitori WiFI, gli stessi descritti nell'esercizio 5. A sinistra abbiamo un QAM-256, tipico delle situazioni ottimali come SNR, a destra un QAM-64 a cui il dispositivo passa autonomamente nel caso di SNR peggiore.

Note

  1. Aspettatevi un consumo elevato di corrente, quindi batteria che si scarica rapidamente e ventole rumorose...
  2. Senza esagerare, per non sovraccaricare la CPU e rallentare troppo la simulazione
  3. Si noti la frequenza della portante pari a 0 Hz. La sua modifica ha un effetto ovvio, ma se eccessiva (per esempio 100 MHz) sembra bloccare l'applet, non ho compreso se per ragioni di eccessivo peso computazionale (perlomeno per il mio i7 desktop) o per un bug
  4. immagini tratte da https://www.etti.unibw.de/labalive/experiment/qpsksignalgeneration
  5. Per banda di un segnale modulato si intende l'intervallo di frequenza tra la linea spettrale più alta e la linea spettrale più bassa. Per esempio la banda di questo segnale AM è 2 MHz


Pagina creata nel maggio 2021
Ultima modifica: 10 maggio 2021


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