Modulazioni Digitali

1. Modulazioni Digitali 1

2. Introduzione 2

3. Sistema di Comunicazione Rivediamo lo schema a blocchi di un sistema di comunicazione….. 3

4. Codifica di sorgente • Con la codifica di sorgentesi associa ad ogni unità di informazione prodotta, una parola formata da un insieme discreto di simboli. Ecco alcuni tra i più famosi codici di sorgente: • Codice Morse : trovava impiego nella telegrafia ed in campo radioamatoriale. I simboli usati sono il punto e la linea. 4

5. Codifica di sorgente • Codice Baudot: viene (era!) tipicamente impiegato dai terminali telegrafici a basse velocità (75bit/s);è formato da parole di 5 bit. • Codice ASCII:l‘ American Standard Code for Information Interchange viene largamente usato nelle comunicazioni asincrone o sincrone.Utilizza 8 bit, per un totale di 256 simboli ed è inoltre stato assunto come riferimento per l'alfabeto n°5 normalizzato dal CCITT nellaraccomandazione V.3 .

6. Codifica di sorgente: il codice ASCII

7. Codifica di canale La codifica di canaleserve a garantire che i bit da trasmettere arrivino a destinazione senza errori durante l’attraversamento del mezzo trasmissivo. Questo si realizza per mezzo con l’aggiunta di bit ridondanti, cioè bit in eccesso, che non contengono informazione ma che consentono al ricevitore di stabilire se si sono verificati errori. 7

8. Codifica di Linea La codifica di linea è necessaria per adattare il segnale al tipo di linea in cui deve transitare. Nei sistemi digitali (computer, sistemi telefonici numerici, ecc.) i dati transitano in codice  NRZ dove  all’ 1 logico corrisponde il livello alto e allo 0 logico il livello basso. 8

9. Codifica di Linea 9

10. Codifica di Linea Tuttavia, nelle linee di trasmissione (doppino, cavo coassiale, fibre ottiche), non è in genere possibile usare, per vari motivi, questo codice: • non consente la rigenerazione della portante; • comprende una componente continua; • non è in grado di attraversare i trasformatori delle centrali telefoniche. 10

11. Sistema di Comunicazione in dettaglio 11

12. Modulazione numerica I segnali emessi da una sorgente numerica hanno una forma che può essere assimilata a quella di un segnale rettangolare. La densità di potenzadello spettro ha l’andamento del tipo e presenta quindi la maggior parte di energia concentrata verso le frequenze prossime alla continua (0 Hz)‏ 12

13. Modulazione numerica Tale spettro non è quindi adatto ad essere trasmesso su canali PASSA-BANDA , come quello telefonico (300 → 3400Hz). Le frequenze più basse sarebbero attenuate e perciò il segnale ricevuto sarebbe distorto. Questo problema può essere risolto facendo ricorso ad una elaborazione del segnale che effettua una traslazione dello spettro originale, portandolo all’interno della banda disponibile 13

14. Modulazione numerica Si tratta quindi di un processo denominato MODULAZIONE NUMERICA Questo tipo di modulazione consiste nel modificare uno dei tre parametri fondamentali di una portante sinusoidale Ampiezza - Frequenza – Fase in funzione di un segnale modulante discreto 14

15. Modulazione Numerica: Concetti base 15

16. Modulazione numerica Modulazione digitale di una portante analogica Modulatore Modulante: segnale numerico Modulato: segnale analogico 16

17. Modulazioni numeriche: classificazione Modulazioni numeriche di una portante analogica 17

18. Modulazioni numeriche Alcuni sistemi di modulazione numerica 18

19. Modulazioni numeriche Alcuni sistemi di modulazione numerica 19

20. Modulazioni numeriche Velocità di Modulazione e Velocità di Trasmissione 20

21. Bit Rate e Baud Rate Baud Rate– number of signal units per second ( ITU raccomanda di usare il termineSymbol Rate)è la velocità di modulazione o segnalazione in linea Bit Rate– number of bitsper second (bps) è la velocità di trasmissione dell’informazione o frequenza di cifra Si ha : Bit Rate = N ·Baud Rate con N il numero di bit associati ad un simbolo 21

22. Bit Rate e Baud Rate Avvertenza:nell’ambito delle telecomunicazioni i multipli si esprimono con le normali convenzioni secondo cui: 1 kbit/s = 1 000 bit/s(e non 1 024 come in informatica!)‏ 1 Mbit/s = 1 000 000/s(e non 1 048 576 come in informatica!)‏ 22

23. Velocità di trasferimento dell’informazione La velocità di trasmissione, in linea, specifica la rapidità divariazione dello stato elettrico del segnale sul canale dicomunicazione.Si misura in simboli al secondoo BAUD. E’ anche indicata come velocità di modulazione oppurevelocità di segnalazione oppureBAUD RATE 23

24. Velocità di trasferimento dell’informazione Per il segnale della figura seguente vi è una variazione di livello elettrico della linea ogni ms.Quindi la velocità di segnalazione è: Baud Rate: 1 simbolo / 10-3 secondi = 1 000 Baud Mentre la velocità dell’informazione è: Bit Rate: 1 bit / 1 ms = 1 000 bit/s 24

25. Velocità di trasferimento dell’informazione Bit Rate:1 000 bit/s Baud Rate: 1 000 baud 25

26. Velocità di trasferimento dell’informazione Se invece la sorgente, per trasmettere lo stesso messaggiobinario (1010 0111), utilizza un codice a 4 livelli(quaternario), in ciascun intervallo di 1 ms si potrà scegliere tra 4 livelli, con un contenuto informativo di log24 = 2 bit.In questo caso la velocità di trasferimento dell’informazione sarà: Bit Rate:2 bit / 1 ms = 2 000 bit/s Mentre per la velocità di segnalazione sarà ancora:Baud Rate: 1 simbolo / 1 ms = 1 000 baud 26

27. Velocità di trasferimento dell’informazione Bit Rate:2 000 bit/s Baud Rate: 1 000 baud 27

28. Velocità di trasferimento dell’informazione L’esempio appena visto mostra che con un codice quaternario è possibile trasmettere, nello stesso intervallo di tempo una quantità doppia di informazione, rispetto all’uso di un codice binario. E’ interessante osservare che: • deve essere raddoppiata la frequenza del clock di sistema; • non deve essere aumentata la larghezza di banda del canale. Osservazione importante:è dalla velocita di modulazione che dipende lo spettro del segnale modulato e perciò la larghezza di banda richiesta 28

29. Velocità di trasferimento dell’informazione Supponiamo ora che vi sia la necessità di dover utilizzare una larghezza di banda minore del canale, senza tuttavia modificare il bit rate del primo caso pari a 1000 bps.Si può utilizzare il segnale della figura seguente, che fornirà: Bit Rate: 2 bit / 2 ms = 1 000 bit/s Baud Rate: 1 simbolo / 2 ms = 500 baud 29

30. Velocità di trasferimento dell’informazione Bit Rate:1000 bit/s Baud Rate: 500 baud 30 Svantaggio: maggiore complessità del sistema.

31. Esempio 1 Velocità di trasferimento dell’informazione Un segnale analogico trasporta 4 bit in ogni unità di segnale (per ogni simbolo). Se sono trasmessi 1 000 simboli al secondo, si trovi il Baud Rate ed il Bit Rate. Soluzione Si applica la relazione Bit Rate = N·Baud Rate Perciò : Bit Rate = 1 000·4 = 4 000 bps 31

32. Esempio 2 Velocità di trasferimento dell’informazione Il bit rate di un segnale è 3 000bps. Se ogni unità di segnalazione (simbolo) porta 6 bit, qual è il baud rate? Soluzione Dalla relazione Bit Rate = N·Baud Rate si ricava che: Baud Rate = Bit Rate / N Perciò : Baud Rate = 3 000/6 = 500 Baud 32

33. Efficienza Spettrale 33

34. Efficienza spettrale L’efficienza spettrale( o di banda) indica quanti bit possono essere trasmessi per unità di banda. Corrisponde alla densità di informazione. Essa deve essere quanto più grande possibile, ma in pratica viene limitata da due fattori: • il rumore • l’interferenza intersimbolica ( ISI ) . • Essa è definita come: bit al secondo / Hz dove fb = frequenza di cifrae B larghezza di banda occupata 34

35. Efficienza spettrale: esempi L’efficienza spettrale riportata è relativa al limite teorico. 35

36. Tasso di Errore o BER 36

37. Tasso di errore - BER Nei sistemi di trasmissione numerica binaria possono verificarsi degli errori. Il tasso di errore, o BER (Bit Error Rate),è definito come il rapporto tra il numero di bit ricevuti errati ed il numero totale di quelli trasmessi in un dato intervallo di tempo. Il BER è il parametro più significativo di una trasmissione numerica ed è quantificato dalla relazione: 37

38. Tasso di errore - BER IL BERrappresenta una probabilità, cioè la probabilità che in ricezione si verifichino degli errori (sempre presenti in qualsiasi sistema di modulazione). Esso dipende essenzialmente da: • tipo di modulazione • rumore • interferenza Intersimbolica (ISI)‏ • velocità di trasmissione I valori del BERpossono andare tipicamente da 10 -3 (un bit errato su 1 000) fino a 10 -10 (un bit errato su 10 miliardi). 38

39. Tasso di errore - BER In pratica, i valori di BER accettabili variano a seconda dell’applicazione prevista. Ad esempio l’International Telecommunications Union (ITU) specifica, nella Raccomandazione G.821 (08/96), che, per un circuito internazionale DS1/E1, un intervallo di tempo di 1 secondo con un BER > 1·10-3 (1 bit in errore su 1.000 bit) deve essere ritenuto "un errore al secondo molto grave ". Un circuito per fonia per linee interurbane deve avere un BER non superiore a 10-6(1 bit errato su 1 milione di bit). 39

40. Modulazione Numerica A S K Amplitude Shift Keying 40

41. ASK: generalità La modulazione ASK è la più semplice ed antica tecnica di modulazione digitale di una portante analogica. Consiste nel trasformare in variazioni dell’ampiezza di una portante sinusoidale i simboligenerati da una sorgente numerica. E’ ottenuta moltiplicando il segnale modulante per la portante. 41

42. ASK: generalità La modulazione ASK presenta diversi inconvenienti, legati prevalentemente al basso rapporto segnale/rumore (S/N) che si riesce a ottenere e pertanto, in pratica, è poco utilizzata (alcune comunicazioni su fibra ottica). E' molto diffusa, invece, nelle modulazioni miste in cui parte dell'informazione è trasmessa tramite salto dell'ampiezza della portante e parte è trasmessa tramite salto di fasedello stesso segnale portante ( QAM ). 42

43. ASK: generalità ASK Frequenza e fase restano costanti ! 43

44. Generazione di ASK A/N ∙ sen(ωpt)‏ Attenuatore 1/N Vout A∙sen(ωpt)‏ Portante Modulante 44

45. OOK 45 • On/Off keying (OOK): un valore è rappresentato con 0 volt

46. Generazione di OOK Modulatore bilanciato 46

47. Generazione di OOK – simulazione Pspice Tempo di bit : Tb = 5μs → Velocità di trasmissione: 1 / 5μs = 200 kbps (Velocità di modulazione = Velocità di trasmissione = 200 kbaud) 47

48. OOK B B B =Larghezza di Banda del segnale OOK (in prima approssimazione = fb)‏ B =Larghezza di Banda del segnale OOK (migliore approssimazione = 3fb)‏ 48

49. ASK : demodulazione incoerente • E’ semplice da realizzare; • utilizza un rivelatore ad inviluppo, quindi non richiede la rigenerazione della portante; • è utilizzabile se la trasmissione avviene a doppia banda laterale. 49

50. ASK : demodulazione incoerente 50