Trasmissione in banda base e modulata
• Trasmissione in banda base: il segnale che trasporta le informazioni ed
il segnale sulla linea sono identici. Il segnale da trasmettere, questo
puo’ essere immesso direttamente sul canale
Esempio: il segnale che rappresenta la voce nel sistema telefonico
tradizionale è un segnale analogico con frequenza compresa tra 300 Hz
e 3400 Hz, che riproduce lo spettro del suono emesso
• Modulazione il segnale viene trasmesso in modo che occupi una
banda di frequenze diversa da quella del segnale
Esempio: trasmissione radiofonica in FM (Modulazione di Frequenza)
Modulazione
• La Modulazione è il processo con cui è possible variare le
caratteristiche di una certa forma d’onda (detta portante), in
modo da poter utilizzare il segnale per il trasporto di
informazioni.
• I tre parametri caratteristici che possono essere variati
nell’onda portante sono l’ampiezza, la frequenza e la fase del
segnale.
Modulazione analogica e digitale
• Lo scopo della modulazione analogica è quello di trasferire un
segnale analogico (a bassa frequenza; ad esempio audio o un segnale
TV), su di un canale analogico (come ad esempio una ristretta
gamma di frequenze di un’emittente radio o televisiva).
• Lo scopo della modulazione digitale è quello di trasferire un flusso digitale
di bit su di un canale analogico.
Ad esempio: sulla rete telefonica pubblica, in cui le frequenze sono
filtrate nell’intervallo tra 300 e 3400 Hz.
• La modulazione analogica e quella digitale sono utilizzati nel caso
della trasmissione FDM (Frequency Division Multiplexing), dove diversi
segnali in banda base sono trasferiti sullo stesso mezzo fisico condiviso.
MODULAZIONI ANALOGICHE
MODULAZIONE DI AMPIEZZA
AM - (Amplitude Modulation = Modulazione di ampiezza)
La modulazione di ampiezza è stata la prima modulazione impiegata nelle
trasmissioni via etere da Guglielmo Marconi agli inizi del secolo, in quanto la
più facile da concepire e da realizzare, sia nella fase di trasmissione che di
ricezione, specialmente in quei tempi, quando l'elettronica ancora non disponeva
di apparecchiature specifiche.
Modulare in ampiezza vuol dire far variare l'ampiezza di una portante a
radiofrequenza secondo l'ampiezza di una modulante a bassa frequenza.
Nell'esempio la voce del presentatore, trasformata in tensione
elettrica dal microfono, va a modulare una portante.
• Il segnale modulato generato, viene irradiato via etere da un' antenna.
• In ricezione un semplice diodo rivela il segnale modulante, la voce umana, e lo porta
all'altoparlante
• Nelle radiodiffusioni la gamma delle onde medie fra 0,52 e 1,6 MHz è poco seguita
oggi perché molto disturbata in quanto molto sensibile al rumore.
LA MODULAZIONE DI AMPIEZZA
• Modulare in ampiezza vuol dire far variare l'ampiezza di una portante a
radiofrequenza secondo l'ampiezza di una modulante a bassa frequenza.
• L'operazione di modulazione di ampiezza si effettua partendo da un segnale
elettrico prodotto da un oscillatore a radiofrequenza, cioè alle frequenze
usualmente usate nelle trasmissioni radio che vanno dal megahertz in su, e che
costituisce la portante.
• Di questo ci si serve per portare, appunto, a distanza l'informazione racchiusa nel
segnale a bassa frequenza detto modulante.
• Il segnale portante è costituito da una sinusoide, mentre la modulante è un
segnale analogico, che può essere schematizzato, per semplicità di calcolo, in
un'altra sinusoide.
(per effetto del teorema di Fourier per cui un qualsiasi segnale periodico od
aperiodico, può sempre considerarsi come la somma di infinite sinusoidi )
Nello schema seguente sono indicati i tre segnali: modulante, a bassa frequenza,
portante, ad alta frequenza, modulato, con la frequenza della portante, ma
l'ampiezza che varia secondo la modulante.
• Le radiodiffusioni in stereofonia attualmente usano la FM (Frequency
Modulation).
L'insieme delle frequenze che il microfono registra, è costituito dalla banda
stereofonica
B = 30 Hz - 15 KHz
Questa banda coincide quasi con la banda di sensibilità dell'orecchio umano
che è, mediamente:
B = 20 Hz - 20 KHz
e consente praticamente di trasmettere tutto quello che l'orecchio umano può
sentire.
• Diversamente avveniva per le trasmissioni in AM, attualmente attive ma in
disuso, che avendo una banda di 5.000 Hz sono molto più simili alla banda
telefonica che è:
B = 300 Hz - 3.400 Hz.
Nella AM, infatti, si trasmette la voce umana, ma non la musica, o meglio, non
fedelmente, visto che i violini, ad esempio, hanno uno spettro che supera i
9.000 Hz e che quindi è ben trasmesso dalla FM che arriva a 15.000 Hz e non
dalla AM che arriva appena a 5.000 Hz
MODULAZIONE DI FREQUENZA
FM - (Frequency Modulation = Modulazione di frequenza)
• Inventata da Armstrong nel 1935, ma regolamentata solo nel 1961 in Europa
all'interno delle radiodiffusioni stereofoniche, costituisce un considerevole
miglioramento rispetto alla AM sia per immunità ai disturbi cui è invece molto
soggetta la AM, che per numero di canali effettivamente disponibili, che per l'alta
fedeltà delle trasmissioni.
• E’ usata anche per la parte audio del segnale televisivo e per alcune trasmissioni dei
radioamatori.
• Per le trasmissioni stereofoniche sono riservate in Italia le frequenza da 88 a 108 MHz
all'interno delle VHF.Questo è un motivo che determina la bontà delle trasmissioni anche in
stereofonia, in quanto la maggior parte dei disturbi, interferenze, rumori, ecc. hanno uno
spettro che si estende fino a circa 50 MHz e non oltre.
• Ha lo svantaggio di avere una banda molto maggiore della AM, per cui è stato necessario
attribuirle una gamma di frequenze di cento volte più alta dell’AM per consentire di usare
larghezze di banda molto maggiori.
• Ha anche lo svantaggio di richiedere circuiti elettronici alquanto più complessi della AM
sia in trasmissione che in ricezione.
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 anche nel campo delle
trasmissioni stereofoniche nella gamma delle VHF.
CANALI DELLE TRASMISSIONI IN FM
Modulazione di fase
PM - (Phase Modulation = Modulazione di fase)
• La modulazione di fase è molto simile alla modulazione di frequenza.
In questo caso la modulante va a modificare la fase della portante lasciandone
invariata l'ampiezza.
• Anche in questo caso la banda è molto larga ed i circuito per realizzarla sono
anche più complessi e sensibili di quella di frequenza.
• E’ usata in coppia con la modulazione di ampiezza, nel segnale cromatico
della televisione.
Modulazioni digitali
• Nella modulazione ASK (Amplitude Shift Keying) l'ampiezza
della portante sinusoidale viene fatta variare in correlazione al
segnale digitale modulante.
• In corrispondenza dello zero logico il segnale modulato ha
ampiezza zero ed in corrispondenza dell'uno logico ha ampiezza
pari a quella della portante non modulata.
In questo caso si parla di modulazione OOK (On-Off Keying).
•Nella modulazione digitale di frequenza FSK (Frequency Shift
Keying) ad ogni simbolo logico viene assegnata una frequenza di valore
compreso all'interno della banda passante del mezzo trasmissivo.
Ad esempio all'uno logico può essere assegnata una
frequenza fA mentre allo zero una frequenza fB che
solitamente è di valore maggiore rispetto fA.
• La modulazione PSK (Phase Shift Keying) è una modulazione digitale di
fase direttamente derivante dalla PM (Phase Modulation) analogica.
• Nella PSK la portante è trasmessa con valori di frequenza e ampiezza costanti, mentre
viene variato, in relazione all'informazione digitale modulante, il valore della fase.
• Nella modulazione 2-PSK la portante mantiene valori costanti per ampiezza e frequenza,
ma assume due valori di fase a seconda del valore logico del bit del segnale modulante.
• Per garantire la massima protezione dal rumore e dalle interferenze vengono scelti i due
valori di fase estremi 0 gradi e 180 gradi. L'assegnazione di questi valori si può
effettuare, ad esempio, in questo modo:
Bit
fase (gradi)
1
0
0
180
La modulazione PSK viene realizzata mediante il modulatore bilanciato con modulante
numerica binaria: in tale modulatore quando il segnale modulante cambia
stato (transizione 0-1 o 1-0) il segnale modulato cambia fase.
Perche’ oggi la tendenza e’ quella di trasmettere
direttamente in formato digitale ?
• La ragione principale e’ che i sistemi di trasmissione digitali
sono molto piu’ resistenti al “rumore” rispetto a quelli analogici;
utilizzando tecniche di correzione di errore e ridondanza nei dati
inviati possiamo trasmettere informazioni in formato digitale
senza perdita di informazione rispetto all’informazione originaria.
• Un altro motivo e’ rappresentato dal fatto che al giorno
d’oggi gran parte delle informazioni sono gia’ in formato
digitale e quindi e’ piu’ naturale non effettuare conversioni
durante la trasmissione, oltre al fatto che la circuiteria digitale
disponibile e’ piu’ economica ed affidabile di quella analogica.
Che cosa viene trasmesso in formato digitale; di quanta
ampiezza di banda digitale abbiamo bisogno al giorno d’oggi ?
• Un flusso video con qualita’ DVD, codificato con MPEG2 ha una risoluzione di
720x576 pixel, 25 frame per secondo ed un bit rate variabile che ha un massimo
di circa 10 Mbps.
• Un flusso video compresso in formato MPEG4-Part 2 (Divx) ha una risoluzione
720x576 pixel, 25 frame per secondo ed un bit rate variabile con un massimo di
circa 4 Mbps.
• Come esemplificazione, un flusso video non compresso con 24 bit di
risoluzione per il colore (RGB, 8 bit per ognuna delle 3 componenti) di ognuno
dei 720x576 pixel, avrebbe bisogno di circa 250 Mbps.
• La televisione digitale terrestre in formato DVB-T e’ compressa con MPEG2 e
richiede mediamente un’ampiezza di banda digitale intorno ai 5 Mbps.
Un segnale audio (voce) con qualita’ “telefonica” richiede un canale
con capacita’ di 64Kbps.
Un segnale audio stereo (musica con qualita’ CD) richiede un
canale con capacita’ di (44.000 x 16 bit x 2 canali = 1,4 Mbps);
un segnale stereo audio compresso in formato MPEG-1 Audio Layer
3 (MP3) richiede da 128 Kbps a 320 Kbps a seconda della
qualita’.
La dimensione media di un messaggio di e-mail (senza allegati) puo’
essere intorno ai 20 KByte, un canale digitale come un modem
analogico (56 kbps) puo’ quindi inviarla in meno di 3 secondi.
Il sistema telefonico (PSTN: Public Switched Telephone
Network)
Lo scopo del sistema telefonico tradizionale e’ quello di
stabilire e mantenere una
comunicazione audio tra due punti (chiamante e ricevente).
La gamma di frequenze della voce che viene trasmessa dal
sistema telefonico e’ compresa tra 300 e 3500 Hz.
Oggi la voce non viene piu’ trasportata dal sistema
telefonico sotto forma di segnale analogico (sotto forma di
variazione di ampiezza di una tensione elettrica) ma esso viene
trasportato in forma digitale.
Il segnale analogico (la voce) viene quindi digitalizzato
tramite una tecnica chiamata
PCM (Pulse Code Modulation).
• La digitalizzazione PCM avviene registrando l’ampiezza
del segnale analogico ad intervalli regolari (campioni o
samples) e rappresentando poi tale valore misurato
utilizzando un certo numeri di bit (il numero di bit utilizzati viene
definito risoluzione di campionamento o sampling
resolution); il procedimento si chiama campionamento
(sampling).
• Quanti campioni al secondo devono essere misurati per
poter ricostruire in maniera perfetta un segnale analogico ?
Il teorema di Nyquist afferma che: “La frequenza di
campionamento deve essere almeno il doppio dell’ampiezza
di banda del segnale originale”.
Per quanto riguarda la digitalizzazione della voce nel sistema
telefonico, per ricostruire
un segnale voce con una gamma di frequenze di circa
4000 Hz, e; necessario rilevare
8000 campioni al secondo con una risoluzione di 8 bit
ciascuno (PCM).
Ne deriva quindi che un canale digitale in grado di
trasportare la voce debba avere un ampiezza di banda
digitale di 8000 campioni x 8 bit = 64.000 bit per secondo.
64 kbps e’ infatti la dimensione del canale alla base dei
moderni sistemi telefonici digitali
(la capacita’ del singolo canale ISDN e’ infatti proprio di 64
kbps).
Codifica PCM
FDM
(Frequency Division
Multiplexing)
PAM
PWM
TDM
(Time Division
Multiplexing)
PPM
PCM
(Pulse Code Modulation)
I principi di tale tecnica furono definiti già nel 1938 da Alec Reeves, ma
la prima applicazione risale al 1962.
Oggi esiste un PCM Americano, un PCM Europeo, un PCM giapponese.
Quello rappresentato sotto è uno schema del PCM telefonico europeo a
32 canali.
Il PCM di 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. I due canali di servizio sono IT0 e IT16 (il 1° e il 17°
canale):
- IT0 è il canale di allineamento e sincronismo e contiene due
codici diversi.
- IT16 è il canale di servizio per gli utenti.
Per realizzare la tecnica PCM si effettuano tre operazioni a partire dal
segnale microfonico di partenza:
- Campionamento
- Quantizzazione
- Codifica
Campionamento
Segnale
microfonico
Quantizzazione
Codifica
- Campionamento:
Il teorema del campionamento di SHANNON dice:
Dato un segnale analogico a banda limitata, cioè avente una frequenza massima
nota, è possibile campionare tale segnale e ricostruire da esso il segnale di
partenza, senza alcuna distorsione, purché siano soddisfatte due condizioni:
- la durata di ogni campione sia infinitesima (in pratica molto minore dell’
intervallo di campionamento), in modo tale da prelevare senza ambiguità un solo
valore alla volta del segnale in ingresso;
- la frequenza di campionamento sia almeno doppia rispetto alla frequenza
massima del segnale analogico.
In telefonia si assume come frequenza di campionamento il valore di: fc = 8 KHz,
perché la banda assegnata ad un canale telefonico va da 300 a 3400Hz quindi la
frequenza di campionamento deve essere maggiore o uguale a 6800Hz perché
fc 2fimax.
Il periodo di campionamento corrisponde naturalmente all’inverso
della frequenza di campionamento, e abbiamo quindi:
Il segnale telefonico viene dunque per prima cosa campionato e
poi sostituito dalla sequenza di impulsi PAM, così come si vede
in figura:
- Quantizzazione:
La fase successiva prende il nome di quantizzazione, e consiste nella
scelta di livelli discreti per i campioni:
Nella realtà 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.
- Codifica:
In questa terza 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
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:
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.
Qualità of Service (QoS)
• Nel campo delle reti di telecomunicazioni, il termine Qualità
di servizio o piùsemplicemente QoS (dall'inglese Quality of Service)
è usato per indicare i parametri usati per caratterizzare la qualità del
servizio offerto dalla rete (ad esempio perdita di pacchetti, ritardo), o gli
strumenti per ottenere una qualità di servizio desiderata.
• La qualità del servizio è in normalmente correlata negativamente con
il traffico offerto alla rete, e positivamente con le risorse impegnate per
realizzare e gestire la rete.
• Il traffico offerto alla rete e l'intervento di malfunzionamenti sono
processi stocastici, di conseguenza i parametri usati per caratterizzare
la qualità del servizio sono variabili casuali.
Evoluzione del sistema telefonico verso il mondo VoIP (Voice over IP)
• Nonostante la natura interamente digitale dell’architettura dei
moderni sistemi di telecomunicazione dei provider di telefonia, la rete
telefonica rimane sostanzialmente una rete a commutazione di circuito; le
reti dati moderne sono invece tutte basate su sistemi e protocolli a
commutazione di pacchetto.
• L’evoluzione presente e futura del sistema telefonico va verso la
possibilita’ di trasmettere su infrastrutture esistenti (ad esempio Internet)
utilizzando protocolli di rete tipici del mondo a commutazione di pacchetto
(ad esempio IP).
• Tutto questo ci porta al concetto di convergenza tra i vari tipi
di reti di telecomunicazione: dati, voce e video rappresentano
informazioni diverse ma che vengono trasportate sulla stessa infrastruttura
di rete nello stesso modo (alla fine si tratta sempre di flussi digitali di bit).
Fine
Relazione tra dati e segnali
• Un dato analogico puo’ essere rappresentato con un segnale analogico
che occupa lo stesso spettro.
– il segnale che rappresenta la voce nel sistema telefonico tradizionale e’ un
segnale analogico con frequenza compresa tra 300 Hz e 3400 Hz, che
riproduce lo spettro del suono emesso
• Un dato digitale puo’ essere rappresentato con un segnale digitale che
identifichi i numeri con livelli di ampiezza degli impulsi
• E’ possibile rappresentare dati digitali con segnali analogici (modem) e
dati analogici con segnali digitali (codec)
– la comunicazione tra calcolatori attraverso una linea telefonica: il dato
numerico viene trasformato dal modem in segnale analogico, e ricostruito
in ricezione nuovamente come dato numerico da un altro modem
– la comunicazione telefonica attraverso una linea ISDN: la voce viene
digitalizzata mediante campionamenti da un codec, trasmessa come
insieme di dati numerici, rigenerata come segnale analogico in ricezione
Trasmissione dei segnali
• La trasmissione dei segnali è detta analogica se il segnale viene trasmesso
senza curarsi del suo significato
– in questo caso la trasmissione si limita a recapitare il segnale, eventualmente
amplificandolo in intensita’ quando necessario
• la trasmissione digitale tiene conto del contenuto dei dati se si deve
intervenire per amplificare il segnale
– il segnale non viene semplicemente amplificato, ma viene interpretato, si estrae
il contenuto informativo e si rigenera il segnale tramite apparati detti ripetitori
– questo puo’ essere fatto a prescindere dal tipo di segnale (numerico o analogico),
che a sua volta puo’ rappresentare dati analogici o numerici
• vantaggi della trasmissione digitale:
– immunita’ maggiore alla alterazione dei dati verso lunghe distanze
– omogeneizzazione della trasmissione per diverse tipologie di dato
– sicurezza e riservatezza
• svantaggi della trasmissione digitale
– costi superiori
– maggiore complessita’ dell’elettronica
– richiede rinnovo di infrastrutture gia’ esistenti
Spettro del segnale modulato
• In generale un segnale modulato in ampiezza ha uno spettro costituito dallo
spettro del segnale modulante raddoppiato e collocato simmetricamente
attorno alla frequenza portante (bande laterali)
Ne segue che l’occupazione di banda del segnale modulato e’ doppia rispetto
a quella del segnale modulante
• Si possono adottare tecniche per sopprimere la banda laterale inferiore, ed
anche la frequenza portante mediante filtri passa banda (Single Sided Band)
– la frequenza della portante generalmente si potra’ eliminare quando il segnale in
banda base non ha componente continua o comunque vicine alla frequenza nulla
