Modulazione PSK - Silvano Bovino

CLASSE : VA E.T.A. 2008-2009
ALUNNO: Bovino Silvano
ANALISI E DESCRIZIONE DI UN CIRCUITO PER LA MODULAZIONE DIGITALE PSK
Le modulazioni digitali si definiscono tali poiché caratterizzate da segnale modulante di tipo digitale e da
portante analogica. Tali modulazioni sono utilizzate in special modo nelle trasmissioni dati. Per questo
motivo trovano moltissima applicazione nei moderni modem e nei ponti radio.
Analogamente alle modulazioni analogiche anche le digitali vantano tecniche differenti:
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Modulazione ASK
Modulazione FSK
Modulazione PSK
Modulazione QAM
La prima, cioè la tecnica ASK(Amplitude Shift Keying) è la più semplice da realizzare e consiste
nell’associare ai livelli logici 1 e 0, due differenti valori di ampiezza della portante. Fa parte di questo tipo di
modulazione la tecnica ASK-OOK, dove i livelli logici sono individuati attraverso dalla presenza o assenza
della portante in uscita.
Fig.1 Forme d’onda della modulazione ASK-OOK
La seconda, detta FSK (Frequency Shift Keying) consiste invece nell’associare ai livelli logici 1 e 0, due
differenti valori di frequenze. La frequenza maggiore fs individua il bit 1 mentre la frequenza minore fi
individua il bit 1. Questo perché si utilizza la logica negativa. Tale tecnica presenta anche la variante FSKMSK (Minimum Shift Keying) dove, attraverso la scelta di un preciso valore di Δf (deviazione di frequenza
Δf=fs-fi) è possibile ottenere un segnale modulato di tipo FSK dove il passaggio dalla frequenza superiore a
quella inferiore e viceversa, avviene con una variazione di fase costante, con una serie di relativi vantaggi
legati alla riduzione dello spettro di frequenze. Ulteriore variante della modulazione FSK è la GMSK
(Gaussian MSK), dove il segnale modulante è filtrato attraverso un filtro gaussiano e ponendo l’indice di
modulazione m=0.5 si ottiene un segnale modulato con spettro ridotto e minori disturbi legati alle
interferenze intersimboliche.
Fig.2 Forme d’onda della modulazione FSK
La modulazione PSK (Phase Shift Keying), sulla quale ci soffermiamo, consiste nella sua variante primaria,
nel modificare la fase della portante in corrispondenza degli stati logici 1 o 0.
Tale tecnica prende il nome di PSK di primo livello e consiste precisamente nell’associare allo stato logico 0,
la fase originale della portante, e al livello logico 1, la fase della portante sfasata di 180o.
I circuiti che realizzano tale tipo di modulazione sono diversi. I più semplici sono:
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Multiplexer analogico
Modulatore ad anello bilanciato
Illustrati di seguito:
Multiplexer analogico
Modulatore ad anello bilanciato
Fig.3
Nel primo circuito in presenza dei bit 1 o 0 lo switch analogico fa si che in uscita la portante risulti in fase o sfasata di
180o attraverso l’invertitore di fase.
Nel secondo circuito, il segnale modulante polarizza alternativamente 2 coppie di diodi in corrispondenza dei 2 stati
logici. Per Vm=1 conducono solo i diodi D1 e D2 mentre D3 e D4 risultano interdetti. Di conseguenza il segnale di
uscita Vo è in fase con Vp. Viceversa se Vm=0, i diodi D3 e D4 sono polarizzati correttamente mentre D1 e D2 sono
interdetti. In questo caso Vo risulta in opposizione di fase a Vp.
Di seguito invece analizziamo un ulteriore circuito da cui ottenere un segnale modulato PSK osservando le relative
forme d’onda:
SCHEMA ELETTRICO:
Fig.4
DESCRIZIONE:
In questo circuito si osservano 2 blocchi fondamentali:
Il primo costituito dal comparatore di 0 e il flip flop svolge le seguenti funzioni:
Il comparatore LM339 trasforma il segnale sinusoidale bipolare in un segnale digitale(0-5V). Infatti in presenza della
semionda positiva in uscita si otterrebbe una tensione pari a +vcc che in questo caso corrisponde appositamente a
+5V. In presenza della semionda negativa si ottiene in uscita un valore di tensione pari a 0 poiché il pin 12
dell’integrato è collegato a massa.
Il segnale digitale ottenuto, di frequenza fissa, comanderà l’ingresso di clock del flip flop CD4027 che lavora in
configurazione T. In uscita al flip flop si ottiene di conseguenza un segnale digitale con frequenza pari alla metà del
segnale sinusoidale Vi.
Il blocco finale invece è costituito dal transistor BJT 2N2222 e dall’amplificatore TL081. Quando l’uscita Q del flip flop
è a livello basso, il transistor risulta interdetto. Di conseguenza sull’ingresso non invertente dell’operazionale si una
tensione pari a Vi dato che nelle resistenze non circola corrente(vedi caso ideale A.O). Essendo Vp=Vn (dove Vn=Vi
poiché sulla R1 non scorre corrente), la corrente sulla R4 nulla, il segnale Vi è riportato di conseguenza in uscita.
Se invece l’uscita Q del flip flop è a livello basso, il transistor risulta in saturazione. In questo modo il pin 3 è collegato
a massa e l’operazionale si comporta come un amplificatore invertente dove Vo risulta:
·
4
1
Considerando quanto detto, avviando una simulazione del circuito in ambiente software Pspice si ottengono le
seguenti forme d’onda:
Fig.5 Segnale portante, modulante e Modulato del circuito
Il grafico nella parte superiore illustra il segnale Vi che possiamo chiamare anche segnale portante. Il grafico centrale
illustra l’andamento dell’uscita digitale Q del flip flop(segnale modulante).
Si ottiene il segnale PSK illustrato nel grafico inferiore, dove, in presenza dello stato logico 1 il segnale modulato è in
fase con la portante. Se invece vi è la presenza dello stato logico 0, il segnale risulta sfasato esattamente di 180o.
Tale modulazione presenta l’inconveniente di essere soggetta a disturbi e variazioni di fase indesiderate, condizioni
che influiscono molto negativamente sulla riuscita della trasmissione poiché in ricezione è necessario installare
demodulatori perfettamente sincronizzati sulla portante in modo da recepire le variazioni di fase.
Per ovviare a tali inconvenienti si utilizza la modulazione differenziale DPSK che ha le seguenti forme d’onda:
Fig.6 Segnale DPSK
Si ottiene in uscita al modulatore un segnale differenziale l’informazione digitale trasmessa è associata alle
transizione dello stato logico e non ai livelli.
Come si nota dalla figura, Il segnale modulante differenziale infatti conserva lo stato precedente in presenza del bit 0
e cambia invece il suo stato in presenza del bit 1. Il segnale DPSK è ottenuto ivertendo la fase della portante in
corrispondenza di ogni variazione di bit.
In ricezione per demodulare tale segnale è necessario semplicemente confrontare il segnale modulato DPSK con il
medesimo segnale, ritardato di un periodi di tbit.
Fig.7 Demodulazione del segnale PSK
Come si nota si ottiene un segnale digitale a livello alto se i 2 segnali sono sfasati tra di loro, e un segnale a livello
basso quando questi ultimi sono in fase. Il segnale ottenuto coincide esattamente con quello originale della fig.6
Tale modulazione è denominata anche PSK di primo livello perché consente di “impacchettare singoli bit”.
Le varianti più utilizzati della PSK sono la 4PSK,8PSK,16PSK. Con l’utilizzo di tali varianti è possibile inviare con tempi
sempre più ridotti, pacchetti composti da più bit. Nella 4PSK ad esempio avviene l’impacchettamento di 2 bit per
volta. I 4 possibili pacchetti(2n dove n=2) sono individuati da 4 fasi diverse della portante. Tali fasi sono equidistanti
tra loro cioè dividono in 4 parti uguali l’angolo giro complessivo di 360o in modo tale da evitare errori di
“interpretazione” del simbolo trasmesso.
CONCLUSIONI:
La modulazione PSK, per le sue caratteristiche è utilizzate nei modem insieme alla modulazione ASK. L’interazione
delle 2 modulazioni genera la MODULAZIONE QAM, dove è possibile individuare pacchetti composti da 4bit nel caso
della 16QAM o addirittura composti da ben 10 bit nel caso della 1024QAM, attraverso l’associazione del pacchetto di
bit con una determinata fase e ampiezza della portante.
Fig.8 Costellazione per la modulazione 16QAM
Tale modulazione consente inoltre l’aggiunta di bit ridondanti all’informazione permettendo la correzione degli
errori in ricezione attraverso vari metodi di codifica come la “codifica trellis”.
Bovino Silvano 5ETA