Relazione Power Line Communication

Università degli Studi di MessinaIngegneria Elettronica (N.O.)

A.A. 2007/2008

Corso di Misure ElettronicheCorso di Misure ElettronicheProf. Giovanni Galli

Progettazione e realizzazione di un sistema per la trasmissione e ricezione di un segnale sonoro

attraverso l’impianto elettrico domestico(Tecnologia Powerline o Onde convogliate)

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Indice:

Introduzione______________________________________________________________________pag. 4

La tecnologia Powerline______________________________________________________pag. 5

- Cenni storici……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 5

- Concetti generali della tecnologia Powerline……………………………………………………………………………………. .pag. 6

- Utilizzi della tecnologia Powerline…………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 7

- Limiti e problematiche nello sviluppo della tecnologia Powerline………… pag. 8

Segnali sonori___________________________________________________________________pag. 11

- Altezza………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. pag. 11

- Intensità…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 12

- Timbro………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….………………………pag. 12

- La percezione del suono………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………pag. 13

- Da segnale sonoro a segnale elettrico……………………………………………………………………………………………………………pag. 14

- Conversione Analogico/Digitale…………………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 15

Progettazione e simulazione del sistema_______________________________pag. 17

- Trasmettitore………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 17

Schematizzazione del trasmettitore…………………………………………………………………………………………………………….. pag. 17

Filtraggio e missaggio…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….pag. 17

Blocco integratore………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… pag. 21

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Filtro di pre-enfasi e de-enfasi……………………………………………………………………………………………………………………………….. pag. 23

Modulazione FM……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… pag. 24

Richiami teorici…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… pag. 24

Realizzazione modulatore FM……………………………………………………………………………………………………….. pag. 26

Adattamento di canale…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 28

Alimentazione………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 28

- Ricevitore………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………pag. 30

Schematizzazione del ricevitore………………………………………………………………………………………………………………………… pag. 30

Filtraggio della rete elettrica………………………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 31

Sintonia……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. pag. 32

Demodulazione…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 35

Alimentazione………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..pag. 35

Realizzazione del sistema___________________________________________________pag. 37

- Trasmettitore FM sui 150-160 KHz…………………………………………………………………………………………………………………………pag. 38

- Ricevitore FM sui 150-160 KHz……………………………………………………………………………………………………………………………………. pag. 46

- Taratura……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………pag. 51

Appendice: Datasheet_______________________________________________________pag. 53

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Introduzione

Scopo principale di questa relazione è di illustrare il funzionamento di un sistema che,

sfruttando la tecnologia Powerline, riesce a trasmettere un segnale sonoro opportunamente

modulato da uno stadio trasmittente verso un’altro stadio ricevente, sfruttando come canale

trasmissivo la rete elettrica.

La realizzazione di tali strumenti potrebbe apparire superflua se ci si limita a pensare agli

utilizzi possibili in una abitazione privata. Ma se si pensa, per esempio, ad un ristorante o

ad un pub con molte sale, nelle quali si vuole fare arrivare la musica riprodotta da un

amplificatore posto vicino alla cassa, allora il problema assume connotati diversi. Si potrebbe

in prima approssimazione pensare che basterebbe collegare le varie casse posizionate nelle

sale direttamente con l’amplificatore principale semplicemente collegandole tramite

comunissimi fili. Ma una connessione del genere, che andrebbe effettuata in parallelo,

porterebbe ad una molto probabile e rapida fusione dei transistor finali dell’amplificatore

principale; questo accadrebbe perché, collegando in parallelo all’altoparlante principale degli

altoparlanti sussidiari, si verrebbe ad abbassare l’impedenza di carico vista dall’amplificatore

principale, che, se esso risulta progettato per un carico di 8 ohm, collegando in parallelo

due altoparlanti si abbasserebbe a 4 ohm e collegando tre altoparlanti si abbasserebbe a 2,6

ohm e così via.

Prima di passare a descrivere la realizzazione ed il funzionamento del trasmettitore e del

ricevitore, riteniamo opportuno soffermare l’attenzione sulla tecnologia Powerline che è quella

che sfrutteremo per far viaggiare il nostro segnale sonoro sulla comune rete elettrica. Inoltre ci

concentreremo anche sulle onde sonore (sia per quante riguarda le loro caratteristiche fisiche

che su come esse vengono recepite dall’uomo), su come esse possano essere trasformate in

segnali elettrici per consentirci di elabolarle e sulla digitalizzazione dei segnali elettrici stessi,

per poterli così inviare, una volta modulati in FM, sulla rete elettrica.

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La tecnologia Powerline

- Cenni storici

La tecnologia Powerline (in inglese PLC, Powerline Communication, in italiano Onde

convogliate, indicata anche come Power Line Telecom, PLT, o Power Line Networking,

PLN) è una tecnologia per la trasmissioni di voce o dati che sfrutta la rete di alimentazione

elettrica. Tale teconologia negli ultimi anni

sta conoscendo un importante sviluppo,

infatti la BPL, acronimo di Broadband on

Power Lines, cioè banda larga su rete

elettrica, è definita negli USA come la

tecnologia adatta per i consumi moderni,

anche se però non si tratta di un’idea

totalmente innovativa, infatti già nel 1999 si

hanno i primi tentativi di distribuzione di Internet su rete elettrica con i primi standard: il DPL

(Digital Power Line) e il PAN (Powerline Area Network).

Già allora si acclamava alla soluzione ideale, che avrebbe permesso di superare i problemi

relativi all’utilizzo del doppino nell'ultimo miglio.

Microsoft si è subito occupata della nuova tecnologia, stringendo opportuni accordi. Dopo un

paio di anni ci ha provato la Germania, in partnership con l’ENEL. Anche in Francia, regina

del Minitel, l'idea sembrava valida. Nel frattempo, Merloni Elettrodomestici faceva le prove

con il protocollo WRAP (Web Ready Appliances Protocol), per far dialogare gli

elettrodomestici tra loro anche via cavo elettrico. Sono quindi arrivati i primi timidi tentativi

italiani di dare concretezza all'idea. Nello stesso periodo, però, i tedeschi facevano sapere

che preferivano invece abbandonarla: i modem non erano stabili come desiderato. Si

accendeva allora una polemica tra ENEL e RWE, la cui alleanza aveva dato luce alle prime

realizzazioni. Ma ENEL decise di andare avanti, anche per ragioni tecniche, prima ancora

che legate a variegate politiche commerciali; infatti la Powerline avrebbe consentito di

"svincolarsi" dal doppino per le comunicazioni tra le centrali. Della tecnologia Powerline ne

parlò compiutamente EDN, specializzato in notizie sulla progettazione elettronica. Molto in

breve, EDN spiegava che il BPL non è affatto la soluzione ottimale come invece si voleva far

credere. Esso, sempre secondo EDN, ha molte criticità, prima fra tutte quella del corretto

equilibrio della linea elettrica, dei carichi che vi sono applicati e di tanti altri e complessi

fattori, dal cui approfondito esame emerge un grado di affidabilità e di resa inferiori rispetto

alle aspettative progettuali. Attualmente la tecnologia Powerline ha superato molte difficoltà

ed è stata sfruttata per varie applicazioni: Domotica e reti locali, Internet e banda larga, Rete

ibrida Wi-Fi e Powerline. In Svizzera la tecnologia Powerline ha raggiunto negli ultimi anni

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una delle maggiori diffusioni in Europa in termini di utenze collegate e di percentuale di

copertura del territorio. Varie municipalizzate dell'energia elettrica hanno iniziato a

commercializzare tariffe Powerline con una banda che varia da un taglio minimo di 300

Kbit/sec. ad un massimo di 2 megabit. Dagli attuali 40 megabit/sec. di banda per cavo in fibra

ottica, si iniziano a commercializzare cavi con 85 megabit di banda. In laboratorio si sono già

raggiunte velocità di 100 gigabit/sec., ma non sono ancora commercializzate.

Inoltre molte città statunitensi (ormai da circa vent'anni) e Germania sono coperte.

- Concetti generali della teconologia Powerline

Il principio di base della teconologia è di sovrapporre alla tensione di rete (che, come noto,

ha una frequenza di 50 Hz) un segnale a frequenza elevata (compresa tra i 150 e i 160 KHz)

e ampiezza limitata (all’incirca 100-200 mV). Questo segnale si propaga in tutto l'impianto

elettrico di casa ed è quindi "disponibile" per essere ricevuto in ogni presa. E’ comunque

possibile utilizzare frequenze diverse, variabili dagli Hz fino ai MHz, a seconda ovviamente

degli utilizzi che se ne devono attuare.

Per una trasmissione digitale con Powerline posso stabilire che la condizione di "uno logico"

equivale al segnale ad elevata frequenza presente e la condizione di "zero logico" equivale al

segnale non presente posso allora trasmettere dei dati digitali attraverso l'impianto elettrico, e

posso far comunicare tra loro diversi dispositivi posti in stanze diverse senza doverli

fisicamente direttamente collegare per esempio passando dei nuovi fili.

Segnale ad alta frequenza sovrapposto alla

tensione di rete

Scopo della Powerline è quindi di

permettere la trasmissione, su reti elettriche, di informazioni codificate mediante la tecnica di

modulazione dei segnali che si basa sul principio delle onde convogliate.

Data la capillarità di distribuzione nel territorio e verso l’utente finale delle linee elettriche, la

Powerline rappresenta il futuro delle telecomunicazioni per la fornitura di servizi, specie

nell’ultimo miglio, sia in ambito civile, quali l’accesso alla rete Internet, l’audio, la telefonia, il

video anche on-demand, ed inoltre è importante per le applicazioni di domotica, sia in ambito

industriale, per esempio per la realizzazione di reti locali per la telegestione ed il telecontrollo

delle macchine automatiche o a controllo numerico, nonché degli impianti di segnalazione,

emergenza e sicurezza.

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Al vantaggio patrimoniale di sfruttare un mezzo già cablato, sia esternamente che

internamente all’utenza da servire, si aggiunge anche il vantaggio socio-economico di poter

fornire servizi ad alto contenuto tecnologico anche in quelle zone isolate, come ad esempio i

paesi di montagna, o tecnologicamente arretrate, come la maggior parte dei paesi in via di

sviluppo, dove gli attuali operatori di telecomunicazione non investono per il basso indice di

redditività finanziaria: ovunque, infatti, è oramai diffusa una presa terminale di un impianto

elettrico. La Powerline è comunque ancora poco sviluppata rispetto alle sue potenzialità

perché il mezzo trasmissivo non risulta a priori idoneo a trasmettere segnali ad alta

frequenza, essendo stato progettato e realizzato, e soprattutto gestito e mantenuto, per

trasmettere segnali elettrici a bassa frequenza; pertanto la maggior parte delle applicazioni

sono state fino ad oggi sviluppate prevalentemente in ambito locale con bassi flussi

trasmissivi, come alternativa alla trasmissione dei dati su cavo di rame apposito.

Attualmente, anche per il naturale sviluppo tecnologico che permette di disporre di più efficaci

tecniche di sfruttamento del canale trasmissivo, sta aumentando l’impiego della Powerline

anche con altissimi flussi trasmissivi da realizzare anche fra reti locali distanti fra loro, con

un’adeguata struttura trasmissiva capace di raggiungere elevate distanze.

La Powerline risulta versatile ed integrativa: la sua applicazione infatti non elimina, bensì

integra le reti di trasmissione di dati già esistenti in ambito locale, sfruttando la rete elettrica a

bassa tensione presente in tutte le abitazioni o uffici, combinandosi anche con quelle

esistenti fra gli edifici, anch’esse prevalentemente in bassa tensione, risolvendo in tal senso

pure il problema della copertura del cosiddetto “ultimo miglio” o local loop.

Pertanto lo scopo principale è di capire le effettive potenzialità della rete elettrica in bassa

tensione e le eventuali problematiche legate al suo sfruttamento per la trasmissione di servizi

di telecomunicazioni.

- Utilizzi della teconologia Powerline

La Powerline viene da tempo utilizzata per la domotica con l'utilizzo di vari standard.

Quelli più datati consentivano soltanto trasmissioni con banda limitata ed erano dedicati a

semplici automazioni domestiche come l'accensione di luci o la realizzazione di impianti

antifurto. Inoltre richiedevano l'installazione di appositi moduli di interfaccia all'interno delle

prese e dei comandi. Il vantaggio rispetto ai sistemi tradizionali risiedeva nel fatto che, oltre

che nel risparmio di parte del cablaggio, era possibile modificare con estrema semplicità il

funzionamento dell'impianto e nella possibilità di realizzare funzionalità "intelligenti".

La Powerline si presenta come una tecnologia alternativa al doppino, che teoricamente

potrebbe tecnicamente essere utilizzato per il collegamento fra centrali di media e bassa

tensione; tuttavia, essendo il doppino telefonico in rame un cavo uguale a quello elettrico, ciò

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spinge gli operatori elettrici a usare la rete di loro proprietà piuttosto che ricorrere a

infrastrutture esterne.

Quindi la tecnologia Powerline può essere utilizzata per portare la banda larga a quelle

utenze che sono interposte alla rete wireless da alberi, muri o altri ostacoli al segnale.

Piuttosto che localizzare in alto il ripetitore, sempre che sia disponibile un punto

adeguatamente alto, o realizzare un improbabile traliccio per servire una singola utenza,

risulta molto meno costoso collegare al ripetitore wireless più vicino un "convertitore" che

invia il segnale su cavo elettrico, anche se l'apparato wireless è distante dalla cabina di

bassa tensione (e l'attrezzatura per Powerline va posta in un'apposita cabina). L'Italia ha

7500 km di cavi elettrici, una delle reti elettriche di distribuzione esistenti più estesa (per via

della scelta di una produzione centralizzata dell'energia): è probabile che anche in presenza

di un luogo impervio o di abitazioni isolate sia disponibile un cavo elettrico per Powerline.

Oltre a raggiungere con Powerline le utenze più difficili da servire, la rete ibrida ha il

vantaggio di rendere accettabile l'onere di coprire via cavo centrali a bassa tensione. Si

risparmia la fibra ottica, collegando la centrale di bassa tensione con una serie di ponti radio

fino alla centrale di media che viene cablata con fibra ottica. Diversamente dall'invio su cavo

elettrico di rame, il segnale col wireless mantiene qualità alta e basse latenze anche su

lunghe distanze se nei ripetitori sono presenti dei software di correzione del segnale.

- Limiti e problematiche nello sviluppo della tecnologia Powerline

Fra i maggiori oppositori alla diffusione di questa tecnologia vi sono le emittenti radio. Anche

se i cavi Powerline sono intrecciati e schermati (infatti, per via del dielettrico di schermatura e

del fatto che non sono posti in linea retta, producono un minore campo magnetico), essi sono

sostanzialmente delle antenne che disperdono sulle frequenze radio grandi quantità

d'energia.

Non poche radio a diffusione locale infatti trasmettono onde nell'intorno dei 100 KHz,

esattamente la stessa frequenza del segnale elettrico, degli elettrodomestici e dei pace-

maker, con i quali vi sono interferenze. Sia televisioni che compagnie elettriche usano queste

frequenze per il fatto che ad un segnale a bassa frequenza corrisponde alta lunghezza

d'onda (che per definizione è l'inverso della frequenza) e quindi tende spontaneamente a

viaggiare molto più lontano senza perdere informazione e qualità.

Le compagnie elettriche con queste frequenze riducono a un non trascurabile 2-3% della

potenza erogata le perdite di energia in calore per effetto Joule.

Piuttosto che dire che la Powerline interferisce con queste tecnologie, è opportuno parlare di

interferenze reciproche fra queste componenti. La potenza elettrica irradiata per il segnale

Powerline è di pochi watt e il campo magnetico indotto è quindi paragonabile a quello dei

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cellulari (che inviano un Watt di potenza nell'aria) ed è molto inferiore a quello di radio e TV. Il

grosso della potenza (megawatt contro i watt di Powerline) transita comunque per il segnale

elettrico. Infatti il segnale Powerline, in quanto viaggia sugli stessi cavi elettrici, aggiunge un

campo magnetico marginale, che resta nascosto da quello indotto dai megawatt per l'energia

elettrica. Va infatti ricordato che il campo magnetico non è una grandezza estensiva, cioè i

campi magnetici non si sommano (ossia non si sovrappongono) e la risultante di n campi

magnetici è il massimo fra questi; quindi soltanto il maggiore avrà effetti sull'ambiente

circostante, ossia solo esso risulterà misurabile (quindi possiamo dire che nasconde gli altri)

ed eventualmente essere elettrosmog.

Un'antenna è facilmente ottenibile tagliando un filo elettrico senza arrivare a spezzarlo:

bastano piccole irregolarità nei cavi perché trasmettano onde nello spazio circostante. Lo

stesso campo magnetico che si crea in qualsiasi cavo elettrico è definito come una

deformazione dello spazio-tempo dal punto di vista elettrostatico, che perturba l'etere

circostante (la deformazione dello spazio sfasa la lunghezza d'onda, e quella del tempo

disturba la frequenza). Infine, anche per i segnali televisivi e radio emessi dalle antenne si

parla di potenze in Watt, come l'energia normale; Tesla mostrava che la corrente elettrica

può essere trasportata a distanza senza cavi e tralicci. L'onda (che in parte genera calore)

che esce dai cavi per effetto Joule, non più trascurabile alle basse tensioni, è energia che

interferisce con le trasmissioni radio (che sono altra energia).

Al di là dell'uso del segnale, la corrente elettrica e le emissioni radio-televisive sono un flusso

ordinato di elettroni, e un'interferenza toglie qualità a entrambi. Vari test sono stati condotti

con risultati opposti, a detta delle parti interessate. I radioamatori che su frequenze libere

emettono segnali per uso privato a potenza molto più elevata, hanno sottoscritto petizioni

contro tale tecnologia, di maggiore utilità sociale. I governi di Austria, Australia e Nuova

Zelanda hanno posto l'obbligo di evitare interferenze su tali frequenze affollate, a carico degli

operatori Powerline, sui quali hanno precedenza le altre telecomunicazioni e che devono

interrompere la connessione, se necessario per eliminare un'interferenza.

Le soluzioni attualmente utilizzate consistono nel collegare mediante fibra ottica le centrali di

bassa tensione e di inviare il traffico Internet insieme alla corrente elettrica su cavo di rame

soltanto per l'ultimo miglio. In questo modo la qualità di Powerline è paragonabile all’ADSL o

fibra ottica, ma lievitano i costi d'impianto. Una possibile soluzione sarebbe di ridurre la fibra

ottica da posare collegando per vari km le cabine elettriche con un ponte radio oppure

portare la fibra ottica nelle centrali di media tensione e da qui il traffico internet sulla rete

elettrica. La distanza non diminuisce la banda disponibile, ma questa soluzione introduce un

tempo di latenza del segnale di centinaia di millisecondi.

Ed anche se la tecnologia evolve verso un aumento della banda dei cavi in fibra ottica da

frazionare verso gli utenti, ciò non risolve comunque il problema di latenza sulle lunghe

distanze.

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La tecnologia si diffonde comunque lentamente perché interferisce su frequenze militari,

mentre il segnale internet è a sua volta fortemente disturbato dai continui sbalzi di tensione

della corrente elettrica dovuti al fatto che è corrente alternata e non continua e, dal lato degli

utenti, dalla semplice accensione di lavatrici o lavastoviglie.

Le interferenze restano quindi forti nonostante la banda molto differente che separa elettricità

e traffico dati, quindi sono ancora necessari studi e ricerche prima di poter sfruttare al meglio

le potenzialità della tecnologia Powerline.

Segnali sonori

Un segnale sonoro (musica,voce….) è un’onda meccanica che si propaga in un mezzo; al

variare del mezzo trasmissivo cambia la velocità di trasmissione, come si può osservare dai

dati riportati nella seguente tabella:

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Mezzo Velocità (metri al secondo)

Aria 331Acqua 1450Piombo 1230Ferro 5130Granito 6000

Anche l'attenuazione che subisce l’onda sonora, ovvero la diminuzione del suo volume mentre

viaggia, dipende dalla densità del mezzo di propagazione; infatti, per esempio, nell'acqua un

suono si può percepire ad una distanza molto maggiore che nell'aria.

Un qualsiasi suono si distingue per tre proprietà: altezza, intensità e timbro, che ora

descriveremo brevemente.

- Altezza

L'altezza di un suono, chiamata più comunemente frequenza, è proprio l'inverso del tempo di

durata di ogni ripetizione, che, a sua volta, viene chiamato periodo dell'onda. L'onda sonora in

figura, per esempio, ha un periodo che dura 1/100 di secondo e quindi una frequenza pari a

100 oscillazioni al secondo. L'unità di misura della frequenza si chiama Hertz, o in breve Hz, e

quindi la frequenza del segnale su rappresentato è 100 Hz. L’orecchio umano distingue i

suoni proprio in base alle diverse frequenze; più un suono viene percepito come acuto, più

alta vuol dire che è la sua frequenza. Per dare un po' di numeri consideriamo che una

frequenza minore di 200 Hz è per l’orecchio un suono basso mentre una frequenza maggiore

di 800 Hz è un suono acuto.

- Intensità

Per intensità si intende l'ampiezza di un suono. L’unità di misura dell’ampiezza sono i Decibel

(Db). Riferendoci proprio alla sensibilità dell’udito dell’uomo, un suono appena percepibile ha

un’ampiezza di circa 0 Db , mentre un suono che rischia di ledere il timpano ha un ampiezza

di 120 Db.

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Decibel Condizione ambientale

140 Soglia del dolore120 Clacson potente, a un metro100 Interno della metropolitana80 Strada a circolazione media70 Conversazione normale, a un metro60 Ufficio commerciale40 Biblioteca20 Studio di radiodiffusione0 Soglia di udibilità

- Timbro

L'ultima, e più complessa, caratteristica di un suono è chiamata timbro. Possiamo dire che il

timbro rappresenta la carta di identità del suono, infatti qui sotto vediamo due onde diverse

digitalizzate e viste all’oscilloscopio, entrambe con una frequenza di 440Hz

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Suono di un pianoforteSuono di un violino

Come vedete la forma dell'onda è molto diversa nei due casi e si sarebbe tentati di affermare

che è proprio lei la responsabile del timbro. Ma purtroppo questo non è del tutto esatto. In

effetti ci possono essere delle forme d'onda che appaiono differenti ma hanno lo stesso

suono. A prima vista potrebbe sembrare di essere arrivati in un vicolo cieco, ma in realtà una

via di uscita esiste e la

scoprì nel 1701 il

francese Sauveur.

Questo scienziato,

studiando le vibrazioni

di una corda, intuì che

qualsiasi suono in

realtà è formato da

una somma di onde

elementari chiamate

sinusoidi o armoniche.

E questa scoperta venne formalizzata, verso la fine del '700, dal matematico J. B. Fourier che

ne ricavò un celebre teorema che porta il suo nome. Usando questo teorema si vede che il

timbro di un suono in effetti dipende dalla quantità e dall'ampiezza delle sinusoidi che contiene

così come il sapore di una pietanza dipende dagli ingredienti che usiamo per prepararla.

Quindi, così come possiamo descrivere una pietanza attraverso la lista dei suoi ingredienti,

allo stesso modo possiamo caratterizzare un suono specificando le sinusoidi che lo formano.

Questa lista delle sinusoidi che lo compongono, si chiama spettro. Osservando la figura

seguente, che rappresenta uno spettro, potete osservare che sull'asse orizzontale sono

rappresentate, in ordine crescente, le frequenze delle armoniche che compongono il suono,

mentre l'ampiezza di ognuna di queste armoniche è rappresentata dall'altezza della riga che

la rappresenta.

- La percezione del suono

Un suono, come nel caso della corda di una chitarra, è un'onda di pressione che parte da un

oggetto che vibra e si propaga nell'aria circostante. Per poter percepire quest'onda sonora

l'uomo utilizza l'orecchio, un organo complesso ed estremamente sensibile. Ma non tutte le

vibrazioni possono essere percepite dal nostro orecchio; per esempio l’uomo non riesce a

sentire il suono di un fischietto per cani perché la sua onda sonora ha una frequenza

maggiore dell'intervallo in cui l'orecchio è sensibile. Teoricamente, infatti, il nostro orecchio è

in grado di ascoltare un suono solo se la sua frequenza è compresa tra i 20 e i 20.000 Hertz.

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In realtà pochissimi individui sono in grado di ascoltare in un intervallo così ampio. Molto più

spesso la massima frequenza che si riesce ad apprezzare non è maggiore di 16.000 Hz.

Ora che abbiamo stabilito l'intervallo di frequenze che possiamo ascoltare, può essere

interessante cercare di capire come funziona il

nostro orecchio. Per vederlo partiamo dalla porta

di ingresso, una membrana elastica e sensibile

che viene chiamata timpano. Il suono, o meglio

l'onda di pressione che penetra nel condotto, si

infrange contro il timpano che oscilla

impercettibilmente, qualche decimo di millimetro,

seguendo le variazioni di pressione dell'onda

sonora. Il movimento del timpano viene poi

amplificato e trasferito, tramite tre ossicini

(staffa,incudine e martello), che formano una

specie di snodo meccanico, ad un organo

chiamato coclea o chiocciola per la sua caratteristica forma a spirale.

La chiocciola è l'organo più delicato e complesso del nostro apparato uditivo. Il suo compito è

quello di convertire le vibrazioni meccaniche che giungono dagli ossicini in impulsi elettrici che

verranno inviati al cervello utilizzando il nervo uditivo. Per effettuare questa conversione la

chiocciola si comporta come un microscopico analizzatore spettrale contenuto nella nostra

testa: il suono infatti, prima di essere inviato al cervello viene scomposto in una somma di

armoniche ed è questa scomposizione armonica che noi ascoltiamo. Il modo in cui noi

percepiamo i suoni quindi, oltre che dai nostri gusti musicali, dipende anche e soprattutto dal

modo in cui risponde questo sofisticato sistema di conversione, dalle sue caratteristiche.

Esiste una scienza, chiamata psicoacustica, che si occupa proprio dello studio della

percezione sonora. Conoscere la percezione sonora permette di capire la relazione che

intercorre tra il suono come fenomeno fisico e la

sensazione che si prova durante l'ascolto; inoltre,

conoscendo i meccanismi percettivi è possibile

sviluppare delle applicazioni come ad esempio la

famosa codifica MP3. Tale codifica si basa proprio

sul funzionamento dell'orecchio ed infatti elimina

dalla musica solo quelle informazioni che il nostro

orecchio non è in grado di percepire.

- Da segnale sonoro a segnale elettrico

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Per l’elaborazione dei segnali è certamente più conveniente poter trattare con segnali elettrici;

la domanda da porsi è quindi: come fare il passaggio da segnale sonoro, quindi onda

meccanica, a segnale elettrico per poter poi elaborare quest’ultimo?

Per fare ciò esistono dei trasduttori, dispositivi che trasformano un tipo di energia relativa a

grandezze meccaniche e fisiche in segnali elettrici. Molti trasduttori sono sia sensori sia

attuatori.

Un esempio di attuatore è l’altoparlante (converte segnali elettrici in forza elettromagnetica)

costituito da una membrana di cartone a forma di cono che si occupa

di generare nell'aria circostante le onde di pressione che giungeranno

al nostro orecchio. Per poter oscillare seguendo le variazioni del

segnale elettrico questo cono è collegato ad una bobina

elettromagnetica che però, per essere messa in movimento richiede

un segnale elettrico di potenza sufficientemente alta (qualche decina

di Watt). Per raggiungere questa potenza si usa un dispositivo

chiamato amplificatore.

Un esempio di sensore sonoro è il microfono (che è un trasduttore di

tipo elettro-meccanico in grado di convertire le onde di pressione

sonora in segnali elettrici) costiuito da una membrana che vibra e, successivamente, l'energia

meccanica di questa vibrazione viene trasformata in energia elettrica, tenendo conto della

velocità e dell'ampiezza dello spostamento della membrana, usando un componente elettrico

ovvero un condensatore.

Ecco uno schema a blocchi che rappresenta brevemente un sistema Input/Output:

Inzialmente abbiamo un’onda sonora che viene tradotta in segnale elettrico, poi vi è una

conversione analogico/digitale (che analizzeremo meglio in seguito), un’amplificazione e poi la

trasformazione da segnale elettrico in sonoro mediante un’ altoparlante.

- Conversione analogico /digitale

La conversione analogico/digitale avviene tramite un ADC (Analog to Digital Converter), in

italiano convertitore analogico/digitale, che è un dispositivo in grado di convertire una

grandezza continua in una serie di quanti discreti, ovvero è un procedimento che associa ad

un segnale analogico (tempo continuo e continuo nei valori) un segnale numerico (tempo

discreto e discreto nei valori). Questo procedimento oggi è effettuato esclusivamente tramite

circuiti integrati dedicati, o circuiti ibridi. La conversione analogico/digitale era già da tempo

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Altoparlante

teorizzata matematicamente, ma mancavano i dispositivi che potessero rendere effettiva la

tecnologia, in quanto non si era ancora in grado di raggiungere le velocità necessarie, anche

per diminuire il più possibile il consumo energetico. Tutto si è risolto con l'integrazione sempre

più spinta dei circuiti, permessa anche dal miglioramento delle prestazioni dei transistori

MOSFET e dalla tecnologia CMOS, che ha ridotto le alimentazioni e le dimensioni. L'idea che

sta alla base della digitalizzazione è la seguente: qualsiasi grandezza fisica di interesse

(tensione, corrente, pressione, velocità...) viene misurata e il valore della sua misura codificato

come numero binario; se la grandezza assume diversi valori nel tempo, essa sarà misurata a

intervalli regolari, dando luogo ad una sequenza di numeri.

Lo schema rappresenta il procedimento completo.

La conversione analogico/digitale può quindi suddividersi in quattro parti principali:

1. filtraggio del segnale

2. campionamento del segnale

3. quantizzazione dei campioni

4. codifica dei campioni quantizzati

Allo stesso modo si può realizzare l’operazione inversa tramite i DAC (Digital Analog

Converter), in italiano Convertitore digitale-analogico, che è un componente elettronico

in grado di produrre una determinata differenza di potenziale in funzione di un valore

numerico che viene caricato.

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Progettazione e simulazione del sistema

Prima di iniziare il progetto da un punto di vista realizzativo circuitale, è opportuno fare una

schematizzazione del sistema da produrre, scegliendo opportunamente e studiando

separatamente i blocchi che andranno a comporre il nostro sistema per poi iniziare la

costruzione.

- Trasmettitore

Schematizazione del trasmettitore

Per la realizzazione del trasmettitore siamo partiti dal seguente schema:

Analizziamo ora i vari blocchi, realizzando anche delle simulazioni col programma Orcad,

che ci permetteranno di visualizzare quale debbano essere all’incirca le forme d’onda attese

all’uscita di ogni blocco.

Filtraggio e missaggio

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Un qualunque segnale prelevato da un dispositivo elettronico è soggetto a notevoli disturbi; gli

stessi apparecchi accesi nell’impianto elettrico casalingo che noi andremo ad utilizzare per la

trasmissione del nostro segnale recano distrurbi. Tale genere di disturbo viene definito rumore

di fondo, in inglese Noise.

Come vediamo in questo figura dello spettro di un generico segnale, il Noise (rumore di fondo)

è costituito da componenti spettrali a tutte le frequenze che vanno a sovrapporsi al nostro

segnale utile. Ecco perché la necessità di un filtraggio iniziale che consenta di eliminare

quanto più possibile i disturbi al segnale che potrebbero rendere difficoltosa, se non

inefficace, la ricezione. Realizziamo quindi un filtro passa-alto con frequenza di taglio inferiore

di 7Hz. Vediamo ora come è realizzato ed analizziamo il suo funzionamento. Per osservare il

funzionamento del filtro abbiamo simulato una sorgente di segnale a 50Hz ed una sorgente di

segnale di distrurbo a 7Hz.

Le successive forme d’onda rappresentano i segnali di disturbo, di ingresso e di uscita del

filtro passa-alto.

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0

V

0 V

V 3

F R E Q = 7V A M P L = 1V O F F = 0

C 1

1 0 u

V 1

F R E Q = 5 0V A M P L = 1V O F F = 0 V

0

R 5

2 . 2 k0 V

0

V

0 V

0 V

0 V

0

R 1

2 . 2 k

Schema del filtro passa-alto

Disturbo

Segnale sorgente

Uscita dal filtro

L’uscita risulta un po’ attenuata a causa delle dissipazioni date dalle resistenze e dal

capacitore, ma il segnale risulta ripulito dal disturbo.

19

Passiamo ora a descrivere il missaggio. Per

missaggio si intende il miscelare, equalizzare, e

ottimizzare a livello di volume e timbro suoni

diversi tra loro, provenienti generalmente da

strumenti diversi precedentemente registrati su

un supporto o analogico o digitale multitraccia.

Nel nostro caso dato che ogni strumentazione

stereo utilizza due canali con uscita RCA che

vanno ognuno su un differente altoparlante,

dobbiamo unire i due suoni per ottenere il

segnale mono da elaborare. Nello schema

possiamo vedere anche i filtri descritti

precedentemente che consentono di eliminare i

disturbi per entrambi i canali del segnale stereo; tali filtri sono costituiti dalla serie C1-R1 per il

canale 1 e dalla serie C2-R2 per il canale 2.

Osserviamo le forme d’onda del circuito che effettuerà il missaggio. In verde possiamo

osservare l’uscita verso la cassa destra, in giallo l’ uscita verso la cassa sinista, in blu il

segnale missato con filtraggio del disturbo:

Forma d'onda verso la cassa destra

20

0 V

V 1

F R E Q = 5 0V A M P L = 1V O F F = 0

R 4

1 0 0 kC 2

1 0 u

0

0 V

R 1

2 . 2 k

R 2

2 . 2 k

V 2

F R E Q = 5 0V A M P L = 1

V O F F = 0

0

V

0 V

0

0 V

0 V

V

V

0 V

C 1

1 0 u

0 V

Schema per il missaggio

Forma d'onda verso la cassa sinistra

Forma d'onda in uscita dal mixer

Da notare che rispetto al semplice filtraggio dove potevamo osservare una certa dissipazione

e la tensione di uscita veniva ridotta, il missaggio la rende più stabile.

Blocco integratore

A questo punto bisogna pulire ancora di più il

segnale e regolarlo; per tale motivo inseriamo

un filtro passa-basso attivo. Inseriamo un filtro

passa-basso perché selezionando

opportunamente la frequenza possiamo

adattare meglio il segnale alla linea, infatti il

condensatore esalterà le frequenze alte

21

0R 9

2 . 2 k

5 . 0 0 2 V

R 731

2

C 5

1 0 0 p

V 21 2

0

5 . 0 0 0 V

U 2 A

M C 1 4 5 8

3

2

84

1

+

-

V+

V-

O U TV

C 4

1 0 0 0 p

0

0 V

R 6

4 . 7 k

0

5 . 0 0 0 V

5 . 0 0 0 V 5 . 0 0 0 V

0 V

1 2 . 0 0 V

C 3

2 . 2 u

V

V 1

F R E Q = 1 6 kV A M P L = 1V O F F = 5

R 5

4 . 7 k

mentre la resistenza in parallelo serve per avere una reazione sul condensatore,

proteggendolo dalle basse frequenze che vengono in tal modo amplificate dalle resistenze

parallelo.

Vediamo adesso le forme d’onda ottenute

testando il circuito con una frequenza in ingresso

di 16kHz (in rosso possiamo osservare la forma

d’onda in ingresso, in blu l’uscita dal blocco integratore):

Ingresso ed uscita dal blocco integratore con un segnale in ingresso con f=16 KHz

Come vediamo l’uscita viene amplificata ma non distorta. Testiamo ora il circuito con un

ingresso con frequenza di 50Hz (in rosso vediamo sempre la forma d’onda in ingresso, in blu

l’uscita):

Ingresso ed uscita dal blocco integratore con un segnale in ingresso con f=50 Hz

22

Schema del blocco integratore

L’uscita, per quanto riguarda la semionda positiva, viene amplificata, mentre la semionda

negativa viene invece distorta perché altrimenti darebbe problemi all’amplicafazione del

segnale, ovvero l’obbiettivo del dispositivo è di fare in modo che tutte le forme d’onda

sinusoidali sia ad alte che basse frequenze abbiano la stessa ampiezza, per poi poter essere

elaborate molto più semplicemente. Le forme d’onda a bassa frequenza hanno un contenuto

armonico maggiore e per tanto non avremmo uno stesso valore picco-picco; ecco perché

abbiamo collegato a massa il piedino dell’alimentazione negativa dell’operazionale. Avendo

una componente continua infatti le forme d’ onda vengono rialzate, così che quelle ad alta

frequenza non vengono distorte perché non vanno al di sotto dello zero, mentre avendo l’

alimentazione negativa a massa riusciamo ad avere il medesimo valore di tensione picco-

picco.

Filtro di pre-enfasi e de-enfasi

Il rapporto segnale-rumore per segnali modulati d’angolo (per esempio PM, phase modulation,

ed FM, frequency modulation, ricordando che la FM è un caso particolare della PM) può

essere migliorato all’uscita del ricevitore se il livello della modulante nel trasmettitore è

incrementato per le componenti ad alta frequenza poste all’estremità della banda (pre-enfasi)

e attenuato per quelle a bassa

frequenza (de-enfasi); ciò

garantisce una risposta in

ampiezza piatta, che migliora il

rapporto segnale-rumore all’

uscita del ricevitore. Per esempio,

nella rete di pre-enfasi per la

radiodiffusione commerciale FM,

la frequenza f2 è scelta in modo

che sia maggiore della banda del segnale modulante (ad esempio 25 KHz per le applicazioni

audio) e la f1 è a 3,18Khz.

Vediamo cosa succede ad una frequenza f<f1 (il segnale dovrebbe essere notevolmente

ridotto); scegliamo una f=1 KHz (in verde abbiamo l’ingresso, in rosso l’uscita dal filtro):

23

5 . 0 0 0 V

R 8

2 2 k

C 7

2 . 2 u

C 6

3 3 0 0 p

VR 9

4 . 7 k

5 . 0 0 0 V

0

5 . 0 0 0 V

0

V 1

F R E Q = 1 kV A M P L = 1V O F F = 5

0 V

V

Schema del filtro di pre-enfasi (f1=2 KHz, f2=70 KHz)

Ingresso ed uscita dal filtro di pre-enfasi con una f<f1

Vediamo adesso come cambia l’uscita con una frequenza f1<f<f2 (dovremmo ottenere una

riduzione del modulo minima); scegliamo una f=20 KHz:

Ingresso ed uscita dal filtro di pre-enfasi con una f1<f<f2

Vediamo infine cosa accade con una frequenza f>f2 (dovremmo ottenere un’uscita all’incirca

pari all’ingresso); scegliamo una f=80 Khz:

Ingresso ed uscita dal filtro di pre-enfasi con una f>f2

24

Come vediamo dalle forme d’onda precedentemente rappresentate, il filtro di pre-enfasi

mette in evidenza le frequenze alte abbassando notevolmente le ampiezze di quelle basse,

consentendo così di seguire bene l’onda alle alte frequenze.

Modulazione FM

- Richiami teorici:

Le radiodiffusioni in stereofonia attualmente usano la modulazione FM (Frequency

Modulation.). Nella FM sono presenti una modulante di tipo analogico ed una portante

sinusoidale. Ma, dato che un segnale periodico può svilupparsi in serie di Fourier, cioè in una

somma di infinite sinusoidi che può essere troncata a quella armonica la cui ampiezza ha

valore trascurabile per gli strumenti e i sensi dell'uomo, è sempre lecito considerare il segnale

modulante come costituito da singole sinusoidi. Per semplicità esaminiamo una sola di queste

armoniche la cui funzione matematica si può esprimere indifferentemente sia in seno che in

coseno.

PORTANTE:

MODULANTE:

Con ωp>>ωm

Nella modulazione di frequenza, l'ampiezza del segnale modulato è mantenuta costante ed

eguale al valore della portante a riposo Vp. La frequenza invece varia, proporzionalmente

all'ampiezza istantanea del segnale modulante, ed il massimo scarto di frequenza, rispetto

alla frequenza portante a riposo, viene indicato con ∆f ed è uguale a 75 KHz essendo stato

normalizzato nel 1961. La rapidità con cui avviene tale variazione è determinata dalla

rapidità della legge di variazione nel tempo del segnale modulante stesso, ωm

Pertanto, mentre nella portante a riposo:

25

la pulsazione ωm ha valore costante, nel segnale modulato la nuova pulsazione deve

essere proporzionale, secondo una costante KF caratteristica del modulatore, all'ampiezza

del segnale modulante:

Dunque la pulsazione istantanea del segnale modulato in FM deve avere la forma:

In base alla serie di Bessel si dimostra che il segnale suddetto, rappresentante la

modulazione in frequenza di una portante sinusoidale con una modulante sinusoidale, è

rappresentato da infinite sinusoidi secondo l'espressione matematica:

Con riferimento alla figura precedente,

sull'asse delle ascisse vi è l'indice di

modulazione m, e sulle ordinate le

260 V

1 2 . 0 0 V

V

C 1 0

1 u

3 . 9 9 6 V

V 31 2

0 V

1 2 . 0 0 V

R 1 2

1 . 5 k

U 1 5

5 5 5 B1

234

567

8

G N D

T R I G G E RO U T P U TR E S E T

C O N T R O LT H R E S H O L DD I S C H A R G E

V C C

R 1 0

6 . 8 k

C 1 2

2 . 2 p

V

0

0 V

0

7 . 9 9 7 V

0

3 . 9 9 6 V

funzioni di Bessel J0, J1, J2, ecc. Le funzioni di Bessel possono assumere solo valori

inferiori a 1 in modulo ed anche il valore 0. Si deduce che per alcuni valori dell'indice di

modulazione m, alcune righe dello spettro del segnale modulato in FM possono sparire. Si

chiamano zeri di Bessel quei valori dell'indice di modulazione m (2,4; 5,5; 8,7; 11,8; ecc.)

che annullano J0, per cui la trasmissione avviene in assenza di portante, e quindi con

rendimento del 50%.

- Realizzazione modulatore FM:

Nel nostro caso realizziamo la modulazione FM con un circuito RC all’ingresso dell’integrato

NE.555. Il blocco R10-C10 dà una portante a 23Hz , mentre l’NE.555 dà in uscita un’onda

quadra modulata in FM. La frequenza dell’onda quadra sarà data da R12 e C12 che

garantiranno un periodo minimo di 3.3 nanosecondi, con una frequenza massima di 48MHz.

Osserviamo ora le forme d’onda del modulatore FM:

Ingresso del modulatore FM

Uscita del blocco RC

27

Uscita dall'integrato NE.555

Quelle in blu sono le onde quadre restituite dall’integrato NE.555 di ampiezza RC.

Adattamento di canale

Le onde quadre ottenute dall’integrato NE.555 vanno convertite in onde sinusoidali per essere

mandate sulla linea di rete dai circuiti oscillanti L1-C13 ed L2-C15 tra i quali è interposto un

condensatore, necessario per eliminare le sovra tensioni. Nelle seguenti fome d’onda

possiamo osservare l’andamento sinusoidale:

Vediamo un ingrandimento:

28

Si riescono ad apprezzare meglio le creste che descrivono l’andamento sinusoidale.

Alimentazioni

Per alimentare i vari componenti del circuito, necessitiamo di una tensione di 5 volt e di una

di 12 volt: i 5 volt sono necessari per alzare il segnale in ingresso sull’amplificatore, i 12 volt

servono per alimentare i dispositivi e per amplificare il segnale di uscita. Pertanto abbiamo

implementato la parte relativa all’alimentazione come rappresentato in figura:

C 1 8

1 0 0 u

D b r e a kD 1 2 - 4 8 . 0 0 e - 1 8 V

- 2 7 . 0 6 e - 1 8 V

0

C 1 1

1 0 0 n

D b r e a kD 1 50

0 V

D b r e a kD 1 3

C 9

1 0 0 n

0

C 1 9

1 0 0 n

U 2T L 7 8 0 - 0 5 C

1 3

2

I N O U T

GN

D

0

4 9 6 . 9 e - 2 1 V

D b r e a kD 1 4

R 3

1 0 0 k

0

R 1 1

1 0 0

C 8

1 0 u

0

0

R 4

1 0 0 k

C 2 1

4 7 0 u

V

C 1 7

1 0 u

V

0

9 9 3 . 9 e - 2 1 V

9 9 4 . 4 e - 2 1 V

V

V 1

F R E Q = 5 0V A M P L = 2 2 0

V O F F = 0

0

0

C 2 0

1 0 0 n

Utilizzeremo un raddrizzatore a doppia semionda, due condensatori C21 e C20 di diverso

valore, il primo per raddrizzare il segnale, il secondo per fare in modo che le componenti di

alta frequenza presenti sul primo condensatore vengano elimninate. Osserviamo la seguente

forma d’onda:

29

La forma d’onda a dente di sega è dovuta alle cadute di tensione per il carico; pertanto il

primo condensatore raddrizza, il secondo pulisce l’alimentazione.

Dopo vi è un regolatore tensione che abbassa la tensione a 12 volt; all’uscita del regolatore

troviamo la il condensatore C19 necessario per diminuire il ripple, non a caso ha lo stesso

valore di C20. Successivamente abbiamo i condensatori C17 e C18, che mantengono la

tensione sui 12 volt, mentre grazie alla resistenza R11 che ha un valore molto basso

riusciamo ad abbassare la tensione sulla resistenza R3 fino a 5 volt. Quelle riportate sono le

forme d’onda ottenute:

I condensatori C8, C9 e C11 limitano ulteriolmente il ripple di tensione, facendo in modo che

l’alimentazione sia quanto più possibile costante.

Vedremo il circuito complessivo che andremo a realizzare quando tratteremo la realizzazione

vera e propria del trasmettitore.

30

- Ricevitore

Schematizazione del ricevitore

Per la realizzazione del ricevitore siamo partiti dal seguente schema:

Filtraggio della rete elettrica

Per filtrare le frequenze desiderate dal segnale ricevuto dalla reta elettrica possiamo inserire

una serie LC, dopodiché un trasformatore a media-frequenza sintonizzato sui 150KHz-

160KHz, all’uscita della quale vi sarà una serie

RC che filtrerà le frequenze più basse di

132KHz. Vediamo come la serie RC filtra le

frequenze basse osservando le forme d’onda

ottenute simulando il funzionamento del circuito

schematizzato a fianco (in rosso è rappresentato l’ingresso, in verde l’uscita), per esempio

sollecitandolo con un ingresso con una frequenza di 100 Hz (catalogabile quindi tra le

frequenze basse):

31

0 V0

V

0

V 1

F R E Q = 1 3 2 kV A M P L = 1V O F F = 0

0 V 0 V

R 2

2 2 0 k0 V

0 V

R 1

1 k

V

C 4

1 . 2 n

Come si vede l’ampiezza dell’uscita risulta notevolmente attenuata. Invece, per un segnale

con frequenza alta, per esempio f=150KHz, otteniamo:

Come vediamo la forma d’onda viene perfettamente seguita e non c’è praticamente nessuna

attenuazione.

Sintonia

Per amplificare soltanto le frequenze desiderate del

segnale ricevuto, è necessario un circuito di

32

1 0 . 0 0 V

R 3

2 2 0 k

L 3

1 0 0 u

1

2

R 2

2 2 0 k

V 1

1 0

0

J 1

J 3 1 0

C 8

1 0 0 n

R 4

4 . 7 k

V 2

F R E Q = 1 0 0V A M P L = 1V O F F = 0

0 V

0

C 6

1 0 n

V

R 6

4 . 7 k

0

0

0 V

1 0 . 0 0 V

0 V

0 V0

0 V0 V

0

V

0 V3 . 3 4 5 V

0 VC 7

1 0 n

V

amplificazione sintonizzato su tali frequenze; per tale scopo possiamo utilizzare un circuito

come quello rappresentato giù a sinistra, in cui è facile individuare un circuito RLC parallelo

con frequenza di risonanza f0=159 KHz, collegato sul drain del JFet utilizzato per amplificare

il segnale; sarà proprio il parallelo RLC ad occuparsi di filtrare quanto più possibile le

frequenze indesiderate. Infatti ricordiamo che la risposta in frequenza di un filtro RLC parallelo

è quella rappresentata sotto a destra:

In regime sinusoidale l'impedenza Z e l'ammettenza Y valgono

Il parametro XR prende il nome di reattanza mentre BS viene chiamato suscettanza. La

reattanza induttiva XL e quella capacitiva XC valgono rispettivamente

La caratteristica fondamentale di un circuito risonante è proprio la risonanza. In risonanza

l'ammettenza assume il suo valore minimo e risulta puramente resistiva, ciò significa che la

suscettanza è nulla (quindi l'impedenza è al suo massimo). Per annullare la suscettanza è

dunque necessario che BL = BC, ciò si ha quando

33

In questo caso ω0 prende il nome di pulsazione di risonanza. Alla risonanza il resto del

circuito vede la sola resistenza R. Osserviamo cosa accade fuori dalla risonanza. Per ω<ω0,

la parte immaginaria dell'ammettenza Y(jω) diventa positiva, ovvero predomina l'effetto

induttivo. Ciò dipende dal fatto che, alle basse frequenze, la suscettanza di L cresce mentre

diminuisce quella di C. Viceversa alle alte

frequenze cioè per ω>ω0, predomina la

suscettanza capacitiva. L'andamento del

modulo è selettivo nei confronti delle

frequenze al di fuori della risonanza e

presenta il tipico andamento a campana

centrato sulla frequenza di risonanza f0. Più la

frequenza considerata si discosta da f0, più la

sua ampiezza si riduce, come mostrato nella

figura a fianco. Come si osserva, la banda

passante del filtro, cioè l'intervallo di

frequenze attorno a f0 per cui V è superiore a

V0 / 1,414, dove V0 è il valore massimo della tensione, diminuisce considerevolmente

allontanandosi dalla frequenza di risonanza. Le frequenze di taglio inferiore e superiore a

-3dB vengono comunemente indicate con fL e fH. Si dimostra che la banda dipende da Q

(coefficiente di risonanza) e più precisamente:

dove:

Da questa relazione si deduce che quanto più è elevato Q tanto più è stretta la banda e quindi

più selettiva la risposta in frequenza del circuito risonante. Le due frequenze di taglio non

sono simmetriche rispetto a f0, ma f0 è la media geometrica delle due. Tuttavia nei circuiti

applicativi, dove Q è normalmente elevato, si può considerare con buona approssimazione f0

pari alla media aritmetica fra le due frequenze di taglio. Osserviamo ora le forme d’onda

ottenute a varie frequenza. Per f=100 Hz si presenta una impedenza di tipo prevalentemente

induttivo e l’uscita desiderata è una forma d’onda quanto più possibile attenuata (in verde

vediamo l’ ingresso, in rosso l’uscita, in blu la tensione sul Drain, a valle della resistenza R4):

34

L’ ingresso è di tipo sinusoidale, l’uscita è nulla (quindi a tale frequenza stiamo ottenendo il

filtraggio ottimo), mentre su R4 troviamo una tensione di 10 volt. Invece, per una f=1 MHz si

presenta una impedenza di tipo prevalentemente capacitivo (si ottiene una situazione del tutto

simile al caso precedente, cioè con un’uscita dal filtro praticamente nulla). Infine, per f=159

KHz, cioè la frequenza di risonanza del filtro ed anche la frequenza che noi vogliamo isolare il

più possibile, vediamo che il circuito oscillante oscilla alla stessa frequenza dell’ingresso:

Il circuito di sintonia serve proprio per ricevere solo la frequenza desiderata, eliminando

quanto più possibile le frequenze non desiderate ed il rumore (nel nostro caso non è

necessario prevedere un modo per variare la frequenza da ricevere in quanto ci interessano

solo le frequenze nell’intorno prescelto per la trasmissione).

Demodulazione

35

Il processo inverso della modulazione è chiamato demodulazione. Poiché il termine

modulazione sta a significare la traslazione della banda base del segnale di informazione

(modulante) in un'altra a frequenza superiore, il termine demodulazione significa il ripristino

sul segnale della modulante delle caratteristiche d'origine. Si riporta dunque l'intero spettro

del segnale modulato, cioè quello traslato, nel campo di appartenenza iniziale, cioè alle basse

frequenze (banda base). Nel ricevitore AM la demodulazione viene eseguita secondo

l'ampiezza del segnale mentre nel ricevitore FM la demodulazione si riferisce alla frequenza

del segnale. Nel nostro caso noi utilizziamo un demodulatore FM tipo TCA.3089.

Alimentazione

Il circuito necessita di due alimentazioni una di 10 volt per i dispositivi e per il JFet il circuito

relativo è:

0

C 1 7

1 m

0

V

D b r e a kD 1 3

C 5

1 0 u

0

0

C 2 2

1 0 0 n

U 2T L 7 8 0 - 0 5 C

1 3

2

I N O U T

GN

D

R 5

2 0 0

C 1 2

1 0 0 n

0

0 V

0

0

0 . 9 9 9 e - 1 8 V

C 1 91 0 0 n

- 1 4 8 . 7 e - 1 8 V

V

0 . 9 9 9 e - 1 8 V

- 4 7 . 9 6 e - 1 8 V

V 1

F R E Q = 5 0V A M P L = 2 2 0

V O F F = 0

- 1 4 8 . 7 e - 1 8 V

C 1 8

1 0 0 n

D b r e a kD 1 4

0

V

D b r e a kD 1 2

D b r e a kD 1 5

V

C 2 1

4 7 u

C 1 1

1 0 u

0

L’ingresso viene stabilizzato con il condensatore C17 di capacità di 1mF; Per eliminare quanto

più possibile il ripple di tensione utilizziamo la stessa configurazione adottata nel trasmettitore.

Osserviamo le forme d’onda:

36

Tensione raddrizzata a 220 volt

Nella prossima figura vediamo in verde la tensione su C22, in giallo la tensione su R5, in

rosso la tensione su C12 tutte stabilizzate a 10 volt:

Passeremo ora a vedere come abbiamo effettivamente realizzato lo stadio trasmittente e

quello ricevente, osservando anche la risposta, rilevata mediante un oscilloscopio,

ottenuta da alcuni dei blocchi che compongono il sistema.

37

Realizzazione del sistema

Come già ampiamente detto, andremo a realizzare un sistema di trasmissione e ricezione di

un segnale audio utilizzando come canale trasmissivo i fili dell’impianto elettrico. Per

raggiungere il nostro scopo, sovrapporremo un segnale di alta frequenza compreso tra i 150

e i 160 KHz, che preleveremo da un piccolo trasmettitore modulato in FM, al segnale

elettrico normalmente presente sulla rete elettrica. Tale trasmettitore verrà poi collegato su

una qualsiasi presa dell’impianto elettrico e stessa cosa verrà fatta con un ricevitore FM

appositamente progettato per captare questa frequenza. Diamo una motivazione alla

frequenza scelta in fase di progettazione per la nostra trasmissione: osserviamo il grafico

nella figura sottostante, ottenuto da un’osservazione fatta per vedere di quanti dB si

attenuano le frequenze comprese tra i 50 KHz e i 250 KHZ, collegando trasmettitore e

ricevitore ad una distanza di 100 metri (i 100 metri vanno intesi come lunghezza del filo

dell’impianto elettrico) sia quando le lampade sono tutte spente (curva superiore) sia

quando tutte le lampade nel salone sono accese (curva inferiore). Si vede che tutte le

frequenze nell’intervallo di osservazione a lampade spente subiscono un’attenuazione di

circa 10 dB, mentre accendendo tutte le lampade notiamo che tutte le frequenze superiori a

170 KHz subiscono un’attenuazione di circa 30 dB. Avendo constatato che le sole

frequenze comprese tra i 150 e i 160 KHz subiscono una minore attenuazione, è logico

scegliere tale intervallo per progettare il trasmettitore e ovviamente il ricevitore. Vedremo

adesso nel dettaglio come sono realizzati e come funzionano lo stadio trasmittente e quello

ricevente.

38

- Trasmettitore FM sui 150-160 KHz

Ai blocchi precedentemente descritti abbiamo aggiunto una rete di amplificatori in cascata

per amplificare il segnale mettendo una tensione di alimentazione 12 volt, ed in

corrispondenza dell’integrato NE.555 abbiamo aggiunto un buffer di disaccoppiamento tra

l’uscita del filtro di pre-enfasi e il modulatore FM. Inoltre, abbiamo inserito un diodo Zener

applicato tra il collettore del transistor TR2 e la massa (vedremo poi perché). Abbiamo

deciso di non realizzare il trasmettitore modulato in FM mediante un normale oscillatore L/C,

perché, su frequenze così basse per una modulazione FM, sarebbe stato quasi impossibile

variare la frequenza generata tramite dei diodi varicap. Ecco perchè abbiamo deciso di

realizzare un semplice VCO (oscillatore controllato in tensione) utilizzando l’integrato

NE.555 e modulando in FM l’onda quadra che fuoriesce dal piedino 3 applicando il segnale

BF sul piedino 5.

Per conoscere con una buona approssimazione quale sarà la frequenza generata

dall’integrato NE.555 possiamo utilizzare la seguente formula:

KHz = 525 : (R12 kiloohm x C12 nanofarad)

Poiché nel nostro progetto il valore della resistenza R12 è di 1,5 Kohm e quello del

condensatore C12 è di 2,2 nanofarad, in via teorica otterremo questa frequenza:

525 : (1,5x2,2) = 159 KHz

Abbiamo sottolineato in via teorica otterremo una frequenza di 159 KHz, perché dobbiamo

tenere presente che la tolleranza della resistenza e del condensatore si aggira intorno ad un

+/- 10%.

La figura a pagina seguente rappresenta lo schema completo dello stadio trasmittente

modulato in FM che andremo a realizzare.

39

Elenco dei componenti utilizzati per la realizzazione del trasmettitore:

R1=2.200 ohm

R2=2.200 ohm

R3=100.000 ohm

R4=100.000 ohm

R5=4.700 ohm

R6=4.700 ohm

R7=50.000 ohm trimmer

R8=22.000 ohm

R9=4.700 ohm

R10=6.800 ohm

R11=100 ohm

R12=1.500 ohm

R13=4.700 ohm

R14=820 ohm

R15=18.000 ohm

R16=5.600 ohm

R17=1.000 ohm

R18=100 ohm

R19=100 ohm

C1=10 microFarad elettrolitico


C3=2,2 microFarad elettrolitico

C4=1.000 picoFarad poliestere

C5=100 picoFarad ceramico





C10=1 microFarad poliestere






C16=10.000 picoFarda ceramico







C23=1.500 picoFarad ceramico

C24=22.000 picoFarad pol. 1000V


JAF1=impedenza 1 milliHenry

JAF2=impedenza 1 milliHenry

JAF3=impedenza 47 microHenry


MF1=media frequenza 470 KHz

RS1=ponte raddrizzatore 100V 1 Ampere

DZ1=zener 30V 1/2W

TR1=NPN tipo BC.547

TR2=NPN tipo BC.547

IC1=integrato tipo MC.1458

IC2=integrato tipo NE.555

IC3=integrato tipo L.7812

F1=fusibile 1 Ampere

T1=trasformatore 12 watt (T012.04) sec. 12V 0,8

Ampere

S1=interruttore

Nota: tutte le resistenze in questo circuito sono

da 1/4 di watt

41

Il segnale stereo che applichiamo sulle due boccole d’ingresso poste a sinistra, viene

trasformato in un segnale mono tramite il mixer passivo composto dalle due resistenze R1 e

R2. Il mixer passivo in pratica “miscela” i due segnali. Il segnale BF può essere prelevato

dalla presa Line out presente sul retro

di ogni preamplificatore, oppure dalla

presa cuffia. Il segnale in figura è quello

che otteniamo all’uscita del mixer

passivo, visto su una scala temporale

di 2,5 secondi. Abbiamo previsto un

ingresso stereo perché, se

modulassimo il segnale con un solo

canale stereo, nel ricevitore non

sentiremmo l’altro canale. Chi dispone di un segnale mono potrà indifferentemente

applicare il segnale su uno qualunque dei due ingressi.

Il segnale BF così

miscelato raggiunge l’ingresso non invertente (piedino 5) del primo operazionale IC1/A,

contenuto all’interno dell’integrato MC.1458.

42

Segnale disponibile dopo il mixer passivo

Ingrandimento del segnale in ingresso al circuito dopo il mixer passivo

Tale operazionale è configurato per

funzionare da blocco integratore. Il

segnale rappresentato nella figura a

fianco rappresenta l’uscita dal blocco

integratore, visualizzata su una scala

temporale di 2,5 secondi.

Ruotando il cursore del trimmer R7, posto tra il terminale d’uscita e il piedino invertente 6, il

segnale applicato sull’ingresso può essere amplificato in tensione da un minimo di 2 volte

fino ad un massimo di 12 volte. Questo segnale amplificato prima di giungere sul piedino

invertente 3 del secondo operazionale

IC1/B, che funge da stadio buffer, passa

attraverso un filtro di preenfasi composto

da R8-C6 e da R9-C7 che provvederà ad

esaltare la sola gamma delle frequenze

acute. Come detto il filtro di preenfasi è

necessario poiché alte frequenze nei

segnali audio portano ad ampiezze

minori; questo, su trasmissioni

rumorose può condurre ad una cattiva

qualità del segnale, perché le alte frequenze potrebbero diventare troppo deboli. Per evitare

questo effetto le alte frequenze vengono allora amplificate prima della trasmissione (preenfasi

appunto).

Il segnale BF presente sul piedino d’uscita 1 di IC1/B viene applicato tramite R10-C10 sul

piedino 5 di IC2, cioè dell’integrato NE.555, che provvederà a modulare in FM la frequenza

che fuoriesce dal piedino 3. Le prossime figure rappresentano rispettivamente il segnale in

ingresso al piedino 5 dell’integrato NE.555, l’uscita che otteniamo sul piedino 3 ed un

ingrandimento di tale uscita.

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Segnale in uscita dal blocco integratore

Segnale in uscita dal filtro di pre-enfasi

Quest’ultima forma d’onda, visualizzata con una scala temporale di 1 microsecondo, ci

permette di visualizzare al meglio l’onda quadra in uscita dall’integrato NE.555.

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Onda quadra in uscita dall'integrato NE.555

Uscita dall'integrato NE.555

Ingresso sul piedino 5 dell'integrato NE.555

Prima di giungere sulla base del transistor TR1, l’onda quadra viene convertita in un’onda

sinusoidale da un filtro passa-banda composto da JAF1-C13 e da JAF2-C15 per evitare di

trasmettere un’infinità di frequenze armoniche che potrebbero disturbare la ricezione.

Il segnale viene poi amplificato

dal transistor TR2 e applicato sul trasformatore di media-frequenza MF1, accordato sui 150-

160 KHz.

Il trasformatore di media-

frequenza funge da elemento

45

Segnale prelevato sul secondario della MF1

Forma d'onda in uscita dal filtro passa-banda (visualizzata con una scala temporale di 5 microsecondi)

Uscita dal transistor TR2

accoppiatore di due stadi e da filtro selettivo della frequenza desiderata; pertanto richiederà

una procedura di taratura, che verra’ analizzata piu’ avanti. Dall’avvolgimento secondario del

trasformatore di media-frequenza MF1, preleviamo il segnale sui 150-160 KHz modulato in

FM e tramite le impedenze JAF3-JAF4 da 47 microHenry e i due condensatori C24-C25 da

22.000 picoFarad, lo applichiamo sulla rete dei 220 volt. Le due impedenze e i due

condensatori si comportano come un filtro passivo che provvederà a lasciar passare verso la

linea della rete elettrica le sole frequenze comprese tra 149-162 KHz. Se volessimo

calcolare la frequenza centrale di accordo potremo usare questa formula:

KHz = 159.000 : [(picofarad x microhenry)^(1/2)]

Sostituendo i valori prescelti otteniamo:

159.000 : [(22000 x 47)^(1/2)] = 156,36 KHz

Tutto lo stadio trasmittente viene alimentato da un circuito come quello descritto nella fase di

progettazione, che come stabilizzatore utilizzerà l’integrato IC3, ovvero un L7812.

- Ricevitore FM sui 150-160 KHz

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In figura riportiamo lo schema dello stadio ricevente accordato sui 150-160 KHz.

Elenco dei componenti utilizzati per la realizzazione del ricevitore

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R1=1.000 ohm

R2=220.000 ohm

R3=2.200 ohm

R4=4.700 ohm

R5=200 ohm

R6=4.700 ohm

R7=4.700 ohm

R8=4.700 ohm

R9=2.700 ohm

R10=1 megaohm pot. lin.

















C17=1.000 microFarad elettrolitico









JAF4=impedenza 2,2 milliHenry



RS1=ponte raddrizzatore 100V 1 Ampere

DS1=diodo tipo 1N.4148

DS2=diodo tipo 1N.4148

FT1=fet tipo J.310

IC1=integrato tipo TCA.3089

IC2=integrato tipo TDA.7052/B

IC3=integrato tipo L.7812

F1=fusibile 1 Ampere

T1=trasformatore 12 watt (T012.04) sec. 12V 0,8

Ampere

S1=interruttore

AP=altoparlante da 8 ohm

Nota: tutte le resistenze in questo circuito sono

da 1/4 di watt

48

Il segnale che preleviamo dalla linea elettrica dei 220 volt, come già detto, passa attraverso

il filtro passivo, composto da due impedenze da 47 microHenry (le JAF1-JAF2) e da due

condensatori da 22.000 pF (C1-C2); tale filtro provvederà ad isolare il nostro segnale utile

dalle altre frequenze presenti sulla linea. Tale segnale viene poi applicato sull’avvolgimento

secondario del trasformatore di media-frequenza MF1 e, per induzione, passa

sull’avvolgimento primario sintonizzato sui 150-160 KHz. Come si nota osservando la

successiva immagine, la forma d’onda ottenuta come è molto simile a quella rilevata sul

secondario della MF1 del trasmettitore.

Il segnale presente sul primario del trasformatore di media-frequenza MF1 viene applicato

tramite C4-R1 sul gate del JFet FT1 che provvederà ad amplificarlo.

Rispetto allo schema descritto in fase di progettazione, abbiamo aggiunto due diodi (DS1 e

DS2), posti in opposizione di polarità sull’ingresso, che servono per evitare che eventuali

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Segnale prelevato sul primario di MF1

Segnale amplificato dal JFet FT1

impulsi di extratensione presenti nella rete elettrica possano raggiungere il JFet,

danneggiandolo quindi, attraverso il trasformatore di media-frequenza MF1.

L’impedenza JAF3 da 100 microHenry con in parallelo il condensatore da 10000 pF e la

resistenza R4 che troviamo collegati sul drain del fet, formano il circuito di sintonia

accordato sulla frequenza centrale di

159.000 : [(10000 x 100)^(1/2)] = 159 KHz

Come già ampiamente descritto, tale circuito di sintonia permetterà di ricevere solo la

frequenza desiderata, eliminando quanto più possibile le frequenze non desiderate ed il

rumore (nel nostro caso non è necessario prevedere un modo per variare la frequenza da

ricevere in quanto ci interessano solo le frequenze nell’intorno prescelto per la trasmissione).

Il segnale amplificato presente sul drain del JFet viene prelevato dal condensatore C8 ed

applicato sul piedino 1 dell’integrato IC1, un demodulatore FM tipo TCA.3089.

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Segnale in ingresso al piedino 1 dell'integrato TCA.3089

All’interno dell’integrato TCA.3089 (vedi figura a pagina precedente) è presente uno stadio

preamplificatore seguito da uno stadio limitatore d’ampiezza e da un demodulatore FM a

quadratura.

Dal piedino 6 di IC1 fuoriesce il segnale BF che, tramite la resistenza R9, applichiamo sul

piedino d’ingresso 2 dell’integro IC2 che provvede ad amplificarlo in potenza per poter

pilotare un piccolo

altoparlante da 1-2 watt.

Se confrontiamo l’ultima forma d’onda rappresentata, con l’ingrandimento di quella presente

nel trasmettitore dopo il mixer passivo d’ingresso, si nota come le forme d’onda sia

praticamente del tutto simili; questo quindi dimostra che la trasmissione è riuscita.

Come si nota dal circuito, il potenziometro del volume non viene collegato in serie al segnale

BF come si fa normalmente, ma è applicato sul piedino 4 che provvede ad alzare o ad

abbassare il volume variando solo il suo valore ohmico. Non circolando nel potenziometro

alcun segnale di BF, potremo collegarlo anche a notevole distanza senza bisogno di

utilizzare del cavetto schermato.

Tutto lo stadio ricevente viene alimentato con un circuito realizzato come descritto nella fase

di progettazione, che utilizza sempre l’integrato L7812 come stabilizzatore.

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Segnale in uscita verso l'altoparlante

- Taratura

Prima di poter utilizzare correttamente i dispositivi realizzati, è necessaria una fase di

taratura del trasmettitore e del ricevitore.

Si seguano i seguenti passi:

1) Ruotare il nucleo della MF1 presente nel trasmettitore a metà corsa

2) Dopo aver collegato il trasmettitore ad una presa di rete dei 220 volt, collegare il

ricevitore in una stanza attigua ed accenderlo

3) Tramite un tester, collegato tra il terminale TP1 e la massa, misurare la d.d.p. e

ruotare il nucleo della MF2 del ricevitore fin quando sul tester non si leggerà una

d.d.p. di 6 volt.

4) Spegnere il trasmettitore; si sentirà ora un forte fruscio nel ricevitore; questo fruscio

si ha perché il ricevitore non capterà più alcun segnale RF

5) Collegare ora sull’ingresso del trasmettitore un segnale di BF che è possibile

prelevare anche dalla presa cuffia di una radio portatile.

6) Collegare il ricevitore ad una presa molto lontana da quella in cui è collegato il

trasmettitore, e poi ruotare il nucleo della MF1 presente nel ricevitore (potete anche

ruotare il nucleo della MF1 presente nel trasmettitore) fino a trovare la posizione in

cui il suono aumenta d’intensità.

7) Se per ascoltare il suono si deve ruotare al massimo il potenziometro del volume

presente nel ricevitore, si deve allora preamplificare maggiormente il segnale BF del

trasmettitore ruotando il cursore del trimmer R7

- Note:

Il ricevitore ed il trasmettitore vanno collegati alla linea elettrica dei 220 volt alimentata dallo

stesso contatore, perché applicando il ricevitore su una linea elettrica alimentata da un altro

contatore il segnale subirà una notevole attenuazione.

Se in ricezione si nota del fruscio, esso potrebbe essere dovuto ad una non corretta

posizione del nucleo della MF2 presente nel ricevitore. A volte, comunque, tale fruscio può

essere generato dalla sorgente iniziale del suono, in quanto, se essa non è ben schermata,

può irradiare sulla rete elettrica un’infinità di frequenze spurie che vengono captate dal

ricevitore. Per eliminare questo inconveniente si deve collegare un filtro antidisturbo tra la

spina del computer e la presa di rete dei 220 volt.

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53

Foto del ricevitore assemblato

Foto del trasmettitore assemblato

Appendice:

DATASHEET

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Relazione Power Line Communication

Documents

Transcript of Relazione Power Line Communication