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 ANALOGICHEMODULAZIONE 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 KHzQuesta banda coincide quasi con la banda di sensibilità dell'orecchio umano che è, mediamente: B = 20 Hz - 20 KHze 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 FREQUENZAFM - (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 00 180La 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 unacomunicazione 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 chiamataPCM (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 ricostruireun segnale voce con una gamma di frequenze di circa 4000 Hz, e; necessario rilevare8000 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).

FDM(Frequency Division

Multiplexing)

TDM(Time Division Multiplexing)

PCM(Pulse Code Modulation)

PPM

PWM

PAM

Codifica PCM

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 Quantizzazione CodificaSegnale

microfonico

- 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