La modulazione è una tecnica che si applica al segnale da trasmettere a distanza allo scopo di adattarlo alle caratteristiche del canale
di comunicazione mantenendo, però, invariato il suo contenuto informativo.
Per modulazione si intende la tecnica di trasmissione di un segnale elettromagnetico (eventualmente rappresentante un'informazione)
detto modulante per mezzo di un altro segnale elettromagnetico detto portante. I segnali da modulare possono rappresentare le
informazioni più diverse: audio, video, dati. In generale. Per la modulazione, occorre convertire in frequenza, mediante delle operazioni,
lo spettro del segnale elettromagnetico rappresentante l'informazione; inoltre, l'impiego di questa tecnica permette di trasmettere segnali
elettrici (e quindi le informazioni che essi rappresentano) a grande distanza. L'onda portante è un'onda elettromagnetica a frequenza
ben determinata, che può essere trasmessa in aria, nel vuoto (radio) o tramite un mezzo materiale opportuno, essa è molto importante infatti
fa da trasporto per il segnale di bassa frequenza permettendo di ridurre la dimensione del dispositivo di ricezione. In caso di trasmissioni
laser in fibra ottica o in aria libera, invece della frequenza portante, viene tipicamente indicata la lunghezza d'onda della portante.
Modulazione di ampiezza AM (Amplitude modulation)
Modulare in ampiezza vuol dire far variare l'ampiezza della portante in funzione del valore del segnale modulante. Il segnale modulato ha la stessa frequenza della portante.
Vantaggio: permette di risparmiare banda trasmettendo più messaggi in divisione di frequenza (FDM).
Modulazione di ampiezza DSB-TC (Double-sideband/trasmitted-carrier - Doppia banda laterale con portante trasmessa): permette di trasmettere entrambe le bande laterali(contenenti informazione) e la portante.
Modulazione U/L SSBTC (Upper/Lower Single Side Band Transmitted Carrier) viene trasmessa la portante e la banda superiore (o inferiore).
Modulazione SSBSC (Single Side Band Suppressed Carrier): viene trasmessa solo una delle 2 bande. Il rendimento è alto, ma la qualità è bassa.
Modulazione VSB (Vestigial Side Band): si trasmette la portante, la banda superiore e un pezzo della banda inferiore. Viene utilizzata per la trasmissione dei canali TV in analogico.
Modulazione di frequenza FM (Frequency Modulation)
Modulare in frequenza vuol dire far variare la frequenza della portante secondo il valore del segnale della modulante, mentre l'ampiezza
della portante rimane invariata.Vantaggio: Qualità elevata e segnale non disturbato.
Modulazione di Fase PM (Phase Modulation)
La modulazione di fase è molto simile alla modulazione di frequenza e per questo motivo sono entrambe definite modulazioni angolari. In questo caso la modulante modifica la fase della portante in funzione del valore del segnale modulante lasciandone invariata l'ampiezza. Anche in questo caso la banda è molto larga ed i circuiti per realizzarla sono anche più complessi e sensibili di quella di frequenza. E’ usata però, in coppia con la modulazione di ampiezza, nel segnale cromatico della televisione.
Modulazioni impulsive
Si chiamano modulazioni impulsive quel tipo di modulazioni in cui la portante è costituita da un treno di impulsi e la modulante è di tipo analogico. Oggi sono poco usate perché in molte applicazioni sono state superate dalla tecnica PCM. Si suddividono in:
- PAM (Pulse Amplitude Modulation = modulazione ad ampiezza di impulsi)
- PWM (Pulse Width Modulation = modulazione a larghezza di impulsi)
- PPM (Pulse Position Modulation = modulazione a posizione di impulsi)
Vantaggio: trasmettiamo la potenza solo in certi istanti; facile da realizzare
Svantaggio: il segnale può essere disturbato dai disturbi.
Nella PWM le ampiezze degli impulsi sono tutte eguali e l’informazione data dal segnale modulante va a variare la larghezza, cioè la durata dell’impulso.
Nella PPM invece, disegnata sotto, le ampiezze degli impulsi sono tutte eguali, le loro durate anche, ma la loro posizione, anticipata o ritardata rispetto a quella di riposo, racchiude l’informazione della modulante.
Teorema di shannon
Shannon dimostrò un teorema noto come Teorema del campionamento, che consente di stabilire sotto quali condizioni è possibile trasformare un segnale analogico in segnale numerico. Il teorema di Shannon afferma che assegnato un segnale analogico a spettro limitato e indicando con fM la massima frequenza contenuta nel segnale, esso può essere completamente e perfettamente ricostruito con una serie di campioni della sua ampiezza rilevati ad uguali intervalli di tempo Ts. La frequenza di campionamento (sample) fs=1/ Ts deve essere almeno il doppio di fM.
Modulazione PCM (Pulse Code Modulation)
la PCM che è sicuramente la tecnica più utilizzata per la trasmissione delle informazioni telefoniche con la TDM (Time Division Multiplexing): l’intervallo di tempo viene suddiviso in slot (intervallo di tempo che corrisponde ad una chiamata). Per ottenere un segnale numerico PCM, partendo da un segnale fonico, è necessario rendere il segnale analogico discreto sia nel tempo che nelle ampiezze. Per ottenere la quantizzazione è necessario associare ad ogni campione un numero binario la cui codifica rappresenta l’ampiezza del campione. In questo modo sui mezzi trasmissivi viaggiano segnali numerici costituiti da impulsi a due livelli 0 e 1. Il numero di bit assegnati per la codifica è stato fissato da norme internazionali a 8 bit, mentre il tipo di codice impiegato dipende dalla natura del canale di comunicazione e dalla velocità di trasmissione.
Su 32 canali il canale 0 serve ad ospitare i bit di sincronizzazione e il canale 16 serve a trasmettere le segnalazioni telefoniche delle chiamate; e quando si creano multi trame e quindi per inviare sulla stessa linea più di 32 canali, possiamo trasmettere sulla stessa linea molti canali aumentando la velocità di trasmissione. L’insieme dei canali si chiama TRAMA.
Modulazione ASK (Amplitude Shift Keying)
il segnale digitale, che costituisce l’informazione da trasmettere, va a modulare una portante sinusoidale facendone variare l’ampiezza in modo tale da far corrispondere all’uno logico la portante stessa e, allo zero logico l’assenza della portante, come in figura. Questo tipo di modulazione, di facile realizzazione sia nei modulatori sia nei demodulatori, e stata usata sempre nelle telescriventi e in qualche tipo di ponte radio a breve distanza. Purtroppo e molto sensibile al rumore, per questo oggi e utilizzata poco, nonostante sia stata impiegata per prima. La portante fonica viene modulata in ampiezza. Si ottiene utilizzando una modulante digitale bipolare o unipolare:
ASK Bipolare:Se il bit è 0 la portante viene sfasata di 180°. La portante bipolare è un tipo di modulazione DSB-SC poiché si ottiene come prodotto della portante e della modulante.
ASK Unipolare:La modulazione è del tipo OOK (On-Off Keying). Con questa modulazione si otterrà o meno la portante a seconda che il bit è 0 o 1.
Modulazione FSK (Frequency Shift Keying) La portante fonica modulata in frequenza. In corrispondenza ai bit 1 e 0, associati alla codifica di canale, sono assegnate due frequenze, dette di manipolazione, che devono restare nella banda assegnata al canale telefonico. Di solito si assegna la frequenza più bassa fL al bit 0 e la frequenza più alta fH al bit 1. In pratica la frequenza stabilita per la portante non sarà mai presente nel canale. Anziché di portante, con la modulazione FSK è più corretto parlare di frequenza centrle, definita come: f0=(fL+fH)/2.
Si definisce poi la deviazione di frequenza come: Δf=(fH-fL)/2
In questo modo le due frequenze di manipolazione si possono così esprimere:
Modulazione PSK la modulazione di fase consente l’uso della codifica multisimbolo. La modulazione di fase può essere 2PSK, 4PSK e 8PSK.
La 2PSK comporta una fase di 0° con il bit 1 e una fase di 180° con il bit 0: in altre parole si ha un’inversione di segno nel valore istantaneo della portante quando il bit è zero.
La 4PSK: o Di-bit (velocità doppia rispetto alla 2PSK):
La 8PSK: o Tri-bit (velocità doppia rispetto alla 4PSK):
Modulazione QAM(Quadrature Amplitude Modulation). É una modulazione mista di fase e di ampiezza combinate in modo tale da sfruttare al massimo le distanze. Indica la combinazione di modulazione di ampiezza e di fase. Questa modulazione e utilizzata in tutti quei casi in cui la velocita di trasmissione deve essere elevata. Essa, infatti, permette una codifica multilivello che, grazie alla combinazione delle possibili caratteristiche di fase e ampiezza, consente di trasmettere più bit per ogni ciclo.
