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TLC - Mod. digitali con portante sinusoidale
Modulazioni digitali con portante sinusoidale

In questo tipo di modulazioni il segnale modulante è un segnale digitale e la portante è una sinusoide. Sono dette anche modulazioni digitali su portante analogica.

Sono utilizzate principalmente nei modem (acronimo di modulatore-demodulatore), dispositivi per la trasmissione e la ricezione di dati sulla linea telefonica. Un altro settore di applicazione è la trasmissione di segnali digitali via radio, come per esempio nelle reti di telefonia mobile GSM o nei sistemi di telecomunicazione via satellite.

Amplitude Shift Keying Modulation (ASK)

Nella modulazione ASK l’ampiezza della portante sinusoidale viene fatta variare in correlazione al segnale digitale modulante. Nel caso più semplice e più comune (detto anche OOK, On Off Keying) in corrispondenza dello zero logico il segnale modulato ha ampiezza zero o prossima allo zero, mentre in corrispondenza dell’uno logico ha ampiezza pari a quella della portante non modulata:

Numeriche1

Questo tipo di modulazione, di facile realizzazione sia nei modulatori che nei demodulatori, è stata usata sempre nelle telescriventi e in qualche tipo di ponte radio a breve distanza. Purtroppo è molto sensibile al rumore, per cui oggi è quasi caduta in disuso (si usa ancora nei collegamenti a fibra ottica). 

Il modulatore può essere realizzato teoricamente nel seguente modo:

L'apertura e la chiusura dello switch è comandata dal segnale modulante vm(t). Se vm(t) = 1 lo switch è chiuso e il segnale modulato di uscita v(t) è uguale al segnale portante; se invece il segnale modulante vm(t) è uguale a 0 lo switch è aperto e il segnale v(t) è uguale a 0.

Lo spettro del segnale ASK è simile a quello di una modulazione di ampiezza analogica in cui lo spettro dell'onda quadra digitale modulante viene traslato in due bande laterali intorno alla frequenza della portante sinusoidale. La banda occupata è teoricamente infinita. La figura seguente mostra lo spettro del segnale modulato limitato alle prime sei righe spettrali del segnale modulante:

 

Frequency Shift Keying Modulation (FSK)

Nella modulazione FSK l’ampiezza della portante sinusoidale rimane invece costante. Ciò che viene fatto variare in correlazione al segnale modulante è la frequenza. Questo metodo permette di utilizzare un ricetrasmettitore relativamente semplice da realizzare e assicura un alto livello di immunità ai disturbi, ma non consente velocità di trasmissione molto alte.

Lo schema di principio di un modulatore FSK è il seguente:

Il segnale modulante vm(t) agisce sul deviatore, producendo in uscita un segnale uguale alla portante di frequenza f0 o alla portante di frequenza f1 a seconda del valore del bit da trasmettere.

Talvolta vengono utilizzate più di due frequenze diverse in modo da effettuare una codifica multilivello. Si parla in questi casi di modulazioni MSK (Multiple frequency-shift keying).

Phase Shift Keying Modulation (PSK)

Nella modulazione PSK ampiezza e frequenza della portante sinusoidale rimangono costanti, mentre è la fase che può subire dei cambiamenti. Il metodo più semplice (detto anche BPSK, Bipolar PSK) consiste nello scambio di fase della portante di 180° in corrispondenza dell’uno logico del segnale modulante. Questo metodo assicura un buon livello di immunità ai disturbi e consente delle velocità di trasmissione elevate, ma richiede un ricetrasmettitore più complesso di quello necessario per il metodo FSK. 

Modulazioni multifase: 4-PSK e 8-PSK

Al fine di aumentare la velocità di trasmissione è possibile usare più di due angoli di fase per la codifica dei valori binari. Usando quattro fasi (angoli 0º, 90º, 180º e 270º, modulazione 4-PSK o QPSK) è possibile codificare 4 livelli logici, ciascuno corrispondente a una coppia di bit. La figura seguente mostra il confronto fra lo stesso segnale logico binario con una modulazione BPSK (a due livelli) e QPSK (a quattro livelli):

Come è possibile osservare la velocità di trasmissione aumenta poiché ogni cambiamento di fase codifica due bit.

Nella modulazione 8-PSK i livelli di fase sono addirittura 8 e dunque con ogni livello è possibile codificare ben tre bit. La tabella seguente mostra la corrispondenza fra gli angoli di fase e le triplette binarie che vengono in tale modo codificate:

Valori binari Angolo di fase
(in gradi)
000
001 45°
010 90°
011 135°
100 180°
101 225°
110 270°
111 315°

Il problema legato all'aumento del numero dei livelli di fase è che aumenta la sensibilità al rumore e la probabilità di errore in fase di ricezione nel riconoscimento del livello corretto.

Modulazioni miste: Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

La modulazione QAM si può definire come una modulazione combinata di fase e di ampiezza. La QAM è utilizzata in tutti quei casi in cui la velocità di trasmissione deve essere elevata perché essa permette una codifica multilivello molto spinta.

Nella modulazione 16-QAM (QAM a 16 livelli) i dati da trasmettere sono divisi in gruppi di quattro bit (quadribit). Per effettuare una modulazione 16-QAM si fa variare la fase della portante (con la regola della 8-DPSK) a seconda dei tre ultimi bit componenti il quadribit, mentre il primo lo si utilizza per operare una modulazione di ampiezza sul segnale già modulato in fase.

La seguente tabella mostra la corrispondenza fra i valori del quadribit e le ampiezze e gli angoli di fase (secondo le raccomandazioni V.29 del C.C.I.T.T. ):

[Tabella dalla V.29]

La codifica viene ulteriormente aumentata con la modulazione 64-QAM, in grado di codificare gruppi di 6 bit.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

L’ADSL, acronimo di Asymmetric Digital Subscriber Line (letteralmente linea asimmetrica di abbonamento digitale), è una tecnologia di trasmissione dati utilizzata per l’accesso alla rete Internet ad alta velocità. Si parla di trasmissione asimmetrica perché la ricezione dei dati (download) avviene a velocità maggiore rispetto al loro invio (upload), soluzione ideale per l’utilizzo residenziale (infatti lo scaricamento dalla rete è usato più intensamente dell'upload) ma dovuta anche a ragioni tecniche.

L'ADSL utilizza il normale doppino telefonico che collega le singole utenze alla centrale dell’operatore. Si dice che questa tecnica viene usata per la connessione a Internet sul cosiddetto "ultimo miglio", ovvero il tratto di doppino telefonico tra il modem dell'utente e la centralina telefonica locale (più precisamente il Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM, il dispositivo elettronico che raccoglie i segnali digitali provenienti dai diversi utenti di una stessa zona).

Uno dei punti di forza delle tecnologie ADSL è la possibilità di usufruirne senza dover cambiare i cavi telefonici esistenti. Questo risultato è ottenuto al costo di una certa complessità tecnologica: le capacità fisiche della linea trasmissiva vengono sfruttate al limite, e ben oltre l'utilizzo per cui le linee stesse erano state progettate. Di conseguenza le prestazioni ottenibili dipendono fortemente dalla distanza dalla centrale, dalla qualità dei cavi, dalla presenza di eventuali disturbi elettromagnetici lungo la linea (interferenze da diafonia). La massima distanza dalla centrale che si può ottenere è pari a circa 5,5 km (oltre questo valore la velocità di trasmissione ADSL subisce un notevole degrado).

Il doppino telefonico in rame era stato progettato, e viene tuttora usato, per la comunicazione in voce, che utilizza frequenze tra 300 e 3.400 hertz, perché questa banda viene considerata come limite minimo per l'intelligibilità della voce umana, ma ha in realtà una banda passante di alcuni MHz. Per sfruttare tutta la banda effettivamente disponibile, vengono attualmente utilizzate tecniche di multiplazione a divisione di frequenza per separare il segnale vocale (sotto i 4 kHz) dal traffico dati (sopra i 25 kHz), e il traffico dati in upload da quello in download.  La separazione tra il segnale vocale e quello dati viene effettuato tramite appositi filtri denominati "splitter" posizionati presso il domicilio dell'utenza e nella centrale telefonica.

La banda totale del canale trasmissivo (il doppino) viene suddivisa in tre sottocanali. Il canale che occupa la parte più bassa delle frequenze è usato per il segnale vocale. Il canale tra 25 kHz e 160 kHz viene usato per l'upload, mentre quello da 240 kHz a 1,5 MHz (questi valori possono cambiare a seconda del tipo di ADSL) per il download.

 

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