Principi di comunicazione - Guida rapida

La parola comunicazione deriva dalla parola latina “commūnicāre”, che significa “condividere”. La comunicazione è il passaggio fondamentale per lo scambio di informazioni.

Ad esempio, un bambino in una culla, comunica con un grido che ha bisogno di sua madre. Una mucca muggisce rumorosamente quando è in pericolo. Una persona comunica con l'aiuto di una lingua. La comunicazione è il ponte da condividere.

Communication può essere definito come il processo di scambio di informazioni attraverso mezzi quali parole, azioni, segni, ecc., tra due o più individui.

Necessità di comunicazione

Per ogni essere vivente, pur coesistendo, si verifica la necessità dello scambio di alcune informazioni. Ogni volta che si presenta la necessità di uno scambio di informazioni, dovrebbero esistere alcuni mezzi di comunicazione. Mentre i mezzi di comunicazione possono essere qualsiasi cosa come gesti, segni, simboli o un linguaggio, la necessità di comunicazione è inevitabile.

Il linguaggio e i gesti svolgono un ruolo importante nella comunicazione umana, mentre i suoni e le azioni sono importanti per la comunicazione animale. Tuttavia, quando è necessario trasmettere un messaggio, è necessario stabilire una comunicazione.

Parti del sistema di comunicazione

Qualsiasi sistema che fornisce la comunicazione, è costituito dalle tre parti importanti e di base, come mostrato nella figura seguente.

• Il Senderè la persona che invia un messaggio. Potrebbe essere una stazione trasmittente da cui viene trasmesso il segnale.

• Il Channel è il mezzo attraverso il quale i segnali del messaggio viaggiano per raggiungere la destinazione.

• Il Receiverè la persona che riceve il messaggio. Potrebbe essere una stazione ricevente in cui viene ricevuto il segnale trasmesso.

Cos'è un segnale?

Trasmettere un'informazione con alcuni mezzi come gesti, suoni, azioni, ecc., Può essere definito come signaling. Quindi, un segnale può essere unsource of energy which transmits some information. Questo segnale aiuta a stabilire la comunicazione tra un mittente e un destinatario.

Un impulso elettrico o un'onda elettromagnetica che percorre una distanza per trasmettere un messaggio, può essere definito come a signal nei sistemi di comunicazione.

A seconda delle loro caratteristiche, i segnali sono principalmente classificati in due tipi: Analogico e Digitale. I segnali analogici e digitali vengono ulteriormente classificati, come mostrato nella figura seguente.

Segnale analogico

Un segnale variabile nel tempo continuo, che rappresenta una quantità variabile nel tempo, può essere definito come un Analog Signal. Questo segnale continua a variare rispetto al tempo, secondo i valori istantanei della grandezza che lo rappresenta.

Esempio

Consideriamo un rubinetto che riempie un serbatoio della capacità di 100 litri in un'ora (dalle 6:00 alle 7:00). La porzione di riempimento del serbatoio viene variata al variare del tempo. Ciò significa che dopo 15 minuti (6:15) la porzione di un quarto del serbatoio viene riempita, mentre alle 6:45 viene riempito 3/4 del serbatoio.

Se provi a tracciare le porzioni variabili di acqua nel serbatoio, in base al tempo variabile, apparirà come la figura seguente.

Poiché la risultante mostrata in questa immagine varia (aumenta) in base al tempo, questo time varying quantitypuò essere inteso come quantità analogica. Il segnale che rappresenta questa condizione con una linea inclinata in figura, è unAnalog Signal. La comunicazione basata su segnali analogici e valori analogici è chiamata comeAnalog Communication.

Segnale digitale

Un segnale di natura discreta o di forma non continua può essere definito come a Digital signal. Questo segnale ha valori individuali, indicati separatamente, che non sono basati sui valori precedenti, come se fossero derivati ​​in quel particolare istante di tempo.

Esempio

Consideriamo una classe con 20 studenti. Se viene tracciata la loro presenza in una settimana, sarà simile alla figura seguente.

In questa figura, i valori sono indicati separatamente. Ad esempio, la frequenza alla lezione del mercoledì è 20 mentre il sabato è 15. Questi valori possono essere considerati individualmente e separatamente o discretamente, quindi sono chiamati comediscrete values.

Le cifre binarie che hanno solo 1 e 0 sono per lo più chiamate digital values. Quindi, i segnali che rappresentano 1 e 0 sono anche chiamati comedigital signals. La comunicazione basata su segnali digitali e valori digitali è chiamata comeDigital Communication.

Segnale periodico

Qualsiasi segnale analogico o digitale, che ripete il suo schema per un periodo di tempo, è chiamato come a Periodic Signal. Questo segnale ha il suo modello continuato ripetutamente ed è facile da presumere o da calcolare.

Esempio

Se consideriamo un macchinario in un'industria, il processo che si svolge uno dopo l'altro è un procedimento continuo e ripetitivo. Ad esempio, l'approvvigionamento e la classificazione della materia prima, la lavorazione del materiale in lotti, il confezionamento di un carico di prodotti uno dopo l'altro ecc., Seguono ripetutamente una determinata procedura.

Tale processo, considerato analogico o digitale, può essere rappresentato graficamente come segue.

Segnale aperiodico

Qualsiasi segnale analogico o digitale, che non ripete il suo schema per un periodo di tempo, è chiamato come Aperiodic Signal. Questo segnale ha il suo modello continuato ma il modello non si ripete e non è così facile da assumere o da calcolare.

Esempio

La routine quotidiana di una persona, se considerata, consiste in molti tipi di lavori che richiedono intervalli di tempo diversi per lavori diversi. L'intervallo di tempo o il lavoro non si ripete continuamente. Ad esempio, una persona non si lava continuamente i denti dalla mattina alla sera, anche questo con lo stesso periodo di tempo.

Tale processo, considerato analogico o digitale, può essere rappresentato graficamente come segue.

In generale, i segnali che vengono utilizzati nei sistemi di comunicazione sono di natura analogica, che vengono trasmessi in analogico o convertiti in digitali e quindi trasmessi, a seconda delle esigenze.

Ma affinché un segnale venga trasmesso a distanza, senza l'effetto di alcuna interferenza esterna o aggiunta di rumore e senza essere svanito, deve subire un processo chiamato come Modulation, che verrà discusso nel prossimo capitolo.

Un segnale può essere qualsiasi cosa come un'onda sonora che esce quando gridi. Questo grido può essere udito solo fino a una certa distanza. Ma affinché la stessa onda viaggi su una lunga distanza, avrai bisogno di una tecnica che aggiunga forza a questo segnale, senza disturbare i parametri del segnale originale.

Cos'è la modulazione del segnale?

Un segnale che trasporta un messaggio deve essere trasmesso a distanza e per stabilire una comunicazione affidabile, è necessario utilizzare un segnale ad alta frequenza che non dovrebbe influenzare le caratteristiche originali del segnale del messaggio.

Le caratteristiche del segnale del messaggio, se cambiate, alterano anche il messaggio in esso contenuto. Quindi è un must prendersi cura del segnale del messaggio. Un segnale ad alta frequenza può viaggiare fino a una distanza maggiore, senza essere influenzato da disturbi esterni. Prendiamo l'aiuto di un segnale così ad alta frequenza che è chiamato come acarrier signalper trasmettere il nostro segnale di messaggio. Un tale processo è chiamato semplicemente Modulazione.

Modulation è il processo di modifica dei parametri del segnale portante, in accordo con i valori istantanei del segnale modulante.

Necessità di modulazione

I segnali in banda base non sono compatibili per la trasmissione diretta. Affinché un segnale del genere, per percorrere distanze maggiori, la sua forza deve essere aumentata modulando con un'onda portante ad alta frequenza, che non influisce sui parametri del segnale modulante.

Vantaggi della modulazione

L'antenna utilizzata per la trasmissione, doveva essere molto grande, se non fosse stata introdotta la modulazione. Il raggio di comunicazione viene limitato poiché l'onda non può viaggiare a una certa distanza senza essere distorta.

Di seguito sono riportati alcuni dei vantaggi per l'implementazione della modulazione nei sistemi di comunicazione.

• La dimensione dell'antenna si riduce.
• Non si verifica alcuna miscelazione del segnale.
• Il raggio di comunicazione aumenta.
• Si verifica il multiplexing dei segnali.
• È consentita la regolazione della larghezza di banda.
• La qualità della ricezione migliora.

Segnali nel processo di modulazione

Di seguito sono riportati i tre tipi di segnali nel processo di modulazione.

Messaggio o segnale modulante

Il segnale che contiene un messaggio da trasmettere, viene chiamato come a message signal. È un segnale in banda base, che deve subire il processo di modulazione per essere trasmesso. Quindi, è anche chiamato comemodulating signal.

Segnale portante

Il segnale ad alta frequenza che ha una certa fase, frequenza e ampiezza ma non contiene informazioni, è chiamato a carrier signal. È un segnale vuoto. Viene utilizzato solo per portare il segnale al ricevitore dopo la modulazione.

Segnale modulato

Il segnale risultante dopo il processo di modulazione, è chiamato come modulated signal. Questo segnale è una combinazione del segnale modulante e del segnale portante.

Tipi di modulazione

Esistono molti tipi di modulazioni. A seconda delle tecniche di modulazione utilizzate, sono classificate come mostrato nella figura seguente.

I tipi di modulazione sono generalmente classificati in modulazione a onda continua e modulazione a impulsi.

Modulazione a onda continua

Nella modulazione a onda continua, un'onda sinusoidale ad alta frequenza viene utilizzata come onda portante. Questo è ulteriormente suddiviso in ampiezza e modulazione angolare.

• Se l'ampiezza dell'onda portante ad alta frequenza viene variata in conformità con l'ampiezza istantanea del segnale modulante, allora una tale tecnica viene chiamata come Amplitude Modulation.

• Se l'angolo dell'onda portante viene variato, in conformità con il valore istantaneo del segnale modulante, allora una tale tecnica viene chiamata come Angle Modulation.

  La modulazione dell'angolo è ulteriormente suddivisa in frequenza e modulazione di fase.

  • Se la frequenza dell'onda portante viene variata, in conformità con il valore istantaneo del segnale modulante, allora una tale tecnica viene chiamata come Frequency Modulation.

  • Se la fase dell'onda portante ad alta frequenza viene variata in base al valore istantaneo del segnale modulante, allora una tale tecnica viene chiamata come Phase Modulation.

Modulazione di impulsi

Nella modulazione di impulsi, una sequenza periodica di impulsi rettangolari viene utilizzata come onda portante. Questo è ulteriormente suddiviso in modulazione analogica e digitale.

In analog modulation tecnica, se l'ampiezza, la durata o la posizione di un impulso viene variata in base ai valori istantanei del segnale di modulazione in banda base, tale tecnica è chiamata come Pulse Amplitude Modulation (PAM) o Pulse Duration/Width Modulation (PDM/PWM), o Pulse Position Modulation (PPM).

In digital modulation, la tecnica di modulazione utilizzata è Pulse Code Modulation (PCM)dove il segnale analogico viene convertito in forma digitale di 1 e 0. Poiché il risultato è un treno di impulsi codificato, questo è chiamato PCM. Questo è ulteriormente sviluppato comeDelta Modulation (DM), che sarà discusso nei capitoli successivi. Quindi, il PCM è una tecnica in cui i segnali analogici vengono convertiti in una forma digitale.

In qualsiasi sistema di comunicazione, durante la trasmissione del segnale, o durante la ricezione del segnale, qualche segnale indesiderato viene introdotto nella comunicazione, rendendolo sgradevole per il ricevitore, mettendo in dubbio la qualità della comunicazione. Un tale disturbo è chiamato comeNoise.

Cos'è il rumore?

Il rumore è un unwanted signalche interferisce con il segnale del messaggio originale e corrompe i parametri del segnale del messaggio. Questa alterazione nel processo di comunicazione, porta ad alterare il messaggio. È molto probabile che venga immesso nel canale o nel ricevitore.

Il segnale di rumore può essere compreso dando uno sguardo al seguente esempio.

Quindi, è chiaro che il rumore è un segnale che non ha pattern e nessuna frequenza o ampiezza costante. È abbastanza casuale e imprevedibile. Di solito vengono prese misure per ridurlo, sebbene non possa essere completamente eliminato.

Gli esempi più comuni di rumore sono:

• Hiss suono nei ricevitori radio

• Buzz suono in mezzo a conversazioni telefoniche

• Flicker in ricevitori televisivi, ecc.

Effetti del rumore

Il rumore è una caratteristica scomoda che influisce sulle prestazioni del sistema. Di seguito sono riportati gli effetti del rumore.

Il rumore limita il raggio di azione dei sistemi

Il rumore pone indirettamente un limite al segnale più debole che può essere amplificato da un amplificatore. L'oscillatore nel circuito del mixer può limitare la sua frequenza a causa del rumore. Il funzionamento di un sistema dipende dal funzionamento dei suoi circuiti. Il rumore limita il segnale più piccolo che un ricevitore è in grado di elaborare.

Il rumore influisce sulla sensibilità dei ricevitori

La sensibilità è la quantità minima di segnale di ingresso necessaria per ottenere l'uscita di qualità specificata. Il rumore influisce sulla sensibilità di un sistema ricevitore, che alla fine influisce sull'uscita.

Tipi di rumore

La classificazione del rumore viene effettuata in base al tipo di sorgente, all'effetto che mostra o alla relazione che ha con il ricevitore, ecc.

Ci sono due modi principali in cui viene prodotto il rumore. Uno è attraverso alcuniexternal source mentre l'altro è creato da un file internal source, all'interno della sezione ricevitore.

Fonte esterna

Questo rumore è prodotto dalle sorgenti esterne che possono verificarsi nel mezzo o canale di comunicazione, di solito. Questo rumore non può essere completamente eliminato. Il modo migliore è evitare che il rumore influenzi il segnale.

Esempi

Gli esempi più comuni di questo tipo di rumore sono:

• Rumore atmosferico (dovuto ad irregolarità nell'atmosfera).

• Rumore extraterrestre, come il rumore solare e il rumore cosmico.

• Rumore industriale.

Fonte interna

Questo rumore è prodotto dai componenti del ricevitore durante il funzionamento. I componenti nei circuiti, a causa del funzionamento continuo, possono produrre pochi tipi di rumore. Questo rumore è quantificabile. Un design corretto del ricevitore può ridurre l'effetto di questo rumore interno.

Esempi

Gli esempi più comuni di questo tipo di rumore sono:

• Rumore di agitazione termica (rumore di Johnson o rumore elettrico).

• Rumore dello sparo (dovuto al movimento casuale di elettroni e lacune).

• Rumore del tempo di transito (durante la transizione).

• Il rumore vario è un altro tipo di rumore che include sfarfallio, effetto di resistenza e rumore generato dal mixer, ecc.

Rapporto segnale-rumore

Signal-to-Noise Ratio (SNR) è il ratio of the signal power to the noise power. Maggiore è il valore di SNR, maggiore sarà la qualità dell'output ricevuto.

Il rapporto segnale / rumore in diversi punti può essere calcolato utilizzando le seguenti formule:

$$ Input \: SNR = (SNR) _I = \ frac {Average \: power \: of \: modulating \: signal} {Average \: power \: of \: noise \: at \: input} $$

$$ Output \: SNR = (SNR) _O = \ frac {Average \: power \: of \: demodulated \: signal} {Average \: power \: of \: noise \: at \: output} $$

Persona di merito

Il rapporto di output SNR to the input SNR può essere definito come il Figure of merit (F). È indicato daF. Descrive le prestazioni di un dispositivo.

$$ F = \ frac {(SNR) _O} {(SNR) _I} $$

La figura di merito di un ricevitore è:

$$ F = \ frac {(SNR) _O} {(SNR) _C} $$

È così perché per un ricevitore, il canale è l'ingresso.

Per analizzare un segnale, deve essere rappresentato. Questa rappresentazione nei sistemi di comunicazione è di due tipi:

• Rappresentazione nel dominio della frequenza e
• Rappresentazione nel dominio del tempo.

Considera due segnali con frequenze di 1 kHz e 2 kHz. Entrambi sono rappresentati nel dominio del tempo e della frequenza come mostrato nella figura seguente.

Analisi nel dominio del tempo, fornisce il comportamento del segnale in un determinato periodo di tempo. Nel dominio della frequenza, il segnale viene analizzato come una funzione matematica rispetto alla frequenza.

La rappresentazione nel dominio della frequenza è necessaria quando viene eseguita l'elaborazione del segnale come filtraggio, amplificazione e miscelazione.

Ad esempio, se si considera un segnale come il seguente, si comprende che in esso è presente del rumore.

La frequenza del segnale originale può essere di 1 kHz, ma il rumore di una certa frequenza, che corrompe questo segnale, è sconosciuto. Tuttavia, quando lo stesso segnale è rappresentato nel dominio della frequenza, utilizzando un analizzatore di spettro, viene tracciato come mostrato nella figura seguente.

Qui possiamo osservare poche armoniche, che rappresentano il rumore introdotto nel segnale originale. Quindi, la rappresentazione del segnale aiuta nell'analisi dei segnali.

L'analisi nel dominio della frequenza aiuta a creare i modelli d'onda desiderati. Ad esempio, i pattern di bit binari in un computer, i pattern di Lissajous in un CRO, ecc. L'analisi nel dominio del tempo aiuta a comprendere tali pattern di bit.

Tra i tipi di tecniche di modulazione, la classificazione principale è Modulazione ad onda continua e Modulazione di impulsi. Le tecniche di modulazione ad onda continua sono ulteriormente suddivise inAmplitude Modulation e Angle Modulation.

Un'onda continua continua senza intervalli ed è il segnale del messaggio in banda base che contiene le informazioni. Questa onda deve essere modulata.

Secondo la definizione standard, "L'ampiezza del segnale portante varia in base all'ampiezza istantanea del segnale modulante." Ciò significa che l'ampiezza del segnale portante che non contiene informazioni varia in base all'ampiezza del segnale, ad ogni istante, che contiene informazioni. Questo può essere ben spiegato dalle seguenti figure.

L'onda modulante che viene mostrata per prima è il segnale del messaggio. Il prossimo è l'onda portante, che è solo un segnale ad alta frequenza e non contiene informazioni. Mentre l'ultima è l'onda modulata risultante.

Si può osservare che i picchi positivi e negativi dell'onda portante, sono interconnessi con una linea immaginaria. Questa linea aiuta a ricreare la forma esatta del segnale modulante. Questa linea immaginaria sull'onda portante è chiamata comeEnvelope. È lo stesso del segnale del messaggio.

Espressione matematica

Di seguito sono riportate le espressioni matematiche per queste onde.

Rappresentazione nel dominio del tempo delle onde

Lascia che il segnale modulante sia -

$$ m (t) = A_mcos (2 \ pi f_mt) $$

Lascia che il segnale portante sia -

$$ c (t) = A_ccos (2 \ pi f_ct) $$

Dove A_m = ampiezza massima del segnale modulante

A_c = ampiezza massima del segnale portante

La forma standard di un'onda modulata in ampiezza è definita come:

$$ S (t) = A_c [1 + K_am (t)] cos (2 \ pi f_ct) $$

$$ S (t) = A_c [1+ \ mu cos (2 \ pi f_mt)] cos (2 \ pi f_ct) $$

$$ Dove, \ mu = K_aA_m $$

Indice di modulazione

Un'onda portante, dopo essere stata modulata, se viene calcolato il livello modulato, allora un tale tentativo viene chiamato come Modulation Index o Modulation Depth. Indica il livello di modulazione che un'onda portante subisce.

I valori massimo e minimo dell'inviluppo dell'onda modulata sono rappresentati rispettivamente da A _max e A _min .

Proviamo a sviluppare un'equazione per l'indice di modulazione.

$$ A_ {max} = A_c (1+ \ mu) $$

Poiché ad A _max il valore di cos θ è 1

$$ A_ {min} = A_c (1- \ mu) $$

Poiché, in A _min, il valore di cos θ è -1

$$ \ frac {A_ {max}} {A_ {min}} = \ frac {1+ \ mu} {1- \ mu} $$

$$ A_ {max} - \ mu A_ {max} = A_ {min} + \ mu A_ {min} $$

$$ - \ mu (A_ {max} + A_ {min}) = A_ {min} -A_ {max} $$

$$ \ mu = \ frac {A_ {max} -A_ {min}} {A_ {max} + A_ {min}} $$

Quindi, si ottiene l'equazione per l'indice di modulazione. µdenota l'indice di modulazione o la profondità di modulazione. Questo è spesso indicato in percentuale chiamata comePercentage Modulation. È l'entità della modulazione indicata in percentuale ed è indicata dam.

Per una modulazione perfetta, il valore dell'indice di modulazione dovrebbe essere 1, il che significa che la profondità di modulazione dovrebbe essere del 100%.

Ad esempio, se questo valore è inferiore a 1, ovvero l'indice di modulazione è 0,5, l'uscita modulata sarà simile alla figura seguente. Si chiama sotto-modulazione. Tale onda è chiamata come ununder-modulated wave.

Se il valore dell'indice di modulazione è maggiore di 1, ovvero 1,5 circa, l'onda sarà un over-modulated wave. Assomiglierebbe alla figura seguente.

All'aumentare del valore dell'indice di modulazione, la portante subisce un'inversione di fase di 180 °, che causa bande laterali aggiuntive e quindi l'onda viene distorta. Tale onda sovramodulata causa interferenze che non possono essere eliminate.

Larghezza di banda della modulazione di ampiezza

La larghezza di banda è la differenza tra le frequenze più basse e più alte del segnale.

Per l'onda modulata in ampiezza, la larghezza di banda è data da

$$ BW = f_ {USB} -f_ {LSB} $$

$$ (f_c + f_m) - (f_c-f_m) $$

$$ = 2f_m = 2W $$

Dove W è la larghezza di banda del messaggio

Quindi abbiamo capito che la larghezza di banda richiesta per l'onda modulata in ampiezza è il doppio della frequenza del segnale modulante.

Nel processo di modulazione di ampiezza o modulazione di fase, l'onda modulata è costituita dall'onda portante e da due bande laterali. Il segnale modulato ha le informazioni sull'intera banda tranne che sulla frequenza portante.

Banda laterale

UN Sidebandè una banda di frequenze, contenente potenza, che sono le frequenze più basse e più alte della frequenza portante. Entrambe le bande laterali contengono le stesse informazioni. La rappresentazione dell'onda modulata in ampiezza nel dominio della frequenza è come mostrato nella figura seguente.

Entrambe le bande laterali nell'immagine contengono le stesse informazioni. La trasmissione di un tale segnale che contiene una portante insieme a due bande laterali, può essere definita comeDouble Sideband Full Carrier sistema, o semplicemente DSB-FC. Viene tracciato come mostrato nella figura seguente.

Tuttavia, una tale trasmissione è inefficiente. Due terzi della potenza vengono sprecati nel vettore, che non trasporta informazioni.

Se questo vettore viene soppresso e l'energia risparmiata viene distribuita alle due bande laterali, tale processo viene chiamato Double Sideband Suppressed Carrier sistema, o semplicemente DSBSC. Viene tracciato come mostrato nella figura seguente.

Ora, abbiamo un'idea che, poiché le due bande laterali trasportano le stesse informazioni due volte, perché non possiamo sopprimere una banda laterale. Sì, è possibile.

Il processo di soppressione di una delle bande laterali, insieme alla portante e di trasmissione di una singola banda laterale è chiamato come Single Sideband Suppressed Carrier sistema, o semplicemente SSB-SC o SSB. Viene tracciato come mostrato nella figura seguente.

Questo sistema SSB-SC o SSB, che trasmette una singola banda laterale, ha un'elevata potenza, poiché la potenza assegnata sia alla portante che all'altra banda laterale viene utilizzata per trasmettere questo Single Sideband (SSB).

Quindi, la modulazione eseguita usando questa tecnica SSB è chiamata come SSB Modulation.

Modulazione a banda laterale - Vantaggi

I vantaggi della modulazione SSB sono:

• La larghezza di banda o lo spazio dello spettro occupato è inferiore ai segnali AM e DSB.

• È consentita la trasmissione di un numero maggiore di segnali.

• Il potere è risparmiato.

• È possibile trasmettere un segnale ad alta potenza.

• È presente una minore quantità di rumore.

• È meno probabile che si verifichi lo sbiadimento del segnale.

Modulazione a banda laterale - Svantaggi

Gli svantaggi della modulazione SSB sono:

• La generazione e il rilevamento del segnale SSB è un processo complesso.

• La qualità del segnale viene influenzata a meno che il trasmettitore e il ricevitore SSB non abbiano un'eccellente stabilità di frequenza.

Modulazione a banda laterale - Applicazioni

Le applicazioni della modulazione SSB sono:

• Per requisiti di risparmio energetico e requisiti di larghezza di banda ridotta.

• Nelle comunicazioni mobili terrestri, aeree e marittime.

• Nelle comunicazioni punto a punto.

• Nelle comunicazioni radio.

• In televisione, telemetria e comunicazioni radar.

• Nelle comunicazioni militari, come radioamatori, ecc.

In caso di modulazione SSB, quando una banda laterale viene fatta passare attraverso i filtri, il filtro passa banda potrebbe non funzionare perfettamente nella pratica. Di conseguenza, alcune delle informazioni potrebbero andare perse.

Quindi per evitare questa perdita, viene scelta una tecnica, che è un compromesso tra DSB-SC e SSB, chiamato come Vestigial Sideband (VSB)tecnica. La parola vestige che significa "una parte" da cui deriva il nome.

Banda laterale vestigiale

Entrambe le bande laterali non sono necessarie per la trasmissione, in quanto è uno spreco. Ma una singola banda, se trasmessa, porta alla perdita di informazioni. Quindi, questa tecnica si è evoluta.

Vestigial Sideband Modulation o VSB Modulation è il processo in cui una parte del segnale chiamata come vestigeè modulato, insieme a una banda laterale. È possibile tracciare un segnale VSB come mostrato nella figura seguente.

Insieme alla banda laterale superiore, con questa tecnica viene trasmessa anche una parte della banda laterale inferiore. Una fascia di protezione di larghezza molto ridotta è posta su entrambi i lati del VSB per evitare le interferenze. La modulazione VSB viene utilizzata principalmente nelle trasmissioni televisive.

Larghezza di banda di trasmissione

La larghezza di banda di trasmissione dell'onda modulata VSB è rappresentata come -

$$ B = (f_ {m} + f_ {v}) Hz $$

Dove,

f_m = Larghezza di banda del messaggio

f_v = Larghezza della banda laterale vestigiale

Modulazione VSB - Vantaggi

Di seguito sono riportati i vantaggi di VSB:

• Altamente efficiente.

• Riduzione della larghezza di banda.

• La progettazione del filtro è semplice poiché non è necessaria un'elevata precisione.

• La trasmissione di componenti a bassa frequenza è possibile, senza difficoltà.

• Possiede buone caratteristiche di fase.

Modulazione VSB - Svantaggi

Di seguito sono riportati gli svantaggi di VSB:

• La larghezza di banda rispetto a SSB è maggiore.

• La demodulazione è complessa.

Modulazione VSB - Applicazione

L'applicazione più importante e standard di VSB è per la trasmissione di television signals. Inoltre, questa è la tecnica più conveniente ed efficiente quando si considera l'utilizzo della larghezza di banda.

L'altro tipo di modulazione nella modulazione ad onda continua è il Angle Modulation. La modulazione angolare è il processo in cui la frequenza o la fase della portante varia in base al segnale del messaggio. Questo è ulteriormente suddiviso in frequenza e modulazione di fase.

• La modulazione di frequenza è il processo di variazione della frequenza del segnale portante linearmente con il segnale del messaggio.

• La modulazione di fase è il processo di variazione della fase del segnale portante linearmente con il segnale del messaggio.

Discutiamo ora questi argomenti in modo più dettagliato.

Modulazione di frequenza

Nella modulazione di ampiezza, l'ampiezza della portante varia. Ma nella modulazione di frequenza (FM), la frequenza del segnale portante varia in base all'ampiezza istantanea del segnale di modulazione.

L'ampiezza e la fase del segnale portante rimangono costanti mentre la frequenza della portante cambia. Questo può essere meglio compreso osservando le seguenti figure.

La frequenza dell'onda modulata rimane costante come la frequenza dell'onda portante quando il segnale del messaggio è a zero. La frequenza aumenta quando il segnale del messaggio raggiunge la sua ampiezza massima.

Ciò significa che, con l'aumento dell'ampiezza del segnale modulante o di messaggio, la frequenza portante aumenta. Allo stesso modo, con la diminuzione dell'ampiezza del segnale modulante, diminuisce anche la frequenza.

Rappresentazione matematica

Sia la frequenza portante f_c

La frequenza alla massima ampiezza del segnale del messaggio = f_c + Δf

La frequenza all'ampiezza minima del segnale del messaggio = f_c - Δf

La differenza tra la frequenza modulata FM e la frequenza normale è definita come Frequency Deviation ed è indicato da Δf.

La deviazione della frequenza del segnale portante da alta a bassa o da bassa ad alta può essere definita come Carrier Swing.

Portante Swing = 2 × deviazione di frequenza

= 2 × Δf

Equazione per FM WAVE

L'equazione per l'onda FM è:

$$ s (t) = A_ccos [W_ct + 2 \ pi k_fm (t)] $$

Dove,

A_c = l'ampiezza della portante

w_c = frequenza angolare della portante = 2πf_c

m(t) = segnale di messaggio

FM può essere suddiviso in Narrowband FM e Wideband FM.

FM a banda stretta

Le caratteristiche di Narrowband FM sono le seguenti:

• Questa modulazione di frequenza ha una larghezza di banda ridotta.

• L'indice di modulazione è piccolo.

• Il suo spettro è costituito da carrier, USB e LSB.

• Viene utilizzato nelle comunicazioni mobili come wireless della polizia, ambulanze, taxi, ecc.

FM a banda larga

Le caratteristiche di Wideband FM sono le seguenti:

• Questa modulazione di frequenza ha una larghezza di banda infinita.

• L'indice di modulazione è grande, cioè maggiore di 1.

• Il suo spettro è costituito da un vettore e un numero infinito di bande laterali, che si trovano intorno ad esso.

• Viene utilizzato nelle applicazioni di trasmissione di intrattenimento come radio FM, TV, ecc.

Modulazione di fase

Nella modulazione di frequenza, la frequenza della portante varia. Ma inPhase Modulation (PM), la fase del segnale portante varia in accordo con l'ampiezza istantanea del segnale modulante.

L'ampiezza e la frequenza del segnale portante rimangono costanti mentre la fase della portante cambia. Questo può essere meglio compreso osservando le seguenti figure.

La fase dell'onda modulata ha infiniti punti in cui può avvenire lo sfasamento in un'onda. L'ampiezza istantanea del segnale modulante, cambia la fase della portante. Quando l'ampiezza è positiva, la fase cambia in una direzione e se l'ampiezza è negativa, la fase cambia nella direzione opposta.

Relazione tra PM e FM

Il cambio di fase, cambia la frequenza dell'onda modulata. La frequenza dell'onda cambia anche la fase dell'onda. Sebbene siano imparentati, la loro relazione non è lineare. La modulazione di fase è un metodo indiretto per produrre FM. La quantità di spostamento di frequenza, prodotta da un modulatore di fase, aumenta con la frequenza di modulazione. Per compensare questo problema viene utilizzato un equalizzatore audio.

Equazione per l'onda PM

L'equazione per l'onda PM è -

$$ s (t) = A_ccos [W_ct + k_pm (t)] $$

Dove,

A_c = l'ampiezza della portante

w_c = frequenza angolare della portante = 2πf_c

m(t) = segnale di messaggio

La modulazione di fase viene utilizzata nei sistemi di comunicazione mobile, mentre la modulazione di frequenza viene utilizzata principalmente per la trasmissione FM.

Multiplexing è il processo di combinazione di più segnali in un segnale, su un mezzo condiviso.

• Il processo è chiamato come analog multiplexing se questi segnali sono di natura analogica.

• Se i segnali digitali sono multiplexati, viene chiamato come digital multiplexing.

Il multiplexing è stato sviluppato per la prima volta nella telefonia. Diversi segnali sono stati combinati per inviare attraverso un unico cavo. Il processo di multiplexing divide un canale di comunicazione in diversi numeri di canali logici, assegnando a ciascuno un diverso segnale di messaggio o un flusso di dati da trasferire. Il dispositivo che esegue il multiplexing può essere chiamato come fileMUX.

Il processo inverso, ovvero l'estrazione del numero di canali da uno, che viene eseguito sul ricevitore è chiamato come demultiplexing. Il dispositivo che esegue il demultiplexing è chiamato comeDEMUX.

Le figure seguenti illustrano il concetto di MUX e DEMUX. Il loro utilizzo principale è nel campo delle comunicazioni.

Tipi di multiplexer

Esistono principalmente due tipi di multiplexer, ovvero analogico e digitale. Sono ulteriormente suddivisi in FDM, WDM e TDM. La figura seguente fornisce un'idea dettagliata di questa classificazione.

Esistono molti tipi di tecniche di multiplexing. Di tutti, abbiamo i tipi principali con classificazione generale, menzionati nella figura sopra. Diamo un'occhiata a loro individualmente.

Multiplexing analogico

Le tecniche di multiplexing analogico coinvolgono segnali che sono di natura analogica. I segnali analogici vengono multiplexati in base alla loro frequenza (FDM) o lunghezza d'onda (WDM).

Multiplexing a divisione di frequenza

Nel multiplexing analogico, la tecnica più utilizzata è Frequency Division Multiplexing (FDM). Questa tecnica utilizza varie frequenze per combinare flussi di dati, per inviarli su un mezzo di comunicazione, come un unico segnale.

Example - Un trasmettitore televisivo tradizionale, che invia più canali tramite un unico cavo, utilizza FDM.

Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda

Il Wavelength Division Multiplexing (WDM) è una tecnica analogica, in cui molti flussi di dati di diverse lunghezze d'onda vengono trasmessi nello spettro della luce. Se la lunghezza d'onda aumenta, la frequenza del segnale diminuisce. All'uscita del MUX e all'ingresso del DEMUX può essere utilizzato un prisma che può trasformare diverse lunghezze d'onda in una singola linea.

Example - Le comunicazioni in fibra ottica utilizzano la tecnica WDM, per unire diverse lunghezze d'onda in un'unica luce per la comunicazione.

Multiplexing digitale

Il termine digitale rappresenta i bit discreti di informazione. Quindi, i dati disponibili sono sotto forma di frame o pacchetti, che sono discreti.

Multiplexing a divisione di tempo (TDM)

In TDM, l'intervallo di tempo è suddiviso in slot. Questa tecnica viene utilizzata per trasmettere un segnale su un singolo canale di comunicazione, assegnando uno slot per ogni messaggio.

Di tutti i tipi di TDM, i principali sono il TDM sincrono e quello asincrono.

TDM sincrono

In Synchronous TDM, l'ingresso è collegato a un frame. Se è presente un numero "n" di connessioni, il frame viene suddiviso in "n" intervalli di tempo. Uno slot è assegnato per ciascuna linea di ingresso.

In questa tecnica, la frequenza di campionamento è comune a tutti i segnali e quindi viene fornito lo stesso ingresso di clock. Il MUX alloca il filesame slot a ogni dispositivo in ogni momento.

TDM asincrono

In Asynchronous TDM, la frequenza di campionamento è diversa per ciascuno dei segnali e non è richiesto un clock comune. Se il dispositivo assegnato, per un intervallo di tempo, non trasmette nulla e rimane inattivo, lo èallotted to another dispositivo, a differenza di sincrono.

Questo tipo di TDM viene utilizzato nelle reti in modalità di trasferimento asincrono.

Demultiplexer

I demultiplexer vengono utilizzati per collegare una singola sorgente a più destinazioni. Questo processo è il contrario del multiplexing. Come accennato in precedenza, viene utilizzato principalmente sui ricevitori. DEMUX ha molte applicazioni. Viene utilizzato nei ricevitori nei sistemi di comunicazione. Viene utilizzato nell'unità logica e aritmetica dei computer per fornire alimentazione e trasmettere comunicazioni, ecc.

I demultiplexer vengono utilizzati come convertitori da seriale a parallelo. I dati seriali vengono forniti come input a DEMUX a intervalli regolari e ad esso è collegato un contatore per controllare l'uscita del demultiplexer.

Sia i multiplexer che i demultiplexer svolgono un ruolo importante nei sistemi di comunicazione, sia nelle sezioni trasmettitore che ricevitore.

Il multiplexing a divisione di frequenza viene utilizzato nei ricevitori radiofonici e televisivi. L'uso principale di FM è per le comunicazioni radio. Diamo un'occhiata alla struttura del trasmettitore FM e del ricevitore FM insieme ai loro schemi a blocchi e al loro funzionamento.

Trasmettitore fm

Il trasmettitore FM è l'intera unità che prende il segnale audio come ingresso e fornisce onde modulate FM all'antenna come uscita da trasmettere. Il trasmettitore FM è composto da 6 fasi principali. Sono illustrati nella figura seguente.

Il funzionamento del trasmettitore FM può essere spiegato come segue.

• Il segnale audio dall'uscita del microfono viene inviato al preamplificatore che aumenta il livello del segnale modulante.

• Questo segnale viene quindi passato al filtro passa alto, che funge da rete di pre-enfasi per filtrare il rumore e migliorare il rapporto segnale / rumore.

• Questo segnale viene ulteriormente passato al circuito del modulatore FM.

• Il circuito dell'oscillatore genera una portante ad alta frequenza, che viene fornita al modulatore insieme al segnale modulante.

• Diverse fasi del moltiplicatore di frequenza vengono utilizzate per aumentare la frequenza operativa. Anche allora, la potenza del segnale non è sufficiente per trasmettere. Quindi, un amplificatore di potenza RF viene utilizzato alla fine per aumentare la potenza del segnale modulato. Questa uscita modulata FM viene infine passata all'antenna per essere trasmessa.

Requisiti di un ricevitore

Un ricevitore radio viene utilizzato per ricevere segnali sia in banda AM che in banda FM. La rilevazione diAM è fatto dal metodo chiamato come Envelope Detection e la rilevazione di FM è fatto dal metodo chiamato come Frequency Discrimination.

Un tale ricevitore radio ha i seguenti requisiti.

• Dovrebbe essere conveniente.

• Dovrebbe ricevere segnali sia AM che FM.

• Il ricevitore dovrebbe essere in grado di sintonizzare e amplificare la stazione desiderata.

• Dovrebbe avere la capacità di rifiutare le stazioni indesiderate.

• La demodulazione deve essere eseguita su tutti i segnali della stazione, qualunque sia la frequenza portante.

Affinché questi requisiti vengano soddisfatti, il circuito del sintonizzatore e il circuito del mixer dovrebbero essere molto efficaci. La procedura di miscelazione RF è un fenomeno interessante.

Miscelazione RF

L'unità di miscelazione RF sviluppa un Intermediate Frequency (IF) in cui viene convertito qualsiasi segnale ricevuto, in modo da elaborare il segnale in modo efficace.

RF Mixer è una fase importante nel ricevitore. Vengono presi due segnali di frequenze diverse dove un livello di segnale influenza il livello dell'altro segnale, per produrre l'uscita mista risultante. I segnali di ingresso e l'uscita risultante del mixer sono illustrati nelle figure seguenti.

Quando due segnali entrano nel mixer RF,

• La prima frequenza del segnale = F₁

• La seconda frequenza del segnale = F₂

Quindi, le frequenze del segnale risultante = (F₁ + F₂) e (F₁ - F₂)

All'uscita viene prodotto un mixer di due segnali di frequenze diverse.

Se questo è osservato nel dominio della frequenza, il modello è simile alla figura seguente.

Il simbolo di un mixer RF è simile alla figura seguente.

I due segnali vengono miscelati per produrre un segnale risultante, in cui l'effetto di un segnale influisce sull'altro segnale ed entrambi producono un modello diverso come visto in precedenza.

Ricevitore FM

Il ricevitore FM è l'intera unità che prende il segnale modulato come ingresso e produce il segnale audio originale come uscita. I radioamatori sono i primi ricevitori radio. Tuttavia, hanno inconvenienti come scarsa sensibilità e selettività.

Selectivity è la selezione di un particolare segnale rifiutando gli altri. Sensitivity è la capacità di rilevare un segnale RF e demodularlo, al livello di potenza più basso.

Per superare questi inconvenienti, super heterodyneil ricevitore è stato inventato. Questo ricevitore FM è composto da 5 fasi principali. Sono come mostrato nella figura seguente.

Sezione sintonizzatore RF

Il segnale modulato ricevuto dall'antenna viene prima passato al tuner circuittramite un trasformatore. Il circuito del sintonizzatore non è altro che un circuito LC, chiamato anche comeresonant o tank circuit. Seleziona la frequenza, voluta dal radioricevitore. Inoltre, sintonizza contemporaneamente l'oscillatore locale e il filtro RF.

Mixer RF

Il segnale dall'uscita del sintonizzatore viene inviato a RF-IF converter, che funge da mixer. Ha un oscillatore locale, che produce una frequenza costante. Il processo di missaggio viene eseguito qui, avendo il segnale ricevuto come un ingresso e la frequenza dell'oscillatore locale come l'altro ingresso. L'output risultante è una miscela di due frequenze [(f ₁ + f ₂ ), (f ₁ - f ₂ )] prodotta dal mixer, che è chiamataIntermediate Frequency (IF).

La produzione di IF aiuta nella demodulazione di qualsiasi segnale di stazione con qualsiasi frequenza portante. Quindi, tutti i segnali vengono tradotti in una frequenza portante fissa per un'adeguata selettività.

Filtro IF

Il filtro di frequenza intermedia è un filtro passa banda, che fa passare la frequenza desiderata. Elimina tutti i componenti a frequenza più alta indesiderati presenti in esso così come il rumore. Il filtro IF aiuta a migliorare ilSignal to Noise Ratio (SNR).

Demodulatore

Il segnale modulato ricevuto viene ora demodulato con lo stesso processo utilizzato sul lato trasmettitore. La discriminazione di frequenza viene generalmente utilizzata per il rilevamento FM.

Amplificatore audio

Questo è lo stadio dell'amplificatore di potenza che viene utilizzato per amplificare il segnale audio rilevato. Al segnale elaborato viene data forza per essere efficace. Questo segnale viene trasmesso all'altoparlante per ottenere il segnale audio originale.

Questo ricevitore supereterodina è ben utilizzato per i suoi vantaggi come un migliore SNR, sensibilità e selettività.

Rumore in FM

La presenza di rumore è un problema anche in FM. Ogni volta che arriva un forte segnale di interferenza con una frequenza più vicina al segnale desiderato, il ricevitore blocca quel segnale di interferenza. Un tale fenomeno è chiamato come ilCapture effect.

Per aumentare l'SNR a frequenze di modulazione più elevate, viene chiamato un circuito passa alto preemphasis, viene utilizzato sul trasmettitore. Un altro circuito chiamatode-emphasis, il processo inverso di pre-enfasi viene utilizzato sul ricevitore, che è un circuito passa basso. I circuiti di preenfasi e deenfasi sono ampiamente utilizzati nei trasmettitori e ricevitori FM per aumentare efficacemente l'SNR in uscita.

Finora abbiamo discusso della modulazione ad onda continua. Ora è il momento dei segnali discreti. IlPulse modulationtecniche, si occupa di segnali discreti. Vediamo come convertire un segnale continuo in uno discreto. Il processo chiamato Sampling ci aiuta in questo.

Campionamento

Il processo di conversione dei segnali temporali continui in segnali temporali discreti equivalenti, può essere definito come Sampling. Un certo istante di dati viene continuamente campionato nel processo di campionamento.

La figura seguente indica un segnale a tempo continuo x(t) e un segnale campionato x_s(t). quandox(t) viene moltiplicato per un treno di impulsi periodici, il segnale campionato x_s(t) è ottenuto.

UN sampling signal è un treno periodico di impulsi, avente unit amplitude, campionato a intervalli di tempo uguali T_s, che è chiamato come Sampling time. Questi dati vengono trasmessi negli istanti di tempoT_s e il segnale portante viene trasmesso per il tempo rimanente.

Frequenza di campionamento

Per discretizzare i segnali, lo spazio tra i campioni dovrebbe essere corretto. Questo divario può essere definito comesampling period T_s.

$$ Campionamento \: Frequenza = \ frac {1} {T_s} = f_s $$

Dove,

T_s = il tempo di campionamento

f_s = la frequenza di campionamento o la velocità di campionamento

Teorema del campionamento

Considerando la frequenza di campionamento, dovrebbe essere considerato un punto importante riguardo a quanto deve essere la frequenza. Ilrate of sampling dovrebbe essere tale che i dati nel segnale del messaggio non vadano persi né si sovrappongano.

Il sampling theorem afferma che “un segnale può essere riprodotto esattamente se viene campionato alla velocità f_s che è maggiore o uguale al doppio della frequenza massima W. "

Per dirla in parole più semplici, per la riproduzione efficace del segnale originale, la frequenza di campionamento dovrebbe essere il doppio della frequenza più alta.

Che significa,

$$ f_s \ geq 2W $$

Dove,

f_s = la frequenza di campionamento

W è la frequenza più alta

Questa velocità di campionamento è chiamata come Nyquist rate.

Il teorema del campionamento, chiamato anche come Nyquist theorem, fornisce la teoria della frequenza di campionamento sufficiente in termini di larghezza di banda per la classe di funzioni che sono a banda limitata.

Per il segnale a tempo continuo x(t), il segnale a banda limitata nel dominio della frequenza può essere rappresentato come mostrato nella figura seguente.

Se il segnale viene campionato al di sopra della frequenza di Nyquist, è possibile recuperare il segnale originale. La figura seguente spiega un segnale, se campionato a una velocità superiore a 2w nel dominio della frequenza.

Se lo stesso segnale viene campionato a una velocità inferiore a 2w, il segnale campionato sarà simile alla figura seguente.

Possiamo osservare dal modello di cui sopra che viene eseguita la sovrapposizione di informazioni, il che porta alla confusione e alla perdita di informazioni. Questo fenomeno indesiderato di sovrapposizione è chiamato comeAliasing.

L'aliasing può essere definito "il fenomeno di una componente ad alta frequenza nello spettro di un segnale, che assume l'identità di una componente a frequenza inferiore nello spettro della sua versione campionata".

Quindi, il campionamento del segnale viene scelto per essere alla velocità di Nyquist, come è stato affermato nel teorema di campionamento. Se la frequenza di campionamento è uguale al doppio della frequenza più alta (2W).

Questo significa,

$$ f_s = 2W $$

Dove,

f_s = la frequenza di campionamento

W è la frequenza più alta

Il risultato sarà come mostrato nella figura sopra. Le informazioni vengono sostituite senza alcuna perdita. Quindi, questa è una buona frequenza di campionamento.

Dopo la modulazione a onda continua, la divisione successiva è la modulazione a impulsi. La modulazione dell'impulso è ulteriormente suddivisa in modulazione analogica e digitale. Le tecniche di modulazione analogica sono principalmente classificate in Modulazione di ampiezza dell'impulso, Modulazione della durata dell'impulso / Modulazione della durata dell'impulso e Modulazione della posizione dell'impulso.

Modulazione dell'ampiezza dell'impulso

Pulse Amplitude Modulation (PAM) è uno schema di modulazione analogico in cui l'ampiezza della portante dell'impulso varia proporzionalmente all'ampiezza istantanea del segnale del messaggio.

Il segnale modulato in ampiezza dell'impulso seguirà l'ampiezza del segnale originale, poiché il segnale traccia il percorso dell'intera onda. Nella PAM naturale, viene ricostruito un segnale campionato alla velocità di Nyquist, facendolo passare attraverso un efficienteLow Pass Frequency (LPF) con frequenza di taglio esatta

Le figure seguenti spiegano la modulazione dell'ampiezza dell'impulso.

Sebbene il segnale PAM passi attraverso un LPF, non può recuperare il segnale senza distorsione. Quindi, per evitare questo rumore, il campionamento flat-top viene eseguito come mostrato nella figura seguente.

Flat-top samplingè il processo in cui il segnale campionato può essere rappresentato in impulsi per i quali l'ampiezza del segnale non può essere modificata rispetto al segnale analogico da campionare. I massimi di ampiezza rimangono piatti. Questo processo semplifica la progettazione del circuito.

Modulazione della larghezza di impulso

Pulse Width Modulation (PWM) o Pulse Duration Modulation (PDM) o Pulse Time Modulation (PTM) è uno schema di modulazione analogico in cui la durata o l'ampiezza o il tempo della portante dell'impulso varia proporzionalmente all'ampiezza istantanea del segnale del messaggio.

L'ampiezza dell'impulso varia in questo metodo, ma l'ampiezza del segnale rimane costante. I limitatori di ampiezza vengono utilizzati per rendere costante l'ampiezza del segnale. Questi circuiti tagliano l'ampiezza, ad un livello desiderato e quindi il rumore è limitato.

Le figure seguenti spiegano i tipi di modulazioni di larghezza di impulso.

Esistono tre varianti di PWM. Sono -

• Il fronte di salita dell'impulso essendo costante, il fronte di discesa varia in base al segnale del messaggio.

• Poiché il fronte di uscita dell'impulso è costante, il fronte di salita varia in base al segnale del messaggio.

• Il centro dell'impulso essendo costante, il fronte di salita e il fronte di discesa variano a seconda del segnale del messaggio.

Questi tre tipi sono mostrati nella figura sopra riportata, con slot di temporizzazione.

Modulazione della posizione dell'impulso

Pulse Position Modulation (PPM) è uno schema modulante analogico in cui l'ampiezza e la larghezza degli impulsi sono mantenute costanti, mentre la posizione di ciascun impulso, con riferimento alla posizione di un impulso di riferimento, varia in base al valore istantaneo campionato del segnale di messaggio.

Il trasmettitore deve inviare impulsi di sincronizzazione (o semplicemente impulsi di sincronizzazione) per mantenere il trasmettitore e il ricevitore in sincronismo. Questi impulsi di sincronizzazione aiutano a mantenere la posizione degli impulsi. Le figure seguenti spiegano la modulazione della posizione dell'impulso.

La modulazione della posizione dell'impulso viene eseguita in base al segnale modulato in ampiezza dell'impulso. Ciascuna fine del segnale modulato in larghezza di impulso diventa il punto di partenza per gli impulsi nel segnale PPM. Quindi, la posizione di questi impulsi è proporzionale alla larghezza degli impulsi PWM.

Vantaggio

Poiché l'ampiezza e la larghezza sono costanti, anche la potenza gestita è costante.

Svantaggio

La sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore è un must.

Confronto tra PAM, PWM e PPM

Il confronto tra i suddetti processi di modulazione è presentato in un'unica tabella.

PAM	PWM	PPM
L'ampiezza è varia	La larghezza è varia	La posizione è varia
La larghezza di banda dipende dalla larghezza dell'impulso	La larghezza di banda dipende dal tempo di salita dell'impulso	La larghezza di banda dipende dal tempo di salita dell'impulso
La potenza del trasmettitore istantaneo varia con l'ampiezza degli impulsi	La potenza del trasmettitore istantaneo varia con l'ampiezza e la larghezza degli impulsi	La potenza istantanea del trasmettitore rimane costante con l'ampiezza degli impulsi
La complessità del sistema è elevata	La complessità del sistema è bassa	La complessità del sistema è bassa
L'interferenza del rumore è elevata	L'interferenza del rumore è bassa	L'interferenza del rumore è bassa
È simile alla modulazione di ampiezza	È simile alla modulazione di frequenza	È simile alla modulazione di fase

Finora abbiamo utilizzato diverse tecniche di modulazione. Quello che resta èdigital modulation, che rientra nella classificazione della modulazione di impulsi. La modulazione digitale ha la Pulse Code Modulation (PCM) come classificazione principale. Viene ulteriormente elaborato per la modulazione delta e l'ADM.

Modulazione del codice a impulsi

Un segnale è modulato in codice a impulsi per convertire le sue informazioni analogiche in una sequenza binaria, cioè 1 e 0. L'output di un filePulse Code Modulation (PCM)assomiglierà a una sequenza binaria. La figura seguente mostra un esempio di uscita PCM rispetto ai valori istantanei di una data onda sinusoidale.

Invece di un treno di impulsi, PCM produce una serie di numeri o cifre, e quindi questo processo è chiamato digitale. Ciascuna di queste cifre, sebbene in codice binario, rappresenta l'ampiezza approssimativa del campione di segnale in quell'istante.

In Pulse Code Modulation, il segnale del messaggio è rappresentato da una sequenza di impulsi codificati. Questo segnale di messaggio viene ottenuto rappresentando il segnale in forma discreta sia nel tempo che nell'ampiezza.

Elementi di base del PCM

La sezione trasmettitore di un circuito Pulse Code Modulator è costituita da Sampling, Quantizing e Encoding, che vengono eseguiti in analog-to-digital convertersezione. Il filtro passa basso prima del campionamento impedisce l'aliasing del segnale del messaggio.

Le operazioni di base nella sezione ricevitore sono regeneration of impaired signals, decoding, e reconstructiondel treno di impulsi quantizzato. La figura seguente è lo schema a blocchi del PCM che rappresenta gli elementi di base di entrambe le sezioni trasmettitore e ricevitore.

Filtro passa basso (LPF)

Questo filtro elimina le componenti ad alta frequenza presenti nel segnale analogico in ingresso che è maggiore della frequenza più alta del segnale del messaggio, per evitare l'aliasing del segnale del messaggio.

Campionatore

Questo è il circuito che utilizza la tecnica che aiuta a raccogliere i dati del campione a valori istantanei del segnale del messaggio, in modo da ricostruire il segnale originale. La frequenza di campionamento deve essere maggiore del doppio della componente di frequenza più altaW del segnale del messaggio, secondo il teorema di campionamento.

Quantizer

La quantizzazione è un processo per ridurre i bit in eccesso e limitare i dati. L'uscita campionata quando fornita al Quantizer, riduce i bit ridondanti e comprime il valore.

Codificatore

La digitalizzazione del segnale analogico viene eseguita dall'encoder. Designa ogni livello quantizzato da un codice binario. Il campionamento fatto qui è il processo di campionamento e mantenimento. Queste tre sezioni agiranno come un analogico per il convertitore digitale. La codifica riduce al minimo la larghezza di banda utilizzata.

Ripetitore rigenerativo

L'uscita del canale ha un circuito ripetitore rigenerativo per compensare la perdita di segnale e ricostruire il segnale. Aumenta anche la forza del segnale.

Decoder

Il circuito del decodificatore decodifica la forma d'onda codificata a impulsi per riprodurre il segnale originale. Questo circuito funge dademodulator.

Filtro di ricostruzione

Dopo che la conversione da digitale ad analogico è stata eseguita dal circuito rigenerativo e dal decodificatore, viene impiegato un filtro passa basso, chiamato filtro di ricostruzione per recuperare il segnale originale.

Quindi, il circuito Pulse Code Modulator digitalizza il segnale analogico fornito, lo codifica e lo campiona. Quindi trasmette in una forma analogica. L'intero processo viene ripetuto in modo inverso per ottenere il segnale originale.

Esistono poche tecniche di modulazione che vengono seguite per costruire un segnale PCM. Queste tecniche comesampling, quantization, e companding aiutano a creare un segnale PCM efficace, in grado di riprodurre esattamente il segnale originale.

Quantizzazione

La digitalizzazione dei segnali analogici comporta l'arrotondamento dei valori che sono approssimativamente uguali ai valori analogici. Il metodo di campionamento sceglie pochi punti sul segnale analogico e quindi questi punti vengono uniti per arrotondare il valore a un valore quasi stabilizzato. Un tale processo è chiamato comeQuantization.

La quantizzazione di un segnale analogico viene eseguita discretizzando il segnale con un numero di livelli di quantizzazione. La quantizzazione rappresenta i valori campionati dell'ampiezza da un insieme finito di livelli, il che significa convertire acontinuous-amplitude sample in un discrete-time signal.

La figura seguente mostra come viene quantizzato un segnale analogico. La linea blu rappresenta il segnale analogico mentre quella rossa rappresenta il segnale quantizzato.

Sia il campionamento che la quantizzazione comportano la perdita di informazioni. La qualità dell'output di un quantizzatore dipende dal numero di livelli di quantizzazione utilizzati. Le ampiezze discrete dell'uscita quantizzata sono chiamate comerepresentation levels o reconstruction levels. La spaziatura tra due livelli di rappresentazione adiacenti è chiamata aquantum o step-size.

Companding in PCM

La parola Companding è una combinazione di Compremendo ed Espanding, il che significa che fa entrambe le cose. Questa è una tecnica non lineare utilizzata in PCM che comprime i dati sul trasmettitore ed espande gli stessi dati sul ricevitore. Gli effetti di rumore e diafonia vengono ridotti utilizzando questa tecnica.

Esistono due tipi di tecniche di compressione.

Tecnica di compressione A-law

• La quantizzazione uniforme si ottiene a A = 1, dove la curva caratteristica è lineare e non c'è compressione.

• A-law ha metà altezza all'origine. Quindi, contiene un valore diverso da zero.

• Il companding di legge A viene utilizzato per i sistemi telefonici PCM.

• La legge A è usata in molte parti del mondo.

Tecnica di compressione µ-law

• La quantizzazione uniforme si ottiene a µ = 0, dove la curva caratteristica è lineare e non c'è compressione.

• µ-law ha un battistrada medio all'origine. Quindi, contiene un valore zero.

• La compressione µ-law viene utilizzata per i segnali vocali e musicali.

• µ-law è utilizzato in Nord America e Giappone.

PCM differenziale

I campioni altamente correlati, quando codificati con la tecnica PCM, lasciano informazioni ridondanti. Per elaborare queste informazioni ridondanti e avere un output migliore, è una saggia decisione prendere i valori campionati previsti, assunti dai suoi output precedenti e riassumerli con i valori quantizzati.

Tale processo è denominato come Differential PCM tecnica.

La frequenza di campionamento di un segnale dovrebbe essere superiore alla frequenza di Nyquist, per ottenere un campionamento migliore. Se questo intervallo di campionamento in un PCM differenziale (DPCM) viene ridotto considerevolmente, la differenza di ampiezza da campione a campione è molto piccola, come se la differenza fosse1-bit quantization, quindi la dimensione del gradino è molto piccola, ovvero Δ (delta).

Cos'è la modulazione delta?

Il tipo di modulazione, in cui la frequenza di campionamento è molto più alta e in cui la dimensione degli step dopo la quantizzazione è di valore inferiore Δ, una tale modulazione è definita come delta modulation.

Caratteristiche della modulazione delta

• Viene preso un input sovracampionato per sfruttare appieno una correlazione del segnale.

• Il design della quantizzazione è semplice.

• La sequenza di input è molto più alta del tasso di Nyquist.

• La qualità è moderata.

• Il design del modulatore e del demodulatore è semplice.

• L'approssimazione a gradini della forma d'onda di uscita.

• La dimensione del gradino è molto piccola, ovvero Δ (delta).

• Il bit rate può essere deciso dall'utente.

• Richiede un'implementazione più semplice.

La modulazione delta è una forma semplificata della tecnica DPCM, vista anche come schema DPCM a 1 bit. Poiché l'intervallo di campionamento viene ridotto, la correlazione del segnale sarà maggiore.

Modulatore delta

Il Delta Modulatorcomprende un quantizzatore a 1 bit e un circuito di ritardo insieme a due circuiti estivi. Di seguito è riportato lo schema a blocchi di un modulatore delta.

Una forma d'onda approssimata a gradini sarà l'uscita del modulatore delta con la dimensione del passo come delta (Δ). La qualità di uscita della forma d'onda è moderata.

Demodulatore Delta

Il demodulatore delta è composto da un filtro passa basso, un circuito estivo e un circuito di ritardo. Il circuito predittore viene eliminato qui e quindi non viene fornito alcun input presunto al demodulatore.

Di seguito è riportato lo schema a blocchi per il demodulatore delta.

Il filtro passa basso viene utilizzato per molte ragioni, ma quella più importante è l'eliminazione del rumore per i segnali fuori banda. Viene chiamato l'errore di dimensione del passo che può verificarsi sul trasmettitoregranular noise, che viene eliminato qui. Se non è presente alcun rumore, l'uscita del modulatore è uguale all'ingresso del demodulatore.

Vantaggi di DM rispetto a DPCM

• Quantizzatore a 1 bit
• Progettazione molto semplice di modulatore e demodulatore

Tuttavia, ce ne sono alcuni noise in DM e di seguito sono i tipi di rumore.

• Distorsione del carico eccessivo della pendenza (quando Δ è piccolo)
• Rumore granulare (quando Δ è grande)

Modulazione delta adattiva

Nella modulazione digitale, incontriamo alcuni problemi nel determinare la dimensione del passo, che influenza la qualità dell'onda in uscita.

La dimensione del gradino maggiore è necessaria nella ripida pendenza del segnale modulante e una dimensione del gradino più piccola è necessaria quando il messaggio ha una piccola pendenza. Di conseguenza, i minimi dettagli vengono persi. Quindi, sarebbe meglio se potessimo controllare la regolazione della dimensione del gradino, in base alle nostre esigenze, per ottenere il campionamento nel modo desiderato. Questo è il concetto diAdaptive Delta Modulation (ADM).

La modulazione digitale fornisce una maggiore capacità di informazioni, un'elevata sicurezza dei dati, una disponibilità del sistema più rapida con una comunicazione di grande qualità. Quindi, le tecniche di modulazione digitale hanno una maggiore richiesta, per la loro capacità di trasmettere quantità di dati maggiori rispetto a quelle analogiche.

Esistono molti tipi di tecniche di modulazione digitale e possiamo anche utilizzare una combinazione di queste tecniche. In questo capitolo discuteremo le tecniche di modulazione digitale più importanti.

Ampiezza Shift Keying

L'ampiezza dell'uscita risultante dipende dai dati di ingresso se deve essere un livello zero o una variazione di positivo e negativo, a seconda della frequenza portante.

Amplitude Shift Keying (ASK) è un tipo di modulazione di ampiezza che rappresenta i dati binari sotto forma di variazioni nell'ampiezza di un segnale.

Di seguito è riportato il diagramma per la forma d'onda modulata ASK insieme al suo ingresso.

Qualsiasi segnale modulato ha una portante ad alta frequenza. Il segnale binario quando ASK è modulato, fornisce un valore zero per l'ingresso LOW e fornisce l'uscita portante per l'ingresso HIGH.

Key Shift di frequenza

La frequenza del segnale di uscita sarà alta o bassa, a seconda dei dati di ingresso applicati.

Frequency Shift Keying (FSK)è la tecnica di modulazione digitale in cui la frequenza del segnale portante varia in base ai cambiamenti digitali discreti. FSK è uno schema di modulazione di frequenza.

Di seguito è riportato il diagramma per la forma d'onda modulata FSK insieme al suo ingresso.

L'uscita di un'onda modulata FSK è ad alta frequenza per un ingresso binario HIGH ed è a bassa frequenza per un ingresso binario LOW. Vengono chiamati gli 1 e gli 0 binariMark e Space frequencies.

Phase Shift Keying

La fase del segnale di uscita viene spostata a seconda dell'ingresso. Questi sono principalmente di due tipi, vale a dire BPSK e QPSK, a seconda del numero di sfasamenti. L'altro è DPSK che cambia la fase in base al valore precedente.

Phase Shift Keying (PSK)è la tecnica di modulazione digitale in cui la fase del segnale portante viene modificata variando gli ingressi seno e coseno in un determinato momento. La tecnica PSK è ampiamente utilizzata per LAN wireless, operazioni biometriche, contactless, insieme a comunicazioni RFID e Bluetooth.

Il PSK è di due tipi, a seconda delle fasi in cui il segnale viene spostato. Sono -

Binary Phase Shift Keying (BPSK)

Questo è anche chiamato come 2-phase PSK (o) Phase Reversal Keying. In questa tecnica, la portante dell'onda sinusoidale accetta due inversioni di fase come 0 ° e 180 °.

BPSK è fondamentalmente uno schema di modulazione DSB-SC (Double Sideband Suppressed Carrier), poiché il messaggio è l'informazione digitale.

Di seguito è riportata l'immagine dell'onda di uscita modulata BPSK insieme al suo ingresso.

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)

Questa è la tecnica di key shift di fase, in cui la portante dell'onda sinusoidale accetta quattro inversioni di fase come 0 °, 90 °, 180 ° e 270 °.

Se questo tipo di tecniche viene ulteriormente esteso, il PSK può essere eseguito anche di otto o sedici valori, a seconda del requisito. La figura seguente rappresenta la forma d'onda QPSK per due bit di ingresso, che mostra il risultato modulato per diverse istanze di ingressi binari.

QPSK è una variazione di BPSK ed è anche uno schema di modulazione DSB-SC (Double Sideband Suppressed Carrier), che invia due bit di informazioni digitali alla volta, chiamato come bigits.

Invece di convertire i bit digitali in una serie di flussi digitali, li converte in coppie di bit. Ciò riduce la velocità in bit dei dati a metà, lasciando spazio per gli altri utenti.

Differential Phase Shift Keying (DPSK)

In DPSK (Differential Phase Shift Keying) la fase del segnale modulato viene spostata rispetto al precedente elemento di segnale. Nessun segnale di riferimento è considerato qui. La fase del segnale segue lo stato alto o basso dell'elemento precedente. Questa tecnica DPSK non necessita di un oscillatore di riferimento.

La figura seguente rappresenta la forma d'onda del modello di DPSK.

Si vede dalla figura sopra che, se il bit di dati è BASSO, cioè 0, la fase del segnale non viene invertita, ma continua come prima. Se i dati sono ALTI, cioè 1, la fase del segnale viene invertita, come con NRZI, invertita su 1 (una forma di codifica differenziale).

Se osserviamo la forma d'onda sopra, possiamo dire che lo stato ALTO rappresenta un M nel segnale modulante e lo stato LOW rappresenta a W nel segnale modulante.

La parola binario rappresenta due bit. M rappresenta semplicemente una cifra che corrisponde al numero di condizioni, livelli o combinazioni possibili per un dato numero di variabili binarie.

Questo è il tipo di tecnica di modulazione digitale utilizzata per la trasmissione dei dati in cui invece di un bit, due o more bits are transmitted at a time. Poiché un singolo segnale viene utilizzato per la trasmissione a più bit, la larghezza di banda del canale viene ridotta.

Equazione di M-ary

Se un segnale digitale viene fornito in quattro condizioni, come livelli di tensione, frequenze, fasi e ampiezza, allora M = 4.

Il numero di bit necessari per produrre un dato numero di condizioni è espresso matematicamente come

$$ N = \ log_ {2} M $$

Dove,

N è il numero di bit necessari.

M è il numero di condizioni, livelli o combinazioni possibili con N bit.

L'equazione di cui sopra può essere riorganizzata come -

$$ 2 ^ {N} = M $$

Ad esempio, con due bit, 2² = 4 le condizioni sono possibili.

Tipi di tecniche M-ariane

In generale, (M-ary) Le tecniche di modulazione multilivello vengono utilizzate nelle comunicazioni digitali come ingressi digitali con più di due livelli di modulazione consentiti sull'ingresso del trasmettitore. Quindi, queste tecniche sono efficienti in termini di larghezza di banda.

Esistono molte diverse tecniche di modulazione M-ary. Alcune di queste tecniche modulano un parametro del segnale portante, come ampiezza, fase e frequenza.

M-ary ASK

Questo è chiamato M-ary Amplitude Shift Keying (M-ASK) o M-ary Pulse Amplitude Modulation (PAM).

L'ampiezza del segnale portante, assume M diversi livelli.

Rappresentanza di M-ary ASK

$$ S_m (t) = A_mcos (2 \ pi f_ct) \: \: \: \: \: \: A_m \ epsilon {(2m-1-M) \ Delta, m = 1,2 .... M } \: \: \: e \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_s $$

Questo metodo è utilizzato anche in PAM. La sua implementazione è semplice. Tuttavia, M-ary ASK è suscettibile al rumore e alla distorsione.

M-ary FSK

Questo è chiamato come M-ary Frequency Shift Keying.

La frequenza del segnale portante, assume M diversi livelli.

Rappresentazione di M-ary FSK

$$ S_ {i} (t) = \ sqrt {\ frac {2E_ {s}} {T_ {S}}} \ cos \ lgroup \ frac {\ Pi} {T_ {s}} (n_ {c} + i) t \ rgroup \: \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_ {s} \: \: \: e \: \: \: i = 1,2 ..... M $$

dove $ f_ {c} = \ frac {n_ {c}} {2T_ {s}} $ per un numero intero fisso n.

Questo non è suscettibile al rumore tanto quanto ASK. Il trasmessoMnumero di segnali sono uguali in energia e durata. I segnali sono separati da $ \ frac {1} {2T_s} $Hz rendendo i segnali ortogonali tra loro.

Da Mi segnali sono ortogonali, non c'è affollamento nello spazio del segnale. L'efficienza della larghezza di banda di un FSK M-ary diminuisce e l'efficienza energetica aumenta con l'aumento di M.

M-ary PSK

Questo è chiamato come M-ary Phase Shift Keying.

Il phase del segnale portante, assume M diversi livelli.

Rappresentazione di M-ary PSK

$$ S_ {i} (t) = \ sqrt {\ frac {2E} {T}} \ cos (w_ {0} t + \ emptyset_ {i} t) \: \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_ {s} \: \: \: e \: \: \: i = 1,2 ..... M $$

$$ \ emptyset_ {i} t = \ frac {2 \ Pi i} {M} \: \: \: dove \: \: i = 1,2,3 ... \: ... M $$

Qui, l'inviluppo è costante con più possibilità di fase. Questo metodo è stato utilizzato durante i primi giorni della comunicazione spaziale. Ha prestazioni migliori di ASK e FSK. Errore minimo di stima di fase sul ricevitore.

L'efficienza della larghezza di banda di M-ary PSK diminuisce e l'efficienza energetica aumenta con l'aumento di M. Finora abbiamo discusso diverse tecniche di modulazione. L'output di tutte queste tecniche è una sequenza binaria, rappresentata come 1 e 0. Queste informazioni binarie o digitali hanno molti tipi e forme, che vengono discussi ulteriormente.

L'informazione è la fonte di un sistema di comunicazione, sia esso analogico o digitale. Information theory è un approccio matematico allo studio della codifica delle informazioni insieme alla quantificazione, archiviazione e comunicazione delle informazioni.

Condizioni di accadimento degli eventi

Se consideriamo un evento, ci sono tre condizioni di accadimento.

• Se l'evento non si è verificato, esiste una condizione di uncertainty.

• Se l'evento si è appena verificato, esiste una condizione di surprise.

• Se l'evento è accaduto, tempo fa, c'è la condizione per averne information.

Quindi, questi tre si verificano in momenti diversi. La differenza di queste condizioni, ci aiuta ad avere una conoscenza sulle probabilità di accadimento degli eventi.

Entropia

Quando osserviamo le possibilità di accadimento di un evento, indipendentemente dal fatto che sia sorprendente o incerto, significa che stiamo cercando di avere un'idea sul contenuto medio delle informazioni dalla fonte dell'evento.

Entropy può essere definito come una misura del contenuto medio di informazioni per simbolo sorgente. Claude Shannon, il "padre della teoria dell'informazione", ha dato una formula come

$$ H = - \ sum_ {i} p_i \ log_ {b} p_i $$

Dove $ p_i $ è la probabilità che si verifichi il numero di carattere ida un dato flusso di caratteri eb è la base dell'algoritmo utilizzato. Quindi, questo è anche chiamato comeShannon’s Entropy.

La quantità di incertezza rimanente sull'ingresso del canale dopo aver osservato l'uscita del canale, è chiamata come Conditional Entropy. È indicato con $ H (x \ arrowvert y) $

Sorgente senza memoria discreta

Una sorgente da cui i dati vengono emessi a intervalli successivi, che è indipendente dai valori precedenti, può essere definita come discrete memoryless source.

Questa sorgente è discreta in quanto non viene considerata per un intervallo di tempo continuo, ma a intervalli di tempo discreti. Questa sorgente è priva di memoria in quanto è fresca in ogni istante di tempo, senza considerare i valori precedenti.

Codifica sorgente

Secondo la definizione, "Data una sorgente di entropia discreta priva di memoria $ H (\ delta) $, la lunghezza media della parola in codice $ \ bar {L} $ per qualsiasi codifica sorgente è limitata come $ \ bar {L} \ geq H (\ delta) $ ".

In parole più semplici, la parola in codice (ad esempio: il codice Morse per la parola QUEUE è -.- ..-. ..-.) È sempre maggiore o uguale al codice sorgente (QUEUE nell'esempio). Ciò significa che i simboli nella parola in codice sono maggiori o uguali agli alfabeti nel codice sorgente.

Codifica dei canali

La codifica del canale in un sistema di comunicazione, introduce ridondanza con un controllo, in modo da migliorare l'affidabilità del sistema. La codifica sorgente riduce la ridondanza per migliorare l'efficienza del sistema.

La codifica dei canali consiste in due parti dell'azione.

• Mapping sequenza di dati in arrivo in una sequenza di ingresso di canale.

• Inverse mapping la sequenza di uscita del canale in una sequenza di dati di uscita.

L'obiettivo finale è ridurre al minimo l'effetto complessivo del rumore del canale.

La mappatura viene eseguita dal trasmettitore, con l'ausilio di un codificatore, mentre la mappatura inversa viene eseguita sul ricevitore da un decodificatore.

Una classe collettiva di tecniche di segnalazione viene impiegata prima di trasmettere un segnale per fornire una comunicazione sicura, nota come Spread Spectrum Modulation. Il vantaggio principale della tecnica di comunicazione a spettro esteso è prevenire le "interferenze" intenzionali o non intenzionali.

I segnali modulati con queste tecniche sono difficili da interferire e non possono essere disturbati. Un intruso senza accesso ufficiale non è mai autorizzato a decifrarli. Quindi queste tecniche sono utilizzate per scopi militari. Questi segnali a spettro esteso trasmettono a bassa densità di potenza e hanno un'ampia diffusione di segnali.

Sequenza pseudo-rumore

Una sequenza codificata di 1 e 0 con determinate proprietà di autocorrelazione, chiamata come PseudoNoise coding sequenceè utilizzato nelle tecniche a spettro esteso. È una sequenza di lunghezza massima, che è un tipo di codice ciclico.

Segnale a banda stretta

I segnali a banda stretta hanno la potenza del segnale concentrata come mostrato nello spettro di frequenza nella figura seguente.

Ecco le caratteristiche dei segnali a banda stretta:

• La banda dei segnali occupa una gamma ristretta di frequenze.
• La densità di potenza è alta.
• La diffusione dell'energia è bassa e concentrata.

Sebbene le caratteristiche siano buone, questi segnali sono soggetti a interferenze.

Segnali a spettro diffuso

I segnali a spettro esteso hanno la potenza del segnale distribuita come mostrato nella figura seguente dello spettro di frequenza.

Ecco le caratteristiche dei segnali a spettro esteso:

• La banda dei segnali occupa un'ampia gamma di frequenze.
• La densità di potenza è molto bassa.
• L'energia è diffusa.

Con queste caratteristiche, i segnali a spettro esteso sono altamente resistenti alle interferenze o ai disturbi. Poiché più utenti possono condividere la stessa larghezza di banda a spettro esteso senza interferire tra loro, questi possono essere chiamatimultiple access techniques.

Le tecniche di accesso multiplo a spettro esteso utilizzano segnali che hanno una larghezza di banda di trasmissione la cui ampiezza è maggiore della larghezza di banda RF minima richiesta.

I segnali a spettro esteso possono essere classificati in due categorie:

• Spettro di diffusione con salto di frequenza (FHSS)
• Spettro di diffusione in sequenza diretta (DSSS)

Spettro di diffusione con salto di frequenza

Questa è la tecnica di salto di frequenza, in cui gli utenti sono costretti a cambiare le frequenze di utilizzo, da una all'altra in un intervallo di tempo specificato, quindi è chiamata come frequency hopping.

Ad esempio, una frequenza è stata assegnata al mittente 1 per un determinato periodo di tempo. Ora, dopo un po ', il mittente 1 salta all'altra frequenza e il mittente 2 utilizza la prima frequenza, che era stata precedentemente utilizzata da mittente1. Questo è chiamato comefrequency reuse.

Le frequenze dei dati vengono spostate da una all'altra per fornire una trasmissione sicura. La quantità di tempo trascorso su ogni salto di frequenza è chiamata comeDwell time.

Spettro di diffusione della sequenza diretta

Ogni volta che un utente desidera inviare dati utilizzando questa tecnica DSSS, ogni bit dei dati dell'utente viene moltiplicato per un codice segreto, chiamato codice di scheggiatura. Questochipping codenon è altro che il codice di diffusione che viene moltiplicato con il messaggio originale e trasmesso. Il destinatario utilizza lo stesso codice per recuperare il messaggio originale.

Questo DSSS è anche chiamato come Code Division Multiple Access (CDMA).

Confronto tra FHSS e DSSS / CDMA

Entrambe le tecniche di spettro diffuso sono popolari per le loro caratteristiche. Per avere una chiara comprensione, diamo uno sguardo ai loro confronti.

FHSS	DSSS / CDMA
Vengono utilizzate più frequenze	Viene utilizzata una singola frequenza
Difficile trovare la frequenza dell'utente in qualsiasi istante di tempo	La frequenza dell'utente, una volta assegnata, è sempre la stessa
È consentito il riutilizzo della frequenza	Il riutilizzo della frequenza non è consentito
Il mittente non deve aspettare	Il mittente deve attendere se lo spettro è occupato
La potenza del segnale è alta	La potenza del segnale è bassa
È più forte e penetra attraverso gli ostacoli	È più debole rispetto a FHSS
Non è mai influenzato da interferenze	Può essere influenzato da interferenze
È più economico	È costoso
Questa è la tecnica maggiormente utilizzata	Questa tecnica non è usata frequentemente

Vantaggi dello spettro di diffusione

Di seguito sono riportati i vantaggi di Spread Spectrum.

• Eliminazione del cross-talk
• Risultati migliori con integrità dei dati
• Ridotto l'effetto di dissolvenza multipath
• Migliore sicurezza
• Riduzione del rumore
• Coesistenza con altri sistemi
• Distanze operative più lunghe
• Difficile da rilevare
• Difficile da demodulare / decodificare
• Più difficile bloccare i segnali

Sebbene le tecniche a spettro esteso fossero originariamente progettate per usi militari, ora vengono ampiamente utilizzate come scopo commerciale.

Le tecniche di comunicazione digitale discusse finora hanno portato al progresso nello studio delle comunicazioni sia ottiche che satellitari. Diamo un'occhiata a loro.

Fibra ottica

Una fibra ottica può essere intesa come una guida d'onda dielettrica, che opera a frequenze ottiche. Il dispositivo o tubo, se piegato o terminato per irradiare energia, è chiamato awaveguide, in generale. L'immagine seguente mostra un mucchio di cavi in ​​fibra ottica.

L'energia elettromagnetica viaggia attraverso di essa sotto forma di luce. La propagazione della luce, lungo una guida d'onda, può essere descritta in termini di un insieme di onde elettromagnetiche guidate, chiamate comemodes della guida d'onda.

Principio di funzionamento

Un parametro ottico fondamentale di cui si dovrebbe avere un'idea, mentre si studia la fibra ottica lo è Refractive index. Per definizione, “Il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella nella materia è l'indice di rifrazionendel materiale. " È rappresentato come -

$$ n = \ frac {c} {v} $$

Dove,

c= la velocità della luce nello spazio libero = 3 × 10 ⁸ m / s

v = la velocità della luce in materiale dielettrico o non conduttore

Generalmente, per un raggio di luce viaggiante, reflectionavviene quando n ₂ <n ₁ . L'inclinazione del raggio luminoso all'interfaccia è il risultato della differenza nella velocità della luce in due materiali che hanno indici di rifrazione differenti. La relazione tra questi angoli all'interfaccia può essere definita comeSnell’s law. È rappresentato come -

$$ n_1sin \ phi _1 = n_2sin \ phi _2 $$

Dove,

$ \ phi _1 $ è l'angolo di incidenza

$ \ phi _2 $ è l'angolo di rifrazione

n ₁ e n ₂ sono gli indici di rifrazione di due materiali

Per un materiale otticamente denso, se la riflessione avviene all'interno dello stesso materiale, allora un tale fenomeno viene chiamato come internal reflection. L'angolo incidente e l'angolo di rifrazione sono mostrati nella figura seguente.

Se l'angolo di incidenza $ \ phi _1 $ è molto maggiore, l'angolo di rifrazione $ \ phi _2 $ in un punto diventa Π / 2. Ulteriore rifrazione non è possibile oltre questo punto. Quindi, un tale punto è chiamato comeCritical angle $\phi _c$. Quando l'angolo incidente $ \ phi _1 $ è maggiore dell'angolo critico, la condizione pertotal internal reflection è soddisfatto.

La figura seguente mostra chiaramente questi termini.

Un raggio di luce, se passato in un bicchiere, in tali condizioni, viene totalmente riflesso nel vetro senza che la luce fuoriesca dalla superficie del vetro.

Parti di una fibra

La fibra ottica più comunemente usata è single solid di-electric cylinder di raggio ae indice di rifrazione n ₁ . La figura seguente spiega le parti di una fibra ottica.

Questo cilindro è noto come Coredella fibra. Un solido materiale dielettrico circonda il nucleo, chiamato comeCladding. Il rivestimento ha un indice di rifrazione n ₂ che è inferiore a n ₁ .

Il rivestimento aiuta a -

• Riduzione delle perdite di dispersione.
• Aggiunge resistenza meccanica alla fibra.
• Protegge il nucleo dall'assorbimento di contaminanti superficiali indesiderati.

Tipi di fibre ottiche

A seconda della composizione del materiale del nucleo, ci sono due tipi di fibre comunemente usate. Sono -

• Step-index fiber - L'indice di rifrazione del nucleo è uniforme in tutto e subisce un brusco cambiamento (o gradino) al confine del rivestimento.

• Graded-index fiber - L'indice di rifrazione del nucleo è fatto variare in funzione della distanza radiale dal centro della fibra.

Entrambi sono ulteriormente suddivisi in:

• Single-mode fiber - Questi sono eccitati dal laser.

• Multi-mode fiber - Questi sono eccitati dal LED.

Comunicazioni in fibra ottica

Il sistema di comunicazione della fibra ottica è ben compreso studiandone le parti e le sezioni. Gli elementi principali di un sistema di comunicazione in fibra ottica sono mostrati nella figura seguente.

I componenti di base sono il trasmettitore del segnale luminoso, la fibra ottica e il ricevitore di rilevamento foto. Gli elementi aggiuntivi come giunzioni e connettori di fibre e cavi, rigeneratori, divisori di fascio e amplificatori ottici vengono utilizzati per migliorare le prestazioni del sistema di comunicazione.

Vantaggi funzionali

I vantaggi funzionali delle fibre ottiche sono:

• La larghezza di banda di trasmissione dei cavi in ​​fibra ottica è superiore a quella dei cavi metallici.

• La quantità di trasmissione dati è maggiore nei cavi in ​​fibra ottica.

• La perdita di potenza è molto bassa e quindi utile nelle trasmissioni a lunga distanza.

• I cavi in ​​fibra ottica offrono un'elevata sicurezza e non possono essere intercettati.

• I cavi in ​​fibra ottica sono il modo più sicuro per la trasmissione dei dati.

• I cavi in ​​fibra ottica sono immuni alle interferenze elettromagnetiche.

• Questi non sono influenzati dal rumore elettrico.

Vantaggi fisici

I vantaggi fisici dei cavi in ​​fibra ottica sono:

• La capacità di questi cavi è molto superiore a quella dei cavi in ​​rame.

• Sebbene la capacità sia maggiore, la dimensione del cavo non aumenta come nel sistema di cablaggio con fili di rame.

• Lo spazio occupato da questi cavi è molto inferiore.

• Il peso di questi cavi FOC è molto più leggero di quelli in rame.

• Poiché questi cavi sono dielettrici, non sono presenti rischi di scintille.

• Questi cavi sono più resistenti alla corrosione dei cavi in ​​rame, poiché si piegano facilmente e sono flessibili.

• La materia prima per la produzione di cavi in ​​fibra ottica è il vetro, che è più economico del rame.

• I cavi in ​​fibra ottica durano più a lungo dei cavi in ​​rame.

Svantaggi

Sebbene le fibre ottiche offrano molti vantaggi, presentano i seguenti inconvenienti:

• Sebbene i cavi in ​​fibra ottica durino più a lungo, il costo di installazione è elevato.

• Il numero di ripetitori deve essere aumentato con la distanza.

• Sono fragili se non racchiusi in una guaina di plastica. Quindi, è necessaria una maggiore protezione rispetto a quelle in rame.

Applicazioni della fibra ottica

Le fibre ottiche hanno molte applicazioni. Alcuni di loro sono i seguenti:

• Utilizzato nei sistemi telefonici

• Utilizzato nelle reti via cavo sottomarine

• Utilizzato nel collegamento dati per reti di computer, sistemi CATV

• Utilizzato nelle telecamere di sorveglianza CCTV

• Utilizzato per collegare vigili del fuoco, polizia e altri servizi di emergenza.

• Utilizzato in ospedali, scuole e sistemi di gestione del traffico.

• Hanno molti usi industriali e utilizzati anche per costruzioni pesanti.

UN satellite è un corpo che si muove intorno a un altro corpo in un percorso matematicamente prevedibile chiamato Orbit. Un satellite per comunicazioni non è altro che una stazione ripetitore a microonde nello spazio che è utile nelle telecomunicazioni, radio e televisione insieme alle applicazioni Internet.

UN repeaterè un circuito che aumenta la forza del segnale che riceve e lo ritrasmette. Ma qui questo ripetitore funziona come un filetransponder, che cambia la banda di frequenza del segnale trasmesso da quella ricevuta.

Viene chiamata la frequenza con cui il segnale viene inviato nello spazio Uplink frequency, mentre la frequenza con cui viene inviato dal transponder è Downlink frequency.

La figura seguente illustra chiaramente questo concetto.

Diamo ora uno sguardo ai vantaggi, agli svantaggi e alle applicazioni delle comunicazioni satellitari.

Comunicazione satellitare - Vantaggi

Ci sono molti vantaggi delle comunicazioni satellitari come:

• Flexibility

• Facilità nell'installazione di nuovi circuiti

• Le distanze sono facilmente percorribili e il costo non importa

• Possibilità di trasmissione

• Ogni angolo della terra è coperto

• L'utente può controllare la rete

Comunicazione satellitare - Svantaggi

La comunicazione satellitare presenta i seguenti inconvenienti:

• I costi iniziali come i costi di segmento e di lancio sono troppo alti.

• Congestione delle frequenze

• Interferenza e propagazione

Comunicazione satellitare - Applicazioni

La comunicazione satellitare trova le sue applicazioni nelle seguenti aree:

• Nella trasmissione radiofonica.

• Nelle trasmissioni TV come DTH.

• Nelle applicazioni Internet come la connessione a Internet per il trasferimento dei dati, applicazioni GPS, navigazione in Internet, ecc.

• Per comunicazioni vocali.

• Per il settore ricerca e sviluppo, in molti settori.

• Nelle applicazioni e nelle navigazioni militari.

L'orientamento del satellite nella sua orbita dipende dalle tre leggi chiamate leggi di Keplero.

Leggi di Keplero

Johannes Kepler (1571-1630) lo scienziato astronomico, ha dato 3 leggi rivoluzionarie, riguardanti il ​​moto dei satelliti. Il percorso seguito da un satellite attorno al suo primario (la terra) è unellipse. Ellipse ha due fuochi:F1 e F2, la terra è uno di loro.

Se si considera la distanza dal centro dell'oggetto a un punto sul suo percorso ellittico, il punto più lontano di un'ellisse dal centro viene chiamato come apogee e il punto più corto di un'ellisse dal centro è chiamato come perigee.

1 di Keplero ^st Law

1 di Keplero ^st legge prevede che “ogni pianeta gira intorno al sole in un'orbita ellittica, con il sole come uno dei suoi fuochi”. In quanto tale, un satellite si muove in un percorso ellittico con la terra come uno dei suoi fuochi.

Il semiasse maggiore dell'ellisse è indicato come 'a'e il semiasse minore è indicato come b. Pertanto, l'eccentricità e di questo sistema può essere scritta come:

$$ e = \ frac {\ sqrt {a ^ {2} -b ^ {2}}} {a} $$

• Eccentricity (e) - È il parametro che definisce la differenza nella forma dell'ellisse piuttosto che in quella di un cerchio.

• Semi-major axis (a) - È il diametro più lungo tracciato che unisce i due fuochi lungo il centro, che tocca entrambi gli apogei (punti più lontani di un'ellisse dal centro).

• Semi-minor axis (b) - È il diametro più corto tracciato per il centro che tocca entrambi i perigei (punti più corti di un'ellisse dal centro).

Questi sono ben descritti nella figura seguente.

Per un percorso ellittico, è sempre desiderabile che l'eccentricità sia compresa tra 0 e 1, cioè 0 <e <1 perché se e diventa zero, il percorso non sarà più di forma ellittica ma verrà convertito in un percorso circolare.

^Seconda legge di Keplero

La ^seconda legge di Keplero afferma che, "Per intervalli di tempo uguali, l'area coperta dal satellite è uguale rispetto al centro della terra".

Si può capire guardando la figura seguente.

Supponiamo che il satellite copra p1 e p2 distanze, nello stesso intervallo di tempo, quindi le aree B1 e B2 coperti rispettivamente in entrambi i casi, sono uguali.

^Terza legge di Keplero

La ^terza legge di Keplero afferma che "Il quadrato del tempo periodico dell'orbita è proporzionale al cubo della distanza media tra i due corpi".

Questo può essere scritto matematicamente come

$$ T ^ {2} \: \ alpha \: \: a ^ {3} $$

Il che implica

$$ T ^ {2} = \ frac {4 \ pi ^ {2}} {GM} a ^ {3} $$

Dove $ \ frac {4 \ pi ^ {2}} {GM} $ è la costante di proporzionalità (secondo la meccanica newtoniana)

$$ T ^ {2} = \ frac {4 \ pi ^ {2}} {\ mu} a ^ {3} $$

Dove μ = costante gravitazionale geocentrica terrestre, ovvero Μ = 3,986005 × 10 ¹⁴ m ³ / sec ²

$$ 1 = \ left (\ frac {2 \ pi} {T} \ right) ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} $$

$$ 1 = n ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} \: \: \: \ Rightarrow \: \: \: a ^ {3} = \ frac {\ mu} {n ^ {2}} $$

Dove n = il movimento medio del satellite in radianti al secondo

Il funzionamento orbitale dei satelliti viene calcolato con l'aiuto di queste leggi di Keplero.

Insieme a questi, c'è una cosa importante che deve essere notata. Un satellite, quando gira intorno alla terra, subisce una forza di trazione dalla terra che è la forza gravitazionale. Inoltre, sperimenta una certa forza di attrazione dal sole e dalla luna. Quindi, ci sono due forze che agiscono su di esso. Sono -

• Centripetal force - La forza che tende a trascinare un oggetto che si muove in un percorso di traiettoria, verso se stesso è chiamata come centripetal force.

• Centrifugal force - La forza che tende a spingere un oggetto che si muove lungo un percorso di traiettoria, lontano dalla sua posizione è chiamata come centrifugal force.

Quindi, un satellite deve bilanciare queste due forze per mantenersi nella sua orbita.

Orbite terrestri

Un satellite quando viene lanciato nello spazio, deve essere posizionato in una certa orbita per fornire un modo particolare per la sua rivoluzione, in modo da mantenere l'accessibilità e servire al suo scopo sia scientifico, militare o commerciale. Tali orbite che sono assegnate ai satelliti, rispetto alla terra, sono chiamate comeEarth Orbits. I satelliti in queste orbite sono la TerraOrbit Satellites.

I tipi importanti di orbite terrestri sono:

• Geo Synchronous Earth Orbit

• Orbita terrestre media

• Orbita terrestre bassa

Satelliti geosincroni in orbita terrestre

UN Geo-Synchronous Earth Orbit (GEO)satellite è uno che si trova ad un'altitudine di 22.300 miglia sopra la Terra. Questa orbita è sincronizzata con un fileside real day(cioè 23 ore e 56 minuti). Questa orbita puòhave inclination and eccentricity. Potrebbe non essere circolare. Questa orbita può essere inclinata ai poli della terra. Ma sembra stazionario se osservato dalla Terra.

La stessa orbita geosincrona, se circolare e nel piano dell'equatore, è chiamata come geo-stationary orbit. Questi satelliti sono posti a 35.900 km (come geosincrono) sopra l'equatore terrestre e continuano a ruotare rispetto alla direzione della terra (da ovest a est). Questi satelliti sono considerati stazionari rispetto alla terra e da qui il nome implica.

I satelliti geostazionari in orbita terrestre vengono utilizzati per previsioni meteorologiche, TV satellitare, radio satellitare e altri tipi di comunicazioni globali.

La figura seguente mostra la differenza tra orbite geosincrone e geostazionarie. L'asse di rotazione indica il movimento della Terra.

Note- Ogni orbita geostazionaria è un'orbita geo-sincrona. Ma ogni orbita geosincrona NON è un'orbita geostazionaria.

Satelliti in orbita terrestre media

Medium Earth Orbit (MEO)le reti satellitari orbiteranno a distanze di circa 8000 miglia dalla superficie terrestre. I segnali trasmessi da un satellite MEO percorrono una distanza inferiore. Ciò si traduce in una migliore potenza del segnale all'estremità ricevente. Ciò mostra che terminali riceventi più piccoli e più leggeri possono essere utilizzati all'estremità ricevente.

Poiché il segnale percorre una distanza minore da e verso il satellite, il ritardo di trasmissione è inferiore. Transmission delay può essere definito come il tempo impiegato da un segnale per viaggiare su un satellite e tornare indietro a una stazione ricevente.

Per le comunicazioni in tempo reale, minore è il ritardo di trasmissione, migliore sarà il sistema di comunicazione. Ad esempio, se un satellite GEO richiede 0,25 secondi per un viaggio di andata e ritorno, il satellite MEO richiede meno di 0,1 secondi per completare lo stesso viaggio. MEOs opera nella gamma di frequenza di 2 GHz e superiore.

Satelliti in orbita terrestre bassa

I satelliti Low Earth Orbit (LEO) sono principalmente classificati in tre categorie: piccoli LEO, grandi LEO e Mega-LEO. I LEO orbiteranno a una distanza compresa tra 500 e 1000 miglia sopra la superficie terrestre.

Questa distanza relativamente breve riduce il ritardo di trasmissione a soli 0,05 secondi. Ciò riduce ulteriormente la necessità di apparecchiature di ricezione sensibili e ingombranti. I piccoli LEO opereranno nella gamma di 800 MHz (0,8 GHz). I Big LEO opereranno nella gamma di 2 GHz o superiore, mentre i Mega-LEO opereranno nella gamma di 20-30 GHz.

Le frequenze più alte associate a Mega-LEOs si traduce in una maggiore capacità di trasporto delle informazioni e si traduce nella capacità di uno schema di trasmissione video in tempo reale ea basso ritardo.

La figura seguente mostra i percorsi di LEO, MEO e GEO.