Le modulazioni impulsive

Le modulazioni impulsive

Si chiamano modulazioni impulsive quel tipo di modulazioni dove la portante è costituita da un bus di impulsi e a modulante è di tipo analogico. Oggi sono poco usate perché soppiantate dalla tecnica PCM

Le modulazioni impulsive si dividono in:

PAM (Pulse Amplitude Modulation = Modulazione ad Ampiezza di impulsi)

PWM (Pulse Width Modulation = Modulazione a Larghezza di Impulsi)

PPM (Pulse Position Modulation = Modulazione a Posizione di Impulsi)

Nel PAM il segnale analogico modulante fa variare l'ampiezza del treno di impulsi che costituisce la portante. Come si può vedere nello schema

Nella PWM le ampiezze degli impulsi sono tutte uguali e l'informazione viene data dal segnale modulante che a cariare la larghezza dell'impulso.

Nella PPM invece, le ampiezze degli impulsi sono tutte uguali ma la loro posizione, anticipata o ritardata rispetto a quella di riposo, racchiude l'informazione modulante.
Quanto più il segnale analogico è positivo, tanto più viene ritardata la posizione degli impulsi rispetto alla posizione in riposo.
Quanto più è negativo il segnale analogico, tanto più è anticipata la posizione.

La tecnica PCM

Attorno agli anni quaranta nacque l'esigenza di aumentare il numero dei collegamenti telefonici interurbani.

Questa esigenza si scontrava, però, con la grande complicazione e il considerevole costo di impianto di grandi fasci di conduttori, di misure elevate e difficili da cablare.

Si pensò quindi di multiplare il gran numero di collegamenti telefonici solo con cavo coassiale.

Esisteva all'epoca già una tecnica per risolvere il problema, chiamata FDM (Freqency Division Multiplexing) ma presentava alcuni difetti e limitazioni, così nacque la più moderna TDM (Time Division Multiplexing) e si tentò di realizzarla per mezzo di tecniche già descritte impulsive PAM, PWM, PPM, che però costituirono solo una fase di passaggio, in quanto presto furono superate dalla modulazione codificata PCM (Pulse Code Modulation).
Oggi esiste un PCM Americano, un PCM Europeo e un PCM Giapponese quello che potrete vedere nell'illustrazione è un PCM telefonico Europeo a 32 canali.

Il PCM di può applicare ai canali telefonici, ed il tipo europeo, consente di far transitare su un solo cavo coassiale 32 telefonate in contemporanea senza che interferiscano tra di loro.

Dei 32 canali multiplexati, 30 sono canali vocali mentre 2 si chiamano canali di servizio.

Per realizzare la tecnica PCM si effettuano tre operazioni a partire dal segnale microfonico di partenza:

CAMPIONAMENTO

QUANTIZZAZIONE

CODIFICA

Campionamento

In base al teorema di Shannon, un segnale a banda limitata, compresa fra le frequenze F ed F dove F >F può essere rappresentato attraverso una successione di campioni prelevati con una frequenza pari almeno a 2F

In telefonia si assume come frequenza di campionamento il valore di:

fc = 8 KHz

Superiore di 1.2KHz al valore minimo:

2f = 6.8 KHz

Come stabilito dal teorema di Shannon.

Il periodo di campionamento corrisponde, all'inverso della frequenza di campionamento:

Il segnale telefonico viene dunque per prima cosa campionato, viene poi sostituito dalla sequenza di impulsi PAM, così ottenuti, come si può vedere in figura:

La quantizzazione

La fase successiva prende invece il nome di quantizzazione, e consiste nella scelta di livelli discreti per i campioni ottenuti, nell'esempio che segue sono 8 e di valori tutti uguali.

Nella realtà i livelli sono 256, di cui 128 positivi e altrettanti negativi, inoltre non sono tutti di valore uguale, ma per mantenere costante il rapporto tra segnale/disturbo su tutta l'esecuzione dell'ampiezza, sono anche di ampiezza variabile a seconda di un funzione logaritmica.

Ci si può accorgere che in fase di quantizzazione si compie un errore, chiamato errore di quantizzazione, visto che il segnale vocale di partenza può assumere qualunque valore, all'interno della sua escursione, essendo continuo, mentre il segnale quantizzato può assumere solo alcuni valori precisi.

Scegliendo però un numero molto alto di livelli, ad esempio 256, questo non avrà effetti sull'orecchio umano perche la variazione per intervalli discreti dell'ampiezza del segnale risulterà al di sotto della soglia di sensibilità.

La codifica

Nella terza fase gli impulsi campionati e quantizzati in precedenza, vengono codificati, cioè la loro ampiezza viene trasformata in una sequenza di bit secondo un codice binario.
Ad esempio, se l'ampiezza del primo impulso è di 5V, verrà rappresentata dalla sequenza binaria 101.
In realtà nel PCM Europeo, essendo di 256 livelli, per rappresentare ogni campione occorrono 8bit, quindi il segnale analogico viene trasformato in una sequenza di bit che in codice di rappresentano le ampiezze di ciascun campione.
Tra una sequenza di 8 bit e la successiva però, nel PCM Europeo, si trasmettono altre 31 sequenza di 8 bit che rappresentano altri 31 canali telefonici multiplexati sullo stesso cavo coassiale.
In un solo cavo quindi transitano 32 segnali numerici che indipendentemente l'uno dall'altro vengono indirizzati dal proprio corrispondente al destinatario.

Si costituisce pertanto una trama del PCM costituita da una sequenza temporale dei 32 canali numerici, dal n° 0 al 31, in cui in n°0 serve per dettare il sincronismo al ricevitore ed il n° 16 per il controllo della trasmissione degli altri canali.

I canali vocali utili quindi sono 30, mentre 2 sono di servizio.
In ricezione ogni canale viene inviato al destinatario richiesto in quanto esiste il primo canale di sincronizzazione, non appena viene ricevuto il segnale di sincronizzazione, il ricevitore invia il successivo canale all'utente richiesto dal n°1, il seguante al n°2 ecc.

Il tempo di un canale è naturalmente quello di tutta la trama diviso 32:

Ma poiché per ogni canale si trasmettono 8 bit, il tempo dedicato alla trasmissione di un bit è quello di un canale diviso 8:

Poiché vengono trasmessi 32 canali con 8000 campioni al secondo, ed ogni canale contiene 8 bit, ogni secondo vengono trasmessi un numero di bit:

Se si ha la necessità di maggiorare il numero di canali, si raggruppano 4 gruppi da 30, così si trasmettono 120 canali costituendo un supergruppo di primo ordine.

Si possono formare anche supergruppi da 480, 1920, 7680 canali.