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Modulazione_FM - ISIS NEWTON VARESE

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Indice<br />

3. <strong>Modulazione</strong> <strong>FM</strong><br />

3.1. Premessa<br />

3.2. Deviazione di frequenza<br />

3.3. Indice di modulazione<br />

3.4. <strong>Modulazione</strong> percentuale<br />

3.5. Formula di Carson<br />

3.6. Potenza del segnale modulato<br />

3.7. Espressione matematica del segnale modulato<br />

3.8. Spettro del segnale modulato in <strong>FM</strong><br />

3.9. Trasmettitori a modulazione di frequenza<br />

3.10. Ricezione in modulazione di frequenza<br />

Approfondimenti<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Pagina 1 di 19


Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

3.1 PREMESSA<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Il vantaggio della modulazione di frequenza sulla modulazione di ampiezza è nella possibilità di<br />

ottenere una maggiore indipendenza da disturbi ed interferenze; se la modulazione è effettuata<br />

con sufficiente deviazione di frequenza, il rapporto segnale/rumore 1 è migliore in <strong>FM</strong>, a parità di<br />

potenza di uscita del ricevitore.<br />

La modulazione di frequenza consiste nel variare la frequenza del segnale portante in maniera<br />

proporzionale all’ampiezza del segnale modulante lasciando invariata la sua ampiezza.<br />

Viene usata per trasmettere la parte audio del sistema televisivo via etere, per la televisione<br />

satellitare analogica, per i cellulari ETACS e per le trasmissioni dei radioamatori. Per le<br />

trasmissioni stereofoniche in Italia sulla gamma di frequenze VHF sono riservate le frequenze da<br />

88 a 108 MHz.<br />

Fig.1<br />

Consideriamo i segnali illustrati in Fig.1, le funzioni matematiche che esprimono queste funzioni<br />

sono le seguenti:<br />

Vp ( t)<br />

Vp<br />

cos<br />

pt<br />

Vm ( t)<br />

<br />

Vm<br />

cos<br />

mt<br />

1 Vedi Nota_1<br />

(Funzione analitica della portante)<br />

(Funzione analitica della modulante)<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Indichiamo con f<strong>FM</strong>(t) la frequenza istantanea del segnale modulato:<br />

FREQUENZA ISTANTANEA<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

dove K1 [Hz/V] è una costante di proporzionalità del modulatore. Indica di quanti Hz cambia la frequenza del segnale<br />

modulato a fronte della variazione di 1V del segnale modulante.<br />

La pulsazione istantanea, sostituendo Kf=2πK1 sarà<br />

La modulazione <strong>FM</strong> è caratterizzata da:<br />

Deviazione di frequenza Δf<br />

Indice di modulazione mf<br />

<strong>Modulazione</strong> percentuale m%<br />

Occupazione di banda del segnale modulato<br />

Potenza del modulato<br />

Espressione matematica del modulato<br />

Spettro del modulato<br />

3.2 Deviazione di frequenza<br />

E’ la massima variazione di frequenza rispetto ad fp, che subisce il segnale modulato:<br />

3.3 Indice di modulazione<br />

E’ definito come:<br />

Dove :<br />

t f k V t f k V cos2f<br />

t<br />

f <strong>FM</strong> p 1 m p 1 m<br />

m<br />

m<br />

Δf è la deviazione di frequenza del segnale modulato<br />

fm è la frequenza (massima) del segnale modulante<br />

Al contrario dell’AM, indice di modulazione può essere maggiore di 1.<br />

3.4 <strong>Modulazione</strong> percentuale<br />

Questo parametro è definito dalla seguente relazione:<br />

Nelle modulazioni <strong>FM</strong> è necessario limitare il valore di Δf in quanto, è pur vero che aumentandolo<br />

aumentano le prestazioni del sistema ma aumenta pure la banda, che comunque deve rientrare<br />

nel canale assegnato.<br />

f<br />

k fV<br />

<br />

<br />

m<br />

m<br />

<br />

m<br />

f<br />

2k1V<br />

<br />

<br />

m<br />

k V t<br />

cos<br />

m<br />

<strong>FM</strong> t p f m m<br />

f<br />

<br />

f<br />

m<br />

m<br />

%<br />

f<br />

<br />

f<br />

max<br />

* 100<br />

f<br />

k1V<br />

Pagina 3 di 19<br />

m


Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Quindi viene fissato un Δfmax per evitare interferenze con altri canali. Δfmax limita anche il valore di<br />

Vm (ampiezza del segnale modulante).<br />

3.5 Formula di Carson: occupazione di banda<br />

Nella pratica, si utilizza la formula di Carson: 2 f<br />

f<br />

dove fmax è la massima<br />

frequenza contenuta nel segnale modulante.<br />

Esempio<br />

Radio <strong>FM</strong> commerciale : 88MHz a 108MHz<br />

Segnale modulante: segnale audio con frequenze comprese tra 30Hz a 15 kHz.<br />

Le normative impongono una deviazione di frequenza pari a 75KHz.<br />

L’occupazione in banda è:<br />

Per non avere interferenze sceglieremo una banda maggiore di 180kHz ovvero 200kHz.<br />

Questo argomento verrà ripreso nei paragrafi successivi<br />

3.6 Potenza del segnale modulato<br />

In <strong>FM</strong> l’ampiezza del segnale modulato non varia e rimane sempre uguale a quello della portante<br />

Vp<br />

P<br />

tot<br />

<br />

P<br />

port<br />

2<br />

Vp<br />

<br />

2R<br />

Aumentando l’ampiezza della modulante, aumenta la deviazione di frequenza ma la potenza<br />

totale trasmessa non cambia.<br />

Si allarga però la banda del modulato in quanto aumenta la deviazione di frequenza.<br />

N.B.: Nella modulazione di frequenza il segnale modulato ha ampiezza invariata rispetto alla portante a<br />

riposo e poiché la potenza di un segnale sinusoidale dipende dalla sua ampiezza e non dalla sua frequenza,<br />

la potenza del segnale modulato è la stessa di quella della portante non modulata.<br />

Avviene dunque che mentre prima della modulazione la potenza è concentrata tutta in una sola sinusoide<br />

detta portante, dopo la modulazione la potenza, in parte rimane nella portante, in parte si distribuisce in<br />

varie righe spettrali, in proporzione al valore delle funzioni di Bessel 2 elevato al quadrato.<br />

Prima della modulazione:<br />

P<br />

P<br />

2<br />

VP<br />

<br />

2R<br />

2<br />

VP<br />

[ J<br />

R<br />

( m)<br />

2<br />

Dopo la modulazione: <br />

2<br />

P<br />

P<br />

B <strong>FM</strong><br />

0<br />

2 n1<br />

2 Le funzioni di Bessel sono trattate nei paragrafi successivi.<br />

<br />

J<br />

2<br />

n<br />

max<br />

B 2(<br />

75000 15000)<br />

180KHz<br />

max<br />

( m)<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Nota: Comunicazioni <strong>FM</strong> a banda stretta<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

La modulazione di frequenza è ampiamente utilizzata anche in sistemi di comunicazione che prevedono la<br />

trasmissione di un segnale vocale e nei quali è quindi sufficiente una fm massima di 3 KHz. Tali sistemi<br />

impiegano una Deviazione di frequenza massima fMAX di 10 KHz ed un canale di 30 KHz, e sono detti<br />

pertanto sistemi <strong>FM</strong> a banda stretta(narrow band <strong>FM</strong>). Il loro impiego è molto utilizzato nel servizio radio<br />

mobile (ad esempio polizia, ambulanze, radiotaxi, aerei, collegamenti privati).<br />

3.7 Espressione matematica del segnale modulato<br />

L'espressione analitica del segnale modulato in frequenza è data dalla seguente relazione:<br />

(1)<br />

In base alla serie di Bessel si dimostra che il segnale suddetto, rappresentante la<br />

modulazione in frequenza di una portante sinusoidale con una modulante sinusoidale, è<br />

rappresentato da infinite sinusoidi secondo l'espressione matematica:<br />

V<br />

<strong>FM</strong><br />

V<br />

( t)<br />

V<br />

p<br />

J<br />

2<br />

( m<br />

f<br />

p<br />

J<br />

0<br />

( m<br />

f<br />

) sen<br />

t V<br />

J ( m )[ sen(<br />

) t sen(<br />

) t]<br />

<br />

)[ sen(<br />

2<br />

) t sen(<br />

2<br />

) t]<br />

...<br />

p<br />

p<br />

m<br />

p<br />

In generale possiamo rappresentare lo spettro del segnale nel seguente modo:<br />

1<br />

V<strong>FM</strong> ( t)<br />

Vp<br />

J 0(<br />

m f ) sen<br />

pt<br />

V<br />

p J n(<br />

m f )[ sen(<br />

p nm<br />

) t sen(<br />

p nm<br />

) t]<br />

<br />

n1<br />

- I termini J0, J1, J2, sono le funzioni di Bessel sono funzioni dell'indice di modulazione<br />

Nel graf.1 è rappresentato l'indice di modulazione mf, in funzione delle funzioni di Bessel J0, J1, J2,<br />

Le funzioni di Bessel possono assumere solo valori inferiori a 1 in modulo ed anche il valore 0.<br />

f<br />

Si deduce che per alcuni valori dell'indice di modulazione mf, alcune righe dello spettro del segnale<br />

modulato in <strong>FM</strong> possono sparire.<br />

Si chiamano zeri di Bessel quei valori dell'indice di modulazione mf (2,4; 5,5; 8,7; 11,8; ecc.) che<br />

annullano J0, per cui la trasmissione avviene in assenza di portante, e quindi con rendimento del<br />

50%.<br />

t V<br />

cos( t m sin t)<br />

V<strong>FM</strong> p p f m<br />

variazione della frequenza istantanea nel tempo<br />

p<br />

m<br />

p<br />

m<br />

p<br />

m<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

3.8 Spettro del segnale modulato in <strong>FM</strong><br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Lo spettro di un segnale modulato è l'insieme di tutte le sinusoidi che rappresentano nel dominio<br />

della frequenza il segnale in questione. Per chiarire il concetto facciamo un esempio.<br />

Esercizio:<br />

Tracciare lo spettro di un segnale in modulazione di frequenza (<strong>FM</strong>) con:<br />

fp=100 MHz<br />

fm= 15 KHz<br />

f = 45 KHz<br />

Vp= 100 V<br />

Si determina il valore di mf in base alla formula:<br />

m<br />

f<br />

f<br />

<br />

f<br />

m<br />

45000Hz<br />

3<br />

15000Hz<br />

Graf.1<br />

Si traccia, sul diagramma delle funzioni di Bessel, un segmento parallelo all'asse delle ordinate<br />

in corrispondenza del valore m = 3 dell'indice di modulazione e, dall'intersezione con tutte le<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

curve J0, J1, J2, ..., si determinano i valori che queste funzioni J0, J1, J2, ...., assumono come è<br />

schematicamente indicato nella figura sotto.<br />

E quindi le ampiezze delle righe spettrali, in Volt sono:<br />

J Vp<br />

| 0,<br />

26 | * 100V<br />

26V<br />

0<br />

J Vp<br />

0,<br />

34*<br />

100V<br />

34V<br />

1<br />

J Vp<br />

0,<br />

48*<br />

100V<br />

48V<br />

2<br />

J Vp<br />

0,<br />

32*<br />

100V<br />

32V<br />

3<br />

J Vp<br />

0,<br />

12*<br />

100V<br />

12V<br />

4<br />

J Vp<br />

0,<br />

05*<br />

100V<br />

5V<br />

5<br />

Si definisce banda di un segnale modulato in <strong>FM</strong>, l'insieme delle frequenze di valore significativo<br />

che lo costituiscono e cioè, nel caso in esame, di ampiezza superiore all'1% della portante non<br />

modulata.<br />

Nel caso in esame, osservando che nelle funzioni di Bessel il valore di riferimento della portante<br />

non modulata, cioè J0 con m=0 è uguale a 1, si stabilisce di considerare come facenti parte<br />

integrante della banda del segnale modulato in <strong>FM</strong> soltanto quelle funzioni di Bessel il cui valore<br />

in corrispondenza al valore di m prescelto, sia superiore, in modulo, a 0,01.<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Ecco perché nel nostro esempio abbiamo escluso J6, sesta funzione di Bessel e le successive.<br />

Ottenuti i valori delle funzioni di Bessel, si traccia la banda del segnale modulato in <strong>FM</strong>:<br />

Lo stesso, con i valori numerici risulta:<br />

Nel nostro esempio la larghezza di banda è la seguente:<br />

La formula per determinare la larghezza di banda in <strong>FM</strong> è dunque:<br />

Per determinare però la larghezza di banda occorre conoscere i diagrammi delle funzioni di<br />

Bessel, come abbiamo fatto noi, oppure il numero delle righe spettrali, cosa che è possibile solo<br />

disponendo di un buon analizzatore di spettro.<br />

B <br />

2Nf<br />

<strong>FM</strong><br />

m<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Si può calcolare la larghezza di banda, sia pure in modo approssimativo, senza disporre né<br />

dell'analizzatore di spettro, né delle funzioni di Bessel, usando una formula empirica, dovuta a<br />

Carson (già vista prima):<br />

dove è il massimo scarto in frequenza rispetto alla portante a riposo, e fmax è la massima<br />

frequenza modulante.<br />

Questa formula è tanto più esatta, quanto più mf è grande, mentre per mf piccolo non è molto<br />

precisa.<br />

B <strong>FM</strong><br />

f <br />

2 f<br />

max<br />

Nel caso dell'esempio precedente avrebbe dato:<br />

B <strong>FM</strong><br />

<br />

2<br />

3<br />

3<br />

45* 10 15*<br />

10 Hz 120kHz<br />

[errore del 20%]<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

3.9 Trasmettitori a modulazione di frequenza<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Per la realizzazione di un trasmettitore in <strong>FM</strong>, sono possibili due schemi di principio:<br />

trasmettitori a modulazione diretta (con circuito di controllo per la stabilizzazione<br />

indiretta della portante)<br />

trasmettitori a modulazione indiretta (attraverso la modulazione di fase, con<br />

stabilizzazione diretta della portante).<br />

- Prendiamo in considerazione il primo caso, trasmettitori a modulazione diretta<br />

Lo schema a blocchi di Fig.1 rappresenta un tipico esempio di trasmettitore a modulazione diretta.<br />

B_1 B_2 B_3 B_4 B_5<br />

Analizziamo i singoli blocchi:<br />

B_1) circuito amplificatore del segnale modulante Vm(t).<br />

B_2) rete di enfasi che ha il compito di amplificare maggiormente le componenti ad alta frequenza<br />

per aumentare il rapporto S/N (3) .<br />

Fig.1<br />

La rete di enfasi permette di equalizzare (ridurre la distorsione di un segnale elettrico per cui togli la non<br />

uniformità della sua risposta in frequenza ) le componenti dello spettro del segnale modulante e<br />

consente alle componenti di alta frequenza del segnale modulante di produrre la deviazione di<br />

frequenza f alla pari delle componenti di bassa frequenza dello spettro del segnale modulante. In<br />

questo modo il segnale modulante occupa l'intera banda assegnata e il rapporto S/N aumenta.<br />

B_3) oscillatore modulato (voltage controlled oscillator VCO oscillatore comandato in tensione),<br />

fornisce in uscita il segnale modulato in <strong>FM</strong> caratterizzato da una frequenza portante fp1 bassa per<br />

ottenere una maggiore stabilità in frequenza e da una deviazione di frequenza f1 piccola per<br />

garantire la linearità della modulazione.<br />

3 S/N rapporto segnale/rumore, spesso abbreviato con la sigla inglese SNR (Signal to Noise Ratio)<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Analizziamo alcune caratteristiche degli oscillatori prendendo in considerazione un semplice circuito<br />

oscillante.<br />

Se consideriamo un oscillatore di alta frequenza, la sua frequenza di oscillazione f o dipende dalla capacità C e dalla<br />

induttanza L del circuito risonante secondo la relazione (1.1)<br />

1<br />

X c<br />

<br />

(reattanza capacitiva); X L L<br />

(reattanza induttiva)<br />

C<br />

le condizioni di risonanza si hanno quando Xc = XL 0L<br />

0C<br />

f<br />

0<br />

2<br />

1<br />

(1.1)<br />

CL<br />

1<br />

1<br />

0<br />

CL<br />

<br />

2<br />

<br />

da cui ricaviamo<br />

Pertanto variando l'induttanza L o la capacità C mediante il segnale modulante, si ottiene che la frequenza istantanea<br />

prodotta dall'oscillatore dipenda dal segnale modulante e perciò si genera un segnale modulato in frequenza.<br />

Lo schema di principio di un modulatore diretto è mostrato nella figura 2.<br />

Considerando C = C 0 + Cv con Cv variabile e controllato dal segnale modulante v m(t) si ha la modulazione <strong>FM</strong>.<br />

Il condensatore variabile può essere sostituito da un<br />

diodo varicap che, se polarizzato inversamente, presenta<br />

ai suoi capi una capacità C D inversamente proporzionale<br />

alla tensione inversa V D applicata tra anodo e catodo,<br />

come risulta dalla caratteristica della figura 3.<br />

Pertanto il circuito modulatore che si ottiene, effettuando questa modifica,è quello riportato nella figura 4.<br />

Il circuito della figura 4 è costituito da:<br />

un diodo varicap D polarizzato inversamente dalla rete di polarizzazione costituita dal generatore di tensione<br />

continua V D e dalla resistenza R D;<br />

un condensatore C B che blocca la componente continua di polarizzazione;<br />

il circuito risonante dell'oscillatore di alta frequenza;<br />

il generatore di segnale modulante v m(t).<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Dalla Fig.2 e dalla disposizione del circuito di Fig.4, deduciamo che la legge con cui varia la capacità del varicap è la<br />

seguente CD ( t)<br />

CD<br />

( Vm<br />

( t))<br />

in particolare si avrà:<br />

C D0 = valore di capacità “centrale” in assenza del segnale modulante<br />

C min = valore di capacità minima quando il segnale modulante raggiunge il valore di picco positivo<br />

C max = valore di capacità massima quando il segnale modulante raggiunge il valore di picco negativo<br />

In Fig. 3a viene riassunta questo andamento. Dalla Fig.3a si nota l’importanza di avere una deviazione di frequenza<br />

piccola se fosse elevata non ci sarebbero le condizioni per la linearità del segnale modulato. Nell’esempio illustrato la<br />

deviazione considerata non assicura la linearità della modulazione l’intervallo C non è simmetrico rispetto alla Capacità<br />

“centrale”<br />

In assenza di modulazione, il diodo è polarizzato inversamente ed equivale a una capacità CDO dal valore costante che si<br />

pone in parallelo al condensatore C 0, dell'oscillatore, pertanto la frequenza di oscillazione risulta<br />

f<br />

0<br />

1<br />

<br />

2<br />

L(<br />

C C<br />

0<br />

D0<br />

)<br />

(1.2)<br />

in presenza del segnale modulante, il diodo varicap è polarizzato inversamente e presenta ai suoi capi una capacità<br />

variabile C D variabile in funzione del segnale modulante applicato, perciò si ottiene<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

f<br />

0<br />

1<br />

<br />

2<br />

L[<br />

C C<br />

( V<br />

( t))]<br />

(1.3)<br />

0 D m<br />

la frequenza quindi è linearmente dipendente dal segnale modulante vm(t). L'oscillatore modulato, quindi fornisce una frequenza istantanea:<br />

f1 P1<br />

1 m<br />

f f<br />

cos<br />

t<br />

(1.4)<br />

B_4) Moltiplicatore di frequenza che permette di:<br />

1. aumentare la frequenza della portante e portarla al valore fp di trasmissione;<br />

2. ottenere la deviazione di frequenza f richiesta in trasmissione.<br />

Il moltiplicatore per n produce la frequenza istantanea:<br />

f 1 ( P1<br />

1 m P<br />

m<br />

nf n f f<br />

cos<br />

t)<br />

f f<br />

cos<br />

t (1.5)<br />

quindi<br />

f nf ; f nf1<br />

; m f nm f 1 (1.6)<br />

P<br />

P1<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Come si può notare dalla (1.6) la moltiplicazione di frequenza modifica la frequenza portante, la<br />

deviazione di frequenza e l'indice di modulazione e di conseguenza cambia la banda associata al<br />

segnale modulato <strong>FM</strong>, ma non cambia la legge di modulazione.<br />

B_5) Amplificatore di potenza, funzionante in classe C realizzato con più stadi in cascata per<br />

ottenere una potenza di irradiazione molto elevata dell'ordine di alcuni kW.<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

3.10 Ricezione del segnale modulato in frequenza (<strong>FM</strong>)<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

La ricezione del segnale modulato <strong>FM</strong> si effettua mediante il radioricevitore supereterodina<br />

rappresentato nella figura 1.<br />

I blocchi fondamentali del radioricevitore <strong>FM</strong> sono:<br />

l'amplificatore selettivo a radiofrequenza<br />

il convertitore di frequenza<br />

l'amplificatore a frequenza intermedia<br />

il demodulatore<br />

l'amplificatore di potenza di bassa frequenza.<br />

Lo schema della figura 1 è identico a quello del radioricevitore per segnali modulati in ampiezza.<br />

Naturalmente cambiano i valori dei parametri di lavoro dei diversi stadi. Per esempio, se il<br />

radioricevitore è realizzato per ricevere segnali <strong>FM</strong> della gamma di sintonia commerciale, si hanno i<br />

seguenti valori:<br />

a. le frequenze delle portanti di ciascun canale radio sono comprese nella gamma di sintonia fra<br />

(88 108 [M Hz]);<br />

convertitore di frequenza<br />

b. la massima frequenza audio è fissata a 15 [kHz];<br />

c. la deviazione massima di frequenza è f = 75 [kHz];<br />

d. la banda occupata da ciascun canale radio è:<br />

B = 2(f+ fmax) = 2(75*10 3 + 15*10 3 ) = 180 [kHz], (in pratica viene considerata larga 200 [kHzl);<br />

e. la frequenza intermedia fi = 10,7 [MHz].<br />

Oltre agli stadi sopraddetti, il ricevitore <strong>FM</strong> è provvisto di:<br />

1. un circuito che effettua il controllo automatico di frequenza (CAF) e ha il compito di mantenere<br />

fissa la frequenza dell'oscillatore locale in modo da assicurare la stabilità della frequenza<br />

intermedia che è la frequenza di lavoro dell'amplificatore FI e del demodulatore;<br />

2. di un circuito che controlla il guadagno dell'amplificatore F.I. (CAG) in funzione del livello del<br />

segnale captato dall'antenna e garantire una stabilità del livello del segnale in uscita;<br />

Fig.1<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

una rete di deenfasi che modifica lo spettro del segnale modulante, in uscita dal demodulatore,<br />

ripristinando la distribuzione spettrale originaria. La rete di deenfasi è una semplice rete RC(o filtro<br />

passa basso).<br />

Fig.2 Schema completo del radioricevitore <strong>FM</strong><br />

La demodulazione del segnale <strong>FM</strong> permette di rivelare il segnale modulante vm(t) dal segnale<br />

modulato prodotto dall'amplificatore a frequenza intermedia.<br />

Demodulatore con PLL<br />

Il circuito demodulatore può essere realizzato con un PLL (Phase-Locked-Loop) o anello ad<br />

aggancio di fase rappresentato nella figura 3.<br />

Entrando nel dettaglio dello schema riportato in Fig.4 si evidenzia che il PLLè costituito da un<br />

comparatore (rilevatore) di fase, da un filtro passa basso, da un buffer e da un VCO.<br />

Fig. 3<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Il segnale modulato <strong>FM</strong> è applicato all'ingresso del PLL che coincide con l'ingresso del comparatore<br />

di fase.<br />

Analizziamo il principio di funzionamento del PLL considerando la funzionalità dei singoli blocchi:<br />

Comparatore di fase<br />

Lo scopo del rivelatore e quello di fornire una tensione continua in funzione della differenza delle<br />

fasi del segnale d’ingresso con quella del segnale d’uscita riproposto all’ingresso.<br />

Ponendo all’ingresso del rivelatore di fase due segnali sinusoidali:<br />

1. t)<br />

A sen<br />

t<br />

Vi ( iM i<br />

- segnale d'ingresso -<br />

2. V t)<br />

A M sen(<br />

t (<br />

t))<br />

- segnale retroazionato -<br />

0(<br />

0<br />

0<br />

<br />

0<br />

2<br />

<br />

0<br />

( f frequenza caratteristica del V.C.O in assenza di segnale d'ingresso)<br />

3. t)<br />

kA A sen(<br />

t)<br />

sen(<br />

t (<br />

t))<br />

VC ( iM 0M<br />

i<br />

0<br />

- segnale all'uscita del comparatore di fase -<br />

Analizziamo la relazione del segnale in uscita dal comparatore ricordando la formula di Werrner (4) la relazione (3)<br />

diventa:<br />

1<br />

4. VC ( t)<br />

k1AiM<br />

A0M<br />

[cos(( i 0<br />

) t )<br />

cos(( i<br />

0<br />

) t )]<br />

con k1<br />

k<br />

2<br />

(costante di moltiplicazione)<br />

Notiamo che il segnale all'uscita del comparatore è costituito da due componenti , una<br />

componente a bassa frequenza fBF = fi - f0 e l'altra ad alta frequenza fAF = fi + f0<br />

Filtro passa basso<br />

Il filtro in questione taglia la componente del segnale VC relativo alle alte frequenze quindi elimina<br />

la componente del segnale t)<br />

k A A [cos(( <br />

) t )]<br />

VCAF ( 1 iM 0M<br />

i 0<br />

Buffer serve ad isolare che componenti statiche del VCO dal filtro.<br />

la componente a bassa frequenza t)<br />

k A A [cos(( <br />

) t )]<br />

controlla il VCO<br />

VCBF ( 1 iM 0M<br />

i 0<br />

forzandolo a modificare la propria frequenza di oscillazione in modo tale da ridurre la differenza<br />

tra la frequenza d'ingresso fi e la frequenza f0 del VCO quindi la reazione del sistema è tale da<br />

portare il VCO a oscillare sulla stessa frequenza del segnale d'ingresso. In questo caso si dice che il<br />

PLL è nello stato di aggancio.<br />

1<br />

2<br />

4<br />

sen<br />

sen [cos( )<br />

cos( )]<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

Quando il PLL è agganciato al segnale d'ingresso, risulta f0 = fi e l'espressione scritta<br />

precedentemente (2) diventa:<br />

V t)<br />

V ( t)<br />

k A A cos<br />

k cos<br />

B ( C 1 iM 0M<br />

D<br />

con k D [V/rad] detto sensibilità del rilevatore di fase ed e fornita dal costruttore del dispositivo.<br />

Se varia la frequenza del segnale d'ingresso, il PLL riesce a seguire le variazioni di frequenza.<br />

Se all'ingresso del PLL è applicato un segnale modulato <strong>FM</strong>, la variazione di frequenza del segnale<br />

d'ingresso è rivelata dal comparatore di fase e la conseguente componente a frequenza differenza<br />

mantiene agganciato il VCO al segnale d'ingresso, cioè il VCO segue il valore istantaneo della<br />

frequenza del segnale d'ingresso. Pertanto la tensione di uscita del filtro passa basso rappresenta il<br />

segnale modulante.<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Approfondimenti<br />

Nota_1:<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

In telecomunicazioni ed elettronica il rapporto segnale/rumore, è una grandezza numerica che mette in relazione la<br />

potenza del segnale utile rispetto a quella del rumore in un qualsiasi sistema di acquisizione, elaborazione o trasmissione<br />

dell'informazione.<br />

Il rapporto segnale/rumore è un numero puro o adimensionale dato dal rapporto fra due grandezze omogenee che<br />

esprime quanto il segnale sia più potente del rumore nel sistema considerato. Questa grandezza è formalmente espressa<br />

dalla relazione:<br />

Psegnale<br />

SNR 0 SNR <br />

P<br />

rumore<br />

dove P segnale è la potenza del segnale utile e P rumore la potenza totale del rumore presente nel sistema, grandezze queste<br />

solitamente espresse in watt o dBmW.(decibel-mW).<br />

Nota_2:<br />

I diodi VARICAP sono dei diodi speciali che hanno la proprietà di variare la loro capacità interna, espressa in<br />

pF, in rapporto ad un determinato valore variabile di tensione continua applicata ai loro capi.<br />

In sostanza, sono dei veri e propri “Trimmer capacitivi” e cioè dei minuscoli condensatori variabili. Arrecano<br />

un grande vantaggio alla costruzione di apparati elettronici perché, date le loro minime dimensioni, non<br />

richiedono molto spazio e, oltretutto, sono molto stabili.<br />

Simbolicamente, in elettronica, sono raffigurati con il simbolo di un condensatore collegato a quello di un<br />

diodo comune. Fisicamente, invece, possono essere a forma di un diodo comune ma con soprascritta sigla<br />

appropriata oppure possono avere forma di un transistor plastico a tre terminali. Quando il diodo Varicap<br />

appare in questa ultima forma fisica (Tre terminali), vuole significare che al suo interno si trovano due diodi<br />

Varicap collegati in serie. Ecco, qui appresso, i vari simboli con le dimensioni fisiche:<br />

Il lato in cui è raffigurato il condensatore si chiama Catodo (K) mentre il lato opposto è l' Anodo (A).<br />

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Appunti di telecomunicazione Rev.0<br />

Baldassarre Anna Rita<br />

FUNZIONAMENTO<br />

La capacità o meglio la potenzialità di capacità di un Diodo Varicap può variare da 1 pF a circa 500 pF.<br />

Comunque per capacità diverse maggiori o minori, è possibile ricorrere al collegamento in serie o parallelo<br />

degli stessi. Quando si collegano in serie, la capacità sarà pari alla metà del diodo inferiore mentre quando si<br />

collegano in parallelo, la capacità sarà pari alla somma della capacità dei due diodi.<br />

Relazione essenziale dei diodi Varicap è la tensione continua applicata ai capi. Sul Catodo, andrà applicata<br />

sempre una tensione positiva e sull'Anodo una tensione negativa. Quando ai suoi capi non viene applicata<br />

alcuna tensione, il Diodo Varicap esprime la sua massima capacità. Ciò sta a significare che, posto in un<br />

determinato circuito, un diodo Varicap di 45 pF senza alcuna tensione continua, (Tensione, uguale a zero) lo<br />

stesso regolerà il circuito a 45 pF e non diversamente. Ogni Diodo Varicap riporta nella sua sigla segnata sul<br />

suo corpo esterno la tensione continua massima applicabile (es. da 0 a 25 Volt D.C.).<br />

Nota_3:<br />

Il "circuito ad aggancio di fase" oltre che per demodulare un segnale <strong>FM</strong> si usa per diversi scopi quali:<br />

sintetizzatore di frequenza, essendo in grado di sintonizzare un oscillatore controllato in tensione<br />

(Voltage Controlled Oscillator o VCO, dispositivo in grado di produrre oscillazioni ad alta frequenza<br />

ma dotato di bassa precisione) con un oscillatore al quarzo (caratterizzato al contrario da una bassa<br />

frequenza di risonanza, spesso insufficiente nel campo delle telecomunicazioni, ma anche da<br />

precisione molto elevata);<br />

generatore di clock, soprattutto nei sistemi a microprocessore;<br />

sistema di clock recovery, finalizzato cioè all'estrazione del clock da un segnale aperiodico modulato.<br />

(Alcuni flussi di dati digitali, specialmente in sistemi seriali ad alta velocità (ad esempio il flusso di<br />

dati dalla testina magnetica di un hard disk) sono infatti inviati senza un segnale di temporizzazione<br />

(cioè un clock) (trasmissione asincrona). Il ricevitore deve quindi generare un clock da una<br />

frequenza di riferimento approssimata tramite un oscillatore locale per poi sincronizzarlo con il flusso<br />

di dati tramite un PLL. Questo processo è detto clock and data recovery (CDR), letteralmente<br />

"ricostruzione dei dati e della temporizzazione".)<br />

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