Modulazione_FM - ISIS NEWTON VARESE
Modulazione_FM - ISIS NEWTON VARESE
Modulazione_FM - ISIS NEWTON VARESE
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
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 />
Pagina 2 di 19
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 />
Pagina 4 di 19
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 />
Pagina 5 di 19
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 />
Pagina 6 di 19
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 />
Pagina 7 di 19
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 />
Pagina 8 di 19
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 />
Pagina 9 di 19
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 />
Pagina 10 di 19
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 />
Pagina 11 di 19
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 />
Pagina 12 di 19
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 />
Pagina 13 di 19
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 />
Pagina 14 di 19
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 />
Pagina 15 di 19
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 />
Pagina 16 di 19
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 />
Pagina 17 di 19
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 />
Pagina 18 di 19
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 />
Pagina 19 di 19