Tesina sviluppata dall alunno Michele Lavolpicella della classe 5 ETA. A.S. 2006/2007 Docente: Prof. ETTORE PANELLA

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1 I.T.I. Modesto PANETTI B A R I Via Re David, Fax 080- BARI Internet BATF05000C@istruzione.it Tesina sviluppata dall alunno Michele Lavolpicella della classe 5 ETA. A.S. 2006/2007 Docente: Prof. ETTORE PANELLA ANALISI E PROGETTO DI UN MODULATORE-DEMODULATORE ASK La modulazione è un'operazione mediante la quale il segnale contenente l'informazione (modulante) viene "collegato" a un secondo segnale (portante) avente le caratteristiche adatte al canale di trasmissione. In pratica la modulazione consiste nel far variare istante per istante una o più delle caratteristiche del segnale portante, in relazione al valore assunto dal segnale modulante. L'operazione inversa, che consente l'estrazione del segnale di partenza dal segnale modulato è detta demodulazione. Nella classificazione che segue, la distinzione del tipo di modulazione è determinata dal formato analogico o digitale del segnale modulante, poiché è quest'ultimo che determina il tipo di contenuto informativo e quindi il comportamento del segnale modulato come analogico o digitale. Si distinguono i seguenti tipi di modulazione: modulazione con portante sinusoidale (analogica) e modulante analogica: modulazioni AM, FM, PM. Naturalmente tali modulazioni sono di tipo analogico; modulazione con portante sinusoidale (analogica) e modulante digitale: modulazioni ASK, FSK, PSK, QAM. Tali modulazioni sono digitali anche se la forma d'onda del segnale modulato è quella propria di un segnale analogico. Sono denominate modulazioni digitali quelle che utilizzano una portante sinusoidale mentre l informazione da trasmettere è digitale. È utilizzata per la trasmissione dei dati digitali nei modem e nei ponti radio. Per modem si intende il dispositivo periferico che consente il collegamento seriale tra due computer remoti o tra un computer e un terminale utilizzando come linea di comunicazione quella telefonica. Col termine MODEM si intende la fusione delle parole MODulatoreDEModulatore. Il compito di tale dispositivo è quello di trasformare il segnale digitale proveniente da un dispositivo DTE in un segnale compatibile con il canale e la tecnica utilizzata. Il modem, quindi, svolge l'operazione di adattamento del segnale digitale alla linea telefonica. Per ponte radio si intende un sistema che consente lo scambio di informazioni analogiche o numeriche tra due apparati distinti mediante l uso di onde elettromagnetiche. Per aumentare l efficienza del collegamento si impiegano sistemi trasmessivi direzionali che si avvalgono di antenne direttive, normalmente, di tipo parabolico in modo che l energia elettromagnetica sia concentrata in fasci molto stretti diretti verso gli apparati in comunicazione. 1

2 Tornando alle modulazioni digitali possiamo dire che, come per le modulazioni analogiche, anche per quelle digitali si hanno tre tecniche di modulazione: di ampiezza, frequenza e fase. Nelle modulazioni digitali la velocità di trasmissione è espressa in bit/sec (bps) oppure in baud. Con il bit/sec si indica il numero di possibili livelli logici (bit) trasmessi nell unità di tempo. La modulazione di ampiezza ASK (Amplitude Shift Keying) consiste nell associare ai simboli binari 0 e 1 due ampiezze distinte della portante. Fig.1 Andamenti temporali per la modulazione ASK di tipo OOK In fig.1 si mostrano le forme d onda tipiche per una modulazione ASK nella quale si è associato al livello alto la presenza della portante e a quello basso il segnale nullo. In tal caso la modulazione è denominata OOK (On Off Keying). La modulazione OOK ricorda la trasmissione dati col codice Morse (il Codice Morse, detto comunemente anche Alfabeto Morse, è un sistema per trasmettere lettere, numeri e segni di punteggiatura per mezzo di un segnale in codice ad intermittenza, esso è una forma di comunicazione digitale, tuttavia diversa dai moderni codici digitali binari che usano solo due stati [comunemente rappresentati con 0 e 1), il Morse infatti ne usa 5: punto (), linea ( ), intervallo breve (tra ogni lettera), intervallo medio (tra parole) e intervallo lungo (tra frasi)]. Fig.2 Circuito applicativo di principio In fig.2 si mostra un semplice circuito che consente di ottenere un segnale modulato ASK. Esso è costituito da un interruttore analogico comandato dal segnale digitale v m. 2

3 Per v m = 0 l interruttore è aperto per cui v o (t) = 0, per v m = 1 l interruttore è chiuso e v o (t) = v p (t). La modulazione ASK presenta diversi inconvenienti legati prevalentemente al basso rapporto segnale/rumore che si riesce ad ottenere e pertanto, in pratica, è poco utilizzata. Il rapporto segnale/rumore, spesso abbreviato con la sigla S/N, è una grandezza numerica che mette in relazione la potenza del segnale utile rispetto a quella del rumore in un qualsiasi sistema di acquisizione, elaborazione o trasmissione dell'informazione. Può essere applicato indifferentemente a sistemi di natura ottica, elettronica, ecc. e si tratta di una grandezza fondamentale nell'ambito del trattamento dei segnali e della teoria dell'informazione. Un qualsiasi sistema che debba trasportare o trattare informazioni è infatti affetto da rumore, primo fra tutti il rumore termico. Il rapporto segnale/rumore è un numero puro, dato dal rapporto fra due grandezze omogenee, che esprime quanto il segnale sia più potente del rumore nel sistema considerato. È espresso dalla relazione: dove ovviamente SNR equivale a S/N, e dove P segnale è la potenza del segnale utile e P rumore la potenza totale del rumore presente nel sistema, grandezze queste solitamente espresse in db. È un parametro di merito molto importante per il dimensionamento dei sistemi di telecomunicazioni. Più è basso l'snr, infatti, e più sarà difficoltosa la ricezione del segnale. È molto diffusa, invece, nelle modulazioni miste in cui parte dell informazione è trasmessa tramite salto dell ampiezza della portante e parte è trasmessa tramite variazione di fase dello stesso segnale portante. La modulazione ASK è stata la prima modulazione numerica impiegata, ma per le prestazioni limitate in termini di tasso di errore è oggi scarsamente utilizzata. Nella forma designata OOK (On-Off Keying) consiste nell'assegnare un'ampiezza V alla portante in corrispondenza della cifra "1", mentre l'ampiezza è nulla se la cifra da trasmettere è "0" come mostrato Il modulatore sfrutta la caratterista della modulazione OOK di essere un caso particolare della modulazione AM DSB-SC (Amplitude Modulation Double Side Band-Suppressed Carrier) in cui il segnale modulante assume solamente due valori: o il massimo consentito o zero. Nel caso in cui il segnale modulante sia zero, allora anche il segnale modulato sarà zero. Per lo stesso motivo il demodulatore risulta essere l'esatto modulatore utilizzato per un segnale AM, nonostante il demodulatore di un segnale AM DSB-SC standard sia molto più complesso. Un'altro vantaggio della modulazione OOK è il risparmio di potenza che avviene durante la trasmissione di uno "0", perchè il segnale sull'antenna risulta assente. La modulazione AM DSB-SC è una modulazione di ampiezza in cui la portante del segnale non viene inviata, al fine di migliorare l'efficienza della modulazione in termini di potenza trasferita poiché la trasmissione della portante richiede che una certa potenza sia fornita a quest'ultima anziché alle righe del segnale modulato. Per studiare l'occupazione di banda del segnale OOK è necessario analizzare quello che accade con una modulazione AM DSB-SC. Partiamo con l'analizzare la modulazione utilizzando un segnale modulante sinusoidale, per poi spostarci con uno ad onda quadra, simile a quello che poi verrà utilizzato nel circuito. Un segnale DSB- SC è ottenuto mediante l'applicazione del segnale modulante e del segnale portante agli ingressi di un moltiplicatore. 3

4 Consideriamo infatti un segnale modulante sinusoidale e riportiamo l'espressione del segnale modulato in AM a portante trasmessa per questo segnale sinusoidale: Eliminando il termine relativo alla portante si ottiene: Sviluppando l'espressione con le formule di addizione e sottrazione trigonometriche la formula può essere riscritta nella forma: Poiché l'espressione è costituita dalla somma di più termini sinusoidali, essa rappresenta lo sviluppo in serie di Fourier del segnale modulato, in cui è possibile individuare: un termine corrispondente alla riga inferiore, avente frequenza f p - f m e ampiezza massima pari a V m / 2 un termine corrispondente alla riga inferiore, avente frequenza f p + f m e ampiezza massima pari a V m / 2 Fig. 3 Spettro (a) di un'onda quadra e (b) del segnale modulato Nella figura a) è rappresentato lo spettro del segnale ad onda quadra usato come campione nei test del circuito. Il segnale modulato sarà composto da questo spettro più uno speculare a fianco, il tutto spostato della frequenza della portante, come mostrato in figura b). I due lobi dello spettro sono definiti in questo caso banda laterale inferiore e banda laterale superiore. Sempre dalla figura è possibile determinare l'occupazione di banda del segnale modulato, che corrisponde a due volte la frequenza massima del segnale in banda base. Ponendo la frequenza del segnale ad onda quadra a f k, l'estensione dello spettro di figura a) 4

5 è pari a 3/4 f k. Quindi l'occupazione di banda dell'onda quadra in banda traslata è pari a 3/2 f k. L'efficienza spettrale di questa modulazione è: Aspetti matematici E = 0,67 bps/hz. Supponendo che il segnale modulante sia un onda quadra di periodo T, frequenza f m = 1/T ed ampiezza unitaria, il segnale di uscita v o (t) di fig.1 si può considerare il prodotto tra il segnale portante sinusoidale: v p (t) = V P sen ω P t otteniamo: con n dispari. 5

6 Lo spettro è costituito dalle componenti riportate nella seguente tabella. L indagine è stata effettuata fino alla quinta armonica di f m. Fig.4 Spettro di frequenza della funzione v o(t) In fig.4 si mostra lo spettro di frequenza della funzione v o (t). Si osserva che nella modulazione di ampiezza AM con modulante sinusoidale lo spettro di frequenza contiene solo tre righe: la portante e le due righe laterali: f p f m e f p + f m. In questo caso lo spettro contiene, oltre alle tre righe citate, altre righe. Ciò è dovuto al segnale modulante che non è sinusoidale ma è quadro e, per il teorema di Fourier, è assimilabile alla somma di infinite onde sinusoidali di frequenza multipla di f m. Pertanto, la modulazione ASK presenta una larghezza di banda maggiore della classica AM. Se si considerano solo le componenti fino alla quinta armonica, la larghezza di banda è di 10f m ma così si introduce una distorsione nella forma d onda ricevuta. Il calcolo del tasso di errore è fondamentale per determinare la massima distanza a cui è possibile porre il ricevitore. Più distanti si è dal trasmettitore e più il rumore è alto, e quindi il rapporto S/N diventa sfavorevole; ciò comporta un maggior tasso di errore, che oltre un certo limite diventa intollerabile portando a errori di lettura troppo frequenti. Volendo studiare un demodulatore ASK ricordiamo che esso è costituito da un blocco in grado di ricostruire il segnale portante v p (t) realizzato con un circuito PLL e da un moltiplicatore analogico che esegue il prodotto tra il segnale ASK e la portante: 6

7 Dopo aver visto nozioni generali sulla Modulazione ASK e sulla Demodulazione ASK si passa all esperienza pratica. Il circuito realizzato per ottenere il segnale e quindi la modulazione ASK è il seguente: Fig. 5 Modulatore ASK Come è possibile notare esso può essere suddiviso in tre blocchi. Il primo è un semplice OSCILLATORE A PONTE DI WIEN per la generazione del segnale portante: 7

8 Alla base di un oscillatore a ponte di Wien vi é la rete RC che ha come caratteristiche: - Frequenza di risonanza pari a fo = 1/(2 π R C) Nell esempio la frequenza vale: f = 1 / (2 π 3, , ) = 10 KHz 2 π R C = 0,1 ms R C = 15, µs L oscillatore a ponte di Wien é composto da un amplificatore operazionale con due tipi di reazione: una negativa con R2 e R1 come un normale amplificatore ed una positiva mediante la rete RC. Un simile amplificatore con una parte di reazione positiva, diventa un oscillatore. La rete RC, con la sua reazione positiva, riporta 1/3 della tensione d'uscita sul piedino non invertente dell'operazionale. R1 = 1/3 R2. Questa é la condizione di stabilità del sistema che produrrà oscillazioni ad ampiezza costante. Il secondo blocco è un GENERATORE DI DATI per la generazione del segnale modulante ad onda quadra: 8

9 Il generatore di dati e stato costruito utilizzando due delle sei porte che si trovano all interno dell integrato 74C14. Il terzo blocco è un ANALOG SWITCH per la generazione del segnale modulato ASK: Si riportano le forme d onda in simulazione: 9

10 Il precedente grafico è stato ottenuto con l utilizzo del software Electronics Workbench dopo ave realizzato il seguente schema: Come si può facilmente vedere, in questo circuito ci sono due generatori, uno genera un segnale analogico mentre l altro genera un segnale digitale, il MULTIPLIER realizza la moltiplicazione dei due segnali. Il circuito realizzato per ottenere la demodulazione ASK è il seguente: Il segnale ASK attraversa un normalissimo diodo, la funzione di questo diodo è quella di tagliare le semionde negative come mostrato di seguito. 10

11 Dopo il diodo il segnale incontra un parallelo formato da una resistenza e un condensatore, il loro scopo è quello di rendere il segnale quasi perfettamente identico al segnale dati e come mostrato nel seguente grafico: Purtroppo il segnale che otteniamo non è ancora perfettamente squadrato, per far ciò inviamo il segnale in un comparatore, questo comparatore è stato costruito utilizzando un LM339 e impostando al piedino 4 una tensione pari a 2.5V, grazie al partitore di tensione. Quando sul piedino 5 dell LM339 avremo una tensione superiore a 2.5V in uscita avremo un segnale a livello alto, mentre se il segnale in entrata al piedino 5 sarà inferiore di 2.5V in uscita avremo un segnale a livello basso, ovviamente per livello alto intendiamo una tensione pari a +15v mentre per livello basso intendiamo una tensione pari a 0V poiché il comparatore è a singola alimentazione. Il progetto è stato realizzato con la tecnica del circuito stampato. Per realizzare i circuiti elettronici o si utilizzano le breadboard o i circuiti stampati. Nel primo caso si hanno delle basette forate come in figura: con i collegamenti tra i diversi fori realizzati internamente. Si possono avere breadboard con o senza alimentazione. Se invece si vuole un cablaggio tra i componenti elettronici evitando l uso di conduttori si utilizza la tecnica del circuito stampato. L elemento basilare del circuito stampato è la basetta. 11

12 L immagine raffigura basette per circuiti stampati già forate ma la basetta per circuito stampato utilizzata è priva di fori e quindi, terminata la procedura della realizzazione delle piste è necessario forare con apposito trapano i punti di inserimento dei terminali dei componenti. La basetta è formata da un supporto isolante che può essere di bakelite o vetronite (la vetronite è preferita alla bakelite perché è più resistente alle alte temperature), da un collante (il collante deve avere coefficiente termico uguale all isolante e al rame per evitare che si spacchi) e da uno strato di pochi micron di rame. Il collante deve assicurare una perfetta aderenza tra il supporto isolante e lo strato di rame. Il rame deve risultare di elevata purezza chimica ed inoltre la sua struttura deve risultare compatta. Lo spessore complessivo della basetta è compreso tra 1 e 2 millimetri. Le dimensioni della basetta possono essere standard e le più diffuse arrivano ad un formato di 50%. Ovviamente si esegue il taglio del circuito stampato dipendentemente dalle dimensioni del circuito da cablare. Il termine tecnico per realizzare un circuito stampato è indicato con la sigla PCB che significa: Printed Circuit Board (circuito stampato su piastra). In commercio si hanno attualmente diversi tipi di circuiti stampati e precisamente si hanno quelli monofaccia, doppiafaccia e nei casi più sofisticati si hanno i PCB multistrato. Inoltre è possibile trovare piastre ramate sensibilizzate e piastre ramate da sensibilizzare. Il primo passo da realizzare è quello di definire le dimensioni dei componenti elettronici e l esatto posizionamento degli stessi in funzione dello schema del circuito elettronico. Questo posizionamento dei componenti si chiama tecnicamente layout. Per realizzare il layout bisogna inizialmente posizionare i componenti nel miglior modo possibile affinché i collegamenti tra i terminali dei componenti vadano a costituire le piste ramate senza alcuna sovrapposizione. L esecuzione di circuiti stampati più complicati si realizza con opportuni programmi al computer. Tali programmi eseguono l operazione di sbroglio, cioè evitano che ci siano incroci tra le piste, così come anche tali programmi limitano il passaggio di piste tra i piedini dei circuiti integrati. Inoltre al termine dell esecuzione del disegno del circuito stampato, che si chiama master, si ha a disposizione la pista finale o su carta lucida o su pellicola trasparente. È importantissimo che le piste siano estremamente annerite e tali da non far passare la luce e al termine di ciascuna pista disegnata bisogna prevedere la presenza di un foro che servirà successivamente per forare di fatto la basetta, al fine di inserire i terminali ed eseguire le saldature. 12

13 Dopo aver realizzato il master è necessario non realizzare piste di spessore inferiore a 0.5 mm, inoltre le connessioni tra le piste debbono avvenire evitando spigoli vivi, cioè variazioni brusche delle direzioni delle piste. Inoltre al termine di ogni pista bisogna inserire un terminale come disegno che si chiama piazzola, formata da un tondo che rappresenta il punto in cui verrà eseguita la foratura. In quel foro verrà inserito il terminale del componente elettronico e quindi si eseguirà la saldatura. La realizzazione del circuito stampato avviene mediante la tecnica della foto-incisione. Le basette di rame possono essere già predisposte con uno strato sensibile che si chiama: photoresist. Esso è costituito da un materiale fotosensibile. Nel caso in cui la basetta non fosse già presensibilizzata è necessario disporre sul rame di uno strato di photoresist prodotto da Agfha e Kodak. Dopo aver realizzato il master, assicurando la trasparenza delle parti bianche e la completa copertura delle parti annerite, assicurandosi che le piste non si sovrappongano, si deve procedere alla stampa del master sulla basetta di rame. La basetta può essere già presensibilizzata con photoresist che può essere di tipo positivo o negativo, altrimenti sarà necessario spalmare sulla basetta del photoresist venduto in boccette. Ovviamente le basette presensibilizzata costano di più e devono essere protette da una pellicola oscura per evitare che il photoresist prenda luce. A questo punto bisogna appoggiare il master sulla basetta di rame con photoresist ed inserire basetta e master nel broomografo. Si mostra l interno del bromografo e quindi anche cosa producono i raggi ultravioletti che servono per la polarizzazione. Esternamente il broomografo è dotato anche di un timer. Il bromografo è una macchina che permette a pressione la massima aderenza tra pellicola e basetta, quindi si inviano dei raggi ultravioletti sul master e sulla basetta con la conseguenza che tali raggi vanno a colpire le parti trasparenti del master e quindi la parte di photoresist sulla basetta sottostante. I raggi ultravioletti hanno la caratteristica di polimerizzare il photoresist che così si indurisce perchè modifica la propria struttura molecolare, infatti dopo aver tolto dal broomografo il master con la basetta, si procede alla fase di sviluppo con la soda e quindi segue la fase di incisione all interno di un acido che di solito è: cloruro ferrino. Tale acido elimina le parti non polimerizzate del photoresist lasciando così solo la pista disegnata sul master. Si procede alla fine, con la trielina, alla pulizia della pista così incisa. 13

14 Il lavoro successivo è quello della foratura dei punti in cui bisogna inserire i terminali dei componenti e quindi si può procedere alla saldatura (preoccupandosi di fare attenzione a non commettere saldature fredde o avere l accortezza di non far riscaldare troppo la pista con il saldatore poiché si può correre il rischio di bruciarla e quindi non ritrovarsi più un pezzo di pista), personalmente consiglio, dopo ogni saldatura, di controllare con il tester se c è conduzione per non trovarsi in un secondo momento in difficoltà perché non c è conduzione. Nell esecuzione del circuito stampato bisogna fare attenzione a inserire i componenti dalla parte opposta alla pista. Immagini prese da Eagle 4.0 che ci spiegano come, inserendo i componenti in un foglio elettronico è possibile realizzare il master tramite il programma dopo aver impostato lo spessore delle piste, ovviamente si cerca sempre di evitare spigoli vivi poiché si possono verificare degli accumuli di tensione. In questa immagine vediamo il master, ovviamente esso è privo di piste sovrapposte. Il master è stato realizzato con il Eagle 4.0, è un software che permette di eseguire il layout e quindi lo sbroglio delle piste del circuito. 14

15 L immagine precedente raffigura la parte inferiore della basetta dopo che essa è uscita dal broomografo ed è stata lavata nella soda, in questa immagine è possibile vedere le piste polimerizzate del photoresist prima che la basetta venga immersa nell acido. Quella che segue è un immagine che riprende la parte inferiore della basetta: Ovviamente il tutto è stato progettato utilizzando il software Eagle 4.0 che ha eseguito il layout. Si mostra il contenitore utilizzato per il progetto: 15

16 Si riporta un immagine che raffigura la parte superiore della basetta, gli integrati non possono essere visualizzati poiché per prevenire la loro bruciatura sono stati inseriti negli appositi zoccoli solo a progetto terminato. Si mostra l immagine finale del progetto: Nell immagine che segue è raffigurato il progetto terminato con le boccole che verranno successivamente collegate al sistema di alimentazione: 16

17 In quest ultima immagine sono rappresentate le varie entrate ed uscite della basetta, nella parte superiore ci sono le entrate dell alimentazione, mentre nella parte inferiore dell immagine ci sono le uscite, ovvero la Vport ( segnale analogico proveniente dal ponte di Wien ovvero segnale proveniente dal piedino 6 dell operazionale LF356N ), i DATI IN ( segnale digitale proveniente dal piedino 4 del 74C14, nonché l uscita del generatore di dati ), la ASK ( modulazione ASK, o anche segnale di uscita dell ANALOG SWITCH ovvero segnale di uscita dell LF13201 ), DATI OUT ( demodulazione ASK, segnale di uscita dal piedino 2 del comparatore ovvero dell LM339 ) e infine c è un altra GND, essa serve per collegare la sonda proveniente dall oscilloscopio, poiché una parte della sonda verrà collegata alternativamente alle uscite Vport, DATI IN, ASK e DATI OUT mentre l altra parte della sonda verrà collegata alla GND. 17