INTRODUZIONE ALLE MODULAZIONI DIGITALI
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- Lucio Lorenzi
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1 A R I ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI SEZIONE DI VERONA G. Faccioli Verona, 11 Febbraio 2005 INTRODUZIONE ALLE MODULAZIONI DIGITALI INTRODUZIONE alle MODULAZIONI DIGITALI - ARI Sezione di VERONA by IW3HXO / A.A rev 1.0.
2 INTRODUZIONE ALLE MODULAZIONI DIGITALI Perché TRASMETTERE in DIGITALE? Le SFIDE della COMUNICAZIONE DIGITALE via RADIO Cosa bisogna conoscere prima di iniziare? Alcuni programmi di ANALISI AUDIO Alcuni esempi Cenni di COMUNICAZIONE DIGITALE I MEZZI LE FASI MODALITA OPERATIVE UTILIZZATE FREQUENTEMENTE COMPARAZIONE VELOCITA / LARGHEZZA DI BANDA Programmi fortemente CONSIGLIATI INTERFACCIAMENTO PC / RX TX
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4 L INFORMAZIONE via RADIO può essere : VOCE o DATI I DATI possono essere : TESTO / NUMERI IMMAGINI ( mappe meteo / fax / foto / file binari etc.. ) Perché TRASMETTERE in DIGITALE? 1 BUON MOTIVO Es: in presenza di QSB / QRM / QRN / evanescenza selettiva / fading / multipath / doppler, inversione di fase faraday etc. ) il segnale RADIO trasmesso può subire pesanti attenuazioni e distorsioni ( ampiezza fase etc.. ) In queste condizioni diminuisce drasticamente la possibilità di far arrivare in maniera CHIARA e COMPRENSIBILE la VOCE Dove non arriva l INFORMAZIONE via VOCE, può arrivare l INFORMAZIONE in formato DATI INTERESSANTE : La scelta del TIPO di EMISSIONE DIGITALE è pertanto collegata alle condizioni di PROPAGAZIONE della BANDA prescelta 2 BUON MOTIVO Si possono trasmettere anche IMMAGINI : e un immagine vale più di mille parole!
5 Le SFIDE della COMUNICAZIONE DIGITALE via RADIO Tutte le INNOVAZIONI per migliorare il TRASFERIMENTO dell INFORMAZIONE via RADIO in formato DATI si prefiggono il raggiungimento dei seguenti obiettivi TRASFERIRE l INFORMAZIONE - maggior quantità di informazione nel minore tempo possibile - con l impiego di una larghezza di banda più limitata possibile - con il maggior livello di affidabilità (inf. ricevuta è perfettamente eguale a quella trasmessa ) - con il minor dispendio di energia
6 Il Principio teorico segnale PORTANTE in ALTA FREQUENZA opportunamente MODULATO dal segnale ( di BASSA FREQUENZA ) che contiene l INFORMAZIONE Come? Con i mezzi disponibili ( PC con scheda audio e / RX-TX ), cioè utilizzando contemporaneamente : il segnale MODULANTE che contiene l INFORMAZIONE ( la banda passante offerta dalle apparecchiature è compresa fra i 300 a Hz ) La PORTANTE opportunamente modulata ( AM / FM / SSB )
7 AM - MODULAZIONE di AMPIEZZA
8 FM - MODULAZIONE di FREQUENZA
9 Cenni di COMUNICAZIONE DIGITALE I PC comunicano in formato binario PC = trasmette e riceve in BINARIO ( digitale ) In binario da un PC a un altro PC la lettera A viene trasmessa come una sequenza di 8 BIT :
10 Cenni di COMUNICAZIONE DIGITALE Esistono degli standard condivisi fra i costruttori di ICT per far dialogare i computer fra loro e le periferiche collegate : si chiamano PROTOCOLLI : -livello fisico ( es. connettori ) -livello elettrico ( tensioni dei segnali elettrici ) -livello logico ( codifica dei bit in caratteri ) -livello software ( pacchetti / frame etc )
11 Cenni di COMUNICAZIONE DIGITALE La trasmissione puo essere seriale ( una sequenza di bit, es porta seriale ) La trasmissione puo essere parallela ( i bit vengono inviati o ricevuti contemporaneamente porta parallela della stampante ) indipendentemente dal sistema di comunicazione del pc ( seriale o parallelo ) i bit sono AGGREGATI in gruppi da 8, cioè un BYTE nel sistema ASCII a 8 bit, codificano un carattere La trasmissione può essere SINCRONA o ASINCRONA L informazione ( costituita da più sequenze di bit ) può essere dotata di informazioni aggiuntive destinate a garantire l INTEGRITA dei DATI durante il trasferimento. Algoritmi di correzione degli errori possono rendere più efficace il protocollo di trasmissione.
12 Si può ascoltare? SI! Il segnale MODULANTE è costituto da segnali compresi fra le frequenze della BANDA PASSANTE banda passante AUDIO (BF : 300 a Hz ) Questo suono viene ad essere generato sugli altoparlanti della scheda audio dal programma applicativo specifico per la modalità di emissione digitale prescelta Si può vedere? SI! Un segnale di BF ricevuto dal ricevitore può essere VISUALIZZATO sul PC, il miglior approccio alle comunicazioni digitali è di prendere confidenza con i programmi di analisi di segnali AUDIO. Questi programmi permettono di norma la visualizzazione in 2 modalità : - SEGNALE nel dominio del TEMPO ( sono la versione software dell oscilloscopio ) Modalità poco utilizzata in quanto non utile per i nostri scopi - SEGNALE nel dominio della FREQUENZA ( sono la versione elettronica dell ANALIZZATORE di SPETTRO ) per quest ultimo risulta utilissima la modalità di visualizzazione dello SPETTROGRAMMA ( metodo RAINFALL / CASCATA ) La modalità di visualizzazione RAIN FALL è quasi sempre disponibile anche nei programmi di RiceTrasmissione DIGITALE.
13 Cosa bisogna conoscere prima di iniziare? Innanzitutto bisogna individuare i collegamenti necessari per collegare la RADIO al COMPUTER Per la RICEZIONE Il Segnale di BF che ESCE dalla RADIO ( uscita cuffie ) deve ENTRARE all ingresso MICRO o LINE IN della scheda AUDIO del PC Per la TRASMISSIONE Il Segnale di BF che ESCE dalla scheda AUDIO del PC ( CUFFIE / LINE OUT ) deve ENTRARE all ingresso del MICRO della RADIO
14 Alcuni programmi di ANALISI AUDIO - IZ8BLY Spectra ( per iniziare ) - I2PHD SPECTRAN Version 2 - DL4YHF's Spectrum Lab (Audio Signal Analyser) ( la FERRARI )
15 Alcuni esempi Telegrafia : Il CW è la primo sistema di trasmissione digitale cioè che risponde al sistema BINARIO, ( Punto - Linea / 0 1 ) La NOTA di una trasmissione in codice MORSE è di 800 Hz. La durata nel tempo della NOTA rappresenta l unità informativa (durata breve = PUNTO / durata maggiore = LINEA ), L AGGREGAZIONE sequenziale di PUNTI e LINEE consente la CODIFICA di un intero SET di caratteri MORSE ) ( TABELLA di CODIFICA del CODICE Es. la lettera A è codificata con un PUNTO immediatamente seguito da una LINEA )
16 L evoluzione ******************************************** TELETYPE ( Telescriventi ) TTY RADIO TELETYPE ( RadioTelescriventi ) RTTY ******************************************** Il Sistema RTTY, confrontato con la trasmissione in CW, introduce sostanziali fattori di novità : Lo stato BINARIO viene realizzato con 2 TONI AUDIO ( lo schema di modulazione è di tipo AFSK )
17 Modulazioni digitali binarie AFSK Audio Frequency Shift Keying consiste nel variare la frequenza del segnale modulante in 2 valori prestabiliti di frequenza in corrispondenza allo stato logico di un segnale binario
18 Modulazioni digitali binarie AFSK Audio Frequency Shift Keying RTTY Hz ( valore logico 1 SPACE ) Hz ( valore logico 0 MARK )
19 RTTY Prendiamo ad esempio la lettera "L" dall'alfabeto ITA 2, che corrisponde alla sequenza e immaginiamo di inviarla in modalità Asincrona (quella per intenderci usata per tutte le trasmissioni Baudot) e vediamo con l'aiuto di questo disegno che cosa succede. Alphabet Bits/Char ITA-5 ASCII 10 ITA Varicode ~ 7-8
20 RTTY Il SET dei caratteri sono CODIFICATI da un numero FISSO di BIT ( TABELLA di codifica ALFABETO / ITA5 - ITA2) Inoltre viene inserito il parametro : BAUD / RATE ( BAUD = simboli / secondo), in grado di stabilire la VELOCITA di trasmissione o ricezione dei caratteri Nei programmi OM per RTTY le stazioni in QSO devono SETTARE nello STESSO MODO i PARAMETRI ESSENZIALI : - SHIFT AFSK : 170 Hz - MARK 2125 Hz ( questa è la frequenza più bassa delle 2 TONI AUDIO ) -BAUD RATE 45,45 - Codeset = J-BELL - ITA 5 = 10 Bit per carattere e nessun bit di stop o controllo di parità La modalità RTTY è un sistema di trasmissione seriale : - privo di controllo per la correzione degli errori ( a differenza del PACKET A.X25 ) - funziona in modalità ASINCRONA - si impiega di norma in HF in SSB Altri tipi di SET permettono di ricevere i dati meteo 24 h su 24 h e non solo!
21 Modulazioni digitali binarie RTTY Possiamo riassumere le condizioni in questa tabella: condizione logica 0 1 frequenza alta bassa condizione Space Mark asincrono Start Stop
22 Programma consigliato RTTY - MMTTY by JE3HHT
23 Modulazioni digitali binarie PSK 31 Modulazione di FASE Modulazione BPSK (binary phase shift keying) consiste nell introdurre uno sfasamento di 0 o di 180 nella fase della portante in base al valore di un segnale modulante binario Programma consigliato PSK - WinPSK
24 I MEZZI : PC + MODEM ( MODula DEModula ) + RX/TX LE FASI : In trasmissione ( TX ) I dati binari del PC vengono aggregati e inseriti dal MODULATORE nella PORTANTE tramite opportuni Schemi di modulazione orientate al BIT orientate al carattere in TX la scheda AUDIO del PC GENERA SEGNALI AUDIO
25 In ricezione ( RX ) I dati binari vengono estratti dalla portante ( DEMODULATORE ), più precisamente vengono individuati e riconosciuti nel segnale AUDIO ricevuto Gli ALGORITMI software ( FFT ) applicano la teoria di Fourier per scomporre il segnale ricevuto in tante sinusoidi di frequenza multipla della fondamentale ( anche la VOCE è scomponibile in tanti segnali sinusoidali di frequenza multipla della fondamentale) e ricostruiti in formato binario e sequenza, per renderli riconoscibili al PC
26 Hardware : il MODEM è costituito dalla SCHEDA AUDIO del PC ( CONVERTITORE D / A e A / D ) Per ogni sistema di TRASMISSIONE DIGITALE esiste un APPLICATIVO SPECIFICO in grado di programmare la scheda AUDIO al TIPO di TRASMISSIONE/ RICEZIONE DIGITALE PRESCELTA ( es. AFSK PSK etc.. ) TUTTI i PROGRAMMI per la ricetrasmissione in DIGITALE hanno in comune le seguenti funzioni : - CONTROLLO della SCHEDA AUDIO in funzionalità MODEM ( Modula / DEModula ) - CODIFICA / DECODIFICA dei dati - SELEZIONE dei PARAMETRI di trasmissione e / o ricezione - VISUALIZZAZIONE del SEGNALE trasmesso e/o ricevuto - CONTROLLO delle funzioni dell apparato RX/TX ( PTT ) Per INIZIARE si CONSIGLIA l UTILIZZO di PROGRAMMI dedicati a SINGOLI MODI DIGITALI, l impiego iniziale di programmi denominati MULTIMODO rischiano di ingenerare confusione ai principianti ( e non solo ).
27 - CONTROLLO della SCHEDA AUDIO in funzionalità MODEM ( Modula / DEModula ) - CODIFICA / DECODIFICA dei dati In TX - la scheda AUDIO viene utilizzata come CONVERTITORE D / A per generare SEGNALI AUDIO contenenti i dati binari - in trasmissione, sovrintende alle attività di assemblaggio dei dati in formato binario /Protocollo logico In RX - la scheda AUDIO viene utilizzata come CONVERTITORE A/ D vengono adottate sofisticate tecniche software di trattamento del segnale denominate DSP ( Digital Signal Processing ) - La scheda AUDIO esegue l estrazione e ricostruzione dei dati in formato binario /Protocollo logico Inoltre ( in TX e in RX ) sovrintende al controllo delle informazioni aggiuntive destinate a garantire l INTEGRITA del trasferimento dei DATI / eventuali sistemi di CORREZIONE dell ERRORE disponibili nel Protocollo Software prescelto
28 MODALITA OPERATIVE UTILIZZATE FREQUENTEMENTE Modo Tipo di Modulazione Tipo di Emissione Larghezza BANDA VELOCITA BAUD/ RATE WPM Bit / carattere CORREZIONE ERRORE BANDA RTTY AFSK SSB 300 Hz NO HF RTTY PACKET HF AFSK SSB Hz SI HF PSK31 PSK BPSK SSB/ FM TUTTE QPSK SSB/ FM 100 Hz SI SHF RDFT DPSK SSB/ FM Hz SI TUTTE MFSK 8FSK SSB HF MFSK16 16FSK SSB 16 SI HF PACKET AFSK FM SI VHF PACKET AFSK FM SI VHF / UHF
29 COMPARAZIONE VELOCITA / LARGHEZZA DI BANDA
30 Programmi fortemente CONSIGLIATI APPLICAZIONE SOFTWARE REV Autore Link ANALISI BF IZ8BLY Spectra IZ8BLY SPECTRAN Version 2 I2PHD IK2CZL ero.it/i2phd/ DL4YHF Spectrum Lab DL4YHF dl4yhf/ RTTY MMTTY JE3HHT ham-radio.ch/ PSK31 WinPSK AE4JY ae4jy/winpsk.htm RDFT DIGITRIX PY4ZBZ KB9VAK bz/index.htm MFSK16 IZ8BLY STREAM IZ8BLY / ZL1BPU s.com/iz8bly/strea m/index.htm PACKET AGWPE ( WinPack / APRS UiView ) PACKLINK Winlink 2000 SV2AGW G4IDE r/sv2agw/ HAMDREAM WinDRM HB9TLK
31 MODULAZIONI DIGITALI ORIENTATE al CARATTERE ( SPERIMENTALI METEOR SCATTER - EME ) Multimodo sperimentali WSJT FSK441 - JT6M JT65 - etc. K1JT Non possono essere considerate MODULAZIONI DIGITALI multimodo JVCOM32 mappe meteo / fax / foto / rtty DK8JV SSTV MSSTV Foto JE3HHT Dove ascoltare : vedi HELP di ogni specifico programma
32 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX Questo è un MODEM / TNC Terminal Network Controller X LA SCHEDA AUDIO del PC SOSTITUISCE IL MODEM
33 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX PC OUT RADIO OUT IN IN
34 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX PC X OUT RADIO OUT IN X IN
35 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX PC X OUT RADIO OUT IN IN X
36 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX PC OUT IN RADIO IN OUT PC OUT RADIO OUT IN IN
37 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX Per la RICEZIONE Il Segnale di BF che ESCE dalla RADIO ( uscita cuffie ) deve ENTRARE all ingresso MICRO o LINE IN della scheda AUDIO del PC PC RADIO OUT OUT IN IN Per la TRASMISSIONE Il Segnale di BF che ESCE dalla scheda AUDIO del PC ( CUFFIE / LINE OUT ) deve ENTRARE all ingresso del MICRO della RADIO
38 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX INTERFACCIA controllo del PTT COM / PORTA SERIALE RS-232 PTT OUT OUT IN IN
39 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX PC RADIO INTERFACCIA controllo del PTT DTR o RTS COM SERIALE PC GND
40 PC INTERFACCIAMENTO PC / RX TX PC OUT LINE OUT RADIO IN PC IN LINE IN o MIC OUT RADIO
41 INTERFACCIAMENTO PC / RX TX
42 Fine presentazione Grazie per l attenzione IW3HXO
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