introduzione alle modulazioni digitali

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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 - 2005 - by IW3HXO / A.A
rev 1.0.
“ 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
“ INTRODUZIONE alle MODULAZIONI DIGITALI - ARI Sezione di VERONA - 2005 - by IW3HXO / A.A.
http://home.teleport.com/~nb6z/frame.htm
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 !
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
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 3.200 Hz )
La “PORTANTE” opportunamente modulata ( AM / FM / SSB )
AM - MODULAZIONE di AMPIEZZA
FM - MODULAZIONE di FREQUENZA
I PC comunicano in formato binario
PC = trasmette e riceve in BINARIO ( digitale 10101010 )
In binario da un PC a un altro PC la lettera “ A “ viene trasmessa come
una sequenza di
8 BIT : 0-0-0-0-1-0-1-0
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 )
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 .
Si può ascoltare ? SI !
Il segnale MODULANTE è costituto da segnali compresi fra le frequenze della
BANDA PASSANTE banda passante AUDIO (BF : 300 a 3.200 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 .
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
Alcuni programmi di ANALISI AUDIO
-
IZ8BLY Spectra ( per iniziare )
-
-
I2PHD SPECTRAN Version 2
DL4YHF's Spectrum Lab (Audio Signal Analyser) ( la “ FERRARI “ )
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 ( TABELLA di CODIFICA del CODICE
MORSE )
Es. la lettera “ A “ è codificata con un PUNTO immediatamente seguito da una LINEA )
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 )
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
AFSK Audio Frequency Shift Keying
RTTY
2.295 Hz
2.125 Hz
( valore logico “ 1 “
( valore logico “ 0 “
SPACE )
MARK )
RTTY
Prendiamo ad esempio la lettera "L"
dall'alfabeto ITA 2, che corrisponde alla
sequenza 01001 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-2
7.5
Varicode
~ 7-8
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 !
RTTY
Possiamo riassumere le condizioni in questa tabella:
condizione logica
0
1
frequenza
alta
bassa
condizione
Space
Mark
asincrono
Start
Stop
Programma consigliato RTTY
-
MMTTY by JE3HHT
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
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
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
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 ).
-
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
MODALITA’ OPERATIVE UTILIZZATE FREQUENTEMENTE
Modo
Tipo di
Modulazione
Tipo di
Emissione
Larghezza
BANDA
VELOCITA’
BAUD/ RATE
WPM
RTTY
AFSK
SSB
300 Hz
45.45
RTTY –
PACKET
HF
AFSK
SSB
1.000 Hz
300
BPSK
SSB/ FM
QPSK
SSB/ FM
100 Hz
DPSK
SSB/ FM
2.500 Hz
Bit /
carattere
CORREZIONE
ERRORE
BANDA
60
NO
HF
30
SI
HF
PSK31
PSK
RDFT
TUTTE
31.25
31.25
SI
SHF
SI
TUTTE
MFSK
8FSK
SSB
HF
MFSK16
16FSK
SSB
16
SI
HF
PACKET
AFSK
FM
1.200
SI
VHF
PACKET
AFSK
FM
9.600
SI
VHF /
UHF
COMPARAZIONE VELOCITA’ / LARGHEZZA DI BANDA
Programmi fortemente CONSIGLIATI
APPLICAZIONE
SOFTWARE
REV
Autore
Link
IZ8BLY Spectra
IZ8BLY
www.vra.it
SPECTRAN Version 2
I2PHD IK2CZL
http://digilander.lib
ero.it/i2phd/
DL4YHF Spectrum Lab
DL4YHF
http://www.qsl.net/
dl4yhf/
RTTY
MMTTY
JE3HHT
http://mmhamsoft.
ham-radio.ch/
PSK31
WinPSK
AE4JY
http://www.qsl.net/
ae4jy/winpsk.htm
RDFT
DIGITRIX
PY4ZBZ KB9VAK
MFSK16
IZ8BLY STREAM
IZ8BLY / ZL1BPU
http://paginas.terra
.com.br/lazer/py4z
bz/index.htm
http://www.geocitie
s.com/iz8bly/Strea
m/index.htm
PACKET
AGWPE
( WinPack / APRS – UiView )
PACKLINK –Winlink 2000
SV2AGW
G4IDE
http://www.elcom.g
r/sv2agw/
HAMDREAM
WinDRM
HB9TLK
http://n1su.us/
ANALISI BF
MODULAZIONI DIGITALI ORIENTATE al CARATTERE ( SPERIMENTALI –METEOR SCATTER - EME )
Multimodo
sperimentali
WSJT
K1JT
FSK441 - JT6M – JT65 - etc….
http://pulsar.princeton.edu/~joe/K1JT/
Non possono essere considerate MODULAZIONI DIGITALI
multimodo
JVCOM32
mappe meteo / fax / foto / rtty
DK8JV
http://www.jvcomm.de/indexe.html
SSTV
MSSTV
Foto
JE3HHT
http://mmhamsoft.ham-radio.ch/
Dove ascoltare : vedi HELP di ogni specifico programma
Questo è un MODEM / TNC Terminal Network Controller
X
LA SCHEDA AUDIO del PC SOSTITUISCE IL MODEM
PC
RADIO
OUT
OUT
IN
IN
X
PC
RADIO
OUT
OUT
IN
X
IN
PC
X
RADIO
OUT
OUT
IN
IN
X
PC
PC
RADIO
OUT
IN
IN
OUT
RADIO
OUT
OUT
IN
IN
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
RADIO
PC
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
INTERFACCIA controllo del PTT
COM / PORTA SERIALE RS-232
PTT
OUT
OUT
IN
IN
PC
RADIO
INTERFACCIA controllo del PTT
DTR o RTS
COM SERIALE
PC
GND
PC
PC
OUT
LINE OUT
RADIO
IN
OUT
PC
IN
RADIO
LINE IN o MIC
Fine presentazione
Grazie per l’attenzione
IW3HXO

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