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Modulazioni dei segnali digitali

Si descrivono di seguito alcuni tipi di modulazioni in uso per la trasmissione di segnali digitali.

Trasmissione con modulazione QAM

Nelle reti di tv via cavo il rumore non costituisce un problema in quanto è normalmente limitato. Invece ha enorme importanza la banda disponibile pertanto i singoli canali devono occupare una banda ristretta, circa 7-8 MHz, pur mantenendo la qualità del segnale. Questo importante requisito non viene soddisfatto dalla modulazione QPSK in quanto la banda occupata da questa modulazione occupa normalmente l'intera banda disponibile su un transponder satellitare. La modulazione QAM sfrutta meglio le risorse in termini di banda grazie all'impiego della modulazione di fase e di ampiezza applicata a 64 possibili simboli. In questo modo si ottiene una mappa della costellazione costituita da 16 combinazioni per ogni quadrante per un totale di 64 simboli. Di fatto la modulazione QAM è derivata dalla QPSK ma a differenza di questa che ha un solo simbolo per ogni quadrante nella QAM per ogni simbolo si ha una ulteriore modulazione di fase e di ampiezza con sedici possibili valori per ogni quadrante. Le componenti I e Q mantengono la loro relazione di quadratura ma con molte più variazioni di fase rispetto ai 180° della modulazione QPSK. Nella figura sotto è rappresentata la costellazione QAM con le possibili 64 variazioni di fase e ampiezza. La presenza di più punti nella costellazione QAM rispetto alla QPSK permette di trasmettere più dati nella stessa unità di tempo portando ad una riduzione di banda ma acquisendo una minore robustezza nei confronti del rumore. La QAM potrebbe invece essere influenzata dalle riflessioni e dagli echi delle reti in cavo coassiale ma tale eventualità viene facilmente controllata introducendo la codifica del segnale e quindi sfruttando un sistema di correzione degli errori.

Trasmissione con modulazione COFDM

L'ambiente in cui si diffondono le trasmissioni per via terrestre genera fenomeni di degrado dei segnali quali, riflessioni, cammini multipli, e attenuazioni selettive in frequenza. Un segnale digitale modulato in QAM in questo ambiente subirebbe un tale degrado da diventare irrecuperabile. Anche altre tecniche di modulazione subirebbero grossi degradi a causa della grande quantità di dati che caratterizzano i segnali televisivi compressi MPEG-2. Per risolvere questi problemi è stata messa a punto la tecnica di modulazione ortogonale a divisione di frequenza OFDM.
Alla base di questo sistema si impiega sempre la modulazione QAM ma non applicata ad una sola portante ma a più portanti trasmesse contemporaneamente ed ortogonali tra loro.
Questa caratteristica quindi suddivide il contenuto delle informazioni da trasmettere su migliaia di portanti, 1750 (modalità 2K) o 6817 (modalità 8K). Ogni portante dista dalle adiacenti, in termini di fase, di 90°. Da cui deriva la definizione di ortogonalità. Per effetto dell'ortogonalità sono minimizzati al massimo i fenomeni di interferenza isocanale permettendo di utilizzare la stessa frequenza per la rete di ripetitori. Per aumentare la protezione da errori di trasmissione la modulazione OFDM viene codificata con il FEC (Forward Error Correction) e prende il nome di COFDM.

Trasmissione con modulazione QPSK

La modulazione QPSK (Quadrature Shift Keyng) viene impiegata dalla tv satellite digitale perché richiede l'impiego di basse potenze di trasmissione che parzialmente vengono compensate da sistemi di antenna ad elevato guadagno. Ma il punto debole di un collegamento via satellite rimane comunque il rumore. Infatti anche con i dovuti accorgimenti varia la sua entità secondo le condizioni climatiche con un aumento considerevole durante i momenti di pioggia o temporali. Proprio per evitare gli effetti degradanti del rumore viene impiegata questa tecnica di modulazione che grazie al suo principio di funzionamento è immune da quest'ultimo e si basa su due portanti aventi la stessa frequenza ma sfasate tra loro di 90° (vedere foto sotto). Le due portanti si chiamano I e Q. La lettera "I" vuol dire "in phase" mentre la lettera Q vuol dire per "quadrature". spostando una o entrambe le portanti di 180° si ottengono quattro diversi fasori (vettori rappresentativi di una grandezza sinusoidale nel metodo simbolico): ognuno di essi si riferisce ad una combinazione di due bit chiamata simbolo. In presenza di rumore i quattro punti della costellazione tendono a muoversi e a confondersi per gli inevitabili spostamenti di fase. L'impiego di solo quattro fasori lascia ampio spazio a questi movimenti provocati dal rumore e quindi si ha un grande margine di funzionamento prima che il ricevitore di utente fallisca nel riconoscimento dei simboli.
La mancanza di un riferimento di fase nel ricevitore potrebbe determinare la necessità di trasmettere un riferimento affinché siano facilmente identificabili le portanti I e Q ma non è così. Infatti nella modulazione QPSK si rispetta un processo di cambiamento di fase che tiene conto del precedente simbolo impiegato. Questa tecnica chiamata "codifica differenziale" esclude la necessità di avere altri riferimenti. Questo sistema subirebbe molto negativamente gli effetti tipici dei collegamenti terrestri con riflessioni e cammini multipli e soprattutto con possibili interferenze. Per questo motivo la modulazione QPSK rappresenta la soluzione ideale per i collegamenti via satellite che, seppure rumorosi, sono largamente esenti da questi fenomeni.

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