1. Sistema di comunicazione TELECOMUNICAZIONI 1. Sistema di comunicazione Prof. Tozzi Gabriele – ITIS G. Marconi - Verona giugno 2008
1. Sistema di comunicazione 1.1 – La catena trasmissiva. 1.2 – Spettro e banda. 1.3 –Aspetti fondamentali di un sistema trasmissivo. 1.4 – Trasmissione analogica e numerica. giugno 2008
1.1 – La catena trasmissiva.
La catena trasmissiva Tipicamente una catena di trasmissione si presenta nel seguente modo: giugno 2008
La Trasmissione Sorgente: emette le informazioni sottoforma di grandezza fisica o elettrica. Trasduttore: si incarica di trasdurre (trasformare) un segnale fisico in un segnale elettrico e di “condizionarlo” ad assumere caratteristiche adatte ai circuiti successivi. Apparati di elaborazione: hanno lo scopo di manipolare ulteriormente il segnale per poterlo trasmettere adeguatamente. Trasduttore elettromagnetico (e.m.): è eventualmente presente nel caso di trasmissione nello spazio (propagazione libera). giugno 2008
Il canale trasmissivo In un sistema di comunicazione, per canale trasmissivo si intende, normalmente, l’insieme di: mezzo trasmissivo, lungo il quale avviene la propagazione dei segnali informativi tra gli utenti; dispositivi per l’interfacciamento tra il mezzo fisico e gli apparati di trasmissione/ricezione. giugno 2008
La Ricezione I blocchi Trasduttore e.m., Apparati di elaborazione ed Attuatore hanno lo stessa funzione di quelli in trasmissione salvo il fatto di operare nella maniera opposta. Destinatario: riceve l’ informazione, che deve risultare il più possibile fedele a quella trasmessa, vista la presenza indesiderata del rumore che si sovrappone al segnale utile. approfondimento giugno 2008
1.2 Spettro e banda
Tempo e frequenza I segnali elettronici possono essere analizzati: o nel dominio del tempo e il relativo andamento è detto forma d’onda (o segnale). o nel dominio della frequenza e il relativo andamento è detto spettro di frequenza. Lo sviluppo in serie di Fourier e la trasformata di Fourier sono dei metodi matematici che consentono di stabilire delle relazioni per il passaggio dal dominio del tempo a quello delle frequenze e viceversa. giugno 2008
L’analisi armonica di Fourier L’analisi armonica dei segnali elettrici consiste nel considerare un segnale periodico o non periodico come un insieme, più o meno esteso, di funzioni fondamentali di tipo sinusoidale. L’analisi armonica è fondamentale nello studio e nella progettazione di molti apparati elettrici: analisi armonica dei segnali modulati in ampiezza AM e in frequenza FM per la determinazione della banda di lavoro e la progettazione dei relativi circuiti e filtri in trasmissione e in ricezione; analisi armonica dei segnali con modulazione digitale, tipo PCM, per la definizione del codice binario di trasmissione più idoneo; conversione analogico-digitale e teorema del campionamento; ricostruzione di segnali analogici da segnali digitali; giugno 2008
La serie di Fourier Il matematico Fourier dimostrò che un qualsiasi segnale, purché periodico, può essere scomposto in una somma di infiniti segnali armonici (serie di Fourier), di opportuna ampiezza e fase, detti armoniche. Le armoniche in genere hanno ampiezza decrescente al crescere della frequenza. giugno 2008
Lo spettro di un segnale periodico La rappresentazione del segnale in termini di armoniche, ossia nel dominio della frequenza, viene detta spettro del segnale. Per un segnale periodico lo spettro contiene solo valori di frequenza multipli di una frequenza fondamentale, f0, e a ciascun valore corrisponde una ben definita ampiezza spettro discreto, o a righe. Ciascuna riga corrispondente a una frequenza presente nello spettro, la cui altezza rappresenta l’ampiezza di quella armonica. giugno 2008
Spettro a righe Le armoniche (A2,A3,A4,…) hanno frequenze multiple intere della frequenza f0 del segnale di partenza, Se il segnale ha valor medio diverso da zero, ossia presenta una componente continua, nella serie di Fourier vi sarà anche l’armonica a frequenza nulla (A0). giugno 2008
Esempio: Onda quadra bipolare Consideriamo un’ onda quadra bipolare, di valore picco-picco = 2A, valor medio nullo e frequenza f0= Valutiamone lo sviluppo in serie di Fourier e lo spettro: giugno 2008
Sviluppo dell’onda quadra giugno 2008
Spettro dell’onda quadra In forma compatta si ha la serie di Fourier: per n dispari. Lo spettro corrispondente (troncato alla 11^ armonica) è riportato a destra (da notare che la componente continua A0=0 poiché l’onda quadra è bipolare). giugno 2008
Lo spettro di un segnale aperiodico Un segnale aperiodico può essere astrattamente considerato come un segnale periodico costituito da un unico periodo di durata infinita e quindi di frequenza infinitesima. giugno 2008
Lo spettro di un segnale aperiodico Se applichiamo a un segnale di questo tipo la scomposizione armonica di Fourier, le diverse armoniche, essendo la frequenza infinitesima, distano tra loro di intervalli infinitesimi. Allora lo spettro contiene tutte le frequenze comprese in un intervallo continuo (spettro continuo anziché discreto). L’ordinata corrispondente a ogni frequenza indica l’importanza, l’ influenza di quella frequenza nella composizione complessiva del segnale. giugno 2008
Banda di segnale La larghezza di banda di un segnale (BWs) e’ data dall’intervallo delle frequenze di cui e’ composto il suo spettro (nella figura precedente è BWs=f2-f1). Generalmente un segnale ha banda infinita. Tuttavia spesso la potenza del segnale e’ contenuta per la maggior parte in un insieme limitato di frequenze. Questo intervallo limitato di frequenze si dice banda efficace del segnale. giugno 2008
Banda del canale Nella trasmissione dei segnali e’ impossibile trasmettere tutte le frequenze di cui e’ composto il segnale. Il mezzo trasmissivo e/o la tecnologia che genera il segnale impongono una limitazione alla banda utilizzabile. giugno 2008
Banda del canale La banda passante del sistema di telecomunicazioni (o banda del canale, BWP) rappresenta la “risorsa” del sistema che quantifica la “capienza” nel dominio della frequenza; La banda occupata dal segnale (BWS) e’ la caratteristica del segnale che quantifica lo “sfruttamento” di tale risorsa. Affinché la trasmissione sia fedele deve essere: BWS ≤ BWP. approfondimento giugno 2008
Capacità informativa Ciò che principalmente caratterizza un canale trasmissivo è la sua CAPACITA’ INFORMATIVA. Con essa si intende la massima quantità di informazione che può transitare nell’unita’ di tempo attraverso il canale. Essa dipende da: banda passante del canale (BWP) rumore (Noise, N) presente in esso. giugno 2008
1.3 Aspetti fondamentali di un sistema trasmissivo
Degradazione del segnale; Amplificazione; Multiplazione; Modulazione. Aspetti fondamentali Gli aspetti fondamentali da considerare per progettare un sistema trasmissivo sono i seguenti: Degradazione del segnale; Amplificazione; Multiplazione; Modulazione. approfondimento giugno 2008
La degradazione del segnale LA DEGRADAZIONE. Il segnale, nel propagarsi attraverso un sistema di comunicazione, subisce una degradazione che ne altera l’andamento nel tempo. Tale degradazione comprende: Attenuazione (riduzione della ampiezza del segnale); Ritardo (traslazione temporale della forma d’onda): non è di per sé fonte di degradazione. Rumore, Interferenza e Distorsione, che modificano la forma d’onda e lo spettro del segnale. approfondimento giugno 2008
Attenuazione Qualunque segnale viene attenuato per effetto del suo trasferimento su un mezzo trasmissivo, tanto più quanto più è grande la distanza che deve attraversare: nei mezzi guidati in genere l’attenuazione ha un andamento logaritmico con la distanza; nei mezzi non guidati è il risultato di molti fattori la cui analisi è piuttosto complessa (distanza, umidita’ dell’aria, pioggia, dispersione, …) giugno 2008
Il rumore Rumore (Noise): è un segnale di disturbo (Vn) di diversa natura rispetto al segnale utile, originato da molteplici cause (interne e/o esterne al sistema di TLC) che si sovrappone al segnale utile. E’ casuale, imprevedibile e solo parzialmente eliminabile. Si riduce con un filtraggio passa-basso. approfondimento giugno 2008
Filtraggio Filtraggio. Consiste nell’eliminare o attenuare fortemente, mediante dei filtri, quella parte di spettro del segnale dove è maggiormente concentrato il rumore. Tale parte di spettro è in alta frequenza: ecco perché si usano prevalentemente filtri passa-basso, sia in trasmissione che in ricezione. giugno 2008
Interferenza Interferenza: è un segnale di disturbo dello stesso tipo del segnale utile. È causato da una imperfetta discriminazione degli spettri dei due segnali, oppure da un non perfetto accoppiamento elettromagnetico (p.e.: ascolto di un’altra conversazione telefonica in sottofondo, sovrapposizione di una emittente radiofonica a quella sulla quale si è sintonizzati). Nella trasmissione guidata si riduce con la schermatura. giugno 2008
La distorsione giugno 2008
Distorsione non lineare La Distorsione Non Lineare è definita come la distorsione introdotta da un quadripolo a causa della non linearità del suo comportamento. Se la distorsione lineare può essere corretta mediante un equalizzatore lineare, la distorsione non lineare e’ più difficile da correggere, in quanto i dispositivi di compensazione devono essere non lineari. giugno 2008
Effetti della degradazione del segnale Gli effetti della degradazione del segnale da trasmettere sono diversi a seconda che il segnale sia analogico o digitale. Sul segnale analogico si hanno i seguenti effetti: Alterazione della forma d’onda Mancanza di nitidezza del suono. Riduzione di qualità di un’ immagine Il parametro che definisce l’effetto del rumore su un segnale analogico è il Rapporto Segnale/Rumore. giugno 2008
Rapporto Segnale/Rumore È definito come il rapporto tra la potenza media del segnale,<PS>, e la potenza media del rumore,<PN>. Oppure come rapporto tra la tensione efficace del segnale, Vseff e la tensione efficace del rumore, Vneff. Spesso è espresso in decibel (dB), nel qual caso si hanno le seguenti relazioni: giugno 2008
Bit Error Rate Il segnale digitale è insensibile alla degradazione purché quest’ultima non sia tale da compromettere la corretta interpretazione della cifre binarie trasmesse. La piccola probabilità, sempre presente, che ciò accada, si traduce nel tasso d’errore della trasmissione, indicato con BER, Bit Error Rate (%). Il BER rappresenta la percentuale di bit errati sul totale dei bit trasmessi). giugno 2008
BER Nel caso di trasmissione analogica, la qualità del collegamento diminuisce gradualmente all’aumentare della degradazione. Nel caso di trasmissione digitale, se il tasso di errore supera una certa soglia, l’effetto della degradazione è tale da compromettere irrimediabilmente la comunicazione (comportamento “tutto o niente”.) approfondimento giugno 2008
Effetto del rumore nella Tr. Dati giugno 2008
Amplificazione/Rigenerazione Ha lo scopo di incrementare la potenza del segnale utile, a seguito di una inevitabile attenuazione lungo tutta la catena trasmissiva. L’incremento di potenza avviene: prima della trasmissione; dopo la ricezione; durante la trasmissione: nella trasmissione analogica vengono introdotti nel canale degli amplificatori, che aumentano la potenza del segnale (ma anche quella di rumore!); nella trasmissione digitale vengono introdotti nel canale dei ripetitori, che ricostruiscono il segnale digitale e lo rigenerano ex-novo. giugno 2008
Multiplazione E’ utile per trasmettere più segnali indipendenti tramite lo stesso mezzo trasmissivo (accesso multiplo a canale comune). Si riuniscono i vari segnali in un unico segnale, detto segnale “multiplato” o “multicanale”. Con il termine “canale” si intende la “corsia” (porzione di tutto il canale trasmissivo) riservata a ciascun segnale. giugno 2008
Accesso multiplo a canale comune È possibile trasmettere su un canale comune (condiviso), di banda Bc, N segnali di banda B a patto che sia Bc = N·B. Tutto ciò risponde a un criterio di organizzazione efficiente dei mezzi di comunicazione: un grosso canale a larga banda al posto di un numero elevato di canali a banda stretta. giugno 2008
TDM-FDM-WDM La multiplazione può essere: a divisione di tempo (TDM, Time Division Multiplexing), a divisione di frequenza (FDM, Frequency Division Multiplexing), a divisione di lunghezza d’onda nel caso di segnali ottici (WDM, Wavelenght Division Multiplexing). giugno 2008
Multiplazione TDM Consiste nel suddividere il tempo a disposizione per la trasmissione, assegnando ciclicamente una frazione (time slot) del tempo totale a ciascun segnale binario da trasmettere. Pertanto la banda del canale è interamente a disposizione per ciascun segnale, ma solo a intervalli di tempo cadenzati. SEQUENZIALITÀ NEL TEMPO, UTILIZZO TOTALE DELLA BANDA DEL CANALE. La TDM è attualmente impiegata solo in sistemi di trasmissione digitali, per esempio nel caso della rete telefonica di giunzione TDM-PCM. giugno 2008
Multiplazione FDM Consiste nel trasmettere più segnali contemporaneamente (nello stesso tempo) sullo stesso mezzo trasmissivo, riunendoli in un unico multicanale. Nello spettro del segnale multiplato, il contributo di ciascun segnale non interseca quello degli altri, grazie alla preventiva modulazione con diverse frequenze portanti, quindi ciascun segnale occupa in banda traslata una diversa porzione di banda del canale. CONTEMPORANEITÀ NEL TEMPO, SEQUENZIALITÀ NELLA FREQUENZA. giugno 2008
Multiplazione WDM Consiste nel trasmettere canali differenti su lunghezze d’onda differenti. Si utilizza in multiplexing un combinatore ottico che mette insieme segnali alle diverse lunghezze d’onda. In ricezione un sistema analogo separa le diverse lunghezze d’onda. giugno 2008
Modulazione E’ l’operazione mediante la quale al segnale da trasmettere contenente l’informazione (modulante) viene associato un secondo segnale (portante), Il segnale portante funge semplicemente da “veicolo” idoneo a trasportare l’informazione in quel particolare mezzo trasmissivo. In ricezione, poi, il segnale risultante (modulato) verrà demodulato al fine di estrarre la modulante, ossia l’informazione che interessa. giugno 2008
Scopi della modulazione Adattare, mediante traslazione, la banda occupata dal segnale utile (BS) da trasmettere alla banda passante (BP) del mezzo trasmissivo, per una più efficace trasmissione. Consentire la multiplazione di frequenza (FDM), cioè la trasmissione contemporanea di molti segnali sullo stesso canale senza interferenza. giugno 2008
Sorgenti analogiche e numeriche Lo scopo di un sistema di TLC è lo scambio di informazioni a distanza, mediante segnali elettrici trasmessi su mezzi trasmissivi di varia natura e caratteristiche. L’ informazione è tutto ciò che riduce l’incertezza sulla conoscenza di un evento. Le sorgenti di informazione possono essere fondamentalmente di due tipi: Sorgenti di informazioni analogiche: generano informazioni continue nel tempo. Sorgenti di informazioni discrete: generano sequenze di simboli in cui l’informazione risiede nelle corrispondenti combinazioni di codice. giugno 2008
Sorgenti analogiche Al crescere del contenuto informativo di un segnale analogico aumenta la sua larghezza di banda BWS e quindi la sua occupazione nel canale trasmissivo. Ad esempio: Segnale telefonico (conversazione): segnale mono, richiede una banda lorda di 4 kHz. Segnale Hi-Fi (audio alta fedeltà): segnale stereo, richiede 20 kHz. Segnale video: richiede 5 MHz. Segnale televisivo (audio+video): richiede 68 MHz. giugno 2008
Banda del segnale telefonico La figura seguente riporta le bande lorde di due segnali telefonici, disposti l’uno accanto all’altro e distanziati di un certo intervallo di frequenze (banda di guardia = 900 Hz) per facilitare le operazioni di filtraggio: giugno 2008
Banda del segnale televisivo giugno 2008
Sorgenti binarie La larghezza di banda BWS di un segnale binario è proporzionale alla sua velocità di trasmissione, in bit/s. Tale velocità è anche chiamata Frequenza di cifra (FC), o bit-rate, ed è definita come il reciproco della durata di ciascun bit (1/Tb). Vale la seguente relazione (con buona approssimazione): giugno 2008
Trasmissione analogica o numerica L’informazione generata dalla sorgente, per essere trasmessa, può essere affidata: ad un segnale elettrico analogico ( trasmissione analogica) o ad un segnale elettrico digitale ( trasmissione numerica). approfondimento giugno 2008
Perché trasmettere in digitale un segnale analogico Vantaggi del digitale: La circuiteria digitale è a basso costo. I segnali digitali derivanti da sorgenti analogiche (audio, video, voce) possono essere multiplati con segnali dati e trasmessi su di un’unica rete digitale. Nei sistemi di telefonia digitale a lunga distanza con ripetitori è possibile rigenerare i segnali digitali, eliminandone completamente i disturbi. È possibile utilizzare delle tecniche di codifica di canale per proteggere i segnali dal rumore. Svantaggi del digitale: Necessità di maggiore banda rispetto ai segnali analogici. giugno 2008
Sistemi misti analogico-digitali Gran parte dei sistemi trasmissivi moderni sono di tipo misto analogico-digitale. L’”unione” tra i due mondi è svolta dalle tecniche di conversione A/D (tecnica PCM) e D/A. giugno 2008
Approfondimenti giugno 2008
Progetto di un sistema trasmissivo Dai concetti di banda del segnale e del canale discendono due specie di problemi: avendo un dato mezzo trasmissivo, prevedere quali segnali possono essere trasmessi in esso; avendo una certa categoria di segnali da trasmettere, progettare un sistema idoneo a trasmetterli. L’obiettivo di progetto di un sistema di comunicazione è quello di minimizzare la degradazione dell’informazione rispettando alcuni vincoli progettuali, come ad esempio: Potenza trasmessa; Banda disponibile (BWP); Complessità Costo. torna giugno 2008
Equalizzazione Alcuni elementi del sistema di TLC, tra cui in particolare i trasduttori e il canale di trasmissione, possono avere una risposta in frequenza disomogenea che modifica in maniera inaccettabile gli spettri dei segnali che li attraversano. Si può correggere questo problema mediante un quadripolo equalizzatore, avente caratteristiche in frequenza tali da compensare i difetti presenti. L’operazione è chiamata “equalizzazione”. giugno 2008
Tipi di rumore Il rumore può essere considerato prodotto dalla combinazione di due componenti: il rumore interno, generato dagli apparati elettronici che formano il sistema di TLC. La principale sorgente del rumore interno è il rumore termico. il rumore esterno, proveniente da sorgenti esterne al sistema di TLC, come ad esempio disturbi atmosferici, radiazioni extra terrestri e rumore industriale. giugno 2008
Tipi di rumore Esistono vari tipi di rumore che interessano il campo dell'Elettronica e delle Telecomunicazioni e che si schematizzano come segue: Rumore bianco - Forma di rumore il cui spettro comprende energia a tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico ed equamente distribuita. Rumore di intermodulazione - Rumore prodotto dalla non linearità dei dispositivi elettronici e che consiste nella presenza, nel segnale in uscita dal dispositivo, di armoniche indesiderate non presenti nel segnale in ingresso. Rumore di modo comune o di modo normale - Rumore presente in ingresso ad uno strumento di misura insieme al segnale da misurare e non separabile da questo. Rumore di quantizzazione - Perdita di informazione che ha luogo durante la trasformazione di un segnale analogico in digitale, ad esempio nel P.C.M. Rumore tipo shot - Rumore presente in un tubo termoionico e dovuto alle fluttuazioni di corrente presenti fra anodo e catodo. Anche il rumore dovuto alle candele nei motori a scoppio è di tipo impulsivo e si può classificare di tipo shot. Rumore termico - Rumore dovuto all'agitazione termica degli elettroni presenti in una resistenza. è funzione della temperatura ma è anche un rumore bianco. torna giugno 2008
Altre operazioni fondamentali Altre operazioni fondamentali operate da un sistema trasmissivo sono: la compressione di un segnale binario, cioè l’ottenimento di una sequenza di bit più corta a parità di contenuto informativo; la commutazione (switching), ossia l’instradamento di un segnale verso un apparto ricevente; la concentrazione, che consiste nel destinare ad N potenziali utenti di una rete, un numero M<N di collegamenti verso le rete in base alle reali esigenze di traffico; la segnalazione, cioè lo scambio di informazioni tra terminali e apparati di rete per la corretta gestione delle connessioni. torna giugno 2008
La Distorsione nella TD Si parla di distorsione anche per una trasmissione dati (TD), intendendo con tale termine lo spostamento delle transizioni tra i livelli binari rispetto alle posizioni temporali nominali. In particolare esistono: la distorsione telegrafica individuale (scostamento percentuale dell’istante di transizione reale rispetto a quello nominale) la distorsione di dissimetria (differenza tra la durata del bit 1 e quella del bit 0, rispetto alla durata nominale). torna giugno 2008
Modulazione numerica Anche nei sistemi di comunicazione numerici i segnali che vengono effettivamente trasmessi attraverso il canale sono di tipo analogico. La conversione di un flusso numerico in un segnale analogico viene detta “Modulazione numerica”. La conversione opposta è la Demodulazione. torna giugno 2008