La conversione analogico-digitale, campionamento e quantizzazione

Presentazione sul tema: "La conversione analogico-digitale, campionamento e quantizzazione"— Transcript della presentazione:

1 La conversione analogico-digitale, campionamento e quantizzazione
Un segnale analogico è definito per ogni istante di tempo. Campionare un segnale significa definirne i suoi valori in intervalli di tempo regolari. In questo modo perdo tutta l’informazione relativa ai livelli di segnale tra due istanti di campionamento successivi. Il campionamento implica una perdita di informazione Come influisce la frequenza di campionamento sulla perdita di informazione contenuta in un segnale analogico ? Bassa frequenza di campionamento, elevato tempo di campionamento Alta frequenza di campionamento, basso tempo di campionamento

2 Analisi spettrale di un segnale
J.B. Fourier: qualsiasi segnale periodico può essere scomposto in una somma di segnali sinusoidali Un segnale può avere varie componenti in frequenza. Un segnale che varia rapidamente sarà composto da componenti più elevate in frequenza. Es. campionamento di segnali a lenta variazione come l’innalzamento della temperatura in un forno; campionamento di segnali a medio-lenta variazione come il segnale vocale; campionamento di segnali a rapida variazione come il segnale luminoso che giunge da una fibra ottica per telecomunicazioni

3

4

5 Teorema del campionamento (di Nyquist-Shannon):
la frequenza di campionamento di un segnale deve essere almeno il doppio della frequenza massima contenuta nel segnale in altre parole: la minima frequenza di campionamento necessaria per evitare ambiguità nella ricostruzione di un segnale con una determinata larghezza di banda è pari al doppio della sua massima componente in frequenza per segnali che variano rapidamente nel tempo devo utilizzare più alte frequenze di campionamento, questo comporta un maggior costo dei circuiti che effettuano il campionamento. Il maggior numero di campioni derivanti dal campionamento implica maggiori costi dei circuiti che devono trasmettere e memorizzare i campioni del segnale. Ad esempio devo avere circuiti di trasmissione più veloci, memorie più veloci e capienti. Se nello strumento ‘registratore di suoni’ di Windows scelgo di campionare con una frequenza di 20 KHz la voce proveniente dal microfono del computer, quale sarà la massima frequenza riprodotta quando riascolto la registrazione? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi? Perché a una bassa frequenza di campionamento la voce femminile è meno comprensibile di quella maschile? La scelta della frequenza di campionamento è uno dei parametri sui quali si opera per risparmiare banda nella telefonia cellulare e far entrare un maggior numero di conversazioni nello stesso canale trasmissivo.

6 Quantizzazione Conversione di un segnale a valori continui in uno a valori discreti, i livelli del segnale vengono approssimati e quindi rovinati, gli effetti della degradazione si ripercuotono in termini di rumore di quantizzazione

7 Quali sono gli effetti di una diversa risoluzione di quantizzazione ?
Maggiore è la risoluzione che uso per convertire i livelli di segnale in corrispondenza dei campioni, minori saranno gli effetti della degradazione in termini di rumore del segnale ricostruito

8 Codifica Tensione Codifica ] 0,5…1 ] 11 ] 0… 0,5 ] 10 ] -0,5… 0 ] 01
[ -1…-0,5 ] 00 Tensione Codifica ] 0,75… 1 ] 111 ] 0,5… 0,75 ] 110 ] 0,25… 0,5 ] 101 ] 0… 0,25 ] 100 ] -0,25… 0 ] 011 ] -0,5… -0,25 ] 010 ] -0,75… -0,5 ] 001 [ -1…0,75 ] 000 Pago la maggior risoluzione in termini di allungamento del messaggio

9

10 TRASDUTTORE Sensore: dispositivo che rileva le variazioni di una grandezza modificando una delle proprie caratteristiche fisiche Convertitore: circuito elettronico che trasforma le variazioni di un parametro del sensore in una variazione di una grandezza elettrica Grandezza fisica, es. temperatura Grandezza elettrica, es. corrente

11 Curve di trasferimento di due trasduttori lineari
Trasduttori attivi: quelli che forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione a valle senza consumo di energia elettrica. Es. celle fotovoltaiche, termocoppie. Trasduttori passivi: quelli ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica. Es. trasduttorei potenziometici. Un trasduttore che fornisce in uscita un segnale elettrico proporzionale alla variabile in ingresso da misurare, si dice che ha una caratteristica di trasferimento lineare. Curve di trasferimento di due trasduttori lineari USCITA = K * INGRESSO Es. [mA] = [mA / °C] * [°C] K1 = 1 mA/°C K2 = 10 mA/°C Il trasduttore avente una caratteristica di trasferimento con coefficiente angolare K2 è più sensibile rispetto ad un trasduttore avente coefficiente angolare K1 Grandezza all’uscita del trasduttore Es. corrente Trasduttore a maggior sensibilità Grandezza all’ingresso del trasduttore Es. temperatura

12 Un trasduttore ideale dovrebbe avere una caratteristica di trasferimento perfettamente lineare.
I trasduttori ideali hanno una linearità non perfetta ovvero che si discosta da quella ideale. La non linearità è il valore massimo della deviazione rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al valore massimo del segnale di uscita. Un trasduttore è di buona qualità quando la sua non linearità non è superiore allo 0.1%. Area di saturazione Area non lineare Alcuni trasduttori hanno una caratteristica di trasferimento lineare fino a un determinato valore di ingresso poi diventano non lineari fino a saturare Area lineare