Appunti Communication technologies (parte 1)

Lecture 1: communication 'sinksource system

Un sistema di trasmissione dati permette di comunicazione da una sorgente a una destinazione.

L'informazione è semplicemente un contenuto significativo che viene trasportato attraverso un mezzo fisico e un segnale non è un'informazione.

Categorie di sistemi di comunicazione

• Access vs Transport: Access collega un sistema alla rete tra sorgente e destinazione. Transport trasporta grandi quantità di dati tra nodi.
• Wired vs Wireless: Wired, collegamento fisico via cavi, es. Ethernet. Wireless, trasmissione via onde elettromagnetiche.
• Broadcast vs Unicast: Broadcast, point-to-multipoint, un mittente su molti destinatari. Unicast, point-to-point, un mittente e un destinatario.
• Terrestrial vs Satellite: Terrestrial radio tramite torri terrestri. Satellite, collegamento tramite satellite.
• Broadband vs Narrowband: Broadband, alto bitrate, es. video streaming. Narrowband, basso bitrate, es. molti sensori per dispositivo IoT.

Segnale digitale e analogico

La differenza principale fra segnale digitale e analogica è che un segnale digitale è rappresentato da impulsi binari: un segnale composto da una tensione che rappresenta 1 e un'altra tensione che rappresenta 0.

Un segnale analogico può assumere un numero infinito di valori.

In generale, un segnale può presentare i seguenti problemi:

• Attenuazione: il segnale ricevuto ha ampiezza minore rispetto a quello trasmesso; ciò è dovuto al mezzo di trasmissione e aumenta con la distanza.
• Distorsione: la forma del segnale cambia durante la propagazione, es. rimbalza multipath nell'aria.
• Rumore: rumore termico nel mezzo, rumore dovuto al segnale; il rumore si somma.

sender, x(t), receiver(t), n (rosso): attenuazione segnalato; (arancione) distorsione causato da; mmmm (blu) rumore.

Il segnale che idealmente è rettangolare risulta deformato, ma non più.

Vantaggi dei segnali digitali

I vantaggi dei segnali digitali sono:

• Maggiore immunità all'attenuazione grazie alla soglia di decisione alta/bassa.
• Maggiore immunità alla distorsione.
• Maggiore immunità al rumore.
• Supporto dati eterogenei: voce, immagini, ecc.
• Progettazione dell'elettronica digitale più semplice, più compatta, più economica.
• Maggiore facilità di monitoraggio, crittografia e compressione.
• Migliore robustezza nei cambiamenti ambientali, es. pioggia.

Un segnale ad alta potenza può compensare attenuazione e rumore.

Svantaggi dei segnali digitali

Gli svantaggi sono:

• Comportamento non graduale, basato su soglia ON/OFF: c'è degradazione.
• Ritardi dovuti alla necessità di processing e sincronizzazione.
• Segnale quantizzato, utilizzo di quantità finite.

Trasmettitore e ricevitore

Transmitter, Trasmettitore:

• ADC, Analog to Digital Converter: converte il segnale analogico in digitale.
• Source coding: compressione, riduce ridondanza.
• Encryption: protegge l'informazione.
• Channel Coding: aggiunge ridondanza per proteggere il segnale contro attenuazione, distorsione, rumore.
• MUX, Multiplexer: combina flussi da diverse sorgenti, es. voce e dati su radio.
• Modulation: converte lo stream di bit in un segnale fisico adatto al canale.
• Multiple Access: permette a più utenti di usare lo stesso canale.

Dopodiché abbiamo transmission e reception, che rappresenta il canale e l'ambiente fisico in cui il segnale preparato dal trasmettitore viene inviato al ricevitore.

Il canale introduce:

• Attenuazione.
• Distorsione.
• Rumore.

Il ricevitore, come si può vedere dall'immagine, applica le operazioni inverse, deve:

• Equalizzare: compensare attenuazione, distorsione e rumore.
• Sincronizzarsi.

Non tutti i blocchi sono sempre necessari, es. encryption, ma il ricevitore deve sapere quali step sono stati applicati, in quale ordine: questo è definito da un protocollo di comunicazione.

Gli step minimi richiesti sono ADC e Modulation.

Lecture 2

Un segnale è una quantità fisica variabile che porta informazione. Un segnale può essere rappresentato come:

• Monodimensionale nel tempo: ampiezza => x(t), R => R, tempo.
• Vettoriale: R <= Rⁿ, x(t), dunque il segnale non è sempre un numero.

Un segnale bianco e nero può essere visto come funzione P a 2D, p = (p1, p2), posizione, R², dove il valore nel piano, le due coordinate sono assi e l'intensità luminosa.

Immagine colori RGB: segnale 3D, come red, green and blue. Per p, z(p) ha tre componenti di colore, quindi z(p) = [zr(p), zg(p), zb(p)], R² => R³.

Video: sequenza di frame. Un video è una sequenza temporale di frame, non una sola immagine, ma una variabile discreta nel tempo.

Segnale digitale e quantizzazione

Quantizzazione: in un'immagine ogni componente RGB può essere espressa con un certo numero di bit, ad esempio 8 bit: z(p) = [zr(p), zg(p), zb(p)].

Segnale continuo nel tempo ma in ampiezza: amplifier, microphone, sampler, segnale digitale. Segnale analogico discreto nel tempo e in ampiezza.

Guardando questa seguente catena di registrazione audio, possiamo notare: sorgente acustica, microfono, segnale elettrico analogico, campionamento, quantizzazione, codifica binaria.

Il microfono trasforma una pressione acustica nel tempo continuo in un segnale elettrico, perché il campionamento è qualcosa che