Elettronica e telecomunicazioni

I dispositivi per le telecomunicazioni convertono diversi tipi di informazione, come il

suono e le immagini, in segnali elettrici o ottici. I segnali elettrici tipicamente vengono

trasportati attraverso un mezzo come il rame o direttamente in aria mediante onde

radio. I segnali ottici invece di solito sono veicolati mediante fibre ottiche

opportunamente progettate. Quando un segnale raggiunge la destinazione, il

dispositivo al terminale di arrivo converte il segnale in un messaggio comprensibile,

come il suono in un telefono, immagini su una televisione o parole sullo schermo di un

computer. Un insieme di trasmettitori, ricevitori o ricetrasmettitori che comunicano tra

loro prende il nome di rete.

Un canale è l'unita fondamentale utilizzata per dividere un mezzo di trasmissione in

modo che più flussi di informazione possano propagarsi contemporaneamente. Ad

esempio una stazione radio può trasmettere a 96 MHz, mentre un'altra a 95 MHz. In

questo caso il mezzo è stato diviso in frequenza e ciascun canale ha ricevuto una

specifica frequenza su cui trasmettere. In alternativa sarebbe stato possibile allocare a

ciascuna stazione un intervallo temporale periodico su cui trasmettere; in questo caso si

parla di divisione nel tempo (Time Division Multiplexing o TDM).

La tecnica di variare un segnale per trasmettere informazione è nota come

modulazione. La modulazione è un concetto chiave nelle telecomunicazioni ed è

frequentemente usata per imprimere l'informazione associata ad un segnale su un altro.

Nel campo delle comunicazioni digitali, la modulazione è usata per rappresentare su un

segnale analogico un segnale digitale.

La modulazione tuttavia svolge anche un'altra funzione, ossia quella di aumentare la

frequenza di un segnale analogico. Questo poiché un segnale tipicamente non è

adatto ad essere trasmesso per lunghe distanze a causa della sua bassa frequenza.

Quindi la sua informazione deve essere impressa su un segnale a frequenza maggiore

(noto come portante) prima della trasmissione.

Local Area Network

Nel campo dell'informatica LAN è

l'acronimo per il termine inglese local area

network, in italiano rete locale.

Identifica una rete costituita da computer

collegati tra loro (comprese le

interconnessioni e le periferiche condivise)

all'interno di un ambito fisico delimitato

(ad esempio in una stanza o in un edificio,

o anche in più edifici vicini tra di loro) che

non superi la distanza di qualche

chilometro.

Le LAN hanno dimensioni contenute, il che

favorisce il tempo di trasmissione, che è

noto. Le LAN tradizionali lavorano tra 10

Mbps e 100 Mbps, hanno bassi ritardi e

pochissimi errori. Le LAN recenti operano

fino a 1 Gbps. Le diverse tipologie di rete L.A.N.

Rete ad anello e token ring

Rete a stella Rete a bus

Rete a stella (o stella estesa)

È caratterizzata da un punto centrale,

centrostella, che può essere uno switch o un

elaboratore e diversi host connessi ad esso. La

rete a stella diventa a stella estesa quando al

posto di un host collegato al centrostella c'é un

altro apparato attivo, switch o hub con a sua

volta altri host collegati ad esso.

Pregi

•un guasto ad un host non compromette

le comunicazioni degli altri

•comunicazioni sicure e difficilmente

intercettabili tra un host e l'altro (con l'uso

dello switch)

•basso traffico di pacchetti per gli host

(con l'uso dello switch)

Difetti

•elevato traffico sul centrostella

•rottura del centrostella con conseguente

interruzione delle comunicazioni per tutti

gli host Rete a bus

In questa configurazione di rete ogni host è

collegato in modo lineare attraverso un cavo o

tramite un hub.

Pregi e difetti della rete a bus

Pregi

•reti semplici da realizzare e poco costose

•un guasto ad un host non compromette tutta

la rete

Difetti

•ogni computer può intercettare le

comunicazioni altrui

•elevato traffico in tutta la rete

•sensibile ai guasti

•difficile trovare il guasto Rete ad anello

Una rete ad anello con passaggio del testimone, è

un tipo di rete in cui la determinazione di quale

calcolatore abbia diritto a trasmettere avviene

tramite un particolare messaggio, detto token.

Pregi e difetti della rete ad anello

Pregi

•può coprire distanze maggiori di quelle

consentite da altre reti senza l'aggiunta di

amplificatori di segnale

Difetti

•esiste il rischio che gli host possano

intercettare comunicazioni altrui

•elevato traffico in tutta la rete

•il guasto di un host compromette la

trasmissione di dati Token ring

Una rete Token ring, ovvero rete ad anello con passaggio del testimone, è un tipo di rete ad

anello in cui la determinazione di quale calcolatore abbia diritto a trasmettere avviene tramite un

particolare messaggio, detto token.

Ogni calcolatore è collegato ad altri due formando un cerchio. Questo, ovviamente, a livello

concettuale, in quanto nella realtà ciò non avviene, ma la rappresentazione grafica aiuta a

capire il funzionamento. All'interno di questa rete solo un calcolatore alla volta può trasmettere,

quello in possesso del token. Esso avvia la trasmissione dei dati trasferendoli al calcolatore vicino, il

quale lo prende in consegna se è il destinatario, oppure ripetendo a sua volta il segnale verso

l'altro calcolatore ad esso collegato, così fino a raggiungere il destinatario. Il destinatario legge i

dati ma non li toglie dalla rete, perché i dati torneranno al mittente. Sarà il mittente ad eliminare i

suoi dati dalla rete e a rimettere in circolo il testimone.

Quando il calcolatore che è in possesso del token ha terminato la trasmissione dei dati passa il

token a quello vicino. Quest'ultimo se deve trasmettere dati inizia la comunicazione, altrimenti

cede immediatamente il token senza impegnare il canale.

Ogni terminale prima o poi riceverà il token ed avrà quindi la possibilità di trasmettere. I dispositivi

di rete garantiscono la presenza di un solo token sull'anello, e provvedono a rigenerarne uno

qualora questo venga perso a causa di guasti nella rete o al calcolatore che l'ha preso in

consegna.

Nelle reti Token Ring, a differenza di altre, un computer malfunzionante viene automaticamente

escluso dall’anello consentendo agli altri di continuare a funzionare regolarmente in rete.

Confronto tra sistemi analogici e digitali

Nei sistemi elettronici i segnali possono essere di tipo analogico o digitale. I segnali

analogici sono caratterizzati dal fatto di potere assumere infiniti valori fra due limiti

prefissati, mentre i segnali digitali assumono solo un numero finito di valori, che, per

convenzione, vengono rappresentati mediante una codifica binaria.

I segnali analogici, cioè quelli che trattano segnali analogici, hanno i seguenti vantaggi:

•possono essere più facilmente interfacciabili con il mondo esterno, poiché le

grandezze dell'ambiente esterno hanno di solito caratteristiche analogiche;

•lavorano in tempo reale, cioè non introducono ritardi significativi nelle operazioni di

elaborazione e trasmissione del segnale;

•si prestano a simulare fenomeni naturali, date le caratteristiche analogiche della

maggior parte di quest'ultimi.

I sistemi digitali, cioè quelli che trattano segnali digitali, hanno invece i vantaggi di:

•essere meno influenzati dal rumore rispetto ai sistemi analogici (nei sistemi digitali,

bisogna infatti verificare se il livello del segnale si trova entro una o l'altra di due fasce,

corrispondenti agli stati logici 0 ed 1; se il rumore o un disturbo non hanno ampiezza

sufficiente da fare uscire il livello del segnale dalla fascia di appartenenza, non si ha

errore);

•non presentare problemi di deriva termica, cioè al cambiare della temperatura non

varia lo stato delle uscite (entro, ovviamente, dei limiti tali da non guastare il circuito);

•avere una grande flessibilità, in quanto, grazie all'impiego di semplici

microprocessori o di grandi elaboratori, le caratteristiche funzionali sono definite

mediante un programma, che può svolgere funzioni anche assai complesse, le quali

possono essere facilmente modificate intervenendo sul programma stesso.

La necessità di una conversione A/D e D/A

Per i motivi precedentemente esposti, ed in particolare per l'utilizzo di elaboratori, i

sistemi digitali sono spesso preferiti. L'elaborazione di segnali analogici, nel caso di

elaborazione digitale, può essere così schematizzata:

Le grandezze analogiche devono essere sottoposte ad un processo di conversione

analogico-digitale, mediante un convertitore analogico/digitale (ADC), che

accetti in ingresso un segnale analogico e restituisca in uscita una parola composta

da più bit, il cui valore è in relazione all'ingresso analogico. All'uscita del sistema è

necessario un convertitore digitale/analogico (DAC), con funzionalità opposta al

precedente. I convertitori analogico/digitale (ADC)

Un convertitore analogico/digitale (ADC:Analog to Digital Converter) trasforma il valore

della tensione posta in ingresso nel numero corrispondente espresso in un codice binario.

Caratteristiche e parametri degli ADC

Per poter confrontare le prestazioni dei convertitori A-D in

commercio e scegliere quello che meglio si adatta ad

una particolare applicazione sono stati individuati alcuni

parametri che generalmente vengono riportati nei data

sheets.

La caratteristica di trasferimento rappresenta in un

grafico la relazione tra i valori di tensione d’ingresso e il

codice binario all’uscita di un convertitore A-D.

La risoluzione R di un convertitore A-D è definita come la

minima variazione della grandezza analogica d’ingresso

che provoca la variazione di 1LSB nel numero di uscita;

essa quindi coincide con il valore dell’intervallo di

quantizzazione Q.

Nel caso generico di un convertitore A-D per segnali di ingresso unipolari con n Bit in

uscita, l’intervallo di quantizzazione e la risoluzione sono dati da:

Q=R=Vfs/2^n

Dove VFS detto valore di fondoscala, è una tensione di riferimento, generalmente fornita

al convertitore A-D mediante un apposito ingresso, che individua il massimo valore

convertibile.

E evidente che quando viene effettuata una conversione analogico/digitale viene

sempre commesso un errore, chiamato errore di quantizzazione (ε), dovuto al numero

finito di valori che può assumere un segnale digitale, suddetto errore può valere al

massimo:

εmax =±Q/2

Nei convertitori A/D reali la caratteristica di trasferimento presenta delle deviazioni

rispetto all’andamento ideale, causando errori che possono essere classificati

secondo le seguenti tipologie, supponendo che ognuno agisca separatamente

dagli altri: di offset: si manifesta come una traslazione della caratteristica rispetto

Errore

a quella ideale.

di guadagno: è interpretabile come una variazione della pendenza

Errore

della caratteristica rispetto a quella ideale. Gli errori di offset e di guadano possono

essere elimninati in fase di taratura mediante trimmer collegati esternamente al

convertitore. di linearità: una volta corretti gli errori di offset e di guadagno

Errore

mediante taratura, gli estremi delle caratteristiche realie e ideale coincidono, la

differenza massima tra le caratteristiche in termini di tensione d’ingresso,

rappresenta l’errore di linearità del convertitore.

La velocità di funzionamento di un convertitore A_D viene espressa da due parametri:

il tempo di conversione e la rapidità di conversione.

Si definisce tempo di conversione l’intervallo di tempo che intercorre tra l’istante in cui si

presenta in ingresso un valore di tensione stabile e quello in cui sulle uscite digitali

compare il corrispondente valore binario. Se il convertitore prevede un segnale di inizio

conversione (SOC: start of conversion) il tempo di conversione è valutato a partire

dall’istante in cui viene fornito tale segnale.

Il valore del tempo di conversione, che può variare dal centinaio di ms a qualche ns,

pone un limite alla massima frequenza dei segnali d’ingresso che possono essere

convertiti senza introdurre ulteriori errori rispetto a quelli già citati; per segnali con

frequenza superiore è necessario impiegare un circuito di Sample and Hold.

Si definisce rapidità di conversione il numero di conversioni che possono essere