Teoria Comunicazioni elettroniche

Comunicazioni elettroniche

Introduzione

La parola comunicazione è riconducibile al concetto di comunità, quindi alla collaborazione. Comunicare implica lo scambio di informazioni. Claude Chappe ideò un telegrafo ottico a bracci mobili. Il telegrafo fu installato anche in Italia, per collegare Torino, Genova e Piacenza, agli inizi del 1800. La svolta decisiva per le telecomunicazioni senza filo arrivò con la scoperta dell’elettricità e del suo uso, in particolare con la creazione della telegrafia e la telefonia elettrica. Inizia l’era delle telecomunicazioni wireless. Un sistema di telecomunicazioni è un insieme di tecnologie che consentono il collegamento e lo scambio delle informazioni a distanza da un punto trasmettitore a un punto ricevitore. Il dispositivo trasmettitore converte le informazioni in segnali elettrici e li trasmette nel canale di trasmissione (mezzo di trasmissione) che può consistere in un collegamento fisico cavo elettrico oppure in un collegamento non materiale (onde radio). Quando i segnali elettrici giungono al dispositivo ricevitore, i segnali sono nuovamente convertiti in informazioni. I sistemi di comunicazione possono essere one to one bidirezionali (telegrafo, ecc.) oppure one to many monodirezionali (televisione, ecc.).

Elementi del sistema di comunicazione

Sorgente: La sorgente è l'entità che genera l'informazione da trasmettere. L'informazione può essere discreta o continua. L'informazione discreta è rappresentata da una serie di simboli in determinati intervalli di tempo. L'informazione continua analogica è rappresentata in modo continuo nel tempo (es. voce, suoni, ecc.).

Trasmettitore: Il trasmettitore è un dispositivo specializzato nella trasmissione dei segnali. Il trasmettitore converte l'informazione in un segnale elettrico e lo trasmette nel canale di trasmissione.

Canale di trasmissione: Il canale di trasmissione (mezzo di trasmissione) è il mezzo tramite il quale viene trasmesso un segnale da un dispositivo trasmettitore a un dispositivo ricevitore. Durante la trasmissione possono verificarsi delle distorsioni.

Ricevitore: Il ricevitore è un dispositivo specializzato nella ricezione dei segnali. Il ricevitore riceve il segnale elettrico dal canale di trasmissione e lo riconverte in un'informazione.

Tipi di trasmissione

Trasmissione analogica: Forma d’onda continua

Trasmissione numerica: Nella trasmissione numerica, l'informazione viene codificata in una sequenza di impulsi digitali (bit) a intervalli e regole predeterminate.

Errori e distorsioni

Premessa: L’informazione che la sorgente invia al trasmettitore è detta IT. Il segnale ST è il segnale che il trasmettitore invia al ricevitore attraverso il mezzo trasmissivo. Il segnale che giunge in ricezione è detto SR. Il segnale SR viene codificato e l’informazione finale sarà IR. In teoria, il segnale ST dovrebbe essere uguale al segnale SR. Tuttavia, nel corso della trasmissione potrebbero verificarsi degli errori o delle distorsioni, tali da rendere SR diverso da ST. A causa degli eventi e delle distorsioni, entro un determinato margine di errore, l'informazione di partenza IT potrebbe essere diversa dall'informazione di destinazione IR.

La degradazione del segnale è la perdita (a volte irreversibile) delle informazioni che si verifica nelle telecomunicazioni durante una trasmissione a causa della presenza del rumore o delle distorsioni. I rumori sono degradazioni causate da eventi naturali, le distorsioni sono invece degradazioni causate dagli impianti di trasmissione. La presenza della degradazione è un elemento normale in un sistema di trasmissione, purché resti limitato entro un determinato limite. Quando la degradazione è eccessiva, i rumori e le distorsioni possono causare la perdita del messaggio (informazione). Il peggioramento della qualità del segnale può essere misurato mediante il rapporto segnale/rumore (S/N) che permette di confrontare la potenza del segnale utile nei confronti della potenza del rumore (N). Quanto maggiore è il rapporto segnale/rumore, tanto migliore è il livello di qualità del segnale della trasmissione.

La distorsione del segnale analogico ha natura irreversibile. Per evitare la perdita delle informazioni si ricorre alla digitalizzazione del segnale analogico ossia alla trasmissione numerica del segnale analogico. La distorsione del segnale digitale può essere irreversibile o reversibile a seconda dei casi.

Ripetitore: È un dispositivo elettronico. Un segnale, viaggiando lungo la rete fisica, subisce una perdita o attenuazione dell’informazione. Per superare il problema dell'attenuazione, un ripetitore viene installato su un collegamento che riceve il segnale prima che il segnale diventi estremamente debole. Il ripetitore ascolta il segnale in ingresso e rigenera il pattern di bit originale senza il rumore e ritrasmette il segnale aggiornato nella rete. Un ripetitore fornisce un mezzo per estendere la lunghezza fisica della rete.

Amplificatore: Un amplificatore è un dispositivo elettronico che aumenta l'ampiezza della forma d'onda del segnale senza alterare gli altri parametri come la frequenza o la forma d'onda. A differenza del ripetitore, un amplificatore non è in grado di generare un pattern di bit originale, ma amplifica semplicemente ciò che prende in ingresso.

Rumore e interferenza

Un’interferenza nei sistemi di telecomunicazione indica la sovrapposizione di un segnale indesiderato nella ricezione di un segnale informativo trasmesso con effetto finale della distorsione del contenuto informativo presente sul segnale utile. Pur costituendo entrambi un “disturbo”, interferenza e rumore sono cose tra loro distinte: mentre l'interferenza è infatti un segnale a cui può associarsi comunque altra informazione ma indesiderata, il rumore prodotto dagli apparati elettronici e/o introdotto dal canale è un segnale che non trasporta alcun tipo di informazione. L’interferenza tra due trasmissioni nella stessa banda non può essere ridotta nemmeno aumentando la potenza di entrambe le trasmissioni. L’effetto nocivo del rumore può essere invece sempre minimizzato, almeno in linea teorica, aumentando la potenza del segnale utile trasmesso, ovvero aumentando il rapporto segnale/rumore, essendo il rumore statisticamente indipendente dal segnale trasmesso. Trovi un esempio di interferenza sul quaderno degli appunti.

Tipologie di rumore

• Rumore bianco: Il rumore bianco è un particolare tipo di rumore caratterizzato da ampiezza costante su tutto lo spettro di frequenze. È chiamato bianco per analogia con il fatto che una radiazione elettromagnetica di simile spettro all'interno della banda della luce visibile apparirebbe all'occhio umano come luce bianca. Nella pratica però il rumore bianco non esiste: si tratta di un'idealizzazione teorica, poiché nessun sistema è in grado di generare uno spettro uniforme per tutte le frequenze esteso da zero a infinito, mentre nei casi reali d'interesse il rumore bianco è al più riferibile ad un intervallo di frequenze.
• Rumore termico: La sorgente di rumore più comune negli apparati e dispositivi elettronici è il rumore termico: esso è infatti intrinseco di ogni elemento dissipativo (es. resistori) che si trovi ad una temperatura diversa dallo zero assoluto. Questo rumore è conseguenza dell'agitazione termica dei portatori di carica in un conduttore. Infatti, poiché la distribuzione degli elettroni all'interno di un conduttore in funzione del tempo non è uniforme, in un certo istante si può manifestare un eccesso di cariche a una estremità, mentre nell'istante successivo questo eccesso può trasferirsi all'altra. La cosa importante da ricordare è che, all’aumentare della temperatura, aumenta il rumore termico (proporzionale a T).
• Rumore shot: In elettronica e teoria dei segnali il rumore shot è il rumore prodotto dai portatori di carica quando attraversano una barriera di potenziale (es. giunzione pn).
• Rumore rosa: Si definisce rumore rosa (o 1/f) un particolare tipo di rumore in cui le componenti a bassa frequenza hanno potenza maggiore. La distribuzione spettrale di potenza è proporzionale a 1/f.
• Rumore brown: La sua densità spettrale è inversamente proporzionale a f², il che significa che l'energia del rumore è maggiore alle basse frequenze.
• Rumore gaussiano: Il rumore gaussiano è un rumore che ha come funzione densità di probabilità una distribuzione normale.

Funzione degli errori

Funzione degli errori complementare → funzione Q → Teorema del limite centrale. Pur non conoscendo la dimostrazione, importante è il contenuto dell’enunciato. Concetto importante: La densità di probabilità della somma di due variabili aleatorie si calcola facendo la convoluzione tra le densità di probabilità delle singole variabili aleatorie.

Cos’è una variabile aleatoria: È una funzione che associa ad ogni esito dello spazio campione di un esperimento un numero (dunque è una funzione, non una variabile).

Come è fatto un canale

Sorgente (x(t)) di comunicazione rumoroso → destinatario (y(t)) → Canale

Dal punto di vista sistemistico, il canale di comunicazione è un sistema che riceve in ingresso (input) un segnale x(t) e produce come output in uscita un certo segnale y(t).

Un canale può essere:

• Simplex: consente una comunicazione monodirezionale (radio)
• Half-Duplex: consente una comunicazione bidirezionale ma solo un utente alla volta (es. walkie-talkie)
• Full-Duplex: consente una comunicazione bidirezionale e contemporanea tra due utenti (es. telefono)

Dal punto di vista della trasmissione possiamo individuare tre tipi di canale:

• Broadcast: i destinatari sono tutti quelli raggiunti dal segnale quindi la comunicazione è punto tutti
• Multicast: i destinatari devono essere solo alcuni di quelli raggiunti dal segnale quindi la comunicazione è punto multipunto
• Unicast: il destinatario è solo uno di quelli raggiunti dal segnale quindi la comunicazione è punto punto

Nel caso lineare, il canale è caratterizzato da una risposta impulsiva h(t) una funzione di trasferimento H(s) e una risposta in frequenza H(f). L’attenuazione del canale e il ritardo di propagazione del segnale che determina lo sfasamento in ricezione del segnale portante sono parametri compresi nell’espressione della funzione di trasferimento. Da un punto di vista matematico, indicato con u(t) il segnale in ingresso al sistema, diremo che l’uscita v(t) è una versione indistorta del segnale d’ingresso se:.

Un sistema non introduce distorsione se la risposta in frequenza è del tipo: Il ritardo non si può eliminare perché la comunicazione non è istantanea. Nel caso di segnali periodici, se tutte le componenti sono traslate in fase della stessa quantità allora il risultato sarà lo stesso segnale originale traslato nel tempo. Se alcune armoniche sono traslate in modo differente da altre allora il risultato sarà un segnale distorto rispetto all’originale.

L’uscita di un sistema dinamico LTI a tempo continuo soggetto ad un segnale in ingresso è descritta dalla convoluzione tra l’ingresso e la risposta impulsiva: Dove h(t) è l’uscita del sistema se in ingresso applicassimo un impulso (Delta di Dirac). Sapendo che ad una convoluzione del dominio del tempo corrisponde un prodotto in frequenza allora avremo: Y(f)=H(f)X(f). Per un sistema lineare tempo-variante (LTV) avremo: Finché il sistema è lineare posso definire un legame ingresso-uscita di tipo integrale. Nel caso in cui il sistema è non lineare, non posso utilizzare un legame di tipo integrale. O meglio, possiamo fare un’approssimazione per l’uscita del sistema.

Un sistema si dice lineare quando vale la proprietà di additività e di omogeneità. È additivo se ad una somma degli ingressi corrisponde una somma delle uscite. Omogeneo significa dire che se l’ingresso è moltiplicato per una costante A, anche l’uscita sarà moltiplicata per questa costante. In termini matematici, vale il principio di sovrapposizione degli effetti. F(x1+x2) = F(x1)+F(x2) Additività → F(kx1) = kF(x1) Omogeneità → Dunque, volendo racchiudere entrambe le proprietà, avremo: F(kx1+kx2) = kF(x1)+kF(x2) → Linearità.

Canale reale e canale ideale

Un canale di trasmissione ideale dovrebbe possedere una banda sufficientemente larga ed uniforme, sia in ampiezza che in fase, per contenere lo spettro del segnale di informazione senza distorcerlo (trasmissione fedele) e dovrebbe poterlo trasferire senza introdurre perdite di potenza; nei canali reali tipicamente sono invece presenti fattori di degradazione quali appunto attenuazione, distorsione in banda e rumore. In particolare, quando il canale introduce distorsione in banda, si dice che è dispersivo. Nei casi reali, al segnale x(t) trasmesso nel canale si associa un rumore n(t) di tipo aleatorio che rende il comportamento del canale stesso di tipo aleatorio: il rumore spesso si somma in ampiezza al segnale utile. Un rumore sempre presente è il rumore termico. La presenza di rumore comporta l’introduzione di una distorsione sul segnale trasmesso. Il ricevitore dovrà dunque risalire al segnale originario trasmesso stimando l'errore ed eliminandolo (FEC) oppure richiederne la ritrasmissione (ARQ).

FEC è il processo che consente di rilevare gli errori e correggerli; inoltre è un algoritmo che consente di stimare quanti bit sono stati corretti con successo e quale parte di segnale non è stato possibile correggere. ARQ è un algoritmo che permette di rilevare un errore ma non di correggerlo. I pacchetti corrotti vengono scartati e si richiede la ritrasmissione. Uno degli effetti della non linearità del sistema è l’intermodulazione di canale che produce un disturbo o un’interferenza nei segnali presenti in bande diverse da quelle inizialmente considerate.

Tecniche di accesso al canale

FDMA (frequency division multiple access): La banda del canale è divisa in sottobande. Ogni sottobanda è divisa da una banda di guardia. Ogni utente utilizza una determinata sottobanda e può trasmettere nell’intervallo di frequenze compresa nella sottobanda. La banda di guardia serve a distanziare le comunicazioni, evitare interferenze ed evitare fenomeni di aliasing nel caso di filtraggio.

TDMA (time division multiple access): Il tempo è suddiviso in frames, ognuno dei quali è suddiviso in slots. Ogni slot è associato ad un utente che può utilizzare tutto il canale per un periodo di tempo pari allo slot. Una volta terminato lo slot deve attendere un frame per poter riutilizzare il canale. Fra uno slot e quello successivo è presente la banda di guardia in cui nessun utente è abilitato alla trasmissione.