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TELECOMUNICAZIONI
1. Sistema di
comunicazione
Prof. Tozzi Gabriele – ITIS G. Marconi - Verona
giugno 2008
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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.
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1.1 – La catena trasmissiva.
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La catena trasmissiva
• Tipicamente una catena di trasmissione si presenta nel
seguente modo:
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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).
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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.
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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.
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approfondimento
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1.2 Spettro e banda
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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.
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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:
1. 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;
2. analisi armonica dei segnali con modulazione digitale, tipo PCM,
per la definizione del codice binario di trasmissione più idoneo;
3. conversione analogico-digitale e teorema del campionamento;
4. ricostruzione di segnali analogici da segnali digitali;
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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.
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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.
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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).
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Esempio: Onda quadra bipolare
• Consideriamo un’ onda quadra bipolare, di valore
1
picco-picco = 2A, valor medio nullo e frequenza f0=
T
Valutiamone lo sviluppo in serie di Fourier e lo
spettro:
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Sviluppo dell’onda quadra
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Spettro dell’onda quadra
• In forma compatta si ha
la serie di Fourier:
4A ∞
f(t) = A 0 +
∑sen(n2f0 t)
n n=1
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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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1.3 Aspetti fondamentali di
un sistema trasmissivo
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Aspetti fondamentali
• Gli aspetti fondamentali da
considerare per progettare un
sistema trasmissivo sono i
seguenti:
1. Degradazione del segnale;
2. Amplificazione;
3. Multiplazione;
4. Modulazione.
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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.
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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, …)
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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.
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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.
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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.
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La distorsione
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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.
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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.
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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:
VSeff
< PS >
S
( ) db = 10Log
= 20Log
N
< PN >
VNeff
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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).
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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”.)
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Effetto del rumore nella Tr. Dati
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
68 MHz.
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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:
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Banda del segnale televisivo
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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):
3
BWS = FC [Hz]
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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
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Perché trasmettere in digitale un
segnale analogico
• Vantaggi del digitale:
1. La circuiteria digitale è a basso costo.
2. I segnali digitali derivanti da sorgenti analogiche
(audio, video, voce) possono essere multiplati
con segnali dati e trasmessi su di un’unica rete
digitale.
3. Nei sistemi di telefonia digitale a lunga distanza
con ripetitori è possibile rigenerare i segnali
digitali, eliminandone completamente i disturbi.
4. È possibile utilizzare delle tecniche di codifica di
canale per proteggere i segnali dal rumore.
• Svantaggi del digitale:
1. Necessità di maggiore banda rispetto ai segnali
analogici.
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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.
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Approfondimenti
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Progetto di un sistema trasmissivo
•
Dai concetti di banda del segnale e del canale
discendono due specie di problemi:
1.
2.
•
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.
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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”.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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