Sistemi di Telecomunicazione

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1 Sistemi di Telecomunicazione Introduzione al corso Universita Politecnica delle Marche A.A A.A Sistemi di Telecomunicazione 1/40

2 Informazioni generali Contatti Docente: Susanna Spinsante, Ing., PhD Dipartimento di Ingegneria dell Informazione (DII) - q s.spinsante@univpm.it Tel Ricevimento: MARTEDI, 10:30-12:30. E fortemente consigliato inviare una mail prima di presentarsi al ricevimento per poter pianificare e concordare l incontro Il corso Terzo anno Lezioni frontali in aula Lezioni teorico/pratiche presso il Laboratorio TLC (DII - q.165) A.A Sistemi di Telecomunicazione 2/40

3 Informazioni generali L esame una prova scritta, che richiede la soluzione di due o tre esercizi proposti, su argomenti trattati nel corso, da completare in due ore una prova orale, consistente nella discussione su uno o piu temi trattati nel corso, e nell approfondimento di eventuali lacune emerse nella prova scritta la prova scritta e propedeutica alla prova orale; si consiglia di sostenere la prova orale dopo aver ottenuto almeno la sufficienza nella prova scritta. La prova orale deve essere sostenuta nello stesso appello della prova scritta. Nel caso di esito negativo per la prova orale, lo studente deve ripetere anche la prova scritta valutazione: ad entrambe le prove, scritta ed orale, viene attribuito un punteggio compreso tra zero e trenta. Il voto complessivo, in trentesimi, e dato dalla media ponderata dei voti ottenuti nelle due prove (pesando per 1/3 il risultato della prova scritta e per 2/3 il risultato della prova orale), con arrotondamento all intero per eccesso Sono oggetto di esame gli argomenti trattati durante tutte le lezioni, sia teoriche che teorico/pratiche. A.A Sistemi di Telecomunicazione 3/40

4 Informazioni generali Iscrizione agli appelli d esame Come da indicazioni della Presidenza, le iscrizioni agli appelli d esame devono essere effettuate esclusivamente attraverso la piattaforma web ESSE3 Materiale Didattico I lucidi delle lezioni saranno disponibili per il download alla pagina: raggiungibile anche dalla pagina web del docente Dallo stesso sito sara possibile scaricare il materiale relativo alle lezioni teorico/pratiche, e verranno segnalati testi o papers a cui riferirsi per eventuali approfondimenti Avvisi e comunicazioni inerenti il corso saranno forniti tempestivamente attraverso la pagina web istituzionale del docente, sezione Avvisi. Gli studenti sono tenuti a monitorare tale pagina. A.A Sistemi di Telecomunicazione 4/40

5 Informazioni generali Iniziativa OpenTLCLab Grazie alla disponibilita dell Ing. Adelmo De Santis, sotto la sua supervisione e data agli studenti la possibilita di frequentare il laboratorio di Telecomunicazioni ( id=570) posto a quota 165 del DII, per conoscere e provare ad usare alcuni degli strumenti disponibili e specifici per l ambito delle telecomunicazioni. Gli studenti interessati possono concordare orari e tematiche contattando direttamente l Ing. De Santis all indirizzo adelmo@univpm.it A.A Sistemi di Telecomunicazione 5/40

6 Il corso Obiettivi Individuare servizi e sistemi di TLC di maggior interesse Analisi delle principali cause di degrado dei segnali Introduzione alle tecniche di protezione e recupero Studio dei principali sistemi di TLC Procedure di dimensionamento Definizione Per Sistema di Telecomunicazione si intende l insieme costituito dagli apparati e dai mezzi trasmissivi necessari per offrire un determinato servizio A.A Sistemi di Telecomunicazione 6/40

7 I servizi di telecomunicazione Telefonico Broadcast radiofonico e televisivo Internet GPS Telecomandi Servizi radio per l emergenza Telecontrollo Videosorveglianza RADAR Collegamenti audio con navi/aerei Controllo del traffico Ausilio al traffico aereo... A.A Sistemi di Telecomunicazione 7/40

8 Servizi e sistemi All utenza viene offerta una molteplicita di servizi Ciascuna tipologia di servizio impone differenti scelte sistemistiche. I principali vincoli sono: Qualita Disponibilita Larghezza di banda Distanza A.A Sistemi di Telecomunicazione 8/40

9 Schema di principio di un sistema di telecomunicazione Elementi fondamentali Tre sottosistemi fondamentali: il trasmettitore, il canale, il ricevitore Il messaggio ricostruito dal ricevitore e ricevuto dall utilizzatore ( m(t)) puo in generale differire da quello trasmesso (m(t)) per effetto della presenza di disturbi nel canale di trasmissione, o a causa di altri effetti di degradazione (filtraggi non desiderati, non linearita ) In sistemi con multiplazione (es. TDM, FDM), possono anche essere presenti sorgenti e utilizzatori multipli. Sullo stesso canale fisico possono coesistere diversi canali di comunicazione A.A Sistemi di Telecomunicazione 9/40

10 I tre sottosistemi - I Trasmettitore Il blocco di elaborazione del segnale al trasmettitore ha il compito di processare il segnale emesso dalla sorgente per effettuare una trasmissione piu efficiente Il circuito trasmettitore (modulatore) converte il segnale in banda base in una banda di frequenza piu appropriata per le caratteristiche trasmissive del mezzo fisico attraverso il quale si svolge la trasmissione Se il canale fisico e in grado di sostenere una trasmissione in banda base (ad esempio, un cavo in rame), non e necessaria alcuna conversione e s(t) puo essere direttamente il segnale all uscita dell elaboratore di segnale nel trasmettitore. Viceversa, il circuito modulatore e necessario quando il canale sostiene soltanto trasmissioni in banda di frequenza centrata su una certa f c >> 0. In tal caso, s(t) e un segnale passa-banda, avendo componenti frequenziali centrate intorno a f c A.A Sistemi di Telecomunicazione 10/40

11 I tre sottosistemi - II Canale di trasmissione I canali di trasmissione si suddividono in due grandi categorie: guidato e libero (ovvero: via cavo e senza fili, oppure wired e wireless) I principi base della modulazione analogica e digitale sono gli stessi per tutti questi canali, ma le caratteristiche di ognuno di essi vincolano di fatto anche fortemente i tipi di segnale che possono essere adottati Il mezzo fisico attenua il segnale; i disturbi sul canale o il rumore introdotto da un ricevitore non ideale fanno si che l informazione m(t) ricostruita sia in generale diversa e deteriorata rispetto a quella di sorgente Il canale di trasmissione puo includere dispositivi necessari a mantenere il livello del segnale utile adeguatamente al di sopra di quello del rumore Il canale puo essere sede di fenomeni di propagazione per cammini multipli del segnale, causando il cosiddetto fenomeno di fading A.A Sistemi di Telecomunicazione 11/40

12 I tre sottosistemi - III Ricevitore A partire dal segnale degradato all uscita del canale, il ricevitore ricostruisce un segnale in banda base che puo essere utilizzato dall elaboratore di segnale Il blocco di elaborazione in ricezione ripulisce il segnale dai disturbi e produce una replica m(t) il piu fedele possibile all informazione di sorgente A.A Sistemi di Telecomunicazione 12/40

13 Progetto di un sistema di telecomunicazione Lo scopo del progetto di un sistema di telecomunicazione e quello di realizzare un sistema che minimizzi la degradazione dell informazione rispettando alcune specifiche (vincoli) progettuali, come la potenza trasmessa, la banda disponibile, il costo Per sistemi digitali, la misura piu diffusa di degradazione e la probabilita di errore (P e ) chiamata anche Bit Error Rate (BER), ovvero tasso di errore sui dati ricostruiti m Per i sistemi analogici, le prestazioni sono quantificate attraverso il rapporto segnale-rumore (SNR, Signal-to-Noise Ratio), all uscita del ricevitore A.A Sistemi di Telecomunicazione 13/40

14 Caratterizzazione di un sistema di telecomunicazione Distanza tra i terminali (comunicazioni in ambito locale, metropolitano, geografico,...) Qualita richiesta per supportare i servizi previsti Velocita di trasmissione necessaria al supporto dei servizi Modalita di trasferimento dell informazione Propagazione guidata cavi in rame (doppini, coassiali,...) fibre ottiche Propagazione libera collegamenti troposferici (fissi e mobili) collegamenti satellitari A.A Sistemi di Telecomunicazione 14/40

15 Uso dello spettro elettromagnetico per telecomunicazioni - I A.A Sistemi di Telecomunicazione 15/40

16 Uso dello spettro elettromagnetico per telecomunicazioni - II Il canale di comunicazione che collega TX e RX puo essere costituito da una coppia di fili, da una fibra ottica, un cavo coassiale o dallo spazio libero. Ciascuno di questi portanti puo essere convenientemente usato solo in certi intervalli di frequenza. La linea bifilare puo essere usata fino a frequenze di qualche MHz; il cavo coassiale fino a frequenze prossime al GHz. Le guide d onda coprono l intervallo di frequenze GHz, mentre le fibre ottiche sono impiegate con sorgenti ottiche a lunghezza d onda compresa tra 1.6 e 0.85 µm. Le comunicazioni su mezzo non guidato avvengono irradiando onde EM tramite un antenna, le cui dimensioni fisiche sono generalmente superiori a 1/10 della lunghezza d onda. Questo spiega, tra l altro, la necessita di traslare in frequenza i segnali da trasmettere su un mezzo non guidato. Per frequenze comprese tra 0.3 e 3 MHz (es. stazioni AM), la propagazione e basata su onde superficiali terrestri che seguono la curvatura terrestre. A frequenze superiori e privilegiata la propagazione in linea retta, che puo avvenire per riflessione o rifrazione ionosferica, per frequenze da 3 a 30 MHz, e in visibilita ottica tra antenna TX e RX per frequenze superiori a 30 MHz. A.A Sistemi di Telecomunicazione 16/40

17 Bande di frequenza usate nelle radiotrasmissioni A.A Sistemi di Telecomunicazione 17/40

18 Uso dello spettro elettromagnetico per telecomunicazioni - III Per regolamentare le trasmissioni coesistenti e gestire le reciproche interferenze, sono nati enti nazionali e internazionali preposti alla regolamentazione dei tipi e velocita di modulazione, potenze di segnale, tipo di informazioni che possono essere trasmesse sulle varie bande di frequenza convenzionalmente individuate International Telecommunications Union (ITU): ente affiliato alle Nazioni Unite, si occupa della assegnazione delle bande di frequenza e relative norme tecniche di trasmissione Generalmente ogni nazione ha una sua propria agenzia responsabile della emanazione e del rispetto delle varie norme all interno dei confini nazionali. In Italia, l ente di riferimento e l Autorita per le Garanzie nelle Comunicazioni (Agcom); negli Stati Uniti e la Federal Communications Commission (FCC) A.A Sistemi di Telecomunicazione 18/40

19 Degrado del segnale ricevuto A.A Sistemi di Telecomunicazione 19/40

20 Caratterizzazione del mezzo trasmissivo - I Attenuazione: l ampiezza del segnale trasmesso diminuisce durante la sua propagazione Effetto: al ricevitore, il segnale puo confondersi con il rumore A.A Sistemi di Telecomunicazione 20/40

21 Caratterizzazione del mezzo trasmissivo - II Distorsione: la forma del segnale trasmesso tende ad allargarsi durante la propagazione Effetto: la coda dell impulso precedente si sovrappone al successivo La distorsione prodotta dal canale sul segnale trasmesso puo quasi sempre assimilarsi a quella prodotta da un sistema lineare tempo invariante, caratterizzato da una certa risposta impulsiva A.A Sistemi di Telecomunicazione 21/40

22 Caratterizzazione del mezzo trasmissivo - III Quando le caratteristiche del canale variano nel tempo (es. canale radiomobile, propagazione ionosferica...) il modello di canale e quello di un sistema lineare tempo variante, definito da una famiglia di risposte impulsive h(t; τ), che dipendono separatamente dal tempo corrente t e dall istante di applicazione dell impulso (τ) Si possono anche avere canali non lineari, come quelli derivanti dall impiego di amplificatori operanti in saturazione, per i quali e necessario ricorrere a modulazioni d angolo Un elemento ineliminabile di qualunque sistema di comunicazione e rappresentato dal rumore termico, generato dal moto dei portatori di carica presenti nel mezzo trasmissivo e nei dispositivi usati per l elaborazione del segnale (es. amplificatori, filtri, antenne, cavi,..) Sono presenti anche altri possibili tipi di disturbo, come il rumore captato dalle antenne, il disturbo prodotto dagli impianti di accensione dei veicoli, le interferenze prodotte dalle trasmissioni di altri utenti sullo stesso canale Normalmente si fa l ipotesi che il contributo complessivo w(t) delle sorgenti di rumore, riportato all ingresso del ricevitore, sia un processo gaussiano che si somma al contributo s(t) del segnale trasmesso: r(t) = w(t) + s(t). Si parla di rumore gaussiano additivo; esso si dice bianco quando si intende che la densita spettrale di potenza del rumore non dipende dalla frequenza, almeno sulla banda occupata dal segnale A.A Sistemi di Telecomunicazione 22/40

23 Rumorosita introdotta attraverso il mezzo trasmissivo (es. propagazione su cavo) A.A Sistemi di Telecomunicazione 23/40

24 Distorsione Distorsione provocata dal mezzo trasmissivo Le componenti armoniche dello spettro del segnale in propagazione vengono differentemente attenuate. Questo fenomeno puo variare nel tempo. Eventuali non linearita del mezzo trasmissivo possono condurre alla generazione di componenti armoniche originariamente non presenti nello spettro. Principali cause di distorsione Disadattamenti di linea che sono funzione della frequenza (linee in rame) Linee dispersive (fibre ottiche) Multipath (canali tempo-varianti, sistemi radio) A.A Sistemi di Telecomunicazione 24/40

25 Effetto dell ISI sul segnale ricevuto - I A.A Sistemi di Telecomunicazione 25/40

26 Effetto dell ISI sul segnale ricevuto - II La banda di un impulso rettangolare, di durata finita nel tempo, e infinita (dualita tempo-frequenza). Se il filtraggio effettuato dal sistema di comunicazione taglia la banda dell impulso, nel dominio tempo la sua durata aumenta. L impulso ricevuto associato ad ogni simbolo trasmesso tendera cosi ad invadere intervalli di segnalazione adiacenti, generando interferenza intersimbolica. Occorre quindi capire come riuscire a limitare la banda occupata senza introdurre ISI. Andando a limitare la banda degli impulsi, essi non potranno piu avere una forma rettangolare nel tempo ma smussata. Nyquist ha definito tre differenti metodi per sceglire la forma degli impulsi in modo da eliminare l ISI: uno di questi metodi consiste nell uso di un filtro (in trasmissione ed in ricezione) di Nyquist o filtro a coseno rialzato con fattore di rolloff (decadimento) r, che consente di ottenere assenza di ISI. A.A Sistemi di Telecomunicazione 26/40

27 Filtro a coseno rialzato - I Risposta in frequenza del filtro di Nyquist a coseno rialzato: Risposta impulsiva: A.A Sistemi di Telecomunicazione 27/40

28 Filtro a coseno rialzato - II Il filtro con r = 0 e il caso a banda minima (f 0 = B, risposta impulsiva di tipo senx x ). Aumentando r, la realizzazione del filtro migliora ma la banda occupata dall impulso aumenta. La velocita di segnalazione ammissibile e pari a: r s = 2B 1+r, dove B e la banda assoluta del segnale e r il fattore di rolloff. A.A Sistemi di Telecomunicazione 28/40

29 Diagramma ad occhio - I L effetto del filtraggio di canale e/o dei disturbi puo essere visualizzato osservando la forma d onda ricevuta su di un oscilloscopio analogico. Il cosiddetto diagramma ad occhio e ottenuto dalla visualizzazione sull oscilloscopio dello stesso segnale in passate multiple. Ogni passata e comandata da un impulso di clock, e l ampiezza dell asse dei tempi e leggermente maggiore di un intervallo di simbolo, in modo da catturare l intero impulso. In condizioni di corretto funzionamento (assenza di errori di rivelazione), i vari spezzoni del segnale sono ben distanziati e l occhio e aperto. In presenza di molta ISI o rumore, gli spezzoni si avvicinano e l occhio tende a chiudersi; si avranno errori di rivelazione al ricevitore. A.A Sistemi di Telecomunicazione 29/40

30 Diagramma ad occhio - II L errore di sincronismo tollerabile in ricezione puo essere valutato dall ampiezza orizzontale dell interno dell occhio, chiamata apertura La sensibilita agli errori di sincronismo e valutabile dalla pendenza del margine dell occhio (valutata nelle vicinanze degli attraversamenti dello zero) Il margine di rumore del sistema e l altezza dell apertura dell occhio L istante ottimo di campionamento e quello corrispondente alla massima apertura verticale, che corrisponde anche al massimo margine di rumore A.A Sistemi di Telecomunicazione 30/40

31 Diagramma ad occhio per 2 e 4 - ASK A.A Sistemi di Telecomunicazione 31/40

32 Visualizzazione dell ISI sul diagramma ad occhio A.A Sistemi di Telecomunicazione 32/40

33 Il rumore termico Il rumore termico e un disturbo di tipo additivo sul segnale utile, che determina le prestazioni finali di qualunque sistema di telecomunicazione Si consideri un generico resistore di resistenza R posto ad una temperatura T diversa dallo zero assoluto. Il moto casuale degli elettroni genera una certa tensione di rumore v(t) anche se non vengono applicati campi elettrici dall esterno. Tale fenomeno e denominato rumore termico Essendo la tensione di rumore generata dal moto casuale degli elettroni, tale fenomeno viene modellato con un processo casuale. Essendo poi la tensione v(t) generata dai contributi di campo elettrico di un gran numero di elettroni, appellandoci al teorema limite centrale possiamo dire che la densita di probabilita di tale processo e gaussiana Il processo casuale di rumore termico ha valore medio nullo (non vi e una direzione di moto degli elettroni privilegiata); se poi supponiamo che le condizioni del resistore e il suo ambiente esterno non varino nel tempo, possiamo ipotizzare il processo casuale come stazionario Riassumendo, il rumore termico puo essere modellato come un processo casuale gaussiano, stazionario e a valor medio nullo A.A Sistemi di Telecomunicazione 33/40

34 DSQ di rumore termico Valutiamo la densita spettrale del valore quadratico medio (ovvero la distribuzione spettrale della potenza normalizzata) del processo v(t) tensione ai capi di un resistore con resistenza R. Mediante considerazioni di meccanica quantistica si ricava la seguente espressione: [ ] [ h f G v (f ) = 2R 2 + h f V 2 ] (1) e h f KT 1 Hz Il termine h f e rumore dovuto al principio di indeterminazione e il termine 2 h f h f e rumore dovuto al moto termico e KT 1 K = J/K e la costante di Boltzmann h = J s e la costante di Planck T e la temperatura del resistore in Kelvin Essendo il segnale nel tempo [ misurato ] in [V ], la corrispondente densita spettrale di potenza e espressa in V 2 Hz A.A Sistemi di Telecomunicazione 34/40

35 Espressione approssimata Per tutte le applicazioni tipiche delle comunicazioni classiche, cioe per temperature tra 0 e 50 Celsius e frequenze minori di 1 THz, si ha che: hf KT << 1 (2) da cui: e h f KT 1 = hf KT Solitamente si puo quindi approssimare l espressione precedente con: [ V 2 ] G v (f ) 2RKT Hz Si vede quindi che la densita spettrale non dipende dalla frequenza f per cui questo tipo di rumore viene detto anche bianco, cioe spettralmente piatto. Dalla espressione approssimata risulta anche che il valore quadratico medio del rumore e infinito, e cio non e fisicamente realizzabile. Tuttavia qualunque sistema di telecomunicazione presenta al ricevitore un filtro di banda B sempre molto inferiore al THz; di conseguenza, la densita spettrale del valore quadratico medio della tensione di rumore dopo il filtro di ricezione sara sempre piatta e limitata in banda. Quindi l approssimazione ha senso solamente a valle del filtro di ricezione. (3) (4) A.A Sistemi di Telecomunicazione 35/40

36 Circuito equivalente del resistore rumoroso Trattandosi di un bipolo lineare, possiamo applicare il teorema di Thevenin; si trova che il circuito equivalente di un resistore rumoroso e dato da un resistore non rumoroso R posto in serie ad un generatore di tensione v(t) Nel valutare le prestazioni di un sistema di telecomunicazioni si e interessati alla potenza elettrica del rumore piuttosto che al suo valore quadratico medio Per valutare la densita spettrale di potenza di rumore, consideriamo un resistore rumoroso R alla temperatura T, chiuso su un resistore ideale di resistenza R C. La condizione di massimo trasferimento di potenza al carico si ha per R C = R, ovvero in condizioni di circuito adattato Nelle telecomunicazioni cio che conta e sempre la potenza ricevuta, lavorando in condizioni di adattamento energetico. Si ragiona dunque in termini di densita spettrale di potenza disponibile (DSD), ovvero la massima densita spettrale di potenza che un generatore puo cedere ad un carico, con circuiti elettrici adattati A.A Sistemi di Telecomunicazione 36/40

37 DSD di rumore termico - I Facendo riferimento alla figura si ha: v L (t) = v(t) 2 P L (t) = v 2 L (t) R = v 2 (t) 4R e la potenza disponibile La densita spettrale di rumore disponibile ai capi di una resistenza e data da: dove d sta per disponibile G d (f ) = Gv (f ) 4R = KT 2 [ ] W Hz [ ] Definendo, come si fa solitamente, N 0 = KT, risulta: G d (f ) = N 0 W 2 Hz (5) (6) (7) A.A Sistemi di Telecomunicazione 37/40

38 DSD di rumore termico - II La densita spettrale di potenza disponibile del rumore bianco e costante su tutto l asse delle frequenze, ovvero: G d (f ) = N0 2 dove N 0 e una costante positiva. La funzione di autocorrelazione di un processo di rumore bianco si trova calcolando l anti-trasformata di Fourier della G d (f ), ovvero: R d (τ) = N0 2 δ(τ) La G d (f ) e effettivamente una potenza, anche dal punto di vista dimensionale. Essa non dipende dal valore della resistenza. A.A Sistemi di Telecomunicazione 38/40

39 DSD di rumore termico - III Consideriamo il rumore all ingresso di un filtro con banda equivalente B All ingresso la densita spettrale vale Gd (f ) = N 0/2, con N 0 KT All uscita la potenza e pari a Pd = KTB Come osservato in precedenza, l approssimazione di rumore bianco ha senso solo in un caso come questo di rumore filtrato A.A Sistemi di Telecomunicazione 39/40

40 Prerequisiti utili Calcolo delle grandezze in unita logaritmiche Proprieta della trasformata di Fourier A.A Sistemi di Telecomunicazione 40/40