SISTEMI ELETTRONICI. Ingegneria dell Informazione. Modulo. A - INTRODUZIONE A.2 - Tipi di segnale. Page 1

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1 Ingegneria dell Informazione Modulo SISTEMI ELETTRONICI A - INTRODUZIONE A.2 - Tipi di segnale» Tipi di segnale e le loro caratteristiche» Parametri che descrivono un segnale» Perchè i segnali digitali? - 1 Page DDC 1

2 Obiettivi del gruppo di lezioni A Informazioni logistiche e organizzative Scomposizione di un sistema complesso, Differenza tra comportamento e struttura I diversi livelli di descrizione Tipi di segnale, loro caratteristiche e parametri. Segnali analogici e segnali digitali Il rumore come errore su un segnale Vantaggi derivanti dall'uso di segnali digitali Come individuare i principali moduli funzionali e i tipi di segnale presenti in un sistema complesso Come descrivere un modulo tramite la funzione svolta e i segnali esterni. - 2 Page DDC 2

3 Obiettivi di questa lezione (A2) I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Le rappresentazioni in tempo e in frequenza La differenza tra segnali analogici e digitali Il rumore, la degradazione del segnale e il suo recupero I vantaggi e i limiti della tecnologia digitale. - 3 Page DDC 3

4 Diversi tipi di segnale - 1 Receiver / Synthesizer / Modulation IC Power Management / Audio / Data Conversion IC Driver Speaker Phone Antenna Switch Front End Receive Signal Conversion PLL s Modulation Filtering AF C AOC AO C Mixer s Reg / DC-DC Transceivers Converters Bias Vibrator Alert Ear piece MCIC VCOs Base-band Processing / MicroProcessor / DSP IC DSP Peripherals Modem uproc Peripherals UI / Data Peripherals Display Keypad Mic. Accessory Connector Transmit Signal Generation Power Amplifier Control Battery BlueTooth Memory IrDA Power Supply SIM Card - 4 Page DDC 4

5 Diversi tipi di segnale - 2 Antenna Switch Receiver / Synthesizer / Modulation IC Filtering PLL s Front End Receive Signal Segnale a radiofrequenza Conversion 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM MCIC Alimentazione Transmit Signal Generation VCOs Modulation AF C Segnali digitali 1 bit/n bit AOC Power Amplifier Control tensioni continue stabilizzate, fornite a tutti i moduli Power Supply AO C Mixer s Power Management / Audio / Data Conversion IC Reg / DC-DC Transceivers Converters Base-band Processing / MicroProcessor / DSP IC DSP Peripherals Modem Memory uproc Peripherals Bias Segnali analogici bassa frequenza UI 300 / Data Hz-3 Peripherals KHz Driver Speaker Phone Vibrator Alert Ear piece Display Keypad Mic. Accessory Connector Battery BlueTooth IrDA SIM Card - 5 Page DDC 5

6 Segnali analogici audio Antenna Switch MCIC Front End Receive Signal Conversion VCOs Receiver / Synthesizer / Modulation IC Filtering PLL Modulation AFC AOC AOC Mixer s Power Management / Audio / Data Conversion IC Reg / DC-DC Transceivers Converters Segnali analogici Base-band Processing / MicroProcessor / DSP IC DSP Peripherals uproc Modem Peripherals UI / Data Peripherals Bias a bassa frequenza 300 Hz-3 khz Driver Speaker Phone Vibrator Alert Ear piece Display Keypad Mic. Accessory Connector Transmit Signal Generation Power Amplifier Control Power Supply Memory Battery BlueTooth IrDA SIM Card - 6 Page DDC 6

7 Segnali audio - 1 Nei circuiti associati a microfono e auricolare sono presenti segnali audio Esempio: segnale sinusoidale (tono): v(t) = V sen (ωt + φ) V = valore di picco (volt, simbolo V) ω== pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = ω/2π,=in hertz, simbolo Hz) φ= = fase (radianti, simbolo rad) - 7 Page DDC 7

8 Segnali audio - 2 Banda audio telefonica: frequenze 300 Hz 3 khz Esempio: tono a 500 Hz ampiezza tempo 2 ms - 8 Page DDC 8

9 Segnali analogici Esempi di altri segnali analogici triangolare voce somma di componenti sinuosoidali, a frequenze tra 300 Hz e 3 khz. altre forme d onda - 9 Page DDC 9

10 Segnali digitali - 1 Antenna Switch Front End Receive Signal Conversion Receiver / Synthesizer / Modulation IC Filtering PLL Modulation AFC AOC AOC Mixer s Power Management / Audio / Data Conversion IC Reg / DC-DC Transceivers Converters Bias Driver Speaker Phone Vibrator Alert Ear piece MCIC Transmit Signal Generation VCOs Segnali digitali 1 bit/n bit Power Amplifier Control Power Supply Base-band Processing / MicroProcessor / DSP IC DSP Peripherals Modem uproc Peripherals UI / Data Peripherals Memory Display Keypad Mic. Accessory Connector Battery BlueTooth IrDA SIM Card - 10 Page DDC 10

11 Segnali digitali - 2 Nei circuiti di controllo e comando (tastiera, display, carta SIM, collegamenti dati, ) sono presenti segnali di tipo numerico o digitale. Un segnale numerico è una sequenza di numeri: 132, 45, 876, 9, 541, generalmente codificati in base 2:» segnale binario , , , , Page DDC 11

12 Segnali digitali - 3 Un segnale digitale (binario) usa livelli di tensione per rappresentare stati logici (0/1, o meglio H/L). Stati L H L H L H L tensione Vt» criterio: V > < Vt tempo - 12 Page DDC 12

13 Segnali a radiofrequenza - 1 Antenna Switch Receiver / Synthesizer / Modulation IC Filtering PLL Front End Receive Signal Conversion Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione MCIC FM o PM VCOs Modulation AFC AOC AOC Mixer s Power Management / Audio / Data Conversion IC Reg / DC-DC Transceivers Converters Base-band Processing / MicroProcessor / DSP IC DSP Peripherals Modem uproc Peripherals UI / Data Peripherals Bias Driver Speaker Phone Vibrator Alert Ear piece Display Keypad Mic. Accessory Connector Transmit Signal Generation Power Amplifier Control Power Supply Memory Battery BlueTooth IrDA SIM Card - 13 Page DDC 13

14 Segnali a radiofrequenza - 2 Nei circuiti in prossimità dell antenna sono presenti segnali sinusoidali a frequenza elevata (800 MHz - 1,8 GHz circa). Richiedono amplificatori e interconnessioni particolari. Esempio: segnale non modulato a 800 MHz ampiezza tempo 1 ns (2 ms per segnale audio) - 14 Page DDC 14

15 Alimentazione - 1 Antenna Switch Front End Receive Signal Conversion Receiver / Synthesizer / Modulation IC Filtering PLL Modulation AFC AOC AOC Mixer s Power Management / Audio / Data Conversion IC Reg / DC-DC Transceivers Converters Bias Driver Speaker Phone Vibrator Alert Ear piece MCIC Transmit Signal Generation Alimentazione VCOs tensioni continue stabilizzate, fornite a tutti i moduli Power Amplifier Control Power Supply Base-band Processing / MicroProcessor / DSP IC DSP Peripherals Modem uproc Peripherals UI / Data Peripherals Memory Display Keypad Mic. Accessory Connector Battery BlueTooth IrDA SIM Card - 15 Page DDC 15

16 Alimentazione - 2 Alimentazione: non trasporta informazione, ma fornisce potenza (grandezza costante o variabile molto lentamente) Parametri:» tensione continua» corrente continua assorbita» componente variabile della tensione (piccola!)» componente variabile della corrente ampiezza 1 s tempo - 16 Page DDC 16

17 Segnali e trasduttori audio RF Digitali Alimentaz. frequenza khz GHz 100 MHz 0 Hz Sensori Microf. Antenna tastiera Tensione, temperat. Attuatori Altoparlante, auricolare antenna Display, comandi - 17 Page DDC 17

18 Obiettivi di questa lezione (A2) I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Le rappresentazioni in tempo e in frequenza La differenza tra segnali analogici e digitali Il rumore, la degradazione del segnale e il suo recupero I vantaggi e i limiti della tecnologia digitale Page DDC 18

19 Rappresentazione in tempo Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo: Strumento: oscilloscopio asse Y: ampiezza asse X: tempo - 19 Page DDC 19

20 Rappresentazione in frequenza Un segnale può essere visualizzato anche indicando le sue componenti in funzione della frequenza: asse Y: ampiezza Strumento: analizzatore di spettro fondamentale II armonica III armonica Rumore di base F = 0 asse X: frequenza - 20 Page DDC 20

21 Legame tempo - frequenza Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata tempo F = 0 banda frequenza - 21 Page DDC 21

22 Spettri di segnali -1 Segnale periodico» spettro a righe, distanza: inverso del periodo Segnale non periodico (nel tempo)» spettro continuo (in frequenza) Segnale finito (da t = 0 a t = T1)» occupazione in banda illimitata Segnale a banda limitata» non limitato nel tempo (da t = - a t = + ) Variazioni ripide» componenti a frequenze elevate Segnali reali» ~limitati in tempo e in banda (poca energia fuori T1-T2 e F1-F2) - 22 Page DDC 22

23 Spettri di segnali - 2 Sinusoide Triangolo Casuale/voce Onda quadra Onda trapezoidale Impulsi» Un simulatore dello spettro di onde sinusoidali/triangolari/quadre è disponibile sul sito Ulisse - 23 Page DDC 23

25 Segnali analogici Il segnale analogico è continuo in tempo: è definito per qualsiasi istante di tempo entro un certo intervallo in ampiezza: può assumere qualsiasi valore entro un certo intervallo I parametri che definiscono un segnale analogico sono: intervallo di ampiezza» valore max e min (dinamica),» eventuale DC contenuto spettrale» limiti di banda, forma dello spettro - 25 Page DDC 25

26 Segnali digitali Il segnale digitale è una sequenza di numeri segnale discreto in tempo: è definito solo per alcuni istanti di tempo entro un certo intervallo segnale discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo - 26 Page DDC 26

27 Segnali binari Un segnale binario (1 bit) può essere rappresentato nel dominio del tempo con una sequenza di valori (campioni): due livelli H/L (1 bit) (discretizzazione in ampiezza) campioni definiti a intervalli Ts (discretizzazione nel tempo) valore H L Ts tempo - 27 Page DDC 27

28 Rappresentazione di segnali binari La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma temporale, analogo a quello utilizzato per i segnali analogici. valore H L Ts tempo - 28 Page DDC 28

29 Diagrammi temporali Corrispondenza tra sequenza binaria e diagramma temporale Le tensioni rappresentano stati logici (H/L, 0/1, ), secondo una regola ben definita, ad esempio:»3 V stato alto, H, 1,...» 0,5 V stato basso, L, 0, Page DDC 29

30 Valori rappresentabili Il numero di valori rappresentabili dipende dal numero di cifre e dalla base di numerazione. Esempi: base 2: base 6 (1 cifra 0..5 o 3 bit) 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1,... 4, 1, 5, 3, 2, 1, 4, 2, 2, 3, Page DDC 30

31 Errore con rappresentazione digitale Il numero di valori rappresentabili determina l errore della rappresentazione numerica: Errore di quantizzazione ε Q» N bit : 2 N valori, quindi» errore ε Q = 100/2 N % = 1M/2 N PPM 4 bit 2 4 = 16 ε Q = 6,25 % 8 bit, 2 8 = 256 ε Q = 0,4 % 16 bit, 2 16 = ε Q = 0,0015 % 15 PPM 24 bit 2 24 = 16 M ε Q = % 0,06 PPM 32 bit 2 32 = 4,3 G» Un simulatore degli effetti della quantizzazione è disponibile sul sito Ulisse - 31 Page DDC 31

32 Parallelismo di segnali binari Il segnale può comprendere uno o più bit (N)» grado di parallelismo 1 bit Informazione sequenziale (bit su unico filo, in tempi successivi N bit Informazione parallela (bit su più fili nello stesso tempo) - 32 Page DDC 32

33 Trasferimento di segnali digitali Un campione richiede N bit Il trasferimento di segnali digitali è cadenzato da un segnale di clock CLOCK INFORMAZIONE trasferimento parallelo: N bit con un clock tempo Tck trasferimento seriale: N bit con N cicli di clock tempo N Tck - 33 Page DDC 33

34 Definizioni Cadenza dei campioni a ogni ciclo di clock è associato un campione cadenza del segnale di clock: Fck = 1/ Tck Parallelismo numero di bit disponibili contemporaneamente: N Throughput quantità di informazione scambiata: T = N Fck N e Tck influenzano costo (banda, hardware, ) prestazioni (velocità, consumo, ) - 34 Page DDC 34

35 Esercizio A2-1 Quanti bit per errori: dello 0,1 %? di 20 PPM? Un segnale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Per trattarli con rappresentazione seriale:» Quale throughput?» Quale cadenza di clock? Per trattare gli stessi 15 MS/s con rappresentazione parallela a 16 bit:» Quale throughput?» Quale cadenza dei campioni (clock)? - 35 Page DDC 35

37 Rumore e disturbi A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore il rumore NON trasporta informazione utile - 37 Page DDC 37

38 Degradazione del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore. Per il segnale analogico il rumore determina una degradazione non recuperabile dell informazione Page DDC 38

39 Degradazione del segnale digitale Per il segnale digitale la degradazione del segnale digitale dovuta al rumore è recuperabile (se contenuta entro certi limiti) Page DDC 39

40 Ripristino del segnale digitale Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, è possibile ricostruire il valore originario confrontando il segnale con una soglia Page DDC 40

42 Recupero del segnale digitale Per un segnale digitale gli effetti del rumore non sono cumulativi, perché può essere ripristinato a intervalli regolari. Questo consente di eseguire sul segnale catene di operazioni complesse. Perché non vi sia perdita di informazione il rumore deve essere limitato.» Simulatori degli effetti del rumore su segnali analogici e digitali sono disponibili sul sito Ulisse - 42 Page DDC 42

43 Passaggi A/D/A - 1 I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono prevalentemente analogici. E possibile convertire un segnale analogico in numerico con un sistema di CONVERSIONE ANALOGICO/DIGITALE (A/D) E possibile convertire un segnale numerico in analogico con un sistema di CONVERSIONE DIGITALE/ANALOGICO (D/A) - 43 Page DDC 43

44 Passaggi A/D/A - 2 La maggior parte dei sistemi elettronici comprende: interfacce verso il mondo esterno (front-end) analogico conversione A/D trattamento del segnale numerico conversione D/A interfacce verso il mondo esterno (back-end) analogico Sensori e front-end analogico A/D Sistema numerico D/A Attuatori e back-end analogico - 44 Page DDC 44

45 Strumenti di progetto per il digitale I sistemi elettronici tendono a migrare verso il digitale, perché: Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali, Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici, La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi. E possibile realizzare sistemi di elaborazione digitali con errori progettabili errore in ampiezza: 1/2 N (N = num bit) errore in banda: legato a Ts (intervallo tra campioni) - 45 Page DDC 45

46 Tendenza Da... Sensori e front-end analogico A/D a... Sistema numerico D/A Attuatori e back-end analogico Sensori e front-end analogico A/D Sistema numerico D/A Attuatori e back-end analogico - 46 Page DDC 46

47 Limiti del digitale Presenza intrinseca di errori dovuti a quantizzazione delle ampiezze (legati al numero di bit N), campionamento (legati alla densità nel tempo dei campioni). Le variabili digitali sono rappresentate da segnali analogici (V, I, ) segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come analogici Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici (RF, ) Il limite si sposta continuamente (da ~100 MHz tutto digitale) - 47 Page DDC 47

48 Esercizi A2-2 Un segnale analogico ha dinamica 10 Vpp, ed è affetto da un rumore di 100 mv. Quanti bit occorrono per rappresentarlo con un errore aggiuntivo pari al 10% del rumore? Tracciare lo spettro del segnale Vs per Vs = 2 senωt + 6 sen 2ωt + 6 V. Quale è l errore assoluto di un sistema con: dinamica 8 V, codifica digitale a 8 bit - 48 Page DDC 48

49 Sommario lezione A2-1 Rassegna dei tipi di segnale in un sistema ELN: analogico digitale Definizione dei parametri che descrivono un segnale: banda dinamica rumore relativo (SNR) Parametri di un segnale digitale (binario) num bit N cadenza (Ts) codifica seriale/parallela - 49 Page DDC 49

50 Sommario lezione A2-2 Legame tra rappresentazioni in tempo e in frequenza variazioni rapide > componenti ad alta frequenza Differenza tra segnali analogici e digitali continuità in tempo e ampiezza Rumore, degradazione del segnale, SNRq Recupero del segnale digitale dal rumore confronto con soglia Vantaggi e limiti della tecnologia digitale controllo degli errori, più semplice progettazione Page DDC 50

51 Prerequisiti gruppo di lezioni B Analisi di reti elettriche: Circuiti equivalenti di doppi bipoli con maglie Thevenin e Norton (unidirezionali). Comportamento T e F di celle RC e RLC Diagrammi di Bode, decibel Riferimenti sul testo 1.6 Amplificatori 11.1/2/4 Sistemi analogici Uso del simulatore circuitale PSPICE Uso degli strumenti base di laboratorio - 51 Page DDC 51