SisElnTA SISTEMI ELETTRONICI. Informazioni logistiche e organizzative Scomposizione di un sistema complesso

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1 Ingegneria dell Informazione SISTEMI ELETTRONICI A - INTRODUZIONE A.2 - Tipi di segnale Tipi di segnale e le loro caratteristiche Parametri dei segnali Perchè i segnali digitali? SisElnTA DDC Obiettivi del gruppo di lezioni A Informazioni logistiche e organizzative Scomposizione di un sistema complesso Tipi di segnale, loro caratteristiche e parametri. Come individuare e descrivere i principali moduli funzionali e i tipi di segnale presenti in un sistema complesso Segnali analogici e segnali digitali Il rumore come errore su un segnale Vantaggi e limiti dei segnali digitali SisElnTA DDC Page DDC 1

2 Contenuti 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 SisElnTA DDC Schema a blocchi di telefonino DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Page DDC 2

3 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM OSCILLATORI RX E TX CATENA TX ALIMENTAZIONE MODULATORE CONTROLLO POTENZA Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM OSCILLATORI RX E TX CATENA TX ALIMENTAZIONE MODULATORE CONTROLLO POTENZA Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Page DDC 3

4 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM CATENA TX ALIMENTAZIONE RICEVITORE DEMODULATORE MODULATORE CONTROLLO POTENZA CATENA RX Segnali digitali 1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz A/D D/A MICROP. DSP, MEM TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM Alimentazione: tensioni continue stabilizzate, per tutti i moduli CATENA TX ALIMENTAZIONE RICEVITORE DEMODULATORE MODULATORE CONTROLLO POTENZA CATENA RX Segnali digitali 1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz A/D D/A MICROP. DSP, MEM TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Page DDC 4

5 Diversi tipi di segnale DEVIATORE DI ANTENNA Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM Alimentazione: tensioni continue stabilizzate, per tutti i moduli CATENA TX ALIMENTAZIONE RICEVITORE DEMODULATORE MODULATORE CONTROLLO POTENZA CATENA RX Segnali digitali 1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz A/D D/A MICROP. DSP, MEM TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Segnale audio DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM OSCILLATORI RX E TX CATENA TX ALIMENTAZIONE MODULATORE CONTROLLO POTENZA Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Page DDC 5

6 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) SisElnTA DDC Banda audio telefonica: frequenze 300 Hz 3 khz Esempio: tono a 500 Hz ampiezza Segnali audio ms tempo SisElnTA DDC Page DDC 6

7 Altri segnali analogici triangolare voce somma di componenti sinuosoidali, a frequenze tra 300 Hz e 3 khz. altre forme d onda SisElnTA DDC Segnale a radiofrequenza DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX A/D D/A MICROP. DSP, MEM Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM OSCILLATORI RX E TX MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Page DDC 7

8 Segnali a radiofrequenza - 2 Nei circuiti in prossimità dell antenna sono presenti segnali sinusoidali a frequenza elevata (800 MHz - 1,8 GHz circa). Amplificatori e interconnessioni particolari. Esempio: segnale non modulato a 800 MHz: tempo 1 ns (2 ms per segnale audio) SisElnTA DDC Alimentazione DEVIATORE DI ANTENNA Segnale a radiofrequenza 800 MHz, 1,8 GHz modulazione FM o PM Alimentazione: tensioni continue stabilizzate, per tutti i moduli CATENA TX ALIMENTAZIONE RICEVITORE DEMODULATORE MODULATORE CONTROLLO POTENZA CATENA RX Segnali digitali 1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX Segnali analogici bassa frequenza 300 Hz-3 KHz A/D D/A MICROP. DSP, MEM TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Page DDC 8

9 ampiezza Alimentazione - 2 Alimentazione: non trasporta informazione, ma fornisce energia Parametri:» tensione continua» corrente continua assorbita» componente variabile di corrente e tensione 1 s tempo SisElnTA DDC Segnali e trasduttori audio RF Digitali Alim. frequenza khz GHz 100 MHz 0 Hz Sensori (ingressi) Microf. Antenna Tastiera A/D Tensione, temperatura Attuatori (uscite) Altoparlante auricolare antenna Display comandi D/A SisElnTA DDC Page DDC 9

10 Contenuti 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 SisElnTA DDC Rappresentazione in tempo Un segnale può essere visualizzato in funzione del tempo: Strumento: oscilloscopio asse Y: ampiezza asse X: tempo SisElnTA DDC Page DDC 10

11 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 SisElnTA DDC Legame tempo - frequenza Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata tempo F = 0 banda frequenza SisElnTA DDC Page DDC 11

12 Spettri di segnali 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 SisElnTA DDC Contenuti 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 SisElnTA DDC Page DDC 12

13 Segnali digitali DEVIATORE DI ANTENNA RICEVITORE DEMODULATORE CATENA RX Segnali digitali 1 bit/n bit OSCILLATORI RX E TX A/D D/A MICROP. DSP, MEM MODULATORE CATENA TX ALIMENTAZIONE CONTROLLO POTENZA TRASDUTTORI: AP, MK, TASTIERA, DISPLAY SisElnTA DDC Segnali digitali (teoria) Il segnale digitale è una lista di numeri N cifre Tempo: T campioni SisElnTA DDC Page DDC 13

14 Segnali digitali (pratica) Troncamento delle cifre; scegliere i campioni ms 2ms 3ms 3 cifre decimali: valori Tempo: 1 campione/ms SisElnTA DDC Segnali digitali reali Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 discreto in tempo: è definito solo per alcuni istanti di tempo entro un certo intervallo discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo SisElnTA DDC Page DDC 14

15 Rappresentazione digitale Il numero di valori disponibili determina la risoluzione R della rappresentazione numerica; in base 2 (cifre 0/1): N bit : 2 N valori,» i valori rappresentabili sono a distanza R = (fondo scala)/ 2 N possiamo riferire R al fondo scala come» percentuale 100/2 N %»PPM(Parti Per Milione) 1M/2 N PPM SisElnTA DDC Risoluzione R Risoluzione con numeri binari N bit : 2 N valori R = 100/2 N % = 1M/2 N PPM 4 bit 2 4 = 16 R = 6,25 % 8 bit, 2 8 = 256 R = 0,4 % 16 bit, 2 16 = R = 0,0015 % 15 PPM 24 bit 2 24 = 16 M R = % 0,06 PPM 32 bit 2 32 = 4,3 G SisElnTA DDC Page DDC 15

16 Esercizio A2-1 Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %? di 20 PPM? SisElnTA DDC Esercizio A2-1 Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %?» 100/0,1 = 1000 quale N per 2 N > 1000? 2 10 = 1024 sono necessari 10 bit di 20 PPM? SisElnTA DDC Page DDC 16

17 Esercizio A2-1 Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %?» 100/0,1 = 1000 quale N per 2 N > 1000? 2 10 = 1024 sono necessari 10 bit di 20 PPM?» /20 = quale N per 2 N > ? 2 16 = circa sono necessari 16 bit SisElnTA DDC Segnali binari nel tempo L evoluzione nel tempo di un segnale binario è rappresentata da una sequenza di bit: due livelli H/L (1 bit) (discreto in ampiezza) definito a intervalli Ts (discreto nel tempo) valore H L Ts tempo SisElnTA DDC Page DDC 17

18 Segnali binari nel tempo La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma temporale, analogo a quello utilizzato per i segnali analogici. valore H L Ts tempo SisElnTA DDC Diagrammi temporali 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, SisElnTA DDC Page DDC 18

19 Contenuti 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 SisElnTA DDC Il segnale analogico è continuo in tempo: definito per qualsiasi istante di tempo (entro un intervallo) in ampiezza: qualsiasi valore (entro un intervallo) Parametri: intervallo di ampiezza» max e min (dinamica), contenuto spettrale» limiti di banda, forma dello spettro Segnali analogici SisElnTA DDC Page DDC 19

20 Rumore e disturbi A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore il rumore NON trasporta informazione utile SisElnTA DDC Degradazione del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore. Nel segnale analogico il rumore determina una degradazione non recuperabile SisElnTA DDC Page DDC 20

21 Degradazione del segnale digitale Nel segnale digitale la degradazione del segnale dovuta al rumore è recuperabile (se contenuta entro certi limiti) SisElnTA DDC Ripristino del segnale digitale Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, è possibile ricostruire il valore originario confrontando il segnale con una soglia SisElnTA DDC Page DDC 21

22 Contenuti 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 SisElnTA DDC 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 SisElnTA DDC Page DDC 22

23 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) SisElnTA DDC Passaggi A/D/A - 2 La maggior parte dei sistemi elettronici comprende: interfacce verso il mondo esterno analogico A/D --- trattamento del segnale numerico --- D/A interfacce verso il mondo esterno analogico SENSORI (ANALOG.) A/D SISTEMA NUMERICO D/A ATTUATORI (ANALOG.) SisElnTA DDC Page DDC 23

24 Evoluzione dei sistemi elettronici 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. I circuiti digitali sono programmabili (SW!) SisElnTA DDC Strumenti di progetto per il digitale E possibile realizzare sistemi di elaborazione digitali con errori progettabili errore in ampiezza: legato alla risoluzione: 1/2 N (N = num bit) errore in banda: legato a Fs/Ts (cadenza di campionamento) SisElnTA DDC Page DDC 24

25 Dove va l elettronica Da SENSORI (ANALOG.) A/D SISTEMA NUMERICO D/A ATTUATORI (ANALOG.) a SENSORI SISTEMA (ANALOG.) A/D D/A NUMERICO ATTUATORI (ANALOG.) SisElnTA DDC Limiti del digitale Presenza intrinseca di errori dovuti a risoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze) legata al numero di bit N, campionamento legato 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 SisElnTA DDC Page DDC 25

26 Limiti del digitale Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici radiofrequenza uscite di trasduttori comandi ad attuatori Il limite si sposta continuamente al di sotto di ~100 MHz è possibile avere tutto digitale SisElnTA DDC Struttura dei segnali binari Il segnale comprende uno o più bit (N)» grado di parallelismo 1 bit Informazione sequenziale (bit su unico filo, in tempi successivi Clock N bit Informazione parallela (bit su più fili nello stesso tempo) SisElnTA DDC Page DDC 26

27 Trasferimento di segnali digitali Un campione richiede N bit Il trasferimento di segnali digitali è cadenzato da un segnale di clock CLOCK INFORMAZIONE parallelo: N bit con un clock; tempo t = Tck seriale: 1 bit per ogni clock N bit con N cicli di clock; t = N Tck SisElnTA DDC 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 SisElnTA DDC Page DDC 27

28 Cosa è importante? Il parametro significativo è il throughput T quantità di informazione trasferita N e Tck influenzano costo» banda, hardware, prestazioni» velocità, consumo, SisElnTA DDC Esercizio A2-2 Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale throughput? Quale cadenza di clock per trattarli con rappresentazione seriale? Quale cadenza di clock per trattare gli stessi 15 MS/s con rappresentazione parallela a 16 bit? SisElnTA DDC Page DDC 28

29 Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale throughput? T = N Fck T = 8 x 15 M = 120 Mbit/s Esercizio A SisElnTA DDC Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale cadenza di clock per trattarli con rappresentazione seriale? T = N Fck Fck = T/N Fck = 120 Mbit/1 = 120 Mhz Esercizio A SisElnTA DDC Page DDC 29

30 Esercizio A2-2 Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale cadenza di clock per trattare gli stessi 15 MS/s con rappresentazione parallela a 16 bit? T = N Fck Fck = T/N Fck = 120 Mbit/16 = 7,5 MHz SisElnTA DDC Sommario lezione A2-1 Rassegna dei tipi di segnale nei sistemi ELN: analogico, digitale Parametri che descrivono un segnale: banda, dinamica, rumore relativo (SNR) Parametri di un segnale digitale (binario) num bit N cadenza (Ts) codifica seriale/parallela SisElnTA DDC Page DDC 30

31 Sommario lezione A2-2 Rappresentazioni in tempo e in frequenza variazioni rapide > componenti ad alta frequenza Differenza tra segnali analogici e digitali continuità in tempo e ampiezza Rumore e degradazione dei segnali recupero del segnale digitale dal rumore Vantaggi e limiti della tecnologia digitale controllo degli errori, più semplice progettazione SisElnTA DDC Contenuti 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 SisElnTA DDC Page DDC 31

32 Limiti del digitale Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici radiofrequenza uscite di trasduttori comandi ad attuatori Il limite si sposta continuamente al di sotto di ~100 MHz è possibile avere tutto digitale SisElnTA DDC 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 (Jaeger) Cap. 1.6 Amplificatori Cap. 11.1/2/4 Sistemi analogici Uso del simulatore circuitale PSPICE Uso degli strumenti base di laboratorio SisElnTA DDC Page DDC 32