SisElnTA SisElnTA DDC DEVIATORE DI ANTENNA SisElnTA DDC MICROP. DSP, MEM SisElnTA DDC.

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1 SISTEMI ELETTRONICI A - INTRODUZIONE A.2 - Tipi di segnale Tipi di segnale e le loro caratteristiche Parametri dei segnali Perchè i segnali digitali? Ingegneria dell Informazione 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 e segnali digitali Il rumore come errore su un segnale Vantaggi e limiti dei segnali digitali SisElnTA DDC SisElnTA DDC I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Schema a blocchi di telefonino CONTROLLO SisElnTA DDC SisElnTA DDC Diversi tipi di segnale Diversi tipi di segnale bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 1

2 Diversi tipi di segnale Diversi tipi di segnale 1 bit/n bit bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz 1 bit/n bit Alimentazione: tensioni bassa frequenza continue stabilizzate, CONTROLLO 300 Hz-3 KHz per CATENA tutti i moduli TX SisElnTA DDC SisElnTA DDC Diversi tipi di segnale Segnale audio 1 bit/n bit Alimentazione: tensioni bassa frequenza continue stabilizzate, CONTROLLO 300 Hz-3 KHz per CATENA tutti i moduli TX bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz SisElnTA DDC SisElnTA DDC Segnali audio - 1 Segnali audio - 2 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) Banda audio telefonica: frequenze 300 Hz 3 khz Esempio: tono a 500 Hz ampiezza 2 ms SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 2

3 Altri segnali analogici triangolare voce somma di componenti sinuosoidali, a frequenze tra 300 Hz e 3 khz. altre forme d onda CONTROLLO SisElnTA DDC SisElnTA DDC 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: 1 ns (2 ms per segnale audio) 1 bit/n bit Alimentazione Alimentazione: tensioni bassa frequenza continue stabilizzate, CONTROLLO 300 Hz-3 KHz per CATENA tutti i moduli TX SisElnTA DDC SisElnTA DDC ampiezza 1 s Alimentazione - 2 Alimentazione: non trasporta informazione, ma fornisce energia Parametri:» tensione continua» corrente continua assorbita» componente variabile di corrente e tensione audio RF Digitali Alim. frequenza khz GHz 100 MHz 0 Hz Sensori (ingressi) Attuatori (uscite) Microf. Antenna Tastiera Altoparlante auricolare antenna Segnali e trasduttori Display comandi Tensione, temperatura SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 3

4 I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Un segnale può essere visualizzato in funzione del : asse Y: ampiezza Strumento: oscilloscopio Rappresentazione in asse X: SisElnTA DDC SisElnTA DDC Un segnale può essere visualizzato anche indicando le sue componenti in funzione della frequenza: asse Y: ampiezza Strumento: analizzatore di spettro Rappresentazione in frequenza fondamentale II armonica III armonica Legame - frequenza Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata F = 0 Rumore di base asse X: frequenza F = 0 banda frequenza SisElnTA DDC SisElnTA DDC Spettri di segnali Segnale periodico» spettro a righe, distanza: inverso del periodo Segnale non periodico (nel )»spettro continuo (in frequenza) Segnale finito (da t = 0 a t = T1)» occupazione in banda illimitata Segnale a banda limitata» non limitato nel (da t = - a t = + ) Variazioni ripide» componenti a frequenze elevate I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 4

5 CONTROLLO 1 bit/n bit (teoria) Il segnale digitale è una lista di numeri Tempo: N cifre T campioni SisElnTA DDC SisElnTA DDC (pratica) Troncamento delle cifre; scegliere i campioni ms ms ms Tempo: 3 cifre decimali: valori 1 campione/ms reali Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 discreto in : è definito solo per alcuni istanti di entro un certo intervallo discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo SisElnTA DDC SisElnTA DDC 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 Risoluzione R N bit : 2 N valori R = 100/2 N % = 1M/2 N PPM Risoluzione con numeri binari 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 SisElnTA DDC Page DDC 5

6 Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %? di 20 PPM? Esercizio A2-1 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 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?» /20 = quale N per 2 N > ? 2 16 = circa sono necessari 16 bit valore H L Segnali binari nel L evoluzione nel 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 ) Ts SisElnTA DDC SisElnTA DDC valore H L Segnali binari nel La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma rale, analogo a quello utilizzato per i segnali analogici. Diagrammi rali 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,... Ts SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 6

7 I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Il segnale analogico è continuo in : definito per qualsiasi istante di (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 SisElnTA DDC SisElnTA DDC Rumore e disturbi A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore Degradazione del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore. Nel segnale analogico il rumore determina una degradazione non recuperabile. il rumore NON trasporta informazione utile SisElnTA DDC SisElnTA DDC Degradazione del segnale digitale Nel segnale digitale la degradazione del segnale dovuta al rumore è recuperabile (se contenuta entro certi limiti). Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, è possibile ricostruire il valore originario confrontando il segnale con una soglia. Ripristino del segnale digitale SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 7

8 I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo 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 SisElnTA DDC Passaggi /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 () E possibile convertire un segnale numerico in analogico con un sistema di conversione SENSORI (ANALOG.) SISTEMA NUMERICO Passaggi /A - 2 La maggior parte dei sistemi elettronici comprende: interfacce verso il mondo esterno analogico --- trattamento del segnale numerico --- interfacce verso il mondo esterno analogico ATTUATORI (ANALOG.) DIGITALE/ANALOGICO () SisElnTA DDC SisElnTA DDC 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!) 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 SisElnTA DDC Page DDC 8

9 Dove va l elettronica Limiti del digitale Da SENSORI (ANALOG.) SISTEMA NUMERICO ATTUATORI (ANALOG.) Presenza intrinseca di errori dovuti a risoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze) legata al numero di bit N, campionamento legato alla densità nel dei campioni. a SISTEMA NUMERICO SENSORI (ANALOG.) ATTUATORI (ANALOG.) Le variabili digitali sono rappresentate da segnali analogici (V, I, ) segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come analogici SisElnTA DDC SisElnTA DDC 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 Il segnale comprende uno o più bit (N)» grado di parallelismo Clock N bit Struttura dei segnali binari 1 bit Informazione sequenziale (bit su unico filo, in tempi successivi Informazione parallela (bit su più fili nello stesso ) SisElnTA DDC SisElnTA DDC Un campione richiede N bit Il trasferimento di segnali digitali è cadenzato da un segnale di clock CLOCK INFORMAZIONE Trasferimento di segnali digitali parallelo: N bit con un clock; t = Tck seriale: 1 bit per ogni clock N bit con N cicli di clock; t = N Tck 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 conraneamente: N Definizioni Throughput quantità di informazione scambiata:t = N Fck SisElnTA DDC SisElnTA DDC Page DDC 9

10 Il parametro significativo è il throughput T quantità di informazione trasferita N e Tck influenzano costo» banda, hardware, prestazioni» velocità, consumo, Cosa è importante? 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 SisElnTA DDC 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 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 trattarli con rappresentazione seriale? T = N Fck Fck = T/N Fck = 120 Mbit/1 = 120 Mhz Esercizio A SisElnTA DDC 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 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 Esercizio A2-2 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 SisElnTA DDC Page DDC 10

11 Sommario lezione A2-2 Rappresentazioni in e in frequenza variazioni rapide > componenti ad alta frequenza Differenza tra segnali analogici e digitali continuità in e ampiezza Rumore e degradazione dei segnali del segnale digitale dal rumore Vantaggi e limiti della tecnologia digitale controllo degli errori, più semplice progettazione. I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo SisElnTA DDC SisElnTA DDC 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 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 SisElnTA DDC Page DDC 11