di Napoli Prof. Antonio Fratini

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1 Sistemi i di Elaborazione delle Informazioni i Univ. degli studi Federico II di Napoli Prof. Antonio Fratini Analogico vs Digitale Un esempio segnale + rumore segnale analogico Amplificatore segnale digitale R Regenerator

2 Comunicazione digitale Un segnale digitale risulta in generale più robusto rispetto al rumore e può essere facilmente ricostruito, corretto ed amplificato Vantaggi Si possono utilizzare circuiti digitali in genere meno costosi La segretezza del dato e la privacy possono essere preservate criptando i dati stessi I dati provenienti da segnali vocali, video e altre sorgenti di dati possono essere combinati e trasmessi tramite un comune sistema di comunicazione digitale Nelle comunicazioni di lunga distanza il rumore non si accumula di ripetitore in ripetitore. La rigenerazione del dato è possibile Vantaggi Comunicazione digitale Gli errori nei dati ricevuti sono generalmente piccoli anche in presenza di un forte rumore aggiunto al segnale di interesse Gli errori possono essere identificati e corretti tramite tecniche di codifica Svantaggi Generalmente, è richiesta più banda che per i segnali analogici. i E spesso necessaria una sincronizzazione tra emettitore e ricevitore

3 Pulse Code Modulation PCM consiste di tre passi per digitalizzare un segnale analogico: Sampling (Campionamento) Quantization (Quantizzazione) Binary encoding (Codifica binaria) Prima del campionamento, il segnale deve essere filtrato t per limitare it la sua massima frequenza Tale operazione influenza la frequenza di campionamento e la correttezza del dato ricostruito Pulse Code Modulation

4 Aliasing e frequenza di campionamento Per ottenere la correttezza del dato ricostruito la frequenza di campionamento deve essere pari ad almeno il doppio della frequenza della componente armonica a frequenza più alta (Teorema di shannon Nyquist) Campionamento e quantizzazione Sampling and quantization of an analog signal Sampling Continuo in Ampiezza e nel Tempo Continuo in Ampiezza e discreto nel Tempo Quantizing Discreto in Ampiezza e nel Tempo

5 Quantizzazione e codifica di un segnale campionato Errori di Quantizzazione

6 Sampling and quantization Ancora un esempio signal value Sampling period time Un altro esempio: Immagini Campionamento dell immagine I valori dell immagine sono campionati ai nodi di una griglia regolare sul piano dell immagine Un pixel (picture element) in posizione (i, j) rappresenta il valore di intensità dell immagine nel punto della griglia di cordinate (i, j)

7 Campionamento dell immagine Effetto di campionamenti differenti 256x256 64x64 16x16 Quantizzazione dell immagine Effetto di diversi livelli di quantizzazione 8 bits / pixel 4 bits / pixel 2 bits / pixel

8 Caratteristiche di flussi di dati comuni Data rate Sample Sample or frame Esempi (approximate) size frequency Telephone speech 64 kbps 8 bits 8000/sec CD-quality sound 1.4 Mbps 16 bits /sec Standard TV video 120 Mbps up to 640 x /sec (uncompressed) pixels x 16 bits Standard TV video 1.5 Mbps variable 24/sec (MPEG-1 compressed) HDTV video Mbps up to 1920 x /sec (uncompressed) pixels x 24 bits HDTV video MPEG-2 compressed) Mbps variable 24 60/sec Segnali digitali audio Informazioni sonore

9 Electromagnetic spectrum Pulse Code Modulation (PCM) PCM: perform sampling and quantization on audio signals. PCM is used in: Digital telephone networks: Use a sampling rate of 8000 samples per second and 8 bits per sample, so the data rate is 64 kbps (adopted in ITU-T G.711). Audio CD: Use a sampling rate of samples per second and 16 bits per sample, per channel (L+R) so the data rate for stereo audio is Mbps.

10 Trasmissione Seriale La trasmissione di dati binari attraverso un collegamento può essere realizzata anche in maniera seriale: 1 bit trasmesso per ogni clock Trasmissione Parallela La trasmissione di dati binari attraverso un collegamento può essere realizzata in parallelo: bit multipli vengono trasmessi ad istanti precisi (clock)

11 TDM Time division multiplexing Time division multiplexing Segnali multipli condividono il canale di trasmissione Multiplexing Consente di trasmettere messaggi multipli simultaneamente su un unico canale TDM (time division multiplexing) divisione di tempo Example: packet switching on the Internet Use: digital channels FDM (frequency division multiplexing) Example: Cable TV Analog channels Opportuni filtri ed algoritmi di elaborazione sono poi in grado di separare il dato ricevuto

12 Modulazione Esempi (a) Binary signal (bit stream) (b) Amplitude Modulation (AM) (c) Frequency Modulation (FM) (d) Phase Modulation (PM) Phase shift Throughput OPTICAL ACCESS Reti di comunicazione 622 Mbit/s VDSL 25 Mbit/s 50 Mbit/s HDSL/ ADSL 8 Mbit/s 2 Mbit/s 640 kbit/s ISDN 128 kbit/s Analog modems 56.6 kbit/s 9.6 kbit/s 28.8 kbit/s Year