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1 Pag. / Sessioe ordiaria 03 Secoda prova scria Miisero dell Isruzioe, dell Uiversià e della Ricerca M86 ESAME DI STATO DI ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE CORSO DI ORDINAMENTO Idirizzo: ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI Tema di: TELECOMUNICAZIONI TELECOMUNICAZIONI E PROGETTAZIONE (Teso valevole per i corsi di ordiameo e per i progei sperimeali assisii) U sisema di moioraggio delle codizioi chimico-fisiche delle acque di u allevameo iico è cosiuio da ove sesori che foriscoo i uscia segali aalogici co bada di frequeze comprese ra 00 e 00 Hz e rage di variabilià i esioe pari a 90 mv. I segali i oggeo devoo essere digializzai garaedo u errore di coversioe o maggiore dello 0,5%. Iolre lo sadard qualiaivo dell iformazioe richiede u umero di campioi per periodo pari a quaro. I dai oeui devoo essere orgaizzai i ua rama PCM che uilizza per la coversioe A/D u disposiivo co caraerisica di quaizzazioe lieare e gamma di valori i esioe di igresso compresa ra 0 e 5 Vol. La rama, che prevede u caale di sicroismo, viee successivamee iviaa su ua liea dedicaa. Il cadidao, effeuae le ipoesi aggiuive che riiee opporue:. deermii il umero di bi ecessari alla codifica per oeere la precisioe richiesa e la velocià miima di cifra della liea che cosee la correa rasmissioe;. valui il faore di amplificazioe che garaisce il compleo adaameo del segale proveiee dai sesori al rage del coveriore aalogico digiale i uso; 3. propoga uo schema a blocchi del possibile sisema di acquisizioe e rasmissioe dei dai deagliado la fuzioalià dei sigoli blocchi e moivado le scele dimesioali effeuae; 4. raffiguri graficamee la rama realizzaa i base emporale. Iolre suppoedo di avere a disposizioe ua liea co velocià di cifra pari a 96 Kb/s: 5. deermii il umero di bi massimo coseio per la coversioe dei dai e ridefiisca la perceuale di errore oeua; 6. descriva le possibili ipologie di codifica dei dai digiali per rasmissioe umerica i bada base. Duraa massima della prova: 6 ore. È coseio l uso di mauali ecici e di calcolarici o programmabili. È coseio l uso del dizioario biligue (ialiao-ligua del paese di proveieza) per i cadidai di madreligua o ialiaa. No è coseio lasciare l Isiuo prima che siao rascorse 3 ore dalla deaura del ema.

2 . Numero di bi ecessari q L errore di coversioe coicide co l errore di quaizzazioe ed è pari a emax dove q è il quao di coversioe. Deo il umero di bi co cui si effeua la coversioe, il quao q è dao, el caso di coversioe V pp uiforme, da q dove V pp è il rage di variabilià del segale proveiee dai sesori. Dobbiamo garaire u errore iferiore allo 0.5% quidi: q Vpp 00 e max % ,5 V V pp 00 log (00) 6,64 Per garaire l errore desiderao basao 7 bi. pp Dao che viee richieso il campioameo del segale co 4 campioi per ciclo, ogi segale viee campioao co 4 f max Hz. Co quesa frequeza di campioameo, il periodo di ua f c rama complea è pari a T 0 50 s. I queso iervallo devoo essere rasmessi ui i campioi di ui i segali (e gli eveuali segali di sicroismo). Nell iervallo di 50 s dobbiamo rasmeere il segale di ui i ove sesori ed i bi relaivi al sicroismo di rama. Suppoedo che il sicroismo di rama occupi u caale (s = ), e segue che il empo T c a disposizioe di ogi caale è pari a T T0 c 5 s. 0 Dao che per ogi sesore rasmeiamo 7 bi, la duraa del sigolo bi vale T T c bi 8 7 7, s. La velocià di cifra vale quidi f 56, kb/s. 7.8 Commercialmee gli ADC soo a 8 bi. L uso del bi i più forio dall ADC riduce uleriormee l errore di coversioe. Usado 8 bi si oiee u empo di bi T T c bi , s ed ua velocià di cifra f 64 kb/s. 5,65. Amplificazioe ecessaria per l adaameo del segale Suppoedo che i sesori foriscao ua esioe compresa ra 0 e 90 mv, il faore di amplificazioe 5 ecessario per garaire il compleo adaameo vale A 55, Schema a blocchi Dao che vogliamo uilizzare u solo coveriore al quale iviamo i segale dei ove sesori i sequeza, faremo precedere l ADC da muliplexer aalogico. Sisema di acquisizioe MUX aalogico Filro aivo PB A = 55,5 Sample ad Hold ADC

3 Sisema di rasmissioe Nel sisema di rasmissioe è presee u MUX TDM/PCM che provvede a geerare ed iserire il sisema di sicroismo. Allieameo Sisema di acquisizioe Coveriore Parallelo/serie MUX TDM/PCM Codificaore di liea i bada base 4. Trama emporale La rama emporale è quella già mosraa al puo. I base ai dai del eso ed alle supposizioi fae, il umero di cifre s del sicroismo di rama è pari al umero di cifre del segale da rasmeere ed il umero di caali N è pari a Numero di bi a 96 kb/s Il empo T c a disposizioe di ogi caale è 5 s che corrispode ad ua frequeza di 8 khz. Alla velocià di kb/s possoo essere rasmessi m bi Uilizzado queso umero di bi la perceuale di errore del sisema di acquisizioe si riduce a: q Vpp m 00 e max % ,0% m V V pp pp 6. Tipologie di codifica Per quao riguarda la ipologia di codifica dei dai digiali per la rasmissioe i bada base, si hao diverse opzioi. Alcue di quese soo: il codice di liea NRZ (No Reur Zero) che associa u livello di esioe diverso a ciascuo dei valori logici che può assumere u bi elle due variai NRZ uipolare e NRZ bipolare il codice di liea RZ (Reur o Zero) che si oiee ormalmee dall NRZ riducedo a meà la duraa dell impulso che si emee i corrispodeza di u logico il codice AMI (Alerae Mark Iversio) che si oiee da u segale bipolare iveredo aleraivamee la polarià degli impulsi corrispodei agli. I paricolare, il codice AMI è caraerizzao da avere valore medio ullo e quidi è paricolarmee adao alla rasmissioe i bada base. Mario Mariai e Massimo Masroserio (docei di eleroica - ITIS Felrielli Milao)

4 Maeria: TELECOMUNICAZIONI A.S. 0 / 03 SECONDA PROVA SCRITTA SOLUZIONE DELLA PROVA Suppoiamo che i segali forii dai sesori siao uipolari e quidi variabili da 0 a 90 mv, ipoesi che semplificherà il progeo del circuio di codizioameo.. Assumiamo che l errore di coversioe mezioao el eso cosisa ell errore di quaizzazioe e che il valore pari allo 0.5% sia riferio alla esioe di fodo scala del coveriore A/D. Co quese ipoesi, il massimo valore dell errore di coversioe è q VFS Eq e poiché il passo di quaizzazioe q corrispode a V FS q essedo la risoluzioe del coveriore A/D (espressa i umero di bi), si rova V FS VFS e il miimo valore iero di che soddisfa la codizioe è = 7. Tuavia, è più coveiee scegliere = 8, i quao la coversioe a 8 bi corrispode a uo sadard più diffuso. Daa la bada del segale, compresa fra 00 e 00 Hz, il eorema di Shao - Nyquis suggerirebbe ua frequeza di campioameo o iferiore a 400 Hz, corrispodei a u periodo di campioameo di.5 ms ovvero due campioi per ogi periodo della compoee del segale a 00 Hz (T = 5 ms). Il eso propoe u campioameo a frequeza più ala; quaro campioi per ogi periodo corrispodoo a u periodo di campioameo effeivo T c =.5 ms e ad ua frequeza di campioameo f c = 800 Hz. Assumiamo che il segale di sicroismo sia composo da 8 bi per rama, da cui la velocià di cifra della liea, ovvero la velocià di rasmissioe richiesa risula kbi s vb Nc fc / essedo N c il umero dei segali da rasmeere (ove aalogici digializzai e u decimo di sicroismo).. Per adaare la diamica dei segali i uscia dai sesori alle esioi di fuzioameo del coveriore A/D è ecessaria u amplificazioe pari a VFS 5 A v Vsesore corrispodei a circa 35 db. 3.Il sisema di acquisizioe è del ipo a più caali. Soo possibili due archieure: a) co muliplexer aalogico e u sigolo coveriore A/D seguio da u muliplexer digiale per l iserimeo del segale di sicroismo; b) co u coveriore A/D per ogi sesore e u muliplexer digiale. La prima soluzioe compora u mior umero di blocchi e sarà perao qui sviluppaa. Ne deriva lo schema soo riporao.

5 SENSORE CONDIZIONAMENTO MUX ANA- LOGICO S&H ADC SENSORE 9 CONDIZIONAMENTO m PISO GENERAZIONE SEGNALI DI COMANDO SEGNALE DI SINCRONISMO MUX DIGITALE CANALE DI TRASMISSIONE CODIFICATORE I circuii di codizioameo, fra loro uguali, foriscoo la ecessaria amplificazioe di esioe calcolaa al puo precedee e porao coeere ache u filro passa basso uile a elimiare le compoei spurie dei segali acquisii. Per la muliplazioe dei segali codizioai, si propoe u muliplexer aalogico a 6 caali, idirizzao araverso 4 igressi di selezioe opporuamee piloai dal blocco idicao i figura come Geerazioe segali di comado. Il blocco S&H ( Sample ad hold ) agevola le operazioi di coversioe del successivo ADC (Aalog o Digial Coverer) che, i cosiderazioe delle frequeze dei segali da acquisire, può essere del ipo a gradiaa o ad approssimazioi successive. Il regisro PISO (Parallel Ipu Serial Oupu) serializza l uscia del coveriore A/D per alimeare il successivo muliplexer digiale; ques ulimo aggiuge u bye di sicroismo ogi 9 bye di iformazioe e crea la rama PCM. Il blocco codificaore effeua le codifiche di caale e di liea cui si acceerà più avai. 4. Sulla base delle ipoesi sopra avazae e dello schema proposo, si può prevedere u orgaizzazioe dei dai da rasmeere ella rama soo rappreseaa. IT0 IT IT IT3 IT4 IT5 IT6 IT7 IT8 IT9 Suppoiamo di riservare al segale di sicroismo lo slo emporale IT0 e di assegare i resai ove slo ai caali iformaivi. La rasmissioe è del ipo PCM TDM co la seguee emporizzazioe: T T, ms rama c 5

6 T T,5 0 3 c caale 5 NC 0 6 Tcaale 5 0 Tbi 5, 65µs 8 Si può verificare che il reciproco del empo di bi T bi coicide co la velocià di rasmissioe già calcolaa. 5. Se la velocià di cifra sale a 96 kbi/s, maeedo cosae la frequeza di campioameo è possibile quaizzare i segali di misura co ua risoluzioe superiore, che risula da v' b vb Nc f c ' bi Nc f c e deriva u errore di quaizzazioe iferiore che, i ermii perceuali, vale ora VFS E' q 00 % %. VFS VFS Rispeo al precedee errore perceuale di quaizzazioe (che, co ua risoluzioe a 8 bi risulava pari allo 0.%) si ha quidi ua riduzioe di u ordie di gradezza. 6. Le rasmissioi digiali i bada base avvegoo su fibra oica, ache per disaze chilomeriche, oppure su cavi i rame per disaze assai miori. Dal coeso proposo o è possibile ideificare uivocamee il supporo rasmissivo, idicao come liea dedicaa dalla raccia miiseriale. U eveuale codifica di caale può aggiugere bi di ridodaza per la rilevazioe e, se richiesa, la correzioe di errori di rasmissioe. La codifica di liea ha ivece lo scopo di adaare le caraerisiche eleriche dei segali al supporo fisico impiegao. Per le fibre oiche si adoao codici uipolari fializzai a faciliare l esrazioe del clock i ricezioe. Per le liee i rame si adoao preferibilmee codici bipolari, fra i quali è possibile rovare esempi ache ei mauali scolasici (fra i più semplici: NRZ bipolari, Macheser, HDB). L ierfaccia fra il supporo rasmissivo e i dai biari porà essere foria da u modem i bada base (o Termial Adaper). µs

7 M86- ESAME DI STATO DI ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE CORSO DI ORDINAMENTO Idirizzo: ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI Tema di: TELECOMUNICAZIONI PROGETTAZIONE E TELECOMUNICAZIONI Sessioe d esame: 03 Soluzioe della prova a cura di Pierpaolo Maii Puo Per calcolare la precisioe ella coversioe aalogica digiale occorre dimesioare il umero di bi del coveriore. V Sapedo che il quao Q della coversioe è dao da Q = FS, dove V FS è la massima variazioe della esioe i igresso al coveriore ed il umero dei bi del dao digiale, e che l errore di Q coversioe ε è dao da ε =, si può ricavare l errore relaivo i perceuale: ε % = 00 + Poiché la richiesa del ema è che ale errore sia iferiore allo 0.5%, si possoo oeere i bi ecessari alla codifica: 0.5 da cui ( log 00) + 00 risolvedo si oiee >6,64 e quidi = 7 bi I praica disposiivi commerciali di coversioe ed i disposiivi di rasmissioe e ricezioe lavorao almeo ad 8 bi, per cui si preferisce scegliere u umero di bi uguale ad 8. Così facedo la precisioe è decisamee superiore al requisio richieso e l errore relaivo perceuale è pari a: % = 00 = 0,95 8 ε + % Per quel che riguarda la velocià miima di cifra della liea, qui chiamaa ache frequeza di bi f bi, si applica la seguee formula valida per le rasmissioe muliple TDM-PCM f bi = f c bi N Caali f c è la frequeza di campioameo che per il eorema di Shao deve essere superiore al doppio della frequeza massima del segale aalogico (el caso i esame 00 Hz). Il eso afferma che ale Pierpaolo Maii 03 RCS RCS Libri S.p.A., Milao

8 frequeza deve prevedere quaro campioi per periodo, quidi u valore di 4 vole la frequeza massima del segale aalogico: f c = 4 fmax = 4 00 = 800 Hz Il umero dei caali N caali è dao dalla somma dei segali che si voglioo moiorare (9 sesori) e dei caali di servizio (uo solo, quello di sicroismo). Quidi N caali =0. Quidi si calcola il valore della frequeza di bi f bi fbi = fc bi NCaali = = 64 Kbi /sec Puo Per rispeare la precisioe richiesa occorre che il segale aalogico iviao al coveriore sfrui ua la diamica di igresso all ADC, che il eso idica di 0 5 V. Quidi avedo ua diamica foria dai sesori pari a 90 mv, il faore F di amplificazioe è dao da 5V F = 90mV = 55,55 Tale amplificazioe può essere facilmee realizzaa co u amplificaore operazioale i cofigurazioe o iveree. Nel ema o si accea ai valori miimo e massimo forii dai sesori. Se ali valori o coicidoo rispeivamee co 0 e 90 mv, è ecessario che l amplificaore sopraciao geeri ache u offse sul segale di uscia per far corrispodere, al valore miimo i uscia ai sesori, il valore di 0 V i igresso all ADC e al valore massimo i uscia ai sesori, il valore di 5 V i igresso all ADC. Puo 3 Si propoe il seguee schema: Regisro co parola di sicroismo Sesore s() Circuio di codizioameo Muliplexer aalogico PAM Bi di sicroismo PCM Sesore s() Circuio di codizioameo Coveriore A/D Swich a 8 liee PISO.. Sesore 9 s9() OUT 8 bi Circuio di codizioameo Circuio di corollo e sicroizzazioe dei disposiivi Pierpaolo Maii 03 RCS RCS Libri S.p.A., Milao

9 Il circuio di codizioameo comprede sia l amplificaore di guadago F=55,55 sia l eveuale sommaore per modificare l offse del segale i igresso all ADC, sia soprauo u filro aialiasig per eviare errori el campioameo per disurbi spuri a frequeze elevae. Tale filro sarà di ipo passa-basso di u ordie almeo pari a, di ipo Buerworh, realizzabile i modo aivo co amplificaori operazioali. Lo swich a 8 liee serve per commuare le liee i igresso dal coveriore (ogi 9 segali) co quelle del regisro che coiee la parola digiale di sicroismo della rama. Il regisro PISO serve per acquisire gli 8 bi di ogi campioe ed iviarli i seriale sulla liea di uscia. Il sicroismo ra le uscie dei vari blocchi sarà comadao da circuii di emporizzazioe che emeerao segali di comado ai vari circuii i modo corollao. Puo 4 Si rappresea il grafico emporale della rama composa dai 9 caali coei i segali proveiei dai sesori ed il caale di sicroismo, poso all iizio della rama. Trama (,5 msec) Syc Ch Ch Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 Ch3 Ch9 Sicroismo di rama s o s s s 3 s 4 s 5 s 6 s 7 5 sec Bi segali b o b b 6 b 7 5 sec Bi 5,65 sec Puo 5 Suppoedo che la liea cosea ua rasmissioe alla frequeza di 96 Kbi/sec, è possibile migliorare la risoluzioe della coversioe aalogica/digiale. Applicado la formula precedee del calcolo della frequeza di bi, si ricava f f N 3 bi 96 0 bi = = = c Caali bi I ale caso la precisioe è sicuramee miglioraa, porado l errore di coversioe relaivo perceuale al valore di % = 00 = ε + 0,0 % Pierpaolo Maii 03 RCS RCS Libri S.p.A., Milao 3

10 Puo 6 Per la rasmissioe umerica soo possibili diverse ipologie di codifiche di liea, ogua delle quali presea vaaggi e svaaggi legai soprauo alla bada occupaa, alla ricezioe del segale di clock, all immuià all errore i rasmissioe, alla semplicià dei circuii di rasmissioe e ricezioe. Per u approfodimeo sui pricipali codici di liea si rimada all uià di appredimeo 4 (sezioe 4 B il caale digiale) del eso TELECOMUNICAZIONI (aricolazioe iformaica) di Erico Ambrosii, Ippolio Perlasca, Pierpaolo Maii 0 Tramoaa ediore. Si riporao qui alcui esrai dal eso ciao Codice NRZ (No Reur o Zero) È il codice più uilizzao ei circuii digiali. A P Clock Ampiezza a) b) T ck f clock f clock 3f clock Codice NRZ: segale el empo (a) e spero medio (b). freq I vaaggi di queso codice risiedoo ella sua semplicià e compaibilià co ui i disposiivi iegrai digiali. U limie è dao dalla preseza della compoee coiua e dalle ampiezze maggiori elle armoiche a bassa frequeza che porebbero essere elimiae dai circuii di disaccoppiameo della compoee coiua. Il limie maggiore è dao dalla macaza della riga di clock, i quao per ale frequeza lo spero assume u valore ullo: ciò impedisce l esrazioe del segale di emporizzazioe e quidi blocca il processo di ricezioe. Codice NRZI (No reur o Zero Ivered) U leggero migliorameo delle presazioi si ha co il codice NRZI dove i corrispodeze dei bi il segale cambia il livello di ampiezza (da A P a 0 o viceversa) mere per il bi 0 il segale rimae al livello precedee. I al modo si riescoo ad avere rasizioi ache per lughe sequeze di ma o per sequeze di 0 cosecuivi. Codice RZ (Reur o Zero) Queso codice ha u adameo simile all NRZ ma l impulso del bi ha ua duraa pari a meà del empo di clock T ck. Come mosrao i figura gli adamei el empo e i frequeza soo simili, ma per la duraa ridoa el empo del livello alo, ello spero si ha u raddoppio della bada e compare la riga alla frequeza di clock, permeedo così l esrazioe della emporizzazioe. Clock Ampiezza a) b) A P T ck f clock f clock 3f clock Codice RZ: segale el empo (a) e spero medio (b). 4f clock freq Codice AMI (Alerae Mark Iversio) Pierpaolo Maii 03 RCS RCS Libri S.p.A., Milao 4

11 Il bi assume la forma reagolare del codice RZ (duraa pari a T ck /) ma alera la polarià ra il valore posiivo +A P ed il valore egaivo A P. I queso modo si aulla la compoee coiua e dimiuiscoo i valori delle armoiche a bassa frequeza. Clock Ampiezza a) b) f clock f clock 3f clock Figura 4 Codice AMI: a) segale el empo; b) spero medio 4f clock freq Codice HDB3 (High Desiy Bipolar 3-zeroes). Per ovviare al problema dell esrazioe del clock per lughe sequeza di bi 0, si può uilizzare il codice HDB3. Il codice presea le sesse caraerisiche del codice AMI, per cui ha le sesse caraerisiche emporali e sperali, ma prevede che, el caso si debbao iviare più di 3 bi 0 cosecuivi, al quaro bi 0 si rasmea u impulso reagolare, chiamao bi di violazioe, co polarià ideica all ulimo impulso iviao. La violazioe dell aleraza di polarià permee al circuio di ricezioe di o cofoderlo co u bi e decodificarlo come bi 0. Nel caso ra due sequeze di almeo quaro bi 0 (cioè ra due bi di violazioe) vi siao u umero pari di bi, i due bi di violazioe avrebbero la sessa polarià e geererebbero u compoee coiua; per elimiare queso limie, i queso (e solo i queso) caso il primo bi 0, chiamao bi aggiuivo o di bipolarià, assume la sessa forma di u bi (co l aleraza di polarià). Per la decodifica correa il riceviore avrà u regisro di memoria ed i seguio alla ricezioe di u bi di violazioe, a riroso ricooscerà che il quaro bi precedee corrispode ad u bi 0. U esempio di ua codifica HDB3 co l idicazioe dei bi di violazioe ed aggiuivo è mosraa i figura. Clock Ampiezza a) Bi aggiuivo f clock f clock 3f clock Bi di violazioe Codice HDB3: segale el empo (a) e spero medio (b). b) 4f clock freq Codice CMI (Coded Mark Iversio) Il codice CMI è u codice bipolare uilizzao elle liee elefoiche a 40 Mbi/sec. Il bi ha ua forma reagolare di duraa pari a T ck, co polarià aleraa dal valore posiivo +A P al valore egaivo A P. Il bi 0 ivece assume la forma di oda reagolare di periodo T ck co la prima meà di ampiezza A P e la secoda di ampiezza +A P idipedeemee dai bi precedei. L adameo emporale e lo spero soo illusrai i figura. L uico limie di queso codice è l occupazioe di bada superiore ai codice precedei. Clock Ampiezza a) b) f clock f clock 3f clock 4f clock freq Codice CMI: segale el empo (a) e spero medio (b). Codice Macheser (o bifase) È uilizzao elle rei locali Ehere 0BASE-T. Pierpaolo Maii 03 RCS RCS Libri S.p.A., Milao 5

12 Come si vede i figura, per ogi bi si rasmee u periodo di oda quadra simile al segale di clock, i fase per il bi 0 e sfasaa di 80 per il bi. I al modo il codice o ha compoee coiua, presea la riga di clock ache per lughe sequeze sia di bi 0 che di bi. Clock Ampiezza a) b) f clock f clock 3f clock 4f clock freq Codice Macheser: segale el empo (a) e spero medio (b). Pierpaolo Maii 03 RCS RCS Libri S.p.A., Milao 6