Sistemi radiocomunicazione e radar

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1 Università degli Studi di Cassino - ISMEF Master in Tecnologie e Sistemi Avanzati per la Nautica Sistemi radiocomunicazione e radar Emanuele Grossi, e.grossi@unicas.it Luca Venturino, l.venturino@unicas.it

2 ORGANIZZAZIONE DEL CORSO Sistemi radiocomunicazione e radar 2

3 Informazioni generali 16 ore di lezione Slide disponibili in formato pdf (sito del master) Testo per consultazione Maritime Communications: il sistema GMDSS e le comunicazioni di bordo, Formisano & Romano, Duemme Esame finale 7 quesiti (tempo 1 ora) Sistemi radiocomunicazione e radar 3

4 Cosa studieremo? Radiocomunicazione: comunicare a distanza per mezzo di onde radio (elettromagnetiche) Radar (Radio Detection And Ranging): rilevare e localizzare oggetti distanti per mezzo delle onde radio (elettromagnetiche) Sistemi radiocomunicazione e radar 4

5 INTRODUZIONE Sistemi radiocomunicazione e radar 5

6 Cos è un onda? Un onda è una perturbazione che si propaga nello spazio trasportando energia da un punto all'altro Tale perturbazione è costituita dalla variazione di qualunque grandezza fisica (es. pressione, temperatura, intensità del campo elettrico, posizione,...) Sistemi radiocomunicazione e radar 6

7 Esempio: corda vibrante Sistemi radiocomunicazione e radar 7

8 Esempio: corda vibrante Si definisce frequenza dell onda il numero di oscillazioni compiute dal pallino blu in un secondo Si defisce periodo il tempo necessario al pallino blu a compiere un oscillazione completa PERIODO = 1 FREQUENZA Sistemi radiocomunicazione e radar 8

9 Esempio: corda vibrante AMPIEZZA MASSIMA (DI PICCO) CRESTA (DORSO O SOMMITA ) LUNGHEZZA D ONDA LUNGHEZZA D ONDA GOLA (CAVO O VALLE) Sistemi radiocomunicazione e radar 9

10 Velocità di un onda LUNGHEZZA D'ONDA [metri] VELOCITA' = [metri al secondo] PERIODO [secondi] oppure VELOCITA' = LUNGHEZZA D'ONDA FREQUENZA Sistemi radiocomunicazione e radar 10

11 Cos è un onda elettromagnetica? E una perturbazione di natura elettrica e magnetica che si propaga nello spazio Tale perturbazione è costituita dalla vibrazione simultanea di due enti immateriali detti campo elettrico e magnetico attorno alla loro posizione di equilibrio Sistemi radiocomunicazione e radar 12

12 Esempi di onde elettromagnetiche La luce emessa dal sole o da qualunque sorgente in grado di illuminare gli oggetti (è ciò che chiamiamo luce visibile) Le radiazioni infrarosse emesse dal termosifone o dai nostri corpi per il solo fatto di essere ad una certa temperatura Le microonde usate per scaldare rapidamente le vivande Le onde radio per mezzo delle quali sono possibili tutte le moderne telecomunicazioni (radio, televisione, cellulari...) I raggi ultravioletti responsabili della "tintarella" estiva I raggi X utilizzati in medicina per la radiografia delle ossa Sistemi radiocomunicazione e radar 13

13 Esempi di sorgenti elettromagnetiche Sistemi radiocomunicazione e radar 14

14 Campo elettrico Cariche dello stesso segno si respingono Cariche di segno opposto si attraggono Sistemi radiocomunicazione e radar 15

15 Campo elettrico Il panno perde elettroni e si carica positivamente, mentre la penna ne acquista e si carica negativamente. La penna carica negativamente induce una carica positiva sul foglio di carta. Poiché cariche opposte si attraggono, la carta viene attratta dalla penna. L azione di attrazione esercitata dal campo elettrico sul pezzo di carta diminuisce al crescere della distanza con legge quadratica (legge di Coulomb) Il campo elettrico si misura in volt/metro Sistemi radiocomunicazione e radar 16

16 Campo magnetico Sistemi radiocomunicazione e radar 17

17 Campo magnetico Si prenda una calamita e si disponga della limatura di ferro intorno la calamita. Si osserva che la limatura di ferro è attratta dalla calamita posta al centro Attorno alla calamita è presente un Campo Magnetico il cui effetto è attrarre pezzi di metallo posti nelle vicinanze L azione di attrazione esercitata dal campo magnetico sui pezzi di metallo diminuisce al crescere della distanza con legge quadratica (legge di Coulomb). Il campo magnetico si misura in Tesla Sistemi radiocomunicazione e radar 18

18 Esempio: la bussola magnetica La bussola è uno strumento per l'individuazione dei punti cardinali È provvista di un ago calamitato che, libero di girare su di un perno, si allinea lungo le linee magnetiche del campo terrestre indicando così la direzione nord-sud Sistemi radiocomunicazione e radar 19

19 Come si genera un onda elettromagnetica? Una carica elettrica in movimento produce sia un campo elettrico (blu) che un campo magnetico (rosso) perpendicolari tra loro Il campo elettromagnetico oscilla alla stessa frequenza della carica elettrica, e si propaga nello spazio circostante. Carica elettrica che oscilla a frequenza f su un antenna filiforme Onda elettromagnetica che si propaga nello spazio Sistemi radiocomunicazione e radar 20

20 Caratteristiche di un onda EM 1 periodo= frequenza velocità = lunghezza d'onda periodo =lunghezza d'onda x frequenza Sistemi radiocomunicazione e radar 21

21 Lo spettro elettromagnetico Sistemi radiocomunicazione e radar 22

22 Lo spettro elettromagnetico Sistemi radiocomunicazione e radar 23

23 Lo spettro elettromagnetico Sistemi radiocomunicazione e radar 24

24 Caratteristiche di un onda EM Si può pensare l'onda elettromagnetica come un flusso di energia che si propaga sotto forma di campi elettrici e magnetici L'intensità di un'onda elettromagnetica è l'energia che attraversa in ogni secondo una superficie di un metro quadrato L'intensità è proporzionale al prodotto delle ampiezze del campo elettrico e del campo magnetico Sistemi radiocomunicazione e radar 25

25 Propagazione del campo EM Il campo elettromagnetico si propaga nel vuoto con la velocità di circa Km/s Tragitto Distanza Tempo di percorrenza Roma Napoli 220 Km secondi Roma New York 6640 Km secondi Terra Luna Km 1.28 secondi Terra Marte Km 3.11 minuti Terra Sole km 8.13 minuti Sistemi radiocomunicazione e radar 26

26 Ricezione del campo EM L intensità del campo elettromagnetico si attenua con legge quadratica al crescere della distanza Se un campo elettromagnetico colpisce un antenna ricevente (un pezzo di ferro), è in grado di far oscillare gli elettroni presenti Sull antenna ricevente si osserva una corrente, la cui intensità è proporzionale all intensità del campo elettro-magnetico incidente Sistemi radiocomunicazione e radar 28

27 La scoperta del campo elettromagnetico (1846) James Clerk Maxwell (fisico e matematico scozzese) scopre che l'elettricità, il magnetismo e la luce sono tutte manifestazioni del medesimo fenomeno: il campo elettromagnetico Maxwell dimostra che il campo elettromagnetico si propaga attraverso l etere sotto forma di onde alla velocità di circa Km/s James Clerk Maxwell 13 giugno novembre 1879 Sistemi radiocomunicazione e radar 29

28 Il telegrafo senza fili di Marconi (1897) Guglielmo Marconi 25 aprile luglio 1937 La prima trasmissione di un segnale Morse su onde radio è realizzata a Pontecchio (Bologna). Nell esperimento è telegrafata una s (... secondo il codice Morse) dalla stazione trasmittente in figura ad una stazione ricevente posta dietro una collina. Sistemi radiocomunicazione e radar 30

29 Il codice Morse Sono usati 5 possibili stati: 1) punto ( ) impulso elettrico breve 2) linea ( ) impulso elettrico lungo 3) intervallo breve (tra lettere) 4) intervallo medio (tra parole) 5) intervallo lungo (tra frasi) Sistemi radiocomunicazione e radar 31

30 Il codice Morse Frequenze relative delle lettere nella lingua inglese Il codice Morse associa a lettere più usate una stringa più corta Sistemi radiocomunicazione e radar 32

31 Vantaggi del radiotelegrafo Possibilità di installare una stazione telegrafica in luoghi isolati o sulle navi L uso del radiotelegrafo ha permesso la trasmissione della richiesta di soccorso da parte del Titanic, consentendo ad altre navi di venire in soccorso dei naufraghi Il disastro del Titanic (Aprile 1912) ha reso evidente l'utilità del mezzo radiotelegrafico in mare, il cui uso è stato disciplinato per la prima volta dalla conferenza internazionale di Londra del 1914 sulla sicurezza marittima Sistemi radiocomunicazione e radar 33

32 La radio Il principio alla base del radiotelegrafo èesteso ed adattato alla trasmissione della voce Il 23 Dicembre 1900, l inventore canadese Reginald Fessenden riesce a trasmettere a circa un chilometro e mezzo di distanza, un breve messaggio vocale: "Uno, due, tre, quattro, nevica lì dove siete voi signor Thiesen? Se sì, volete telegrafarmi?" Il 24 dicembre 1906 Fessenden trasmette il primo programma radiofonico della storia: parole e musica vennero udite nel raggio di 25 km dalla stazione trasmittente situata a Brant Rock sulla costa del Massachusetts Sistemi radiocomunicazione e radar 34

33 Le comunicazioni satellitari Nel 1960, gli USA lanciano il primo satellite per telecomunicazioni, Echo 1A, con il quale i ricercatori dei Bell Lab sperimentano la trasmissione intercontinentale di segnali radio con riflessione satellitare Due anni dopo viene messo in orbita Telstar 1, il primo satellite per telecomunicazioni commerciali, in grado di trasmettere 600 conversazioni telefoniche TELSTAR 1 Sistemi radiocomunicazione e radar 35

34 Il radar Il radar non può risolvere i dettagli della forma di un oggetto con il grado di definizione di cui l occhio è capace, né esso è in grado di riconoscerne il colore Tuttavia il radar ha una portata estremamente maggiore dell occhio umano e può vedere in condizioni per noi impossibili, come l oscurità, la nebbia, la foschia, la pioggia e la neve Ha poi il vantaggio di poter misurare la distanza, la direzione di arrivo e la velocità dell oggetto Esso opera trasmettendo un particolare tipo di forma d onda, tipicamente un onda sinusoidale, e rivela ed elabora il segnale d eco ricevuto Sistemi radiocomunicazione e radar 36

35 Schema di principio del RADAR (mono-statico) Sistemi radiocomunicazione e radar 37

36 Schema di principio del RADAR (bi-statico) bersaglio trasmettitore ricevitore Sistemi radiocomunicazione e radar 38

37 Funzionamento del RADAR Il trasmettitore irradia periodicamente energia sotto forma di impulsi di microonde di grande potenza, ma di durata molto breve Le frequenze utilizzate sono generalmente comprese fra 1 e 40 GHz. Gli impulsi radar vengono irradiati da un'antenna parabolica fortemente direttiva che li trasmette alla velocità della luce verso il bersaglio Se gli impulsi trasmessi non incontrano alcun ostacolo non tornano più indietro; se invece incontrano un bersaglio, una parte dell'energia irradiata ritorna all'antenna ricevente Sistemi radiocomunicazione e radar 39

38 ELEMENTI BASE DI UN SISTEMA DI TELECOMUNICAZIONE Sistemi radiocomunicazione e radar 40

39 Schema di principio di un sistema di telecomunicazioni sorgente canale destinatario Sistemi radiocomunicazione e radar 41

40 Connessione punto-punto Segnali: fonia Canale: linea telefonica, fibra ottica, satellite, ecc. Segnali: dati, video, audio, ecc. Canale: linea telefonica, fibra ottica, satellite, ecc. Sistemi radiocomunicazione e radar 42

41 Connessione punto-multipunto Segnali: video & audio Canale: Spazio libero in bande VHF/UHF, canale satellitare, cavo, fibra ottica. Sistemi radiocomunicazione e radar 43

42 Connessione multipunto-punto Segnale: fonia, dati, SMS, ecc. Canale: spazio libero in banda UHF. Sistemi radiocomunicazione e radar 44

43 Domande sorgente canale destinatario Come descrivere e caratterizzare il messaggio emesso dalla sorgente? Quali sono i canali di comunicazione che possiamo usare? Come trasmettere il messaggio sul canale? Come descrivere gli effetti del canale? Come interpretare l uscita del canale? Sistemi radiocomunicazione e radar 45

44 Messaggio sorgente Il messaggio emesso dalla sorgente descrive un fenomeno fisico che evolve nel tempo e/o nello spazio Il messaggio è un segnale che varia nel tempo (voce, suoni, dati immessi con la tastiera di un elaboratore) o nello spazio (immagini, testi scritti) o simultaneamente nel tempo e nello spazio (video) Sistemi radiocomunicazione e radar 46

45 Classificazione delle sorgenti Le sorgenti posso essere classificate in base al tipo di segnale che esse producono: sorgenti analogiche emettono un segnale continuo che può assumere un numero infinito di valori (segnale analogico) sorgenti digitali emettono una sequenza di simboli ed ogni simbolo può assumere un numero finito di valori (segnale digitale) Sistemi radiocomunicazione e radar 47

46 Esempio sorgente: termometro Analogico Digitale Sistemi radiocomunicazione e radar 48

47 Classificazione dei mezzi trasmissivi Tipologia Mezzo fisico Segnale trasmesso Guidati Non guidati Doppino intrecciato Cavo coassiale Fibra ottica Etere (wireless) Corrente elettrica Corrente elettrica Onde luminose onde radio, microonde, raggi infrarossi Sistemi radiocomunicazione e radar 49

48 Trasmettitore/Ricevitore Il messaggio emesso dalla sorgente in genere non può essere inviato direttamente al canale di comunicazione è necessario adattare il messaggio da trasmettere alle caratteristiche fisiche del canale (cf. blocco trasmettitore) Il segnale in uscita dal canale può non essere intellegibile all utente finale è necessario convertire l uscita del canale fisico in una forma che sia facilmente comprensibile dall utente finale (cf. blocco ricevitore) sorgente trasmettitore canale fisico destinatario ricevitore CANALE LOGICO Sistemi radiocomunicazione e radar 50

49 Esempio: comunicazione telefonica Il canale logico che collega due utenti terminali può essere costituito dalla cascata di più canali fisici disomogenei. Su ogni tratta sono trasmessi segnali di natura diversa: acustico, elettrico, luminoso, elettromagnetico. I segnali sono variazioni di grandezze fisiche che trasportano informazioni. Sistemi radiocomunicazione e radar 51

50 SEGNALI ANALOGICI Sistemi radiocomunicazione e radar 52

51 Come riconoscere un segnale analogico? Varia in maniera continua nel tempo descrivendo istante per istante l evoluzione di un fenomeno fisico. In ogni istante può assumere infiniti possibili valori. Sistemi radiocomunicazione e radar 53

52 Esempio: il segnale vocale Le corde vocali producono delle onde sonore che si propagano nell aria. Sistemi radiocomunicazione e radar 54

53 Esempio: il segnale vocale Il suono si propaga sotto forma di onde longitudinali: le particelle del mezzo materiale oscillano attorno alla loro posizione di equilibrio. Sistemi radiocomunicazione e radar 55

54 Esempio: il segnale vocale Le onde sonore sono convertite in impulsi elettrici dal nostro apparato uditivo e inviate al cervello. Sistemi radiocomunicazione e radar 56

55 Esempio: il segnale vocale L orecchio esterno comprende il padiglione auricolare, la cui forma permette di concentrare l energia del segnale acustico nel condotto uditivo esterno, e il condotto uditivo esterno della lunghezza di circa 25 mm e del diametro di 8 mm che trasmette le onde acustiche al timpano. L orecchio medio contiene il timpano e tre ossicini (martello, incudine e staffa) che trasmettono le vibrazioni dall ambiente (aria) all orecchio interno (liquido), e la tromba di Eustachio che realizza la comunicazione con il cavo rino-faringeo e permette di eguagliare le pressioni dalle due parti della membrana timpanica. Sistemi radiocomunicazione e radar 57

56 Esempio: il segnale vocale L orecchio interno contiene la coclea che è rivestita di cellule sensoriali cigliate in grado di trasformare le vibrazioni acustiche in segnali elettrici codificati. Tali segnali sono poi trasmessi alla corteccia celebrale dalle fibre del nervo cocleare e successivamente dal nervo acustico. In corrispondenza della coclea avviene l analisi spettrale del suono: ciascuna delle fibre del nervo cocleare è specializzata nella ricezione e trasmissione di una determinata frequenza acustica. Sistemi radiocomunicazione e radar 58

57 Esempio: il segnale vocale Possiamo utilizzare dei trasduttori (che emulano l orecchio umano) per convertire le onde sonore in una corrente elettrica da trasmettere ad esempio lungo il canale telefonico. Esempio: segnale relativo alla vocale a uomo donna Sistemi radiocomunicazione e radar 59

58 Esempio: il battito cardiaco Il battito cardiaco può essere ascoltato mediante uno stetoscopio oppure convertito in impulsi elettrici e registrato mediante un elettrocardiografo. Sistemi radiocomunicazione e radar 60

59 Caratteristiche delle sorgenti analogiche Il messaggio può essere convertito in segnali elettrici mediante opportuni trasduttori. Il segnale elettrico può essere facilmente manipolato ed adattato per essere trasmesso su un canale di comunicazione. Il segnale elettrico ha ampiezze proporzionali alla grandezza fisica che rappresenta. ESEMPIO: la corrente elettrica che fluisce nel doppino telefonico è, in ogni istante, proporzionale alla pressione sonora dell'onda che l'ha prodotta. Il segnale elettrico può assumere infiniti valori. Sistemi radiocomunicazione e radar 61

60 ANALISI DEI SEGNALI ANALOGICI Sistemi radiocomunicazione e radar 62

61 Segnale (o onda) sinusoidale Sistemi radiocomunicazione e radar 63

62 Caratteristica di un onda sinusoidale periodo ritardo iniziale periodo FREQUENZA = 1 PERIODO [Hertz] Sistemi radiocomunicazione e radar 64

63 Combinazione di segnali sinusoidali Jean Baptiste Joseph Fourier (21 marzo maggio 1830) Esiste una teoria matematica, elaborata da Fourier, che ci permette di considerare ogni segnale analogico di interesse nelle telecomunicazioni come somma di segnali sinusoidali elementari. Sistemi radiocomunicazione e radar 65

64 Combinazione di segnali sinusoidali Combinando fra loro sinusoidi con differente frequenza (f), ritardo iniziale (D) ed ampiezza (A) possiamo ottenere segnali analogici più complessi. Sistemi radiocomunicazione e radar 66

65 Combinazione di segnali sinusoidali Frequenza Ampiezza Ritardo Componente 1 f 1 =1 A 1 =4 D 1 =0.3 Componente 2 f 2 =2 A 2 =3 D 2 =0.2 Componente 3 f 3 =3 A 3 =2 D 3 =0.1 Componente 4 f 4 =4 A 4 =2 D 4 =0.1 Sistemi radiocomunicazione e radar 67

66 Spettro del segnale analogico Spettro di ampiezza del segnale Spettro di ritardo del segnale ampiezza A 1 A 2 A 3 A 4 ritardo D 1 D 2 D 3 D 4 f 1 f 2 f 3 f 4 frequenza f 1 f 2 f 3 f 4 frequenza BANDA DEL SEGNALE Frequenza Ampiezza Ritardo Componente 1 f 1 =1 A 1 =4 D 1 =0.3 Componente 2 f 2 =2 A 2 =3 D 2 =0.2 Componente 3 f 3 =3 A 3 =2 D 3 =0.1 Componente 4 f 4 =4 A 4 =2 D 4 =0.1 Sistemi radiocomunicazione e radar 68

67 Banda del segnale analogico Si definisce banda di un segnale analogico la più alta frequenza dello spettro di ampiezza. La banda dà informazioni sulla rapidità di variazione del segnale. Più è elevata la banda, maggiore è la rapidità di variazione del segnale. Sistemi radiocomunicazione e radar 69

68 ELABORAZIONE DEI SEGNALI ANALOGICI Sistemi radiocomunicazione e radar 70

69 Elaborazione dei segnali analogici I segnali analogici possono essere elaborati mediante opportuni dispositivi elettronici detti sistemi o filtri. Un sistema è un dispositivo che produce un segnale di uscita in risposta ad una sollecitazione in ingresso. segnale di ingresso sistema segnale di uscita Sistemi radiocomunicazione e radar 71

70 Proprietà dei sistemi Un sistema si dice stabile se ad un ingresso limitato corrisponde un uscita limitata. Un sistema si dice tempo-invariante se il legame ingresso-uscita non varia nel tempo. Un sistema si dice causale se l uscita è funzione solamente dei valori precedenti o correnti dell ingresso (principio di causaeffetto). Un sistema si dice lineare se verifica il principio di sovrapposizione degli effetti. Sistemi radiocomunicazione e radar 72

71 Sovrapposizione degli effetti INGRESSO 1 USCITA 1 SISTEMA INGRESSO 2 USCITA 2 SISTEMA INGRESSO 1 + INGRESSO 2 SISTEMA USCITA 1 + USCITA 2 Sistemi radiocomunicazione e radar 73

72 Sistemi lineari tempo-invarianti (LTI) La maggior parte dei sistemi di interesse nelle telecomunicazioni possono essere modellati come sistemi LTI stabili e causali. I sistemi LTI sono in grado di variare l ampiezza di ciascuna componente sinusoidale in ingresso, e variare il ritardo di ciascuna componente sinusoidale in ingresso. L attenuazione e/o il ritardo introdotto sono funzione della frequenza della componente sinusoidale. Sistemi radiocomunicazione e radar 74

73 Segnale test Consideriamo un segnale ottenuto come somma di tre componenti sinusoidali: Sistemi radiocomunicazione e radar 75

74 Spettro del segnale test Spettro di ampiezza del segnale Spettro di ritardo del segnale ampiezza f 1 f 2 f 3 frequenza ritardo f 1 f 2 f 3 frequenza BANDA DEL SEGNALE Frequenza Ampiezza Ritardo Componente 1 f 1 =1 A 1 =4 D 1 =0.1 Componente 2 f 2 =2 A 2 =3 D 2 =0.1 Componente 3 f 3 =3 A 3 =2 D 3 =0.1 Sistemi radiocomunicazione e radar 76

75 Filtro passa basso GUADAGNO DEL FILTRO G ampiezza RISPOSTA IN AMPIEZZA DEL FILTRO f 1 f 2 f T f 3 frequenza BANDA PASSANTE BANDA OSCURA FREQUENZA DI TAGLIO Sistemi radiocomunicazione e radar 77

76 Filtro passa basso moltiplicazione per 1 moltiplicazione per 1 moltiplicazione per 0 Filtro passa basso ideale Sistemi radiocomunicazione e radar 78

77 Filtro passa alto G GUADAGNO DEL FILTRO ampiezza RISPOSTA IN AMPIEZZA DEL FILTRO f T f 1 f 2 f 3 frequenza BANDA OSCURA BANDA PASSANTE FREQUENZA DI TAGLIO Sistemi radiocomunicazione e radar 79

78 Filtro passa alto moltiplicazione per 0 moltiplicazione per 1 moltiplicazione per 1 Filtro passa alto ideale Sistemi radiocomunicazione e radar 80

79 Filtro passa banda GUADAGNO DEL FILTRO G ampiezza RISPOSTA IN AMPIEZZA DEL FILTRO BANDA OSCURA f 1 f 2 f 3 f L BANDA PASSANTE f H BANDA OSCURA frequenza FREQUENZA DI TAGLIO INFERIORE FREQUENZA DI TAGLIO SUPERIORE Sistemi radiocomunicazione e radar 81

80 Filtro passa banda moltiplicazione per 0 moltiplicazione per 1 moltiplicazione per 0 Filtro passa banda ideale Sistemi radiocomunicazione e radar 82

81 Filtro elimina banda G GUADAGNO DEL FILTRO ampiezza RISPOSTA IN AMPIEZZA DEL FILTRO BANDA PASSANTE f 1 f 2 f 3 f L BANDA OSCURA f H BANDA PASSANTE frequenza FREQUENZA DI TAGLIO INFERIORE FREQUENZA DI TAGLIO SUPERIORE Sistemi radiocomunicazione e radar 83

82 Filtro elimina banda moltiplicazione per 1 moltiplicazione per 0 moltiplicazione per 1 Filtro elimina banda ideale Sistemi radiocomunicazione e radar 84

83 Attenuatore / Amplificatore G GUADAGNO DEL FILTRO ampiezza RISPOSTA IN AMPIEZZA DEL FILTRO f 1 f 2 f 3 frequenza G > 1 amplificatore BANDA PASSANTE G < 1 attenuatore Sistemi radiocomunicazione e radar 85

84 Attenuatore moltiplicazione per 0.5 moltiplicazione per 0.5 moltiplicazione per 0.5 moltiplicazione per 0.5 Sistemi radiocomunicazione e radar 86

85 Linea di ritardo RITARDO DEL FILTRO R ritardo RISPOSTA IN RITARDO DEL FILTRO f 1 f 2 f 3 frequenza Sistemi radiocomunicazione e radar 87

86 Linea di ritardo Ritardo di 0.3 sec Ritardo di 0.3 sec Ritardo di 0.3 sec Ritardo di 0.3 sec Sistemi radiocomunicazione e radar 88

87 Sistema non-selettivo in frequenza Un sistema si dice non-selettivo in frequenza se tutte le frequenze vengono amplificate e ritardate allo stesso modo. Un sistema non-selettivo in frequenza può essere visto come la cascata di un amplificatore e di una linea di ritardo. Un sistema non-selettivo in frequenza ha banda passante infinita. Un sistema non selettivo in frequenza non distorce il segnale in ingresso, ovvero lascia inalterato il suo andamento temporale. Sistemi radiocomunicazione e radar 89

88 Sistema non-selettivo in frequenza ritardo 0.3 & moltiplicazione per 0.5 ritardo 0.3 & moltiplicazione per 0.5 ritardo 0.3 & moltiplicazione per 0.5 Sistema non selettivo in frequenza Sistemi radiocomunicazione e radar 90

89 Sistema selettivo in frequenza Un sistema si dice selettivo in frequenza se frequenze diverse vengono ritardate in maniera differente frequenze diverse subisco un attenuazione differente ESEMPI: filtro passa basso, passa alto, passa banda, elimina banda. Un sistema selettivo in frequenza può distorcere il segnale in ingresso, ovvero può alterare il suo andamento temporale. Sistemi radiocomunicazione e radar 91

90 Sistema selettivo in frequenza ritardo 0.2 & moltiplicazione per 0.3 ritardo 0.3 & moltiplicazione per 0.6 ritardo 0.4 & moltiplicazione per 0.2 Sistema selettivo in frequenza Sistemi radiocomunicazione e radar 92

91 Filtro equalizzatore INGRESSO SISTEMA DISTORCENTE FILTRO EQUALIZZATORE USCITA SISTEMA NON DISTORCENTE In alcuni casi, le distorsioni introdotte da un sistema LTI possono essere compensate mediante un filtro equalizzatore. Un filtro equalizzatore deve amplificare le componenti di segnale che sono state maggiormente attenuate (ma non eliminate), e ritardare le componenti di segnale che si sono propagate più rapidamente. Sistemi radiocomunicazione e radar 93

92 Sistema distorcente + equalizzatore ritardo 0.2 & moltiplicazione 0.3 ritardo 0.3 & moltiplicazione 0.6 ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.2 sistema distorcente Sistemi radiocomunicazione e radar 94

93 Sistema distorcente + equalizzatore ritardo 0.2 & moltiplicazione 0.3 ritardo 0.2 & moltiplicazione 2 ritardo 0.3 & moltiplicazione 0.6 ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.2 ritardo 0.1 & moltiplicazione 1 ritardo 0 & moltiplicazione 3 sistema distorcente equalizzatore ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.6 ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.6 ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.6 sistema equivalente non distorcente Sistemi radiocomunicazione e radar 95

94 Sistema distorcente + equalizzatore ritardo 0.2 & moltiplicazione 0.3 ritardo 0.3 & moltiplicazione 0.6 moltiplicazione 0 sistema distorcente Sistemi radiocomunicazione e radar 96

95 Sistema distorcente + equalizzatore ritardo 0.2 & moltiplicazione 0.3 ritardo 0.2 & moltiplicazione 2 ritardo 0.3 & moltiplicazione 0.6 ritardo 0.1 & moltiplicazione 1 moltiplicazione 0 sistema distorcente equalizzatore ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.6 ritardo 0.4 & moltiplicazione 0.6 moltiplicazione 0 sistema equivalente Un equalizzatore non può rigenerare componenti frequenziali che sono state precedentemente eliminate!!!! Sistemi radiocomunicazione e radar 97

96 MODULAZIONE AM/FM DI SEGNALI ANALOGI Sistemi radiocomunicazione e radar 98

97 Premessa Come facciamo a trasmettere un segnale a grande distanza? Come fanno più stazioni radio a trasmettere simultaneamente? Che differenza c è fra le trasmissioni radio in AM/FM? Sistemi radiocomunicazione e radar 99

98 Premessa TRASMETTITORE Sorgente analogica trasduttore? CANALE destinatario trasduttore? RICEVITORE Sistemi radiocomunicazione e radar 100

99 Canale di comunicazione Un canale può essere modellato come un filtro LTI selettivo in frequenza (passa-banda). Nella banda passante, il canale attenua e ritarda il segnale in ingresso. Le frequenze di taglio inferiore e superiore, l attenuazione ed il ritardo dipendono dal mezzo trasmissivo usato e dalla lunghezza del collegamento. Affinché il segnale si possa propagare indistorto attraverso il canale è necessario che lo spettro del segnale trasmesso sia interamente contenuto all interno della banda passante del canale. Sistemi radiocomunicazione e radar 101

100 Canale di comunicazione G RISPOSTA DEL CANALE GUADAGNO DEL CANALE IN BANDA PASSANTE ampiezza frequenza BANDA OSCURA BANDA PASSANTE BANDA OSCURA FREQUENZA DI TAGLIO INFERIORE FREQUENZA DI TAGLIO SUPERIORE Sistemi radiocomunicazione e radar 102

101 Canale di comunicazione I segnali informazionali sono in prevalenza di natura passa-basso (il loro contenuto spettrale è concentrato per lo più a basse frequenze) Spettro del segnale da trasmettere RISPOSTA DEL CANALE BANDA DEL SEGNALE ampiezza B f L FREQUENZA DI TAGLIO INFERIORE BANDA PASSANTE frequenza FREQUENZA DI TAGLIO SUPERIORE Sistemi radiocomunicazione e radar 103 f H

102 Modulazione analogica L operazione di modulazione permette di adattare le caratteristiche spettrali del segnale da trasmettere a quelle del canale. Nell operazione di modulazione, si usa il segnale informazionale (segnale modulante) per variare (modulare) lo stato del segnale portante il segnale così ottenuto viene chiamato segnale modulato. Vedremo due tipi di modulazione analogica: modulazione di ampiezza (AM) modulazione di frequenza (FM) Sistemi radiocomunicazione e radar 104

103 Modulazione AM: descrizione La modulazione di ampiezza (AM) è stata la prima modulazione analogica impiegata nelle trasmissioni via etere da Guglielmo Marconi agli inizi del secolo in quanto la più facile da concepire e da realizzare, sia nella fase di trasmissione che di ricezione. Modulare in ampiezza vuol dire far variare l'ampiezza di una portante ad altissima frequenza secondo l'ampiezza di una modulante a bassa frequenza. In ricezione, un rivelatore di inviluppo ricostruisce il segnale modulante. Sistemi radiocomunicazione e radar 105

104 Modulazione AM: analisi nel tempo Sistemi radiocomunicazione e radar 106

105 Modulazione AM: analisi nel tempo Sistemi radiocomunicazione e radar 107

106 Modulazione AM: analisi in frequenza ampiezza Segnale modulante B f c Segnale portante frequenza Segnale modulato RISPOSTA DEL CANALE ampiezza f c 2B frequenza BANDA PASSANTE f L f H Sistemi radiocomunicazione e radar 108

107 Modulazione AM: analisi in frequenza La modulazione AM consente di traslare lo spettro del segnale da trasmettere senza cambiarne il contenuto informativo. La frequenza portante deve appartenere alla banda passante del canale f L f c f H L ampiezza della banda passante del canale limita la banda del segnale informazionale 2B (f H f L ) Sistemi radiocomunicazione e radar 109

108 Modulazione AM: accesso multiplo a divisione di frequenza Se un canale ha una banda passante molto grande è possibile suddividerla fra più utenti. Ogni utente utilizza un diverso segnale portante. utente 1 utente 2 utente 3 utente 4 RISPOSTA DEL CANALE ampiezza f 1 2B f 2 2B f 3 2B f 4 2B frequenza BANDA PASSANTE f L f H Sistemi radiocomunicazione e radar 110

109 Demodulazione AM: ricevitore di inviluppo Il ricevitore ricostruisce l informazione trasmessa seguendo l inviluppo del segnale modulato Sistemi radiocomunicazione e radar 111

110 Modulazione AM: curiosità La modulazioni AM è stata utilizzata per i primi esperimenti di trasmissioni radiofoniche agli inizi del 900 e durante la prima guerra mondiale. La modulazione AM è stata il formato di modulazione più usato fino alla fine degli anni 70. La modulazione AM è utilizzata nelle stazioni radio commerciali che operano nella banda di frequenze da 530 khz a 1600 khz (onde medie). Ciascuna stazione radiofonica ha a disposizione una banda di circa 10 khz. La radio AM garantisce una buona qualità audio per la voce, ma non permette di avere una trasmissione stereofonica ad alta fedeltà. Sistemi radiocomunicazione e radar 112

111 Modulazione FM E stata inventata da Armstrong nel 1935, ma regolamentata solo nel 1961 in Europa all'interno delle radiodiffusioni stereofoniche. La frequenza dell onda portante viene fatta variare secondo l'ampiezza del segnale modulante, mentre l'ampiezza dell onda portante rimane invariata. Sistemi radiocomunicazione e radar 113

112 Modulazione FM Sistemi radiocomunicazione e radar 114

113 Modulazione FM Sistemi radiocomunicazione e radar 115

114 Modulazione FM: curiosità In Italia la modulazione di frequenza è usata dalle stazioni radio commerciali nella banda di frequenze che va dagli 87,5 ai 108 MHz (onde cortissime). Ogni stazione occupa una banda di circa 200 khz. Vantaggi della trasmissione in FM: migliore qualità del suono trasmesso; minore potenza trasmessa; maggiore robustezza ai disturbi atmosferici; possibilità di trasmettere in modalità stereofonica. Sistemi radiocomunicazione e radar 116

115 MOdulatore & DEModulatore (MODEM) Il modulatore analogico usa il segnale modulante per variare (modulare) l ampiezza o la frequenza del segnale portante il segnale così ottenuto viene chiamato segnale modulato. Osservando il segnale modulato, il demodulatore analogico è in grado di ricostruire l informazione trasmessa. Il MODEM è un apparecchio che è in grado di effettuare sia l operazione di modulazione che di demodulazione. Sistemi radiocomunicazione e radar 117

116 Schema di funzionamento del MODEM Segnale modulante (passa-basso) modulatore Segnale modulato (passa-banda) Segnale portante di riferimento (segnale sinusoidale) Segnale modulato (passa-banda) demodulatore Segnale demodulato (passa-basso) Sistemi radiocomunicazione e radar 118

117 Canale di comunicazione rumoroso Ogni canale di comunicazione introduce dei disturbi impredicibili (rumore) al segnale che lo attraversa. Gli effetti del rumore si manifestano come casuali oscillazioni del segnale utile. Il rumore non può essere rimosso dal ricevitore e limita la qualità della comunicazione. segnale da trasmettere filtro passa banda canale di comunicazione segnale ricevuto rumore additivo Sistemi radiocomunicazione e radar 119

118 Effetto del rumore sui segnali analogici RAPPORTO SEGNALE RUMORE (SNR) = A N 2 2 Sistemi radiocomunicazione e radar 120

119 Rapporto segnale rumore La potenza di un segnale elettrico si misura in Watt. Il rapporto segnale rumore (SNR, dall inglese signal-to-noise-ratio) esprime il rapporto fra la potenza del segnale utile e la potenza del disturbo. E una quantità adimensionale e viene spesso espressa in decibel (db): 2 A SNR( db) = 10log 10 2 N Sistemi radiocomunicazione e radar 121

120 Rapporto segnale rumore La potenza di un segnale elettrico si misura in Watt. Il rapporto segnale rumore (SNR, dall inglese signal-to-noise-ratio) esprime il rapporto fra la potenza del segnale utile e la potenza del disturbo. E una quantità adimensionale, e viene spesso espressa in decibel (db): 2 A SNR( db) = 10log 10 2 N Corso di Telecomunicazioni - AA 2010/

121 Esempio: modulazione AM ASSENZA DI RUMORE Sistemi radiocomunicazione e radar 123

122 Esempio: modulazione AM BASSO SNR (= 5 db) Sistemi radiocomunicazione e radar 124

123 Esempio: modulazione AM MEDIO/BASSO SNR (= 11 db) Sistemi radiocomunicazione e radar 125

124 Esempio: modulazione AM MEDIO/ALTO SNR (= 17 db) Sistemi radiocomunicazione e radar 126

125 Esempio: modulazione AM ALTO SNR (= 30 db) Sistemi radiocomunicazione e radar 127

126 Schema di comunicazione analogico TRASMETTITORE Sorgente analogica trasduttore modulatore AM/FM filtro passa banda CANALE rumore additivo destinatario trasduttore RICEVITORE demodulatore AM/FM Sistemi radiocomunicazione e radar 128

127 SEGNALI DIGITALI Sistemi radiocomunicazione e radar 129

128 Come riconoscere un segnale digitale? Un segnale digitale può assumere un numero finito di possibili valori (ad esempio 0, 1 ). Un segnale digitale può essere rappresentato mediante una sequenza ordinata di simboli. Sistemi radiocomunicazione e radar 130

129 Esempio: sorgente binaria Consideriamo un sensore di temperatura che ogni ora verifica se la temperatura esterna è superiore a 0 gradi centigradi: temperatura >0 il sensore emette 1 temperatura 0 il sensore emette Sistemi radiocomunicazione e radar 131

130 Alcune definizioni Alfabeto di sorgente (A): insieme di simboli che possono essere emessi dalla sorgente A = {a 0,,a M-1 } Cardinalità alfabeto (M): numero di simboli contenuti nell alfabeto di sorgente. Tempo di simbolo (T s ): intervallo di tempo che intercorre fra l emissione di due simboli consecutivi. Sistemi radiocomunicazione e radar 132

131 Esempio: sorgente binaria Alfabeto di sorgente A = {0,1} Cardinalità alfabeto M = 2 Tempo di simbolo T s = 1 ora (3600 secondi) Sistemi radiocomunicazione e radar 133

132 Esempio: messaggio di testo Consideriamo operatore che digita su una tastiera una lettera dell alfabeto ogni secondo. Alfabeto di sorgente A = {A,B,C,D,,Z} Cardinalità alfabeto M = 26 Tempo di simbolo T s = 1 secondo A B C Z E R Sistemi radiocomunicazione e radar 134

133 Sistemi di numerazione Abbiamo familiarità con il sistema decimale che fa uso di 10 cifre: 0,1,,9. Esistono altri sistemi di numerazione, ad esempio il sistema di numerazione binario che fa uso dei simboli 0 e 1. Il sistema di numerazione binario riveste grande importanza nelle telecomunicazioni e nell informatica. Sistemi radiocomunicazione e radar 135

134 Contare in base dieci Il sistema di numerazione decimale utilizza dieci cifre (sono i simboli ). Un numero decimale è composto da più cifre ordinate: Cifra decimale del quarto ordine Cifra decimale del terzo ordine Cifra decimale del secondo ordine Cifra decimale del primo ordine Ci vogliono dieci unità di ordine inferiore per formarne una di un ordine superiore. Sistemi radiocomunicazione e radar 136

135 Contare in base dieci Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 3 ordine x ordine x 10 1 ordine x 1 Sistemi radiocomunicazione e radar 137

136 Contare in base due Il sistema di numerazione decimale utilizza due cifre (sono i simboli 0 1). Un numero binario è composto da più cifre (bit) ordinate: Bit del quarto ordine Bit del primo ordine Bit del terzo ordine Bit del secondo ordine Ci vogliono due unità di ordine inferiore per formarne una di un ordine superiore. Sistemi radiocomunicazione e radar 138

137 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 139

138 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 140

139 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 141

140 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 142

141 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 143

142 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 144

143 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 145

144 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 146

145 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine Sistemi radiocomunicazione e radar 147

146 Contare in base due Supponiamo di voler contare il numero di palline presenti nella scatola 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine x 32 x 16 x 8 x 4 x 2 x 1 Sistemi radiocomunicazione e radar 148

147 Conversione da binario a decimale 6 ordine 5 ordine 4 ordine 3 ordine 2 ordine 1 ordine rappresentazione binaria conversione decimale 1 x x x x x x 1 = 47 Sistemi radiocomunicazione e radar 149

148 Esempi numero binario numero decimale = = = = = Sistemi radiocomunicazione e radar 150

149 Quanti numeri decimali possiamo rappresentare con N cifre binarie? N=1 2 numeri decimali Numero binario Numero decimale N=2 4 numeri decimali Numero binario Numero decimale Sistemi radiocomunicazione e radar 151

150 Quanti numeri decimali possiamo rappresentare con N cifre binarie? N=3 8 numeri decimali Numero binario Numero decimale Numero binario Numero decimale In generale, possiamo rappresentare tutti i numeri decimali da 0 a 2 N -1 Sistemi radiocomunicazione e radar 152

151 Esempio: messaggio di testo Consideriamo operatore che digita su una tastiera una lettera dell alfabeto ogni secondo Alfabeto di sorgente A = {A,B,C,D,,Z} Cardinalità alfabeto M = 26 Tempo di simbolo T s = 1 secondo A B C Z E R Sistemi radiocomunicazione e radar 153

152 Esempio: codifica binaria dei simboli dell alfabeto ALFABETO STRINGA DI BIT 1 A B C D E F G H I J K L M ALFABETO STRINGA DI BIT 14 N O P Q R S T U V X Y W Z CODICE BINARIO A LUGHEZZA FISSA Sistemi radiocomunicazione e radar 154

153 Esempio: rappresentazione binaria A B C Z E R Velocità di trasmissione: 1 carattere (simbolo) al secondo = 5 bit al secondo Sistemi radiocomunicazione e radar 155

154 Rappresentazione binaria di una sorgente numerica Consideriamo una generica sorgente digitale con alfabeto A = {a 0,,a M-1 }, che emette un simbolo M-ario ogni T s secondi Ogni simbolo dell alfabeto può essere rappresentato con una stringa di log 2 (M) bit (codice binario a lunghezza fissa) Otteniamo una sorgente binaria che emette log 2 (M) cifre binarie ogni T s secondi Sistemi radiocomunicazione e radar 156

155 Rappresentazione binaria di una sorgente numerica Tabella di corrispondenza per M=8 ALFABETO STRINGA DI BIT 0 a a a a a a a a Sistemi radiocomunicazione e radar 157

156 NOTA: logaritmo in base due ll logaritmo in base 2 di un numero n non è altro che il numero al quale bisogna elevare 2 per ottenere n. Sistemi radiocomunicazione e radar log log log log = = = = = = = = = = = = x x x x x x x x x x x x x

157 NOTA: parte intera superiore Numeri interi:, -2, -1, 0, 1, 2, Esempi di numeri non interi: 2.3, 1.546, -3.7, -4.9 La funzione parte intera superiore restituisce l intero superiore più vicino: = = = = 1 = 1 3 = Sistemi radiocomunicazione e radar 159

158 Riassumendo Sistemi radiocomunicazione e radar 160

159 Codice ASCII (7 bit) ASCII American Standard Code for Information Interchange Il codice ASCII è un insieme di 128 caratteri (comprendente i principali caratteri dell'alfabeto latino, i principali segni di interpunzione e un certo numero di caratteri speciali). Ad ogni carattere è associato un numero decimale fra 0 e 127 e la sua corrispondente rappresentazione binaria fra 0 e Il numero decimale associato alla lettera maiuscola 'A' è 65, ed il corrispondente numero binario è La tabella ASCII permette di rappresentare ognuno dei caratteri codificati mediante 7 bit. Sistemi radiocomunicazione e radar 161

160 Codice ASCII esteso (8-bit) Sono nate nel tempo diverse estensioni al codice ASCII a 7 bit; molte fra esse sono basate su un codice ASCII 'esteso' o 'a 8 bit'. Mentre con 7 bit possiamo rappresentare 128 caratteri, con 8 bit possiamo rappresentare 256 caratteri. La più importante fra le estensioni dell'ascii è quella denominata 'ISO Latin 1', che codifica fra l'altro una serie di caratteri speciali presenti nei principali alfabeti europei (italiano incluso). Sistemi radiocomunicazione e radar 162

161 Codice ASCII esteso (8-bit) Sistemi radiocomunicazione e radar 163

162 Codice ASCII esteso (8-bit) Sistemi radiocomunicazione e radar 164

163 Tavola UNICODE Pur avendo a disposizione 256 caratteri, il codice ISO Latin 1 non può essere 'universale'; si pensi infatti all'immensa varietà di caratteri utilizzati dalle lingue basate su alfabeti diversi da quello latino: dal greco al cirillico, dal giapponese al mandarino. E stato avviato un progetto per definire una tavola di codifica universale basata su 21 bit, che consente di rappresentare oltre un milione di caratteri. Questa tavola si chiama Unicode e rappresenta uno sforzo immenso di sistematizzazione non solo dal punto di vista informatico, ma anche da quello linguistico. Sistemi radiocomunicazione e radar 165

164 Tavola UNICODE Unicode comprende quasi tutti i sistemi di scrittura attualmente utilizzati, fra i quali: Alfabeto arabo, Alfabeto armeno, Alfabeto bengali, Alfabeto Braille, Alfabeto sillabico Aborigeno Canadese, Alfabeto sillabico Cherokee, Alfabeto cirillico, Alfabeto Devanagari, Alfabeto ebraico, Alfabeto esperanto, Alfabeto etiopico, Alfabeto georgiano, Alfabeto greco, Alfabeto cinese Han (Ideogrammi Hanzi e Ideogrammi Hanja), Alfabeto Hangul (Lingua coreana), Ideogrammi Kanji (Lingua giapponese), Alfabeto fonetico internazionale (IPA), Alfabeto khmer (Cambogiano), Alfabeto latino (base ed esteso), Alfabeto limbu, Alfabeto mongolo, Alfabeto myanmar (Burmese), Alfabeto siriaco, Alfabeto tailandese, Alfabeto tibetano. Sono anche disponibili gli alfabeti appartenenti a lingue morte: Alfabeto cuneiforme, Alfabeto Deseret, Alfabeto Lineare B, Alfabeto Kharoshti, Alfabeto ogamico, Alfabeto antico italico (Etrusco, Osco e Umbro), Alfabeto antico persiano, Alfabeto fenicio, Alfabeto gotico, Alfabeto runico, Alfabeto Shavian, Alfabeto ugaritico Infine, unicode comprende simboli matematici e musicali. Sistemi radiocomunicazione e radar 166

165 Domanda Sistemi radiocomunicazione e radar 167

166 CONVERSIONE ANALOGICO/DIGITALE (A/D) Sistemi radiocomunicazione e radar 168

167 Conversione A/D Un segnale analogico può essere convertito in un segnale digitale mediante la cascata di due operazioni elementari: 1. campionamento 2. quantizzazione segnale analogico CAMPIONAMENTO QUANTIZZAZIONE segnale numerico CONVERTITORE A/D Sistemi radiocomunicazione e radar 169

168 Campionamento Campionare un segnale analogico significa prelevare i valori assunti dal segnale analogico ad intervalli regolari di T c secondi. I valori prelevati sono detti campioni del segnale analogico. Il tempo T c che intercorre fra due campioni successivi è detto passo di campionamento. Sistemi radiocomunicazione e radar 170

169 Esempio: segnale di prova Sistemi radiocomunicazione e radar 171

170 Esempio: istanti di campionamento passo di campionamento Sistemi radiocomunicazione e radar 172

171 Esempio: segnale campionato Sistemi radiocomunicazione e radar 173

172 Frequenza di campionamento L inverso del periodo di campionamento è detto frequenza di campionamento: f c = 1 T c [ Hertz] La frequenza di campionamento indica il numero di campioni presi in un secondo. DOMANDA: come va scelta la frequenza di campionamento? Sistemi radiocomunicazione e radar 174

173 Teorema del campionamento Sistemi radiocomunicazione e radar 175

174 Frequenza di campionamento Sistemi radiocomunicazione e radar 176

175 Come ricostruire un segnale analogico da una sequenza di campioni? ampiezza 0 T c 2T c 3T c 4T c 5T c 6T c 7T c 8T c 9T c tempo SEQUENZA DI CAMPIONI PRESI A PASSO T c Sistemi radiocomunicazione e radar 177

176 Interpolatore a mantenimento SEGNALE ANALOGICO RICOSTRUITO ampiezza 0 T c 2T c 3T c 4T c 5T c 6T c 7T c 8T c 9T c tempo Sistemi radiocomunicazione e radar 178

177 Interpolatore lineare ampiezza 0 T c 2T c 3T c 4T c 5T c 6T c 7T c 8T c 9T c tempo Sistemi radiocomunicazione e radar 179

178 Esempio: segnale test Sistemi radiocomunicazione e radar 180

179 Esempio: segnale sottocampionato Sistemi radiocomunicazione e radar 181

180 Esempio: segnale sottocampionato & ricostruito Sistemi radiocomunicazione e radar 182

181 Esempio: segnale correttamente campionato Sistemi radiocomunicazione e radar 183

182 Esempio: segnale correttamente campionato & ricostruito Sistemi radiocomunicazione e radar 184

183 Riassumendo La banda B è un indice della rapidità di variazione di un segnale analogico. Per non avere perdita di informazione, la frequenza di campionamento deve essere commensurata alla banda del segnale (f c 2B). Segnali che variano più rapidamente hanno bisogno di un numero di campioni maggiore per essere correttamente rappresentati. Sistemi radiocomunicazione e radar 185

184 Caratteristiche del segnale campionato Il segnale ottenuto a valle dell operazione di campionamento è descritto mediante una sequenza ordinata di numeri reali., X(-T c ), X(0), X(T c ), X(2T c ), X(3T c ). Ogni campione può assumere un qualunque valore compreso fra A ed A Sistemi radiocomunicazione e radar 186

185 Quantizzazione L operazione di quantizzazione permette di convertire il segnale campionato in un segnale numerico. Nell intervallo di variazione (-A,+A) del segnale analogico vengono individuati M livelli equamente spaziati fra loro. Ogni campione del segnale analogico viene approssimato con il livello ad esso più vicino. Sistemi radiocomunicazione e radar 187

186 Esempio: quantizzatore a 4 livelli A A/2 ampiezza 0 tempo -A/2 -A Segnale analogico Segnale campionato Sistemi radiocomunicazione e radar 188

187 Esempio: quantizzatore a 4 livelli A a 3 =3A/4 ampiezza A/2 0 -A/2 a 2 =A/4 tempo a 1 =-A/4 a 0 a 0 =-3A/4 -A Segnale analogico Segnale campionato Sistemi radiocomunicazione e radar 189

188 Esempio: quantizzatore a 4 livelli A a 3 =3A/4 ampiezza A/2 0 -A/2 a 2 =A/4 tempo a 1 =-A/4 a 0 a 0 =-3A/4 -A Segnale analogico Segnale campionato Segnale quantizzato Sistemi radiocomunicazione e radar 190

189 Parametri del quantizzatore Dinamica del segnale di ingresso DINAMICA = (valore max valore min) = 2A Numero di livelli di restituzione M Ampiezza dell intervallo di quantizzazione (o passo di quantizzazione) PASSO QUANTIZZAZIONE = DINAMICA / M Livelli di restituzione (alfabeto) A = {a 0, a 1,, a M-1 } Sistemi radiocomunicazione e radar 191

190 Errore di quantizzazione Sistemi radiocomunicazione e radar 192

191 Errore di quantizzazione ERRORE QUANTIZZAZIONE = PASSO QUANTIZZAZIONE DINAMICA 2 2M Sistemi radiocomunicazione e radar 193

192 Esempio: quantizzatore a 2 livelli Sistemi radiocomunicazione e radar 194

193 Esempio: quantizzatore a 8 livelli Sistemi radiocomunicazione e radar 195

194 Esempio: quantizzatore a 16 livelli Sistemi radiocomunicazione e radar 196

195 Esempio: quantizzatore a 256 livelli Sistemi radiocomunicazione e radar 197

196 Equivalenza fra sorgente analogica e sorgente numerica Sorgente analogica (banda B) Campionamento: frequenza f c 2B Quantizzazione: M livelli per campione. x(0) x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6). x(i) A = {a 0,, a M-1 } Sistemi radiocomunicazione e radar 198

197 Codifica binaria a lunghezza fissa A ciascuno degli M livelli del quantizzatore si associa una stringa di bit di lunghezza log 2 (M) Ad esempio, per M=8 si ha LIVELLO DI USCITA STRINGA DI BIT 0 a a a a a a a a Sistemi radiocomunicazione e radar 199

198 Rappresentazione binaria di una sorgente analogica Sorgente analogica (banda B) Campionamento: frequenza f c 2B Quantizzazione: M livelli per campione Codifica binaria: log 2 (M) bit per campione Sistemi radiocomunicazione e radar 200

199 NOTA: Bit & byte Multipli del bit bit = 1 kilobit (kb) bit = 1 megabit (Mb) bit = 1 gigabit (Gb) bit = 1 terabit (Tb) Multipli del byte 1 byte = 8 bit 1000 byte = 1 kilobyte (kb) = 8 kb byte = 1 megabyte (MB) = 8 Mb Sistemi radiocomunicazione e radar 201

200 Digitalizzazione del segnale vocale Il segnale vocale ha una banda di circa 4000 Hertz è campionato ad una frequenza f c =8000 Hertz. In un secondo vengono prelevati 8000 campioni, ovvero un campione ogni 125 milionesimi di secondo. Ogni campione è quantizzato usando M=2 8 =256 livelli ogni livello viene codificato con 8 bit. Sistemi radiocomunicazione e radar 202

201 Digitalizzazione del segnale vocale La trasmissione del segnale digitalizzato richiede l invio di 8000*8=64000 bit al secondo (= 64 kb/s). La memorizzazione di un minuto di segnale vocale digitalizzato richiede uno spazio di 8000*8*60= bit (= 3.84 Mb). Sistemi radiocomunicazione e radar 203

202 Digitalizzazione della musica (CD Audio) Il segnale musicale ha una banda di circa 22 khz è campionato ad una frequenza di Hz. In un secondo vengono prelevati campioni, ovvero un campione ogni milionesimi di secondo. Ogni campione è quantizzato usando M=2 16 = livelli ogni livello viene codificato con 16 bit. Ogni traccia audio contiene 2 canali (segnale stereofonico): destro e sinistro. Sistemi radiocomunicazione e radar 204

203 Digitalizzazione della musica (CD Audio) La memorizzazione di un minuto di segnale digitalizzato richiede 44100*16*2*60 = bit (= Mb). Un CD audio ha una capienza massima di circa 783 MB. In un CD audio possiamo memorizzare circa 74 minuti di canzoni. Sistemi radiocomunicazione e radar 205

204 Digitalizzazione delle immagini L immagine viene suddivisa in una griglia ogni quadretto della griglia rappresenta un pixel colonne pixel righe Sistemi radiocomunicazione e radar 206

205 Digitalizzazione delle immagini Alcuni formati di uso comune: numero colonne numero righe Dimensione immagine (pixel) Dimensione immagine (megapixel) Sistemi radiocomunicazione e radar 207

206 Digitalizzazione delle immagini Il numero di pixel in un'immagine determina la quantità di dettagli possono essere rappresentati. Sistemi radiocomunicazione e radar 208

207 Digitalizzazione delle immagini Quasi tutti i colori visibili dall occhio umano possono essere ottenuti come composizione di tre colori primari: rosso, verde e blu (modello additivo RGB). Sistemi radiocomunicazione e radar 209

208 Digitalizzazione delle immagini Combinando i colori primari possiamo costruire una tavola contenente M diversi colori (livelli) a ciascun colore possiamo associare una stringa di log 2 (M) bit. Il colore associato a ciascun pixel viene approssimato con uno dei colori della tavola quantizzazione a log 2 (M) bit. Sistemi radiocomunicazione e radar 210

209 Digitalizzazione delle immagini Tavola colori 2 8 = 256 livelli (8-bit) Tavola colori 2 24 = livelli (24-bit) Sistemi radiocomunicazione e radar 211

210 Digitalizzazione delle immagini La risoluzione di un immagine è data dal numero di pixel che la compongono ( aumentando la risoluzione si riesce a rappresentare un maggior numero di dettagli all interno dell immagine). La profondità di un immagine è data dal numero di bit usato per rappresentare ciascun pixel ( aumentando la profondità aumenta il numero di colori che è possibile rappresentare). Bit immagine = risoluzione x profondità Sistemi radiocomunicazione e radar 212

211 Digitalizzazione delle immagini Un immagine da 0.8 megapixel quantizzata a 24 bit occupa 1024x768x24 = bit (circa 19 Mb). Un immagine da 2 megapixel quantizzata a 24 bit occupa 1600x1200x24 = bit (circa 46 Mb). Un immagine da 5 megapixel quantizzata a 24 bit occupa 2560x1920x24 = bit (circa 118 Mb). Sistemi radiocomunicazione e radar 213

212 Digitalizzazione del video Un segnale video è immagine che varia nel tempo. Per digitalizzare un segnale video è necessario campionarlo sia spazialmente che temporalmente. Generalmente vengono scattati fotogrammi al secondo. Ogni fotogramma viene poi suddiviso in pixel. Infine, ogni pixel viene quantizzato. Sistemi radiocomunicazione e radar 214

213 Digitalizzazione del video Sistemi radiocomunicazione e radar 215

214 Digitalizzazione del video Il numero di bit necessari a rappresentare un segnale video dipende da Lunghezza del filmato (in secondi) Numero di frame (frame rate) al secondo catturati Risoluzione di ogni frame (ovvero numero di pixel per frame) Profondità di ogni pixel ( ovvero numero di bit usato per rappresentare il colore di ciascun pixel). Bit video = lunghezza x frame rate x risoluzione x profondità Sistemi radiocomunicazione e radar 216

215 Digitalizzazione del video Supponiamo di acquisire un video con Lunghezza = 10 secondi Frame rate = 30 Risoluzione = 640 x 480 (larghezza x altezza) Profondità = 24 bit Bit al secondo (bit rate) = 30 x 640 x 480 x 24 = (circa 22 Mb) Bit totali = bit rate x lunghezza (circa 220 Mb) Sistemi radiocomunicazione e radar 217

216 Convergenza al digitale I sistemi di trasmissione digitale hanno iniziato a diffondersi solo negli ultimi tre decenni. Oggi stanno progressivamente sostituendo i tradizionali canali analogici in tutte le aree delle telecomunicazioni. Perché? Sistemi radiocomunicazione e radar 218

217 Convergenza al digitale Abbiamo trovato un unico linguaggio per rappresentare e descrivere sorgenti di informazioni molto diverse fra di loro. Lettere, voce, immagini, video, suoni possono essere tutti essere rappresentati mediante sequenze di numeri (in particolare 0, 1 ). Possiamo utilizzare lo stesso apparato di telecomunicazione per trasmettere informazioni provenienti da sorgenti di diversa natura (multimedialità). Sistemi radiocomunicazione e radar 219

218 Convergenza al digitale Le informazione digitali possono essere elaborare usando dei computer. Sistemi radiocomunicazione e radar 220

219 Convergenza al digitale Le informazioni digitali possono essere facilmente immagazzinate (hard disk, memorie stick, CD, DVD, etc). Sistemi radiocomunicazione e radar 221

220 Convergenza al digitale Vantaggi Basso costo Maggiore sicurezza Maggiore robustezza agli errori Unico supporto di memorizzazione Integrazione con gli elaboratori elettronici Facilità di duplicazione dei dati Sistemi radiocomunicazione e radar 222

221 Convergenza al digitale Un unico dispositivo può fungere da: Telefono Fotocamera / videocamera Macchina da scrivere Localizzatore GPS Lettore musicale Radio Televisione Elaboratore elettronico Supporto di memorizzazione Sistemi radiocomunicazione e radar 223

222 TRASMISSIONE DEI SEGNALI DIGITALI Sistemi radiocomunicazione e radar 224

223 Premessa Sorgente binaria,b 1,b 2,b 3,b 4,b 5,b 6, Alfabeto {0,1} b i {0,1} Tempo di bit T b secondi Una qualunque sorgente di informazione può essere convertita in una sorgente binaria equivalente. DOMANDA: Come facciamo a convertire una sequenza di 0 e 1 in un segnale elettrico? Sistemi radiocomunicazione e radar 225

224 Modulatore numerico Il modulatore numerico riceve in ingresso una sequenza di 0 e 1 e la converte in un segnale elettrico che varia nel tempo. Tale operazione di conversione prende il nome di modulazione numerica. Nel seguito, illustreremo i seguenti formati di modulazione numerica Binaria (on/off, antipodale, di frequenza). Multilivello sorgente binaria modulatore numerico segnale elettrico Sistemi radiocomunicazione e radar 226

225 Modulazione numerica on-off BIT EMESSO = 1 BIT EMESSO = 0 2A ampiezza ampiezza 0 T b tempo T b tempo durata bit durata bit Sistemi radiocomunicazione e radar 227

226 Esempio Sequenza di bit emessa dalla sorgente Ampiezza 2A Segnale in uscita al modulatore numerico on/off tempo tempo 0 T b 2T b 3T b 4T b 5T b 6T b Sistemi radiocomunicazione e radar 228

227 Modulazione numerica antipodale BIT EMESSO = 1 BIT EMESSO = 0 A ampiezza durata bit T b tempo ampiezza durata bit T b tempo -A Sistemi radiocomunicazione e radar 229

228 Esempio Sequenza di bit emessa dalla sorgente Ampiezza A Segnale in uscita al modulatore numerico on/off tempo -A tempo 0 T b 2T b 3T b 4T b 5T b 6T b Sistemi radiocomunicazione e radar 230

229 Modulazione binaria di frequenza BIT EMESSO = 1 BIT EMESSO = 0 A A ampiezza T b tempo ampiezza T b tempo -A -A durata bit durata bit Sistemi radiocomunicazione e radar 231

230 Esempio Sequenza di bit emessa dalla sorgente A -A Segnale modulato tempo tempo 0 T b 2T b 3T b 4T b 5T b 6T b Sistemi radiocomunicazione e radar 232

231 Modulazione numerica multilivello BIT EMESSI = 11 A BIT EMESSI = 00 ampiezza 2T b tempo ampiezza 2T b tempo -A BIT EMESSI = 10 BIT EMESSI = 01 ampiezza A/3 2T b tempo ampiezza -A/3 2T b tempo Sistemi radiocomunicazione e radar 233

232 Esempio Sequenza di bit emessa dalla sorgente Ampiezza A A/3 Segnale in uscita al modulatore numerico on/off tempo -A/3 tempo -A 0 T b 2T b 3T b 4T b 5T b 6T b Sistemi radiocomunicazione e radar 234

233 Trasmissione su canale rumoroso Supponiamo di inviare il segnale elettrico prodotto dal modulatore numerico su un canale rumoroso. modulatore numerico segnale trasmesso CANALE segnale ricevuto rumore additivo Sistemi radiocomunicazione e radar 235

234 Demodulatore numerico Il demodulatore numerico riceve in ingresso il segnale elettrico in uscita dal canale e lo converte in una sequenza di 0 e 1. Tale operazione di conversione prende il nome di demodulazione numerica. Segnale ricevuto Demodulatore numerico destinatario Il segnale elettrico in ingresso al demodulatore è differente da quello prodotto dal modulatore numerico a causa della presenza di disturbi durante la trasmissione Sistemi radiocomunicazione e radar 236

235 Effetto del rumore additivo Modulazione numerica on/off Modulazione numerica antipodale MESSAGGIO: Sistemi radiocomunicazione e radar 237

236 Demodulazione (alto SNR) on/off antipodale Sistemi radiocomunicazione e radar 238

237 Demodulazione (alto SNR) on/off antipodale Campione A decido per 1 Campione < A decido per 0 Sequenza ricostruita (nessun errore!) Sistemi radiocomunicazione e radar 239

238 Demodulazione (alto SNR) on/off antipodale Campione A decido per 1 Campione < A decido per 0 Sequenza ricostruita (nessun errore!) Campione 0 decido per 1 Campione < 0 decido per 0 Sequenza ricostruita (nessun errore!) Sistemi radiocomunicazione e radar 240

239 Demodulazione (basso SNR) on/off antipodale Campione A decido per 1 Campione < A decido per 0 Sequenza ricostruita (un errore) Campione 0 decido per 1 Campione < 0 decido per 0 Sequenza ricostruita (un errore) Sistemi radiocomunicazione e radar 241

240 On/off vs antipodale Segnalazione on/off Distanza fra i simboli 2A 0 A 2A AMPIEZZA Decido per il livello basso Decido per il livello alto Segnalazione antipodale Distanza fra i simboli 2A -A 0 A AMPIEZZA Decido per il livello basso Decido per il livello alto Sistemi radiocomunicazione e radar 242

241 On/off vs antipodale Similitudini Non si commette errore se il disturbo introdotto dal canale è compreso fra (-A,A). Trasmettendo il livello basso, si sbaglia solo se il disturbo è maggiore di A. Trasmettendo il livello alto, si sbaglia solo se il disturbo è minore di A. Differenze La modulazione antipodale ha una minore ampiezza di picco (A), ma trasmette sempre un segnale non nullo. Sistemi radiocomunicazione e radar 243

242 Effetto del rumore additivo MESSAGGIO: Sistemi radiocomunicazione e radar 244

243 Demodulazione (alto SNR) Campione 2A/3 decido per 11 0 Campione < 2A/3 decido per 10-2A/3 Campione<0 decido per 01 Campione <-2A/3 decido per 00 Sequenza ricostruita (nessun errore) Sistemi radiocomunicazione e radar 245

244 Demodulazione (basso SNR) Campione 2A/3 decido per 11 0 Campione < 2A/3 decido per 10-2A/3 Campione<0 decido per 01 Campione <-2A/3 decido per 00 Sequenza ricostruita (tre errori) Sistemi radiocomunicazione e radar 246

245 Antipodale vs multi-livello Segnalazione antipodale Distanza fra i simboli 2A -A A AMPIEZZA Decido per -A 0 Decido per A Segnalazione multi-livello Distanza 2A/3 Distanza 2A/3 Distanza 2A/3 -A -A/3 A/3 A AMPIEZZA Decido per -A -2A/3 0 2A/3 Decido Decido per -A/3 per A/3 Decido per A Sistemi radiocomunicazione e radar 247

246 Antipodale vs multi-livello Le modulazioni numeriche multi-livello sono più vulnerabili al rumore additivo a parità di ampiezza di picco (A) del segnale. Aumentando il numero di livelli diminuisce la distanza minima fra due livelli, e di conseguenza è più facile confonderli. Le modulazioni numeriche multi-livello richiedono una banda minore per la trasmissione: 2 livelli durata T b banda 1/durata =1/T b 4 livelli durata 2T b banda 1/durata =1/(2T b ) 8 livelli durata 3T b banda 1/durata =1/(3T b ) 16 livelli durata 4T b banda 1/durata =1/(4T b ) Sistemi radiocomunicazione e radar 248

247 Canale passa-banda I segnali prodotti dal modulatore numerico sono di natura passa-basso (il loro contenuto spettrale è concentrato per lo più a basse frequenze) Spettro del segnale in uscita la modulatore numerico RISPOSTA DEL CANALE BANDA DEL SEGNALE ampiezza B f L FREQUENZA DI TAGLIO INFERIORE BANDA PASSANTE frequenza FREQUENZA DI TAGLIO SUPERIORE Sistemi radiocomunicazione e radar 249 f H

248 Modulazione AM ampiezza Segnale modulante B f c Segnale portante frequenza Segnale modulato AM RISPOSTA DEL CANALE ampiezza f c 2B frequenza BANDA PASSANTE f L f H Sistemi radiocomunicazione e radar 250

249 Trasmettitore / Ricevitore sequenza di bit sequenza di bit modulatore numerico modulatore numerico Segnale modulante (passa-basso) TRASMETTITORE Segnale modulante (passa-basso) RICEVITORE modulatore AM Segnale portante (segnale sinusoidale) modulatore AM Segnale modulato (passa-banda) filtro passa banda Segnale modulato (passa-banda) rumore additivo CANALE Sistemi radiocomunicazione e radar 251

250 Esempio Sistemi radiocomunicazione e radar 252

251 Esempio (cont.) Sistemi radiocomunicazione e radar 253

252 Schema di comunicazione digitale sorgente numerica codifica binaria ricevitore canale trasmettitore decodifica binaria destinatario Sistemi radiocomunicazione e radar 254

253 Bit error rate (BER) In un sistema di trasmissione digitale il BER è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit trasmessi. Il BER è un parametro molto importante perché da misura della qualità dell'intero sistema di comunicazione. Tale indice è solitamente espresso come coefficiente di una potenza di base 10, pertanto un BER uguale a 2x10-5 equivale a dire 2 bit errati su bit trasmessi. Il BER evidenzia la frazione di bit che viene persa a causa dei disturbi introdotti dal canale di trasmissione. Intuitivamente, per rendere il BER piccolo dobbiamo aumentare l ampiezza di picco (A) trasmessa. Vedremo che una parte dei bit errati possono essere corretti utilizzando dei codici a correzione d errore. In alternativa, il ricevitore può chiedere la ritrasmissione dei bit ricevuti in maniera errata. Sistemi radiocomunicazione e radar 255

254 Codici di canale Le prestazioni di un codice vengono misurate in termini di: capacità di rivelazione: numero massimo di errori che esso riesce a rivelare in una parola di codice; capacità di correzione: numero massimo di errori che esso riesce a correggere in una parola codice (minore a quella di rivelazione); code rate (R): è il rapporto fra la lunghezza (k) del messaggio da trasmettere e la lunghezza (n) della parola codice generala R=k/n. Sistemi radiocomunicazione e radar 256

255 Codice a ripetizione a lunghezza 2 Supponiamo di voler trasmettere il messaggio (5 bit) Possiamo ripetere la trasmissione di ogni bit due volte; il messaggio codificato è: (10 bit) Supponiamo che il segnale ricevuto sia (10 bit) ERRORE RILEVATO COPPIA DI ERRORI NON RILEVATA Sistemi radiocomunicazione e radar 257

256 Codice a ripetizione a lunghezza 3 Proviamo a ripetere la trasmissione di ogni bit tre volte; il messaggio codificato è: (15 bit) Supponiamo che il segnale ricevuto sia (15 bit) ERRORE RIVELATO E CORRETTO COPPIA DI ERRORI RIVELATA Sistemi radiocomunicazione e radar 258

257 Codice a ripetizione a lunghezza 4 Proviamo a ripetere la trasmissione di ogni bit quattro volte; il messaggio codificato è: (20 bit) Supponiamo che il segnale ricevuto sia (20 bit) ERRORE RIVELATO E CORRETTO COPPIA DI ERRORI RIVELATA Sistemi radiocomunicazione e radar 259

258 Codice a ripetizione a lunghezza n Aumenta il numero il numero di cifre da trasmettere di n-volte (rate 1/n). Permette di rilevare n/2 errori del canale. Permette di rilevare e correggere n/2-1. NOTA: x = parte intera inferiore del numero x Esempi: 1.7 = 1; -1.2 = -2; 5 = 5 Sistemi radiocomunicazione e radar 260

259 Codice a controllo di parità Supponiamo di voler trasmettere il messaggio (21 bit) Possiamo organizzare le cifre binarie in una tabella con 3 righe come segue Sistemi radiocomunicazione e radar 261

260 Codice a controllo di parità Per ogni riga contiamo il numero di 1: se sono in numero dispari, si aggiunge un bit di parità 1, se invece sono pari, si aggiunge un bit di parità BIT DI PARITA Sistemi radiocomunicazione e radar 262

261 Codice a controllo di parità Supponiamo che durante la trasmissione si abbiano degli errori sulla seconda riga: MESSAGGIO TRASMESSO ERRORE RIVELATO canale ERRORE NON RIVELATO ERRORE RIVELATO Sistemi radiocomunicazione e radar 263

262 Codice a controllo di parità Aggiunge un bit di ridondanza per ogni k bit di informazione rate = k/(k+1). Può rilevare (ma non correggere) un numero dispari di errori. Per rilevare e correggere un errore dobbiamo necessariamente aumentare il numero di bit controllo usati (vedi esempio seguente). Sistemi radiocomunicazione e radar 264

263 Codice a doppio controllo di parità Supponiamo di voler trasmettere il messaggio (21 bit) Possiamo organizzare le cifre binarie in una tabella con 3 righe e 7 colonne: Sistemi radiocomunicazione e radar 265

264 Codice a doppio controllo di parità Per ogni riga contiamo il numero di 1: se sono in numero dispari, si aggiunge un bit di parità 1, se invece sono pari, si aggiunge un bit di parità 0. Per ogni colonna contiamo il numero di 1: se sono in numero dispari, si aggiunge un bit di parità 1, se invece sono pari, si aggiunge un bit di parità BIT DI PARITA DI RIGA BIT DI PARITA DI COLONNA Sistemi radiocomunicazione e radar 266

265 Codice a doppio controllo di parità Il rate del codice è 21 / bit di informazione bit di ridondanza Sistemi radiocomunicazione e radar 267

266 Codice a doppio controllo di parità ERRORE CORRETTO MESSAGGIO TRASMESSO canale DUE ERRORI RIVELATI TRE ERRORI RIVELATI Sistemi radiocomunicazione e radar 268

267 ARQ (Automatic Repeat-reQuest) Quando viene rilevato un errore all interno di un pacchetto è possibile richiedere la ritrasmissione dell intero pacchetto. L uso di protocolli di ritrasmissione richiede la presenza di un canale di feedback per notificare l errore al trasmettitore. Esistono protocolli di ARQ: Stop-and-wait Go-back-N Selective-repeat Sistemi radiocomunicazione e radar 269

268 ARQ stop-and-wait Il mittente invia un messaggio e attende dal destinatario una conferma positiva (ACK), negativa (NAK). Se scade il tempo di attesa, il mittente provvede a rispedire il pacchetto. Nel caso in cui si verificasse un errore nella trasmissione del segnale di conferma (ACK), il mittente provvede a rinviare il pacchetto. Tutti i pacchetti trasmessi sono numerati per risolvere la ricezione di copie multiple di uno stesso pacchetto. Sistemi radiocomunicazione e radar 270

269 ARQ stop-and-wait La presenza del timer è necessaria per segnalare eventi di errore al trasmettitore Sistemi radiocomunicazione e radar 271

270 ARQ go-back-n Il mittente dispone di un buffer dove immagazzina N pacchetti da spedire. Man mano che riceve la conferma ACK svuota il buffer e lo riempie con nuovi pacchetti. Nell'eventualità di un pacchetto perso o danneggiato avviene il rinvio di tale pacchetto e di tutti i successivi. I pacchetti ricevuti dal destinatario dopo quello scartato vengono eliminati. Sistemi radiocomunicazione e radar 272

271 ARQ go-back-n Anche se i pacchetti sono ricevuti correttamente, se non in sequenza vengono perduti (in ricezione è presente un solo buffer) Sistemi radiocomunicazione e radar 273