Conversione Analogico/Digitale

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1 Conversione Analogico/Digitale 1 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Conversione analogico/digitale (A/D) Per rappresentare numericamente un segnale continuo nel tempo e nelle ampiezze è necessario: Campionare il segnale nel tempo. Quantizzare le ampiezze dei campioni (rappresentare l ampiezza di ogni campione utilizzando un numero finito di valori detti livelli di quantizzazione). Codificare i valori quantizzati dei campioni (associare ad ogni livello un numero finito di cifre; solitamente si usano cifre binarie, cioe bit ). Questo processo di conversione A/D, che trasforma il segnale originario in una sequenza di bit {0,1}, e noto come tecnica PCM (Pulse Code Modulation o Modulazione impulsiva codificata). Fondamenti di Segnali e Trasmissione

2 x() t Schema a blocchi del convertitore A/D [] n x( nt) x = T Campionatore Quantizzatore Codificatore t 1 0 T b c M=4= V 1 -> 00 V -> 01 V 3 -> 10 V 4 -> 11 t [] n { 0 1} f c =1/T x q [] n = Q x [] n ( ) { V LV } q 1 M V 4 V 1 T t 3 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Campionamento Per rappresentare in forma numerica il segnale tempo-continuo x(t) si esegue anzitutto il campionamento di x(t) a intervalli T. L intervallo di campionamento e scelto in modo da rispettare la condizione di Nyquist, per consentire la ricostruzione del segnale tempo-continuo x(t) a partire dai campioni x(nt). x () t x[] n T t 4 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

3 Quantizzazione (1) Ciascun campione x[n]=x(nt) e un numero reale che puo assumere con continuita qualsiasi valore compreso in un certo intervallo di ampiezze [V min,v max ]. Per rappresentare il segnale in forma numerica si approssima il numero reale continuo x[n] con un numero finito (M) di livelli compresi nell intervallo di ampiezze. Questa operazione e detta QUANTIZZAZIONE. V max x [] n x q [] n { V1 V V3 V4 } V 4 V 3 V n V 1 V min 5 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Quantizzazione () Il quantizzatore e dunque un sistema non lineare che riceve in ingresso il numero reale continuo x[n] e restituisce in uscita il valore piu vicino a x[n] fra gli M possibili livelli di quantizzazione V 1,,V M : x [] n Q( ) x [] n { V L } q 1 V M V 16 +V segnale originale x(t) segnale campionato e quantizzato x q [n] Supponiamo che il segnale x(t) assuma valori in [-V,+V]. M = 16 V 16 -V 6 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

4 Caratteristica ingresso-uscita La caratteristica ingresso-uscita Q( ) del quantizzatore e una scalinata a M livelli x q = Q() x V M V k x V V 1 -V V Nel caso di livelli di quantizzazione equidistanti (quantizzazione uniforme) l intervallo di quantizzazione e = V/M. 7 Fondamenti di Segnali e Trasmissione La quantizzazione introduce un errore e q che puo essere equivalentemente visto come un disturbo additivo (detto rumore di quantizzazione). Modello equivalente: Quantizzatore come sorgente di rumore [] n = x [] n x[] n x [] n x q [] n q e q [] n segnale originale x segnale quantizzato x q e q + / errore x q / Per M grande gli errori di quantizzazione e q [n] tendono a diventare variabili casuali incorrelate tra loro e indipendenti da x[n]. 8 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

5 Potenza del rumore di quantizzazione Se il segnale x[n] ha una distribuzione delle ampiezze circa uniforme, l errore di quantizzazione e q [n] puo ritenersi uniformemente distribuito tra / e + /. p eq (a) / 1/ + / a L errore di quantizzazione puo quindi essere visto come un processo casuale stazionario bianco a valore medio nullo e varianza (o potenza) uguale a: P V eq = σ eq = = /1 = V 1 M 3M 9 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Codifica binaria dei campioni quantizzati I livelli di quantizzazione di un segnale numerico vengono normalmente rappresentati in forma binaria (codifica binaria). Con K cifre binarie (bit) si possono rappresentare M = K livelli di quantizzazione. Ad ogni livello si associa un codice di K bit. Ad esempio, se K = 3, otteniamo M = 8 livelli di quantizzazione codificabili (in vario modo) con 3 bit: Codifica naturale Codifica Gray Codifica complemento v 8 v 7 v 6 v 5 v 4 v 3 v v Fondamenti di Segnali e Trasmissione

6 Rapporto segnale-rumore di quantizzazione Assumiamo che il segnale x(t) (e quindi x[n]) abbia una distribuzione delle ampiezze uniforme tra V e +V. La sua potenza (varianza) e uguale a P x(t) (a) ( V ) V 1/(V) P S = = 1 3 -V +V Se si utilizzano K cifre binarie la potenza del rumore di quantizzazione e V 3M P eq = = K e il rapporto fra la potenza del segnale e quella del rumore K ( ) = 10 log () 4 K K PS K SNR = = M = ; SNR = 10 log 6 db P eq V 3 1 => Per ogni cifra binaria aggiunta l SNR aumenta di un fattore 4, cioe 6 db. Q a 8 bit SNR db =48 db; Q a 10 bit SNR db =60 db; Q a 16 bit SNR db =96 db; 11 Fondamenti di Segnali e Trasmissione a Bit-rate di un segnale numerico A valle della codifica binaria il segnale numerico diventa una sequenza di bit che si presentano con una certa cadenza (la bit rate) misurata in bit al secondo (bit/s). Se il segnale tempo-continuo viene campionato con frequenza di f c =1/T e quantizzato utilizzando M livelli, cioe associando K=log M bit ad ogni campione, i bit si presentano ogni T b secondi, con T b = T / log M = T / K La bit-rate e l inverso di T b : R b = 1/ Tb = log M / T = log M f c = K f c Ad esempio, per un segnale tempo continuo x(t) con frequenza massima di 3.6KHz (segnale telefonico), il teorema del campionamento ne impone una frequenza di campionamento f c maggiore di 7.KHz. Utilizziamo quindi f c =8KHz (8000 campioni al secondo). Se quantizziamo il segnale con M=56 livelli servono K=8 bit. Il segnale telefonico numerico avra, dunque, una bit rate di: R = = 64 Kbit/sec 1 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

7 Come si trasmette un segnale numerico Abbiamo visto che un segnale numerico, a valle della codifica, e costituito da una sequenza di bit che si presentano con una certa cadenza (la bit rate): A questo punto possiamo dimenticare l origine della sequenza e che i bit vanno letti a gruppi di K, a partire da una certa posizione, per risalire ai campioni del segnale quantizzato x q (nt). Si deve trasmettere la sequenza, con la sua cadenza, attraverso un canale di trasmissione (satellite, ponte radio, cavo coassiale, fibra ottica ) che lascia passare solo segnali y(t) che hanno frequenze comprese nella banda B centrata attorno alla frequenza f o. Inoltre dovremo trasmettere dei segnali di sincronismo. B B Banda del canale -f f o f o 13 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Quantizzazione non uniforme x q V i s i s i+1 x E utilizzata quando la statistica del segnale in ingresso non è uniforme 14 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

8 Quantizzatore non uniforme: implementazione x x c x q Q N.L. uniforme La non-linearità espande gli intervalli più vicini all origine e comprime quelli verso il valor massimo. La cascata dei due blocchi emula un quantizzatore non lineare. x c s i-1 s i x v i 15 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Applicazione Quantizzazione Non Uniforme - 1 Segnale Telefonico Microfono x(t) Potenza del segnale fortemente dipendente dal parlatore Banda Hz Frequenza Campionamento f c =8kHz Utilizziamo K=8 bit per campione (8 Kcamp/s.*8 bit/camp=64kbit/sec) Nell ipotesi di segnale con distribuzione d ampiezza uniforme nell intervallo [-V,+V], la potenza di segnale P 1 =V /3. Se si utilizza una quantizzazione uniforme ( =V/ K ), P Q = /1, dunque (P 1 / P Q ) db =SNR db =6K=6*8=48 db Sufficiente per buona qualità segnale (>30dB). Fissato il passo di quantizzazione, se la potenza del segnale P S diminuisce di un fattore 100 (P s =P 1-0 [db]), cosa normalissima, SNR db 8dB < 30dB. 16 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

9 Applicazione Quantizzazione Non Uniforme - Per migliorare le prestazioni in presenza di segnali che possono cambiare significativamente la dinamica: Aumentare numero di bit per campione (sono necessari almeno 1 bit per tener conto delle situazioni reali nel caso telefonico) Utilizzare quantizzatori non uniformi. Segnali con piccola dinamica vedono piccoli intervalli di quantizzazione, segnali con grande dinamica vedono intervalli di quantizzazione grandi. Il quantizzatore non lineare è ottenuto con un blocco non-lineare (compressore) posto a monte di un quantizzatore uniforme. Un blocco inverso al compressore (espansore) è utilizzato dal lato ricostruzione. 17 Fondamenti di Segnali e Trasmissione Companding (Compression-Expanding) - 1 x(nt) v c v x c (nt) Quantizzatore Uniforme e codificatore (8 bit/camp.) c[n] R=64 kbit/s 8 bit/camp. c 1 [n] 1 bit/campione D/A (che rappresentano, con quantizzazione uniforme, 1 livelli equidistanti) 18 Fondamenti di Segnali e Trasmissione

10 Companding (Compression-Expanding) - SNR [db] Con Companding 10dB Senza Companding (Quantizz. Uniforme 8bit) P s /P 1 [db] La potenza di segnale P 1 corrisponde ad un segnale che copre tutta la dinamica del quantizz. 19 Fondamenti di Segnali e Trasmissione