SOMMARIO PRESENTAZIONE DELL EDIZIONE ITALIANA PREFAZIONE xv xvii CAPITOLO 1 INTRODUZIONE 1 1-1 Cenni storici 3 1-2 Sorgenti d informazione; sistemi digitali e analogici 4 1-3 Segnali determinati e aleatori 5 1-4 Contenuto del libro 6 1-5 Usare MATLAB su di un PC 6 1-6 Architettura di un sistema di comunicazione 7
iv Sommario 1-7 Allocazione frequenziale 9 1-8 Propagazione delle onde elettromagnetiche 10 1-9 La misura dell informazione 15 1-10 La capacità di canale e i sistemi di comunicazione ideali 17 1-11 Codifica a protezione d errore 18 Codici a blocco, 20 Codici convoluzionali, 20 Interlacciamento, 24 Prestazioni dei codici, Modulazioni con codici a traliccio, 27 1-12 Anteprima 28 1-13 Esercizi di approfondimento 28 Esercizi proposti 29 CAPITOLO 2 SEGNALI E SPETTRI 33 2-1 Proprietà dei segnali e del rumore 33 Forme d onda fisicamente realizzabili, 34 Operatore di media temporale, 34 Valore medio, 36 Potenza, 37 Valore efficace e potenza normalizzata, 39 Segnali a energia finita e a potenza finita, 40 Il decibel, 40 Fasori, 42 2-2 Trasformata di Fourier e spettri di un segnale 43 Definizione della trasformata di Fourier 43 Proprietà delle trasformate di Fourier 46 Teorema di Parseval e densità spettrale di energia 47 Funzione delta di Dirac e funzione gradino unitario 50 Impulsi rettangolare e triangolare 53 Convoluzione 58 2-3 Densità spettrale di potenza e funzione di autocorrelazione 61 Densità spettrale di potenza, 61 Funzione di autocorrelazione, 63 2-4 Rappresentazione su base ortogonale dei segnali e del rumore 65 Funzioni ortogonali, 65 Sviluppo su base ortogonale, 66 2-5 Serie di Fourier 68 Serie di Fourier in forma complessa, 68 Serie di Fourier in forma rettangolare, 70 Serie di Fourier in forma polare, 71
Sommario v Spettro a righe di un segnale periodico, 72 Densità spettrale di potenza per segnali periodici, 77 2-6 Richiami sui sistemi lineari 78 Sistemi lineari stazionari, 78 Risposta impulsiva, 79 Risposta in frequenza, 79 Trasmissione senza distorsione, 83 Distorsione di segnali audio, video e dati, 84 2-7 Segnali e rumore a banda limitata 86 Segnali a banda limitata, 86 Teorema del campionamento, 86 Campionamento ideale ed elaborazione numerica dei segnali, 89 Teorema della dimensionalità, 91 2-8 Trasformata discreta di Fourier 93 Uso della DFT per il calcolo della TF continua, 94 Uso della DFT per il calcolo della serie di Fourier, 98 2-9 Banda di un segnale 100 2-10 Riepilogo 107 2-11 Esercizi di approfondimento 107 Esercizi proposti 112 CAPITOLO 3 SEGNALI DIGITALI E A IMPULSI IN BANDA BASE 125 3-1 Generalità 125 3-2 Pulse-Amplitude Modulation (PAM) 126 Campionamento naturale, 126 Campionamento istantaneo (PAM con impulso rettangolare), 130 3-3 Pulse-Code Modulation (PCM) 134 Campionamento, quantizzazione e codifica, 135 Circuiti per sistemi PCM, 138 Occupazione di banda dei segnali PCM, 139 Influenza dei disturbi, 140 Quantizzazione non uniforme: le leggi  e A di compressione/espansione, 144 V.90 56-kbit/s PCM computer modem, 147 3-4 Trasmissione digitale 149 Rappresentazione vettoriale, 150 Valutazione della larghezza di banda, 152 Segnali binari, 152 Segnali multilivello, 154 3-5 Codici di linea e spettri 156 Codici di linea binari, 156 Spettri di potenza dei codici di linea binari, 159 Codifica differenziale, 165
vi Sommario Diagramma a occhio 166 Ripetitori rigenerativi, 167 Sincronizzazione di bit, 169 Spettro di potenza dei segnali NRZ polari multilivello, 172 Efficienza spettrale, 174 3-6 Interferenza intersimbolica 176 Primo criterio di Nyquist (ISI nulla), 178 Filtro di Nyquist a coseno rialzato, 179 Secondo e terzo criterio di Nyquist per il controllo dell ISI, 184 3-7 Modulazione PCM differenziale 184 3-8 Modulazione delta 188 Rumore granulare e rumore per sovraccarico di pendenza, 189 Modulazione delta adattativa e a pendenza variabile con continuità, 193 Codifica della voce, 195 3-9 Multiplazione a suddivisione di tempo 197 Sincronizzazione di trama, 197 Sistemi sincroni e asincroni, 198 Gerarchia TDM, 202 Il sistema PCM E1, 207 Il sistema PCM T1, 208 3-10 Trasmissione a pacchetto 209 3-11 Modulazioni del tempo d impulso: modulazione di durata e di posizione 210 3-12 Riepilogo 214 3-13 Esercizi di approfondimento 214 Esercizi proposti 218 CAPITOLO 4 SEGNALI PASSA-BANDA E RELATIVI SCHEMI CIRCUITALI 227 4-1 L inviluppo complesso dei segnali in banda passante 228 Definizioni: banda base, banda passante e modulazione, 228 Inviluppo complesso, 229 4-2 Rappresentazione dei segnali modulati 231 4-3 Spettro dei segnali passa-banda 231 4-4 Misura della potenza 235 4-5 Filtri passa-banda e distorsioni lineari 237 Equivalente in banda base di un filtro, 237 Distorsioni lineari, 239 4-6 Teorema del campionamento per segnali passa-banda 241 4-7 Ricezione di segnale e rumore 243 4-8 Tipi di filtri e amplificatori 244
Sommario vii Filtri, 244 Amplificatori, 248 4-9 Distorsioni non lineari 248 4-10 Limitatori 253 4-11 Mixer e convertitori di frequenza 255 4-12 Moltiplicatori di frequenza 261 4-13 Rivelatori 262 Rivelatori di inviluppo, 263 Rivelatore sincrono, 264 Demodulatore di frequenza, 265 4-14 Anelli ad aggancio di fase e sintetizzatori di frequenza 270 4-15 Sintesi digitale diretta 278 4-16 Trasmettitori e ricevitori 279 Trasmettitori universali, 279 Ricevitori universali: il ricevitore supereterodina, 281 Ricevitori Zero-IF, 284 Interferenza, 285 4-17 Software radio 286 4-18 Riepilogo 287 4-19 Esercizi di approfondimento 287 Esercizi proposti 292 CAPITOLO 5 MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI 299 5-1 Modulazione di ampiezza 300 5-2 Standard tecnici per le trasmissioni AM 305 5-3 Modulazione a doppia banda laterale con portante soppressa 305 5-4 Anello di Costas e anello quadratore 306 5-5 Segnali a banda laterale unica 308 Banda laterale unica, 308 Banda laterale vestigiale (o residua), 311 5-6 Modulazioni di fase e di frequenza 314 Rappresentazione dei segnali PM e FM, 314 Spettro dei segnali modulati d angolo, 318 Modulazione a banda stretta, 322 Modulazione di frequenza a banda larga, 324 Preenfasi e deenfasi per i segnali modulati d angolo, 327 5-7 Multiplazione a suddivisione di frequenza e FM stereo 328
viii Sommario 5-8 Standard tecnici per la diffusione FM 331 5-9 Modulazioni digitali binarie 331 Modulazione OOK (On Off Keying), 334 Modulazione BPSK (Binary Phase Shift Keying), 337 Modulazione DPSK (Differential Phase Shift Keying), 338 Modulazione FSK (Frequency Shift Keying), 339 5-10 Modulazioni digitali multilivello 346 Modulazioni QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e MPSK (M-ary Phase Shift Keying), 346 Modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 347 Modulazioni OQPSK e p/4 QPSK, 350 DSP per MPSK, QAM, OQPSK e p/4 QPSK, 350 Efficienza spettrale di MPSK, QAM, OQPSK e p/4 QPSK con sagomatura a coseno rialzato, 352 5-11 Modulazione MSK (Minimum Shift Keying) e GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) 353 5-12 Modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 360 5-13 Sistemi a spettro espanso (spread spectrum) 362 Sistemi a Sequenza Diretta (DS/SS), 364 Frequency hopping, 370 5-14 Riepilogo 372 5-15 Esercizi di approfondimento 372 Esercizi proposti 375 CAPITOLO 6 PROCESSI ALEATORI E ANALISI SPETTRALE 389 6-1 Definizioni fondamentali 390 Processi aleatori, 390 Stazionarietà ed ergodicità, 391 Funzioni di correlazione e stazionarietà in senso lato, 395 Processi aleatori complessi, 397 6-2 Densità spettrale di potenza 399 Definizione, 399 Teorema di Wiener-Khintchine, 400 Proprietà della densità spettrale di potenza, 403 Formula generale per la densità spettrale di potenza dei segnali digitali, 407 Processo di rumore bianco, 410 Misure di densità spettrale di potenza, 410 6-3 Valore medio e valore efficace per un processo aleatorio ergodico 412 6-4 Sistemi lineari 413 Relazioni ingresso-uscita, 413 6-5 Misura della banda 418
Sommario ix Banda equivalente, 419 Banda efficace, 419 6-6 Processi aleatori Gaussiani 421 Proprietà dei processi Gaussiani, 422 6-7 Processi passa-banda 425 Rappresentazione in banda passante, 425 Proprietà dei processi passa-banda stazionari in senso lato, 429 Dimostrazione di alcune proprietà, 433 6-8 Il filtro adattato 438 Definizione e risultati generali, 438 Risultati nel caso di rumore bianco, 441 Il correlatore, 445 Filtro adattato trasversale, 446 6-9 Riepilogo 449 6-10 Appendice: dimostrazione della disuguaglianza di Schwarz 451 6-11 Esercizi di approfondimento 453 Esercizi proposti 456 CAPITOLO 7 INFLUENZA DEI DISTURBI SULLE PRESTAZIONI DEI SISTEMI DI COMUNICAZIONE 467 7-1 Probabilità d errore delle segnalazioni binarie 468 Risultati generali, 468 Risultati per rumore Gaussiano, 471 Risultati per rumore Gaussiano bianco e ricezione con filtro adattato, 473 Risultati per rumore Gaussiano colorato e ricezione con filtro adattato, 474 7-2 Prestazioni dei sistemi binari in banda base 475 Segnalazione unipolare, 475 Segnalazione polare, 476 Segnalazione bipolare, 478 7-3 Rivelazione coerente di segnali passa-banda binari 479 Modulazione OOK (On-Off Keying), 479 Modulazione BPSK (Binary Phase Shift Keying), 481 Modulazione FSK (Frequency Shift Keying), 482 7-4 Rivelazione non coerente di segnali passa-banda binari 486 Modulazione OOK (On-Off Keying), 486 Modulazione FSK (Frequency Shift Keying), 489 Modulazione DPSK (Differential Phase Shift Keying), 491 7-5 Modulazione QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) e MSK (Minimum Shift Keying) 493 7-6 Confronto tra i vari sistemi di trasmissione digitale 495 BER e banda, 495
x Sommario Probabilità d errore sul simbolo e sul bit per trasmissioni multilivello, 497 Sincronizzazione, 498 7-7 Rapporto segnale-rumore di uscita nei sistemi PCM 499 7-8 Rapporto segnale-rumore di uscita nei sistemi analogici 505 Sistemi in banda base e in banda passante, 505 Sistemi AM con rivelazione sincrona, 506 Sistemi AM con rivelatore di inviluppo, 508 Sistemi DSB-SC, 509 Sistemi SSB, 509 Sistemi PM, 510 Sistemi FM, 514 Sistemi FM con riduzione della soglia, 517 Sistemi FM con deenfasi, 7-9 Confronto delle prestazioni dei sistemi di trasmissione analogici 521 Prestazioni del sistema ideale, 521 7-10 Riepilogo 524 7-11 Esercizi di approfondimento 524 Esercizi proposti 532 CAPITOLO 8 SISTEMI DI COMUNICAZIONE VIA RADIO E VIA CAVO 541 8-1 Lo straordinario sviluppo delle telecomunicazioni 541 8-2 Sistemi telefonici 542 Cenni storici, 542 Sistemi telefonici moderni, 543 8-3 Linee digitali d abbonato 548 Esempio di sistema ADSL, 549 Video on Demand (VOD), 550 ISDN, 550 8-4 Capacità della rete telefonica pubblica commutata 553 8-5 Sistemi di comunicazione via satellite 553 Trasmissione analogica e digitale di programmi televisivi, 557 Sistemi ad accesso multiplo per comunicazioni telefoniche e dati, 559 Comunicazioni personali via satellite, 565 8-6 Bilancio energetico di un collegamento 567 Potenza del segnale ricevuto, 567 Sorgenti di rumore termico, 569 Caratterizzazione energetica delle sorgenti di rumore, 570 Sistemi lineari rumorosi, 571 Sistemi rumorosi in cascata, 576 Bilancio energetico di un collegamento (link budget), 578 Bilancio energetico per un sistema digitale, 580 Perdita di propagazione (path loss) per ambiente urbano, 581
Sommario xi 8-7 Sistemi su fibra ottica 585 8-8 Sistemi telefonici cellulari 587 Sistemi di prima generazione (1G) : E-TACS e AMPS, 590 Sistemi di seconda generazione nordamericani (2G): IS-54/IS-136, IS-95, 593 Il Sistema universale di seconda generazione: GSM, 595 Sistemi di terza generazione (3G): UMTS, 597 8-9 Sistemi televisivi 598 Televisione in bianco e nero, 598 Televisione a colori, 601 Televisione digitale, 605 Televisione digitale europea, 606 Codifica dei segnali video digitali in formato MPEG, 607 8-10 Riepilogo 609 8-11 Esercizi di approfondimento 610 Esercizi proposti 613 APPENDICE A FORMULE E TAVOLE MATEMATICHE 621 A-1 Trigonometria e numeri complessi 621 Definizioni, 621 Identità trigonometriche e numeri complessi, 621 A-2 Calcolo differenziale 622 Definizione, 622 Regole di derivazione, 622 Derivate notevoli, 622 A-3 Forme indeterminate 623 A-4 Calcolo integrale 623 Definizione, 623 Formule di integrazione, 624 A-5 Integrali notevoli 624 Integrali indefiniti, 624 Integrali definiti, 625 A-6 Serie numeriche 626 Sommatorie finite, 626 Serie infinite, 626 A-7 Trasformata di Hilbert 627 A-8 Funzione delta di Dirac 627 Proprietà della funzione delta di Dirac, 628 A-9 Tabulazione di Sa(x) = (sin x)/x 629 A-10 Tabulazione di Q(z) 630
xii Sommario APPENDICE B PROBABILITÀ E VARIABILI ALEATORIE 633 B-1 Introduzione 633 B-2 Insiemi 634 B-3 Probabilità e frequenza relativa 635 Probabilità semplice, 635 Probabilità congiunta, 636 Probabilità condizionata, 637 B-4 Variabili aleatorie 638 B-5 Funzioni distribuzione e densità di probabilità 638 Proprietà della distribuzione e della densità di probabilità, 640 Distribuzioni continue e discrete, 641 B-6 Media statistica e momenti 644 Valor medio, 644 Momenti, 646 B-7 Alcune importanti distribuzioni 647 Distribuzione binomiale, 649 Distribuzione di Poisson, 650 Distribuzione uniforme, 651 Distribuzione Gaussiana, 651 Distribuzione di una sinusoide, 655 B-8 Trasformazioni di variabili aleatorie 656 B-9 Statistiche multidimensionali 661 Funzioni distribuzione e densità di probabilità multidimensionali, 661 Statistiche bidimensionali, 663 Sistema di due variabili congiuntamente Gaussiane, 664 Funzioni di un sistema di più variabili, 664 Il Teorema-limite centrale, 667 Esercizi proposti, 668 APPENDICE C STANDARD E TERMINOLOGIA PER LE RETI DI TELECOMUNICAZIONI E LA TRASMISSIONE DATI 675 C-1 Codici 675 Baudot, 675 ASCII, 676 C-2 DTE/DCE e standard per le interfacce Ethernet 676 USB (Universal Serial Bus), 678 Interfacce seriali RS-232, RS-422, RS-499 e RS-530, 678 Interfaccia parallela Centronics, 680 Interfaccia parallela IEEE-488, 680 Interfaccia Ethernet (IEEE 802.3), 681
Sommario xiii C-3 Il modello di rete ISO-OSI 683 C-4 Protocolli del livello di collegamento dati (data link layer) 686 HDLC, 686 Il protocollo CCITT X.25, 687 ATM (Asynchronous Transfer Mode), 688 C-5 Normative standard per i modem in banda telefonica 688 APPENDICE D INTRODUZIONE ALL USO DI MATLAB 695 D-1 Veloce introduzione all esecuzione dei file-m 696 D-2 Programmare in MATLAB 697 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 699 ESERCIZI PROPOSTI SOLUZIONI SELEZIONATE 713 INDICE ANALITICO 719