Sommario Prefazione all edizione italiana Prefazione Basi teoriche Applicazioni pratiche Simboli Funzioni definite Notazione degli operatori Acronimi XV XVII XVII XVIII XXI XXIV XXIV XXV Capitolo 1 Introduzione 1 1.1 Tappe fondamentali nella storia delle comunicazioni 2 1.2 Sorgenti d informazione e sistemi digitali e analogici 5 1.3 Segnali deterministici e aleatori 6 1.4 Organizzazione del libro 6 1.5 Uso del personal computer e di MATLAB 7 1.6 Diagramma a blocchi di un sistema di comunicazione 8 1.7 Allocazione in frequenza 10 1.8 Propagazione delle onde elettromagnetiche 11 1.9 Misura dell informazione 17 1.10 Capacità di canale e sistemi di comunicazione ideali 19 1.11 Codifica a protezione d errore 20 Codici a blocco 21 Codici convoluzionali 22 Interleaving 25 Prestazioni dei codici 26 Modulazioni con codici a traliccio (TCM) 29 1.12 Anteprima del prossimo capitolo 29 1.13 Esempi esplicativi 30 Esercizi 31
VIII Sommario 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 35 Valore medio 36 Potenza 37 Valore efficace e potenza normalizzata 39 Segnali a energia finita e a potenza finita 40 Decibel 40 Fasori 42 2.2 Trasformata di Fourier e spettri 43 Definizione 43 Proprietà delle trasformate di Fourier 46 Teorema di Parseval e densità spettrale di energia 48 Funzione delta di Dirac e funzione gradino unitario 51 Impulso rettangolare e impulso 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 Serie di funzioni ortogonali 66 2.5 Serie di Fourier 68 Serie di Fourier in forma complessa 68 Serie di Fourier in forma ortogonale 69 Serie di Fourier in forma polare 70 Spettro a righe di un segnale periodico 72 Densità spettrale di potenza per segnali periodici 76 2.6 Richiami sui sistemi lineari 77 Sistemi lineari tempo-invarianti 77 Risposta all impulso 79 Funzione di trasferimento 79 Trasmissione senza distorsione 82 Distorsione di segnali audio, video e dati 85 2.7 Segnali e rumore limitati in banda 85 Segnali a banda limitata 85 Teorema del campionamento 86 Campionamento ideale ed elaborazione digitale del segnale (DSP) 88 Teorema della dimensionalità 92 2.8 Trasformata discreta di Fourier 93 Impiego della DFT per il calcolo della trasformata di Fourier continua 94 Impiego della DFT per il calcolo della serie di Fourier 99 2.9 Banda dei segnali 101 2.10 Sommario 106 2.11 Esempi esplicativi 106 Esercizi 110
Sommario IX Capitolo 3 Segnali impulsivi in banda base e segnali digitali 125 3.1 Introduzione 125 3.2 Modulazione ad ampiezza di impulso 126 Campionamento naturale (Gating) 126 Campionamento istantaneo (PAM a impulsi rettangolari) 131 3.3 Modulazione a codice di impulsi 134 Campionamento, quantizzazione e codifica 135 Circuiti PCM 138 Larghezza di banda dei segnali PCM 140 Effetti del rumore 141 Quantizzazione non uniforme: companding con legge µ e con legge A 144 Modem PCM per computer V.90 a 56-kb/s 148 3.4 Segnali digitali 149 Rappresentazione vettoriale 150 Stima della larghezza di banda 151 Segnali binari 153 Segnali multilivello 154 3.5 Codici di linea e spettri 157 Codifica binaria di linea 157 Spettro di potenza dei codici di linea binari 159 Codifica differenziale 166 Diagramma a occhio 167 Ripetitori a rigenerazione 168 Sincronizzazione di bit 170 Spettro di potenza dei segnali NRZ polari multilivello 173 Efficienza spettrale 175 3.6 Interferenza intersimbolica 176 Primo metodo di Nyquist (ISI nulla) 179 Filtro di Nyquist a coseno rialzato 180 Secondo e terzo metodo di Nyquist per il controllo dell ISI 185 3.7 Modulazione a codice di impulsi differenziale 185 3.8 Modulazione delta 189 Rumore granulare e rumore per sovraccarico di pendenza 190 Modulazione delta adattativa e modulazione a pendenza variabile con continuità 194 Codifica della voce 196 3.9 Multiplazione a divisione di tempo 196 Sincronizzazione di trama 198 Linee sincrone e linee asincrone 200 Gerarchia TDM 202 Il sistema PCM T1 208 Il sistema PCM E1 209 3.10 Sistemi di trasmissione a pacchetto 210 3.11 Modulazione del tempo d impulso: modulazione a larghezza d impulso emodulazione a posizione d impulso 211 3.12 Sommario 215 3.13 Esempi esplicativi 215 Esercizi 218
X Sommario Capitolo 4 Segnali in banda passante: principi e circuiti 227 4.1 Rappresentazione dei segnali passa-banda mediante inviluppo complesso 227 Definizioni: banda base, banda passante e modulazione 228 Rappresentazione mediante inviluppo complesso 229 4.2 Rappresentazione dei segnali modulati 231 4.3 Spettro dei segnali passa-banda 231 4.4 Calcolo della potenza 235 4.5 Filtri passa-banda e distorsione lineare 237 Filtro passa basso equivalente 237 Distorsione lineare 239 4.6 Teorema del campionamento per segnali passa-banda 241 4.7 Segnale ricevuto e rumore 243 4.8 Classificazione di filtri e amplificatori 244 Filtri 244 Amplificatori 248 4.9 Distorsioni non lineari 248 4.10 Limitatori 254 4.11 Mixer e convertitori di frequenza 255 4.12 Moltiplicatori di frequenza 262 4.13 Demodulatori 263 Demodulatore d inviluppo 263 Demodulatore prodotto 265 Demodulatore FM 266 4.14 Anelli ad aggancio di fase e sintetizzatori di frequenza 271 4.15 Sintesi digitale diretta 279 4.16 Trasmettitori e ricevitori 280 Trasmettitori universali 280 Ricevitori universali: il ricevitore supereterodina 282 Ricevitori a frequenza intermedia nulla o zeri-if 285 Interferenza 286 4.17 Software radio 287 4.18 Sommario 288 4.19 Esempi esplicativi 288 Esercizi 294 Capitolo 5 Sistemi con modulazioni AM, FM e digitali 301 5.1 Modulazione di ampiezza 302 5.2 Standard tecnici per la trasmissione AM e diffusione AM digitale 307 Radiodiffusione AM analogica 307 Radiodiffusione AM digitale 308 5.3 Modulazione AM a doppia banda laterale con portante soppressa 308 5.4 Anello di Costas e anello quadratore 309
Sommario XI 5.5 Segnali con banda laterale asimmetrica 311 Segnali a banda laterale unica 311 Modulazione vestigiale 315 5.6 Modulazione di fase e modulazione di frequenza 318 Rappresentazione di segnali PM e FM 318 Spettro dei segnali con modulazione angolare 322 Modulazione angolare a banda stretta 327 Modulazione di frequenza a banda larga 328 Preenfasi e deenfasi in sistemi con modulazione angolare 331 5.7 Multiplazione a divisione di frequenza ed FM stereo 334 5.8 Standard tecnici per la trasmissione FM e la trasmissione FM digitale 335 Trasmissione FM analogica 335 Trasmissione FM digitale 337 5.9 Segnali passa-banda con modulazione digitale 337 On-off keying (OOK) 338 Binary phase-shift keying (BPSK) 342 Differential phase-shift keying (DPSK) 343 Frequency-shift keying (FSK) 344 5.10 Segnali multilivello modulati in banda passante 350 Quadrature phase-shift keying (QPSK) e phase-shift keying M-aria (MPSK) 352 Quadrature amplitude modulation 354 OQPSK e /4 QPSK 355 PSD di MPSK, QAM, QPSK, OQPSK e /4 QPSK 358 Efficienza spettrale delle modulazioni MPSK, QAM, QPSK, OQPSK e /4 QPSK in presenza di filtri a coseno rialzato 360 5.11 Minimum-shift keying (MSK) e GMSK 362 5.12 Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 368 5.13 Sistemi a spettro espanso 370 Direct sequence 371 Frequency hopping 377 Bande di frequenza SS 378 5.14 Sommario 379 5.15 Esempi esplicativi 379 Esercizi 382 Capitolo 6 Processi aleatori e analisi spettrale 395 6.1 Alcune definizioni di base 395 Processi aleatori 395 Stazionarietà ed ergodicità 397 Funzioni di correlazione e stazionarietà in senso lato 400 Processi aleatori complessi 403 6.2 Densità spettrale di potenza 404 Definizione 404 Teorema di Wiener-Khintchine 406 Proprietà della PSD 409 Forma generale della PSD dei segnali digitali 413 Processi di rumore bianco 416 Misura della PSD 416
XII Sommario 6.3 Valor medio e valore quadratico medio dei processi aleatori ergodici 418 6.4 Sistemi lineari 419 Relazioni ingresso-uscita 419 6.5 Misure di larghezza di banda 424 Larghezza di banda equivalente 424 Larghezza di banda efficace (o larghezza di banda RMS) 424 6.6 Il processo aleatorio gaussiano 427 Proprietà dei processi gaussiani 428 6.7 Processi in banda passante 431 Rappresentazioni in banda passante 431 Proprietà dei processi passa-banda WSS 434 Dimostrazioni di alcune proprietà 439 6.8 Filtri adattati 444 Risultati generali 444 Risultati per il caso di rumore bianco 446 Elaborazione tramite correlazione 449 Filtro adattato trasversale 451 6.9 Sommario 455 6.10 Appendice: dimostrazione della diseguaglianza di Schwarz 456 6.11 Esempi esplicativi 459 Esercizi 461 Capitolo 7 Prestazioni dei sistemi di comunicazione soggetti a rumore 473 7.1 Probabilità d errore per segnali binari 473 Risultati generali 473 Risultati per rumore gaussiano 476 Risultati per ricezione con filtro adattato in presenza di rumore bianco e gaussiano 478 Risultati per ricezione con filtro adattato in presenza di rumore gaussiano colorato 479 7.2 Prestazioni dei sistemi binari in banda base 480 Segnali unipolari 480 Segnali polari 481 Segnali bipolari 483 7.3 Demodulazione coerente di segnali binari in banda passante 484 On-off keying (OOK) 484 Binary-phase shift keying (BPSK) 486 Frequency-shift keying (FSK) 487 7.4 Demodulazione non coerente di segnali binari in banda passante 490 On-off keying (OOK) 491 Frequency-shift keying (FSK) 494 Differential phase-shift keying (DPSK) 496 7.5 Quadrature phase-shift keying (QPSK) e minimum-shift keying (MSK) 498 7.6 Confronto fra sistemi di modulazione digitali 501 Bit error rate e larghezza di banda 501 Errore sul simbolo ed errore sul bit per modulazioni multilivello 501 Sincronizzazione 503
Sommario XIII 7.7 Rapporto segnale-rumore in uscita da sistemi PCM 504 7.8 Rapporti segnale-rumore d uscita per sistemi analogici 510 Confronto con i sistemi in banda base 510 Sistemi AM con demodulazione prodotto 511 Sistemi AM con demodulazione di inviluppo 513 Sistemi DSB-SC 514 Sistemi SSB 514 Sistemi PM 515 Sistemi FM 519 Sistemi FM con estensione della soglia 522 Sistemi FM con deenfasi 524 7.9 Confronto tra sistemi analogici 526 Prestazioni di un sistema ideale 528 7.10 Sommario 530 7.11 Esempi esplicativi 530 Esercizi 539 Appendice A Formule matematiche, identità e tabelle 549 A.1 Trigonometria e numeri complessi 549 Definizioni 549 Identità trigonometriche e numeri complessi 549 A.2 Calcolo differenziale 550 Definizione 550 Regole di derivazione 550 Derivate notevoli 550 A.3 Forme indeterminate 551 A.4 Calcolo integrale 552 Definizione 552 Tecniche d integrazione 552 A.5 Integrali notevoli 552 Integrali indefiniti 552 Integrali definiti 554 A.6 Espansioni in serie 555 Serie finite 555 Serie infinite 555 A.7 Trasformate di Hilbert 556 A.8 Funzione delta di Dirac 556 Proprietà della funzione Delta di Dirac 557 A.9 Tavola di Sa(x) = (sin x)/x 558 A.10 Tavola di Q(z) 559
XIV Sommario Appendice B Probabilità e variabili aleatorie 561 B.1 Introduzione 561 B.2 Insiemi 561 B.3 Probabilità e frequenza relativa 563 Probabilità semplice 563 Probabilità congiunta 563 Probabilità condizionata 564 B.4 Variabili aleatorie 565 B.5 Funzione di distribuzione cumulativa e funzione densità di probabilità 567 Proprietà della CDF e della PDF 567 Distribuzioni continue e discrete 569 B.6 Medie d insieme e momenti 572 Medie d insieme 572 Momenti 573 B.7 Esempi di distribuzioni importanti 575 Distribuzione binomiale 575 Distribuzione di Poisson 578 Distribuzione uniforme 578 Distribuzione gaussiana 578 Distribuzione sinusoidale 583 B.8 Trasformazione di variabili aleatorie 583 B.9 Statistiche multivariate 588 CDF e PDF multivariate 588 Statistica bivariata o bidimensionale 590 Distribuzione gaussiana bivariata 591 Trasformazioni mediante funzioni: il caso multivariato 592 Teorema del limite centrale 594 Esercizi 596 Appendice C Uso di MATLAB 603 C.1 Guida rapida all utilizzo degli M-file 604 C.2 Programmare in MATLAB 604 Soluzioni di alcuni esercizi di fine capitolo 607 Capitolo 1 607 Capitolo 2 607 Capitolo 3 608 Capitolo 4 609 Capitolo 5 609 Capitolo 6 610 Capitolo 7 611 Appendice B 612 Bibliografia 613 Indice analitico 625