SISTEMI ELETTRONICI A - INTRODUZIONE A.2 - Tipi di segnale Tipi di segnale e le loro caratteristiche Parametri dei segnali Perchè i segnali digitali? Ingegneria dell Informazione Obiettivi del gruppo di lezioni A Informazioni logistiche e organizzative Scomposizione di un sistema complesso Tipi di segnale, loro caratteristiche e parametri. Come individuare e descrivere i principali moduli funzionali e i tipi di segnale presenti in un sistema complesso e segnali digitali Il rumore come errore su un segnale Vantaggi e limiti dei segnali digitali 020509-1 SisElnTA2-2002 DDC 020509-2 SisElnTA2-2002 DDC I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Schema a blocchi di telefonino CONTROLLO 020509-3 SisElnTA2-2002 DDC 020509-4 SisElnTA2-2002 DDC Diversi tipi di segnale Diversi tipi di segnale bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz 020509-5 SisElnTA2-2002 DDC 020509-6 SisElnTA2-2002 DDC Page 1 2002 DDC 1
Diversi tipi di segnale Diversi tipi di segnale 1 bit/n bit bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz 1 bit/n bit Alimentazione: tensioni bassa frequenza continue stabilizzate, CONTROLLO 300 Hz-3 KHz per CATENA tutti i moduli TX 020509-7 SisElnTA2-2002 DDC 020509-8 SisElnTA2-2002 DDC Diversi tipi di segnale Segnale audio 1 bit/n bit Alimentazione: tensioni bassa frequenza continue stabilizzate, CONTROLLO 300 Hz-3 KHz per CATENA tutti i moduli TX bassa frequenza CONTROLLO 300 Hz-3 KHz 020509-9 SisElnTA2-2002 DDC 020509-10 SisElnTA2-2002 DDC Segnali audio - 1 Segnali audio - 2 Nei circuiti associati a microfono e auricolare sono presenti segnali audio Esempio: segnale sinusoidale (tono): v(t) = V sen (ωt + φ) V = valore di picco (volt, simbolo V) ω = pulsazione (radianti/secondo), (frequenza f = ω/2π, in Hertz, simbolo Hz) φ = fase (radianti, simbolo rad) Banda audio telefonica: frequenze 300 Hz 3 khz Esempio: tono a 500 Hz ampiezza 2 ms 020509-11 SisElnTA2-2002 DDC 020509-12 SisElnTA2-2002 DDC Page 2 2002 DDC 2
Altri segnali analogici triangolare voce somma di componenti sinuosoidali, a frequenze tra 300 Hz e 3 khz. altre forme d onda CONTROLLO 020509-13 SisElnTA2-2002 DDC 020509-14 SisElnTA2-2002 DDC Segnali a radiofrequenza - 2 Nei circuiti in prossimità dell antenna sono presenti segnali sinusoidali a frequenza elevata (800 MHz - 1,8 GHz circa). Amplificatori e interconnessioni particolari. Esempio: segnale non modulato a 800 MHz: 1 ns (2 ms per segnale audio) 1 bit/n bit Alimentazione Alimentazione: tensioni bassa frequenza continue stabilizzate, CONTROLLO 300 Hz-3 KHz per CATENA tutti i moduli TX 020509-15 SisElnTA2-2002 DDC 020509-16 SisElnTA2-2002 DDC ampiezza 1 s Alimentazione - 2 Alimentazione: non trasporta informazione, ma fornisce energia Parametri:» tensione continua» corrente continua assorbita» componente variabile di corrente e tensione audio RF Digitali Alim. frequenza khz GHz 100 MHz 0 Hz Sensori (ingressi) Attuatori (uscite) Microf. Antenna Tastiera Altoparlante auricolare antenna Segnali e trasduttori Display comandi Tensione, temperatura 020509-17 SisElnTA2-2002 DDC 020509-18 SisElnTA2-2002 DDC Page 3 2002 DDC 3
I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Un segnale può essere visualizzato in funzione del : asse Y: ampiezza Strumento: oscilloscopio Rappresentazione in asse X: 020509-19 SisElnTA2-2002 DDC 020509-20 SisElnTA2-2002 DDC Un segnale può essere visualizzato anche indicando le sue componenti in funzione della frequenza: asse Y: ampiezza Strumento: analizzatore di spettro Rappresentazione in frequenza fondamentale II armonica III armonica Legame - frequenza Variazioni rapide del segnale corrispondono a componenti a frequenza elevata F = 0 Rumore di base asse X: frequenza F = 0 banda frequenza 020509-21 SisElnTA2-2002 DDC 020509-22 SisElnTA2-2002 DDC Spettri di segnali Segnale periodico» spettro a righe, distanza: inverso del periodo Segnale non periodico (nel )»spettro continuo (in frequenza) Segnale finito (da t = 0 a t = T1)» occupazione in banda illimitata Segnale a banda limitata» non limitato nel (da t = - a t = + ) Variazioni ripide» componenti a frequenze elevate I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo 020509-23 SisElnTA2-2002 DDC 020509-24 SisElnTA2-2002 DDC Page 4 2002 DDC 4
CONTROLLO 1 bit/n bit (teoria) Il segnale digitale è una lista di numeri 1563729861039649740107417399... 1 87361407401791647651741881 2 64210761746155281109874014171 3 740165265287591258171651901 4 76451752843721767276218417655 5 1344714421416607418917481751 6... Tempo: N cifre T campioni 020509-25 SisElnTA2-2002 DDC 020509-26 SisElnTA2-2002 DDC (pratica) Troncamento delle cifre; scegliere i campioni 1563729861039649740107417399... 1ms 87361407401791647651741881 64210761746155281109874014171 2ms 740165265287591258171651901 76451752843721767276218417655 3ms 1344714421416607418917481751 Tempo: 3 cifre decimali: 1.000 valori 1 campione/ms reali Il segnale digitale è una sequenza di numeri, generalmente in base 2 discreto in : è definito solo per alcuni istanti di entro un certo intervallo discreto in ampiezza: può assumere solo alcuni valori entro un certo intervallo 020509-27 SisElnTA2-2002 DDC 020509-28 SisElnTA2-2002 DDC Rappresentazione digitale Il numero di valori disponibili determina la risoluzione R della rappresentazione numerica; in base 2 (cifre 0/1): N bit : 2 N valori,» i valori rappresentabili sono a distanza R = (fondo scala)/ 2 N possiamo riferire R al fondo scala come» percentuale 100/2 N %»PPM (Parti Per Milione) 1M/2 N PPM Risoluzione R N bit : 2 N valori R = 100/2 N % = 1M/2 N PPM Risoluzione con numeri binari 4 bit 2 4 = 16 R = 6,25 % 8 bit, 2 8 = 256 R = 0,4 % 16 bit, 2 16 = 65.000 R = 0,0015 % 15 PPM 24 bit 2 24 = 16 M R = 6 10-6 % 0,06 PPM 32 bit 2 32 = 4,3 G 020509-29 SisElnTA2-2002 DDC 020509-30 SisElnTA2-2002 DDC Page 5 2002 DDC 5
Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %? di 20 PPM? Esercizio A2-1 Esercizio A2-1 Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %?» 100/0,1 = 1000 quale N per 2 N > 1000? 2 10 = 1024 sono necessari 10 bit di 20 PPM? 020509-31 SisElnTA2-2002 DDC 020509-32 SisElnTA2-2002 DDC Esercizio A2-1 Quanti bit occorrono per avere risoluzione: dello 0,1 %?» 100/0,1 = 1000 quale N per 2 N > 1000? 2 10 = 1024 sono necessari 10 bit di 20 PPM?» 1.000.000/20 = 50.000 quale N per 2 N > 50.000? 2 16 = 65.000 circa sono necessari 16 bit valore H L Segnali binari nel L evoluzione nel di un segnale binario è rappresentata da una sequenza di bit: due livelli H/L (1 bit) (discreto in ampiezza) definito a intervalli Ts (discreto nel ) Ts 020509-33 SisElnTA2-2002 DDC 020509-34 SisElnTA2-2002 DDC valore H L Segnali binari nel La rappresentazione discreta (punti) diventa un diagramma rale, analogo a quello utilizzato per i segnali analogici. Diagrammi rali Le tensioni rappresentano stati logici (H/L, 0/1, ), secondo una regola ben definita, ad esempio:» 3 V stato alto, H, 1,...»0,5 V stato basso, L, 0,... Ts 020509-35 SisElnTA2-2002 DDC 020509-36 SisElnTA2-2002 DDC Page 6 2002 DDC 6
I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Il segnale analogico è continuo in : definito per qualsiasi istante di (entro un intervallo) in ampiezza: qualsiasi valore (entro un intervallo) Parametri: intervallo di ampiezza» max e min (dinamica), contenuto spettrale» limiti di banda, forma dello spettro 020509-37 SisElnTA2-2002 DDC 020509-38 SisElnTA2-2002 DDC Rumore e disturbi A ogni segnale è sempre sovrapposto un rumore Degradazione del segnale analogico Ogni passo di amplificazione o elaborazione aggiunge rumore. Nel segnale analogico il rumore determina una degradazione non recuperabile. il rumore NON trasporta informazione utile 020509-39 SisElnTA2-2002 DDC 020509-40 SisElnTA2-2002 DDC Degradazione del segnale digitale Nel segnale digitale la degradazione del segnale dovuta al rumore è recuperabile (se contenuta entro certi limiti). Grazie alla discretizzazione in ampiezza del segnale digitale, è possibile ricostruire il valore originario confrontando il segnale con una soglia. Ripristino del segnale digitale 020509-41 SisElnTA2-2002 DDC 020509-42 SisElnTA2-2002 DDC Page 7 2002 DDC 7
I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo Recupero del segnale digitale Per un segnale digitale gli effetti del rumore non sono cumulativi, perché può essere ripristinato a intervalli regolari. Questo consente di eseguire sul segnale catene di operazioni complesse. Perché non vi sia perdita di informazione il rumore deve essere limitato. 020509-43 SisElnTA2-2002 DDC 020509-44 SisElnTA2-2002 DDC Passaggi /A - 1 I segnali fisici (trasduttori e attuatori) sono prevalentemente analogici. E possibile convertire un segnale analogico in numerico con un sistema di conversione ANALOGICO/DIGITALE () E possibile convertire un segnale numerico in analogico con un sistema di conversione SENSORI (ANALOG.) SISTEMA NUMERICO Passaggi /A - 2 La maggior parte dei sistemi elettronici comprende: interfacce verso il mondo esterno analogico --- trattamento del segnale numerico --- interfacce verso il mondo esterno analogico ATTUATORI (ANALOG.) DIGITALE/ANALOGICO () 020509-45 SisElnTA2-2002 DDC 020509-46 SisElnTA2-2002 DDC Evoluzione dei sistemi elettronici I sistemi elettronici tendono a migrare verso il digitale, perché: Sono disponibili strumenti automatici per il progetto e la realizzazione di moduli digitali, Si possono ottenere circuiti integrati digitali di complessità più alta rispetto a quelli analogici, La realizzazione di circuiti integrati digitali ha costi più bassi. I circuiti digitali sono programmabili (SW!) Strumenti di progetto per il digitale E possibile realizzare sistemi di elaborazione digitali con errori progettabili errore in ampiezza: legato alla risoluzione: 1/2 N (N = num bit) errore in banda: legato a Fs/Ts (cadenza di campionamento) 020509-47 SisElnTA2-2002 DDC 020509-48 SisElnTA2-2002 DDC Page 8 2002 DDC 8
Dove va l elettronica Limiti del digitale Da SENSORI (ANALOG.) SISTEMA NUMERICO ATTUATORI (ANALOG.) Presenza intrinseca di errori dovuti a risoluzione finita (quantizzazione delle ampiezze) legata al numero di bit N, campionamento legato alla densità nel dei campioni. a SISTEMA NUMERICO SENSORI (ANALOG.) ATTUATORI (ANALOG.) Le variabili digitali sono rappresentate da segnali analogici (V, I, ) segnali digitali ad alta velocità vanno trattati come analogici 020509-49 SisElnTA2-2002 DDC 020509-50 SisElnTA2-2002 DDC Limiti del digitale Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici radiofrequenza uscite di trasduttori comandi ad attuatori Il limite si sposta continuamente al di sotto di ~100 MHz è possibile avere tutto digitale Il segnale comprende uno o più bit (N)» grado di parallelismo Clock N bit Struttura dei segnali binari 1 bit Informazione sequenziale (bit su unico filo, in tempi successivi Informazione parallela (bit su più fili nello stesso ) 020509-51 SisElnTA2-2002 DDC 020509-52 SisElnTA2-2002 DDC Un campione richiede N bit Il trasferimento di segnali digitali è cadenzato da un segnale di clock CLOCK INFORMAZIONE Trasferimento di segnali digitali parallelo: N bit con un clock; t = Tck seriale: 1 bit per ogni clock N bit con N cicli di clock; t = N Tck Cadenza dei campioni a ogni ciclo di clock è associato un campione cadenza del segnale di clock Fck = 1/ Tck Parallelismo numero di bit disponibili conraneamente: N Definizioni Throughput quantità di informazione scambiata:t = N Fck 020509-53 SisElnTA2-2002 DDC 020509-54 SisElnTA2-2002 DDC Page 9 2002 DDC 9
Il parametro significativo è il throughput T quantità di informazione trasferita N e Tck influenzano costo» banda, hardware, prestazioni» velocità, consumo, Cosa è importante? Esercizio A2-2 Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale throughput? Quale cadenza di clock per trattarli con rappresentazione seriale? Quale cadenza di clock per trattare gli stessi 15 MS/s con rappresentazione parallela a 16 bit? 020509-55 SisElnTA2-2002 DDC 020509-56 SisElnTA2-2002 DDC Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale throughput? T = N Fck T = 8 x 15 M = 120 Mbit/s Esercizio A2-2 Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale cadenza di clock per trattarli con rappresentazione seriale? T = N Fck Fck = T/N Fck = 120 Mbit/1 = 120 Mhz Esercizio A2-2 020509-57 SisElnTA2-2002 DDC 020509-58 SisElnTA2-2002 DDC Un segnale digitale è costituito da una sequenza di numeri (campioni) di 8 bit ciascuno, a cadenza 15 MS/s. Quale cadenza di clock per trattare gli stessi 15 MS/s con rappresentazione parallela a 16 bit? T = N Fck Fck = T/N Fck = 120 Mbit/16 = 7,5 MHz Esercizio A2-2 Sommario lezione A2-1 Rassegna dei tipi di segnale nei sistemi ELN: analogico, digitale Parametri che descrivono un segnale: banda, dinamica, rumore relativo (SNR) Parametri di un segnale digitale (binario) num bit N cadenza (Ts) codifica seriale/parallela 020509-59 SisElnTA2-2002 DDC 020509-60 SisElnTA2-2002 DDC Page 10 2002 DDC 10
Sommario lezione A2-2 Rappresentazioni in e in frequenza variazioni rapide > componenti ad alta frequenza Differenza tra segnali analogici e digitali continuità in e ampiezza Rumore e degradazione dei segnali del segnale digitale dal rumore Vantaggi e limiti della tecnologia digitale controllo degli errori, più semplice progettazione. I tipi di segnale in un sistema ELN, I parametri che descrivono un segnale, Il rumore, la degradazione del segnale e il suo 020509-61 SisElnTA2-2002 DDC 020509-62 SisElnTA2-2002 DDC Limiti del digitale Alcuni tipi di segnale possono essere solo analogici radiofrequenza uscite di trasduttori comandi ad attuatori Il limite si sposta continuamente al di sotto di ~100 MHz è possibile avere tutto digitale Prerequisiti gruppo di lezioni B Analisi di reti elettriche: Circuiti equivalenti di doppi bipoli con maglie Thevenin e Norton (unidirezionali). Comportamento T e F di celle RC e RLC Diagrammi di Bode, decibel Riferimenti sul testo (Jaeger) Cap. 1.6 Amplificatori Cap. 11.1/2/4 Sistemi analogici Uso del simulatore circuitale PSPICE Uso degli strumenti base di laboratorio 020509-63 SisElnTA2-2002 DDC 020509-64 SisElnTA2-2002 DDC Page 11 2002 DDC 11