DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 20081 TELECOMUNICAZIONI 1. Sistema di comunicazione...

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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona

TELECOMUNICAZIONI

1. Sistema di comunicazione

Prof. Tozzi Gabriele – ITIS G. Marconi - Verona

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1. Sistema di comunicazione

1.1 – La catena trasmissiva.

1.2 – Spettro e banda.

1.3 –Aspetti fondamentali di un

sistema trasmissivo.

1.4 – Trasmissione analogica e

numerica.


1.1 – La catena trasmissiva.

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La catena trasmissiva

• Tipicamente una catena di trasmissione si presenta nel seguente modo:

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La Trasmissione

• Sorgente: emette le informazioni sottoforma di grandezza fisica o elettrica.

• Trasduttore: si incarica di trasdurre (trasformare) un segnale fisico in un segnale elettrico e di “condizionarlo” ad assumere caratteristiche adatte ai circuiti successivi.

• Apparati di elaborazione: hanno lo scopo di manipolare ulteriormente il segnale per poterlo trasmettere adeguatamente.

• Trasduttore elettromagnetico (e.m.): è eventualmente presente nel caso di trasmissione nello spazio (propagazione libera).

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Il canale trasmissivo

• In un sistema di comunicazione, per canale trasmissivo si intende, normalmente, l’insieme di:mezzo trasmissivo, lungo il quale avviene la

propagazione dei segnali informativi tra gli utenti;dispositivi per l’interfacciamento tra il mezzo fisico e

gli apparati di trasmissione/ricezione.

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La Ricezione

• I blocchi Trasduttore e.m., Apparati di elaborazione ed Attuatore hanno lo stessa funzione di quelli in trasmissione salvo il fatto di operare nella maniera opposta.

• Destinatario: riceve l’ informazione, che deve risultare il più possibile fedele a quella trasmessa, vista la presenza indesiderata del rumore che si sovrappone al segnale utile.

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1.2 Spettro e banda

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Tempo e frequenza

• I segnali elettronici possono essere analizzati:o nel dominio del tempo e il relativo

andamento è detto forma d’onda (o segnale). o nel dominio della frequenza e il relativo

andamento è detto spettro di frequenza.

• Lo sviluppo in serie di Fourier e la trasformata di Fourier sono dei metodi matematici che consentono di stabilire delle relazioni per il passaggio dal dominio del tempo a quello delle frequenze e viceversa.

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L’analisi armonica di Fourier

• L’analisi armonica dei segnali elettrici consiste nel considerare un segnale periodico o non periodico come un insieme, più o meno esteso, di funzioni fondamentali di tipo sinusoidale.

• L’analisi armonica è fondamentale nello studio e nella progettazione di molti apparati elettrici:

1. analisi armonica dei segnali modulati in ampiezza AM e in frequenza FM per la determinazione della banda di lavoro e la progettazione dei relativi circuiti e filtri in trasmissione e in ricezione;

2. analisi armonica dei segnali con modulazione digitale, tipo PCM, per la definizione del codice binario di trasmissione più idoneo;

3. conversione analogico-digitale e teorema del campionamento;

4. ricostruzione di segnali analogici da segnali digitali;

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La serie di Fourier

• Il matematico Fourier dimostrò che un qualsiasi segnale, purché periodico, può essere scomposto in una somma di infiniti segnali armonici (serie di Fourier), di opportuna ampiezza e fase, detti armoniche.

• Le armoniche in genere hanno ampiezza decrescente al crescere della frequenza.

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Lo spettro di un segnale periodico

• La rappresentazione del segnale in termini di armoniche, ossia nel dominio della frequenza, viene detta spettro del segnale.

• Per un segnale periodico lo spettro contiene solo valori di frequenza multipli di una frequenza fondamentale, f0, e a ciascun valore corrisponde una ben definita ampiezza spettro discreto, o a righe.

• Ciascuna riga corrispondente a una frequenza presente nello spettro, la cui altezza rappresenta l’ampiezza di quella armonica.

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Spettro a righe• Le armoniche

(A2,A3,A4,…) hanno frequenze multiple intere della frequenza f0 del segnale di partenza,

• Se il segnale ha valor medio diverso da zero, ossia presenta una componente continua, nella serie di Fourier vi sarà anche l’armonica a frequenza nulla (A0).

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Esempio: Onda quadra bipolare

• Consideriamo un’ onda quadra bipolare, di valore

picco-picco = 2A, valor medio nullo e frequenza f0=

Valutiamone lo sviluppo in serie di Fourier e lo

spettro:

T1

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Sviluppo dell’onda quadra

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Spettro dell’onda quadra

• In forma compatta si ha la serie di Fourier:

per n dispari.

• Lo spettro corrispondente (troncato alla 11^ armonica) è riportato a destra (da notare che la componente continua A0=0 poiché l’onda

quadra è bipolare).

∑∞

1=n00 )tf2n(sen

nA4

+A=)t(f

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Lo spettro di un segnale aperiodico

• Un segnale aperiodico può essere astrattamente considerato come un segnale periodico costituito da un unico periodo di durata infinita e quindi di frequenza infinitesima.

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Lo spettro di un segnale aperiodico

• Se applichiamo a un segnale di questo tipo la scomposizione armonica di Fourier, le diverse armoniche, essendo la frequenza infinitesima, distano tra loro di intervalli infinitesimi.

• Allora lo spettro contiene tutte le frequenze comprese in un intervallo continuo (spettro continuo anziché discreto).

• L’ordinata corrispondente a ogni frequenza indica l’importanza, l’ influenza di quella frequenza nella composizione complessiva del segnale.

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Banda di segnale

• La larghezza di banda di un segnale (BWs) e’ data dall’intervallo delle frequenze di cui e’ composto il suo spettro (nella figura precedente è BWs=f2-f1).

• Generalmente un segnale ha banda infinita.• Tuttavia spesso la potenza del segnale e’

contenuta per la maggior parte in un insieme limitato di frequenze.

• Questo intervallo limitato di frequenze si dice banda efficace del segnale.

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Banda del canale

• Nella trasmissione dei segnali e’ impossibile trasmettere tutte le frequenze di cui e’ composto il segnale.

• Il mezzo trasmissivo e/o la tecnologia che genera il segnale impongono una limitazione alla banda utilizzabile.

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Banda del canale

• La banda passante del sistema di telecomunicazioni (o banda del canale, BWP) rappresenta la “risorsa” del sistema che quantifica la “capienza” nel dominio della frequenza;

• La banda occupata dal segnale (BWS) e’ la caratteristica del segnale che quantifica lo “sfruttamento” di tale risorsa.

• Affinché la trasmissione sia fedele deve essere:

BWS ≤ BWP.

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Capacità informativa

• Ciò che principalmente caratterizza un canale trasmissivo è la sua CAPACITA’ INFORMATIVA.

• Con essa si intende la massima quantità di informazione che può transitare nell’unita’ di tempo attraverso il canale.

• Essa dipende da: banda passante del canale (BWP) rumore (Noise, N) presente in esso.


1.3 Aspetti fondamentali di un sistema trasmissivo

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Aspetti fondamentali

• Gli aspetti fondamentali da considerare per progettare un sistema trasmissivo sono i seguenti:

1. Degradazione del segnale;

2. Amplificazione;

3. Multiplazione;

4. Modulazione.approfondimento

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La degradazione del segnale

• LA DEGRADAZIONE. Il segnale, nel propagarsi attraverso un sistema di comunicazione, subisce una degradazione che ne altera l’andamento nel tempo.

• Tale degradazione comprende:Attenuazione (riduzione della ampiezza

del segnale); Ritardo (traslazione temporale della

forma d’onda): non è di per sé fonte di degradazione.

Rumore, Interferenza e Distorsione, che modificano la forma d’onda e lo spettro del segnale.

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Attenuazione

• Qualunque segnale viene attenuato per effetto del suo trasferimento su un mezzo trasmissivo, tanto più quanto più è grande la distanza che deve attraversare: nei mezzi guidati in genere l’attenuazione

ha un andamento logaritmico con la distanza;

nei mezzi non guidati è il risultato di molti fattori la cui analisi è piuttosto complessa (distanza, umidita’ dell’aria, pioggia, dispersione, …)

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Il rumore• Rumore (Noise): è un segnale di disturbo (Vn) di diversa natura

rispetto al segnale utile, originato da molteplici cause (interne e/o esterne al sistema di TLC) che si sovrappone al segnale utile.

• E’ casuale, imprevedibile e solo parzialmente eliminabile. • Si riduce con un filtraggio passa-basso.

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Filtraggio

• Filtraggio. Consiste nell’eliminare o attenuare fortemente, mediante dei filtri, quella parte di spettro del segnale dove è maggiormente concentrato il rumore.

• Tale parte di spettro è in alta frequenza: ecco perché si usano prevalentemente filtri passa-basso, sia in trasmissione che in ricezione.

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Interferenza

• Interferenza: è un segnale di disturbo dello stesso tipo del segnale utile.

• È causato da una imperfetta discriminazione degli spettri dei due segnali, oppure da un non perfetto accoppiamento elettromagnetico (p.e.: ascolto di un’altra conversazione telefonica in sottofondo, sovrapposizione di una emittente radiofonica a quella sulla quale si è sintonizzati).

• Nella trasmissione guidata si riduce con la schermatura.

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La distorsione

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Distorsione non lineare

• La Distorsione Non Lineare è definita come la distorsione introdotta da un quadripolo a causa della non linearità del suo comportamento.

• Se la distorsione lineare può essere corretta mediante un equalizzatore lineare, la distorsione non lineare e’ più difficile da correggere, in quanto i dispositivi di compensazione devono essere non lineari.

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Effetti della degradazione del segnale

• Gli effetti della degradazione del segnale da trasmettere sono diversi a seconda che il segnale sia analogico o digitale.

• Sul segnale analogico si hanno i seguenti effetti:Alterazione della forma d’onda Mancanza di nitidezza del suono.Riduzione di qualità di un’ immagine

• Il parametro che definisce l’effetto del rumore su un segnale analogico è il Rapporto Segnale/Rumore.

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Rapporto Segnale/Rumore

• È definito come il rapporto tra la potenza media del segnale,<PS>, e la potenza media del rumore,<PN>.

• Oppure come rapporto tra la tensione efficace del segnale, Vseff e la tensione efficace del rumore, Vneff.

• Spesso è espresso in decibel (dB), nel qual caso si hanno le seguenti relazioni:

eff

eff

dbN

S

N

S

V

VLog20=

>P<>P<

Log10=)NS

(

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Bit Error Rate

• Il segnale digitale è insensibile alla degradazione purché quest’ultima non sia tale da compromettere la corretta interpretazione della cifre binarie trasmesse.

• La piccola probabilità, sempre presente, che ciò accada, si traduce nel tasso d’errore della trasmissione, indicato con BER, Bit Error Rate (%).

• Il BER rappresenta la percentuale di bit errati sul totale dei bit trasmessi).

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BER

• Nel caso di trasmissione analogica, la qualità del collegamento diminuisce gradualmente all’aumentare della degradazione.

• Nel caso di trasmissione digitale, se il tasso di errore supera una certa soglia, l’effetto della degradazione è tale da compromettere irrimediabilmente la comunicazione (comportamento “tutto o niente”.)

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Effetto del rumore nella Tr. Dati

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Amplificazione/Rigenerazione

• Ha lo scopo di incrementare la potenza del segnale utile, a seguito di una inevitabile attenuazione lungo tutta la catena trasmissiva.

• L’incremento di potenza avviene: prima della trasmissione; dopo la ricezione; durante la trasmissione:

nella trasmissione analogica vengono introdotti nel canale degli amplificatori, che aumentano la potenza del segnale (ma anche quella di rumore!);

nella trasmissione digitale vengono introdotti nel canale dei ripetitori, che ricostruiscono il segnale digitale e lo rigenerano ex-novo.

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Multiplazione

• E’ utile per trasmettere più segnali indipendenti tramite lo stesso mezzo trasmissivo (accesso multiplo a canale comune).

• Si riuniscono i vari segnali in un unico segnale, detto segnale “multiplato” o “multicanale”.

• Con il termine “canale” si intende la “corsia” (porzione di tutto il canale trasmissivo) riservata a ciascun segnale.

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Accesso multiplo a canale comune

• È possibile trasmettere su un canale comune (condiviso), di banda Bc, N segnali di banda B a patto che sia

Bc = N·B.• Tutto ciò risponde a un criterio di organizzazione efficiente

dei mezzi di comunicazione: un grosso canale a larga banda al posto di un numero elevato di canali a banda stretta.

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TDM-FDM-WDM

• La multiplazione può essere: a divisione di tempo (TDM, Time

Division Multiplexing), a divisione di frequenza (FDM,

Frequency Division Multiplexing), a divisione di lunghezza d’onda nel

caso di segnali ottici (WDM, Wavelenght Division Multiplexing).

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Multiplazione TDM

• Consiste nel suddividere il tempo a disposizione per la trasmissione, assegnando ciclicamente una frazione (time slot) del tempo totale a ciascun segnale binario da trasmettere.

• Pertanto la banda del canale è interamente a disposizione per ciascun segnale, ma solo a intervalli di tempo cadenzati.

• SEQUENZIALITÀ NEL TEMPO, UTILIZZO TOTALE DELLA BANDA DEL CANALE.

• La TDM è attualmente impiegata solo in sistemi di trasmissione digitali, per esempio nel caso della rete telefonica di giunzione TDM-PCM.

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Multiplazione FDM

• Consiste nel trasmettere più segnali contemporaneamente (nello stesso tempo) sullo stesso mezzo trasmissivo, riunendoli in un unico multicanale.

• Nello spettro del segnale multiplato, il contributo di ciascun segnale non interseca quello degli altri, grazie alla preventiva modulazione con diverse frequenze portanti, quindi ciascun segnale occupa in banda traslata una diversa porzione di banda del canale.

• CONTEMPORANEITÀ NEL TEMPO, SEQUENZIALITÀ NELLA FREQUENZA.

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Multiplazione WDM

• Consiste nel trasmettere canali differenti su lunghezze d’onda differenti.

• Si utilizza in multiplexing un combinatore ottico che mette insieme segnali alle diverse lunghezze d’onda.

• In ricezione un sistema analogo separa le diverse lunghezze d’onda.

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Modulazione

• E’ l’operazione mediante la quale al segnale da trasmettere contenente l’informazione (modulante) viene associato un secondo segnale (portante),

• Il segnale portante funge semplicemente da “veicolo” idoneo a trasportare l’informazione in quel particolare mezzo trasmissivo.

• In ricezione, poi, il segnale risultante (modulato) verrà demodulato al fine di estrarre la modulante, ossia l’informazione che interessa.

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Scopi della modulazione

• Adattare, mediante traslazione, la banda occupata dal segnale utile (BS) da trasmettere alla banda passante (BP) del mezzo trasmissivo, per una più efficace trasmissione.

• Consentire la multiplazione di frequenza (FDM), cioè la trasmissione contemporanea di molti segnali sullo stesso canale senza interferenza.

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Sorgenti analogiche e numeriche

• Lo scopo di un sistema di TLC è lo scambio di informazioni a distanza, mediante segnali elettrici trasmessi su mezzi trasmissivi di varia natura e caratteristiche.

• L’ informazione è tutto ciò che riduce l’incertezza sulla conoscenza di un evento.

• Le sorgenti di informazione possono essere fondamentalmente di due tipi: Sorgenti di informazioni analogiche: generano informazioni continue

nel tempo. Sorgenti di informazioni discrete: generano sequenze di simboli in cui

l’informazione risiede nelle corrispondenti combinazioni di codice.

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Sorgenti analogiche

• Al crescere del contenuto informativo di un segnale analogico aumenta la sua larghezza di banda BWS e quindi la sua occupazione nel canale trasmissivo.

• Ad esempio: Segnale telefonico (conversazione): segnale

mono, richiede una banda lorda di 4 kHz. Segnale Hi-Fi (audio alta fedeltà): segnale

stereo, richiede 20 kHz. Segnale video: richiede 5 MHz. Segnale televisivo (audio+video): richiede

68 MHz.

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Banda del segnale telefonico

• La figura seguente riporta le bande lorde di due segnali telefonici, disposti l’uno accanto all’altro e distanziati di un certo intervallo di frequenze (banda di guardia = 900 Hz) per facilitare le operazioni di filtraggio:

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Banda del segnale televisivo

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Sorgenti binarie

• La larghezza di banda BWS di un segnale binario è proporzionale alla sua velocità di trasmissione, in bit/s.

• Tale velocità è anche chiamata Frequenza di cifra (FC), o bit-rate, ed è definita come il reciproco della durata di ciascun bit (1/Tb).

• Vale la seguente relazione (con buona approssimazione):

CS F43

=BW ]Hz[

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Trasmissione analogica o numerica

• L’informazione generata dalla sorgente, per essere trasmessa, può essere affidata: ad un segnale elettrico analogico

( trasmissione analogica) o ad un segnale elettrico digitale

( trasmissione numerica).

approfondimento

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Perché trasmettere in digitale un segnale analogico

• Vantaggi del digitale:1. La circuiteria digitale è a basso costo.2. I segnali digitali derivanti da sorgenti analogiche

(audio, video, voce) possono essere multiplati con segnali dati e trasmessi su di un’unica rete digitale.

3. Nei sistemi di telefonia digitale a lunga distanza con ripetitori è possibile rigenerare i segnali digitali, eliminandone completamente i disturbi.

4. È possibile utilizzare delle tecniche di codifica di canale per proteggere i segnali dal rumore.

• Svantaggi del digitale:1. Necessità di maggiore banda rispetto ai segnali

analogici.

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Sistemi misti analogico-digitali

• Gran parte dei sistemi trasmissivi moderni sono di tipo misto analogico-digitale.

• L’”unione” tra i due mondi è svolta dalle tecniche di conversione A/D (tecnica PCM) e D/A.

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Approfondimenti

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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - VeronaProgetto di un sistema trasmissivo

• Dai concetti di banda del segnale e del canale discendono due specie di problemi:

1. avendo un dato mezzo trasmissivo, prevedere quali segnali possono essere trasmessi in esso;

2. avendo una certa categoria di segnali da trasmettere, progettare un sistema idoneo a trasmetterli.

• L’obiettivo di progetto di un sistema di comunicazione è quello di minimizzare la degradazione dell’informazione rispettando alcuni vincoli progettuali, come ad esempio:

Potenza trasmessa; Banda disponibile (BWP);

Complessità Costo.

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Equalizzazione

• Alcuni elementi del sistema di TLC, tra cui in particolare i trasduttori e il canale di trasmissione, possono avere una risposta in frequenza disomogenea che modifica in maniera inaccettabile gli spettri dei segnali che li attraversano.

• Si può correggere questo problema mediante un quadripolo equalizzatore, avente caratteristiche in frequenza tali da compensare i difetti presenti. L’operazione è chiamata “equalizzazione”.

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Tipi di rumore

• Il rumore può essere considerato prodotto dalla combinazione di due componenti: il rumore interno, generato dagli apparati

elettronici che formano il sistema di TLC. La principale sorgente del rumore interno è il rumore termico.

il rumore esterno, proveniente da sorgenti esterne al sistema di TLC, come ad esempio disturbi atmosferici, radiazioni extra terrestri e rumore industriale.

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Tipi di rumore

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•Esistono vari tipi di rumore che interessano il campo dell'Elettronica e delle Telecomunicazioni e che si schematizzano come segue:

Rumore bianco - Forma di rumore il cui spettro comprende energia a tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico ed equamente distribuita. Rumore di intermodulazione - Rumore prodotto dalla non linearità dei dispositivi elettronici e che consiste nella presenza, nel segnale in uscita dal dispositivo, di armoniche indesiderate non presenti nel segnale in ingresso. Rumore di modo comune o di modo normale - Rumore presente in ingresso ad uno strumento di misura insieme al segnale da misurare e non separabile da questo. Rumore di quantizzazione - Perdita di informazione che ha luogo durante la trasformazione di un segnale analogico in digitale, ad esempio nel P.C.M. Rumore tipo shot - Rumore presente in un tubo termoionico e dovuto alle fluttuazioni di corrente presenti fra anodo e catodo. Anche il rumore dovuto alle candele nei motori a scoppio è di tipo impulsivo e si può classificare di tipo shot. Rumore termico - Rumore dovuto all'agitazione termica degli elettroni presenti in una resistenza. è funzione della temperatura ma è anche un rumore bianco.

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Altre operazioni fondamentali

• Altre operazioni fondamentali operate da un sistema trasmissivo sono: la compressione di un segnale binario, cioè

l’ottenimento di una sequenza di bit più corta a parità di contenuto informativo;

la commutazione (switching), ossia l’instradamento di un segnale verso un apparto ricevente;

la concentrazione, che consiste nel destinare ad N potenziali utenti di una rete, un numero M<N di collegamenti verso le rete in base alle reali esigenze di traffico;

la segnalazione, cioè lo scambio di informazioni tra terminali e apparati di rete per la corretta gestione delle connessioni.

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La Distorsione nella TD

• Si parla di distorsione anche per una trasmissione dati (TD), intendendo con tale termine lo spostamento delle transizioni tra i livelli binari rispetto alle posizioni temporali nominali.

• In particolare esistono:la distorsione telegrafica individuale

(scostamento percentuale dell’istante di transizione reale rispetto a quello nominale)

la distorsione di dissimetria (differenza tra la durata del bit 1 e quella del bit 0, rispetto alla durata nominale).

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Modulazione numerica• Anche nei sistemi di comunicazione numerici i segnali che vengono

effettivamente trasmessi attraverso il canale sono di tipo analogico.

• La conversione di un flusso numerico in un segnale analogico viene detta “Modulazione numerica”.

• La conversione opposta è la Demodulazione.

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