Livello fisico

Note

Generalmente l'informazione si può trasmettere in due tipi di segnali:

  • segnali logici e digitali, quindi nativamente numerici e discreti
  • segnali fisici e analogici, quindi continui (stream) e associati a grandezze fisiche

I segnali analogici devono essere campionati e quantizzati per essere trasformati in una sequenza di bit, mentre i segnali digitali sono già pronti. Verranno poi entrambi modulati, e quindi creeranno un segnale continuo e analogico.

Caratterizzazione spettrale dei segnali analogici

Analisi di Fourier

I segnali periodici di periodo e di frequenza possono essere scomposti in un numero discreto di sinusoidi di frequenza multipla di quella del segnale (serie di Fourier)

Ogni sinusoide è detta armonica.

Siccome spesso il segnale non è periodico, è necessario usare la trasformata di Fourier, che utilizza lo stesso concetto dell'analisi e permette di approssimare un segnale con una serie infinita di armoniche. La funzione che descrive le ampiezze e le fasi delle sinusoidi componenti è lo spettro del segnale (dominio delle frequenze).

Banda del segnale

Si dice banda del segnale l'intervallo di frequenze in cui sono contenute tutte le armoniche significative di quel certo segnale (massimo campo di frequenze usato).

Può essere:

  • banda stretta: segnali che variano lentamente nel tempo
  • banda larga: segnali che variano velocemente nel tempo
Esempi di bande
Segnali Banda
Segnale telefonico 300-4000 Hz
Voce 300-8000 Hz
Musica 100-20.000 Hz
TV (PAL) 0-5.000.000 Hz
Cinema 0-500 MHz

Conversione analogico/digitale

Siccome gli elaboratori gestiscono soltanto l'informazione discreta è necessario trasformare i segnali analogici in un loro equivalente segnale.

Pasted image 20240221123129.png

Campionamento

Per non perdere informazione (lossless) utilizziamo il Teorema di Nyqiust

Teorema di Nyquist

Un segnale del tempo è completamente determinato dai suoi campioni presi a distanza dale che , dove è la banda del segnale, o usando la frequenza di campionamento Pasted image 20240221123613.png

Tip

Ogni segnale analogico di banda può essere ricostruito interamente in base ai suoi campioni presi a frequenza tramite un filtro passa-basso, che taglia le frequenze oltre .

Frequenze di campionamento tipiche
Segnali Banda Frequenza di campionamento
Segnale telefonico 300-4000 Hz 8000 Hz
Voce 300-8000 Hz 16000 Hz
Musica 100-20.000 Hz 40.000 Hz
TV (PAL) 0-5.000.000 Hz 10 MHz
Cinema 0-500 MHz 1 GHz

Quantizzazione

Note

La quantizzazione è l'operazione in con cui una grandezza continua è trasformata in una discreta. Viene assegnato un valore dell'intervallo in cui cade ed essendoci un numero di bin finito anche i livelli saranno finiti (lossy). La qualità del segnale aumenta all'aumentare di livelli.

Pasted image 20240221124434.png

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  • Blu: Campionamento
  • Verde: Quantizzazione
Flussi binari equivalenti
Segnali Banda Frequenza di campionamento Livelli di quantizzazione Flusso binario
Segnale telefonico 300-4000 Hz 8000 Hz 8 bit 64 kb/s
Voce 300-8000 Hz 16000 Hz 16 bit 256 kb/s
Musica 100-20.000 Hz 40.000 Hz 16 bit 704 kb/s
TV (PAL) 0-5.000.000 Hz 10 MHz 24 bit 240 Mb/s
Cinema 0-500 MHz 1 GHz 24 bit 24 Gb/s

Modulazione del canale trasmissivo

Note

La modulazione è il processo per cui si modifica un certo parametro di un segnale (es: frequenza o ampiezza) per trasmettere un segnale digitale su un canale fisico.
Pasted image 20240223085646.png

La modulazione può essere in banda base o in banda passante (o traslata):

Modulazione in banda base

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Modulazione in banda traslata
Note

Si usa un'onda elettromagnetica sinusoidale detta portante (carrier) ad una determinata frequenza per traslare lo spettro del segnale intorno alla frequenza della portante.
Pasted image 20240223090205.png

Le onde elettromagnetica portanti vengono classificate principalmente in base alla frequenza. Basti però sapere che più alta è la frequenza del segnale, e più alta è la quantità di informazione trasferibile in un certo lasso di tempo.

Alcuni tipi di modulazione possono essere:

  • Modulazione di ampiezza ASK
  • Modulazione di ampiezza FSK
  • Modulazione di fase PSK
  • Modulazione QAM (misto di ampiezza e fase)

Pasted image 20240223090931.png

Banda passante del mezzo trasmissivo

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Dato un mezzo trasmissivo è necessario che il segnale non subisca distorsioni, per questo, in generale, si ha: Inoltre ogni mezzo trasmissivo è caratterizzato dalla velocità di trasmissione e da un ritardo di propagazione.

La distorsione temporale del segnale è determinata dalla formula Pasted image 20240223092015.png

Affinché gli impulsi siano distinguibili occorre che La velocità del canale massima è:

Modulazione multilivello

Per aumentare la capacità del canale () si può usare una tecnica chiamata modulazione multilivello. Basta definire un alfabeto di simboli, un flusso di bit diviso in gruppi da e una convenzione di assegnamento tra un simbolo e bit.

Esempio in modulazione di ampiezza
Pasted image 20240223092924.png

Utilizzando però la modulazione multilivello la velocità di trasmissione massima diventa

Bug

La velocità massima non può essere aumentata aumentando i livelli a causa del rumore che può far equivocare il livello di ricezione, causando quindi un errore.

Errori di ricezione

A causa del rumore del segnale è possibile che venga riconosciuta una sequenza di bit diversa da quella trasmessa, il rumore può essere causato da:

  • rumore termico
  • interferenze da altre trasmissioni sullo stesso mezzo
  • disturbi elettromagnetici
  • perdite di sincronismo
Classificazione dei mezzi trasmissivi
  • Mezzi trasmissivi guidati
    • Mezzi elettrici: ad ogni bit è associato un particolare valore di tensione o corrente, oppure determinate variazioni di tali grandezze.
    • Mezzi ottici: basati sulla propagazione guidata della luce.
  • Mezzi non guidati
    • Onde radio: il segnale è associato ad un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio che ha la proprietà di riprodurre a distanza una corrente elettrica con un dispositivo ricevente.
Attenuazione

Se il segnale di ingresso ha una potenza e il segnale di uscita ha una potenza si definisce attenuazione del collegamento il rapporto Tale rapporto può essere anche rappresentato in :

Solitamente i valori di attenuazione sono:

  • Mezzi wireless
  • Mezzi guidati:
    • Doppino telefonico CAT5:
    • Cavi coassiali thin:
    • Cavi coassiali thick:
  • Fibre ottiche:
    • prima finestra (850 nm):
    • seconda finestra (1310 nm):
    • terza finestra (1550 nm):

Codici correttori

Si aggiunge al sistema di trasmissione un blocco di codifica di di correzione di errore, che sono degli algoritmi applicati alla stringa di bit che riducono la probabilità di errore. I più utilizzati sono i FEC (Forward Error Correction).

Generalmente si aggiungono dei bit di parità in modo che, se limitati in numero, possono essere corretti.

codice a ripetizione

Consiste nel ripetere volte il bit da trasmettere. Tuttavia questo riduce il bit rate informativo in quanto è in parte dedicato al bit rate di correzzione.

Ritrasmissione

Se un codice non riesce a correggere un errore può spesso riuscire a rilevarlo, infatti nella commutazione di pacchetto è possibile rilevare gli errori e richiedere la ritrasmissione del pacchetto errato (ARQ: Automatic Repeat reQuest)

Capacità del canale

Nonostante codici e ritrasmissione, esiste un limite fisico alla velocità massima di un canale. Questa velocità è detta limite di Shannon: Dove:

  • : capacità del canale ()
  • : banda del canale ()
  • : potenza del canale ()
  • : potenza del rumore ()