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Fisica delle Comunicazioni: Mondo Digitale e Analogico, Appunti di Telecomunicazioni

La differenza tra mondo digitale e analogico attraverso esempi di segnali e sistemi di comunicazione. Vengono trattati concetti come frequenza, campionamento, quantizzazione e codifica. Il testo illustra come la conversione da segnale analogico a digitale richiede tre passaggi: campionamento, quantizzazione e codifica.

Tipologia: Appunti

2018/2019

Caricato il 17/07/2019

giuliaminervino
giuliaminervino 🇮🇹

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INFORMAZIONE C – ANALOGICO E DIGITALE
MONDO ANALOGICO continuo una grandezza è analogica quando può assumere qualunque
valore, a volte fra un minimo e un massimo (ex. numeri reali: 2, 1,4, 4π)
MONDO DIGITALE discreto una grandezza è digitale quando può assumere solo alcuni valori, che
sono ben separati fra loro (ex numeri naturali: 1,4,78).
Il manico di una chitarra è digitale perché quando si produce una nota, se la chitarra è accordata, il
suono è preciso, discreto, mentre con il violino non è così (il suono è leggermente diverso a seconda
della posizione delle dita). I semi sono discreti poiché le quantità sono ben precise, l’acqua è
continua (non c’è vincolo nella quantità di acqua che si mette in un bicchiere). Il fonografo è
analogico perché il segnale musicale era inciso nel vinile e la punta (l’ago) produceva un suono solo
quando ne veniva a contatto. Anche il mangiadischi è analogico poiché le onde sonore venivano
trasformate in onde magnetiche e poi in onde sonore (avveniva in modo continuo). I lettori MP3,
invece, sono discreti perché al loro interno hanno memorie, dunque il suono non dev’essere
trasformato continuamente. Anche buttare un sasso dentro l’acqua ferma fa parte del mondo
analogico poiché genera delle onde che si propagano in modo continuo, mentre la vita dentro il
mondo di Matrix è digitale (la nostra vita non è del tutto digitale ma è comunque simile a quella di
Matrix poiché quasi tutta l’informazione che viene generata è digitale). Il telefono di Meucci è
analogico, mentre il Codice Morse digitale. Il primo era collegato da due fili e doveva essere sempre
alimentato: mentre una persona parla, esso emette delle onde che fanno mutare la corrente propagata
dal filo, che arriva dall’altra parte, passa dalla bobina, l’altoparlante vibra grazie alla membrana
mossa dalla corrente del circuito e le onde elettriche vengono decodificate in onde sonore grazie ad
un decodificatore; poi il processo avveniva in senso contrario. Il telefono di Meucci, invece, è un
canale monodirezionale: nel telegrafo digitale quando il contatto è chiuso la corrente passa, quando
è aperto no ed il ricevitore, che decodifica, è un martelletto, che “scrive” punti o linee definite.
Nei sistemi di comunicazione analogici la sorgente è infinita e genera alfabeti di infiniti simboli da
cui entrano ed escono onde, mentre in un sistema discreto digitale la sorgente discreta genera un
alfabeto di una certa cardinalità, da cui entrano ed escono “bit”, non onde. Il segnale di una sorgente
continua può essere rappresentato con un’”ONDA” e quando le oscillazioni sono più regolari con
“onde sinusoidali” ad una data frequenza f=1/T [Hertz]. La FREQUENZA è l’inverso del periodo T
[secondo], che è la distanza del tempo che passa fra due punti che hanno lo stesso valore. (L’Hertz
sparirà: le radio nuove non si sintonizzano più su una frequenza).
ESEMPI DI FREQUENZA DI SEGNALI CONTINUI: i tasti di un pianoforte emettono onde
periodiche (il DO centrale della tastiera vibra con una velocità di 261,6 giri al secondo, ovvero il
suono ha frequenza di 261,6 Hz) e ogni tasto e note hanno frequenze diverse, così come le voci dei
cantanti (voci femminili hanno estensione più propensa verso note più alte, mentre quelle maschili
verso frequenze più basse). Anche i colori della luce visibile sono frequenze perché sono onde
elettromagnetiche (quest’ultime si propagano anche nello spazio vuoto): il giallo ha frequenza di
circa 508-526 THZ (TeraHertz), il violetto ne ha molti di più ed è proprio la frequenza che ci
permette di distinguere i colori (ma anche i suoni). Oltre alla frequenza c’è la lunghezza d’onda,
misurati con il “nanometro”. Anche le bande radio sono esempi di frequenza: più queste sono alte e
più le lunghezze d’onda sono minori e di conseguenza le antenne sono più corte (infatti ora i
cellulari non hanno più le antenne, perché lavorano su frequenze immense). La “BANDA RADIO”
è la porzione dello spettro (zona di frequenza di onde) elettromagnetico utilizzata per le
radiocomunicazioni. Qualunque segnale onda può essere ottenuto come “somma” di onde
sinusoidali, ciascuna con propria ampiezza, frequenza e fase: la somma viene detta “ANALISI
SPETTRALE” (scomposizione dei segnali). Se il “segnale-onda” è periodico, le singole componenti
spettrali (“armoniche”) hanno frequenze che sono multipli della frequenza di un’”onda sinusoidale
fondamentale” (prima armonica: è quella che distingue l’altezza di una melodia. E’ come distinguere
un DO di un pianoforte da un DO di un flauto).
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INFORMAZIONE C – ANALOGICO E DIGITALE

  • MONDO ANALOGICO continuo una grandezza è analogica quando può assumere qualunque valore, a volte fra un minimo e un massimo (ex. numeri reali: √2, 1,4, 4π)
  • MONDO DIGITALE discreto una grandezza è digitale quando può assumere solo alcuni valori, che sono ben separati fra loro (ex numeri naturali: 1,4,78).
  • Il manico di una chitarra è digitale perché quando si produce una nota, se la chitarra è accordata, il suono è preciso, discreto, mentre con il violino non è così (il suono è leggermente diverso a seconda della posizione delle dita). I semi sono discreti poiché le quantità sono ben precise, l’acqua è continua (non c’è vincolo nella quantità di acqua che si mette in un bicchiere). Il fonografo è analogico perché il segnale musicale era inciso nel vinile e la punta (l’ago) produceva un suono solo quando ne veniva a contatto. Anche il mangiadischi è analogico poiché le onde sonore venivano trasformate in onde magnetiche e poi in onde sonore (avveniva in modo continuo). I lettori MP3, invece, sono discreti perché al loro interno hanno memorie, dunque il suono non dev’essere trasformato continuamente. Anche buttare un sasso dentro l’acqua ferma fa parte del mondo analogico poiché genera delle onde che si propagano in modo continuo, mentre la vita dentro il mondo di Matrix è digitale (la nostra vita non è del tutto digitale ma è comunque simile a quella di Matrix poiché quasi tutta l’informazione che viene generata è digitale). Il telefono di Meucci è analogico, mentre il Codice Morse digitale. Il primo era collegato da due fili e doveva essere sempre alimentato: mentre una persona parla, esso emette delle onde che fanno mutare la corrente propagata dal filo, che arriva dall’altra parte, passa dalla bobina, l’altoparlante vibra grazie alla membrana mossa dalla corrente del circuito e le onde elettriche vengono decodificate in onde sonore grazie ad un decodificatore; poi il processo avveniva in senso contrario. Il telefono di Meucci, invece, è un canale monodirezionale: nel telegrafo digitale quando il contatto è chiuso la corrente passa, quando è aperto no ed il ricevitore, che decodifica, è un martelletto, che “scrive” punti o linee definite.
  • Nei sistemi di comunicazione analogici la sorgente è infinita e genera alfabeti di infiniti simboli da cui entrano ed escono onde, mentre in un sistema discreto digitale la sorgente discreta genera un alfabeto di una certa cardinalità, da cui entrano ed escono “bit”, non onde. Il segnale di una sorgente continua può essere rappresentato con un’”ONDA” e quando le oscillazioni sono più regolari con “onde sinusoidali” ad una data frequenza f=1/T [Hertz]. La FREQUENZA è l’inverso del periodo T [secondo], che è la distanza del tempo che passa fra due punti che hanno lo stesso valore. (L’Hertz sparirà: le radio nuove non si sintonizzano più su una frequenza).
  • ESEMPI DI FREQUENZA DI SEGNALI CONTINUI: i tasti di un pianoforte emettono onde periodiche (il DO centrale della tastiera vibra con una velocità di 261,6 giri al secondo, ovvero il suono ha frequenza di 261,6 Hz) e ogni tasto e note hanno frequenze diverse, così come le voci dei cantanti (voci femminili hanno estensione più propensa verso note più alte, mentre quelle maschili verso frequenze più basse). Anche i colori della luce visibile sono frequenze perché sono onde elettromagnetiche (quest’ultime si propagano anche nello spazio vuoto): il giallo ha frequenza di circa 508-526 THZ (TeraHertz), il violetto ne ha molti di più ed è proprio la frequenza che ci permette di distinguere i colori (ma anche i suoni). Oltre alla frequenza c’è la lunghezza d’onda, misurati con il “nanometro”. Anche le bande radio sono esempi di frequenza: più queste sono alte e più le lunghezze d’onda sono minori e di conseguenza le antenne sono più corte (infatti ora i cellulari non hanno più le antenne, perché lavorano su frequenze immense). La “BANDA RADIO” è la porzione dello spettro (zona di frequenza di onde) elettromagnetico utilizzata per le radiocomunicazioni. Qualunque segnale onda può essere ottenuto come “somma” di onde sinusoidali, ciascuna con propria ampiezza, frequenza e fase: la somma viene detta “ANALISI SPETTRALE” (scomposizione dei segnali). Se il “segnale-onda” è periodico, le singole componenti spettrali (“armoniche”) hanno frequenze che sono multipli della frequenza di un’”onda sinusoidale fondamentale” (prima armonica: è quella che distingue l’altezza di una melodia. E’ come distinguere un DO di un pianoforte da un DO di un flauto).
  • ESEMPI DI SEGNALI “PURI”: un’onda sinusoidale rappresenta una “componente base” che non è ulteriormente scomponibile. Un segnale puro può essere un laser perché emette luce ad una frequenza stabile. Nell’OTTICA la luce bianca è un segnale (onda) elettromagnetico composta da infiniti segnali «elementari» → i colori dell’iride (=onde elettromagnetiche di diverse frequenze); nell’ACUSTICA una chitarra ed un flauto che suonano una stessa nota hanno la stessa «prima armonica» (la «altezza del suono») ma composizione spettrale differente (le armoniche determinano il «timbro» dello strumento). Un suono «puro» (es. tono del telefono) ha solo la prima armonica.
  • Jean Baptiste Joseph FOURIER nel 1822 sviluppò gli strumenti matematici (“Trasformata di Fourier”) che permettono di calcolare la «composizione spettrale» di un generico segnale, cioè la quantità di frequenze che serve per creare un dominio di partenza. Il passaggio dal «dominio del tempo» al «dominio delle frequenze» e viceversa è un passaggio chiave: gli studi di Fourier sono alla base di innumerevoli importanti applicazioni in molti campi delle scienze pure ed applicate.
  • Alcuni mezzi fisici sono capaci di «trasportare» segnali-onda:
    • il suono può essere trasmesso nell’ aria (non nel vuoto) o in un materiale solido
    • i segnali elettrici possono essere trasmessi ad es. nei cavi di rame
    • gli impulsi di luce possono essere trasmessi nell’aria, nel vuoto, vetro, plastica
    • le onde radio possono essere trasmesse nell’aria, nel vuoto, possono attraversare alcuni materiali ma tipicamente ogni «mezzo per trasmettere segnali-onda» (→ «canale trasmissivo») è capace di trasportare solo certe «frequenze», le altre sono di fatto bloccate: La “LARGHEZZA DI BANDA” di un «canale» (nel mondo analogico) è il campo di frequenze che possono essere trasportate dal canale. Se una banda è larga passano molte frequenze. La larghezza di banda nel mondo analogico può essere rappresentato dall’orecchio animale, che è un canale che trasmette i suoni al cervello ma ha anch’esso una sua larghezza di banda: alcuni animali usano frequenze che noi non possiamo sentire/usare e viceversa. Nel caso delle comunicazioni analogiche, la banda è data «dall'intervallo di frequenze occupato dal segnale». Per esempio, una comunicazione telefonica analogica occupa le frequenze che vanno da 300 a 3400 Hz, quindi la larghezza di banda è di 3100 Hz.

Nel mondo digitale la larghezza di banda è diversa perché rappresenta la velocità di trasmissione dei bit sul canale, dunque non si misura più in Heartz ma in bit. Ma, in ogni caso, per trasmettere «bit» ci vuole sempre una «banda analogica» sulla quale viene costruito il «canale digitale» (il mondo digitale ha SEMPRE BISOGNO di un supporto analogico perché il nostro mondo in realtà è analogico, non digitale). Inoltre, l’effettiva «velocità di trasmissione della Informazione» è sempre minore della «velocità» del canale.

  • Nell’ICT è fondamentale il passaggio da un segnale analogico, generato da una sorgente continua reale (es. voce), a un segnale digitale avente la stessa Informazione “utile”, MA PERCHE’ SIAMO PASSATI AL DIGITALE? Per una serie di ottime ragioni, quali: • robustezza al rumore (meno errori), •integrazione del trattamento (memorizzazione, trasmissione, elaborazione) di informazioni di diversa natura (audio, video, dati) (Un solo accessorio digitale svolge più funzioni: fa foto, emette musica, registra), •più efficienza, più flessibilità, minori costi. Dunque i vantaggi vengono riassunti in 2 punti: SEMPLICITA’ e UNIFICAZIONE. La conversione da un segnale analogico ad un equivalente segnale digitale richiede TRE PASSAGGI: 1)CAMPIONAMENTO: viene raccolta una serie di «campioni» del segnale in istanti successivi di tempo 2)QUANTIZZAZIONE: ogni «campione», che normalmente può assumere qualunque valore, viene «approssimato» con uno dei valori disponibili di un Alfabeto discreto predefinito (cioè viene fatto corrispondere ad un Simbolo discreto: è importante questo passaggio perché è qui che avviene il vero passaggio da mondo continuo a mondo discreto). 3)CODIFICA: il simbolo discreto così ottenuto viene codificato in una stringa di bit.
  • (^) 1)CAMPIONAMENTO si fa con il CAMPIONATORE e vengono ogni tanto recuperati degli impulsi in alcuni istanti di tempo. 2)QUANTIZZAZIONEtali valori vengono campionati e ognuno