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Settore Informazione-Sezione A-I Prova-Telecomunicazioni

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Il candidato discuta e confronti tra loro i sistemi di comunicazione wired (cavo o fibra) e wireless, portando opzionalmente qualche esempio relativo a caratteristiche del canale, tecniche di trasmissione, bande tipicamente adottate, servizi forniti.


I sistemi di comunicazione wireless si distinguono dai sistemi tradizionali wired in quanto non utilizzano connessioni cablate, ma onde radio a bassa potenza e in minor numero radiazioni infrarosse o laser. Le onde radio sono utilizzate dalle reti di tipo wi-fi cioè reti che devono coprire ambienti eterogenei dove le postazioni da collegare non sono visibili, ma possono essere separate da muri. Le reti ad infrarosso invece sono utilizzate per collegare dispositivi visibili direttamente, ma sono lente e stanno venendo sostituite da dispositivi bluetooth. Le reti laser invece sono utilizzate per collegare sottoreti costruite utilizzando altre tecnologie e sono molto veloci. Nonostante le reti wireless abbiano i vantaggi di fornire le stesse funzionalità delle reti wired senza problemi di cablaggio e di rendere possibile la mobilità dell'utente, esse hanno il grosso svantaggio della scarsa sicurezza. I segnali irradiati nell'etere infatti possono essere facilmente intercettati e quindi necessitano una cifratura. Inoltre la banda delle reti wireless è minore (32Mbit/s contro 100Mbit/s) e condivisa.




Il candidato illustri il concetto di modulazione, evidenziando le differenze tra le tecniche di modulazione d’ampiezza e d’angolo.

Bis - Il candidato illustri e confronti modulazione d’angolo e di ampiezza, riportando schemi a blocchi, esempi di forme d’onda e principali proprietà.

Ter - Presentare due tecniche di modulazione dei segnali.


La modulazione è una tecnica che consiste nell'inserire una informazione in un segnale deterministico variando uno o più dei parametri caratteristici. Nel caso specifico dei segnali elettrici modulzioni tipiche sono quelle che agiscono su ampiezza, frequenza e fase. Per modulazione si intende la tecnica di trasmissione di un segnale elettromagnetico (eventualmente rappresentante un'informazione), detto modulante, per mezzo di un altro segnale elettromagnetico detto portante. I segnali da modulare possono rappresentare le informazioni più diverse quali audio, video e dati. In generale, il motivo per cui si utilizza la modulazione risiede nel fatto che i segnali rappresentanti le informazioni da trasmettere sono in prevalenza di natura passa-basso (il loro contenuto spettrale è concentrato per lo più alle basse frequenze), mentre i canali trasmissivi che più comunemente si utilizzano (come canali hertziani e fibre ottiche) sono di natura passa-banda. occore quindi convertire in frequenza, mediante tale operazione, lo spettro del segnale elettromagnetico rappresentante l'informazione; inoltre, l'impiego di questa tecnica permette di trasmettere segnali elettrici a grande distanza. L'onda portante è un'onda elettromagnetica a frequenza ben determinata, che può essere trasmessa in aria, nel vuoto o tramite un mezzo materiale opportuno. Esistono diversi tipi di modulazione analogica:

  • AM: Modulazione d'ampiezza. Consiste nel modulare l'ampiezza della portante in maniera proporzionale all'ampiezza della modulante. Il segnale modulato è quindi ottenuto moltiplicando la portante (tipicamente un segnale sinusoidale) per la modulante: s\left(t\right)=\left[1+K_a x\left(t\right)\right] V_0 \cdot \cos \left(2 \pi f_0 t+\varphi_0 \right).

AMgrafico.png

Segnale modulato


Si noti che se il termine che moltiplica il coseno diventa negativo la modulante non è più ricostruibile dall'inviluppo del segnale modulato. Questo fenomeno è detto sovramodulazione e si ha quando il termine Ka è troppo grande.

Surmodulation.gif

Sovramodulazione


  • FM: Modulazione di frequenza. Consiste nel modulare la frequenza della portante in maniera proporzionale alla frequenza dell'ampiezza della modulante. Rispetto alla modulazione di ampiezza ha il vantaggio di essere molto meno sensibile ai disturbi e permette una trasmissione di miglior qualità. Il segnale modulato ha la seguente forma: s\left(t\right)=V_0\cos\left[2\pi f_0 t+2\pi \Delta_f\int_0^t x\left(\xi\right)d\xi +\varphi_0\right].

Frequency-modulation.png

Modulazione di Frequenza


  • PM: Modulazione di fase. Si ottiene variando la fase della portante rispetto al suo valore in assenza di modulazione, proporzionalmente al valore istantaneo dell'ampiezza della modulante. Il segnale modulato ha quindi la forma: s\left(t\right)= V_0 \cos\left[ 2\pi f_0 t+K_p x\left(t\right)+\varphi_0\right]

Phase Modulation.png

Modulazione di fase





Il candidato illustri l’utilità dell’impiego dell’analisi di Fourier per lo studio di sistemi di telecomunicazioni.

Bis - Il candidato illustri brevemente l’utilità dell’analisi di Fourier nell’analisi dei segnali per le telecomunicazioni.

Ter - Si definiscano lo spettro di ampiezza e di fase di un segnale ad energia finita. Il candidato si aiuti con un esempio a sua discrezione.

Quater - I segnali possono essere descritti nel dominio del tempo e in quello delle frequenze. Descrivere le modalità di passaggio dall’uno all’altro.


L’analisi di Fourier è la tecnica grazie alla quale è possibile studiare un segnale nel dominio delle frequenze invece che nel dominio del tempo. Tale tecnica consiste nello scomporre il segnale che si sta analizzando in una combinazione lineare infinità di sinusoidi. Ciò è possibile quando sono verificate determinate condizioni di regolarità del segnale (ad esempio che abbia un quantità numerabile di discontinuità) che si riscontrano sempre nei segnali reali. Uno degli aspetti fondamentali della trasformata di Fourier (operatore F) sta nel fatto che sinusoidi di frequenze diverse hanno sempre correlazione nulla (cioè sono ortogonali), perciò esiste una sola scomposizione possibile (teorema di unicità) e le varie componenti vengono elaborate in modo indipendente dai sistemi lineari tempo invarianti (LTI). La portata di quest’ultima considerazione è enorme, infatti per conoscere l’uscita y di un sistema LTI noto l’ingresso x, mentre nel dominio del tempo è necessario fare la convoluzione tra x e la risposta all’impulso del sistema g, nel dominio delle frequenze è sufficiente fare il prodotto tra F(x) e F(g) per avere F(y). La forma più generale della trasformata di Fourier è quella complessa, cioè anziché scrivere una sommatoria di sinusoidi si scrive una sommatoria di fasori complessi. Il passaggio dalla forma in seni e coseni alla forma complessa e viceversa è facilmente ottenibile grazie alla formula di Eulero \cos\left(\alpha\right)+j\sin\left(\alpha\right)=e^{j\alpha}. La formula di trasformazione non è altro che una convoluzione con i fasori alle varie frequenze, in modo da quantificare quanto il segnale ‘somigli’ a ciascuno di essi: X\left(f\right)=\int_{-\infty}^{+\infty}x\left(t\right)\cdot e^{-j2\pi ft}dt dove X(f) è F(x). Il passaggio inverso (dalla frequenza al tempo) è del tutto analogo: x\left(t\right)=\int_{-\infty}^{+\infty}X\left(f\right)\cdot e^{j2\pi ft}df, e si può verificare che il concatenamento delle due operazioni restituisce il segnale di partenza: x\left(t\right)=\int_{-\infty}^{+\infty}\left[\int_{-\infty}^{+\infty}x\left(t\right)\cdot e^{-j2\pi ft}dt\right]\cdot e^{j2\pi ft}df. Segnali periodici in verità non hanno componenti a tutte le frequenze, ma solo a quelle multiple della loro frequenza fondamentale f_0=\frac{1}{T_0}, dove T0 è il periodo del segnale. Quindi è comune rappresentarli in serie di Fourier, cioè con una sommatoria discreta (invece di un integrale) x\left(t\right)=\sum_{k=-\infty}^{+\infty}C_ke^{j2\pi kf_0t}. I coefficienti Ck sono calcolati in modo analogo alla trasformata, facendo però l'integrale su un solo periodo C_k=\frac{1}{T_0}\int_0^Tx\left(t\right)e^{-j2\pi kf_0t}dt.

Quindi X(f), o i coefficienti Ck, assumono valori complessi, è possono essere scritti in modulo e fase: X\left(f\right)=A\left(f\right)\cdot e^{j2\pi\varphi\left(f\right)}. A(f) e φ(f) sono detti rispettivamente spettro di ampiezza e spettro di fase. In sostanza A(f0) dice quanto un segnale oscilla alla frequenza f0, mentre φ(f0) dice con quale fase lo fa. Ci si può convincere facilmente di ciò applicando calcolando gli sviluppi in serie di Fourier di un coseno e di un seno, ottenibili semplicemente rigirando la regola di Eulero: \cos\left(2\pi f_0t\right)=\frac{1}{2}\left(e^{j2\pi f_0t}+e^{-j2\pi f_0t}\right), \sin\left(2\pi f_0t\right)=\frac{1}{2j}\left(e^{j2\pi f_0t}-e^{-j2\pi f_0t}\right)=\frac{1}{2}\left(e^{j2\pi f_0t}+e^{-j2\pi f_0t}\right)e^{-j\pi/2}. Si nota quindi che un seno ed un coseno hanno coefficienti d'ampiezza uguali (pari a 0.5), mentre il seno ha fase minore di 90° rispetto al coseno, cioè è la stessa onda traslata.




Con riferimento ad un sistema di telecomunicazione numerico, si disegni uno schema a blocchi del generico collegamento.



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