Telecomunicazioni

Si parla di telecomunicazioni per intendere tutto ciò che permette lo scambio delle informazioni a distanza tra individui o sistemi.

Il sistema di telecomunicazioni

L'obiettivo di un sistema di comunicazione è riprodurre a destinazione una replica accettabile del messaggio di origine. Il messaggio è il mezzo fisico che veicola l'informazione.

Esistono due forme principali di messaggi

• Messaggio analogico
  Il messaggio fisico varia nel tempo in modo regolare e continuo. Ad esempio la propagazione della voce nell'aria viaggia per pressione acustica.
• Messaggio digitale
  Il messaggio digitale è una sequenza ordinata di simboli tratti da un insieme finito di elementi discreti. Ad esempio, la sequenza di bit 0 e 1 nella comunicazione tra due computer.

In un sistema di telecomunicazioni, sia il messaggio analogico che digitale sono veicolati tramite un segnale elettrico (elettricità).

Pertanto, in entrambi i casi (analogico o digitale) il sistema di telecomunicazione è dotato di un trasduttore in ingresso e in uscita.

• Il trasduttore in ingresso (input trasducer) si trova nel punto di origine. Converte il messaggio analogico/digitale in un segnale elettrico caratterizzato da una particolare tensione e corrente. Ad esempio, un microfono.
• Il trasduttore in uscita (output trasducer) si trova nel punto di destinazione. Converte il segnale elettrico in un'altra forma desiderata. Ad esempio, un altoparlante.

Nota. Messaggio e segnale sono due sinonimi, perché il messaggio è un mezzo fisico dell'informazione. Pertanto, il segnale elettrico è una particolare tipologia di messaggio.

Gli elementi del sistema di telecomunicazione

Un sistema di comunicazione è composto dai seguenti elementi essenziali:

• Il trasmettitore (transmitter)
  E' il dispositivo che elabora il segnale per adattarlo alle caratteristiche del mezzo trasmissivo. E' composto da un trasduttore. In genere, la trasmissione si basa sulla modulazione. Pertanto, il trasmettitore è dotato anche di un modulatore. Se necessario, il trasmettitore si occupa anche della codifica del segnale prima della trasmissione.
• Il mezzo di trasmissione
  Il mezzo o canale di trasmissione è il mezzo fisico attravero il quale viene veicolato un segnale da un luogo di origine a un luogo di destinazione. Il mezzo di trasmissione può essere un cavo, le onde radio, ecc.
  Nota. Durante la trasmissione si verificano disturbi (noise), interferenze (interference) e perdite (loss) che modificano il segnale originario. Inoltre, la potenza del segnale si attenua progressivamente con la distanza.

   

  • Distorsioni (distortion). Sono perturbazioni della forma d'onda del segnale. Possono essere eliminate da un equalizzatore.
  • Interferenze (interference). Sono altri segnali estranei che disturbano la trasmissione del segnale. Possono essere rimossi da opportuni filtri.
  • Rumori (Noise). Sono segnali casuali e imprevedibili, interni o esterni al sistema, che modificano il segnale. Entro un certo limite di danneggiamento i filtri possono rimuovere i danni causati dai rumori sul segnale. E' però difficile, a volte impossibile, pulire il segnale da ogni rumore.

   

• Il ricevitore (receiver)
  Il dispositivo ricevitore elabora il segnale nel luogo di destinazione e lo converte in una forma desiderata tramite un trasduttore. In genere, il ricevitore include un amplificatore per compensare le perdite del segnale durante la trasmissione, un demodulatore ed eventualmente un decoder per la decodifica.

Nello schema precedente la trasmissione è Simplex (SX) perché avviene in una sola direzione.

Nelle trasmissioni full-duplex (FDX) e half-duplex (HDX) la trasmissione avviene in entrambe le direzioni. Quindi, entrambi i luoghi sono dotati di ricevitore e di trasmettitore.

La differenza tra full-duplex e half-duplex

• Full-duplex
  La trasmissione avviene in entrambe le direzioni contemporaneamente. Un esempio tipico è il telefono.
• Half-duplex
  La trasmissione avviene in entrambe le direzioni non contemporaneamente. Un esempio tipico è la comunicazione via radio su uno stesso canale.

Il rumore termico

Il rumore termico è una componente sempre presente nei sistemi di telecomunicazione, causata da fenomeni naturali interni ed esterni al sistema, e che contribuisce alla non idealità dei componenti, rendendo impossibile una trasmissione perfetta dell'informazione.

Quindi, il miglior risultato pratico in un sistema di telecomunicazioni è trasmettere una copia dell'informazione con il minor numero di errori possibile.

Per questo motivo, si utilizzano dei modelli probabilistici per quantificare gli errori nella trasmissione e nella ricezione.

E' da sottolineare l'importanza dell'amplificazione del segnale, sia in trasmissione che in ricezione, per contrastare la riduzione della dinamica del segnale durante il percorso.

Nota. Va detto che l'amplificazione non elimina il rumore, al contrario lo amplifica, ma è fondamentale per facilitare il lavoro con il segnale ricevuto.

Altre operazioni cruciali, come la codifica, il filtraggio e la modulazione, contribuiscono a migliorare la qualità del segnale.

La codifica

In un sistema di telecomunicazioni la "codifica" è la trasformazione del segnale da trasmettere in una forma che possa essere trasmessa e ricevuta in modo più efficace attraverso un canale di comunicazione.

Esistono tre tipi di codifiche:

• Codifica di sorgente
  Riduce il numero di simboli necessari per rappresentare un segnale, comprimendo i dati da trasmettere.
• Codifica di canale
  Aggiunge informazioni ridondanti al segnale per proteggerlo dai disturbi del canale, permettendo al ricevitore di rilevare e correggere eventuali errori.
• Codifica di linea
  Modifica la forma e l'ampiezza del segnale per adattarlo al meglio al canale di trasmissione scelto (ad esempio, doppino telefonico, fibra ottica o canale radio).

In ricezione, tutte queste operazioni vengono invertite attraverso processi di decodifica per recuperare il segnale originale.

Ad esempio la decodifica di sorgente (come la decompressione di un file), la decodifica di canale (per rimuovere la ridondanza e correggere eventuali errori) e la decodifica di linea (per riportare il segnale alla sua forma originale) sono eseguite per recuperare il segnale trasmesso nella sua forma più vicina possibile all'originale.

La modulazione

La modulazione è un'operazione fondamentale nei sistemi wireless che migliora le prestazioni del segnale e ne consente la trasmissione efficiente attraverso un canale di comunicazione.

Coinvolge due forme d'onda: il segnale modulante (il segnale da trasmettere) e un'onda portante.

A seconda del tipo di modulazione (ad esempio, modulazione di ampiezza, fase o frequenza), l'ampiezza, la fase o la frequenza dell'onda portante vengono modificate in base al segnale da trasmettere.

Questo processo sposta lo spettro del segnale a frequenze più alte, riducendo interferenze e distorsioni, e permettendo l'uso di antenne più piccole, rendendo i dispositivi come smartphone più portatili e pratici.

Il filtraggio

Il filtraggio è un'operazione che avviene nel dominio della frequenza e consiste nel moltiplicare lo spettro di un segnale con un altro spettro, per selezionare determinate frequenze.

Questo processo permette di eliminare le parti del segnale che non possono essere trasmesse, soprattutto quando la larghezza di banda del segnale è maggiore di quella del sistema di trasmissione, riducendo così le distorsioni.

Filtrare in frequenza aiuta a preservare le frequenze più importanti, evitando di perdere informazioni critiche.

I limiti del sistema di telecomunicazioni

In un sistema di telecomunicazioni (TLC), le operazioni come codifica, filtraggio e modulazione rimangono costanti per diversi tipi di sistemi (satellitari, radio cellulari, Wi-Fi).

Questo rende possibile un approccio analitico comune e standardizzato per l'analisi dei diversi sistemi.

Tuttavia, le prestazioni di un sistema TLC sono limitate da due principali fattori: limiti tecnologici e limiti fisici.

• Limiti tecnologici
  I limiti tecnologici sono legati alla disponibilità hardware, ai fattori economici e alle normative sulle emissioni elettromagnetiche, come le regolamentazioni che limitano la potenza di trasmissione.

  Ad esempio, in Italia, le normative sono particolarmente stringenti e limitano la potenza di trasmissione dei segnali per evitare inquinamento elettromagnetico. Questo impone restrizioni su quanto si può amplificare un segnale, obbligando a trovare un equilibrio tra amplificazione e altre operazioni come codifica e filtraggio per ottimizzare la trasmissione senza superare i limiti imposti.

• Limiti fisici
  I limiti fisici sono la larghezza di banda e il rumore. La larghezza di banda determina la velocità massima di trasmissione del sistema, mentre il rumore, presente in ogni sistema, degrada le prestazioni.

Un modo per valutare queste prestazioni è attraverso il calcolo della capacità di canale, che misura la quantità di informazione utile trasmessa per unità di tempo.

La capacità di canale, indicata come "C", rappresenta il numero massimo di bit al secondo che possono essere trasferiti su quel canale, tenendo conto della larghezza di banda disponibile e del livello di rumore presente.

Ad esempio, un sistema con una larghezza di banda maggiore e meno rumore avrà una capacità di canale superiore, consentendo la trasmissione di più informazioni in modo più efficiente.

E così via.