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1 Fondamenti TLC Campionamento e ricostruzione di segnali SEZIONE 7

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Page 1: 1 Fondamenti TLC Campionamento e ricostruzione di segnali SEZIONE 7

1 Fondamenti TLC

Campionamento e ricostruzione di segnali

SEZIONE 7

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2 Fondamenti TLC

Numerizzazione dei segnali

• Nei moderni sistemi di trasmissione e memorizzazione i segnali in ingresso sono di tipo numerico, normalmente rappresentati in formato binario {0,1}.

• In alcuni casi (si pensi ad esempio alle informazioni provenienti da una base dati di un calcolatore), i segnali da trasmettere o elaborare sono segnali numerici gia’ all’origine (la sorgente e’ una sorgente numerica).

• In alcuni casi la rappresentazione numerica dei segnali originari e’ molto semplice (alle lettere di un testo può essere facilmente associato un codice numerico ad es. binario: a00001, b 00010, c 00011 ecc.).

• In molti altri casi, invece, la rappresentazione numerica dei segnali originari richiede un’analisi più accurata. Come, ad esempio, rappresentare numericamente il segnale tempo-continuo in uscita da un microfono?

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3 Fondamenti TLC

Molti dei segnali con cui abbiamo a che fare nella realtà quotidiana sono continui sia nel tempo che nelle ampiezze.

Molti dei segnali con cui abbiamo a che fare nella realtà quotidiana sono continui sia nel tempo che nelle ampiezze.

t

x(t)

La rappresentazione di un segnale continuo con un segnale numerico richiede di discretizzare sia il tempo che le ampiezze.

La rappresentazione di un segnale continuo con un segnale numerico richiede di discretizzare sia il tempo che le ampiezze.

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4 Fondamenti TLC

Campionamento dei segnali

tT

Segnale originale x(t)

Campioni del segnale x(nT)

• T e’ detto periodo (o passo) di campionamento;• fc=1/T e’ detta frequenza di campionamento.

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5 Fondamenti TLC

x(t) X(f)

1

Tc

fc

fc

xTc(t)=x(t)Tc(t) XTc(f)= X(u)Tc(f-u)du

XTc(f)= X(u)Tc(f-u)du = fck X(u) (f-kfc-u)du = fck X(f-kfc)

xTc(t)=x(t)Tc(t) fc k X(f-kfc)

Tc(t)=k (t-kTc) Tc(f)=fc k (f-kfc)

Tc(t) Tc(f)

Tc=1/fc

Trasformata di un segnale campionato (teorema del campionamento)

Trasformata di una sequenza periodica d’ impulsi

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6 Fondamenti TLC

X( f - kfc )K=0 K=1K=-1

fc / 2-fc / 2 fc-fc

x(t)campionatore

x(t)Tc(t)

filtropassabasso

ideale x(t)

1

Tc

Tc(t)

X(f) X(f)kX(f-kfc)

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7 Fondamenti TLC

Ambiguita’ causata dal campionamento (esempio)

-5 0 5-1

0

1

-5 0 5-1

0

1

-5 0 5-1

0

1

t

tsintx

5.0

5.0 )(

1T

ttxtxtx

2cos)(2

)()( 11

1cf

ttxtxtx

4cos)(2

)()( 22

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8 Fondamenti TLC

Ambiguita’ causata dal campionamento

Consideriamo il generico segnale x(t) e campioniamolo a passo T=1/ fc , ottenendo la sequenza di campioni x(nT).

E’ immediato rendersi conto che si ottiene la stessa sequenza di campioni se campioniamo a passo T=1/ fc il segnale

)()(

)()()( )()(

0

22

txtx

nTxnTxnTxtxtx eenTkfj

k

tkfj

kcc

Infatti e j 2n = 1 per qualsiasi n intero

In generale, non e’ possibile dire quale, tra i segnali xk(t) o loro combinazioni lineari, abbia generato i campioni x(nT)

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9 Fondamenti TLC

Il teorema del campionamento Se e’ noto a priori che il segnale tempo continuo x(t) non contiene frequenze maggiori di fc / 2 e inferiori a -fc / 2, esiste un legame univoco tra il segnale continuo nel tempo e i suoi campioni x(nT): tra tutti i possibili segnali tempo continui xk(t), l’unico che non contiene frequenze maggiori di fc / 2 e inferiori a -fc / 2 e’ x0(t).

)( )(2

cTFtkfj

kffXtx e c )( )(2

cTFtkfj

kffXtx e c

fc / 2

X(f)

-fc / 2)( )( fXtx TF )( )( fXtx TF

Se un segnale x(t) e’ campionato con frequenza di campionamento fc almeno doppia della massima

frequenza contenuta fM e’

perfettamente ricostruibile (repliche in frequenza disgiunte). Altrimenti, le repliche sono sovrapposte e non e’ piu’ possibile distinguere le componenti di X(f) alle frequenze f-n fc.

X( f - kfc )K=0 K=1K=-1

fc / 2-fc / 2 fc-fc

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10 Fondamenti TLC

X( f - kfc )K=0 K=1K=-1

fc / 2-fc / 2 fc-fc

X( f - kfc )K=0 K=1K=-1

fc / 2-fc / 2 fc-fc

X( f - kfc )K=0 K=1K=-1

fc / 2-fc / 2 fc-fc

fc =2fM

fc >2fM

fc < 2fM

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11 Fondamenti TLC

x(t)S/H

Tc(t)

X(f)

x(t) LPFfM< f3dB <fc/2 x(t)Tc(t)

x(t)

X(f) X(f)kX(f-kfc) LPF

f3dB< fc- fM

XTc( f - kfc )

fc / 2-fc / 2

fc-fc

0 fM-fM fc -fM

|X(f)|=0 per |f| >fM fc>2fM

Campionatore: S/H (sample&hold)

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12 Fondamenti TLC -10 -5 0 5 10

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T T T T

La ricostruzione del segnale tempo-continuoIl segnale tempo continuo x(t) a banda limitata tra -fc / 2 e fc / 2 si ottiene sommando seni cardinali centrati ai tempi nT, con ampiezze massime uguali a x(nT) e zeri in t = mT per tutti gli m n. Infatti questa somma di segnali e’ a banda limitata e, se campionata, rida’ x(nT) .

+

+

=

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13 Fondamenti TLC

Il contenuto in frequenza di un segnale costituito da una sequenza di campioni impulsivi (1)

Consideriamo ancora il segnale utilizzato nell’esempio precedente … :

t

tsintx

5.0

5.0 )(

… e tutti i segnali che producono gli stessi campioni se campionati a passo T=1

ektj

k txtx2

)()(

Proviamo a sommare tra loro i segnali xk(t) ...

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14 Fondamenti TLC

… otteniamo

)(0 tx

2

2

)(k

k tx

-5 0 5-1

0

1

-5 0 5-5

0

5

-5 0 5-20

0

20

8

8

)(k

k tx

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15 Fondamenti TLC

Il contenuto in frequenza di un segnale costituito da una sequenza di campioni impulsivi (2)

Al crescere di K (numero degli elementi della sommatoria), il risultato della somma e’ pari a Kx(nT) agli istanti di campionamento nT, mentre altrove tende a zero.

Ogni elemento della sommatoria corrisponde ad una diversa replica di X(f) centrata alla frequenza kfc.

Quindi la somma di infinite repliche in frequenza di X(f) corrisponde ad un

segnale campionato pari a nx(nT)(t-nT).

Lo spettro di un SEGNALE CAMPIONATO con impulsi a passo T (nel tempo) e’ pertanto PERIODICO di passo fc =1/T (in

frequenza)

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16 Fondamenti TLC

Il contenuto in frequenza del segnale campionato

K=0 K=1K= -1

fc-fc

K=2K= -2

-2fc 2fc

t

tsintx

5.0 )(

0

2

0

)()(k

ktj

kk etxtx

1cf

FdT

FdT

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17 Fondamenti TLC

La ricostruzione del segnale tempo-continuo (1)

1 - La trasformata di Fourier del segnale campionato con impulsi e’ quella del segnale tempo-continuo replicata a passo fc in frequenza infinite volte.

2 - Per ottenere la trasformata di Fourier del segnale tempo-continuo da quella del segnale campionato con impulsi, bisogna eliminare tutte le repliche spettrali tranne quella in k=0.

3 - Per eliminare tutte le repliche spettrali tranne quella in k=0 si moltiplica la trasformata di Fourier del segnale campionato con impulsi per un rettangolo con banda compresa tra -fc / 2 e +fc / 2. Si applica un FILTRO PASSA-BASSO IDEALE.

K=0K=1K= -1

fc-fc

K=2K= -2

-2fc 2fc-fc / 2 +fc / 2

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18 Fondamenti TLC -10 -5 0 5 10

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T T T T

La ricostruzione del segnale tempo-continuo (2)

Moltiplicare in frequenza per un rettangolo con banda compresa tra -fc / 2 e +fc / 2 equivale a convolvere nel tempo il segnale campionato con impulsi con un seno cardinale che ha ampiezza unitaria in t = 0 e zeri in t = nT.

+

+

=

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19 Fondamenti TLC -10 -5 0 5 10

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T T T T

La ricostruzione del segnale tempo-continuo (3)Operativamente e’ inutile passare attraverso un segnale impulsivo (che peraltro e’ un’astrazione).Basta sommare seni cardinali centrati ai tempi nT, con ampiezze massime uguali a x(nT) e zeri in t = mT per tutti gli m n.

+

+

=

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20 Fondamenti TLC

La ricostruzione del segnale tempo-continuo (4)

Se la frequenza di Nyquist fc / 2 e’ maggiore della massima frequenza del segnale, il filtro passa-basso di ricostruzione puo’ avere transizioni piu’ “morbide”.

Ne segue che la sua risposta all’impulso puo’ non essere un seno cardinale (che peraltro ha durata infinita e non e’ realizzabile), ma una forma d’onda di durata praticamente finita.

K=0K=1K= -1

fc-fc

K=2K= -2

-2fc 2fc-fc / 2 +fc / 2

-10 -5 0 5 10-0.5

0

0.5

1

T T T T T

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21 Fondamenti TLC

La trasformata di Fourier di un segnale costituito da una sequenza di campioni x(nT) e’ definita in modo identico a quella di un segnale costituito da campioni

impulsivi nx(nT)(t-nT).

Quindi, la trasformata di Fourier della sequenza di campioni x(nT) e’ uguale (a parte un fattore moltiplicativo pari a fc ) a quella del segnale tempo-continuo x(t) replicata a passo fc in frequenza infinite volte.

La trasformata di Fourier di un segnale campionato

fc-fc-2fc 2fc

Trasformata di Fourier della sequenza di campioni x(nT)

Trasformata di Fourier del segnale x(t)