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Schema di comunicazione di Shannon
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sorgentenumerica
codifica di sorgente
codifica di canale
modulatoredemodulatore
destinatariodecodifica di sorgente
decodifica di canale
canale
Canale di comunicazione
Un canale di trasmissione ideale dovrebbe possedere una banda sufficientemente larga da
contenere lo spettro del segnale da trasmettere ritardare il segnale senza distorcerlo o attenuarlo
troppo In pratica tutti i canali di comunicazioni
presentano delle non-idealità che limitano la massima velocità di segnalazione e la lunghezza del collegamento. Queste sono: Banda finita Attenuazione Rumore Distorsione
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Limitatezza in banda
I canali reali hanno tutti un comportamento di tipo passa-banda: le componenti armoniche all’interno della banda passante vengono lasciate passare, le altre vengono fermate
La limitatezza della banda disponibile limita la quantità d’informazione che può essere trasmessa sul canale
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R < C = W log 1+ SNR( ) [bit /s]bit rate
capacità del canale
banda a disposizione rapporto segnale-rumore
Attenuazione
Il segnale viene attenuato durante la propagazione in un mezzo
L’attenuazione è proporzionale alla distanza percorsa. Nei mezzi guidati l’attenuazione ha un
andamento pressoché logaritmico Nei mezzi non guidati l’attenuazione è in
genere quadratica, ma spesso intervengono altri fattori aleatori
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Attenuazione
Per ovviare a questo problema vengono introdotti dei ripetitori a intervalli regolari sulla linea di trasmissione. Possono essere: Non rigenerativi. In questo caso amplificano il
segnale ricevuto e lo ritrasmettono. Hanno il problema di amplificare tutto il segnale ricevuto (= segnale utile + rumore).
Rigenerativi. Utilizzabili nelle trasmissioni digitali. In questo caso il segnale ricevuto viene demodulato ottenendo così i bit informazionali e rimodulato. Hanno il vantaggio di non aumentare il rumore ma possono introdurre degli errori (nella fase di estrazione dei bit).
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Rumore
Per rumore si intende qualsiasi segnale presente in ricezione che non fa parte del segnale trasmesso
Il rumore termico è causato dal movimento casuale degli elettroni negli apparati riceventi dovuto ad agitazione termica (un elettrone che si muove è una corrente)
La diafonia è un fenomeno di accoppiamento elettrico tra mezzi trasmissivi vicini non isolati adeguatamente. Il segnale trasmesso su un cavo genera per induttanza un segnale corrispondente nel cavo vicino, che si sovrappone al segnale trasmesso in quest’ultimo
Ci sono inoltre altri tipi di rumore (di intermodulazione, impulsivo, etc.)
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Distorsione
Le armoniche che compongono il segnale trasmesso possono andare incontro a modifiche differenti. Armoniche a frequenze differenti vengono attenuate in maniera differente ritardate in maniera differente
Questo causa distorsione
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Classificazione dei mezzi trasmissivi
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Tipologia Mezzo fisico Segnale trasmesso
GuidatiDoppino intrecciato Corrente elettrica
Cavo coassiale Corrente elettricaFibra ottica Onde luminose
Non guidati Etere (wireless) onde radio, microonde, raggi infrarossi
Grossi / Venturino
Doppino intrecciato
Il doppino intrecciato (o più semplicemente doppino) è il più anziano e tutt'ora diffuso mezzo di trasmissione.
Consiste di una coppia di conduttori di rame, spessi 1mm e ricoperti ciascuno da una guaina isolante.
Si parla di doppino intrecciato in quanto i due conduttori sono intrecciati l'uno con l'altro in una forma elicoidale.
L'intreccio (o binatura) si rende necessario per prevenire fenomeni di interferenza fra coppie adiacenti (diafonia).
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Doppino intrecciato
Applicazioni: Nei tratti delle reti telefoniche pubbliche che
arrivano fino all'utente, il cosiddetto "ultimo miglio“. Nelle reti telematiche (rete Ethernet) per collegare
fra loro computer, stampanti, server di calcolo.
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Doppino intrecciato
All’interno del doppino si propaga una corrente elettrica di debole intensità.
Il segnale si attenua rapidamente con la distanza, ed il collegamenti non superano in genere i 5 Km
Per coprire distanze maggiori è necessario far uso di apparati di rigenerazione (amplificazione) del segnale intermedi.
Su distanze di 500-600 metri è possibile ottenere velocità di trasmissione dell’ordine dei 10-20 Mb/s su una singola coppia di fili.
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Doppino intrecciato
Si possono utilizzare fasci di doppini, che possono essere costituiti da qualche coppia fino a centinaia di coppie
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Doppino per rete Ethernet
Nelle reti Ethernet si utilizzano quattro coppie di cavi affiancate.
I cavi possono essere schermati o non schermati. La schermatura permette di raggiungere distanze
più elevate a parità di velocità di trasmissione. I cavi schermati sono più rigidi e quindi di minore
maneggevolezza. I cavi schermati sono usati solamente in ambienti
in cui sono presenti forti sorgenti di disturbi elettromagnetici.
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Doppino per rete Ethernet
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Screened Unshielded Twisted Pair (S/UTP o FTP)
Shielded Twisted Pair (STP) Unshielded Twisted Pair (UTP)
Screened Shielded Twisted Pair (S/STP)
Struttura
D: al centro ha un singolo conduttore di rame (core)
C: il secondo strato è un dielettrico che garantisce l’isolamento con lo strato successivo e la giusta distanza
B: il terzo è una maglia metallica (shield)
A: lo strato più esterno è una calza isolante
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Utilizzo
Brevettato dal matematico e ingegnere inglese Olivier Heaviside nel 1880
E’ utilizzato per trasmissioni a radiofrequenza. Connessione di trasmettitori e ricevitori radio
con le proprie antenne (es., televisione e antenna)
Connessioni di reti di computer (ormai quasi completamente rimpiazzato dl doppino telefonico)
Distribuzione del segnale per la TV via cavoGrossi / Venturino Corso di Telecomunicazioni - AA 2011/2012 23
Funzionamento
Se si usassero normali cavi ci sarebbero perdite di potenza nella trasmissione poiché, a queste frequenze, si comporterebbero come antenne.
La presenza dello schermo (shield) confina il campo elettromagnetico nello spazio tra coree shield. Quest’ultimo è connesso a terra per evitare di irradiare.
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Caratteristiche
Maggiore robustezza a interferenze esterne e alla diafonia
Maggiore larghezza di banda rispetto al doppino telefonico
Il principale problema è l’attenuazione del segnale sulla distanza (anche se meno del doppino telefonico) e necessita per questo di ripetitori a distanza di qualche km.
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La fibra ottica
E’ una guida d’onda dielettrica: un cavo (di materiale vetroso o polimerico) che trasmette luce lungo il suo asse attraverso il processo di riflessione interna totale
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Struttura
Core (nucleo interno): sottile filo di una sostanza vetrosa (fibra di vetro) o polimerica, del diametro di 10 – 50 µm
Cladding (mantello): riveste il core, è fatta dello stesso materiale ma ha un indice di rifrazione minore; diametro 125 µm
Jacket (guaina esterna): di materiale plastico, riveste il mantello, protegge il cavo da unmidità e deformazioni
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Struttura
Le proprietà ottiche di nucleo e mantello sono tali che la luce introdotta nel nucleo con direzione opportuna non possa più uscire dalnucleo, ma venga riflessa in modo da viaggiare lungo ilnucleo fino a destinazione
I cavi per utilizzo breve possonoessere a coppie di fibre; cavi per lunghe tratte possono invececontenere centinaia di fibre
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Il fenomeno della riflessione totale
Quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un’altro, subisce un cambio di direzione(rifrazione)
L’ampiezza dell’angolo di rifrazione dipendedalle caratteristiche fisiche dei due mezzi
Esiste un angolo di incidenza (angolocritico)oltre il quale il raggio vienecompletamente riflesso entro il mezzo piùdenso
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Il fenomeno della riflessione totale
In questo modo il raggio rimane confinato nel core e si può propagare per lunghe distanze
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Il fenomeno della riflessione totale
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Storia
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L’idea di guidare la luceattraverso processi di riflessione è di Daniel Colladon e Jaques Babinet, Parigi, 1842. John Tyndall ne dà una dimostrazione nellesue lezioni e ne parla in un suo libro (1870)
Storia
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Le prime applicazioni sono in ambito dentistico emedico (endoscopia)
Nel 1952, Narinder Singh Kapany conduce un esperimento che porta all’invenzione della fribra ottica
Nel 1965, Charles K. Kao della STC e George A. Hockham del British Post office proposero per primiun utilizzo nelle comunicazioni. Per questo Kao fu insignito del Nobel per la fisica nel 2009
Negli anni 70 erano ancora decorazioni per la produzione di lampade. Oggi sono un componenteessenziale nei sistemi di telecomunicazione
Fibre multi-modali
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Il nucleo ha un diametro di circa 50 µm In queste condizioni la luce può avere diversi angoli di
incidenza e percorrere diverse traiettorie (=diversi“modi” di propagazione)
In ricezione si hanno copie dell’impulso in ingressocon ritardi leggermente differenti dovuti ai diversipercorsi ottici (distorsione) e il segnale in uscita risultapiù allargato
Questo fenomeno limita la velocità di trasmissionedati perché gli impulsi devono esseresufficientemente spaziati per essere identificati
Fibre mono-modali
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Il nucleo ha uno spessore di 8-10 micron In questo caso si propaga un solo modo
(quello senza riflessioni) L’impulso di luce non subisce distorsione in
uscita e la fibra è capace di tassi trasmissivimaggiori
Trasmettitore
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LED (light emitting diode): più economico, adatto per trasmissioni a tratta corta su fibremultimodali ed a basso tasso trasmissivo
Diodi laser: più costoso, adatto per trasmissioni ad alto tasso trasmissivo per lunghe distanze, più sensibile al calore
Ricevitore
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Photodetector: converte la luce in elettricitàsfruttando l’effetto fotoelettrico. Tipicamente sistratta di un fotodiodo a semiconduttore
Finestre trasmissive
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Nelle comunicazioni ottiche, lo spettrotrasmissivo è descritto in termini di lunghezzad'onda invece che di frequenza
c = λ /T = λν ⇒ λ = c /ν
velocità della luce
lunghezza d’onda
frequenza
periodo
Finestre trasmissive
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Nelle comunicazioni ottiche, lo spettrotrasmissivo è descritto in termini di lunghezzad'onda invece che di frequenza
Combinando i diversi fenomeni di attenuazione, rifrazione, dispersione, vi sonotre “finestre” (= intervalli di lunghezze d’onda) particolarmente adatte all'uso nelletelecomunicazioni, con prestazioni e costicrescenti: 0.85, 1.3 e 1.55 µm
c = λ /T = λν ⇒ λ = c /ν
Vantaggi della fibra
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I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono:
bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza ripetitori
grande capacità di trasporto di informazione grazie all'ampissima capacità di banda
immunità da interferenze elettromagnetiche alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre
vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra sitia potenziale diverso
Vantaggi della fibra
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peso e ingombro modesto (vantaggio non indifferentesia per i cablaggi nelle tubature cittadine, sia per la stesura di cavi multipli a lunga distanza, anchetransoceanici)
bassa potenza contenuta nei segnali assenza di diafonia ottima resistenza alle condizioni climatiche avverse bassi valori di probabilità di errore adatto a comunicazioni sicure (in quanto è molto
difficile da intercettare e altrettanto facile damonitorare)
Utilizzo della fibra
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Utilizzate in applicazioni su lunga distanza e ad elevate prestazioni per: segnale telefonico, comunicazioniInternet, TV via cavo
Definizione
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L’informazione di propagaattraverso ondeelettromagnetice in spaziolibero
Si possono individuare 2 regioni dello spettro con diversi utilizzi a causadelle diverse proprietàdella trasmissione
Tipologie di trasmissione
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Radiodiffusione: per frequenze comprese tra ilkHz e il GHz. Le onde si propagano in mododiffusivo. Trasmissione in genereunidirezionale. Applicazioni radio e TV
Microoonde: per frequenze tra 1 e 40 GHz. Le onde si propagano in modo direzionale. Utilizzata in trasmissioni punto-punto (ponteradio, satellite) o in broadcast (satellite)
Radiodiffusione
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Generalmente utilizzata per la trasmissioneanalogica di segnali radio-televisivi in modalità broadcast (1 tramsettitore – moltiricevitori)
3 tecniche trasmissive differenti a secondadella porzione di spettro occupato
Radiodiffusione: groundwave
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Fino a 2 MHz, l’onda si propaga seguendo la curvatura terrestre attraversando bene gli ostacoli earrivando fino a 1000 km (groundwave). Usata per la diffusione del segnale orario, navigazione, radio AM
Radiodiffusione: ionospheric
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Opera a frequenze tra i 30 e 85 MHz. Il segnale vienerifratto dalla ionosfera e può raggiungere elevate distanze. La qualità della trasmissione dipende molto dalle condizioni atmosferiche. Usata in ambitomarittimo, aereo e per comunicazioni radio amatoriali
Radiodiffusione: line of sight
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Da 3 MHz a 1 GHz. In questo caso il collegamento èin linea di vista e limitato dalla curvatura terrestre a circa 100 km. Esempi: radio FM, televisione.
Microonde: ponti radio
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Il range di frequenze è 3 – 30 GHz Si tratta di una comunicazione punto
– punto bidirezionale Utilizzano antenne molto direttive e il
collegamento è in linea di vista Si possono coprire lunghe distanze
mediante una catena di ripetitori Sono capaci di elevati data-rate viste
le frequenze operative
Microonde: ponti radio
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Le antenne utilizzate sono in genereparaboliche con piccolo diametro (fino a qualche metro)
Parabolica axial feed HornParabolica Cassegrain
Ponti radio: pro e contro
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E’ una tecnica che va in competizione con fibreottiche e cavi coassiali Vantaggi
Possibilità di utilizzo in luoghi isolati e pocoaccessibili o non accessibili del tutto (es., attraversare un suolo pubblico o una proprietàprivata)
Costo inferiore su lunghe tratte
Ponti radio: pro e contro
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Svantaggi Attenuazione maggiore e variabile con le
condizioni atmosferiche Interferenza dovuta a cammini multipli (onda in
linea diretta + onda riflessa dal terreno) Interferenza dovuta ad altre stazioni
Ponti radio: applicazioni
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Trasmissione a lunga distanza del traffico televisivo telefonico radio
La trasmissione può essere analogica odigitale
Microonde: tramissioni satellitari
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Il satellite si comporta come una stazioneripetitrice del segnale di un ponte radio
Il segnale viene inviatodalla stazione terrestre al satellite (uplink), che lo rimanda a terra verso la stazione o le stazioniriceventi (downlink), generalmente utilizzandofrequenze differenti
Microonde: tramissioni satellitari
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Opera su più bande di frequenza e i singolicanali si chiamano transponder (canali tra 15 e 500 MHz di banda)
Satelliti GEO
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Geostationary Earth Orbit: Operano in orbitageostazionaria (circa 36000 km). Forzagravitazionale e centrifuga si bilanciano e ilsatellite è in orbita;
Satelliti GEO
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la velocità per stare in orbita a 36000km è tale per cui il periodo di rivoluzione del satellite èuguale al periodo di rotazione della terra e ilsatellite è visto “fermo”
Satelliti GEO
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Adatti alla trasmissione dati in in quanto ilpuntamento delle antenne è fisso
Per motivi di interferenza vengono distanziatidi due gradi, quindi si possono avere al massimo 180 satelliti
La trasmissione dati deve tenere conto del ritardo di propagazione del segnale, che èpari a 0.25 secondi
Satelliti MEO e LEO
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MEO (Medium Earth Orbit): a 18000 Km di quota, con 6 ore di periodo dell’orbita Inadatti alla trasmissione dati Esempio: i satelliti del GPS
LEO (Low Earth Orbit): tra 750 e 1500 Km di quota Molto vicini, quindi si ha poco ritardo e si
richiede poca potenza in trasmissione Esempi: Iridium (per fonia, fax, dati,
navigazione), Globalstar
Multiplexing
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In genere la banda del mezzo di trasmissioneè molto maggiore della banda del segnale
Per usare in maniera efficiente il sistema di trasmissione si portano più segnali sul canale
Questa operazione si chiama Multiplexing e ilcanale è utilizzato in acceso multiplo
Multiplexing
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emul
tiple
xer
Mul
tiple
xer
segnale 2segnale 1
segnale k
segnale 2segnale 1
segnale k
Canale
Multiplexing
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Le principali tecniche di accesso multiplo sono:
FDMA (frequency division multiple access) TDMA (time division multiple access) CDMA (code division multiple access)
FDMA
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I k segnali da trasmettere vengono modulatisu k portanti differenti in modo che non sianosovrapposti in frequenza e dunque non interferiscano tra loro
In ricezione, tramite filtri passa-banda, èpossibile separare i diversi traffici
Può essere utilizzata sia per segnali analogiciche per segnali digitali
FDMA
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frequenza
frequenza
frequenza frequenza
tempo
tempo
tempo tempo
Multiplex inviato sul canale
Segnale 1
Segnale 2
Segnale k
B/k
B/k
B/k
T
T
T
T
B
FDMA: applicazioni
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Il multiplexing di canali fonici per la trasmissione delle telefonate attraverso le dorsali a larga banda in coassiale o ponteradio
La trasmissione radiotelevisiva ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), lo
standard per fornire all’abbonato un accessodigitale a banda più elevata di quanto non siapossibile con il modem in banda fonica
FDMA: applicazioni
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Comunicazioni satellitari La trasmissione su fibra. In questo caso
l’FDMA è anche chiamata WDMA (wavelength division multiple access) perchési parla in genere di lunghezze d’onda. Il sistema sfrutta la diffrazione delle onde dareticolo, ed utilizza sistemi passivi, quindialtamente affidabili e che non introduconorumore
TDMA
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Utilizzata nel caso di segnalazione digitale Ogni utente ha uno slot (intervallo temporale)
ogni T secondi, in cui trasmettere il propriosimbolo informazionale
segn
ale
1
segn
ale
2
segn
ale
3T
segn
ale
1
segn
ale
2
segn
ale
3
segn
ale
1
segn
ale
2
TDMA
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frequenza
frequenza
frequenza frequenza
tempo
tempo
tempo tempo
Multiplex inviato sul canale
Segnale 1
Segnale 2
Segnale K
B
T/k
T/k
T/k
B
B
T
B
TDMA: applicazioni
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Reti cellulari di seconda generazione (es., GSM)
Comunicazioni satellitari
CDMA
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I k segnali: occupano tutta la banda disponibile B occupano tutto l’intervallo T vengono distinti perché ognuno di essi ha
associato un codice differente
Prodotto scalare
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Se
Allora il prodotto scalare tra a e b è
( )( )
1
1
n
n
a a
b b
=
=
a
b
1 1 n na b a b⋅ = + +a b
CDMA: esempio
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Supponiamo di voler trasmettere 2 segnali, s1e s2, per portare 2 bit, b1 e b2
Diamo ad s1 il codice c1 = (1 1) e ad s2 ilcodice c2 = (-1 1), cioè
s1 = b1c1 e s2 = b2c2
Il segnale ricevuto èr = s1 + s2
per cui i segnali s1 ed s2 sono sovrapposti neltempo e in frequenza
CDMA: esempio
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Dunque, utilizzando un codice opportuno, sipossono separare i due segnali
12
r⋅ c1 =12
s1 ⋅ c1 +12
s2 ⋅ c1 =
=12
b1c1 ⋅ c1 +12
b2c2 ⋅ c1 = b1
12
r⋅ c2 =L = b2
=1x1+1x1=2 =-1x1+1x1=0