Telecomunicazioni per informatica. Laboratorio. Con quaderno operativo di laboratorio. Per gli Ist. tecnici industriali. [San Marco ed.] 8884882613, 9781862052826

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E. Ferrari C. Galbassini

E. Ferrari C. Galbassini

mwmwKW* con Quaderno operativo di laboratorio

Prima edizione: 2015

Con la collaborazione della Redazione e dei Consulenti della CESIVI Si ringrazia il progettista Claudio Mascheretti della UFG Elettronica per le numerose indicazioni di indirizzo sulle comunicazioni short range.

Impaginazione e grafica: Studio Grafico 2B - San Paolo d’Argon (BG) Copertina: Vavassori & Vavassori - Bonate Sotto (BG) Stampa: Arti Grafiche Battaia Franco S.r.l. -Zibido S.G. (MI) P erle citazioni delle fonti, p erle riproduzioni varie inserite in q u est’opera, n o n ch é per eventuali non volute om issioni n ei riferimenti o nelle attribuzioni a ll’interno d el libro, l ’editore è a disposizione degli accertati aventi esclusivo diritto. Il copyright delle iconografìe e la proprietà d ei marchi registrati citati ne! testo, utilizzati ai soli Uni didattici e a titolo esemplificativo, sono dei rispettivi proprietari e inseriti nei limiti della normativa vigente per le opere a carattere didattico scolastico.

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ISBN 978-88-8488-261-5

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1 R IN A A

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PRESENTAZIONE Questo volume è destinato a ll’insegnamento della disciplina Telecomunicazioni nel terzo e quarto anno del nuovo indirizzo Informatica e Telecomunicazioni, nello specifico per l’articolazione Informatica. Il testo, composto da 9 unità didattiche, fornisce tutto il materiale necessario per sviluppare le conoscenze e le abilità richieste per il secondo biennio e rappresenta una risorsa di contenuti e di esercitazioni alla quale attingere per programmare l’attività didattica. Ogni unità comprende: • argomenti di base trattati in modo conciso, con linguaggio semplice ma rigoroso sotto il profilo tecnico; • esempi applicativi tratti da situazioni reali, con la presenza di aspetti tecnici innovativi; • numerosi esercizi svolti di difficoltà crescente, in grado di chiarire e consolidare i concetti, il procedimento risolutivo o l’applicazione esposti nell’unità; • una serie di esercizi da svolgere, per i quali è sempre indicata la soluzione; • un test finale vero/falso utile per il ripasso e l’autovalutazione; • un estratto in lingua originale, proveniente da cataloghi e manuali aziendali, per permettere agli studenti di affrontare la termino­ logia di settore in lingua inglese, contestualizzata all’interno di documentazione tecnica reale. Per aiutare l’apprendimento dello studente, la trattazione è accom­ pagnata da circa 800 tra disegni, figure e tabelle. Comprensione della materia che può essere valutata e verificata passo passo, grazie alla presenza di un totale di circa 700 esercizi, a prevalente indirizzo applicativo. Il testo, nel suo sviluppo, vuole mantenersi costantemente vici­ no agii aspetti reali e attuali dei settore, includendo l’analisi di problemi e situazioni complesse, con particolare attenzione ai processi produttivi. Il volume è corredato di un importante quaderno operativo per il laboratorio, contenente una nutrita serie di materiali strutturati in schede per le esercitazioni, sia pratiche, sia in simulazione, con spunti di riflessione sui risultati delle prove e con ulteriori approfondimenti. Il quaderno operativo è composto da 3 parti, le prime due, di natura introduttiva, trattano i temi della sicurezza in laboratorio

IND ICE

S I SCHEDA 12 • Prove su e n co d er e d e c o d e r....................... 52

Filtra di ricostruzione............................................................................73

Encoder con priorità 4532....................................................................52 Decoder per display 4511.................................................................... 53

B SCHEDA 24 - Prove dirifle ssio n e sulle lin e e ......................74

I l SCHEDA 13 - Prove sui c o n t a t o r i........................................ 54

Terminazione serie................................................................................74

Contatori binari e BCD..........................................................................54 Contatore BCD con display...................................................................55

B SCHEDA 25 - G e n e ra to ri p s e u d o -ra n d o m ...........................74

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Terminazione parallelo.......................................................................... 74

Shift register retroazionati....................................................................... 75 Shift register a 8 b it................................................................................ 75

SCHEDA 14 ■Prove sui te m p o riz z a to r i............................. 55

Applicazione a una linea.......................................................................... 76

RC e inverter trigger..............................................................................55 Astabile con 555...................................................................................56 Generatore di to n i.................................................................................56 Oscillatore con quarzo e inverter CMOS...........................................56 i

B SCHEDA 2 6 -P ro v e suRS 232 ................................................77 Connettore............................................................................................. 77 Cavi........................................................................................................ 77 Hyperterminal........................................................................................78 Livelli elettrici dei segnali.....................................................................79

SCHEDA 15 - C ircu iti con te m p o riz z a to r i........................... 57

Misuratore di riflessi............................................................................ 57 Generatore di funzioni digitali periodiche..........................................58 Divisore di frequenza per tre............................................................... 58

B SCHEDA 27 - Prove su RS 485 ................................................80

l ! SCHEDA 16 -M is u re sui P L L .................................................. 58

Da TTL a RS 4 8 5 .................................................................................... 80

Rivelatore di fase................................................................................. 58 LM567................................................................................................... 60

B SCHEDA 28 - Serial device s e r v e r ........................................81

Da RS 232 a TTL.................................................................................... 80

PLL_Virtual........................................................................................... 60

Tibbo device server...............................................................................81 IP address.............................................................................................. 81

B SCHEDA 17 - S c rittu ra d i una RAM s ta t ic a ...................... 61

Collaudo................................................................................................. 82

Scrittura manuale di una RAM statica................................................61

Rete di sensori.......................................................................................82

H i SCHEDA 18 - Da V erilo g a lla m acchina a s t a t i ................62

B SCHEDA 29 - Prove sulla m odulazione A M .......................82

Serbatoio di mescola............................................................................63

Segnale modulato A M .......................................................................... 82

B SCHEDA 19 - A nalisi di fo rm e d 'o n d a p e rio d ic h e ............63

Rivelatore a diodo................................................................................. 83 Trasmissione DSB.................................................................................. 83

Scomposizione di una quadra.............................................................63 Ricostruzione della quadra..................................................................63 Analizzatore di spettro........................................................................63

B SCHEDA 30 - Prove sulla m odulazione F M ........................ 83 VCO........................................................................................................83

B SCHEDA 20 - Im pedenza al v a ria re d e lla frequenza ....64

Deviazione di frequenza.......................................................................84

RC al variare della frequenza..............................................................64

B SCHEDA 31 - A n a lizz a to ri d i m o d u la z io n e ........................ 85

RL al variare della frequenza...............................................................65 RLC serie al variare della frequenza...................................................65 RLC parallelo al variare della frequenza............................................66

Vettore errore........................................................................................85 B SCHEDA 32 - Prove sulla m odulazione P A M ..................... 87 Spettro del segnale PAM...................................................................... 87

B SCHEDA 21 - Prove sui f i l t r i ..................................................66

Individuazione dei blocchi.................................................................... 87

Filtro RC................................................................................................66 Analisi in AC........................................................................................ 67 Due celle RC in cascata....................................................................... 67

B SCHEDA 33 - C om andi AT p e r G S M ...................................... 88 Connessioni...........................................................................................88 Comandi di base...................................................................................89

Filtro attivo...........................................................................................68 Filtro attivo con guadagno in banda................................................. 68 Analisi della risposta in frequenza di un filtro passivo LC............... 69 Analisi della risposta in frequenza di un filtro a ttivo....................... 69 Analisi della risposta in frequenza di filtri attivi integrati............... 70

Lettura dei messaggi............................................................................. 89 Invio di un messaggio...........................................................................89 B SCHEDA 34 - C onnessione RS 232 - W iF i............................. 90 RN-131...................................................................................................90

B SCHEDA 22 - Prove su g li a m p lific a to r i............................ 70

Connessione lato seriale.......................................................................90 Connessione ad hoc lato W iFi.............................................................. 91

Amplificatore non invertente............................................................. 70 Inseguitore di tensione....................................................................... 71 Amplificatore invertente.................................................................... 71

Gestione parametri...............................................................................93

B SCHEDA 35 - C onnessione RS 232 - B lu e to o th ................. 93

B SCHEDA 23 - Prove sui c o n v e rtito ri ADC e D A C ............72

T9JRN41 -l/R M .......................................................................................93 Lettura parametri.................................................................................. 94

ADC in tensione.................................................................................. 72 DAC intensione................................................................................... 72 THD...................................................................................................... 73

Factory reset.......................................................................................... 95 Bridge RS 232 - Bluetooth.................................................................... 95

4

LA SICUREZZA IN LABORATORIO U

f

Si possono in d ivid u a re q u a ttro diverse zone di pericolosità: • in zona 1, per co rre n ti in fe rio ri a 0,5 mA, non si h a nn o n o rm a lm e n te reazioni percet­ tib ili; • in zona 2, tra 0,5 e 10 m A , si supera la so­ glia di percezione e si hanno deboli reazioni m uscolari, prive di e ffe tti fisio lo g ica m e n te pericolosi, ta n to che l'in fo rtu n a to riesce an­ cora a staccarsi dal c o n ta tto ; • in zona 3, tra 10 e 30 m A, non si ha alcun e ffe tto fis io lo g ic o p e rico lo so se la scarica e le ttrica si in te rro m p e e n tro 0,5 s, m entre, per co rre n ti superiori (da 30 a 50 0 mA), si h a nno e ffe tti pericolosi com e co n tra zio n e in vo lo n taria dei m uscoli (fe n o m e n o di te ta nizzazione), d iffic o ltà respiratorie e a ritm ie nella pulsazione cardiaca, fo rtu n a ta m e n te reversibili, che n o rm a lm e n te , se la loro d u ­ rata è lim ita ta e n tro i 200 ms, si concludono senza danni o rg a nici; la massima corrente alla quale si riesce ancora a m ollare la pre­ sa, de tta corrente di rilascio o corrente di distacco, si aggira sui 1 0 a-30 m A; • in zona 4, o ltre la curva ca ra tte ristic a c1 (zona di fib rilla z io n e ), la p o ssib ilità di in ­ correre nella fibrillazione ve n trico la re d i­ ve n ta sem pre più probabile, superando le curve c2 (5 % , con 50 m A) e c3 (5 0 % ), con conseguenti arresto del cuore, arresto della respirazione e gravi bruciature. La fib rilla zio n e, d ifa tti, è u n 'a lte ra zio n e della regolare a lte rn a n za co n tra zio n e -e s p a n sio n e del m uscolo cardiaco, che in troduce uno stato irregolare privo di contrazioni ed espansioni; è un fe n o m e n o irreversibile, annullabile solo m e­ diante l'im p ie g o di o p p o rtu n i d e fib rilla to ri. Il lim ite convenzionale, al di so tto del quale la corrente industriale è considerata non perico­ losa, vale q u indi

Elementi di sicurezza

Da q u a n d o la presenza d e ll'e n e rg ia e le ttri­ ca nella vita q u o tid ia n a è d ive n tata per tu tti u n 'a b itu d in e , si è in izia to , co lp e vo lm e n te , a rid u rre la necessaria a tte n z io n e circa le p re­ cauzioni da assumere e le adeguate norm e di co m p o rta m e n to , ta n to che il rischio e le ttric o rappresenta, ad oggi, la m aggiore causa di in ­ cidenti, anche m ortali, de ntro e fu o ri i luoghi di lavoro. Sono più di 4 5 m ila gli italiani che ogni a n n o rim angono vittim a di incidenti e in fo rtu ni di na tu ra e le ttrica a causa, sia di im p ia n ti o b ­ soleti e in a deguati, sia di c o m p o rta m e n ti che non rispettano le norm e di sicurezza. Pericolosità della corrente

La pericolosità del fe n o m e n o di elettrocuzio­ ne, cioè della corrente elettrica che a ttra ve r­ sa p a rti del co rp o um ano, d ip e nd e da m o lti fa tto ri, e le ttrici e fisiolog ici, di cui i principali sono il tip o di corrente (co n tin u a o alternata), la sua intensità, il percorso se g uito attraverso il co rp o , il te m p o di esposizione al fe n o m e ­ no, lo sta to di salute e lo sta to m e n ta le del so g ge tto . La so g lia di p e rc e z io n e va le tip ic a m e n te 0,5 m A in a lte rn a ta e 2 m A in continua. La fig. 1.1 rip o rta una suddivisione statistica riferita a un in d ivid u o m edio, percorso, dalla m ano sinistra ai piedi, da una corrente a lte rn a ta con fre q u en za com presa fra i 15 Hz e i 100 Hz.

10 + 30 mA

Limiti di tensione

Intensità della corrente [mA]

La te nsio ne co rrisp on d e n te alla corrente pe­ ricolosa è di d iffic ile v a lu ta z io n e p o ich é la resistenza del co rpo u m ano può variare con

Zone di pericolosità della corrente elettrica alternata (15-M 00 Hz).

5

1. LA SIC U R EZZA IN L A B O R A TO R IO

am pi m a rgini, in fu n z io n e dei p u n ti di c o n ta t­ to , d e ll'e ste nsio ne del c o n ta tto stesso, della pressione e dello spessore della pelle e del suo g ra d o di u m id ità . I percorsi più pericolosi si h a nn o fra una delle m ani e la schiena. La re­ sistenza equivalente del co rpo cam bia anche con il valore della tensione applicata e con la frequenza. Per un a d u lto m edio i valori della resistenza e q uivalen te o ffe rta dal co rp o (nel percorso dalle m ani ai piedi) a una tensione a lte rn a ta a 50 Hz vanno all'incirca dai 4 .0 0 0 Q a 50 V, ai 3 .00 0 Q a 120 V, fin o ai 2 .0 0 0 Q a 2 3 0 V efficaci. Per questo m o tiv o non ve n g o ­ no rite n u te pericolose, in locali asciutti (a b ita ­ zioni e u ffici), te nsio ni sinusoidali con valore efficace m inore di 50 V

Una cabina di tra s fo rm a z io n e (o più se m p li­ ce m e n te un tra s fo rm a to re da palo), situ a ta in prossim ità della fo rn itu ra , la tra sfo rm a poi dalla M edia Tensione alla Bassa Tensione (fig. 1.3).

Cabina di trasform azione MT-BT.

Le norm e CEI sud divid o no gli im p ia n ti elettrici in q u a ttro categorie, in fu n z io n e dei range di tensione no m in a le V n di a lim entazione, c o n ti­ nua o a lte rn a ta , com e in d ica to in tab. 1. 1.

l = V = . 50V =12 5m A 1 R 4.000 a lz' 3mM e tensioni co n tin ue m inori di 120 V (Norm a CEI 6 4 -8 -4 -4 1 , C o m ita to E lettrotecnico Italiano), seppure applicate per un te m p o illim ita to .

Categoria deirimpianto

Classificazione dei sistemi elettrici

V n maxDC [ V ]

1

2

v„

120 < V „ s 1.500

1.500 < V „ * 30.000

50 < Vn £ 1.000

1.000 < V „ £ 30.000

s 120 >

L'energia elettrica, p ro d o tta m e diante le cen­ tra li e gestita da un e n te p u b b lico o p riva to (gestore d e ll'e n ergia), è d is trib u ita m e d ia n te reti in corrente a lte rn a ta prim a in A lta Tensio­ ne (AT, V n > 3 0 .0 0 0 V) e successivam ente in M edia Tensione (MT, 1.000 V < V n < 3 0 .0 0 0 V, fig . 1.2).

0

o

10 VI

VnmaxAC [ V ]

BT

MT

3

> 30.000

AT

Categorie degli im pianti elettrici secondo le norme CEI.

M e n tre le fo rn itu re in d u stria li possono anche essere in MT, con cabina di trasform azione M T/ BT a carico d e ll'u te n te , le fo rn itu re civili sono di cat. 1 in BT e il p u n to di consegna d e ll'ener­ gia da parte del gestore inizia dal co n tato re , che è di pertinenza d e ll'e n te gestore. L'attivazione del c o n ta to re è sub ord in ata alla sottoscrizione di un fo rm a le c o n tra tto scritto che specifica la p o te n za n o m in a le richiesta d a ll'u te n te e la garanzia di co n tin u ità del servi­ zio o ffe rta d a ll'e n te erogatore, il co n tato re m i­ sura la q u a n tità di energia assorbita d a ll'u te n ­ te, la registra in kW h e ne com unica il valore al gestore, m ediante segnali di com unicazione che utilizzano, com e mezzo di trasm issione, la stessa linea elettrica di distribuzione (tecnica di trasm issione d e tta "a on de c o n v o g lia te "). La m assim a potenza d isp o n ib ile vale il 1 0 % in più della potenza im pe g n a ta ; o ltre questo valore interviene un ap po sito dispositivo lim i-

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1. LA SIC U R EZZA IN L A B O R A TO R IO

ta to re che sgancia l'in te rru tto re a u to m a tic o in te rn o al co n tato re . La fo rn itu ra di categoria 1 può essere di tip o trifa se o m onofase. In a m b ito civile, la fo rn itu ra trifase in BT è destinata ad alcune utenze dei servizi c o n d o ­ m iniali (pom pe, ecc.). Presenta una tensione di 2 3 0 /4 0 0 V (50 Hz), con potenza disponibile fin o a 15 kW, e fa uso di q u a ttro c o n d u tto ri (fig. 1.4), tre di fase (Li, L2, L3), so lita m en te di co lo re nero o m a rrone, e u n o d e tto n e u tro (N), di colore blu. Il co n d u tto re di neutro è connesso al m o rsetto com u n e (centro stella) dei tre avvolgim enti del secondario del tra s fo rm a to re MT/BT e, insie­ me a questo, co lle g a to saldam ente al te rre n o (messo a terra) in prossim ità del tra sfo rm a to re stesso.

(fig. 1.6 ), perché dispone di due m aglie di terra in d ip e nd e n ti.

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230 V N— ' PE

F resa bipasso 10/16 A

Fornitura monofase.

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1

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Sistema di distribuzione TT.

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Nelle azie n de con cabina M T/BT di p ro p rie ­ tà (fig . 1.7), d is p o n e n d o già della m aglia di te rra per il se condario del tra s fo rm a to re , la d istrib u zio n e in te rn a p u ò avvenire a q u a ttro fili (sistem a TN-C, con c o n d u tto re di n e u tro e PE c o n g iu n ti) o anche a cin q u e fili (sistema TN-S, con il c o n d u tto re PE separato).

v3, X^V23 v, v2 v3

Tensioni concatenate e di fase in un sistema di distribuzione trifase.

Le te nsio ni d isponibili sono di due valori: • 4 0 0 V, se prelevate tra fase e fase (V 12, V 23, V 31), d e tte tensioni concatenate; • 2 3 0 V, se p relevate tra una delle fasi e il filo di n e u tro (V,, V 2, V 3), d e tte tensioni di fase

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ b i.

|—^ O O c r — 0 - ^ — L2

L2

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sample

MÙC

Aliasing.

Senza entrare nel d e tta g lio dei problem i di ac-

29

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

quisizione d ig ita le , si può dire che la presenza di aliasing pu ò essere c o n tro lla ta ru o ta n d o la m a n o p ola SEC/DIV della scala o rizzontale. Se la stru ttu ra della fo rm a d 'o n d a varia in m o d o d ra stico , p u ò essere presente l'a liasing e la fo rm a visualizzata non è a tte n d ib ile .

d e ll'intervallo di te m p o (T2 - T1 ) che intercorre tra due eventi di interesse (fig. 2.50).

Gli oscilloscopi NI Multisim

M u ltisim dispone di diversi oscilloscopi per la sim ulazione, sia di base, a due e q u attro canali, sia evoluti. Gli oscilloscopi di base presentano un pannello o p e ra to re co m p le to ma essenziale, con tu tti i com andi o rizzon ta li, verticali e di trigger, di uso più com une. Nel circu ito in fig . 2 .49 , per esem pio, è rip o rta to il p a n n e llo di un o s c il­ lo sco p io di base, im p o s ta to a 10 m s/div in o riz z o n ta le e 2 V /d iv in ve rtica le, che rileva una sinusoide di ±5 V (2 V /div • 2,5 div), con p e rio d o 20 ms (1 0 m s/div • 2 div), d e riva ta da un p a rtito re b ila n cia to so lle cita to con un g eneratore da ±10 V, 50 Hz.

Gli oscilloscopi più e vo lu ti replicano, invece, il fro n ta le di a ltre tta n ti oscilloscopi com m erciali, tra questi il Tektronix d ig ita le a q u a ttro canali TDS2024.

2 -7

Uso di generatore di funzioni e oscilloscopio

X?G1

-I-3H-

K3

C ollegando, m ediante una sonda BNC-BNC, il co n ne tto re OUTPUT del generatore di fu n z io n i (GDF) con il c o n n e tto re INPUT CH1 d e ll'o scil­ loscopio (fig. 2.51), si ha la possibilità di spe­ rim e n ta re la fu n z io n a lità dei com andi di en­ tra m b i gli stru m en ti.

r \-/ M t

1 k it

Inserzione di GDF e oscilloscopio.

GDF e oscilloscopio.

In visualizzazione sono anche d isp o nibili due cursori regolabili, per le operazioni di m isura

Per la prova è s u ffic ie n te disporre di un generatore di fu n z io n i e conom ico, con range di

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2. STRUMENTAZIONE DI BASE

fre q u en za 0,5 H z -h 5 M H z, dinam ica massima di te nsio ne a 10 V pp, e co m a n d o DC O ffset; co m e oscillo sco pio p u ò bastare un m o d e llo an alog ico con banda 50 M Hz. Si tra tta di im postare i com andi del generatore di fu n z io n i secondo i param etri desiderati per la form a d 'o n d a , visualizzarla sull'oscilloscopio e ritoccare le im postazioni del g eneratore fin o a o tten e re il segnale desiderato. L'oscilloscopio serve sia com e riscontro della co rretta im p o ­ stazione della fre q u en za , sia per la messa a p u n to di am piezza e o ffs e t del segnale.

ta, è possibile m odificare le im postazioni degli stru m e n ti fin o a visualizzare u n 'o n d a tria n g o ­ lare da 1 kHz, ± 1 ,4 V (2,8 V pp). Lo scopo della prova è di esercitarsi a un cor­ re tto uso delle s o tto d iv is io n i del q u a d ra n te dell'oscilloscopio. O gni q u a d re tto è diviso in cinque p a rti, o g n u n a delle quali vale 1/5 del fa tto re di scala im po sta to .

Predisposizione di onda triangolare

Si vuole predisporre il GDF per la g e nerazio­ ne di u n 'o n d a tria n g o la re da 1,25 kHz, ±1 V (2 V pp). Si può iniziare im postando il generatore di fu n ­ zioni per segnale tria n g o la re , range 1 kHz e o ffs e t a zero; osservando, poi, l'ind ica zion e di fre q u en za fo rn ita dal display, regolare la m a­ nopola Frequency sino a leggere 1,25 kHz. S u ll'o s c illo s c o p io se le zio n a re ca n ale C H 1, trig g e r in m o d a lità AUTO , so rgente di trig g e r C H 1 , con s/ope positiva e TRIGGER LEVEL = 0; im p o s ta re T IM E /D IV = 0,1 ms e VOLTS/DIV CH1 = 0,5 V; ru o ta re la m a nopola POSITION CH1 per visualizzare il segnale con lo zero al ce n tro dell'asse verticale; se necessario, rego­ lare INTENSITY e FOCUS sino a o tte n e re una visualizzazione nitida. Se la fo rm a d 'o n d a che com pare sullo scher­ m o non è stabile, è necessario sincerarsi che l'oscilloscopio sia predisposto in m o d o c o rre t­ to , scollegando la sonda dal lato generatore e co lle g a n d o la a ll'u s c ita del segnale di te st d e ll'o s c illo s c o p io . Il segnale a o n d a q u ad ra di te st dovrebbe com parire sullo scherm o, d i­ versam ente occorre ripetere le regolazioni di trig g e r dell'oscilloscopio, ve rifica nd o che non siano state inserite fu n z io n i indesiderate (per esem pio, CH 1+CH2). Q u a nd o il segnale è visualizzato e stabile, si pu ò procedere alla ta ra tu ra sul g eneratore sia della fre q u en za del segnale, fin o a o tte n e re un p e rio d o di 8 divisioni (pari a 0 ,8 ms), sia dell'am piezza, fin o a o tten e re un picco-picco di 4 d ivisio n i (p a ri a 2 V), c o m e in d ic a to in fig . 2.52. Una vo lta o tte n u ta la fo rm a d 'o n d a desidera­

Onda triangolare ± 1 V, 1,25 kHz.

Se la m a n o p ola VOLTS/DIV fosse im postata su 1 V, o g ni frazione varrebbe 0,2 V, se im postata su 0,5 V, o gni parte varrebbe 0,1 V, e così via. A n a lo g o c rite rio si usa per l'asse dei te m p i. Per generare la nuova fo rm a d 'o n d a , si deve regolare l'a m p iezza del segnale a g e n d o sul g e ne ra to re di fu n z io n i, sino a q u a n d o l'a m ­ piezza picco-picco d e ll'o n d a non raggiunge i 2,8 V pp e il p eriodo 1 ms (fig. 2.53).

r

r »

0,1 nn s d iv

Onda triangolare ± 1,4 V, 1 kHz.

31

m 2 . STRUMENTAZIONE DI BASE

La prova vuole rim arcare l'utilizzo della m odali­ tà di a ccoppiam ento DC-AC del MENU CH1. Poiché la com ponente alternata è m o lto piccola rispetto al valore m edio, bisogna procedere con due ta ra ture separate, secondo quest'ordine: Q predisporre l'oscilloscopio con traccia cen­ tra ta , 20 m V/div, acco p piam e nto A C , trig ­ g er su CH1 con livello zero, 2 ps/div (per vedere alm e n o due periodi co m p le ti); © predisporre e ta ra re la sinusoide 100 m V pp, 100 kHz; © p re d is p o r re l'o scillo sco p io per 1 V /d iv (la sinusoide appare appena percettibile), ac­ c o p p ia m e n to DC e a b ilita re la fu n z io n e o ffs e t sul generatore, regolandone il valore fin o a p o rta re il segnale a +2 V di valore m edio. È m o lto p robabile che inserendo la tensione di o ffs e t si perda il trig g e r sul segnale; in tal caso spostare TRIGGER LEVEL a tto rn o a +2 V, fin o ad agganciarlo (fig. 2.55).

Onda quadra con offset

Si vuole predisporre il GDF per la generazione di u n 'o n d a q u ad ra da 10 kHz, 4 V pp, o ffs e t (fu o ri zero) +1 V. La prova vuole rim arcare la fu n z io n e del livello o ffs e t del generatore. L'offset rappresenta la c o m p o n e n te c o n tin u a del segnale, perciò nel MENU CH1 seleziona­ re a cco p p ia m e n to DC. Si procede co stru e n do prim a la quadra a lte rn a ta ±2 V, 10 kHz, con le solite regolazioni di am piezza e frequenza, poi si sbilancia lo zero inserendo un o ffs e t +1 V.

1 V/ iiv

20 p s/div

1 V/div ;

2 p i/div

Onda quadra +3 V, -1 V, 10 kHz.

OV

C on la fu n z io n e o ffs e t inserita, il segnale ac­ quista una com ponente continua (valor m edio) diversa da zero e risulta spostato in alto rispet­ to al rife rim e n to di zero dell'oscilloscopio. D urante la regolazione d e ll'o ffse t è im po rta n te non m uovere POSITION CH1, per non perdere il rife rim e n to di zero dell'asse verticale. A l te rm in e , il segnale risultan te avrà picco p o ­ sitivo +3 V e picco negativo -1 V (fig. 2.54).

Onda sinusoidale 100 kHz, 100 mVpp, offset + 2 V.

In a cco p p ia m e n to AC è, q u in d i, possibile vi­ sualizzare la sola c o m p o n e n te a lte rn a ta del segnale e, p o rta n d o la scala a 2 0 m V /d iv e TRIGGER LEVEL a zero, tararne il valore, m en­ tre, in a cco p p ia m e n to DC, il segnale viene vi­ sualizzato al co m p le to .

Onda sinusoidale con offset

Si vuole predisporre il GDF per la generazione di u n 'o n d a sinusoidale da 100 kHz, 100 m V pp, o ffs e t +2 V.

32

PROVE DI LABORATORIO

Codice colore I param etri principali di una resistenza sono tre: il valore nominale espresso in ohm , la tolle­ ranza in percentuale e la potenza espressa in w a tt, dissipabile dalla stessa senza che ne ve n g a n o a lte ra te le ca ra tte ris tic h e o rig in a li, che ne d e te rm in a le dim ensioni. I resistori più com unem ente usati presentano una tolleranza del 5 % , p o te n za Va W e va lo ri n o rm a lizza ti della serie E12 (12 valori per decade, scelti seco n do una p rogressione lo g a ritm ic a , ta b . 3.1).

Moltiplicatore 3astriscia

0

0

10»

-

1

1

10’

±1

Tolleranza 4a striscia

Valore 2a striscia

Nero M arrone Rosso

2

2

102

±2

A rancio

3

3

103

G iallo

4

4

104

±0.05 -

Verde

5

5

105

±0.5 ±0.25

Blu

6

6

Viola

7

7

106 -

G rigio

8

8

-

Bianco

9

9

-

-

Oro

-

-

101

±5

A rgento

-

-

10-2

±10

±0.1 -

Codice colore per resistenze 5% .

Codice colore 3» 1a 2a 4a striscia striscia striscia striscia

Serie E12 1

Valore 1a striscia

La resistenza di un e le m e n to rappresenta la contrapposizione che l'elem ento o ffre al flusso delle cariche e le ttrich e che lo attraversano.

Colore

1 SCHEDA 1 - Misura di resistenze

1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.2 arancio arancio

arancio

oro

Valori della serie E12.

Il valore no m in a le della resistenza e la sua to l­ leranza sono indicati d ire tta m e n te sul c o n te ­ n ito re del co m p o n e n te (fig. 3.1), rispe tta n do le regole del "codice dei colori" che utilizza q u a ttro fasce co lo ra te , il cui s ig n ifica to è ri­ p o rta to in tab. 3.2.

Valore nominale 33-103 33.000 ±5% Q 27-102 2.700 ±5% Q

33 kQ 2,7 kQ

rosso

viola

rosso

oro

blu

g rig io

m a rro ­ ne

oro

68-10' ±5%

680 Q

680 Q

blu

g rig io

o ro

oro

68-10-' ±5%

6,8 Q

6,8 Q

Esempi di decodifica del codice colore a quattro strisce.

lolleran za

Inllernn?n

Moltiplicatore

Multi pii calli i t

' y striscia

V alore 2 J striscia

2" striscia

Valore 1" striscia

1“ striscia

Resistere 5%, con codifica a q u a ttro strisce. Resistere 1%, con codifica a cinque strisce.

Per ricavare il valore nom in a le della resistenza è su fficie n te riportare in sequenza i valori delle p rim e due strisce co lo ra te e m o ltiplica re per la potenza del dieci corrispondente al terzo co lo ­ re, com e in d ica to negli esem pi di tab. 3.3.

Le resistenze con to lle ra n z a in fe rio re al 5 % h a n n o una scala di va lo ri m o lto più estesa (E24, E48, E96 cioè 24, 4 8 , 96 va lo ri a ll'in ­ te rn o di una decade) e anche una segnatura

33

diversa. Ci sono resistenze con cinque strisce co lo ra te (3 per il valore, una il m o ltip lic a to re e una la tolleranza, fig . 3.2) e resistenze con il valore d ire tta m e n te sta m p a to sul c o n te n ito re (generalm ente quelle di precisione, a più bassa tolleranza). Per la decodifica del valore o h m ico vale la re­ gola precedente, ma con tre cifre num eriche m o ltip lica te per la potenza del dieci corrispon­ d e n te al q u a rto colore, com e in d ica to negli esem pi di tab. 3.4.

2,2 kQ ±5%

3a striscia 4a nero striscia 5a m arrone striscia

I

giallo

viola P

m arrone

arancio

arancio

1a striscia 2a striscia arancio ■

O C coO o

O C coO o

O C CO O O

O O

i

390 kQ ±5% 47 Q ±5% 12 M Q ±5%

Codice colore

O C CO O O

2,2-10 3 22-102 ±5% Q

rosso

Valore nominale

1a striscia 2a striscia 3a striscia 4a striscia 5a striscia

Codice colore

Valore nominale

333-10° ±1%

333 Q

338 kQ ± 1% 1,2 Q ±5%

333 Q

10 M Q ±5%

272-104 2.7 2 0 .0 0 0 2,72 ±1% Q MQ

1 kQ ± 1% 100 Q ±5%

IEsempi di decodifica del codice colore a cinque

a a

a

p

-

a

a

o

a

a

o

o

a

t

9

03

>

E 03

O O

O

>

>

"o

°

03

2,2 k

a

□

a

a

a

1a

a

a

□

S

3

CO

03

e

O

1k «

03

-p z

E

03

O

03

203 5

3CO

R ab

calcolata misurata

-O a,

03

203 S

R ab

R2

1

^

Due resistenze in parallelo.

fi

A R1

—

Circuito con due resistenze in serie.

Rab Rab calcolata misurata

R2

1k

V alore rilevato dal codice colore

1

R3

R4

R5

■ ^ W v ---------------W 3,3 k Q

r-

6,8 k Q

Valore m isu ra to

Valore m isu ra to

V alore rilevato dal codice colore

F

R2

W V - - - - - - - - - W V - - - - - - - - - - - V A ----1 kQ 2 ,2 k Q 4 ,7 k Q

2,2 k

Due resistenze in serie. ^

Ripetere la prova per il circu ito e le ttrico di fig . 3.7, co m p le ta n d o la tab. 3.9 e per il circu ito di fig . 3.8 (tab. 3 .1 0 e tab. 3.11).

Circuito misto.

V alori teorici R1

r2

R3

Ra

Rs

1 kQ

2,2 kQ

4,7 kQ

3,3 kQ

6,8 kQ

Valori m isurati

A /W 1 kQ

Resistenze com ponenti il circuito misto.

A

B

Rl23

R2

-------W v -------

Valori calcolati

2,2

Valori m isurati

kQ

0

'H IIIII- "

t>

B

~

n

a

»

□

D

”

•

»

H B 3 >

°

a

T

a

R

4 5

R ab

Resistenze equivalenti.

« e o o o o c i o o

^

Ri

8

I l SCHEDA 3 - Misura di tensioni e correnti

r B

Per la misura di te nsio ni e co rre n ti in un cir­ c u ito , d u ra n te una verifica o un co lla u d o , si utilizza quasi esclusivam ente il m u ltim e tro .

C ircuito con due resistenze in parallelo.

36

3. PROVE DI LABORATORIO

Predisposizione del multimetro in funzione voltmetro

Per eseguire misure di tensione, occorre predi­ sporre lo stru m e n to con la m anopola centrale in una delle posizioni del settore V continua, inserire lo spinotto nero nella boccola COM e lo spinotto rosso nella boccola V-Q-mA. A p ­ plicando i due puntali dello stru m e n to al circu­ ito in m isura, il display visualizza il potenziale del pu nta le rosso rispe tto al nero, preso com e rife rim e n to . Se la te nsio ne dovesse superare il valore del fondo scala selezionato, il display lo segnala la m peggiando (o in altri m odi specifici di o g n i m u ltim e tro ). In tal caso è s u fficie n te selezionare un fo n d o scala più elevato. Se la te nsio ne applicata sul p u n ta le rosso è m inore di quella presente sul p u n ta le nero, il display visualizzerà prim a delle cifre il sim bolo per indicare che la te nsio ne è negativa. A n c h e il m u ltim e tro presenta una sua resi­ stenza interna, d e ll'o rd in e dei M Q , perciò la sua presenza altera in qualche m o d o il circu ito stesso so tto m isura. Per i circuiti indicati nelle prove che seguono, perciò, per rendere trascu­ rabile l'errore sulla misura d o vuto alla presenza (a u to c o n s u m o ) d e llo s tru m e n to , sono state im p ie g a te solo resistenze d e ll'o rd in e dei kQ .

Circuito n. 1

V,

VB

Ve

Vb

Ve

Valori calcolati [V ] Valori m isu ra ti [V ]

Misura di tensione

Tensioni relative al circuito n. 1.

Calcolare e m isurare le te nsio ni VA, VBe Vc, rife rite a massa, in d ica te nei tre c irc u iti che se g uono (fig. 3.9, 3 .10 , 3.11), e trascrivere i risultati nelle rispettive tabelle (tab. 3.12, 3.13, 3.14). Fasi operative: O calcolare i valori te o ric i delle singole te n ­ sioni e rip o rta rli in tabella; 0 m o n ta re il circu ito su breadboard; 0 predisporre l'a lim e n ta to re a +12 V e c o l­ legarlo alla basetta, m e diante due cavetti inseriti nei fo ri delle righ e estrem e indicate con + e 0 toccare con il puntale nero del m u ltim e tro il ca ve tto GND (se non isolato) o uno dei term inali inferiori del circuito e mantenerlo in tale posizione per tu tte le a ltre m isure (potenziale di riferimento negativo); 0 to cca re con il puntale rosso i p u n ti di m isura e trascrivere i risultati in ta be lla, a co n ferm a dei calcoli teorici.

Circuito n. 2

Va

Valori calcolati [V ] Valori m isu ra ti [V ] Tensioni relative al circuito n. 2.

37

3. PROVE DI LABORATORIO

l^fM

te rm ina li della resistenza da 1 kQ e chiudere e ste rn a m e n te il c o lle g a m e n to che è v e n u to m eno, attraverso i due p u ntali del m u ltim e tro (fig. 3.13).

R?

^ 2.2 kohm

^ 3 3 kohm

i ___ _ J

> 2 .1 k o h m

r > 4.7 Roh m

Circuito n. 3.

Circuito n. 3

VA

Vb

Ve

Valori calcolati [V ] Valori m isurati [V ] o a Tensioni relative al circuito n. 3.

d

n

n n

n n

Predisposizione del multimetro in funzione amperometro

d

Per m isurare la corrente è richiesta u n 'a tte n ­ zio n e m a g g io re ris p e tto alle p re ce d en ti m i­ sure di resistenza e tensione, poiché si tra tta di in te rro m p e re m o m e n ta n e a m e n te il ram o del circu ito so tto m isura, per inserirvi, in serie, l'a m p e ro m e tro (fig. 3.12). È m o lto im p o rta n ­ te, per non falsare la m isura, che la resisten­ za interna de llo stru m e n to , che fu n z io n a da a m p e ro m e tro , sia m o lto m inore ris p e tto alle resistenze in serie nel ram o, in m o d o che la sua presenza appaia in in flu e n te sui risu lta ti della m isura stessa.

n

Inserzione del m u ltim e tro per la misura della corrente.

Il risultato espresso sul display è positivo qu an ­ do la corrente entra dal m orsetto positivo (ros­ so) ed esce dal n e g a tiv o (nero, C O M ); se il ris u lta to è ne ga tivo significa che la co rren te sta scorrendo in senso inverso. Misura di corrente

0.132 A

,03; :

0.12 A .

— H -------12V

Calcolare e m isurare le correnti circolanti nei ram i dei circuiti indicati in fig . 3.14, 3.15, 3.16 e trascrivere i risultati nelle risp e ttive tabelle (tab. 3.15, 3 .1 6 , 3.17). Fasi operative: 0 calcolare i valori te o ric i delle sin g o le cor­ renti e rip o rta rli in tabella; 0 m o n ta re il circu ito su breadboard; 0 predisporre l'a lim e n ta to re a +12 V e col le­ garlo alla basetta; o predisporre il m u ltim e tro per m isure di cor­ rente; 0 estrarre un term inale di una delle resistenze

*7 T

I— r > ---- V v V ------3CI2 U -

1 HO

1

Inserzione dell'am perom etro.

O p e ra n d o fisica m e n te sulla basetta, per m i­ surare la co rren te I, occorre estrarre uno dei

38

3. PROVE DI LABORATORIO

del ram o s o tto m isura e collegarlo al p u n ­ tale rosso del m u ltim e tro ; 0 collegare il pu nta le nero a uno dei fo ri a p ­ p a rte ne n ti al nodo, nel quale era inserito il te rm in a le della resistenza sollevata; 0 le g g ere il va lo re di c o rre n te m is u ra to e tra scrive rlo nella ta b e lla , a c o n fe rm a dei calcoli teorici.

Circuito n. 2 V alori calcolati [m A ] V alori m is u ra ti [m A ] Correnti relative al circuito n. 2.

Circuito n. 3

1

1,

l2

l3

L

l5

Valori calcolati [m A l Valori m isu ra ti [m A l j Correnti relative al circuito n. 3.

Circuito n. 1 V alore calcolato [m A ]

r^n 1 SCHEDA 4 Risoluzione delle reti con NI Multisim

V alore m isurato [m A ] C orrente relativa al circuito n. 1.

L'am biente NI M u ltis im dispone di una solida libreria di s tru m e n ti per la m isura e la m es­ sa a p u n to dei circuiti e le ttrici ed e le ttro n ici. L'abilità d e ll'o p e ra to re sta nello scegliere gli s tru m e n ti a d e g u a ti e allocarli co rre tta m e n te a ll'in te rn o del circu ito in esame. O ltre a d e te rm in a re in m o d o ra pido tensioni e c o rre n ti in un c irc u ito , NI M u ltis im risulta u n o s tru m e n to m o lto p ra tic o per ve rifica re la correttezza dei calcoli e delle soluzioni agli esercizi proposti. Scelta e allocazione degli strumenti virtuali

Si supponga, per esempio, di voler conoscere la resistenza equivalente vista dal generatore del

39

3. PROVE DI LABORATORIO

circu ito in fig . 3.17 e i valori della tensione e della corrente relativi alle resistenze R5 e R3.

caduta su R10 è d iretta da destra a sinistra), C om pletare la tab. 3.20.

Grandezze da misurare cc

Per m isurare la resistenza vista dal g e n e ra to ­ re ( R a b ) , si u tilizza il m u ltim e tro in fu n z io n e oh m e tro , connesso ai m orsetti interessati, sen­ za la presenza del g e ne ra to re (fig. 3.18). Per le m isure di tensione e co rren te sulla re­ sistenza R3, essendo rife rita a massa, è più pratica la fu n z io n e Probe (fig. 3.19). Per R5, n o n a ve n d o m o rs e tti a massa, la te n s io n e va rile v a ta con un m u ltim e tro in fu n z io n e v o ltm e tro , m entre per m isurare la corrente è sem pre preferibile Probe. I risultati delle misure sono rip o rta ti in tab. 3.18.

Strumenti da inserire tipo funzione

Misure rilevate

o h m e tro

Probe

-

8 ,7 3 V

Ir 3

Probe

-

2,91 m A

V rs

m u ltim e tro

v o ltm e tro

2,1 8 2 V

Ir5

Probe

-

364 pA

co
Analyses -> DC Operating Point, si ha la possibilità di com porre una tabella di grandezze da rilevare, scegliendo tra le tensioni dei nodi, le co rren ti e le pote n ze di o gni c o m p o n e n te della rete. La ta be lla d ive n ta a ttiva clicca nd o sul ta sto

A

E1

AAAr 1 kO

8V

B

Simulate. Per evidenziare la n um erazione dei nodi, sele­ zionare Options -► Sheet Properties -► Circuit e spuntare l'o p z io n e Net names -> Show all.

Circuito n. 4.

Modello A-B Eeq

leq

Req

Modello C-A Eeq

Req

Modello C-B Eeq

leq

Req

leq

IB SCHEDA 5 - Misure sui condensatori

I condensatori sono dispositivi elettrici in grado di accum ulare cariche elettriche.

M isure relative al circuito n. 4.

Misura della costante di tempo

Si vuole sp e rim en ta re in m o d o p ra tico , m e­ diante generatore di fu n z io n i e oscilloscopio, i transitori di carica e scarica di un condensatore s o tto p o sto a una tensione quadra. C om e è n o to , caricando un condensatore con un g eneratore di tensione costante e una re­ sistenza, la te nsio ne ai capi del con de n sa to re assum e un a n d a m e n to esponenziale che si pu ò considerare co m p le ta to d o p o circa 5 t (fig. 3.27), d o v e r è la co sta nte di te m p o del circu ito (r = R-C). La tensione sul condensa­ tore d o p o un te m p o pari a r vale il 6 3 % del valore finale.

CX Operating P:in: Anslyste C uou: |A*ay35 0 p to i£ | Suivncry |

Von:bfc3 r orcu:

sdezted v:ri3blc3 for anolyoQ:

Ip2)

«Ie:) ?) tp-U =5(ve) «u;

IP3> Ip5)

--m

=(ve.ì

vfl'i vW v(-n

-IR -)

-Ikb)

-iltcr unscl:ctc: vù'obc3...

|

Fi il rXIHh-SM II

|

Addexp-seston...

-iter joeced vano:l:c

Add deM^/irodel psia-netei... O rlile re e c lid v d io .li

Sdezt •/aiisbtec to save

U Or»ph*fVi«v» V>ev> G»»ph Trace Cuoce Lc-jtod Toolj Help «ai-A -, •, £? J “7 X OCOperettaPor« OC »V>S | Design2 DC O perating Point DCOptf •'sci ■ClUHn 1 Pfctì >3.00000 ? • •16.32560re 7.16174 t •« 1.20246 9 jVC«9 9.20246 10:VXJ)

fi* Un

OOtf Pwi

*

A

Q O

m

7

Scegliere una resistenza R = 10 kQ e un c o n ­ densatore C = 2,2 nF (fig. 3.28). C on questi valori la costante di te m p o risulta r = 22 ps.

[SekctedPaoramCCOpertinq Po«x

A nalisi in m odalità "DC Operating P oint"

42

3. PROVE DI LABORATORIO

Predisponendo il generatore per u n 'o n d a qu a ­ dra 0 -h 10 V, f = 1 kHz, gli intervalli di carica e di scarica durano ciascuno 500 ps, garantendo cicli rip e tu ti di carica e di scarica co m p le ta . S cegliendo per l'o s c illo s c o p io una scala dei te m p i di 5 ps (fig. 3.29), è possibile m isurare il te m p o im piegato dalla tensione per ra g g iu n ­ gere 6,3 V (il 6 3 % ). Q uesto in te rva llo è pari alla costante di te m p o del circuito: 5 ps/div • 4,4 div = 22 ps

R

-A A /V 10 kO

C : 2.2 nF

Rilievo della costante di tem po in simulazione.

Risposta di un circuito RC alla quadra

1

S o tto p o n e n d o un c irc u ito RC (resistenza e condensatore) a u n 'on d a quadra, l'a n d a m e n ­ to della te n s io n e sul co n d e n sa to re d ip e n d e dal te m p o di carica e scarica a disposizione. Se questo te m p o è lu n g o (> 5 t), risulta ancora una quadra, sebbene leggerm ente a rro to n d a ­ ta sui fro n ti; se, invece, il te m p o a disposizione è breve (< 0,1x), la tensione sul condensatore non fa a te m p o a m uoversi e, d o p o un tra n ­ s ito rio iniziale di assestam ento, si m a n tie n e p ra tica m e n te stabile a tto rn o al valore m edio del segnale di ingresso.

J - .•.Sv.'jO-ii.O,

M isura della costante di tem po.

M isura della costante di tem po.

R

C

f

10kQ

2,2 nF

1 kHz

100 k£2 2,2 nF

1 kHz

100 k£2 100 nF

1 kHz

T

T/2

22 500

_ps_ ps

t -hT /2

T« T/2

Vmin VlMax AV [V] [V] [V] 0

10

10

100 k£2 100 nF 100 kHz 10 kQ

La m edesim a prova p u ò essere e se gu ita in sim ulazione con GDF e oscilloscopio NI M u l­ tisi m, fin o a o tte n e re la scherm ata rip o rta ta in fig . 3.30. C om e si può vedere, il secondo cursore taglia 6,32 V d o p o circa 22 ps.

2,2 nF 100 kHz Misure sul circuito RC.

U tiliz z a n d o i c o m p o n e n ti RC in d ic a ti in tab. 3 .2 5 , im p o sta re il GDF per una quadra

43

3. PROVE DI LABORATORIO

0 -r 10 V, con la frequenza specificata, e rile ­ vare con l'o scillo sco p io i valori m in im o e m as­ sim o della tensione sul condensatore. Rivelatore di fronti

A p p lica re una te n s io n e Vi q u a d ra 0 -e 10 V, 1 kHz, al c irc u ito CR in fig . 3.31 e vis u a liz­ zare e disegnare l'a n d a m e n to della tensione V o , prim a con il p o te n z io m e tro 100 kQ c o m ­ p le ta m e n te co rto c irc u ita to e poi in te ra m e n te inserito. 1n

0-|------------------ --------- --------* - t

ziali a ogni nuova sim ulazione, e in Parameters indicare gli istanti di inizio (Start time) e di te r­ m ine (End time) d e ll'in te rva llo di osservazione. Successivamente, a ll'In te rn o della cartella Out­ put, spostare nella fin e stra di destra le variabili che si v o g lio n o visualizzare nel grafico finale. Il tasto Simulate a ttiva l'analisi (fig. 3.32). C liccando sul g ra fico con il pulsante destro e selezionando Properties, appare la scheda Graph properties, m e d ia n te la quale è possibile im postare, per ogni asse, l'e tich e tta (Label), gli estremi della scala (Range -> Min/Max), i p unti di suddivisione della scala stessa ( Divisions) e l'a b ilita zio n e dell'asse (Axis -> Enabled). Al te rm in e , con OK si to rn a al g ra fico m o d i­ ficato. Nel g ra fico , due cursori possono essere spo­ stati m a n u a lm e n te o p p u re p o sizio n a ti in un p u n to preciso del d ia g ra m m a, a g en d o sulle o p zio ni del pulsante Cursor. I valori incrociati dai cu rso ri so n o d is p o n ib ili in una ap po sita tabella (Cursore Show Cursors).* 10

Rivelatore di fro n ti.

S ostituire il condensatore da 1 nF con un a ltro da 100 nF e ripetere la prova precedente, con il p o te n zio m e tro nelle due posizioni. C o m m e n ­ ta re i risultati. Multisim Transient Analysis

Transient Analysis è una m o d a lità di sim u la ­ zione che pe rm e tte di visualizzare i tra n sie n ti, ovvero le variazioni delle variabili di una rete a ll'in te rn o di un intervallo d e fin ito , fissando le co n d izio n i iniziali del processo. Per rilevare la co rren te di carica di un circu ­ ito RC, per e se m p io , basta c o lle g a rlo a un g e ne ra to re di te ns io ne costante e analizzare l'a n d a m e n to della co rren te nel condensatore o nella resistenza d u ra n te i prim i istanti, p o ­ n e ndo com e co n dizio n e iniziale che la rete sia c o m p le ta m e n te scarica. Una v o lta d ise g na ta la rete ed e v id e n z ia ti i nodi ( Options -> Sheet Properties -> Circuit, e spuntare l'o p zio n e Netnames -► Show all), selezionare Simulate -►Analyses -► Transient

Analysis. Nella finestra che appare, im postare nella car­ te lla Analysis parameters -► Initial Conditions -> Set to zero, per azzerare le co n d izio n i in i­

v j Transient Analysis.

Per il circu ito in fig . 3.32, con costante di te m ­ po 100 ps, si è scelta una sim u la zio n e da 1 ms. Da notare che p o sizio n a nd o il cursore a 100 ps, la tensione sul condensatore è a 6,3 V, m entre la co rren te , iniziata con un picco da 10 m A , è scesa a circa 3,7 m A , ovvero al 3 7 % del suo valore iniziale. Transitorio di carica a impulsi di tensione

Disegnato il circuito RC in fig . 3.33, visualizza­ re il tra n s ito rio di V1 e V2 nei prim i 50 ps, sa­ pendo che il generatore a im pulsi PULSE_VOLTAGE (fig. 3.34) ha le seguenti caratteristiche (Value): quadra, am piezza 0 -ri 0 V, frequenza 1 M H z, DC 5 0 % , rita rd o iniziale 2 ps.

3. PROVE DI LABORATORIO

R1

Il SCHEDA 6 - Misure sugli induttori

0

A/Vv------1 1 kO

Misura indiretta di una induttanza

V1

Si vu o le d e te rm in a re il valore di una in d u t­ ta n z a , rile v a n d o la c o s ta n te d i te m p o del tra n s ito rio di carica d e ll'in d u tto re m e d ia n te g eneratore di fu n z io n i e oscilloscopio. C om e è n o to , caricando un in d u tto re con un generatore di tensione costante e una resisten­ za, la te nsio ne ai capi d e ll'in d u tto re assume un a n d a m e n to esponenziale con picco inizia­ le m assim o e valore fin a le te n d e n te a zero, che si pu ò considerare c o m p le ta to d o p o circa 5t , dove r è la co sta nte di te m p o del circu ito (x = L / R).

Carica a impulsi di tensione. LISE VOLTAGE l:t> :l

U-pOy j

t e » !'

• EO.lt

l"3

J s :r fi:tó 3

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» 1 xo

'

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—

• re in e

11

—

t/»ur

11 =UCE\Ydtl

-

li! S a

m

-g

| 0.5

c io d

|1

.*« •

Pulse Voltage.

C o m m e nta il g ra fico risultante. Transitorio di carica a impulsi di corrente

D isegnato il c ircu ito in fig . 3 .3 5 , visualizzare il tra n s ito rio di V1 nei prim i 30 ps, sapendo che il generatore a impulsi di corrente PULSE_CURRENT (fig. 3 .36) ha le seguenti caratteristiche {Value): quadra, am piezza 0 -e1 m A, frequenza 1 MHz, DC 5 0 % , rita rd o iniziale 2 ps. 1

Strum entazione utilizzata.

La tensione s u ll'in d u tto re d o p o un te m p o pari a x vale il 3 7 % del valore iniziale. M isurando la co sta nte di te m p o e conoscen­ do il valore della resistenza, è q u in di possibile risalire al valore d e ll'in d u tta n z a . Per eseguire la m isurazione indiretta, scegliere una resistenza R = 1 kQ e un in d u tto re di va­ lore in c o g n ito (fig. 3.37). Predisporre il gene­ ratore per una quadra 0 -r 10 V, f = 100 kHz, in m o d o da g a ra ntire cicli rip e tu ti di carica e di scarica. Scegliendo per l'oscilloscopio una scala dei te m p i o p p o rtu n a (tra le più basse, c o n sid e ra ti i va lo ri lim ita ti d elle in d u tta n z e d is p o n ib ili in la b o ra to rio o a u to c o s tru ite ), è

Carica a impulsi di corrente.

PUISECURREM «hH

ri^ìlnyj Value

'Tml-

j Phs

[ iili Rete a porte logiche.

Per la soluzione con m ultiplexer, tra tta n d o si di una rete con tre ingressi, basta un m u ltiplexer 8/1 (4051). Si p o n g o n o gli ingressi A, B e C della rete quali selettori di canale del m u ltip le ­ xer e si pre d isp o ng o n o al positivo o a massa gli ingressi dei singoli canali, seguendo l'ordine delle co m b inazioni di uscita della tabella della verità (fig. 3.62).

MUX, DEMUX con 4051.

V

1

+

V do

INO

OUT/IN

IN1

V

-o X

IN2

A B

IN3 IN4

c1kohm

IN6

INH

IN7

-k /

c

-< / c

T

V,

T1=f i n i

JL ]

IN5

C

Ve

100 k

Circuito di uscita. Soluzione con m ultiplexer.

Sintesi di una rete combinatoria mediante multiplexer

Il SCHEDA 12 - Prove su encoder e decoder

Si vuole costruire la rete co m b in a to ria che rea­ lizza l'equazione logica X = À + B ■C + B • C , m e d ia n te p o rte logiche e m ultiplexer. Per la soluzione a porte logiche, si com pone pri­ ma la tabella della verità (tab. 3.30) e da questa si ricava la fu nzio ne risolutiva (fig. 3.61). B

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 J

0 1 0 1 0 1 0 1

Si vuole sperim entare il fu n z io n a m e n to di alcu­ ni tra i dispositivi encoder e decoder, m ediante sem plici applicazioni pratiche. Encoder con priorità 4532 Visualizzare su tre LED (Q2, Q1, Q0) il codice binario del tasto p re m u to in una tastiera a o tto c o n ta tti, risolvendo anche i casi di pressione con tem p oran e a di più tasti, im p ie g a n d o il d i­ spositivo priority encoder 4532. il circuito in fig. 3.63 può essere sufficiente allo scopo. L'ingresso I7 è a p rio rità m aggiore. La rete resistiva da 100 kQ risolve i pro b le m i di in d e te rm in a z io n e , p o la riz z a n d o a massa gli ingressi liberi, c o rris p o n d e n ti ai ta sti non p rem uti.

1 1 1 0 1 0 1 1

Tabella della verità.

52

3. PROVE DI LABORATORIO

andrebbero sostituiti da sensori di livello, con il sensore posto nella posizione più alta del ser­ batoio, q u in di con p rio rità più alta, co llegato all'Ingresso 17 (fig. 3.64). Leggendo la tabella della verità d e ll'in te g ra to 4 5 3 2 (fig. 3.65a), si scopre che le uscite sono a ttiva te solo qu an d o l'ingresso EIN si trova a livello 1 e che l'uscita EOUT è a livello 1 solo q u an d o nessun tasto risulta p re m u to . Questa caratteristica pe rm e tte di realizzare dei circuiti priority encoder con un n u m e ro m aggiore di ingressi, c o lle g a n d o l'uscita EOUT del p rim o in te g ra to a ll'in g re sso EIN di un seco n do in ­ te g ra to , che d ive n ta a p rio rità p iù bassa, e s o m m a n d o lo g ic a m e n te le uscite Q2, Q1 e QO dei due dispositivi (fig. 3.65b).

Rete con 4532.

dH

Decoder per display 4511

Il dispositivo4511 è un decoder BCD/7segmenti specifico per display a c a to d o co m u n e , con l'a g g iu n ta di a ltre fu n z io n i u tili nella fase di c o lla u d o (vedi la relativa ta b e lla della verità in fig . 3.66).

Serbatoio.

□ In p u t E.„

d

_0_

X

7

1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0

□

De De X

X

d

X

4

O u tp u t

De

d

X

X

0 0 0 0 X

X

X

X

1

X

X

X

0 1 X X 0 0 1 X 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2

D, Do Gs Da Di Do

Eout

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X X X 1 1 1 1 0 X X X 1 1 1 0 0 X X X 1 1 0 1 0 X X X 1 1 0 0 0 X X X 1 0 1 1 0 1 X X 1 0 1 0 0 0 1 X 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 X

X

D 15»

Tabella del display decoder 4511.

Lo schem a p ro p os to in fig . 3 .67 utilizza una rete resistiva da 4 7 0 Q x 8, per lim ita re a circa 7 m A la corrente nei segm enti. La sequenza delle operazioni da com piere, per verificare il fu n z io n a m e n to d e ll'in te g ra to e del circuito, segue la scansione delle righ e della tabella della verità. Collegare il pin 3 (LAMP TEST) a massa, per verificare la fu n z io n a lità del display (prim a riga). 0 Ripristinare il circu ito iniziale e collegare il pin 4 (BLANKING) a massa, per verificare che il display si oscuri (seconda riga).

o

Tabella della verità (a) ed espansione degli ingressi (b).

Il circuito p roposto in fig . 3.63 potrebbe anche essere utilizzato per stabilire il livello del liquido c o n te n u to in un serbatoio; in tal caso i tasti

53

3. PROVE DI LABORATORIO

0 Ripristinare il circu ito e, m e diante i q u a ttro c o n ta tti p o sti sugli ingressi A , B, C e D, im postare il codice di ingresso, ve rifica n d o tu tte le co m b in a zio n i, da 0 0 0 0 a 1111. 0 Impostare un codice di ingresso visualizzabi­ le dal display e portare il pin 5 (LATCH ENABLE) al positivo. Variare il codice di ingresso e verificare che il display non cam bi.

A

B

•/ •/

C

0 m em orizzare con oscilloscopio a m em oria il segnale che si o ttie n e sul p in 1 a o g n i pressione del pulsante; 0 osservare il c o m p o rta m e n to dei LED (il con­ te g g io è del tu tto casuale); 0 prem ere RESET per ve rifica rn e l'azione. C om e si p u ò osservare, il p u lsa n te da solo non è una buona sorgente di segnale per un contatore. Ogni volta che il pulsante viene pre­ m u to , si p ro d ucon o un num ero im precisato di rim balzi, con conseguente increm ento indeter­ m in a to del valore fin a le del co n te g g io . Per rendere p u lito il segnale di clock, è ne­ cessario aggiungere un circuito antirimbalzo che, nel caso più semplice, può essere c o m p o ­ sto da una rete RC con in cascata un inverter trig g e r (fig. 3.70).

O

•/

Decodifica BCD/7segmenti.

B SCHEDA 13 - Prove sui contatori

Si vuole sperim entare in m o d o p ra tico il fu n ­ zio n a m e n to di due tra i dispositivi c o n ta to ri più sem plici.

TRUTH TABLE

Contatori binari e BCD

Il d is p o s itiv o C M O S 4 5 2 0 (o a n c h e TTL 7 4 H C 4 5 20 ) è un d o p p io c o n ta to re b in a rio a 4 b it (fig. 3.68); co n tie n e d ifa tti due c o n ta to ri identici e ind ip e nd e n ti tra loro, il cui co n teg g io si può increm entare col fro n te positivo del se­ gnale a p plica to al pin clock, o p pu re col fro n te ne ga tivo sul pin enable. Entram bi i c o n ta to ri possono essere azzerati in m o d o asincrono, a p p lica n d o un livello a lto sul pin di reset. L'in­ te g ra to 4 5 1 8 è sim ile (pin co m p a tib ile ), ma in versione BCD. Si vuole co n fig urare un c o n ta to re binario, con in crem ento sul fro n te di salita, reset asincrono e visualizzazione a LED. Nella prim a p ro p osta di fig . 3 .6 9 , il segnale di clock è derivato da un sem plice pulsante, senza alcun circu ito a n tirim ba lz o. Una vo lta e se g u ito il m o n ta g g io , seguire le fasi indicate:

CP

E

MR

OUTPUT STATE

t

H

l

Increment Counter

L

i

L

Increment Counter

1

X

L

No Change

X

r

L

No Change

t

L

L

No Change

H

i

L

No Change

X

X

H

Qo thru Q3 = L

Contatore 4520.

54

3. PROVE DI LABORATORIO

chi sim ili (fig. 3.72), d e riva n d o il clo ck per il blocco in cascata dal fro n te di discesa del b it di peso m aggiore della cifra che precede.

UNITA'

il

Circuito antirim balzo.

Il fu n z io n a m e n to è sem plice: il condensatore è n o rm a lm e n te carico a una te nsio ne di 5 V e l'uscita deH'inverter è a 0 logico. Q uando viene p re m u to il pulsante, il condensatore si scarica ista n ta n e a m e n te e, n o n o s ta n te i rim balzi di qualche m illisecondo, non riesce a caricarsi alla te nsio ne di scatto del trigger. La co sta nte di te m p o del circu ito di carica vale d ifa tti

CLOCK. 100 (clock per «ìItii moduli ili cascata)

C onteggio a due cifre.

Realizzando un co llegam ento in cascata di più m o d u li, ci si rende c o n to d e ll'u tilità , o ffe rta da alcuni in te gra ti c o n ta to ri, di avere due ingressi di clock, sensibili uno ai fro n ti di salita e uno ai fro n ti di discesa. Il blocco delle decine riceve il segnale di clock dal blocco delle unità; l'a va n za m e n to avviene, quindi, con il fro n te di discesa di Q4 (fig. 3.73). A n a lo g o ra g io n a m e n to vale per tu tti i blocchi successivi.

10 kQ • 1 pF = 10 ms Il fro n te p ro d o tto dal trig g e r è perciò unico, cioè pulito Contatore BCD con display

La le ttu ra di un c o n ta to re con visualizzazione m e d ia n te singoli LED non è c e rta m e n te age­ vole; le persone che sanno contare in binario sono poche. A g g iu n g e n d o un decoder BCD/7 segm enti (fig. 3.71), è possibile co n vertire la co d ifica a 4 b it BCD in sim boli decim ali, azio ­ n a nd o i 7 segm enti di un display.

01

2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 . .

Q 4

UNITA’

1 _ I

1

X , / __L

DECINE

D IS P L A Y

Segnale di avanzam ento decine.

1) SCHEDA 14 - Prove sui temporizzatori

Si vo gliono confrontare in m odo pratico le pre­ stazioni di alcuni circuiti te m p o riz z a to ri. RC e inverter trigger

L'astabile con RC e in ve rte r trig g e r in fig . 3 .7 4 presenta una fre q u e n z a poco rigorosa, per l'im p re cision e di tu tti i c o m p o n e n ti coinvolti. Si costruisca il circuito indicato con un inverter trig g e r d isp o nibile in la b o ra to rio e si m isuri il

J Conteggio a una cifra.

Per realizzare un co n ta to re decim ale a più ci­ fre , è s u fficie n te a g g iu n g e re , in cascata allo schema base provato in precedenza, altri bloc-

55

3. PROVE DI LABORATORIO

p e rio d o della fo rm a d 'o n d a o tte n u ta . Si c o n ­ fro n tin o tra loro le m isure o tte n u te dai diversi g ru p p i di lavoro.

+ Ve

12 v

Astabile con 555.

Si operi poi in sim ulazione (Simulate -> Analyses - * Transient Analysis), prim a con la porta CMOS 40 93 (fig. 3.75) e successivam ente con l'in v e rte r TTL 7 4 1 4 e si c o n fro n tin o i risultati.

U1A

U1A

T = S O

:1pF

4093BP 5V

S ostituire il LED con un piccolo a lto p a rla n te con im pedenza di 8 Q e 100 Q in serie (fig. 3.77) e il condensatore C con uno da 0,1 pF. Ricalcolare le due resistenze Ri e R2, necessarie per o tte n e re in uscita un suono di frequenza di circa 1 kHz.

R1

R1

^WV1MO C1

Generatore di toni

C1

-A A A — 1 MO 2

7414N

:1MF

Altoparlante

8 Lì

A stabili CMOS e TTL

Astabile con 555

Il circ u ito in fig . 3 .7 6 rip o rta le connessioni necessarie per im pegnare il m u Itivibratore 555 in fu n z io n a m e n to astabile. Sapendo che il pe­ rio d o del segnale in uscita vale T = T on + T off = 0 . 7 - ( R i + R2) C + 0 . 7

Altoparlante.

Oscillatore con quarzo e inverter CMOS

Per realizzare un o scilla to re di precisione, è su fficie n te m ontare il circu ito di fig . 3.78, con inverter CM OS e quarzo (fig. 3.79). Per co m pletare la prova, seguire i passaggi: 0 realizzare su breadboard il circu ito ra ffig u ­ rato; Q a lim entare il circu ito con +5 V; 0 porre la sonda d ell'oscilloscopio sul te rm i­ nale di uscita d e ll'in v e rte r, visualizzare il segnale e m isurare la frequenza di oscilla­ zione. C om e si potrà notare dal risultato della misura, la fre q u en za di oscillazione rilevata in uscita

R2 C

calcolare il valore che deve avere la resisten­ za R1( per o tte n e re un la m p e g g io del LED o g n i s e co n d o , una v o lta fissa ti C = 1 pF e R2= 4 7 0 kQ. M o n ta re p o i il c irc u ito e a lim e n ta rlo con + 12 V. Osservare il la m p e g g io e visualizzare con l'oscilloscopio le fo rm e d 'o n d a sul pin 3 (o u tp u t) e sul pin 2, c o n fro n ta n d o i te m p i cal­ colati te o rica m e n te con i rilievi pratici. C o n fro n ta re , successivam ente, i risultati o tte ­ n u ti dai diversi g ru p p i di lavoro.

56

3. PROVE DI LABORATORIO

è d e te rm in a ta solo dal valore del quarzo a d i­ sposizione. Nella m a g g io r p arte dei casi i valori di capa­ cità variano tra 15 pF e 56 pF; la resistenza in parallelo a ll'in v e rte r è com presa tra 1 M Q e 10 M Q , m entre la resistenza in serie al quarzo, tra 1 kQ e 10 kQ, ridu ce il co n su m o e può anche essere omessa. Se, in sostituzione del quarzo, si utilizza un ele­ m e n to risonatore ceram ico con condensatori in te rn i (fig. 3.80), il m o n ta g g io risulta ancora più sem plice.

o— f

•

Risonatore ceramico.

Il SCHEDA 15 - Circuiti con temporizzatori

> Rd "1 kQ

inf— :

Si vuole analizzare il fu n z io n a m e n to di alcuni circuiti applicativi che im pieg a n o te m p o rizza ­ to ri.

_Z22pF 22 pF Z

T

T— O

HH

74HC04 ----r VSd 5V -------WM— 10 MQ -

IDI

Jr

Misuratore di riflessi ;

Oscillatore con quarzo.

L'applicazione che si p ro p on e co in vo lg e due persone e serve a m isurare la capacità di ri­ spondere agli stim oli sensoriali. La prim a per­ sona, p re m e n d o casualm ente su un pulsante, fa generare un im pulso la cui durata può esse­ re variata da un m in im o di 0,01 s a circa 0,5 s. Una seconda persona, agendo su un altro pul­ sante, deve cercare di "c a ttu ra re " l'im p u lso ; se ci riesce si accende un LED. V a ria n d o la durata d e ll'im p u lso (agendo su un trim m e r di ta ra tura) si pu ò d e te rm in a re q u a n to è veloce la risposta della persona. Lo schem a a b lo cch i p ro p o s to (fig . 3 .8 1 ) è co m p o s to da un c irc u ito m o n o sta b ile , azio ­ n a to dalla persona verificatrice, e da un flip flo p di ca ttu ra . Il relativo schem a e le ttric o è rip o rta to in fig . 3.82. Per eseguire la m isura, procedere com e in d i­ cato di seguito: O co lla u d a re il c irc u ito m o n o s ta b ile , m o n ito ra n d o con un oscilloscopio a m em oria il segnale g e n e ra to (TP); Q tarare il trim m e r in m o d o da o tte n e re un im pulso di circa 0,2 s (conviene iniziare la prova con un te m p o discretam ente alto);

Quarzi.

I ris o n a to ri ce ram ici s fru tta n o il c o m p o rta ­ m e n to p ie zo e le ttrico , c a ra tte ristic o di alcuni e le m e n ti ce ra m ici, per ese m p io lo z irc o n io tita n a to . La loro frequenza di risonanza è m eno accura­ ta (per esem pio, ± 0 ,5 % ) rispetto ai quarzi, ma il loro costo è inferiore; ciò li rende co m p e titivi in tu tte quelle applicazioni che richiedono pre­ cisioni e sprim ibili in percento.

57

3. PROVE DI LABORATORIO

0 in vita re una seconda persona a prem ere il pulsante di ca ttura , non appena scorge il la m p e g g io del LED ve rd e (il LED rosso segnala se la prova è stata superata con successo); 0 ripetere la prova con te m p i sempre più bre­ vi, d o p o aver resettato il LED rosso.

0

110

0 10 1

nn 80 ps

Generatore di funzioni d ig ita li periodiche. Schema a blocchi.

Divisore di frequenza per tre +5V

La fig . 3 .8 4 p ro p o n e una s o lu zio n e per un divisore di frequenza m o d u lo tre. R eplicare il c irc u ito in a m b ie n te M u ltis im e co llaudarne il fu n z io n a m e n to .

+5V

M isuratore di riflessi.

Generatore di funzioni digitali periodiche

L'uso co m b in a to di un c o n ta to re e di un m ultip le x e r realizza un se m p lice g e n e ra to re di fu n z io n i d ig ita li periodiche. Un circu ito astabile, di p eriodo pari alla durata d e ll'Im p u lso u n ita rio da generare, increm enta liberam ente un co n tato re , le cui uscite fu n z io ­ nano da selettori per un m ultiplexer. Il m o d u lo del contatore è pari al num ero di im pulsi u n ita ­ ri della fo rm a d 'o n d a dig ita le da generare, così com e il n u m e ro di ingressi del m ultiplexer. Tali ingressi sono poi polarizzati nel rispe tto della sequenza desiderata. In fig . 3 .83 , un astabile di frequenza 100 kHz, un c o n ta to re m o d u lo o tto e un m u ltip le x e r a o tto ingressi, g e nerano un segnale d ig ita le di p e rio d o 8 0 ps, la cui fo rm a d 'o n d a replica p e rio d ica m e n te lo sta to logico d e gli ingressi del m ultiplexer.

Divisore per tre.

1 SCHEDA 1 6 -Misure suiPLL

Il PLL (Phase-LockedLoop, m aglia ad aggancio di fase) è un sistem a re tro a zio n a to in g ra d o di agganciare e inseguire in fre q u en za il segnale presente al suo ingresso. È c o m p o s to da un oscillatore c o n tro lla to in te nsio ne (VCO, Voltage Controlled Oscillator) e un rivelatore di fase con filtro passa basso. Rivelatore di fase

Un riv e la to re di fase p ro d uc e in uscita una te n s io n e (V0) p ro p o rz io n a le a llo sfasam ento (Aq>) esistente tra i due segnali applicati ai suoi ingressi

58

3. PROVE DI LABORATORIO

r1

V o = k • A(p

M u ltim e te r - X M M l

con k [V /rad] che rappresenta il g u a d a g n o di conversione. Se i segnali sono is o fre q u e n z ia li, V0 è una te n s io n e c o n tin u a ; in caso c o n tra rio risulta variabile. Nel circu ito di fig . 3 .85 , un c o n ta to re decadi­ co (4518) e un decoder BCD/decim ale (4028), a zio n ati da un clo ck a 1 kHz, p ro d u c o n o dieci segnali logici (Q0 a- Q9), con d u ty cycle 10% ( t o n = 1 ms, T = 10 ms), sfasati reciprocam ente di 1/10 di p eriodo (1 ms).

—

Misura della com ponente continua in uscita.

Lasciando l'ingresso CP1 del flip -flo p sem pre co lle g a to con l'u scita Q0 del 4 0 2 8 , spostare l'ingresso CD1 sulle diverse uscite del 4 0 2 8 e co m pletare la ta b. 3.31.

XSCl

Rivelatore di fase.

Uscita del 4028 connessa con CD1

Ritardo di fase rispetto a QO

Componente continua in uscita [V]

QO (pin 3)

0

0

Q1 (pin 14)

36°

Q2 (pin 2) Q3 (pin 15)

Il n u cle o del riv e la to re di fase è il flip -flo p 4 0 13 . Presa a rife rim e n to l'uscita Q0 del 4 0 2 8 (cana­ le A , fig . 3.86), ogni suo fro n te di salita setta l'u scita Q1 del 4 0 1 3 (canale C), m e n tre Q5 (canale B), in rita rdo di 5 /10 di p e rio d o (5 ms, 180°), la azzera a gendo a livello sull'ingresso di dear (CD 1).

Q4 (pin 1) Q5 (pin 6) Q6 (pin 7) Q7 (pin 4) Q8 (pin 9) Q9 (pin 5) Tensioni continue prodotte dal rivelatore di fase.

Forme d'onda visualizzate.

Un m u ltim e tro posto sull'uscita Q1 del flip -flo p m isura la c o m p o n e n te c o n tin u a del segnale p ro d o tto (fig. 3.87).

59

3. PROVE DI LABORATORIO

N o n o stan te si tra tti di due segnali d ig ita li, il rita rd o di fase è sta to v o lu ta m e n te espresso in gradi per evidenziare com e questi p o tre b ­ bero anche essere stati derivati da due sin u ­ soidi isofrequenziali, squadrate m e d ia n te un co m p a ra to re di zero. C o m m e n ta re i risultati o tte n u ti. A nalizzare la te nsio ne di uscita p ro d o tta dal circu ito in fig . 3 .8 8 e g iu stifica rn e il co m p o r­ ta m e n to . LM567

L 'in te g ra to tone decoder L M 5 6 7 (fig . 3 .89 ) co n tie n e un PLL con VCO a frequenza libera Applicazione per LIVI567.

f - _ y _

fo _ Ri C,

Calcolare il valore della fre q u en za libera del VCO

e dispone di un'uscita (Out) che va bassa qu an ­ do il segnale di ingresso (V i) risulta agganciato in frequenza. I valori di C2 e C3 sono stati scelti nel rispetto delle indicazioni del c o stru tto re

fo - Ri - e , -

........... Hz

della banda di aggancio

rt-2 ^> -130 f— To

B agg — f 3

f i — .................

e della banda di te n u ta C3 > 2 • C2 B te n

Una vo lta realizzato il circuito, si tra tta di ri­ levare q u a ttro valori di frequenza, gli estrem i della b a nd a di a g g a n c io e gli estrem i della banda di te n u ta , perciò: © a u m e n ta r e la fre q u e n z a del g e n e ra to re ±0,5 V picco fin o ad o tte n e re l'a g g a n cio (LED acceso) e m isurarne la frequenza

^2

f^l

.................

C om e sono situ a te le due bande rispe tto a f 0? Q uale banda è m aggiore? La frequenza del VCO in te rn o a ll'in te g ra to è rile va b ile sul pin 5, p e rciò rip e te re la prova osservandone il valore. Q uanto vale la frequenza in assenza di aggan­ cio? E d u ra n te l'a g g an cio?

f, = ..... Hz (frequenza inferiore di aggancio) PLL_Virtual

0 co n tin ua re ad aum entare la frequenza fin o

P redisporre il circ u ito di fig . 3 .90 , c o m p le to del g eneratore sinusoidale 1 V picco picco in ingresso e del dispositivo PLL_VIRTUAL con i param etri indicati. S connettendo il generatore, il PLL oscilla alla sua frequenza libera di 25 kHz. M o d ific a n d o la frequenza del generatore, ricercare la banda di aggancio

a perdere l'a g g an cio (LED spento) f2 = ......Hz (frequenza massima di tenuta) 0 ridurre la frequenza fin o a rio tte n e re l'a g ­ gancio f3 = ......Hz (frequenza superiore di aggancio)

B = 2 5 kHz ± ......

© ridu rre u lte rio rm e n te la fre q u en za fin o a perdere l'aggancio

Ridurre il g u a d a g n o di conversione del VCO a 1 kH zA/ e ricercare la nuova banda di a g ­ gancio

U = ......Hz (frequenza inferiore di tenuta)

60

3. PROVE DI LABORATORIO

m em orizzato, azio n an d o m a n u a lm e n te la se­ quenza dei com andi prevista nei cicli di lettura e scrittura. C om e in d ica to nel circu ito di fig . 3.91, la m e ­ m oria utilizzata è una RAM 2 k -8 , con 11 b it di indirizzo, 8 di d a to e 3 b it d i c o n tro llo : CS a b ilita zio n e d e ll'in te g ra to , W R c o n tro llo scrit­ tu ra e OE a b ilita zio n e dei b u ffe r di uscita. La selezione delle sedici celle è im po sta ta m a­ nualm ente, colle g a nd o ai 4 b it m eno s ig n ifi­ cativi degli u n d ici in d irizzi della m e m o ria le uscite di un c o n ta to re binario, p ilo ta to in in ­ gresso da un clock, realizzato con un pulsante e a n tirim b a lz o . Q u a ttro LED di segnalazione possono a iutare a conoscere lo sta to d e ll'in ­ dirizzo selezionato. L 'im postazione e la visualizzazione del d a to sono o tte n u te u tiliz z a n d o o tto d ip -s w itc h e o tto LED connessi com e in fig u ra . In fase di scrittura, il d a to viene im po sta to con il d ip -sw itch : se lo sw itch è su posizione ON, il d a to im p o sta to è 0; se, invece, è su posizione OFF, il d a to im po sta to è 1. In fase di le ttu ra , il d ip -s w itc h va to lto , per evitare c o n flitti con il d a to in uscita dalla RAM, m entre un LED acceso indica che il co rrisp on ­ dente b it vale 0. Per eseguire co rretta m e n te la scrittura, seguire le fasi indicate: predisporre una tabella con gli indirizzi delle sedici celle e i c o rris p o n d e n ti d a ti che si v o g lio n o scrivere; 0 collegare il pin OE al + 5 V; 0 preparare l'in d iriz z o della prim a cella in cui scrivere, resettando il co n tato re ; 0 preparare il dato da m em orizzare tra m ite il d ip -sw itch ; 0 prem ere e rilasciare il pulsante a ntirim balzo di W R per scrivere il dato; 0 increm entare il c o n ta to re e ripetere le fasi di preparazione dato e com ando di scrittura per tu tti i dati c o n te n u ti nella tabella.

B' = 25 kHz ± ...... Cosa è cam biato? R iportare il g u a d a g n o di conversione del VCO a 10 kHz/V, im postare la fre q u en za di oscil­ lazione libera a 15 kHz e ricercare la nuova banda di aggancio B" = .........kHz ± ....... XSC 1

PLL.V 1RPJA . I /ilir

m

| D fj U7\

[ =rl I

) ^ns

F h a s e D e te c to r O t v e r f lo n G a n

y,Y a c ) :

10 .2 5

V C O C z n v c ra o n C o r (fc H z /v j:

I0

V C O H e e K u m n g i-re c u e n c v

I 23

L o v /F a s s “ Ite r C u tc ffr ie q u e n c v ;

|:

VCO C L t x t A r p lt jc c : FU ’ n p i r O f f s p t :

"

| l i s i fifl k|

|0

kH z IH /

n

V

a SI “i

V

F D I i J L l O f s e i;

fò

V

V C O O L tx tO fte t:

|q

V

Applicazione con PLL_VIRTUAL.

o

Di nuovo con il g u ad a g no di conversione del VCO a 10 kH z/V e fre q u e n za di oscillazione libera a 15 kHz, ra d d o p p ia re il g u a d a g n o di conversione del rivelatore di fase (0,5 V /rad) e ricercare le bande di agga n cio e di te n u ta Bagg

= 15 kHz ± ......

Bten = 15 kHz ± ......

[fi SCHEDA 17 - Scrittura di una RAM statica

Si vo g lio n o sp e rim en ta re in m o d o p ra tico le o p e ra zio n i di scrittu ra e le ttu ra di una RAM statica.

Seguono, poi, le relative fasi di le ttura: 0to g lie re il d ip -sw itch ;__ © v e rific a r e che il pin WR sia a lto e po rta re OE basso; 0 increm entare progressivam ente il contatore e verificare sui LED dei d ati il c o n te n u to dei sedici valori inseriti.

Scrittura manuale di una RAM statica

Si vu o le m e m orizzare in una m e m oria RAM una serie di sedici d ati e poi rileggere q u a n to

61

3. PROVE DI LABORATORIO

m o d u le m a c c h _ s t a t i (A , B, T , s e t , VC, VS, M R ); in p u t A ,B ,T ,c lo c k ,r e s e t ; o u t p u t V C ,V S ,M R ;

c lo c k ,

re ­

// r e g V C ,VS ,M R ; re g [2 :0 ] c u r_ s ta te ; re g [2 :0 ] n e x t_ s ta te ; a lw a y s @ (p osedg e c l o c k ) b e g in c u r_ s ta te = n e x t_ s ta te ; i f ( r e s e t — 0) b e g in V C -1 ' bO; V S - 1 ' bO; M R - 1 7b O ; n e x t _ s t a t e = 3 ' bOOO; end e ls e b e g in c a s e (c u r_ s ta te ) 3 7bOOO: b e g in V C -1 ' b l ; V S - l'b O ; M R -l'b O ; i f ( A ——1 && B— 1 ) n e x t _ s t a t e = 3 7b O O l ; e l s e n e x t _ s t a t e = 3 7bOOO; end 3 7b O O l : b e g in V C - 1 7b O ; MR—1 7 b l ; i f ( T ——1 ) n e x t _ s t a t e —3 7 b O l O ; e l s e n e x t _ s t a t e = 3 7b O O l ; end 3 7b O l O : b e g in M R - 1 7b O ; V S - 1 7b l ;

Circuito per RAM 2 k -8.

1 SCHEDA 18 - Da Verilocj alla macchina a stati Gli integrati a logica program m abile c o n te n g o ­ no svariati e le m e n ti logici elem entari che pos­ sono essere interconnessi a piacere in m odo da realizzare fu n z io n i lo giche più com plesse. Le interconnessioni sono realizzate a partire dalla descrizione, grafica o verbale, della fu n z io n e che si in te nd e ottenere.

^

i f (A—0 && B—0) n e x t _ s t a t e = 3 7 bOOO; e l s e n e x t _ s t a t e - 3 7b O l O ; end endease end end e n d m o d u le

Ingressi e uscite.

62

Un serbatoio di mescola dispone di due sensori di livello, a lto (A) e basso (B), di due valvole, di carico (VC) e di scarico (VS), di un a g ita to re con riscaldatore (M R) e di un te rm o s ta to (T). La gestione del serbatoio è stata realizzata con una CPLD (A ltera M A XII E P M 240T100C 5N ), m e d ia n te uno schem a (fig. 3.92) che include una m acchina a stati sincrona, scritta in Verilog (fig. 3.93). Dalla le ttu ra del listato di fig. 3.93, derivare il g ra fo della m acchina a stati.

\È SCHEDA 19 - Analisi di forme d'onda periodiche

La ricostruzione di alcuni segnali a partire dalle

nona

ottava

s e ttim a

sesta

0

q u in ta

6,365

q u arta

ampiezza

terza

seconda

Serbatoio di mescola

p rim a

V erilog è uno dei lin g u a g g i più utilizzati per la descrizione d e ll'h a rd w a re .

a rm o n ic a

3. PROVE DI LABORATORIO

■

Valori rilevati.

Ricostruzione della quadra

U tilizzando i risultati della prova precedente, si è v o lu to ricom p orre p a rzialm ente il segnale o rig in a le u tiliz za n d o le p rim e q u a ttro a rm o ­ niche s ig n ific a tiv e . Il ris u lta to o tte n u to è ri­ p o rta to in fig . 3.95. A tu o parere è coerente con le attese? Increm enta poi il num ero di c o m p o n e n ti fin o a evidenziare e m isurare il p a rtico la re fe n o ­ m eno di sovraelongazione presente sui fro n ti del segnale. Q u a nto vale? Perché appare?

3. PROVE DI LABORATORIO

è, q u in d i, un range di fre q u en za , m e n tre le a m p ie zze sono ra p p re s e n ta te in v o lt, in dB o in dB m . La te n s io n e di ru m o re g e n e ra ta dai c o m p o n e n ti in te rn i a llo s tru m e n to fo r­ m a una riga o rizzo n ta le di base che lim ita il valore in fe rio re delle am piezze (tip ic a m e n te —9 0 h— 100 dBm). L'analizzatore di sp ettro d ig ita le è in grado di testare la com posizione arm onica del segnale solo per m u ltipli della sua risoluzione, per qu e ­ sto m o tivo le righe tro va te , che non necessa­ riam e nte co in cid o n o con le vere c o m p o n e n ti a rm on ich e del segnale, ve n g o n o so lita m en te rappresentate c o n g iu n te tra loro, s o p ra ttu tto se vicine. L'analizzatore M u ltisim , lavorando in sim u la ­ zione, non evidenzia righe di rum ore di fo n d o nella rappresentazione delle am piezze. Il pannello fro n ta le p e rm e tte la predisposizio­ ne m a nuale dei p a ra m e tri di a cq uisizio n e e visualizzazione (fig. 3.96).

Le am piezze (A, [V]) delle a rm oniche possono essere rappresentate in tensione (Lin), in dB (in realtà dBV), o an che in dB m di pote n za sviluppata su un carico da 600 Q, con fa tto re di scala (Range) selezionabile. Il tasto REF d e fi­ nisce il valore della linea di rife rim e n to (visibile con Show refer). N e ll'e s e m p io in fig u ra , la c o m p o n e n te a 10 kHz, con a m p ie zza 0 ,5 V, viene d a ta a - 6 dB, m e n tre la c o m p o n e n te da 1 V vale 0 dB (in dBm i valori rispettivi sono -6 ,8 dBm e -0 ,8 dBm). La linea a 0 dBm corrisponde a una tensione efficace di 0 ,7 7 5 V 1Q !gi° g'07Q7^

1.000 = 10 Igiol = 0 dBm

A p plica re l'a n a lizza to re di sp e ttro a una qu a ­ dra sim m etrica ± 5 V, 1 kHz, DC 5 0 % e c o m ­ m entare i risultati o tte n u ti.

Hi SCHEDA 20 - Impedenza al variare della fre­ quenza

XSAl

Si vu o le sp e rim entare, in sim u la zio n e, la re­ lazione tra le grandezze e le ttrich e a ll'in te rn o di c irc u iti RC, RL e RLC al variare della fre ­ quenza. RC al variare della frequenza

Si vu o le tracciare, m e d iante sim ulazione, l'a n ­ d a m e n to del m o d u lo e della fase d e ll'im p e ­ denza vista dal g e ne ra to re per il circ u ito RC in fig . 3.97, da 10 Hz a 100 kHz. Rilevare in particolare i valori a 100 Hz e a 10 kHz (tab. 3.33) e co m m e nta re i risultati o tte n u ti. Spectrum Analyzer M ultisim .

C on la selezione Setspan, si dim ensiona l'asse orizzontale delle frequenze; si utilizzano i para­ m etri Start e End, i più im p o rta n ti, co n fe rm a ti i quali il sistema calcola a u tom aticam ente Cen­ ter (frequenza in te rm e d ia ) e Span (am piezza di banda). La risoluzione di frequenza è legata al num ero di ca m pioni elaborati (so litam ente 1.024, da cui A f = fenc/"I -024), m a am pliabili aprendo la fin e stra Set.

^ C ircuito RC.

Il segnale in d ica to nello schem a (Sources -► SIGNAL_VO LTAG E_SO URC E - * AC_VOLTAGE) è a frequenza fissa; ciò non to g lie che si possa

64

3. PROVE DI LABORATORIO

selezionare la sim ulazione Simulate Analyses -► AC Analysis che u tiliz z a c o m e asse o rizz o n ta le la fre q u en za . Tra i p a ra m e tri del ge ne ra to re , il valore AC Analysis Magnitude rappresenta a p p u n to l'am piezza del segnale a fre q u en za variabile da utilizzarsi in analisi AC. Nel caso in d ica to in fig . 3 .98 , per l'analisi AC, il g eneratore è considerato da 1 V.

Frequenza [Hz]

Impedenza (ase

Modulo

100 10 k ^

Misure di impedenza.

RL al variare della frequenza

Si vu o le tracciare, m e d iante sim ulazione, l'a n ­ d a m e n to del m o d u lo e della fase d e ll'im p e ­ denza vista dal g e n e ra to re per il c irc u ito RL in fig . 3 .100, da 1 kHz a 10 M H z. Rilevare in particolare i valori a 10 kHz e a 1 M H z (tab. 3.34) e co m m e nta re i risultati o tte n u ti. R1

1

-AAvV 1 k fi

©

AC Voltage.

Per tra ccia re l'im p e d e n z a , nella ca rte lla AC Analysis c he si apre, selezionare la scheda Out­ put e, com e variabile selezionata per l'analisi, c o m p o rre l'espressione V(1)/I(R1), e v e n tu a l­ m e nte con l'uso di Edit expression. A ttiva re Simulate e, cliccando su ciascuna delle scale, a g g iu sta rn e gli estrem i com e in d ica to nella richiesta. C on l'a ttiv a z io n e e lo sco rri­ m e n to dei cursori è poi possibile rilevare m o ­ d u lo e fase dell'im pedenza nei punti desiderati (fig. 3.99).

I*

v **

4

m

li

fi* E*l V.«W Impostazioni ASCII, spuntare l'o p zio n e Eco dei

caratteri digitati localmente. Se si dispone di un solo PC con una sola porta, la prova può essere eseguita co rto c irc u ita n d o tra lo ro i pin 3 (TD) e 2 (RD), ricevendo in ta l m odo quel che si tra sm e tte (eco). Livelli elettrici dei segnali

Porre la sonda di un oscilloscopio con m e m o ­ ria tra il c o n d u tto re di trasm issione (pin 3) e il rife rim e n to di zero (pin 5) di una p o rta RS 232 e, prem endo rip e tu ta m e n te un o dei tasti della tastiera del PC, rilevare le variazioni di te n s io ­ ne in linea rispe tto allo sta to di riposo (stato di m ark) a - 1 0 V. In fig . 3 .1 4 3 , è rip o rta ta la fo rm a d 'o n d a rilevata d u ra n te la trasm issione del carattere ASCII " 0 " = 30H, a 9 .60 0 baud, 8 bit, nessuna parità e 1 b it di stop.

Start

^ Selezione porta.

+10 V

CQ >-)

Si

m 0

0

0

0

1 1

0

0

$

(S )

ri y -1 0 V

-----104

1

1

1

1

1

1

PS

Nella finestra di dialogo che si apre (fig. 3.142), appare l'icona di una co rn e tta te le fon ica solle­ vata, a indicare che la p o rta è a ttiva e pronta a tra sm ette re e ricevere caratteri.

Codifica RS 232 del carattere ASCII " 0 ".

Sapendo che ciascun b it dura 104 ps, è possi­ bile decodificare il valore di o gni b it e notare che il PC invia il carattere a partire dal b it m eno sig n ifica tivo (30H = 0011 0 0 0 0 b). t: 5

mi

-4“ ISB

MSB

1

n. r> co

Finestra di dialogo. Carattere da identificare.

Una vo lta a ttiva ta una fin e stra analoga sul se­ co n do PC, collegare le due unità, con il cavetto DTE - DTE cross a tre c o n d u tto ri, e verificare che i caratteri co m posti sulla tastiera di un PC g iu n g a n o a ll'a ltro (e viceversa).

In fig . 3 .144, è rip o rta ta la codifica RS 232 di un carattere ASCII da identificare. Di quale ca­ rattere si tra tta ? Che valore h a nno i param etri di trasm issione?

3. PROVE DI LABORATORIO

1 SCHEDA 2 7 -P rove su RS 485

T I 7-

RO L i

Si vo g lio n o sperim entare i livelli e le ttrici dello standard RS 485.

8 f

i n

Da RS 232 a TTL

I driver per RS 48 5 fu n z io n a n o con livelli logici, p e rta n to bisogna prim a ripo rta re i livelli e le t­ tric i RS 232 a livelli 0 t +5 V, u tilizzan d o un in te g ra to co n ve rtito re quale, per esem pio, il M A X 232 (M axim ), che autocostruisce le due te nsio ni bilanciate (+ 1 0 V e - 1 0 V), a partire dal +5 V (fig. 3.145).

B

i

DE IT

S

DI

5

A GND

M ax 485.

Poiché l'in te g ra to c o n tie n e un rice tra s m e ttito re , a b ilita n d o in m o d o p e rm a n e n te sia il ricevitore (RE = 0) sia il tra s m e ttito re (DE = 1), si avrà l'eco del segnale trasm esso. Una v o lta c o m p o s to il circ u ito in fig . 3 .14 8 , m e diante un oscilloscopio con una sonda sul segnale A (pin 6 ) e una sul segnale B (pin 7), è possibile rilevare la d ifferenza tra i due segnali u tilizzan d o la fu n z io n e A-B (fig. 3.149).

-si n=;

5Y

J

C onvertitore di livello da RS 232 a TTL.

Una vo lta m o n ta to il circuito, tra sm ette re con H yperterm inal il carattere " 0 " e verificare con l'o sc illo sco p io sul pin 9 del M a x 232 i livelli TTL co rrisp o n d e n ti (fig . 3 .1 4 6 ), con lo stato di m ark a +5 V. P

S

+10 V

ù)

0

0

0

0

1

1

0

0

Oh O CO

R S 232

0 V

V B^D coniin V i

3

c/5 5V — QV

Convertitore RS 232 - RS 485.

& 0

0

0

0

1

1

0

0

V)

+5 V

:

:

!

1 10

TTL

v AB

;

:

0 10

i

6

10

T T F tfW

^ L i v e l l i RS 232 e TTL.

Segnali per RS 485.

Da TTL a RS485

Poiché il tra s m e ttito re è sem pre a ttivo , la linea a riposo risulta polarizzata in stato di m ark con VAB = +5 V, senza bisogno d 'a ltro .

Per passare dai livelli single ended TTL al se­ gnale d iffe re n zia le RS 4 8 5 , si pu ò utilizzare, per esem pio, il driver M ax 48 5 (fig. 3.147).

80

3. PROVE DI LABORATORIO

IP address

B SCHEDA 28 - Serial device server

Un dispositivo serial server è sem pre fo rn ito con un corredo di so ftw a re , utile per rico n o ­ scerlo e c o n fig u ra rlo . Dispone, inoltre, di una serie di com andi di m o n ito r attivabili da seriale al reset. Se si tra tta di una prim a esperienza e non si conosce l'in d irizzo IP a ttu a le del dispositivo, si può operare dalla seriale RS 232, aprendo la C O M del PC m e d iante una finestra H yperterm inal con i param etri indicati nel m anuale del dispositivo (3 8 4 00 , 8 , N, 1, Hw).

Si vu o le co lla u d are un c o n v e rtito re E th erne t seriale sta b ile n do un socket TCP/IP. Tibbo device server

Un serial device server p re se n ta una p o rta E thernet da un lato e una p o rta seriale asin­ crona su ll'a ltro. Nel caso del dispositivo T ibbo DS203 (fig. 3.150), si tra tta di una seriale RS 232.

D opo aver p re m u to il ta sto di reset del dispo­ sitivo, inviare il c o m a n d o di richiesta dell'IP a ttu a le (GET IP), d ig ita n d o la stringa di 5 ca­ ratteri ASCII Ctrl-B G I P CR te rm in a ta con il carattere di invio (CR = to rn a a capo = ODH), in risposta alla quale il siste­ ma fo rn isce il p ro p rio indirizzo, per esem pio 1.0 .0 .1.

Una volta a lim entato il dispositivo con una te n ­ sione co n tin ua tra 9 e 25 V, collegarlo al PC da e n tra m b i i la ti, u tilizzan d o due cavi cross, sia per la RS 232, sia per E thernet (fig. 3.151).

Per uscire dalla m o d a lità com andi, inviare Ctrl-B 0 CR o p pu re spegnere e riaccendere il dispositivo. Per c o n fig u ra re il d isp o sitivo , u tiliz z a n d o il so ftw a re da E thernet, è necessario predispor­ re l'in d irizzo della scheda locale del PC per il m edesim o se g m e n to di rete, e n tra n d o nella co n fig u ra z io n e delle pro p rie tà relative al p ro ­ to c o llo TCP/IPv4 della scheda (in Apri Centro

Serial device co n v e rte r

cross

cross

connessioni di rete Modifica impostazioni scheda -► Connessione alla rete locale LAN -► Proprietà- * Rete -► Protocollo Internet versione 4) e im p o s ta n d o un in d iriz z o fisso

PC! DB9-F

otn Eth.

RJ45

co m p a tib ile , quale, per esem pio 1 .0 .0 .2 , con maschera 2 5 5 .2 5 5 .0 .0 . Richiamare, a questo p u nto , Tibbo Connection Wizard, il so ftw a re di co n fig u ra z io n e in d o ta ­ zione (fig. 3 .15 2 ), e cliccare su Select from thè list, iniziando la ricerca dei dispositivi co lle g a ti che in d ivid u a il serial server in esame. Una vo lta selezionato, si procede in d ica n do a ltri param etri, quali chi è il p rim o a inviare i dati (l'ap p lic azion e sul PC) e il p ro to c o llo u ti­ lizzato (TCP/IP sul p o rt 1001).

Connessioni cross.

Un cavo E thernet cross incrocia le coppie 1-2 con 3-6, cioè il d o p p in o di trasm issione con q u e llo di ricezione, ed è da utilizzare solo per i co lle g a m e n ti d ire tti tra due dispositivi fin a li, senza interposizione di hu b o altro. Per eseguirne il co llaudo, è necessario c o n fi­ g u ra rlo per una com unicazione d iretta con un a p plica tivo sul PC.

81

3. PROVE DI LABORATORIO

scuno di essi, indicando per ciascuno l'in d iriz ­ zo IP (univoco) e il nu m e ro del p ort.

S ensore ► , sm art 1 J

D B 9-F Serial { de vie e

D B 9 -M

RJ45 Serial ■-[ de vie e

cavo straight through

----- 1RJ45 PC

cavo straight through DB9

2

Sensore sm art 2

HUB

C o m Eth. /R J 4 5

Rete di sensori sm art in RS 232.

Tibbo C onnection W izard.

H SCHEDA 29 - Prove sulla modulazione AM Collaudo A prire un canale di colle g a m e n to (socket), con p ro to c o llo TCP/IP (W insock), con il dispositivo di in d irizzo 1.0 .0.1 sul p o rt 1 0 0 1 , u tiliz za n ­ do una seconda fin e stra H yp e rte rm in al (fig . 3.153).

****** ■M>pt>T«nnn«r

e* &

Si v o g lio n o s p e rim e n ta re in s im u la z io n e le caratteristiche di un segnale m o d u la to in a m ­ piezza. Segnale modulato AM

S elezionare tra i c o m p o n e n ti il g e n e ra to re Source Signal_Voltage_Source -►AM_Voltage con am piezza 10 V, p o rta n te 100 kHz, m o d u la n te 1 kHz e indice di m o d u la zio n e 0,5 (fig. 3.155).

[a fi) J

0(9 ts

^

Seconda finestra Hyperterm inal.

C on entram be le finestre attive, se il dispositivo è fu n z io n a n te , ciò che si scrive in una finestra deve com parire su ll'a ltra (e viceversa). Rete di sensori A ssegnando a diversi serial co n ve rte r indirizzi IP d iffe re n ti, a p p a rte n e n ti al m edesim o seg­ m e n to di rete del PC, è possibile c o m p o rre una rete di sensori in RS 232 (fig. 3 .154) u ti­ lizzando hub o sw itch di diram azione. I cavi da u tilizzare sono tu tti d iritti (straight through), sia i seriali, con c o n n e tto ri m aschiofe m m in a , sia gli Ethernet. Per a ttiva re la rete, l'a p p lica zio n e sul PC deve prim a aprire un canale TC P/IP (socket) con cia­

Segnale m odulato AM .

Analizzare la fo rm a d 'o n d a generata, m edian­ te un oscilloscopio con base te m p i 1 ms/div, e lo spettro relativo, attraverso un analizzatore im p o sta to com e in d ica to in fig . 3 .15 6 . Tra q uali estrem i si m u o ve la fo rm a d 'o n d a sull'oscilloscopio? Perché? Cosa succede au­ m e n ta n d o l'in d ice di m odulazione, im po sta n ­ do, per esem pio, m = 0 ,8 ? Osservando lo spettro del segnale, q u an to val-

82

3. PROVE DI LABORATORIO

g o n o le co m p o n e n ti a rm o n ich e a tto rn o alla p o rta n te da 100 kHz? E con m = 0,8?

bande laterali; con la p o rta n te che racchiude la m a g g io r parte della potenza del segnale. Per elim inare la p o rta n te e o tte n e re una tra ­ smissione DSB (Doublé Side Band), si può u ti­ lizzare un m o ltip lica to re analogico. C om porre p e rta n to il circ u ito in fig . 3 .1 5 8 , scegliendo il m o ltip lic a to re reperibile in Source -► Control_Function_Blocks ed entrare in sim ulazione con le im postazioni di fig . 3.159. C om e risulta il segnale nel te m p o ? E lo spet­ tro?

Spari control S et span

11

Zero spari

Full span

A m pli tu d e

Frequency

dB 11 dBm 11 Lin

E n te r Span: 4

kH j

S ta rt: 9S

kH2

100

kH2

End: 102

kH2

C e n te r:

Range: 2

U/DÌV dB

R ef; 0 R esoluB on fre q : Hz

500 5 0 0 .0 0 0 Hz

XSCl S ta rt 11 Stop | | Reverse

|

S h o w re fe r,

Input

||

S et,, Trigger

Im postazioni per l'analizzatore di spettro.

Rivelatore a diodo

Per rilevare l'in v ilu p p o del segnale m o d u la to, è richiesto un circu ito a carica rapida e scarica lenta, perciò un co n d e n sa to re con d io d o di carica e una resistenza di scarica, tale che

M o ltip lica to re analogico.

R C= ^ -r2tc fm con fm che rappresenta la frequenza della m o ­ dulante. Visualizzare la fo rm a d 'o n d a ricostru ita con il circu ito in fig . 3 .157. M o d ific are il valore della resistenza con 10 kQ e 1 M Q e co m m e nta re i risultati.

1114148

4 "\1 0 V •S-M '1 0 0 kH z 1000 Hz

Im postazioni per l'analizzatore di spettro.

z ^ 2 .2 n F

H SCHEDA 30 - Prove sulla modulazione FM

^io o kn

Si v o g lio n o s p e rim e n ta re in s im u la z io n e le caratteristiche di un segnale m o d u la to in fre ­ quenza.

Rivelatore a diodo.

Trasmissione DSB

VCO

Il segnale A M u tiliz z a to nell'esperienza p re­ ce d e n te presenta sia la p o rta n te , sia le due

Per com p re n d e re il c o m p o rta m e n to della m o ­ d u la zio n e di fre q u e n za , si p u ò u tilizzare un

83

3. PROVE DI LABORATORIO

oscillatore c o n tro lla to in tensione (VCO) p ilo ­ ta to con un segnale variabile. C o m p o rre q u in di il circu ito in fig . 3 .160, se­ lezio n a nd o il co m p o n e n te Source -► Controlled_Voltage_Sources -> Voltage_Con trolled_

della frequenza del segnale m o d u la to rispetto alla frequenza p o rta nte , m entre l'indice di m o ­ d u lazione (m ) è il ra p p o rto tra il valore della deviazione (Af) e la frequenza della m odulante (fm)

Sine_Wave.

m = Af / fm XSCl

R ispetto a ll'u n ic a co p p ia s p e ttra le presente nella A M , in FM le co p p ie s p e ttra li a tto rn o alla p o rta n te sono in fin ite , con potenza che decresce a llontanandosi dalla po rta nte . C onsiderando solo quelle con am piezza fin o a - 2 0 dB rispe tto alla più alta, queste racchiu­ d o n o il 9 8 % della potenza to ta le del segnale m o d u la to . Il num ero delle copie significative a u m e n ta con la p ro fo n d ità di m o d u la zio n e; per esem pio, con m = 3 si h a n n o 6 co p p ie significative

4^ W >0V1V

J

vco.

Im postare il g eneratore di fu n z io n i per onda tria n g o la re : f = 100 Hz; V p = 4 V; o ffs e t = 5 V; d.c. = 5 0 % ; in m odo da ottenere una tensione che varia le n ta m e n te tra 1 V e 9 V. Im postare la tabella del VCO per 0 V -» 100 Hz; 10 V -» 10 kHz, e a ttiva re la sim ulazione. C om e si presenta il segnale nel te m p o ? Per­ ché? S ostituire il g eneratore di fu n z io n i con un p o ­ te n z io m e tro (fig. 3 .16 1 ) e osservare la fo rm a d 'o n d a p ro d o tta dal VCO variando la posizio­ ne del cursore.

A f = m • fm

C o m po rre il circu ito in fig . 3 .1 6 2 , con il ge ne ­ ratore FM di am piezza 10 V, p o rta nte 100 kHz, m o d u la n te 5 kHz, co e fficie n te di m odulazione m = 3, selezionandolo in Sources -> Signal_ Voltage_Sources -► FM_Voltage.

XSAl

XSCl

J

I

Generatore FM.

Inserire l'analizzatore di spettro con i param etri di fig . 3.163 e a ttiva re la sim ulazione. C om e sono posizionate le coppie? C onsiderando la banda

J l : C ontrollo m ediante potenziom etro.

Deviazione di frequenza

Nella m o d u la zio n e FM, la deviazione di fre ­ quenza rappresenta l'e n tità dello scostam ento

B = 2

84

- (Af -4- f m )

= 2 - f m • (1

+ m)

3. PROVE DI LABORATORIO

le più sig n ificative risultano incluse? C om e cam bia lo spettro p o rta n d o m = 5?

Im postazioni per l'analizzatore di spettro.

U SCHEDA 31 - Analizzatori di modulazione

Gli analizzatori di m odulazione sono strum enti utilizzati dagli ingegneri della co m unicazione per verificare la q u alità e m ettere a p u n to le connessioni con m o d u la zio n e digitale. Vettore errore

Sul piano IQ (in fase e in q u ad ratura) ro ta n te alla velocità della p o rta n te , il v e tto re del se­ gnale non m o d u la to appare fe rm o , c a ra tte ­ rizzato da un'am piezza (distanza d a ll'o rig in e del piano IQ) e da una fase (a n g olo rispetto all'asse I). La m odu la zio n e d ig ita le della por­ ta n te in te rv ie n e m o d ific a n d o n e l'a m p ie z z a e/o la fase, spostando il vertice del v e tto re su un a ltro dei p u n ti della costellazione, sem pre a ll'in te rn o del piano IQ (fig. 3.164). P urtroppo, a causa del rum ore che si sovrap­ po ne al segnale, il ve tto re che rappresenta il segnale m o d u la to ricevuto non si situa esat­ ta m e n te su u n o dei p u n ti ideali della co ste l­ lazione, ma risulta un p o' spostato, ta n to più q u a n to m a g g io ri sono i d istu rb i o le non lin e ­ arità della catena di trasm issione. La costellazione rilevabile al ricevitore si pre­ senta, q uindi, com e un insiem e di piccole m ac­ chie posizionate a tto rn o a ciascuno dei p u n ti te orici (fig. 3.165).

Si definisce, p e rta n to , vettore errore di un sim bolo la differenza tra il p u n to te orico in cui si sarebbe d o v u to trovare il segnale nel piano IQ, nel m o m e n to della decisione del ricevitore, e il p u n to reale (fig. 3.166).

3. PROVE DI LABORATORIO

Errore di ampiezza

^ Vettore errore.

La m isura pratica di EVM richiede stru m e n ti com plessi, capaci di d e m o dulare il segnale se­ co n do il tip o di m o d u la zio n e u tilizzata, rico­ struire via s o ftw a re il segnale ideale che si sa­ rebbe d o v u to ricevere, calcolare per differenza il ve ttore errore di ciascun baud ed elaborare m a te m a tica m e n te l'e rrore q u a d ra tico m edio dei sim boli ricevuti. Sul m ercato sono disponibili sia strum enti ana­ lizzatori di m o d u la zio n e (o analizzatori v e tto ­ riali) veri e p ro p ri, sia applicativi so ftw a re da installare sugli analizzatori di spettro. In e n tra m b i i casi, la scherm ata riporta, accan­ to al diagram m a reale della costellazione (fig. 3 .16 8 ), l'EVM in fo rm a tabellare, in percen­ tuale o in dB, o p pu re com e evoluzione grafica nel te m p o , o ancora com e analisi spettrale del v e tto re stesso per un p a rticolare sim bolo.

Il m o d u lo del ve tto re errore (EVM, Error Vector Magnitude) è il p a ra m e tro più u tiliz za to p e rv a lu ta re la qualità di un segnale m o d u la to d ig ita lm e n te . Può essere calcolato com e elem ento singolo di ciascun sim bolo, o p pu re com e m edia q u ad ra ­ tica degli errori su una d e te rm in a ta q u a n tità di sim boli (RMS EVM); eseguendo il ra p p o rto tra la potenza del v e tto re errore e la potenza del segnale ideale d i rife rim e n to , si o ttie n e l'E V M com plessivo, indice della q u alità in trin ­ seca della m odulazione, espresso in percento o in dB. V alori percentuali m aggiori di EVM indicano valori p e gg io ri della q u alità del segnale rice­ vu to , m entre per gli EVM espressi in dB, c o n ­ siderando che la potenza di errore è sem pre m inore della potenza del segnale, il ra p p o rto risultan te avrà un valore in dB ta n to più nega­ tiv o q u a n to m iglio re è il segnale. Per esem pio, un va lo re EVM = 0 ,1 0 (1 0 % ) rappresenta un segnale peggiore rispetto a un a ltro con EVM = 0,05 (5% ), m entre un segnale con EVM = - 1 0 dB risulta peggiore rispe tto a un a ltro con EVM = - 2 0 dB. La misura di EVM perm ette, inoltre, di valutare la p ro b a b ilità di errore (BER) presente sui dati scam biati (fig. 3.167). Il co nsorzio IEEE, p ro p rio per queste ragioni, ha v o lu to g a ra ntire una q u alità m inim a delle connessioni W LAN, sta b ile n do lim iti massimi per l'E V M , seco n do la m o d u la z io n e del se­ gnale: - 1 9 dB, per la 1 6 -Q A M ; - 2 5 dB, per la 6 4 -Q A M ; - 3 0 dB, per la 2 5 6 -Q A M .

86

3. PROVE DI LABORATORIO

fig . 3 .172. Ripetere la sim ulazione e co m m e n ­ tare i risultati rilevati m e diante l'a n a lizza to re di spettro.

1 SCHEDA 32 - Prove sulla modulazione PAM

Nella m odulazione PAM {PulseAmplitude Modulation), la m o d u la n te varia l'am piezza degli im pulsi della po rta nte . il segnale m o d u la to presenta una serie di im ­ pulsi (cam pioni), di am piezza pari all'am piezza del segnale in q u ell'ista n te, presi alla fre q u e n ­ za della p o rta n te (fp), che co stituisce la fre­ quenza di campionamento del segnale. Lo spettro di un segnale PAM risulta com posto da una c o m p o n e n te alla frequenza base del m essaggio m o d u la n te (fm), p iù una serie di bande laterali a tto rn o alle fre q u en ze m u ltip le della p o rta n te (n- f p).

A ndam ento nel tem po della sinusoide m odulante e del segnale m odulato PAM.

te e del segnale PAM (fig. 3.170), m e n tre un a n alizza to re di sp e ttro fo rn isce in fo rm a zio n i sul co n te n u to a rm onico del segnale m o d u la to (fig. 3.171). C o m m e nta re i risultati o tte n u ti. Porre un co n d e n s a to re da 100 nF in p a ra l­ lelo alla 100 kQ e rip e te re le m isure. Cosa è ca m b ia to n e llo s p e ttro del segnale PAM? Perché? U tilizza n d o il co m p o n e n te Sources - * CO N TROL_FUNCTION_BLOCK -► VOLTAGEJ5UMMER, co m p o rre un segnale m o d u la n te deriva­ to dalla som m a di due sinusoidi, la prim a da 1 kHz e la seconda da 3 kHz, com e in d ica to in

Individuazione dei blocchi

M o n ta re (o sim ulare) il circ u ito in fig . 3 .17 3 e, u tiliz z a n d o l'o s c illo s c o p io , in d iv id u a re la fu n z io n e dei singoli blocchi presenti, te n e n d o c o n to che il c o m p o n e n te 4 0 6 6 è uno sw itch analogico CM OS, con alim en ta zio n e singola. C o m m e n ta re il c o n te n u to a rm o n ic o d e llo sp e ttro del segnale p resente al te rm in e del circuito. Che cosa succede sostituendo il condensatore da 22 nF, presente in uscita allo sw itch, con una resistenza da 100 kQ?

87

3. PROVE DI LABORATORIO

1 SCHEDA 33 - Comandi AT per GSM

Si vo g lio n o sperim entare i com andi AT neces­ sari per leggere e inviare SMS m e d ia n te un GSM, utilizzando una p o rta RS 232. Connessioni

Radio interface

C o n n e tte re il te le fo n in o GSM al PC m ediante il cavetto seriale in d o ta zio n e (fig. 3.174).

RS-232 Interfacce per GSM industriale.

Hypert.

L

PC

J

RS 232 | - J GSM

Connessione con un GSM. card holder A udio interface

Se si dispone di un GSM industriale (per esem ­ pio, M C 35Ì Siemens in fig . 3 .17 5 ), si utilizza un cavo DTE - DCE d iritto , con c o n n e tto ri fe m m in a-m a sch io . C o n n e tte re al GSM anche l'a n ten n a a frusta in d o ta zion e e riporre la SIM n e ll'a p po sita tasca estraibile (fig. 3.176). O ltre ai due c o n d u tto ri di a lim e n ta z io n e , il GSM industriale dispone so lita m en te di u lte ­ riori ingressi per ridu rre il consum o d u ra n te i te m p i di in u tilizzo {Power Down) o per a ttiv a ­ re il dispositivo all'accensione ( Ignition). In tal caso, questi ingressi vanno collegati o p p o rtu ­ n am ente a uno dei te rm in a li di alim entazione, in m o d o da p o rre in fu n z io n e il d isp o sitivo (P D JN = GND; IG TJN = + V, fig . 3.177).

Pin assignment

1 + 8» Ì0V 2

free

S 4

P D JN IG T J N

5 s

free GND

Jack W estern a 6 poli per l'alim entazione del GSM MC35Ì (Siemens).

88

3. PROVE DI LABORATORIO

ricezione, inviare at+csqCR. La risposta è un num ero com preso tra 0 (-1 1 3 dBm o m inore) e 31 (-51 dBm o m aggiore). At+cgmiCR restituisce il c o s tru tto re del te rm i­ nale, m entre at+cgmmCR fo rn isce il m odello del te rm ina le . Per a ltri c o m a n d i co n su lta re il m a n u a le del term inale.

Comandi di base

A prire una finestra di com unicazione Hyperterm inal sul PC e a ttiva re l'eco dei caratteri tra ­ smessi, in m odo da vedere ciò che si invia. Tutti i com andi inviati al GSM sono string h e di caratteri ASCII che iniziano con le due lettere " A " e " T " (m aiuscole o m inuscole, abbrevia­ tiv o di ATtention) e te rm in a n o con il carattere di invio (C r = to rn a a capo = ODH). I co m a n d i possibili sono num erosissim i, ma per le fu n z io n i di a u to m a z io n e ne bastano pochi. D ig ita n d o il c o m a n d o A tC R (ta b . 3 .5 3 ), fo r­ m a to dai tre ca ra tte ri "A", " t " e invio, se il GSM è a lim e n ta to , sul video com pare AtAt, con OK su una seconda riga. Q uesto perché, di d e fa u lt, il GSM esegue al suo in te rn o l'eco dei com andi ricevuti e co n ferm a l'esecuzione del co m a n d o con una stringa da sei caratteri C r L f O K C r L f ( L f = salta riga = OAH). C om ando

Lettura dei messaggi A ll'in te rn o di un dispositivo GSM, i messaggi possono essere tra tta ti in fo rm a to PDU a 7 b it o in fo rm a to ASCII. Il secondo è il fo rm a to più c o m o d o per la le ttu ra da PC; per a ttiva rlo occorre inviare il co m ando at+cmgf=1 Cr(con 'f ' da "fo rm a t"). Per v is u a liz z a re t u t t i i m e ssa g g i, in v ia re at+cmgl="ALL"CR(con T da " lis t"). Per le g g ere solo quelli già le tti, u tilizzare la stringa "REC_READ", m entre "RECJJNREAD" restituisce solo i messaggi nuovi, mai aperti. Si s u p p o n g a che in m e m o ria esista un solo m essaggio (n u m e ro 1), già le tto ; la risposta del GSM è c o m p o sta da p iù righe, di cui la prim a per esem pio:

R isp o sta 1 a rig a

2 a rig a

AtCR

A tA t

OK OK

ATEOC r

AtAteeOO

AtciaoCfi

ERROR

A t+ c p in = "2 2 2 2 ” CR

OK

A t+clip=1 C r

OK

ATHOC r

OK

At+CSQCR

+CSQ:21.99

+CMGL: 1 ,"R E C _R E A D ","+ 39 3 4 09 8 7 6 54 3 ", "14/01/05,17:18:58+04" dice che il m essaggio ha il n u m e ro 1; è già stato ap erto; fornisce il nu m e ro del m itte n te (+ 3 9 per l'Italia); l'a n n o (2014); il mese (01); il g io rn o (05); le ore (17); i m in u ti (18); i secondi (58); il m e ridiano (+4 q u a rti d 'o ra rispe tto al m e ridiano zero di G reenw ich). Una seconda riga co n tie n e il te s to in chiaro del m essaggio e una terza riga ch iu d e con la stringa OK. Per cancellare {to delete) un m essaggio d a l­ la m e m o ria del GSM, si ricorre al co m a n d o at+cmgd= se g uito dal num ero del messaggio da e lim in a re e chiuso con il c a ra tte re C R di invio.

Com andi di base.

Per e lim in a re l'e c o d e l G S M , d ig ita r e A T E O C

r

.

D igita n d o un co m ando errato, si o ttie n e com e risposta la stringa ERROR. Tutti i com andi vanno q u in di te rm in a ti con il carattere CRe tu tte le risposte risultan o incap­ sulate tra due co p pie di caratteri C RLF . Inserire il codice pin, se necessario per accede­ re ai servizi della SIM, con il co m a n d o at+cpin se g uito dal codice. Da questo m o m e n to , se esiste una chiam ata per la SIM inserita, sul PC com pare pe rio d ica ­ m e nte la scritta RING. Per a b ilita re la visualizzazione del num ero del chiam ante, d ig ita re at+dip=1CR. Per r ifiu ta r e la c h ia m a ta , il c o m a n d o è A T H O C

r

Invio di un messaggio

Con il co m ando at+cmgs= seguito dal num ero del d e stin ata rio e chiuso con CR (tab. 3.54), è possibile inviare un m essaggio di testo. Il m o ­ dem GSM risponde su una nuova riga con il sim bolo ">" seguito da uno spazio e atten d e il te sto del m essaggio, chiuso con il carattere

.

Se si vu o le conoscere il livello del ca m p o in

89

3. PROVE DI LABORATORIO

Ctrl-Z (1 AH), tipicam ente entro un te m p o mas­ sim o di 180 s (prem ere ESC se si vuole uscire prim a dal com ando).

|® l 4 4 43 4 2 41 4 0 39 35 37 36 □ □ □ □ □ □ □ □ □

□ □ □ □ □

GSM

O peratore at+ cm gs=340987654C R

>

C C C C C

1

r

□ □

valvola 32 a ttiva Ctrl-Z C rL f +CM G S:26C rL f

C

C

3

C

□ □ □ □

C rL f OKC rL f Invio di un messaggio di testo.

C c c c

njojQjQ.n n n n n 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Una volta inviato il messaggio, il GSM risponde con l'e co del c o m a n d o s e g u ito dal n u m e ro progressivo assegnato al m essaggio nella m e­ m oria e te rm ina con l'O K di conferm a.

Pin pads top view (pads n o t visitile from top).

Per realizzare un semplice bridge RS 232 - WiFi, bastano 8 pin (fig. 3.180), con alim entazione, massa e un M A X 3232 che trasla i segnali UART a livello RS 232, da collegare a una vaschetta DB9F per la connessione d iretta con una porta C O M del PC.

1 SCHEDA 34 - Connessione RS 232 - WiFi

Si v u o le s p e rim e n ta re un se m p lice b rid g e RS 232 - W iFi, senza alcun segnale di co n tro llo m o d e m , im p ie g a n d o il m o d u lo RN-131.

330

29

& RN-131

URX

Il m o d u lo R oving N e tw o rk s W iF ly GSX con RN-131 (fig. 3.178) è un dispositivo con p ro ­ to c o llo TCP/IP, p ro g e tta to per accedere a una rete w ireless 802.11 b/g m e diante i due soli pin Tx e Rx di una p o rta UART.Il

UTX

a

20 21

12 13

24 1S 19

Bridge W iFi to RS 232 (UFG Elettronica).

Per una connessione con la porta UART di un m icroprocessore, si possono utilizzare d ire tta m e nte i livelli TTL dei segnali URX (pin 12) e UTX (pin 13), senza l'in te rp o s iz io n e di alcun elevatore RS 232. I param etri di d e fa u lt per la seriale sono: 9 .60 0 baud, 8 b it/c a ra tte re , 1 b it di stop, nessuna parità, nessun c o n tro llo di flusso.

Il m o d u lo è d is p o n ib ile nella versione in d u ­ striale RN-131G per te m p e ra tu re di lavoro da - 3 0 °C a + 8 5 °C e nella versione com m erciale RN-131C per il range 0 + 70 °C; presenta 4 4 pin (fig. 3 .17 9 ), fu n z io n a a 3,3 V, è d o ta to di antenna ceram ica SMD e dispone sia di ingres­ si analogici, sia di in p u t/o u tp u t d ig ita li (stand

Connessione lato seriale

alone).

C ollegare il m o d u lo alla seriale del c o m p u te r

90

3. PROVE DI LABORATORIO

(fig. 3 .1 8 1 ) e a prire una connessione Hyperte rm ina l con la CO M del PC, u tiliz zan d o i pa­ ram etri di d e fa u lt (fig. 3.182).

In queste co n dizio n i, a ffin ch é il PC possa "v e ­ d e re " il m o d u lo , è necessario che la scheda w ireless in d o ta zio n e abbia un indirizzo IP ap­ partenente alla medesim a sottorete, per esem ­ pio 1 6 9 .2 5 4 .1 .2 . Bisogna q u in di disabilitarle DHCP (assegnazione a u to m atica d e ll'in d irizzo IP) e procedere con l'assegnazione m anuale. Da Pannello di controllo Centro connessioni di rete -»Modifica impostazioni scheda, o p e ­ rare con il ta sto destro sulla scheda W ireless N e tw o rk A d a p te r in d o ta zio n e e selezionare Proprietà. D o p p io clic su Protocollo Internet versione 4 (TCP/IPv4; vedi fig . 3 .184) e, nella fin e stra che si apre (fig. 3 .18 5 ), spuntare l'o p ­ zione Utilizza il seguente indirizzo IP e inseri­ re Indirizzo IP = 1 6 9 .2 5 4 .1 .2 , Subnet mask = 2 5 5 .2 5 5 .0 .0

Connessione lato seriale.

S U a -I'

Proprietà - CO M 3 Im postazioni della porta

Bit p e r s e con do :

Bit ci dati:

Parità:

960C

8

Nessuno

Bit d is to p : 11

Bridge R S -232/W iF i. C ontrollo di flusso:

Nessuno

Proprietà - Connessione rete wireless

Ripristina

R ete OK

| |

A n n u la

) [

A pplica

C ondivisione

| *>

Atifims AR 9 2 R5 Wirftlpss Network Adapter

C onfigura..

Parametri RS 232.

La co nn ession e utilizza gli e lem enti seguenti:

Connessione ad hoc lato WiFi

Per sim ulare il b rid g e RS 232 - W iFi, si può utilizzare anche il solo PC (fig. 3.183). C on il pin 2 4 (G PI09) del m o d u lo connesso a 3,3 V, il dispositivo si predispone d ire tta m e n ­ te per una connessione w ireless p u n to -p u n to (d e tta conne ssio ne ad hoc), con p a ra m e tri di d e fa u lt: IP address 1 6 9 .2 5 4 .1 .1 , s u b n e t m ask 2 5 5 .2 5 5 .0 .0 e p ro to c o lo TCP/IP sul p o rt 2 . 000 .

0

P R O F IN E T IC R T -P roto col V 2.0

0

P rotocollo Internet ve rsio ne 3 (T C P /IP v 6 )

0

P roto co llo Internet ve rsio ne 4 (T C P /IP v 4 )

0

D rive r di I/O del m aooina di n d iv id u a z io n e to o o lo a ia liv

□ Proprietà

ICP/IP. Protocollo predetinito perle WAN che permette la comunicazione tra diverse reti interconnesse.

Selezione del Protocollo Internet versione 4.

91

L'avvenuta a p e rtu ra del so cke t TCP/IP viene segnalata dall'accensione fissa del LED di stato e dalle scritte OPEN sulla seriale e HELLO sul lato wireless (fig. 3.188). Per ve rifica re il canale, i c a ra tte ri d ig ita ti su una delle finestre devono com parire su ll'a ltra (e viceversa).

Inserim ento m anuale dell'indirizzo IP della scheda wireless del PC.

L'uscita G P I0 4 (p in 29) del m o d u lo GSX segna­ la lo stato della connessione (tab. 3.55).

GPI04 (pin 29)

LED

Stato della connessione

C om m uta a 10 Hz

Lam peggio veloce

In attesa di connessione

C om m uta a 1 Hz

Lam peggio lento

C onnesso

A lto

Acceso

Canale TCP/IP aperto

Connessioni di rete wireless disponibili.

Segnalazione dello stato della connessione.

A lim e n ta n d o il m o d u lo , il LED di s ta to la m ­ peggia velocem ente e, d o p o qualche secondo, il n o m in a tivo del no do (W ifly-G S X -X X , dove i ca ra tte ri XX c o rris p o n d o n o agli u ltim i due byte del M A C address del dispositivo) appare n e ll'e le n co delle connessioni di rete wireless d isponibili (fig. 3.186). P rem endo Connetti, si realizza la connessione ad hoc tra il PC e il m o d u lo GSX; in risposta il LED di sta to lam peggia lento. A ttiv a re una fin e stra H y p e rte rm in a l con n o ­ m in a tivo a scelta (w ifi) e aprire un canale con p ro to c o llo TCP/IP (W in so ck) verso l'h o s t di in d irizzo 1 6 9 .2 5 4 .1 .1 , sulla p o rta 2 0 0 0 (fig. 3.187).

Apertura del canale di com unicazione wireless.

92

PROVE DI LABORATORIO

• set uart baud 19200 setta il baud rate a 1 9 .2 0 0 baud • save salva la m o difica in m o d o p e rm anen­ te. Per leggere tu tti i param etri d isp o nibili, basta d ig ita re get everything. I com andi possono essere inviati sia dal lato UART, sia da wireless (m eglio dalla seconda se il b it rate non è n o to ). È, co m u n q ue , possibile ripristinare in o gni m o m e n to i valori di fa b b ri­ ca, d ig ita n d o in sequenza i com andi factory RESET e reboot (fig. 3.189).

Segnalazione di canale aperto e scambio di dati. ^

Gestione parametri

A ll'a cce n sio n e il m o d u lo è in m o d a lità di fu n ­ zio n a m e n to "d a ti". Per la lettura e la m odifica dei param etri di co n fig uraz io ne , è necessario passare in m odalità "c o m a n d i" d ig ita n d o tre v o lte il ca ra tte re d o lla ro ($$$). Il m o d u lo ri­ sponde, di conseguenza, con la stringa ASCII C M D , m entre il LED lam peggia veloce. D ig ita n d o EXIT più invio (CR, rito rn o carrello), il m o d u lo risponde con l'eco e rientra in m o ­ dalità dati. Una vo lta in m o d a lità c o m a n d i, i p a ra m e tri possono essere te stati o m o d ific a ti m e diante a p p o siti co m a n d i ASCII seguiti dal ca ra tte re di invio (CR). I com andi possibili sono num erosissim i, ma in fu n z io n a m e n to ad hoc m o lti sono m ascherati e privi di e ffe tto . I più utilizzati sono: GET, per visualizzare i param etri a ttu a li; SET, per m o d i­ fica rli, con e ffe tto pe rm a n e nte solo se salvati nel C o n fig u ra tio n File (com ando SAVE). Per esem pio: • get uart fornisce il baud rate a ttu a le della seriale

Factory RESET.

Hi SCHEDA 35 - Connessione RS 232 - Bluetooth

Si vu o le sp e rim en ta re una sem plice connes­ sione B lu e to o th p u n to -p u n to in SPP (Serial Port Profile), senza alcun segnale di co n tro llo m odem . T9JRN41-I/RM

T9JRN41-I/RM è la versione del m o d u lo Blue­ to o th 2.1 T9JRN41 con firm w a re standard SPP (fig. 3.190).

M odulo B luetooth RN41 (Roving Netw orks).

93

3. PROVE DI LABORATORIO

Il m o d u lo , con ra d io di classe 1 (20 dBm ) e a n te n n a ceram ica SMD, fu n z io n a a 3,3 V e d ispone di ingressi d ig ita li e analogici (stand alone) e di interfacce UART TTL e USB. Nella c o n fig u ra z io n e di fig . 3 .1 9 1 , i segnali UART di com u n ica zio n e sono p o rta ti a livello RS 232 m e diante un M A X 3 2 3 2 e collegati a una vaschetta DB9F per la connessione diretta con una porta C O M del PC. Per la connessione locale con la p o rta UART di un m icroprocessore, si possono u tilizzare d ire tta m e n te i livelli TTL U2RX e U2TX, senza l'in te rp o sizio n e di alcun elevatore RS 232. C on il pin 4 (G PI07) non connesso, la veloci­ tà di d e fa u lt è pari a 115 kbps; per ridurla a 9 .6 0 0 baud, senza passare dalla co n fig u ra z io ­ ne, è su fficie n te polarizzare a lto il pin. Il co rto circu ito presente tra i pin 15 (RTS) e 16 (CTS) bypassa eventuali handshaking presenti nel firm w a re . C on il pin 3 (G PI06) non connesso, il disposi­ tiv o fu n z io n a da slave. Le uscite G PI05 (pin 21) e G PI02 (pin 19) se­ g n a la n o lo sta to rispe ttiva m en te del m o d u lo (tab. 3 .56) e della connessione (tab. 3.57).

GPI05 (pin 21)

LED

Status del modulo

C om m uta a 1 Hz

Lam peggio lento

In attesa di connessione

C om m uta a 10 Hz

Lam peggio veloce

In m odalità com andi

Basso

Spento

C onnesso tra m ite B luetooth

Segnalazione dello status del m odulo.

GPI02 (pin 19)

LED

A lto

Acceso

C onnesso

Basso

Spento

Non connesso

Status della connessione BT

Segnalazione dello stato della connessione BT.

Lettura parametri

Il m od u lo , com e tu tti i sistem i di co m u n ica zio ­ ne, possiede due m o d a lità di fu n z io n a m e n to : " d a ti" o p pu re "c o m a n d i". I param etri di con­ fig u ra z io n e possono essere le tti (e m o d ific ati) solo in m o d a lità "c o m a n d i". C o n n e tte re q u in di il m o d u lo RN sp e nto alla porta C O M del PC e aprire una finestra Hyperte rm ina l di com u n ica zio n e con la p o rta im pe-

3. PROVE DI LABORATORIO

Successivam ente, dare a lim en ta zio n e al m o ­ d u lo (fig. 3 .1 9 3 ) e d ig ita re " $ $ $ " (tre v o lte il carattere dollaro) e n tro 60 secondi (param etro co n fig urab ile).

D ig ita n d o " -------- C R" (tre v o lte il c a ra tte re m eno, se g u ito da invio), il sistem a risponde con "E N D " e rien tra in m odalità dati. Factory reset

Se, per una precedente co n fig u ra z io n e errata o sconosciuta, il d isp o sitivo non co m u n ica s­ se, è possibile rip o rta rlo alla c o n fig u ra z io n e di fa b b ric a m e d ia n te u n 'a p p o s ita sequenza di reset da operare sul pin 22 (G PI04), d o ta to in te rn a m e n te di una resistenza di pulì down. Si tra tta di tenere G P I04 a lto al power up e, successivam ente, di c o m m u ta rlo basso, alto, basso, a lto con un seco n do di pausa tra le transizioni. Bridge RS 232 - Bluetooth

In m o d a lità " d a ti" , il m o d u lo RN pu ò fu n z io ­ nare da bridge bidirezionale tra la porta seriale asincrona UART di un m icroprocessore e la radio BT, creando un canale di com unicazione w ireless con la possibilità di m e tte re in rete fin o a sette dispositivi (fig. 3.195). Per sim ulare il p e riferico slave connesso in BT, si p u ò utilizzare anche il solo PC (fig. 3.196). C on il pin 3 non connesso (G PI06), grazie alla resistenza di pulì down in te rn a che ne tie n e basso il livello logico all'accensione, il disposi­ tiv o RN si predispone a fu n z io n a re da slave. Il PC può q u in di fu n z io n a re da master.

Connessione RS 232.

In : O lii ;

U Micro A 1 R T

KN41 (SPP) [H BT Slave

Parametri del m odulo RN.

Il m o d u lo rispo n d e rà con C M D per indicare che si è e n tra ti in m o d a lità com andi. A qu e ­ sto p u nto , d ig ita n d o il carattere " D " seguito da "C R" (invio), il sistem a fornisce i param etri standard (fig. 3.194), m entre, d ig ita n d o "E" s e g u ito da in vio , si o tte n g o n o i p a ra m e tri avanzati.

In : Out :

u

Micro A n K. T

RN41 (SPP) [ P BT Slave

Acquisizione e controllo m ediante canale Bluetooth.

95

3. PROVE DI LABORATORIO

re a quale p o rta C O M è stato assegnato (per esem pio, Collegamento standard seriale su

Bluetooth (COM5)). A p rire due fin e stre con H yperterm inal: la pri­ ma su C O M 5 (senza p o ssib ilità di m o d ific a dei param etri) per i d ati BT e la seconda per la co m u n ica zio n e in RS 2 3 2, com e già fa tto per la le ttu ra della co n fig u ra z io n e (per esem ­ pio, C O M 3). A p re n d o la C O M su BT, il LED di connessione del d isp o sitivo si accende in m o d o stabile e, c o m p le ta ta anche la secon­ da connessione, i dati d ig ita ti su una finestra co m p a rira nn o su ll'a ltra (e viceversa).

Bridge RS 232 - Bluetooth.

Se il PC non dispone di B lu etooth in te gra to , è necessario procurarsi una q u a lu n q u e penna BT v2 con interfaccia USB (fig. 3.197). Dal pulsante Mostra icone nascoste, presente in basso a destra d e llo scherm o, se leziona­ re Dispositivi Bluetooth -» Mostra dispositivi Bluetooth e, da ll'e le n co , cliccare sul d isp o siti­ vo RN in te rce tta to (per esem pio, RNBT-1C17). Nella fin e stra de lle p ro p rie tà del d ispositivo selezionare la cartella Hardware e in d iv id u a ­

96

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

A C UPS S Y ST E M S

Block description Charger/Rectifier This m o d u le converts A C (U tility/M ains) p o w e r to DC power. This DC th e n charges th è b a ttery and, in th è case o f an o n -lin e UPS, also provides DC p o w e r to th è in p u t o f th è inverter. Battery The b a ttery in any UPS System is th è energy Storage device. It provides DC p o w e r to th è inverter u n de r m ains fail conditions. Inverter This m o d u le converts DC fro m th è b a tte ry to A C , w h ic h supplies th è load. It can be quasi sine w a ve (square w ave o u tp u t) fo r lo w e r cost units like o ff-lin e o r line interactive (lo w end m odels) and sine w ave fo r high end line interactive o r o n -lin e m odels. Static Switch/Auto Bypass This is an in te llig e n t sw itch w h ic h looks at b o th m ains in p u t and inverter o u tp u t, s w itch in g a u to m atica!ly betw een th e m d e p e n d in g on w h ic h source o f p o w e r is available (u tility or inverter). It also provides an overload ro u te if th è in ve rte r in an o n -lin e UPS is asked to provide m ore p o w e r th a n it can deliver. The bypass protects th è load against in verter fa ilu re o r re ctifie r failure. The co n tro l o r p o w e r m o d u le houses th è charger, bypass sw itch and inverter. On sm aller UPS b e lo w 3 kVA th è batteries are also housed w ith in th è same chassis.

Advantages/Disadvantages of Different UPS Topologies Off-line UPS Advantages

Disadvantages

• Very high efficiency • Low cost • Small size

• No line conditioning • Inverter off until needed most •NoAC regulation • Minimal run time • Inverter quasi-sine wave • Very few options available • Software functions are basic 2 10 ms break to/from inverter

97

M èè-

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

A C UPS S Y ST E M S

Line Interactive UPS Advantages

Disadvantages

• High efficiency • Very little line conditioning • Lower cost than on-line • Can be quasi-sine at low powers • Provides AC regulation •Inverter off until needed most 2-r10 ms • Software and control are more comprehen- break to/from inverter sive than off-line • Full function display On-line UPS Advantages • Very good line conditioning •Inverter al wayson • Fail safe technology (bypass) •Full function UPS control • Multiple options cards • Extended autonomy Solutions • Maintenance bypass options • Designed for criticai load support

Disadvantages • Larger physical size • Highercosts • Less efficient than off-line / line interactive

ACCESSORIES UPS options and accessory products • Accessory products fo r UPS te n d to be available o n ly fo r o n -lin e m odels because o f cost im plications. They include: - 1 9 " 1 rack kits providing racking guides or s h e lv e s fo r 1 9 " ca b in e t m o u n ting o f UPS and b a tte ry m odules. • O p tio n cards fo r m o u n tin g w ith in UPS. O p tio n slots include: - V o lt-fre e o r dry co n ta c t cards fo r co n ta ct closure rem ote advice o f mains fail, b a ttery low, bypass o r UPS alarm . - USB cards to replace o ld e r style RS 232 c o n n e ctio n fo r m o d e m W indow s o p e ra tin g systems such as W in d o w s XP. • S N M P /netw ork adapters a llo w UPS units to be accessed via th è n e tw o rk . N e tw o rk m anagers can also ensure th a t UPS units advise th e m o f any p o w e r problem s using SNMP C om m unications p ro tocol. • Extended battery packs/m odules a llo w run tim e o r a u to n o m y to be increased fo r up to 8 hours. Typical extended su p po rt tim es te n d to be one h o u r o r less. • M a in te n an ce bypass units are added to o n -lin e UPS systems to ensure th a t u n de r fa u lt co n d itio n s th è UPS can be ta ke n o u t o f Circuit fo r repair/replacem ent. It is recom m ended th a t all o n -lin e systems have a m aintenance bypass unit. ( tr a tto d a XP - Power Supply Technical Guide)

1 Le m isure s e g u ite da d o p p io apice (" ) si in te n d o n o in po llici (1 p o llice = 2 ,5 4 cm).

98

RETI LOGICHE

(WEB 03

WEB 04

3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13

Elementi logici di base Forme canoniche Semplificazione delle reti logiche Le porte logiche Codici binari Dispositivi MSI Tecnologia degli integrati logici Latch e flip-flop Registri e contatori Circuiti temporizzatori Applicazioni in logica sequenziale PLL Memorie a semiconduttore Logiche programmabili Microprocessori e microcontrollori

m

Esercizi svolti

m

Esercizi da svolgere

rfi

Test M48T08/18/08Y Timekeeper RAM

NEL QUADERNO OPERATIVO DI LABORATORIO r SCHEDA 9 Prove su com ponenti logici

SCHEDA 14 Prove sui tem porizzatori

SCHEDA 10 M isura del rita rdo di propagazione

SCHEDA 15 C ircuiti con tem porizzatori

SCHEDA 11 Prove su MUX e DEMUX

SCHEDA 16 M isure sui PLL

SCHEDA 12 Prove su encoder e decoder

SCHEDA 17 Scrittura di una RAM statica

SCHEDA 13 Prove sui co n tato ri

SCHEDA 18 Da Verilog alla macchina a stati

dal valore che le variabili di ingresso assum ono in q u e ll'is ta n te (fig. 3.2).

EAW Elementi logici di base In e le ttro n ica , è m o lto c o m u n e classificare i si­ stem i che e laborano i segnali, d is tin g u e n d o li tra analogici e d ig ita li. I segnali analogici sono segnali che nel te m p o possono assumere tu tti i valori entro un intervallo prefissato. Esempi di segnali analogici sono i se­ gnali sinusoidali, quelli tria n g o la ri e tu tti i segnali co n tin u i. I segnali digitali, invece, possono assumere solo un n u m e ro fin ito di valori. I più co m u n i sono i segnali binari che assum ono solo due valori, de­ n o m in a ti " a lto " e "b a s s o ". N o n o s ta n te la m a g g io r p a rte de lle g randezze fisiche sia analogica, si assiste a un c o n tin u o au­ m e n to d e ll'im p ie g o di sistem i d ig ita li. Tutti h a n ­ no presente, per esem pio, com e la te cn o lo g ia in ca m p o alta fe de ltà (hi-fi) privilegi l'elaborazione digitale, n onostante l'inco n ve n ie nte della conver­ sione da an alog ico in d ig ita le e viceversa. I circuiti d ig ita li o ffro n o , d ifa tti, m o lti vantaggi: • sono più facili da p ro g e tta re e da realizzare; • possono fa cilm e n te m em orizzare grandi qu an ­ tità di dati; • possono essere p ro g ra m m a ti fa c ilm e n te m e ­ m o rizzando una serie di com andi o istruzioni; • sono m eno so g ge tti a rum ore. Da un p u n to di vista te cn olog ico, la fu n z io n e di e la borazione dig ita le p u ò essere realizzata sia in logica cablata, c o n n e tte n d o tra lo ro in m o d o stabile un insiem e di singole fu n z io n i logiche, sia in logica programmabile, m e diante l'u tiliz z o di un integrato processore istruito da un program m a a p p o sito (fig. 3.1).

A ---------------B ---------------► C ---------------ingressi

Rete com binatoria.

Le v a ria b ili posso no assum ere solo due v a lo ­ ri: fa lso-vero, o ff-o n , basso-alto, no-sì, c h iu so ­ aperto. Lo stato di una variabile, indicata per convenzione con una lettera m aiuscola, viene sin te tica m e n te in d ica to con i valori logici 0 e 1. La rappresentazione del legam e c o m b in a to rio tra ingressi e uscite pu ò essere espressa m e d ia n te una tabella della verità o tabella delle c o m b i­ nazioni (tab. 3.1). U scite

■

C

Yi

y2

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

m 0

0

0 0 0

1

1

1

1

1

0

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

Tabella della verità. Elettronica digitale Cablata

Tale tabella si presenta divisa in due colonne: a sinistra sono rip o rta te tu tte le possibili co m b in a ­ zioni delle variabili di ingresso (A, B, C), m e n tre a destra sono rip o rta ti i co rrisp on d e n ti valori logici assunti dalla variabile di uscita (Y). Con n variabili di ingresso, poiché queste sono binarie, esistono 2 n co m b inazioni possibili. Per evitare duplicazioni è buona norm a com porre le co m b in a zio n i nel m o d o seguente: • la prim a co lo n na a destra va co m p o sta con i valori 0 , 1, 0 , 1 in sequenza; • la seconda colonna con le co p pie 0 , 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1 ... • la terza colonna con g ru p p i da q u a ttro 0 , 0 , 0, 0 , 1, 1, 1, 1, . . . ecc.

Combinatoria Sequenziale

Programmabile

Tecnologie d igitali.

Fissando per il m o m e n to l'a tte n z io n e sulla logica cablata, questa risulta com posta da elem enti logi­ ci di base, ciascuno dei quali im plem enta una fu n ­ zione logica semplice. Le fu n z io n i logiche di base si d istin g u o n o in co m b in a to rie e sequenziali. Si definisce rete combinatoria la rete nella quale le uscite, in un generico istante, d ip e n d o n o solo 100

RETI LOGICHE

Operatori logici di base

L'operatore NOT, d e tto anche inverter, negazione o co m p le m e n to , agisce su una sola variabile e ne rovescia il livello logico; una variabile com plem enta ta viene rappresentata con un tra ttin o sopra la variabile stessa: Y = A , o p p u re Y = /A , si legge "Y uguale A n e g a to " e indica che il valore logico di Y è l'o p p o s to del valore logico di A. La tabella della verità che definisce l'o p e ra zio n e e il sim b o lo logico della p o rta NOT sono rip o rta ti rispe ttiva m en te in ta b. 3.2 e fig. 3.3.

te m p o ra n e a m e n te 1, e 0 , q u a n d o a lm e n o una delle variabili vale 0. A d iffe re nz a della som m a logica dove 1 +1 = 1, in questo caso la m e m oriz­ zazione d e ll'o p eraz io ne è facile, in q u a n to c o in ­ cide con la m o ltiplicazione algebrica. La relazione lo g ica che lega l'u s c ita Y a g li ingressi A e B si esprim e con l'e q u azio ne Y = A - B, o anche Y = A B senza il segno del p ro d o tto . In ta b. 3 .4 e fig . 3.5 sono rip o rta ti rispe ttiva m en ­ te la tabella della verità e il sim bolo logico della p o rta AND a due ingressi.

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Tabeila d e lla v e rità AN D .

L'operazione OR (fig. 3.4), o som m a logica, a gi­ sce su due o più variabili e dà com e risu lta to 1, q u an d o alm eno una delle variabili in ingresso vale 1, e 0, solo q u an d o tu tte le variabili sono 0. L'OR tra due variabili A e B si indica con l'o p e ra to re som m a: Y = A + B. Il sim b o lo " + " non rappresenta l'a d d iz io n e b i­ naria ma l'o p e ra zio n e OR logico; dalla ta b. 3.3 appare chiaro che l'OR coincide con l'o p e ra zio ­ ne addizione solo per le p rim e tre co m b inazioni, m entre, per il caso A = B = 1, il risultato è 1 e non 0 com e per l'algebra binaria.

L'operazione AND, o p ro d o tto logico, agisce su d u e o più v a ria b ili e dà co m e ris u lta to 1, solo q u a n d o tu tte le variabili in ingresso va lg o no con-

S im b o lo AN D .

0

Esercizi svolti n. 1 ,2 , 3

\f£\ Esercizi da svolgere n. 1 ,2 , 3, 4, 5

NOR e NAND

In cam po tecnico, oltre agli operatori di base NOT, OR e AND, è d iffu s o l'im p ie g o degli o p e ra to ri NOR e NAND, co n ten e n ti un negatore sull'uscita, perché più facili da realizzare e q u in d i più e co ­ nom ici. L'operatore NOR (fig. 3.6), la cui fu n z io n e vale Y = A + B, è o tte n u to negando la som m a logica e dà com e risultato 0 q u an d o alm eno uno degli ingressi vale 1 (tab. 3.5).

L'operatore N A N D (fig. 3.7), espresso con la fu n ­ zione Y = M , si o ttie n e negando il p ro d o tto logico e dà risultato 1, quando alm eno uno degli ingressi vale 0 (tab. 3.6).

lazione logica che lega la variabile d ip e n d e n te Y alle variabili in d ip e n d e n ti A , B, C. A n ch e le fu n z io n i sono variabili binarie e, q u in di, possono assumere solo due valori: 1 e 0 . Una fu n z io n e c o m b in a to ria p u ò an che essere espressa m e d ia n te una tabella della verità, speci­ fica n d on e il valore per ognuna delle com binazioni degli ingressi. il passaggio dalla fo rm a algebrica alla tabella della verità è relativam ente sem plice.

A ------B ------

Simbolo NAND.

Se, per esem pio, si vuole com porre la tabella della verità della fu n z io n e Y = A + B C, d o p o aver pre­ d isp o sto le o tto c o m b in a z io n i d e gli ingressi, si calcola, per ogni com binazione, il corrispondente valore di Y. Nel p rim o caso, con A = B = C = 0, la fu n z io n e Y vale 0 + 0 -1 = 0. Nel secondo caso, con A = B = 0 e C = 1, la fu n z io n e Y va le 0 + 0 0 = 0. E così di seguito. Il risultato com plessivo è rip o rta to in tab. 3.8.

Tabella della verità NAND.

EXOR

La fu n z io n e EXOR tra due variabili (fig. 3.8), d e fi­ nita con l'espressione Y = A © B, è descritta in tab. 3.7. L'uscita vale 1 solo se A o p p u re B va lg o n o 1, ma non e n tra m b i co n tem p oran e a m e n te.

Il passaggio inverso, dalla tabella all'espressione logica, è m eno im m e d ia to ma indispensabile in fase di p ro g e tto di reti co m b in a to rie . Data la tabella della verità di una fu n z io n e lo g i­ ca, è possibile ricavarne l'espressione algebrica, m e diante i co sid d e tti te ore m i delle fo rm e cano­ niche. Nella prima forma canonica la fu n z io n e Y vale la som m a logica dei m in im i te rm in i che hanno uscita 1, ovvero delle co m b in a zio n i per le quali, in tabella, la fu n z io n e vale 1. Il mintermine è una fu n z io n e c o s tru ita com e p ro d o tto logico delle variabili di ingresso, prese in fo rm a naturale (A) se in quella co m b in a zio n e il loro valore è 1, o co m p le m e n ta ta (A) se il cor­ rispo n d e nte valore è 0 .

L'o pe ra to re EXOR risulta m o lto u tile laddove si debba effettu a re il c o n fro n to tra due inform azioni logiche.

E 2 B Forme canoniche Una fu n zio n e co m b in a to ria Y = f (A, B, C...), può essere d e fin ita com e una fu n z io n e di variabili b i­ narie, legate tra loro da operazioni logiche. Per esem pio, la fu n z io n e Y = A + B + C, descrive la re­

Esempio Ricavare la fu n z io n e logica descritta dalla tabella della verità 3.9, usando la prim a fo rm a ca n o n i­ ca. 102

RETI LOGICHE

loro equivalenti. Si tra tta solo di scegliere l'espres­ sione più sem plice, quella con il m in o r nu m e ro di te rm in i.

B 0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

E

1

1

1

1

co

0

1

IO

0

0

l< II

0

0

É

0

E

Esercizi svolti n. 4, 5

m2= A • B ■C m3=A • B • C

Esercizi da svolgere n. 6, 7

o

< II

CD CQ

lo

< II

H fH Scheda 9 - Prove su co m p o n e n ti logici

Tabella da sintetizzare con la prim a form a canonica.

Semplificazione delle reti logiche La fu n z io n e fin a le è data dalla som m a dei cinque m in te rm in i

Q B L e porte logiche

Y ^ m i + nrh + rrh + rrw + ms = ABC + AB C + ABC + ABC + ABC

Gli operatori logici visti in precedenza sono spesso utilizzati per abilitare o bloccare il tra n s ito di de­ te rm in a ti segnali logici e perciò sono anche n o ti com e porte logiche (gate). Inoltre, i livelli delle te nsio ni presenti sugli ingressi sono in te rp re ta ti con un certo m argine di tolleranza, per m igliorare la c o m p a tib ilità tra i segnali p ro d o tti dalle diverse porte.

Nella seconda forma canonica, la fu n z io n e Y è il p ro d o tto logico dei m axterm ini con uscita 0, id e n tifica ti nella tabella della verità com e le c o m ­ binazioni per le quali la fu n z io n e vale 0 . Il maxtermine è una fu n z io n e c o stru ita com e som m a logica delle variabili di ingresso, prese in fo rm a n aturale (A) se in quella co m b in a zio n e il loro valore è 0, o co m p le m e n ta ta (A) se il co rri­ sp o nd e n te valore è 1.

Porte logiche utilizzate come gate

O ltre che com e o p erato ri logici elem entari, le por­ te lo g ich e di base sono im pieg a te anche com e vere p o rte di a b ilita zio n e al tra n s ito dei segnali logici. Per esem pio (fig. 3.9), m e d ia n te una por­ ta A N D a due ingressi, è possibile co n tro lla re il passaggio di u n 'o n d a quadra, presente su uno degli ingressi, p ilo ta n d o o p p o rtu n a m e n te l'a ltro ingresso che, in questo contesto, assume il ruolo di ingresso di abilitazione {enable, strobe): se l'in ­ gresso di enable è a livello logico 0, l'uscita della p o rta A N D è bloccata bassa; viceversa, q u a n d o l'ingresso di enable è alto, l'uscita rip o rta l'onda quadra presente s u ll'a ltro ingresso.

Esempio Ricavare la m edesim a fu n z io n e descritta dalla ta ­ bella precedente, u tiliz z a n d o la seconda fo rm a canonica (tab. 3.10). B

C

0

0

0

0

Mi = A + B + C

0

0

1

0

M2 = A + B + C

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

M3 = A + B + C

Tabella da sintetizzare con la seconda forma canonica.

La fu n z io n e Y vale 0 in corrispondenza di tre sole co m b inazioni e, p e rta nto , è data dal p ro d o tto dei tre m axterm ini co rrisp on d e n ti Y = M, M 2 • M 3 = (A + B + C ) • (A + B + C ) ■(A + B + C )

Porta AND utilizzata come gate.

Dagli esem pi rip o rta ti, appare e vid e n te che da una tabella della verità si possono ricavare due diverse espressioni della m edesim a fu n z io n e , tra

In fo rm a sim ile (fig. 3 .10) si pu ò operare con la p o rta OR: se l 'enable è a lto , l'u scita è bloccata 103

a livello logico alto; q u a n d o I’enable è basso, la quadra passa in uscita inalterata.

d iffu si, n o to com e ingresso TTL co m p a tib ile , ga­ rantisce ViLmax= 0,8 V e ViHmin=2 V (fig. 3.1 1). Per i valori in te rm e d i, com presi tra Vnmax e ViHmin, non viene g a ra n tito quale possa essere il livello logico in te rp re ta to dalla porta. Tensione di uscita

Se si suppone di lavorare in logica positiva, asso­ ciando cioè l'1 logico alla presenza di tensione e lo 0 logico alla m ancanza di tensione, l'uscita di una p o rta logica ideale pu ò essere rappresentata com e un g eneratore di te ns io ne ideale di valore uguale alla te nsio ne di alim en ta zio n e della porta (Vcc), q u a n d o l'u s c ita è a livello lo g ico a lto , e co m e un c o rto c irc u ito a massa, se l'u s c ita è al livello logico 0 . Nel caso il carico sia una resistenza co lle g a ta a massa, con l'uscita della porta a livello alto, la por­ ta si c o m p o rta com e una sorgente di corrente ed eroga co rren te al carico (l0= sou rce) (fig. 3 .1 2a). Se, invece, l'uscita della p o rta è al livello basso e il carico è co lle g a to a ll'a lim e n ta zio n e , la porta si c o m p o rta com e pozzo di co rren te (10=sink) e riceve corrente dal carico (fig. 3 .1 2b).

Esercizi svolti n. 6 , 7, 8 Esercizi da svolgere n. 8 , 9, 10, 11, 12

Tensione in ingresso

In tuitiva m e n te parrebbe co rretto assegnare a ll'in ­ gresso di una p o rta logica 0 V per lo 0 logico e la tensione stessa di a lim en ta zio n e (Vcc) per l'1 logico. Se però, co m e livello lo g ic o 1, fosse a c c e tta to solo il va lo re d e lla te n s io n e di a lim e n ta z io n e , basterebbe un piccolo d istu rb o per provocare il m a lfu n zio n a m e n to della porta.

□

+ 5V

ViM

B

1 (ingresso alto)

Vnmfi

Vlhbx

Nella realtà, i valori delle te nsioni, disp o nibili in uscita da una porta logica, d ip e n d o n o dalla cor­ rente richiesta dal carico, com e rip o rta to in fig. 3.13 re lativam ente a una uscita TTL standard.

2

0

Versi delle correnti in uscita da una porta logica con carico.

0,8

(ingresso basso)

Livelli di ingresso TTL com patibili.

A ffin c h é il fu n z io n a m e n to della porta risulti s u ffi­ cie n tem ente im m une ai disturbi, occorre allargare il più possibile i singoli range di tensione che il cir­ c u ito può riconoscere com e livelli logici, sia 1 sia 0. Il range di tensione sicuram ente riconosciuto com e 1, d ifa tti, si estende da Vcc a ViHmin, m entre il range riconosciuto sicuram ente com e 0 risulta com preso tra 0 e ViLmax. U no tra gli standard più

C om e in tu tti i generatori reali, la tensione fo rn ita su livello a lto dim inuisce a ll'a u m e n ta re della cor104

RETI LOGICHE

rente sul carico (fig. 3 .1 3b) e a u m e n ta su livello basso per la m aggiore caduta di tensione interna (fig. 3 .1 3a), perciò i data sheet ne indicano i livelli, VoHmin e VoLmax, per alcuni valori significativi della co rren te di carico. Immunità al rumore

i rum ori in d o tti d a ll'a m b ie n te circostante, sovrap­ ponendosi ai segnali, possono m o d ific a rn e il li­ vello logico e rendere insicuro il circu ito digitale. O ccorre, q u in di, che il m a rg in e di ru m o re (N M , Noise Margin) tra la tensione di uscita e la soglia di ingresso, g a ra n tita per ciascun livello (N M H, N M l), sia il più a m p io possibile. Il livello di im m u ­ n ità al rum ore g a ra n tito (NI, Noise Immunity) vale perciò il più piccolo tra i due m argini. Per e s e m p io , se u n a p o rta TTL la v o ra co n V ol= 0 ,4 V e p ilo ta una TTL c o m p a tib ile succes­ siva, il m a rgine di ru m ore è (Wmax - V ol) = 0 ,8 V - 0 , 4 V = 0 ,4 V (fig. 3.14). V (uscita)

W

Ritardi di propagazione e tem pi di com m utazione.

I te m p i di com m utazione, e quindi anche il ritardo di propagazione, sono in flu e nzati dalla tensione di a lim entazione, dalla capacità di carico e dalla te m p e ra tu ra di lavoro. Esercizi svolti n. 9, 10 Esercizi da svolgere n. 13, 14, 15

V (ingresso)

Vcc

Famiglie logiche

Vcc = 5,0 V ± 5% Uscita alta

C lassificando i circuiti in te g ra ti in base al num ero di p o rte logiche co n te n u te , si hanno: • IC SSI (Small Scale Integration), con m eno di 12 porte; • IC MSI ( Medium Scale Integration), con m eno di 100 porte; • IC LSI (Large Scale Integration), con m eno di 1000 porte; • IC VLSI ( Very Large Scale Integration), con 1000 o più porte. U lte rio ri suddivisioni per i circuiti d ig ita li in te g ra ti sono fa tte in base al tip o di c o m p o n e n te e le ttro ­ nico u tilizzato : si possono avere in te g ra ti b ip o ­ lari, se si u tiliz za n o tra n sisto r BJT (NPN e PNP), e in te g ra ti u n ip o la ri M O S , q u a n d o l'e le m e n to u tiliz z a to è ii tra n s is to r MOS. Tra le fa m ig lie b i­ polari, la più nota è la TTL ( Transistor Transistor Logic), m e n tre tra i M OS è la CM O S ( Compie-

Ingresso alto |NM„

V » = 2,4 V

r"

Vih = 2 V

L ..

V il = 0,8 V

Voi = 0,4 V Uscita bassa

tjm

w

Ingresso basso

Velocità

In una situazione ideale, la p ropagazione del se­ gnale dall'ingresso a ll'u scita sarebbe istantanea m a, in realtà, il segnale di uscita risulta ritardato. C om e pa ra m e tri per la m isura della ve lo cità di una p o rta logica ve n g o n o presi ii rita rd o di p ro ­ pagazione (tP) e il te m p o di co m m u ta z io n e o di tra n sizion e (tT) (fig. 3.15). Il rita rd o di p ro p ag azio n e è d e finito com e il te m ­ po che il segnale logico im piega a propagarsi nel circuito, m isurato tra ii 5 0 % di V, e il 5 0 % di V 0. Il te m p o d i c o m m u ta z io n e è il te m p o che il segnale in uscita im p ie g a a c o m m u ta re da un livello logico all'altro, m isurato tra il 1 0% e il 9 0 % dell'escursione di Vo.

mentary MOS). Si p u ò dire, in generale, che le p orte in tecnologia CMOS presentano m aggiore im m u n ità ai ru m ori e m inore consum o rispe tto alle TTL. Dalle due fa m ig lie base, TTL e CMOS, sono state via via derivate parecchie s o tto fa m ig lie , m ig lio ­ randone ogni volta qualche prestazione. Tra le più note, sono da ricordare la fa m ig lia 74LS (TTL a basso consum o), la 74HC ( CMOS High Speed) con te nsio ne di a lim en ta zio n e da 2 a 6 V e la 74HCT (CM O S TTL co m p a tib ile ).

105

Q ueste p o rte so n o u tiliz z a te la d d o ve o cco rre squadrare segnali lenti, com e nel caso del segna­ le di reset all'accensione, derivato dalla carica di un condensatore, o com e interfaccia di ricezione per squadrare e p u lire i segnali p ro v e n ie n ti da una linea lunga che p o tre bb e avere del rum ore sovrapposto.

Buffer

I b u ffe r sono p o rte logiche con prestazioni m i­ g lio ra te nella co rren te di uscita. Sono im pie g a ti per pilo ta re d ire tta m e n te carichi più im pegnativi ris p e tto alle p o rte logiche tra d iz io n a li, quali v i­ sualizzatori, linee lunghe, ecc. O vviam ente, il b u ffe r assorbe correnti m aggiori, con co n se gu e n te a u m e n to della potenza dissi­ pata. È buona norm a, q u in di, collegare un con­ densatore a ll'a lim e n ta zio n e in prossim ità d e ll'in ­ te g ra to .

Uscite 3-state

Le p o rte con c a ra tte ris tic a 3 -s ta te (o anche three-state) presentano un a p po sito ingresso di c o n tro llo (E, Enable, fig. 3 .18) in g ra d o di disa­ b ilita re il segnale d e stin ato a ll'u scita (tab. 3.11). Q u a nd o è d isa b ilita ta , l'u scita presenta un a lto valore o h m ic o (u n 'a lta im pedenza, Z) sia verso l'a lim e n ta zion e , sia verso massa, co m p o rta n d o si in pratica com e un te rm in a le scollegato rispetto al circu ito in te rn o alla porta stessa.

Ingresso a trigger A lcu n e porte, anziché u n 'u n ica soglia di scatto, p re se n ta n o un ingresso d o ta to di isteresi, con due tensioni di soglia d iffe re n ti a seconda che il segnale in ingresso stia a u m e n ta n d o (VT+) o d i­ m in u e n d o (VT-). La presenza dell'isteresi, d e fin ita com e la distan­ za tra le due soglie di scatto, p e rm e tte all'uscita di non risentire di e ventuali piccole o scillazioni del segnale in ingresso, a tto rn o alla tensione di scatto. Nel caso, per esem pio, del trig g e r invertente, la cui caratteristica V in- V out è m ostrata in fig . 3 .1 6 , le tensioni di soglia, V T+ e V T_, per V Dd = 5 V, sono 2 ,9 V e 2,1 V, con una isteresi VT+- V T-= 0 ,8 V.

E B uffer 3-state. E

A

Y

1

X

Z

0

1

1

0

0

0

Tabella della verità porta 3-state.

L'utilizzo di queste p o rte riguarda s o p ra ttu tto i sistem i a m icroprocessore. f g f Scheda 10 - M isura del rita rd o di pro p ag a ­ zione

LWJlfiLl) Codici binari Trigger invertente, caratteristica I/O.

il

< < >

/ ---------

Il p ro g e tto delle reti c o m b in a to rie a p artire dalle p o rte logiche elem entari è valido per reti re la ti­ v a m e n te se m plici, in q u a n to la d is p o n ib ilità di integrati a media (MSI, Medium Scale Integration) e grande scala di in te gra zio ne (LSI, Large Scale Integration) p e rm e tte di realizzare fu n z io n i c o m ­ plesse a m in o r costo e in m o d o più a ffid ab ile. I dispositivi c o m b in a to ri di m edia scala più u tiliz ­ zati sono i m ultiplexer, i dem ultiplexer, gli encoder e i decoder.

__

-


3- Q

T ci

D FF.

Il D FF (fig. 3.37), d e tto anche opaco o con clock a fro n te , è trasparente solo sul fro n te del clock, ovvero, il tra sfe rim e n to del d a to presente s u ll'in ­ gresso D verso l'uscita Q avviene solo d u ra nte il fro n te attivo del clock (Clk, tab. 3.15), m entre non

RETI LOGICHE

ha alcuna im portanza il valore di D q uando il clock è alto o basso. Nel sim bolo grafico, la sensibilità al fro n te di salita del clock è indicata con un tria n g o ­ lino, nel caso di sensibilità al fro n te di discesa del clock il tria n g o lin o è preceduto da un cerchiolino, com e nel sim bolo del JK di fig . 3.35.

Il fu n z io n a m e n to è rilevabile dalla tabella delle ec­ citazioni (tab. 3.16): se sul fro n te a ttiv o del clock si ha T = 0, l'uscita Q non varia di livello (Qn+1= Q n); viceversa, se T = 1, Q c o m m u ta (Qn+i = CD, da qui il nom e di flip -flo p toggle (T). Esercizi svolti n. 12, 13, 14, 15

Pr

CI

Clk

L

H

X

X

H

L

X

X

L

L

L

X

X

indet.

H

H

I

H

H

H

H

I

L

L

Qn+1 H

^ Tabella delle eccitazioni di un D FF.

Per chiarirne m eglio il fu n z io n a m e n to , in fig . 3.38 sono poste a c o n fro n to le risposte dei due d ispo­ sitivi ai m edesim i segnali di ingresso.

Esercizi da svolgere n. 17, 18, 19

W&MRegistri e contatori C o m b in a n d o o p p o rtu n a m e n te tra loro più flip flo p , in parallelo o in cascata, è possibile o tte n e ­ re dispositivi p a rtico la rm e n te interessanti, quali i registri e i c o n ta to ri, u tiliz za ti in m oltissim e ap­ plicazioni. Registri

Un registro è un dispositivo co stitu ito da un g ru p ­ po di flip -flo p di tip o D, con un unico ingresso co m u n e a tu tti i flip -flo p per il segnale di clock (fig. 3.40).

Flip-flop T

Il flip -flo p T, usatissim o in elettronica, non esiste in com m ercio ma viene co stru ito a partire da un flip flo p JK c o rto circu ita n d o tra loro J e K (fig. 3.39); dispone di un solo ingresso, d e tto T ( toggle) per il particolare c o m p o rta m e n to che evidenzia.

Clk—

_I I_

^ Struttura di un registro attivo sul fronte di discesa. T -------

J

Clk

-Q

> K

5-Q

Flip-flop T.

Clk 0 1

I I

n+1 Q„ Qn

Tabella delle eccitazioni di un flip -flo p T.

Poiché un flip -flo p è in grado di m em orizzare un solo bit, un registro di n flip -flo p m em orizza un d a to di n bit con un solo co lp o di clock. Un registro a ttiv o sul livello di a b ilita zio n e E (fig. 3.41 a) è d e tto statico, tra sparente o latch, ed è co m p o sto da D Latch; un registro a ttivo sul fro n te del clock (fig. 3.41 b) è d e tto , invece, dinam ico, opaco o edge triggered, ed è co m p o sto da D FF. In e n tra m b i i casi, l'uscita è spesso di tip o 3-state, e co n tro lla ta , perciò, m e d iante un pin di o u tp u t enable (OE).

B -

_ n _ n_n_

0

□

1

2

3

0

1

2

J

L_ K

1— K

count _n_nn_njtjuitl

Ponendo i flip -flo p in cascata tra loro, si o tte n g o ­ no gli s h ift register, o w e ro registri a scorrim en­ to , utilizzati per caricare i dati in fo rm a seriale o parallela, per renderli poi d is p o n ib ili ris p e ttiv a ­ m e n te in parallelo o in serie. Nel p rim o caso si parla di registri SI PO {serial input- parallel output, fig . 3.Ala), m entre, nel secondo, di registri PISO {parallel input - serial output, fig . 3.42b).

Q

-e>

Count

□

J

3

Q -,

q»

0

C ontatore asincrono.

A o g n i fro n te di discesa del segnale di c o n te g ­ gio {Count), il p rim o flip -flo p c o m m u ta la propria uscita (Qo) e a o g n i fro n te n e g a tiv o di questa co m m u ta l'uscita del flip -flo p successivo (Q i). O sservando i livelli logici assunti dalle uscite (fig. 3 .4 3 b ), si p u ò n o ta re che q u esti d e scrivon o in codice b in a rio il n u m e ro degli im pulsi ricevuti in ingresso. Al so p ra g giun g e re del q u a rto im pulso, le uscite dei flip -flo p to rn a n o al valore iniziale (Qo = 0, Q ì = 0) e la sequenza si ripete per gli im ­ pulsi successivi. Si definisce m o d u lo di un c o n ta to re il nu m e ro di stati d istin ti assunti dalle uscite del co n ta to re stesso. N e ll'e se m p io p re cedente, di fig . 3 .43a, i due flip -flo p a ssu m o n o q u a ttro sta ti d is tin ti (4 = 2 2), perciò il m o d u lo del c o n ta to re vale q u a t­ tro , m entre il num ero m assim o rappresentabile è tre (3 = 2 n—1 ). Per au m e n ta re la capacità di c o n ­ te g g io di un co n tato re , basta porre a ltri flip -flo p in cascata; o g n i flip -flo p a g g iu n to ra d d op p ia la capacità di co n teg g io . Nei d ia g ra m m i di fig . 3 .43b, si è rappresentato (tracciato vo lu ta m e n te ) un segnale di c o n te g g io pe rio d ico , in m o d o che, c o n fro n ta n d o tra loro le evoluzioni che si o tte n g o n o sulle uscite, ricavate co n siderando a 0 e n tra m b i i loro valori iniziali, si evidenzia fa cilm e n te che l'uscita Q 0 possiede una frequenza che vale la m età rispe tto al segnale di ingresso Count, e per l'uscita Qi la frequenza si riduce a un q u arto. Ciascun flip -flo p divide, q u in di, per 2 la fre q u e n ­ za del segnale presente al suo ingresso. A u m e n ­ ta n d o il num ero di flip -flo p si o ttie n e q u in di un segnale con frequenza sem pre più bassa; con n flip -flo p si p u ò dividere la frequenza del segnale in ingresso per 2 n. Un c o n ta to re può, di conseguenza, essere u tiliz ­ za to anche com e divisore di frequenza.

□

S hift register SIPO (a) e PISO (b).

Tutti i sistem i di te le co m a n do u tiliz zan o un regi­ stro PISO in trasm issione per l'in v io in linea del co d ice (sul cavo, via radio, in infrarosso, ecc.), m e n tre in ricezione il ricevitore dovrà com piere l'o p e ra zio n e o p po sta (SIPO). Esercizio svolto n. 16 Esercizio da svolgere n. 20 Contatori

I c irc u iti c o n ta to ri ( counter) so n o e le m e n ti se­ quenziali co stituiti da FF, JK oppure D, collegati tra loro in m odo tale che, a o gni im pulso a p plica to in ingresso, le uscite evolvono secondo la sequenza di un c o n te g g io binario. Si co n sid e rin o d u e flip -flo p JK a ttiv i sul fro n te di discesa, con e n tra m b i gli ingressi a livello 1 e con l'uscita del p rim o co llegata con il clock del secondo (fig. 3.43a).

114

RETI LOGICHE

Contatori BCD

• un dispositivo rilevatore d e ll'e ve n to , c o s titu ito da un sensore o n -o ff (fo to c e llu la , sensore di prossimità, finecorsa), co m p le to di antirim balzo e a d a tta m e n to del livello logico del segnale; • la catena di c o n te g g io , decodifica e visualizza­ zione; • un e v e n tu a le c irc u ito che riconosca un par­ tico la re sta to del sistem a e a ttivi l'in te rv e n to desiderato.

Pur essendo la m a g g io r parte dei c o n ta to ri binari, cioè con m o d u lo pari a una potenza di 2 , ce ne sono alcuni con m o d u lo dieci, d e fin iti BCD (Binary Counter Decimai), in q u a n to le uscite assum ono i dieci codici (0 0 0 0 , 0001 ... 1 0 0 1 ) co rrisp on d e n ti alle dieci cifre decim ali (0 ... 9), per poi to rn a re a 0. I co n ta to ri BCD sono utilizzati laddove risulta im ­ p o rta nte il dialogo con l'o p e ra tore esterno, com e, per ese m p io , nel caso di c o n ta to ri per visori a display in stru m e n ti di m isura. In tu tti gli a ltri casi sono im pieg a ti i binari.

Evento Visualizzatore

Contatori presettabili

I c o n ta to ri co m u n i h a n n o g e n e ra lm e n te tre o q u a ttro ingressi di co m a n d o: C lock (ingresso di c o n te g g io ). Reset (azzera il c o n te g g io , s o p ra t­ tu tto all'accensione), Enable (a b ilita o blocca il co n te g g io ), U p /D o w n . Schema di principio di un contaeventi. Up/Down

D

C

B

A

Divisori di frequenza

I I I I

Reset

Dividere la fre q u en za di un segnale è senza d u b ­ bio l'a p p lica zio n e più diffusa, d o p o il co n te g g io . C on i c o n ta to ri b in a ri la fre q u e n za di ingresso risulta divisa per una potenza di due, m entre con c o n ta to ri m o d u lo dieci (BCD) si divide per una p o te n za di 10. Per esem pio, con due c o n ta to ri BCD in cascata è possibile dividere la frequenza di un segnale per 1 0 0 .

Carry

Preset enable ■ Clock ■

Borrow

TTTT Qo Oc

Q

b

Qa

C ontatore presettabile.

Esistono poi co n ta to ri p ro g e tta ti per p o te r essere pre se ttati (fig . 3 .44 ), nei quali cioè, è possibile caricare il d a to di partenza dal quale iniziare il c o n te g g io (per le applicazioni che richied o n o un c o n te g g io a ll'in d ie tro , in d o w n ).

Cronometro

S otto questo nom e si in te n d o n o ra g gruppati tu tti quei c irc u iti c o s tru iti per la m isura del te m p o : c ro n o m e tri, o ro lo g i d ig ita li, te m p o riz z a to ri. Nel caso del cro n o m e tro vero e p ro p rio , si tra tta di contare e visualizzare ore, m in u ti, secondi e deci­ mi, a seconda dell'applicazione, con l'a g g iu n ta di alcuni c o n tro lli dedicati, quali start, stop, te m p o in te rm e d io , gestione eventuale di allarm i o della suoneria. La sezione più c ritica di questi c irc u iti è la c o ­ stru zio n e del segnale di rife rim e n to , la cosiddet­ ta b a s e te m p i, con c a ra tte ristic h e g a ra n tite di precisione e stabilità. Nelle apparecchiature con a lim en ta zio n e da rete, la base te m p i pu ò essere o tte n u ta dalla tensione di rete a 50 Hz m e d ia n ­ te circuiti a d a tta to ri. Negli stru m e n ti p o rta tili, o la d d ove è richiesta una riso lu z io n e m ig lio re , si ricorre a un oscillatore al quarzo.

Esercizio svolto n. 17 Esercizi da svolgere n. 21, 22, 23, 24

Applicazioni dei contatori Contaeventi A ll'in te rn o di un sistem a di co n tro llo , un dispo­ sitivo c o n ta e ve n ti co n ta e visualizza il n u m e ro di vo lte che si ve rifica un e ve nto ; per esem pio l'a ttiva zio n e di un finecorsa. Gli e le m e n ti fo n d a m e n ta li sono:

115

Frequenzimetro

+

È un circu ito che m isura e visualizza la frequenza di un segnale periodico. Lo schem a a blocchi di p rincipio, illu s tra to in fig . 3 .46 , co n tie n e un c o n ta to re con decodifica e vi­ sualizzazione e una p o rta AND in ingresso.

___ I___ , Astabile -T L T L T L

Q

AT D is p o s itivo astabile.

Visualizzatore

I m o n o s ta b ili, invece, possiedono un o sta to sta­ bile di riposo e un ingresso di avvio (fig . 3.48), d e tto a p p u n to trigger (g rille tto ), che fa c o m m u ­ ta re l'uscita sullo stato instabile, per poi to rn a re nello s ta to di s ta b ilità d o p o un c e rto in te rva llo di te m p o .

| Base tempi I 1s

+

:

_L

Schem a a b locch i di un fre q u e n z im e tro .

j

Monostabile 1 — Trigger

Gli im pulsi, appartenenti al segnale con frequenza da misurare (fx), sono applicati a uno degii ingressi della porta, m entre s u ll'a ltro ingresso è a pplicato un segnale cam p io n e di a p ertura, d e tto ancora base te m p i, per esem pio di durata un secondo, che stabilisce l'in te rv a llo di c o n te g g io degli im ­ pulsi. La precisione di tu tto il sistem a d ip e n d e dalla precisione della base te m p i, che q u in d i va derivata m e d ia n te quarzo e divisori.

t

i

L

Q

I D is p o s itivo m o n o sta b ile .

Esercizi svolti n. 18, 19, 20

□

Esercizi da svolgere n. 25, 26, 27 Scheda 13 - Prove sui c o n ta to ri

.

Trigger _ T L

Q (non retr.) Q (retr.)*lo

n.

J"L

-I -r

C o n fro n to tra le rispo ste di un m o n o sta b ile non re trig g e ra b ile e re trig g e ra b ile .

EH® Circuiti temporizzatori

B

Sono d e tti circ u iti te m p o riz z a to ri tu tti quei cir­ cu iti che p ro d u co n o segnali logici di durata o di fre q u en za d e fin ita . Q uesti si possono distinguere in due fa m ig lie : gli astabili e i m onostabili. Gli a s ta b ili, com e dice il nom e, sono privi di stati logici stabili e, una volta a lim e n ta ti, p ro d uc on o u n 'uscita che co m m u ta a intervalli regolari tra i due livelli, a lto e basso. I dispositivi astabili (fig. 3 .47) sono privi di q u a ­ lu n q u e ingresso di a ttivazione. I p a ra m e tri fo n ­ da m e n ta li di un dispositivo astabile sono q u in di due: la frequenza del segnale in uscita e la sua precisione.

I p a ra m e tri fo n d a m e n ta li di un dispositivo m o ­ nostabile sono q u in d i tre: la p o la rità del fro n te di trigger, la durata d e ll'im p u lso in uscita (T) e la sua precisione. A loro volta, i dispositivi m o n o sta bili possono es­ sere re trigg e ra b ili e non re triggerabili. I m o n o sta bili re trig g e ra b ili possiedono l'ingres­ so di trig g e r sensibile anche d u ra n te lo sta to in ­ stabile del dispositivo; un eventuale trig g e r che so p ra g g iu n g e d u ra n te lo sta to instabile rigenera lo sta to stesso. Un esem pio tip ic o è l'a zio n a m e n ­ to delle luci delle scale nei c o n d o m in i, che può essere ria rm a to a o gni piano, prim a che queste si spengano.

116

RETI LOGICHE

I m o n o sta b ili n o n re trig g e ra b ili, invece, non a vvertono eventuali im pulsi di trig g e r d u ra n te lo stato instabile, perciò la durata del loro im pulso di uscita è fissa. L'ingresso di trig g e r ritorna sensibile una volta rip ristin a to lo sta to stabile. In fig . 3.49 è rappresentato un m o n o sta bile con trig g e r a ttivo sul fro n te di salita (a), con le fo rm e d 'o n d a di uscita nei due casi (b). Per la realizzazione di un te m p o rizza to re ci sono diverse soluzioni tecniche, legate alla precisione: • con rete RC e p o rte logiche si realizzano te m ­ porizzatori e co no m ici, con te m p o breve e pre­ cisione scarsa (5 0 % ); • con integrati dedicati, TTL e CM OS, si possono o tte n e re precisioni e n tro il 5 % ; • con il q u arzo si garantisce sia una m a g g io re sta b ilità , sia una m ig lio re precisione (pari ad alcune parti per m ilione, ppm ), indispensabi­ li per applicazioni quali o ro lo g i, cro n o m e tri e te le co m a n di. Un u lte rio re c rite rio di c a ta lo g a z io n e dei te m ­ p o riz z a to ri, o ltre alla precisione, pu ò essere la durata: • per te m p i m o lto bassi, d e ll'o rd in e dei nanose­ condi, si u tilizzano te m p o riz z a to ri in te g ra ti; • per te m p i m o lto lu n g hi si u tilizzan o quarzo e co n te g g io ; • per soluzioni in te rm e d ie , la scelta è vincolata dalla precisione richiesta dall'applicazione.

T a gliando il c ris ta llo di roccia di silice secondo p a rtico la ri inclinazioni rispe tto ai suoi assi cristal­ lo g ra fici, si o tte n g o n o delle fra zio n i p ie zo e le ttri­ che che ve n g o n o poi saldate a due e le ttro d i e q u in di inserite in un co n te n ito re e rm eticam e nte sigillato e riem p ito con gas inerte per aum entarne la sta b ilità (fig. 3.51).

È u tiliz z a to quasi esclusivam ente dove è im p o r­ ta n te g a ra n tire con assoluta precisione la te m p o rizza zio n e : o ro lo g i, tim er, apparecchi per la co m unicazione, com puter, ecc. I principali param etri di un quarzo sono: • la frequenza no m in a le di risonanza (per esem ­ pio, 1 4 ,3 1 8 1 8 MHz); • la tolleranza in frequenza rispetto alla n o m in a ­ le, espressa in parti per m ilio n e (per esem pio, ± 20 ppm ); • la sua stabilità in te m p e ra tu ra (deriva della fre ­ quenza) espressa ancora in parti per m ilione (per esem pio, ± 50 ppm ); • il tip o di c o n te n ito re (plastico, m e tallico, per m o n ta g g io superficiale, ecc.).

Oscillatore al quarzo

II q u a rz o è un cristallo piezoelettrico, cioè se sot­ to p o s to a d e fo rm a zio n e m eccanica genera una tensione. Viceversa, l'a p p lica zio n e di una tensio­ ne d e te rm in a una d e fo rm a zio n e del cristallo; se viene rimossa la tensione, la defo rm a zio n e scom ­ pare, d o p o un p e rio d o tra n s ito rio ca ra tte rizza to da oscillazioni sm orzate la cui frequenza dip e nd e dalle caratteristiche fisiche del cristallo. Per realizzare un oscillatore basta una sola NOT CM OS, com e in d ica to in fig . 3.50.

Nell'uso pratico occorre fare m olta attenzione agli shock, sia m eccanici, sia te rm ici, perché posso­ no d a nn eggiare p e rm a n e n te m e n te il quarzo, o q u a n to m e n o p e g g io ra re lo s c o s ta m e n to della frequenza di oscillazione dai dati nom inali.

10 k£2

Esercizi svolti n. 21, 22 Esercizi da svolgere n. 28, 29 Oscillatore al quarzo.

H P Scheda 14 - Prove sui te m p o rizza to ri

117

E E B Applicazioni inlogica sequenziale Le a p p lic a z io n i g e s tite c o m b in a n d o tra lo ro i co m p o n e n ti logici sono num erosissim e. A n a liz ­ za rne a lcu n e sem plici e o rig in a li pu ò a iu ta re a com p re n d e re le p o te n zia lità o ffe rte dalla logica sequenziale. Generatore di funzioni digitali periodiche

M e d ia n te l'u s o c o m b in a to di un a sta b ile , un counter e un m u ltip le x e r, si pu ò realizzare un sem plice g eneratore di fu n z io n i. Un astabile, di periodo pari alla durata d e ll'im p u l­ so u n ita rio da generare, increm enta liberam ente un co n ta to re , le cui uscite fu n z io n a n o da selet­ to ri per un m ultiplexer. Il m o d u lo del co n ta to re deve essere pari al num ero di im pulsi unitari della fo rm a d 'o n d a d ig ita le da generare, così com e il n u m e ro di ingressi del m ultiplexer. Tali ingressi sono poi polarizzati nel rispe tto della sequenza desiderata. In fig . 3.52, un astabile di frequenza 1 M H z, un c o n ta to re b in a rio a tre b it (m o d u lo o tto ) e un m u ltip le xe r a o tto ingressi, generano un segnale d ig ita le di p e rio d o 8 ps. 2

+ +

fìO P f

CK

^ Counter Qu -T LT L > Q. Qj

lo

___

+

1 IT I H li b b I4 ls

B

Clock j j — j— j— Start

__

1

L _ l_ J

L_|_J

1

n ; 2" doc

Out

i

Z'cloc*

M onostabile ritardato.

Cattura di segnali brevi

Il circu ito in fig . 3 .5 4 è u tile per rilevare fro n ti di segnali asincroni che h a nno una durata m inore di un p e rio d o di clock.

+ +5 V

1

• Out

l« Ir

Q

MUX 8/1

D

Q

A EV

’ CLR

>

>

Clk Out

0 1 1 0

0 10

-TLTLTL

1

T = 8ps

C attura di segnali brevi.

Generatore di funzioni d ig ita li periodiche.

L'evento asincrono EV, qualun q u e sia la sua dura­ ta, trig g e ra su fro n te di salita un flip -flo p con l'in ­ gresso D, te n u to a lto in m odo stabile. L'uscita O ut va im m e d ia ta m e n te alta e si resetta solo d o p o due fro n ti a ttivi di clock. C onsiderata l'incertezza d e ll'e v e n to EV, la durata di O u t pu ò variare tra un o e due periodi di clock.

Monostabile quarzato ritardato

Si osservi lo schema di fig . 3.53. Un astabile q u a rza to insiste su un c o n ta to re di m o d u lo 2 k+1, te n u to b lo cca to d a ll'u s c ita bassa del flip -flo p n. 1; al so p ra g g iu n g e re del fro n te di salita del segnale di Start, il c o n ta to re è libero di increm entarsi e d o p o 2 n im pulsi, m e d ia n te il fro n te presente sull'uscita 2 n, a ttiva l'uscita O ut del flip -flo p n. 2. P roseguendo nel c o n te g g io , d o p o 2 k im pulsi, il livello a lto presente sull'uscita 2 k azzera tu tti i co m p o n e n ti e, con essi, anche l'uscita O ut.

Esercizio svolto n. 23 Esercizi da svolgere n. 30, 31 U ffl Scheda 15 - C ircu iti con te m p o rizza to ri

118

RETI LOGICHE

E X E I pll

(cp) tra i due varia sinusoidalm ente nel te m p o con frequenza pari alla d ifferenza tra le due rispettive frequenze.

Il PLL (Phase LockedLoop) è un circuito oscillatore, co sta n te m e n te re g o la to in m o d o da agganciare e in se g uire in fre q u e n za il segnale presente al suo ingresso. Si tra tta di un sistem a re tro a z io n a to (fig . 3 .5 5 ) c o m p o s to da un o s c illa to re c o n tro lla to in te n ­ sione (VCO, Voltage Controlled Oscillator) e un rivelatore di fase con filtro passa basso e perciò d e tto "m a g lia ad aggancio di fa se ".

V ettori rotanti con velocità differente. 10

Una vo lta che f0 ha a g ga n cia to la frequenza f s, è 10 sfasam ento stesso tra i due segnali a m a n te ­ nere vivo l'a g g an cio, d ifa tti sen ( cùo • t) ■sen (co0 • t + (p) =

y

COS(2

CÙo

t+ (p)-y

c o s (-c p )

S truttura di un PLL.

e d o p o il filtro passa la sola c o m p o n e n te c o n ti­ nua cos (cp), che fo rn isce la necessaria tensione di agga n cio al VCO. Una volta a g ganciato, il PLL è in g ra d o di seguire, e n tro un ce rto range, le variazioni di frequenza del segnale in ingresso.

Il VCO è del tip o a frequenza libera, cioè produce un'oscillazione di frequenza f k anche per tensione di co m ando nulla. A p p lica n d o poi al suo ingresso una tensione di co m a n d o bipolare la frequenza del segnale ge ne ra to varia in m o d o lineare a ll'in ­ te rn o di una banda f k ± A f (fig. 3.56).

Moltiplicatore di frequenza Va d e tto che un PLL è in g ra d o di ag ga n cia re anche segnali periodici non sinusoidali (sebbene le a rm oniche dispari diano qualche problem a di ru m ore perché il loro p ro d o tto con la sinusoide di ag ga n cio presenta valori m edi diversi da zero). Un u tiliz zo m o lto d iffu s o dei PLL nei circu iti lo ­ gici p ro g ra m m a b ili e nei m ic ro co n tro llo ri riguar­ da a p p u n to la possibilità di o tte n e re fre q u en ze elevate di la vo ro in te rn e al silicio, im p ie g a n d o quarzi esterni di fre q u e n za lim ita ta , rid u ce n d o in tal m o d o anche il fa s tid io s o p ro b le m a delle em issioni di alta frequenza. 11 dispositivo da integrare è un m o ltip lic a to re di fre q u e n z a , o tte n u to p o n e n d o un d ivisore (un co n tato re ) sul segnale di retroazione (fig. 3.58).

le ♦V fk - A f i

/" fk

fk + Af

-V

Risposta di un VCO a frequenza libera.

Il rivelatore di fase PD (Phase Detector) si c o m ­ p o rta com e un m o ltip lic a to re e so stitu e nd o cos • t con a e eoo t con |3 si ha sen a • sen (3 = y • cos ( a - ( 3 ) - y • cos ( a + (3)

Il rilevatore fornisce quindi al filtro due frequenze, di cui la m in o re (fs - fo), se è s u ffic ie n te m e n te bassa, passa attraverso il filtro e m uove a sinistra e a destra l'o scilla to re del VCO fin o a produrre una fre q u en za di a g ga n cio fo=fs, pari a quella di ingresso. Rappresentando, d ifa tti, i due segnali con i due ve tto ri ro ta n ti a velocità diversa (fig. 3.57), fin ta n ­ to che l'a g g a n cio non è avvenuto, lo sfasam ento

4 -------------------- -

co. PLL COf

-------------------

(tìo

:N Divisore

M o ltip lica to re con PLL.

119

UNITA DIDATTICA 3

S tante la presenza del divisore, per agganciare ii segnale di ingresso, il VCO è co s tre tto a salire in fre q u en za di un fa tto re pari al m o d u lo del divi­ sore stesso. V o le nd o una frequenza nel ra p p o rto N /M , basta porre, o ltre al divisore per N in retroazione, un divisore per M sul segnale di ingresso. Esercizio svolto n. 24 Esercizi da svolgere n. 32, 33 Scheda 16 - M isure sui PLL

SerDes

I dispositivi serializzatori/deserializzatori (SerDes) sono u tilizza ti per inviare a distanza un g ru p p o di segnali d ig ita li (TTL/CMOS) in fo rm a seriale, utilizzando un lim ita to num ero di d o pp in i. Il clock viene elevato in frequenza, tra m ite PLL, per seria­ lizzare i segnali, e inviato su un d o p p in o riservato (fig. 3.59). Al te rm in e della linea, i segnali ven­ g o n o ricom posti e re stitu iti in parallelo assieme al clock.

Data (LVDS)

(140 to 462 Mbit/s on each LVDS channel)

La co d ifica dei singoli b it è c o m p a tib ile con l'a c ­ c o p p ia m e n to AC, perché non contiene una c o m ­ p o ne n te co n tin ua . ! livelli sono nello standard LVDS (Low-Voltage DifferentialSignaling, fig . 3.62), differenziali a bassa tensione (per lim itare i disturbi), con il driver a 3,5 m A che chiude sulla resistenza di te rm inazione da 100 Q (e ve n tua lm e nte già in te rn a al ricevitore), g a ra nte n d o un output swing ± 350 m V a ll'ingres­ so del ricevitore. La soglia di scatto ( threshold) del ricevitore è g a ra ntita £ 100 m V su una tensione di common mode da 0 V fin o a 2 ,4 V.

Clock (LVDS) (20 to 66 MHz)

^

Serializzatore DS90CR285 (Texas Instrum ents).

Le soluzioni sono varie, con prestazioni d iffe re nti, anche bidirezionali e con il clock m iscelato con i dati (with embedded clock, fig . 3.60). Un u tilizzo specifico riguarda l'in vio a distanza di segnali video RGB d ig ita li, a 18 o 2 4 bit, destinati per esem pio a un LCD. Nel caso dei 2 4 b it (16 M colori), questi c o n te n g o n o 8 b it per colore (Red, Green, Blue) acco m p a g na ti da un clock di pixel, un data enable (DE) e i segnali di sin cron ism o o rizzo n ta le (H) e verticale (V), per un to ta le di 28 segnali (fig. 3.61).

;zxzxz S egnali LVDS.

120

Output Swing

RETI LOGICHE

U tilizza n do la tecnica TM DS ( Transition Minimized Differential Signaling) è possibile realizzare un lin k DVI (Digital Video Interface) im pieg a n d o solo i q u a ttro d o p p in i differenziali di un norm ale cavo di categoria 5e, u tiliz zato nelle reti E thernet a 100 M b it/s (fig. 3.63).

Le parole m em orizzate sono accessibili dall'ester­ no im p o sta n d o l'in d irizzo di selezione co rrisp on ­ dente, e solo d o p o un certo tem po, d e tto te m p o di accesso La c a p a c ità di una m e m o ria in d ica il n u m e ro com plessivo dei b it c o n te n u ti nel dispositivo ed è espressa con num eri in potenza di 2. A ltre volte, considerato che la lunghezza di parola più co m u ­ ne è di 8 bit, la capacità di m em oria è m isurata in byte o m eglio ancora in m igliaia (k) o in m ilioni (M ) di byte. Si parla allora di m em orie da: • 1 kbyte, per indicare una m em oria con capacità di 1 .02 4 byte; • 6 4 kbyte, per indicare una m e m oria con capa­ cità di 6 5 .5 3 6 byte; • 1 M b yte , per indicare una m em oria con capa­ cità di 1.024 kbyte, ovvero 1 .0 4 8 .5 7 6 byte. In base alla m odalità di accesso ai dati, si possono avere m em orie ad accesso seriale o ad accesso casuale. Le p rim e si c o m p o rta n o essenzialm ente com e i registri a sco rrim e n to ; o gni cella di m em oria ha una certa posizione seriale e per leggerla occorre scorrere tu tte le celle che la p re ce d on o , com e per i brani m usicali re g istra ti su un nastro m a­ gnetico. Nelle m em orie ad accesso casuale, invece, o g n i cella pu ò essere letta d ire tta m e n te , in d ip e n d e n ­ te m e n te dalla cella letta in precedenza. U n 'u lte rio re classificazione d istingue tra m em orie vo la tili e non v o la tili, dove nelle prim e i d ati m e­ m orizzati vengono persi quando si to g lie l'a lim e n ­ tazione, m entre nelle seconde i d ati m em orizzati sono m a n te n u ti anche in assenza di a lim e n ta z io ­ ne, anche q ualora il dispositivo venisse rim osso dal suo su p po rto . A lla prim a categoria a p pa rte n g on o , per esempio, le m em orie RAM (Random Access Memory), m en­ tre alla seconda le a ltre tta n to n o te ROM ( Read Only Memory), le m em orie Flash e le E2PROM.

DVI channei link.

C onsiderato l'a lto b it rate sul cavo, l'attenuazione e la d istorsione dei segnali sono n o tevoli, perciò per estendere la lunghezza del collegam ento oltre qualche m etro, e fin o a qualche decina di m etri, si u tilizzan o appositi in te gra ti e q ualizzatori di linea (vedi DS15EA101, Texas Instrum ents, per LVDS). Esercizio svolto n. 25 Esercizi da svolgere n. 34, 35

EAJlV Memorie a semiconduttore Le m e m orie sono dispositivi in g ra d o di im m a ­ gazzinare e conservare d ati d ig ita li. I dati sono conservati in parole di lunghezza fissa, che può variare da un bit, a o tto (byte), a sedici (word) e fin o a 64 bit ( guad word). Le parole sono o rd in a te com e in uno schedario, e contrassegnate o g nu n a univo ca m e n te dal p ro­ p rio num ero d 'o rd in e , d e tto in d irizzo . L'indiriz­ zo è l'u n ic o e le m e n to che id e n tifica una parola, in d ip e n d e n te m e n te dal c o n te n u to della parola stessa. Un m edesim o d a to b in a rio , d ifa tti, può ra p p re se n ta re in fin ite in fo rm a z io n i: is tru z io n i, dati, fu n z io n i, colori, ecc. È l'o p e ra to re che deve conoscere in precedenza il tip o di in fo rm a zion e che andrà a leggere a quel particolare indirizzo.

Schema a blocchi di una memoria a semiconduttore

Si è già accennato al paragone con un o scheda­ rio, nel quale o g n i cella (scheda) co n tie n e una parola binaria ed è caratterizzata da un indirizzo ben preciso (targhetta di riconoscim ento). Questo m o d e llo visivo può essere fa cilm e n te recuperato dallo schema a blocchi fu nzionale di una m em oria g e nerica a s e m ic o n d u tto re , di capacità 2 k - 8 , rip o rta to in fig . 3.64. 121

UNITA DIDATTICA 3

d io d o a ll'in c ro c io rig a /co lo n n a , m e n tre restano a livello basso le c o lo n n e che ne sono prive. I b it di in d iriz z o A 2 e A 3 sele zio n a no una sola delle q u a ttro colonne. Per o g n i co n fig u ra z io n e A 0 ... A 3 degli indirizzi, un solo b it è disponibile in uscita al b u ffe r 3-state e il suo valore corrisponde alla presenza o m eno del d io d o in te rru tto re a ll'in c ro ­ cio riga/colonna.

Ingresso dati

Schema a blocchi funzionale di una mem oria 2 k • 8.

U S

Nello schema sono evidenziate le linee di in fo r­ m azione essenziali: • o tto linee per l'ingresso dei dati da m e m oriz­ zare d u ra n te l'o p e ra zio n e di scrittura (l0 -f l7); • o tto linee di uscita (O 0 -e 0 7), sulle quali appa­ iono e sono m a n te n u ti stabili i d ati in uscita da una cella di m e m oria d u ra n te u n 'op e ra zio n e di le ttu ra (nelle m em orie in te g ra te , le linee di uscita c o in cid o n o con le linee di ingresso); • undici linee di indirizzo (A 0 -r Aio), sulle quali va presentato il codice binario di indirizzo, per id e n tifica re una delle 2 .0 4 8 celle della m e m o ­ ria (il nu m e ro delle linee di indirizzo è legato alla capacità della m e m oria : sono richiesti n ingressi di in d iriz z o per una m e m o ria di 2 n celle); • un ingresso di co n tro llo (R /W ) per selezionare l'o p e ra zio n e di le ttu ra o di scrittura; • un ulteriore ingresso di c o n tro llo (Chip Select, C5), per l'abilitazione generale del dispositivo.

Data out

Struttura di una ROM di 16 celie da 1 b it

M em orizzare un 1, significa q u in d i realizzare un incrocio riga /colonna con un c o m p o n e n te u n id i­ rezionale in co n du zion e (d io d o , tra nsistor MOS); m e m o rizza re un o 0 , sig n ifica lasciare a p e rto il c o n ta tto rig a /c o lo n n a , inserendo u n o s tra to di isolante (biossido di silicio). La realizzazione dei co n ta tti aperti o chiusi, è fa tta alla fabbricazione, m e diante o p p o rtu n e m ascherature fo tog ra fich e , il cui costo viene am m ortizza­ to solo per grandi q u a n tita tiv i di produzione.

Esercizi svolti n. 26, 27 PROM Se, a o g ni incrocio riga/colonna, viene realizzato un c o n ta tto chiuso con un dispositivo a sem icon­ d u tto re unidirezionale con in serie un fusibile, si realizza una m em oria PROM (fig. 3.66).

Esercizi da svolgere n. 36, 37

Memorie non volatili

ROM C on il te rm in e ROM (Read Only Memory) sono indicate le m em orie che p e rm e tto n o la sola le t­ tu ra delle in fo rm a z io n i m em orizzate. In fig . 3.65 è rip o rta ta la s tru ttu ra di una ROM di 16 celle da 1 bit. I b it di in d irizzo di riga, A 0 e A i, p o rta n o alta la riga selezionata e, tra m ite i diodi, posizionano o p ­ p o rtu na m en te le inform azioni sulle colonne: sono poste a livello a lto le co lo n ne che possiedono il

◄n 4

L

i

Elemento di incrocio di una PROM.

122

RETI LOGICHE

Le PROM (Programmale ROM) sono state svi­ lu p p a te per applicazioni di vo lu m e rid o tto , nelle quali non è co n ve nien te pro d urre una specifica ROM. Esse sono p ro g ra m m a b ili d a ll'u te n te una sola v o lta e per q u esto so n o anche d e tte OTP (O ne Time Programmable). La m em oria vergine co n tie n e tu tti i b it al valore 1 ; dove serve m em orizzare lo 0, basta in te rro m ­ pere il c o n ta tto di incrocio, inviando a ll'in d iriz z o selezionato un guizzo o p p o rtu n o di corrente (da 20 a 30 mA). La p ro g ra m m azio ne è realizzata utilizzando ap­ positi dispositivi d e tti p ro g ra m m a to ri di P R O M , che fa c ilita n o il processo di bru cia tu ra dei fu sib ili e di verifica del d a to p ro g ra m m a to .

Convertitore di codice Una m e m o ria ROM è in g ra d o di realizzare un c o n ve rtito re di codice. Il legam e tra i due codici è o tte n u to p re se n ta n d o il codice da co n ve rtire ai pin di in d irizzo della m em oria e de riva n d o la conversione dalle uscite. Per o gni co n fig uraz io ne di ingresso, viene individuata una cella nella quale è stato m e m orizza to il codice co rrisp o n d e n te di uscita, reso d isp o nibile sui pin dei dati. Tabelle di dati Le m em orie a sola le ttu ra sono u tilizzate spesso per m em orizzare ta be lle di dati, risultati di una particolare fu n z io n e o operazione, per esem pio i risultati di fu n z io n i trig o n o m e tric h e o il valore linearizzato della risposta di un sensore.

E2PR0M e FLASH Nei p ro g e tti che ric h ie d o n o la possibilità di a g ­ g io rn a m e n to delle in fo rm a z io n i m em orizzate, si u tilizzano le m em orie E2PROM {Electrically Erasable PROM), g a ra n tite fin o a un m ilio n e di riscrit­ ture, o p p u re le FLASH, g a ra n tite fin o a 10 0.0 0 0 riscritture. In e n tra m b i i casi si tra tta di m em orie PROM cancellabili e le ttrica m e n te in circa 10 ms. Le E2PROM sono riscrivibili un byte per v o lta , q u in d i sono più a d a tte per la m e m orizza zio n e dei p a ra m e tri de lle a p pa re cch ia tu re , m e n tre le FLASH sono riscrivibili a blocchi, con un rita rd o u n ico di 10 ms per blocco, d u nq u e , più a d atte per la m e m orizza zio n e di interi file di dati o di p ro g ra m m i. I te m p i di le ttu ra sono paragonabili alle altre m e­ m orie.

Generatore di caratteri Si tra tta della ROM presente negli LCD a lfa n u ­ m erici. Il codice ASCII di un carattere rappresenta l'in d iriz z o di una cella nella quale è m em orizza­ ta la c o n fig u ra z io n e dei pixel di quel carattere. In co rrisp on d e n za di o gni ca ra tte re ASCII della stringa da visualizzare, il c o n tro lle r del display po­ larizza o p p o rtu n a m e n te i segm enti della m atrice di pixel (5x7, 6x8) sul vetro LCD. Esercizio svolto n. 28 Esercizio da svolgere n. 38

Memorie volatili

RAM La m em oria che perm ette sia la lettura, sia la scrit­ tu ra delle in fo rm a zio n i, e che quindi si avvicina di più al m o d e llo generico presentato a ll'in iz io del p aragrafo, è la RAM (Random Access Memory), d e tta anche SRAM (Static RAM), una m em oria ad accesso casuale, so lita m e n te in dicata com e m em oria di le ttu ra /scrittu ra , in con tra pp o sizion e alla ROM, m em oria di sola lettura. È u tile im m aginare una RAM com e co stitu ita da un n u m e ro di re g istri (celle) pari al n u m e ro di p arole da m em orizzare, ciascuno di lunghezza pari alle dim ensioni della "p a ro la ". Gli indirizzi sono applicati in ingresso a un decoder, le cui uscite agiscono sulle celle della m em oria; in questo m odo, o gni co m b in a zio n e degli indirizzi a b ilita una sola cella. I pin di c o n tro llo sono due, l'a b ilita to re generale

Applicazioni delle memorie non volatili

Memorizzazione del programma Una volta co m p le ta ta la fase di test, le in fo rm a ­ zioni che costituiscono il pro g ra m m a da eseguire, ovvero l'insiem e delle istruzioni m e diante le quali il sistem a p ro g ra m m a b ile co m p ie le o p e ra z io n i previste, sono m em orizzate in una m em oria non volatile. Il p ro g ra m m a può essere c o m p le to , nel caso di piccoli sistem i, o p p u re , in sistem i più co m p le s­ si (per esem pio, un PC), p u ò c o n te n e re le sole istruzioni indispensabili all'avviam ento del sistema stesso (BIOS) e alla sua inizializzazione, in m odo da caricare nella m em oria di lavoro (RAM) il siste­ ma op erativo, m e m o rizza to su disco, m e diante il quale in te rp re ta re i com andi d e ll'u te n te .

123

UNITA DIDATTICA 3

e il segnale che seleziona la m o d a lità di lavoro, le ttu ra oppure scrittura. Nel p rim o caso i dati p ro­ ve n ie nti dalla cella selezionata sono b u ffe rizza ti sui pin di uscita, nel secondo caso i dati presenti in ingresso sono impressi nella cella stessa.

la RAM di sistem a (m e m o ria centrale, dinam ica, DDR), la RAM video, la cache del processore, i b u ffe r delle periferiche, ecc.

RAM dinamiche Le RAM d inam iche (DRAM , SDRAM, DDR) sono m em orie realizzate esclusivam ente in te cn olog ia CM OS, anche se co m p le ta m e n te c o m p a tib ili TTL a ll'e ste rn o , con alta capacità e basso consum o. M e n tre le RAM statiche m em orizza n o il singolo b it in un flip -flo p , le d inam iche realizzano i b it di m em oria com e presenza o assenza di cariche su piccoli condensatori CM OS (in pratica il co n de n ­ satore parassita, di pochi pF, esistente tra il gate e il canale di un tra n sisto r MOS). A causa della scarica spontanea di questi piccoli condensatori, per non perdere l'inform azione contenuta, occorre p e rio d ica m e n te ricaricare tu tte le capacità, m e­ d ia n te un ciclo di refresh (rinfresco), tip ica m e n te o g n i 2 ms. La cella elem entare richiede perciò un solo MOS di accesso e un co n d e n sa to re di m e m oria (fig . 3.67).

Banchi di mem oria dinamica per personal computer.

I c o n te n ito ri possono essere su strip (fig . 3 .68) per l'inse rzio ne in bus o p p u re nei so liti fo rm a ti a saldare. Esercizio svolto n. 29 Esercizio da svolgere n. 39

RAM dual port Le RAM dual p o rt presentano una doppia selezione e possono essere le tte e scritte lib e ra m e n te da e n tra m b e le interfacce (fig. 3.69).

T Cella elem entare di una RAM dinam ica. *il

A

Selezionando una riga, tu tti i MOS a essa connessi si ch iu d on o , p o ne n d o in co lle g a m e n to e le ttric o i condensatori di m em oria con i rispettivi fili di colon­ na, p e rm e tte n d o così l'o p e ra zio n e di refresh. A n ch e solo d a ll'a n alisi della cella elem entare si pu ò capire che la stru ttu ra delle RAM dinam iche è più semplice e quindi più integrabile rispetto alle RAM statiche, pe rm e tte nd o di realizzare m em orie a capacità m o lto elevata. R ispetto alle RAM s ta tich e , le RAM d in a m ich e so n o più e co n o m ich e , più in te g ra b ili e c o n su ­ m ano m eno, ma la co m p lica zio ne circuitale per il refresh, le rende c o n ve n ie n ti solo per banchi ad alta capacità. Trovano im p ie g o in u n 'in fin ità di a p p lic a z io n i. Nel personal com puter, per esem pio, convivono

B

----- ►

dataA[]

dataci

-◄---------

--------- ►

addres$4] add resse (l

◄ ---------

> clock* clocken* -◄---------

q«Il

clocke< clockenB '=(4* "x)! = ( 47t 2 0 025°3 f = 1 >94 1014 = ì4 3 dB

Att*i = ( 47t x ) J

C onsiderando la presenza dei due cavi d 'a nte n n a {feeder), poiché - 3 dB equivale a dim ezzare la potenza, il bilancio di potenza vale

di q u a n to a u m e n ta se, a parità di co n dizio n i, si ra d d op p ia la distanza?

_ P rG r G r K r_ A ttS|

Soluzione La distanza in te rv ie n e n e ll'a tte n u a z io n e con il q u a d ra to del suo valore, perciò a o g n i suo rad­ d o p p io si ha un c o n trib u to a g g iu n tiv o di

1 _ 0,1 W 8.6S52 4 ~ 4 - 1 ,9 4 - 1 014

nvv

9,72 nW = 9,72 10-6 mW

10 log10(2 )*2 = 6 dB

9,72 • 10"6 mW 1 mW = - 6 0 + 10 lo g i09 ,72 = - 5 0 ,1 2 dBm Pr d B m

ESERCIZIO 28 Si vu o le realizzare un c o lle g a m e n to ra d io a 12 GHz m e d ia n te due parabole con d ia m e tro 1 m ed e fficie n za 0 ,5 5 , p o ste a 12 m da te rra (fig .

—

10

lo Q

10

-

Eseguendo il bilancio in dB si o ttie n e il m edesim o risultato n _ 1A i „ „ 100 mW _ ™ r,dBm- iu log io—^ - - zu atsm PrdBm — PtdBm — 3 dB + Gt + Gr — A tts| — 3 dB = 20 dBm - 6 dB + 2 ■39,4 dB — 143 dB = -5 0 ,2 dBm L'EIRP è la potenza che dovrebbe irradiare u n 'a n ­ te nn a isotropa per fo rn ire il m edesim o livello di c a m p o nella d ire zio n e di m assim a ra d ia zio n e , perciò EIRPdBm = PtdBm - 3 dB + G

Collegam ento radio m ediante parabole.

= 2 0 - 3 + 39,4 = 56,4 dBm D e te rm in a re la m assim a distanza s o ste n ib ile e la potenza al ricevitore, sapendo che la potenza trasmessa vale P,= 100 m W e c h e i cavi d 'a ntenna (feeder) a tte n u a n o - 3 dB ciascuno. D eterm inare l'EIRP in trasm issione.

EIRP = 10 t t mW = 436, 5 W

ESERCIZIO 29 Si vuole realizzare un co llegam ento radio a 6 GHz m ediante due parabole con diam etro 0,5 m ed ef­ ficienza 0 ,55 , poste a 5 km tra loro (fig. 5.78).

Soluzione dmax [km ] = 4 - ( - / ì + + / i + ) = 4 ( / f T + v T 2 ) = 27,7 km 3 • 108 m/s = 0,025 m À = -É- = f - 12 109 Hz G ua da g n o di ciascuna delle a n te n n e

100 mW

GdB = 10 log108.685 = 39,4 dB

Ponte radio a 5 km.

221

UNITA DIDATTICA 5

D eterm inare la potenza al ricevitore m e diante ii m e to d o d e ll'a re a e fficace, sa p endo che la p o ­ te n za trasm essa vale Pt = 100 m W e che i cavi d 'a n te n n a (feeder) a tte n u a n o - 3 dB ciascuno. Soluzione

y _ £ _ 3 • 108 m/s = 0,05 m f “ 6 -1 09 Hz G ua da g n o d e ll'a n te n n a di trasm issione

Antenne disponibili.

C o n s id e ra n d o la presenza del cavo d 'a n te n n a {feeder), poiché - 3 dB equivale a dim ezzare la potenza, la potenza radiata vale

Soluzione Poiché la m acchina può orientarsi in tu tte le dire­ zioni, va d o ta ta di u n 'a n te n n a om n id irezio na le , m e n o in g o m b ra n te possibile, p e rciò si sceglie l'a n te n n a m arconiana (G = 3,3)

Prad = P , y G , = 100 mW y • 543 = 27,15 W

c_

C onsiderata la superficie della sfera, la densità di potenza a 5 km vale r =

f

Prad = 27,15 W = oc A M 471 d 2 471 (5.000 m )2 ' m2

A e,, = ^

3 10 8 m/s = 0,95 m 315 106 Hz G = - ^ Ì 3,3 = 0,237 m 2

EIRP = P, • G, = 2 W • 1O w

Area efficace d e ll'a n te n n a ricevente

= 31,7 W = 15 dBW = 45 dBm

A eH = ri (7t - ^ ) = 0,55 (7t - ^ ) = 0,11 m 2 Pr = S A e « = ^ r A e ff> 2 piW

Potenza raccolta in antenna

/

31,7 W 0,237 m 2 = 546 m 47t ■2 |IW

86,4 - ^ 0 , 1 1 m 2 = 9,5 nW m2

ESERCIZIO 31 Un p o n te radio da 4 0 km lavora a 12 GHz, con potenza emessa 6,3 W e a ntenne a parabola con g u a d a g n o 4 0 dB.

Potenza in ricezione Pr = 9,5 nW y = 4,75 nW

ESERCIZIO 30 Una piccola a u to m o b ile da m o d e llism o è radioco m a n d ata a 315 MHz, con un tra s m e ttito re da 2 W e g u a d a g n o d 'a n te n n a 12 dB. Scegliere l'a n te n n a da installare sul m o d e llo tra le d isp o n ib ilità indicate in fig . 5 .79 (hertziana, m ar­ coniana, Yagi con G = 9 dB, A e ff= 0 ,6 3 -X2, parabo­ la di d ia m e tro 20 Cm, q = 0,8, A*« = r) • Ageometrica), m o tiva n d o la scelta. S apendo che la p o te n za m in im a necessaria al ricevito re sulla piccola a u to m o b ile è 2 pW, de­ te rm in a re la distanza massima di ra d io c o n tro llo della m acchina.

222

PORTANTI FISICI E CONNESSIONI RADIO

Calcolare la potenza ricevuta nel caso sia in corso un te m p o ra le di 10 km (fig. 5 .80) con pio g gia fo rte (-2 dB/km ).

ESERCIZIO 33 Un sa te llite GPS tra s m e tte 45 W, a 2 0 .1 8 0 km da terra, con g u a d a g n o d 'a n te n n a 15 dB, su una p o rta n te da 1,575 GHz. Sapendo che l'a n ten n a della stazione di terra ha g u a d a g n o 1,3 dB, de­ te rm in a re la potenza ricevuta.

Soluzione _ c. _ 3 108 m/s = 0,025 m ~ f ~ 12 109 Hz

Soluzione

AttH4,tx)!;

Pt = 45 W = 46,5 dBm

= ( 471 • 4Q Q253 )2 = 4 35 cm ]

ESERCIZIO 12 Indicare gli a n da m en ti delle tensioni V B e Ve della linea in fig . 5 .8 6 , co n se g u e n ti a un im pu lso di 5 V in ingresso.

R s=Zo

( J J ) V0 = 5V

ESERCIZIO 15 D e te rm in a re le resistenze di te rm in a z io n e per una pista di c irc u ito s ta m p a to con im pedenza caratteristica Z0= 7 0 Q, t pu= 1 ,7 ns/ft, lu n g a 9 in e con tre carichi d istrib u iti sim m e tricam e nte o g n i 3 in, ciascuno con capacità di ingresso Cin= 9 pF (fig. 5.89).

C

b

Vb

Ve Rt = 0

Linea lunga in cortocircuito.

[Ris.: k s= 0 ; k L= - 1 ; V B0= 2 ,5 V; V c, = 0; V B2= 0; V x = 0; è presente solo un im pulso su V B di am piezza 2,5 V e d u ra ta 2 • t p]

5V

ESERCIZIO 13 Indicare l'a n d a m e n to delle tensioni V B e Ve della linea in fig. 5.87, conseguenti a un im pulso di 5 V in ingresso.

Linea con carichi distribuiti.

[Ris.: Ri = R2 = 2 • Z o = 8 9 Q] ^ Linea lunga non terminata.

ESERCIZIO 16 D eterm inare i c o m p o n e n ti R e C, per la te rm in a ­ zione A C di una linea con Z0= 1 2 0 Q e b it rate 100 kbps. [Ris.: R= 120 Q ; C < 27,7 nF]

[Ris.: ks= —1 ; kL= 1 ; V B0= 5 V; V a = 10 V; V B2= 0 ; V c3=0; V B4= 10 V; V C5= 1 0 V; fig . 5.88]

ESERCIZIO 17 Leggendo i diagram m i in fig . 5.16, co n fro n ta re i valori dell'attenuazione e della velocità di propaga­ zione per valori di frequenza 10 k H z e 10 MHz. [Ris.: a 10 kHz, A tt = 0,01 dB /10 0 ft, v = 4 0 0 f t / ps; a 10 MHz, A tt = 0 ,4 d B /100 ft, v = 6 5 0 ft/p s ] ESERCIZIO 18 D ovendo trasm ettere, su un d o p p in o di categoria 5e senza l'u tiliz z o di in te g ra ti e q u a lizza to ri, un segnale seriale da 500 M bps, con la fo n d a m e n ­ tale a 250 MHz, d e te rm in a re d o p o q u a n ti m etri si raggiunge u n 'a tte n u a z io n e di - 3 dB. Utilizzare il g ra fico di fig . 5.73. [Ris.: 8 ,6 m]

ESERCIZIO 14 Un driver logico a p pa rte n e nte alla fa m ig lia 74HC (CMOS High Speed), con t r= 6 ns, pilota una pista di circu ito sta m p a to non te rm in a ta , con rita rd o u n ita rio di propagazione t pu= 1,7 ns/ft. C onside­

225

UNITA DIDATTICA 5

dBm . S apendo che l'a tte n u a z io n e di inserzione a m o n te vale 3 dB, le p erdite dei c o n n e tto ri e delle giunzioni incidono ciascuna per 0,3 dB, l'a tte n u a ­ zione del fo to -rile v a to re o ttic o (PIN) è di 3 dB con una corrente resa di 1 pA/pW , valutare se in uscita al d io d o PIN sono g a ra n titi alm e n o 8 0 pA. [Ris.: A tt = 13,2 dB; Pr= - 7 ,2 dBm; 1= 190 p A > 80 pA]

ESERCIZIO 19 D ovendo trasm ettere, senza l'u tiliz z o di in te g ra ti e q u a lizza to ri, un segnale seriale da 600 M bps, con la fo n d a m e n ta le a 3 0 0 M H z, d e te rm in a re d o p o q u a n ti m e tri si ra g g iu n g e u n 'a tte n u a z io ­ ne di - 3 dB u tiliz z a n d o ris p e ttiv a m e n te il cavo coassiale da 50 Q Belden 9 9 14 , il coassiale più e c o n o m ic o 7 8 0 7 A (fig . 5 .7 2 ) o un d o p p in o di categoria 5e (fig. 5.73). Ripetere i calcoli per un b it rate di 80 0 M bps. [Ris.: 3 7 ,5 m; 16,6 m; 7 ,5 m; 35 m; 15 m; 6 ,25 m ]

ESERCIZIO 24 Un collegam ento da 32 km in fib ra è realizzato con 8 spezzoni da 4 km ciascuno, con attenuazione 0,6 dB/km . Sapendo che il sistema è sostenuto a m o n te con un diodo LASER da 4 dBm e che le at­ tenuazioni dei c o n n e tto ri e delle giunzioni incido­ no ciascuna per 0,4 dB, valutare se sono g a ra ntiti alm eno 100 p W di potenza o ttica al convertitore o ttico -e le ttrico posto al te rm ine della fib ra . In caso contrario, indicare se risulta adeguato interporre un rigeneratore di pari caratteristiche (Prmin=100 p W e P ,=4 dBm) a 16 km dalla sorgente. [Ris.: A tt= 2 2 ,8 dB; Pr= - 1 8 ,8 dBm < 100 pW ; il rige n e ra tore a 16 km serve ed è a deguato, A tt = 11,6 dB; Pr= - 7 ,6 dBm]

ESERCIZIO 20 D ovendo trasm ettere, su un d o p p in o di categoria 5e senza l'u tiliz z o di in te g ra ti e q ua lizza tori, un segnale seriale da 1.200 M bps, con la fo n d a m e n ­ tale a 600 MHz, determ inare dopo quanti m etri si ra g g iu ng e u n 'a tte n u a z io n e di - 3 dB, u tilizzan d o il g ra fico di fig . 5.73. C o n fro n ta re il risultato o tte n u to con la lunghezza massima gestibile u tilizzan d o una coppia di chipset SerDes DS92LV18 (fig. 5.74) e con l'a g g iu n ta u lte rio re dei cable e xte nd e r DS15BA101 (driver) e DS15EA101 (e q u alize rfilte r, fig . 5.75). Ripetere le m isure per un segnale da 8 0 0 M bps. [Ris.: 5 m; 8 m; 35 m; 6,3 m; 17,5 m; 78 m ]

ESERCIZIO 25 D eterm inare il valore massimo del cam po elettrico presente in un p u n to dello spazio ca ra tte rizza to da una densità di potenza di 1 p W /m 2. [Ris.: 2 7 ,5 m V /m ]

ESERCIZIO 21 In una fib ra ottica, gli indici di rifrazione del core e del m antello sono rispettivamente ni = 1,5 e n2= 1,4. D eterm inare il valore d e ll'a n go lo lim ite. Ripetere il calcolo per la fib ra con ni = 1,48 e n2= 1 ,46. [Ris.: 69°; 80,6°]

ESERCIZIO 26 D eterm inare la frequenza di lavoro di u n 'an te n na m arconiana in ram e lunga 2 ,97 cm. [Ris.: 2 ,4 GHz] ESERCIZIO 27 D eterm inare la lunghezza di u n 'a n te n n a in X/4 in a llu m in io per B lu e to o th a 2 ,4 GHz. [Ris.: 2 ,6 6 cm ]

ESERCIZIO 22 Un co lle g a m e n to in fib ra è c o s titu ito da 6 tra tte da 2 km ciascuna, con a tte n u a zio n e 0,5 dB/km . C onsiderando 0,7 dB la perdita di inserzione di o g n i co n n e tto re te rm in a le , 0,3 dB la perdita di ciascuna g iu n z io n e e - 6 dBm la se n sib ilità del ricevitore, d e te rm in a re la potenza o ttica da in ie t­ tare a m o n te in m o d o da riservare un m argine di sistem a M = 3 dB. [Ris.: P,= 5,9 dBm = 3 ,8 9 m W ]

ESERCIZIO 28 D eterm inare la lunghezza di u n 'a n te n n a in X/4 che lavora a 5,15 GHz. [Ris.: 1,46 cm ] ESERCIZIO 29 D eterm inare la densità di potenza rilevabile a 4 km di distanza da un radiatore isotropico che ir­ radia una potenza di 10 W. [Ris.: 50 n W /m 2]

ESERCIZIO 23 Un collegam ento da 20 km in fib ra , realizzato con 5 spezzoni da 4 km con a tten u a zio n e 0,3 dB /km , è sostenuto a m o n te con un d io d o LASER da 6

226

PORTANTI FISICI E CONNESSIONI RADIO

ziché lavorare a 900 M H z si utilizza la frequenza 2 ,4 GHz? E d im ezzando la distanza? [Ris.: 8,5 dB; - 6 dB]

ESERCIZIO 30 D eterm inare la potenza emessa da un radiatore isotropico sapendo che a 1 km di distanza si rileva una densità di potenza S = 100 p W /m 2. [Ris.: 1.257 W ]

ESERCIZIO 37 D eterm inare la potenza necessaria da trasm ettere per ricevere 2 0 0 n W in un p o n te ra d io da 30 km , realizzato con p arabole di d ia m e tro 60 cm ed efficienza 0,55, fu n z io n a n te con p o rta n te da 8 GHz. Si te ng a c o n to della perdita di - 3 dB di ciascuno dei fe ed e r d 'a nte n n a. [Ris.: P1= 4 6 dBm]

ESERCIZIO 31 Sapendo che la potenza irradiata da u n 'a n te n n a isotropa vale 2 kW, d e te rm in a re la distanza alla q u a le l'a m p ie zza m assim a del ca m p o e le ttric o vale 2 V /m . [Ris.: 173,2 m ]

ESERCIZIO 38 D eterm inare la potenza ricevuta da un satellite geostazionario (a 3 6 .0 0 0 km da terra, fig . 5.90) con p a ra b o la di d ia m e tro 0 ,8 m ed e fficie n za 0 ,55 , sapendo che la potenza trasmessa da terra vale P, = 10 kW , u tilizzan d o una parabola da 10 m di d ia m e tro , con e fficienza 0,7, alla frequenza di 10 GHz.

ESERCIZIO 32 Un tra sm e ttito re da 200 m W è collegato a u n 'a n ­ te n n a Yagi, con g u a d a g n o 2 0 dB d, m e d ia n te un cavo coassiale che a tte n u a 4 dB. C alcolare l'EIRP. [Ris.: 4 1 ,1 5 dBm, 13 W ] ESERCIZIO 33 D eterm inare il m assimo valore di EIRP per un d i­ spositivo che soddisfi le specifiche sui cam pi elet­ tro m a g n e tic i in aree in te n s a m e n te fre q u e n ta te (tab. 5.5), a una distanza di 5 cm nella direzione di massima radiazione. [Ris.: 3 ,1 4 m W = 5 dBm ]

Dr = 0,8 m n = 0 ,5 5

36.000 km ri = 0,7 Dt = 10m

ESERCIZIO 34 U n 'a n te n n a per p o n te ra d io irradia 10 W, con g u a d a g n o G = 4 4 dB. D e te rm in a re a quale d i­ stanza d a ll'a n te n n a , nella direzione di massima radiazione, la densità di potenza risulta m inore di 0,1 W /m 2. [Ris.: d > 44 7 m ]

f = 10 GHz | Pt= 10 kW

Collegam ento con satellite geostazionario.

[Ris.: 130 nW ] ESERCIZIO 39 Se una a n te n n a è a liv ello del te rre n o e l'a ltra è sollevata a 2 m, q u a n to vale la visibilità tra le due? [Ris.: 5,6 km ]

ESERCIZIO 35 Un tra s m e ttito re da 5 W im piega u n 'a n te n n a d i­ rettiva con guadagno 30 dB. D eterm inare a quale distanza d a ll'a n te n n a , nella direzione di massima radiazione, la densità di potenza risulta m inore di 0,1 W /m 2. [Ris.: d > 63 m ]

ESERCIZIO 40 Una piccola a u to m ob ile da m odellism o è radioco­ m andata a 9 1 6,5 MHz, con un tra sm ettito re da 15 dBm e g u a d a g n o d 'a n te n n a 15 dB. Sapendo che l'a n ten n a installata sul m o d e llino è una PCB short stub (fig. 5.91), con G = 1,64(Aeff = 0 ,1 3 1 k2), de­ te rm in a re la densità di potenza presente a 100 m dal te le c o m a n d o e la p o te n za ricevuta dalla m acchinina.

ESERCIZIO 36 C onsiderando che l'a tte n u a z io n e di spazio libero vale

=

SO

j- 'j

di q u a n to a u m e n ta se, a parità di co n dizio n i, an­

227

UNITA DIDATTICA 5

(G = 3,3), Yagi (G = 9 dB, A e « = 0 ,6 3 -X 2), parabola (d = 20 cm , r) = 0,8) e PCB sh o rt stub (fig. 5.91, G = 1,64), m o tiva n d o la scelta. Sapendo che la potenza m inim a necessaria alla ce n tra lin a ric e -tra s m itte n te è - 2 0 dB m , d e te r­ m in a re la p o te n za di tra s m is s io n e dei m o d u li se n so ri-tra s m e ttito ri, considerando una distanza massima di 10 m. [Ris.: solo a ntenne o m n id ire zio n a li, m arconiana sulla centralina e PCB sui m o d u li; Pt = 2 4 ,3 dBm] ESERCIZIO 42 Un radar a uso civile e m e tte una potenza di 25 m W con lunghezza d 'o n d a 2 ,85 cm , m e d ia n te u n 'a n te n n a con g u a d a g n o 8 dBi. S u p p o n en d o 1 m 2 la s u p e rfic ie m edia rifle tte n te del c o rp o u m a n o e - 8 6 dBm la se n sib ilità del ricev ito re , d e te rm in a re la distanza alla quale viene rilevato un corpo. [Ris.: 20 m]

26 mm PC8 short stub da 916,5 MHz.*Il

[Ris.: S = 8 p W /m 2; Pr= 111 nW ] ESERCIZIO 41 Il sistem a di m o n ito ra g g io della pressione degli p neum atici di un au to ve ico lo è co m p o sto da una ce n tra lin a di c o n tro llo ric e -tra s m itte n te situ a ta nel vano m o to re d e ll'a u to ve ic o lo e da 5 m o d u li se n so ri-tra sm e ttito ri, m o n ta ti a ll'In te rn o del cer­ ch io n e di o g n i ru o ta , col c o m p ito di m isurare pressione e te m p e ra tu ra de llo p n e u m a tic o e di tra sm e tte re p e rio d ica m e n te i dati alla centralina alla frequenza di 9 1 6 ,5 M Hz. Scegliere l'a n te n n a da installare sui m o duli e sulla ce n tra lin a tra hertziana (G = 1,64), m arconiana

ESERCIZIO 43 Un satellite GPS tra sm e tte a 2 0 .1 8 0 km da terra, con guad a g no d 'a n te n n a 15 dB, su una p o rta n te da 1,575 GHz. Sapendo che l'a n ten n a della sta­ zione di terra ha g uadagno 1,3 dB, determ inare la potenza da trasm ettere per p o te r ricevere alm eno - 1 3 0 dBm. [Ris.: P, a 36,2 dBm]

228

PORTANTI FISICI E CONNESSIONI RADIO

[2 TEST Tra le seguenti a ffe rm a zio n i, individua quelle co rrette (V) e quelle errate (F). 1. Trattando delle linee dati si può afferma­ re che: 1. scam biano in fo rm a zio n i tra un driver e un receiver e e 2. le in fo rm a zio n i sono co d ifica te com e va ria zio n i casuali di livelli e le ttric i di tensione o di co rren te E E 3. il mezzo di interconnessione in tro d u ­ ce un rita rd o nella propagazione del segnale E E 4. il mezzo di interconnessione d e fo rm a il segnale E E

5. Parlando delle costanti secondarie linea si può dire che: 1. sono d e tte secondarie perché m eno im p o rta n ti delle p rim arie 2. l'im pedenza caratteristica ha le dim en­ sioni di una resistenza al m e tro 3. l'im p e d e n z a c a ra tte ris tic a e q u iv a le a ll'im p e de n za di ingresso di una cella elem entare non dissipativa 4. la velocità di p ro p ag a zio n e si misura in ns/m

della

E E E E

E E E E

6. Trattando delle riflessioni sulle linee, è corretto dire che: 1. si ha riflessione solo se la linea è corta E E 2. si ha riflessione sul carico solo se la resistenza di carico differisce dalla im ­ pedenza caratteristica della linea E E 3. se la resistenza di sorgente è uguale all'im pedenza caratteristica della linea la riflessione vale il 5 0 % E E 4. la riflessione produce sem pre una so­ vratensione E E

2. In merito ai parametri elettrici di una li­ nea, è vero che: 1. il rita rd o di p ro p a g a zio n e si esprim e so lita m en te in ps/m E E 2. la resistenza al m etro è una delle c o ­ stanti prim arie E E 3. è presente un condensatore parassita tra i c o n d u tto ri di andata e di rito rn o E E 4. per indicare la sezione dei c o n d u tto ri è spesso utilizzata la n o ta zio n e a m e ­ ricana A W X E E 3. Per quanto riguarda il modello elettrico di una linea: 1. serve per analizzare il co m p o rta m e n to della linea E E 2. il m o d e llo a param etri d is trib u iti è co­ s titu ito da una sola cella infinitesim a E E 3. il m o d e llo a pa ra m e tri c o n c e n tra ti è c o stitu ito da una sola cella E E 4. è sem pre m eglio utilizzare il m o d e llo a param etri co n ce n tra ti E E

7. Per quanto riguarda la terminazione pa­ rallelo delle linee, si può affermare che: 1. è da im piegare sulle linee con carichi d is trib u iti E E 2. una linea te rm in a ta su una resistenza pari alla sua im pedenza caratteristica si dice a d a tta ta E E 3. una linea di bus bidirezionale va te r­ m inata a e n tra m b e le estrem ità E E 4. la term inazione AC elim ina il consum o statico E E

4. Dovendo distinguere tra linee lunghe e corte: 1. vale la loro lunghezza fisica E E 2. la d is tin z io n e è le g a ta a lla v e lo c ità di va ria zio n e del fro n te del segnale emesso dal d rive r E E 3. una linea è da considerarsi lunga se il driver vede il carico d u ra nte il fro n te E E 4. una linea è da considerarsi co rta se il te m p o di salita del driver è m inore del rita rd o di p ropagazione E E

8. In merito alla terminazione serie è vero che: 1. la resistenza di so rgente deve essere pari a ll'im p e de n za caratteristica della linea E E 2. consum a m eno risp e tto alla te rm in a ­ zione parallelo E E 3. è da im piegare sulle linee con carichi d is trib u iti E E 4. è da utilizzare solo per linee u n id ire ­ zionali E E

229

UNITA DIDATTICA 5

9. Trattando delle distorsioni sulle linee, si può dire che: 1. tu tte le linee reali distorcono E E 2. le co sta nti p rim a rie non variano con la frequenza E E 3. le co sta nti secondarie variano con la frequenza E E 4. le frequenze a lte sono più a tte n u a te ma arrivano prim a E E

14. A proposito di direttività e guadagno di un'antenna: 1. si prende a rife rim e n to il radiatore iso­ tro p ico , con d ia g ra m m a di radiazione sferico e gu ad a g no u n ita rio E E 2. la d ire ttiv ità e sp rim e la ca p a c ità di u n 'a n te n n a di concentrare la potenza in una d e te rm in a ta direzione E E 3. m aggiore è l'a p e rtu ra di u n 'a n te n n a , m aggiore è la sua d ire ttiv ità E E 4. m aggiore è la d ire ttiv ità di u n 'a n te n ­

10.In merito alle distorsioni sulle linee, si nota che: 1. l'e ffe tto pelle si presenta sopra i 10 kHz E E 2. l'e f f e tt o p e lle rid u c e la re sistenza aH 'aum entare della frequenza E E 3. la risposta al gradino per una linea lun­ ga è analoga alla carica di un g ru p p o RC E E 4. un valore a lto di jitte r indica un segna­ le di buona qualità E E 11. Le fibre ottiche: 1. sono percorse da un'inform azione lu­ minosa nel campo dell'u ltravioletto 2. sono im m uni alle interferenze elettrom agnetiche 3. vanno stese con raggi di curvatura ri­ d o tti 4. se m onom odali, presentano u n 'a tte ­ nuazione maggiore

na, m inore è il suo g u a d a g n o

15. Tra i parametri di un'antenna: 1. l'im pedenza equivalente è solitam ente 120 Q E E 2. la larghezza di banda è q u e ll'in te rv a l­ lo di frequenze a ll'in te rn o del quale il diagram m a di em issione si m antiene entro un d e te rm in a to valore standard E E 3. l'im p e de n za di u n 'a n te n n a non varia

E E

con la frequenza E E 4. l'area efficace di un'antenna è inversa­ m ente proporzionale al suo guadagno E E

E E E E E E

12. L'impulso luminoso che attraversa la fi­ bra perde energia lungo il percorso per la presenza di: 1. disomogeneità e im purità nel materiale E E

2. giunzioni 3. co n n e tto ri 4. rip e tito ri

E E

E E E E E E

16. Un radar impulsivo: 1. è un sistem a di rile vam e nto a m icro­ onde E E 2. funziona sul principio dell'eco E E 3. irradia casualm ente pacchetti di onde

radio E E 4. rileva og getti a una distanza massima che dipende dalla sensibilità del rice­ vitore E E 17. Trattando del sistema GPS è corretto dire che: 1. è un sistem a di p o sizio n a m e n to E E 2. si avvale di 2 4 sa telliti tra s m e ttito ri E E 3. il ricevitore a terra è in grado di deter­

13.Trattando delle antenne, è corretto dire che: 1. sono d ispositivi in g ra d o di irradiare on de e le ttro m a g n e tic h e nello spazio e di captarle E E 2. m a g g io re è la fre q u e n za di lavoro e più sono lunghe E E 3. il diagram m a di radiazione rappresenta una sezione delsolido di emissione E E 4. il d ip o lo m a rconiano è d e tto d ip o lo in X/2 E E

m inare le proprie co o rd in a te di posi­ zione, una vo lta calcolate le distanze risp e tto ad alm e n o due satelliti E E 4. esiste un errore nel calcolo della coor­ dinata di p o sizio n a m e n to

230

E E

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

FRESNEL ZONE

Line-Of-Sight (LOS) Visual and RF L ine-of-S ight (LOS) b e tw ee n th è sending and receiving antennas is essential in achieving long range in wireless c o m m u n ic a tio n systems. There are tw o types o f LOS th a t are generally used to describe an e n viro n m e n t: • Visual LOS is th è a b ility to see fro m on e site to th è other. It requires only a stra ig h t liner path b e tw ee n tw o points. • RF LOS requires n o t o n ly visual LOS, b u t also a fo o tb a ll-sh a p e d path free o f obstacles fo r data to o p tim a lly travel fro m o n e p o in t to another.

Fresnel Zone The Fresnel Zone can be th o u g h t o f as a fo o tb a ll-sh a p e d tu n n e l betw een tw o sites th a t provides a path fo r RF signals.

In o rd e r to achieve th è greatest range, th è fo o tb a ll-sh a p e d path in w h ic h radio waves travel m ust be fre e o f o b stru ctio ns. Buildings, trees o r any o th e r obstacles in th è path w ill decrease th è co m m u n ica tio n range. If th è antennas are m o u n te d ju s t barely o ff th è g ro u nd , over half o f th è Fresnel zone ends up being ob stru cted by th è earth resulting in sig n ifica n t re d u ctio n in range. To avoid this problem , th è an te n n a should be m o u n te d high e n o u g h o ff o f th è g ro u n d so th a t th è earth does n o t in te rfe re w ith th è centrai radius o f th è Fresnel zone.

231

M èè-

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

FRESNEL ZONE

H o w fa r above th è g ro u nd and o th e r obstacles th è antennas need to be is d e te rm in e d by th è radius o f th è Fresnel zone. The radius o f th è Fresnal Zone depends u p o n th è fre quency and distance b e tw ee n th è tw o radios. The fo llo w in g ta ble provides a p proxim a te Fresnel zone radius.

In o rd e r to have LOS clearance, th è co m b in e d a n te n n a h e ig h t should be equal to o r at least 7 0 % o f th è radius o f th è Fresnel zone.

Fresnel Zone radius Range Distance between antennas 300 m 1.6 km 8 km 10 km 15 km

Required Fresnel Zone Radius (2.4 GHz Radius) 3.06 m 7.07 m 15.81 m 17.68 m 21.65 m

Required Fresnel Zone Radius (5 GHz Radius) 2.12 m 4.9 m 10.95 m 12.25 m 15 m

( tr a tto da User's Guide - D-Link A ntenna Kits)

232

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

Standard di livello elettrico Fieldbus Il cablaggio del campo Ethernet Fieldbus in tempo reale Esercizi svolti Esercizi da svolgere Test Why use EtherCAT?

NEL QUADERNO OPERATIVO DI LABORATORIO SCHEDA 26 Prove su RS 232 SCHEDA 27 Prove su RS 485 SCHEDA 28 Serial device server

UNITA DIDATTICA 6

smissione single ended è lim ita ta alle applicazioni di breve distanza, m e n tre i p ro to c o lli d e s tin a ti ad applicazioni estese p re d ilig o n o la trasm issio­ ne d iffe re nzia le (fig. 6.2), id e a lm e n te im m u n e al ru m ore di m odo com une.

K 2 B Standard di livello elettrico Uno standard è un insiem e di regole e procedure che assicura c o m p a tib ilità e in te ro p e ra b ilità tra diversi dispositivi in com u n ica zio n e tra loro. Uno standard di livello e le ttrico definisce le carat­ te ristiche fisiche degli elem enti di interconnessio­ ne (num ero di fili, tip i di co n n e tto ri), i livelli delle te n s io n i che s u p p o rta n o i b it di in fo rm a z io n e , la te m p o rizza zion e e la direzione delle in fo rm a ­ zioni. Il flusso delle in fo rm a zion i sulla linea può risultare unidirezionale (simplex), bidirezionale half du­ plex (se le in fo rm a z io n i via g g ia n o in e n tra m b e le d ire zio n i ma non sim u lta n e a m e n te ), o p p u re bidirezionale full duplex (q u a nd o i dati possono via g g ia re nei due sensi e c o n te m p o ra n e a m e n ­ te).

T r a s m is s io n e d iffe re n z ia le .

In tecnica differenziale il segnale d ig ita le in ingresso, rife rito a massa, viene tra s fo rm a to in un segnale su due uscite lo g ic h e c o m p le m e n ­ ta ri, per essere trasm esso m e diante un d o p p in o a tto rc ig lia to (twisted pair) e g iu n ge re al receiver, anch'esso differenziale. Trattandosi di una linea bilanciata, un eventuale rum ore di m odo com une altera il livello logico di entram bi i c o n d u tto ri della m edesim a q u a n tità , lasciando in a lte ra ta la loro te nsio ne differenziale.

Line driver e receiver Per sostenere il livello e le ttrico di un d e te rm in a to standard, si im pieg a n o apposite co p pie di in te ­ g ra ti line driver e receiver. L 'in te g ra to lin e d riv e r riceve un ingresso TTL o CM O S e lo p o rta al livello e le ttrico richiesto dallo standard, so lita m en te con te nsio ni diverse e con prestazioni m aggiorate in corrente {buffer), m en­ tre al te rm in e della linea il receiver, che presenta un ingresso con soglia a trig g e r a tto rn o al valor m edio, rico m p o n e il livello logico o rig in a rio . La trasm issione e ffe ttu a ta u tilizzan d o un solo filo di in form azione rife rito a massa è d e tta trasm issione single ended (fig. 6.1). *i

Driver

Linea

Trasmissione parallela e seriale La trasm issione parallela im piega cavi a più c o n ­ d u tto ri per tra sm ette re in con tem p oran e a più b it di in fo rm a z io n e (fig. 6.3).

Receiver

Poiché dei due c o n d u tto ri un o è rife rito a massa, la linea non si presenta bilanciata e risulta sensibi­ le al rum ore raccolto lu n g o il percorso. Un rum ore che proviene d a ll'a m b ie n te e colpisce e n tra m b i i c o n d u tto ri (rumore di modo comune) altera d ifa tti il livello logico del solo filo di inform azione, m e n tre il c o n d u tto re rife rito a massa rim ane a zero volt. Il distu rb o di m odo com u n e si trasform a così per in te ro in un d is tu rb o d iffe re n z ia le che pu ò a lte ra re i livelli. Per questa ra g io n e la tra ­

T r a s m is s io n e p a r a lle la .

P urtroppo, il rum ore di diafonia ( crosstalk) che si m a n ife sta tra i c o n d u tto ri lim ita le distanze am m issibili. La trasm issione parallela è perciò utilizzata p re­ v a le n te m e n te nei co lle g a m e n ti tra c o m p u te r e 234

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

stru m e n ti di m isura q u a n d o è richiesta u n 'a c q u i­ sizione dati veloce e in te m p o reale (reai time). La trasm issione seriale, invece, im piega solo due c o n d u tto ri, poiché i singoli b it ve n g o n o inviati in sequenza uno d o p o l'a ltro , con una te m p o rizza zione d e fin ita . A ffin c h é l'a rrivo in sequenza dei b it possa essere d e co d ifica to dal ricevitore, è necessario che q u e ­ sto disponga di un sistem a di sincronism o aggan­ ciato al trasm ettitore. Q uesto può essere o tte n u to con il clock m iscelato con i d ati (per esem pio con un fro n te in o gni b it trasm esso, fig. 6.4), con uno o più caratteri iniziali di sincronism o e l'u tiliz z o di una codifica ricca di transizioni, o più sem plicem e nte con alm eno un b it di sincronism o per ogni byte trasm esso (trasm issione asincrona).

fro n te di discesa (space state) e su questo il clock locale aggancia il dispositivo di ca m p io n a m e n to a te m p o , alm eno per la durata del byte. Se il ricevitore non conosce la velocità di trasm is­ sione, è necessario l'in v io prelim inare di un byte di sincronizzazione ricco di tra n sizion i, sul quale il ricevitore calcola la d u ra ta del sin g o lo b it (b it tim e ) e la sua m età (half b it tim e); valori che gli serviranno per ca m pionare in m o d o esatto i dati successivam ente ricevuti. La velocità di trasmissione (b it rate) è espres­ sa in b it al seco n do (bit/s, bps), perciò, se per tra sm ette re 1 byte servono 10 bit, per inviare N byte/s serve un b it rate 10 v o lte superiore bit rate = 10 ■N bps Se co n co rd a to , a o g n i carattere p u ò essere a g ­ g iu n to un b it per il c o n tro llo di eventuali errori sopravvenuti d u ra n te la trasm issione, d e tto bit di parità, che p o rta a 11 il to ta le dei bit emessi per o g n i ca ra tte re da 8 b it di in fo rm a zio n e . La parità può essere pari (even) o dispari (odd). Nel p rim o caso, il valore lo g ic o assegnato al b it di p a rità è ta le che il n u m e ro com plessivo dei b it a 1 presenti nei 9 b it com plessivi (tranne Start e Stop) risulti pari (fig. 6.6). Il co n tra rio nel caso di parità dispari.

V

1*

' t

0

0

4 \

1

0

1

1

1

0

C o d ific a M a n c h e s t e r p e r reti E th e rn e t.

In p a rtico la r m o d o , la trasmissione asincrona utilizza 2 b it di sincronism o per o g n i carattere, inviati rispe ttiva m en te a ll'in iz io (Start) e alla fin e (Stop) di ciascun carattere. Il fo rm a to tip ic o per la trasm issione di un singolo carattere da 8 bit presenta q u in di 1 b it di Start (di livello logico sem pre uguale a 0), 8 b it di in fo rm a ­ zio n e trasm essi a partire dal m eno sig n ifica tivo (LSB, Least Significant Bit) e 1 b it di Stop (sempre uguale a 1 ) per un to ta le di 10 b it (fig. 6.5). *il

State

Carattere trasm esso 30H

1,1

Stato di mark

Stop di mark

+5 V

ov'

, f i

1

0 ,0 , 0 , 0 I I 1

Lsb

Bit di Start

m

Carattere successivo

0 ,0 1 Msb

1

^

0

^* ^0 1 Lsb

Esercizi svolti n. 1 ,2 Esercizi da svolgere n. 1, 2, 3

Bit di Start

RS 232 Lo standard RS 232 è il più n o to e il più u tilizzato per le trasm issioni b id ire zio n a li a breve d is ta n ­ za (15 m) e con velocità lim ita te (< 20 kbps), in c o n fig u ra z io n e m o n o u te n te p u n to a p u n to . Le velocità standard più diffuse sono 4 .8 0 0 , 9 .600, 19.200, 3 8 .4 0 0 bps, ecc. fin o a 153,6 kbps, ma a questa velocità si arriva solo a qualche m etro, per problem i di prestazione di co rren te nei driver.

F o rm a to t ip ic o d i u n c a r a t t e re n e lla tr a s m is s io n e s e ria le a s in c ro n a .

Tale co d ifica , n o ta co m e NRZ (N on R ito rn o a Zero), prevede che il ricevitore ca m p io n i i b it con il m ed e sim o clo ck u tiliz z a to dal tra s m e ttito re , d e riva n d olo da un p ro p rio quarzo locale. Poiché nello sta to di riposo (di attesa) la linea è a livello 1 (m a rk state), lo S ta rt è rile v a to con il p rim o 235

UNITA DIDATTICA 6

I segnali sono single ended, con livelli di tensione b ip o la ri e con a m p io m argine (fig. 6.7): • tra +3 V e + 25 V per lo stato logico 0 (space); • tra - 3 e - 2 5 V per lo s ta to logico 1 (m ark). +12 v

linea sconnessa, i m o rsetti di ricezione sono p o ­ larizzati alla tensione di zero, m e diante una resi­ stenza di p u ll-d o w n , e le soglie di ricezione sono poste a + 1 ,5 V, con isteresi tip ica ±0,5 V. Il c o n n e tto re tip ic o è a vaschetta con 9 pin, ma ne possono bastare 3 (Tx, Rx e massa) per il colle­ g a m e n to con un PLC (Programmable Logic Con­ troller, fig . 6.9), un sistem a di acquisizione dati o un m o dem te le fon ico .

+5 v

S ta n d a rd RS 2 3 2 .

Le soglie standard del ricevitore sono a ±3 V. Per fa cilita rn e l'u tiliz z o , i driver com m erciali con­ te n g o n o già un circuito duplicatore e un inverting p er la co stru zio n e del ±10 V a partire dal +5 V (o dal + 3,3 V) di a lim en ta zio n e del co m p o n e n te (fig. 6.8). Scheda 26 - Prove su RS 232 RS 485 Lo standard RS 4 8 5, a pprovato nel 1983 dalla EIA (Electronic Industries Alliancé), u tilizza te n s io n i differenziali ed è in g ra d o di lavorare con un d o p ­ p in o standard da 24 A W G fin o a 1,2 km (4 .0 0 0 piedi) con velocità 90 kbps (fig. 6.10).

Data rate [bps]

Inoltre, per elim inare false trasm issioni d o vute a ingressi logici sconnessi, questi ingressi sono in ­ te rn a m e n te polarizzati nello sta to di m ark (livello 1) m e d ia n te una resistenza di p u ll-u p . In m o d o a n a lo g o , per e vita re false ricezio ni nel caso di

R e la z io n e d is ta n z a v e lo c it à in RS 4 8 5 p e r un d o p p in o 2 4 A W G is o la t o in p o lie t ile n e .

Distanze superiori p ro d ucon o una caduta ohm ica eccessiva nei livelli dei b it, m e n tre ve lo cità su236

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

p e rio ri, fin o a un m assim o di 10 M bps (i lim iti presenti nello slew rate dei d rive r non consen­ to n o di più), sono possibili se v e n g o n o rid o tte le distanze. Sul d o p p in o , di im pedenza caratteristica 120 Q e a d a tta to a e n tra m b e le estrem ità con resistenze da 120 Q, possono affacciarsi fin o a 32 dispositivi rice tra sm e ttito ri (transceiver). In fig . 6.11 la ter­ m in a zio n e va ie il parallelo della resistenza Rt con la serie Ry + Rd di polarizzazione della linea.

Ru

Rt

Rd

[O O C ^ +5V OV

Ru

Rt

Rd

|-C=J-C=H=F| V -

tì>

■ +5 V

primo dispositivo

OV'

A p p lic a z io n e tip ic a c o n M A X 4 8 5 (M a x im , T e x a s In s tru m e n t s ).

Il te rm in a le DE g o ve rn a l'a lta im pe d e n za delle uscite di trasm issione, m e n tre RE p u ò in te rd ire la ricezione se si vuole evitare l'eco del segnale trasm esso. La fig. 6 .1 4 m ostra una connessione in rete RS 4 8 5 tra un PC e un g ru p p o di AC servo drive per le operazioni di co n fig u ra z io n e e m o n ito ra g g io degli azionam enti.

ultimo dispositivo Personal Computer/

L in e a h a lf d u p le x p e r RS 4 8 5 c o n p a rtit o ri di

P L C or Controller

te rm in a z io n e . R S232

il flusso d e ll'in fo rm azion e è bidirezionale half d u ­ plex, ovvero le inform azioni possono viaggiare in e n tra m b e le direzioni, ma non sim ultaneam ente. Lo standard specifica solo le caratteristiche e le ttri­ che degli in te gra ti driver e receiver da usare com e interfaccia sulla linea, m entre lascia all'utilizzatore la scelta del p ro to c o llo di c o m u n ica zio n e per il govern o della trasm issione. Le te nsio ni di o g n i co n d u tto re , rife rite a massa, sono +5 V e 0 V, m entre la tensione d iffe re n z ia ­ le tra i due c o n d u tto ri assum e valori ±5 V (fig . 6 . 12 ).

RS 2 3 2 / R S 485 Converter

Data +

Servo 1 Connector 485+

RS 485

D ata Vs GND

Servo 2 Connector 485+

Power Supply (If required)

485-

R e te RS 4 8 5 tra P C e A C s e rv o d riv e .

Scheda 27 - Prove su RS 4 8 5 RS 422 Lo standard RS 42 2 è unidirezionale, bilanciato e prevede un solo driver a un capo della linea con fin o a 10 ricevitori su linea te rm in a ta da 100 Q (fig. 6.15).

T r a s m is s io n e d iffe re n z ia le RS 4 8 5 .

Il ricevitore presenta soglie a ± 200 m V a ll'In te rn o del range - 7 V ± 12 V (ovvero 0 ± 5 V con ±7 V di m o d o com une). Un d rive r tip ic o è il M A X 4 8 5 rip o rta to in fig . 6.13.

UNITA DIDATTICA 6

V olendo collegare due dispositivi a distanza con scam bio dati bidirezionale, per esem pio in sostitu­ zione di una RS 232, occorrono perciò due doppini (fig. 6.16), m entre diventa ancora più com plesso collegare fra loro più ricetrasm ettitori.

V cc

V cc

Fieldbus

6-2

La com u n ica zio n e rappresenta un a sp etto di im ­ portanza sem pre crescente n e ll'a u to m a z io n e in ­ dustriale, perché p e rm e tte una gestione sem pre più in te gra ta dei processi p ro d u ttiv i, la raccolta e l'archiviazione di in fo rm a z io n i relative alla p ro ­ duzione, da destinare ai livelli gerarchici superiori (tab. 6.1), o ltre a fa cilita re le fu n z io n i di teleco­ m ando e teleassistenza. Livello 3

2 1

Funzione p ia n if ic a z io n e e g e s t io n e s is t e m i d i s u p e r v i s io n e d is p o s it iv i d i a u t o m a z io n e e s t r u m e n t a z io n e in c a m p o L iv e lli g e r a r c h ic i d i g e s t io n e d e i p ro c e s s i.

GND

^

GND

C o n f ig u r a z io n e RS 4 2 2 .

Una soluzione m o lto utilizzata per co n ne tte re un co n tro lle r (master, co o rd in a to re) a più dispositivi co n tro lla ti (slave, servitori), utilizza una c o n fig u ­ ra zio n e m ista 4 2 2 /4 8 5 a 4 fili (fig . 6 .1 7 ), due per i com andi inviati dal m aster verso gli slave e due per convogliare verso il m aster le risposte di rito rn o , provenienti dai diversi slave.

N e ll'a u to m a zio n e in cam po (livello 1), o ltre alla presenza di una rete ad alta velocità per la co­ m unicazione con il livello superiore (fig. 6.18), la d isp o n ib ilità di m icroprocessori a basso costo ha reso possibile la connessione in rete dei d isp o ­ sitivi stessi (sensori e a ttu a to ri sm art) m e d ia n te reti di cam po (fieldbus), fin o al livello del singo­ lo sensore, con se m p lifica zio n i nel ca b la g g io e la possibilità eventuale di delegare ai dispositivi periferici alcuni a m b iti decisionali (auto m a zio n e distribuita).

Touch Panel

Livello 2

Ethernet

I

C P U 315-2PN / DP

Inverter ACS800

J l ___ Profi bus

Livello 1

E s e m p io d i a u t o m a z io n e c o n re te g e r a r c h ic a C o n f ig u r a z io n e 4 2 2 / 4 8 5 .

Per e vita re c o n flitti sulla linea di rito rn o , dove sono agganciati tu tti i driver degli slave, si utilizza­ no integrati 48 5 e l'accesso alla linea è governato m e d ia n te a p po siti com andi inviati dal master.

(E th e rn e t ) e f ie ld b u s (P ro fib u s ).

Per g a ra n tire l'in te rc o n n e ttiv ità tra o g g e tti in cam po costruiti da p ro d u tto ri differenti, sono stati d e fin iti alcuni insiemi di regole prescrittive specifi­ che per l'a u tom a zio n e, ra g g ru p p a ti in p ro to colli,

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

che specificano, o ltre al livello fisico-e le ttrico , la m odalità di accesso alla linea, la sincronizzazione, ecc. Un fieldbus (term ine indicato dalla Com m issione Elettrotecnica Internazionale, IEC) è, a p p u n to , un p ro to c o llo per rete industriale standard, stu d ia to a p p o sita m e n te per g a ra n tire la co m u n ica zio n e seriale tra i dispositivi in cam po (am biente m o lto d istu rb a to ), a ll'in te rn o di un processo a u to m a ­ tiz z a to (fig. 6.19).

I prim i due livelli g a rantiscono la co m unicazione tra i processori e il livello 7 garantisce la c o m u ­ n ica zio n e tra le a p p lic a z io n i; le p restazioni dei livelli m a n ca n ti, se necessarie, sono incluse nel livello 7. II liv e llo fis ic o -e le ttric o (livello 1) è responsabi­ le della tra sm issio n e dei d a ti tra due a p p a ra ti a d ia cen ti attra ve rso il m ezzo fisico; co n tie n e le specifiche dei cavi, dei c o n n e tto ri, del m o d o di trasm issione, dei livelli dei segnali, ecc. Il livello d a ta link (livello 2, scam bio d a ti) è re­ s p o n s a b ile d e lla p re p a ra z io n e dei d a ti per la trasm issione (p re a m b o lo , indirizzo d e stinatario, m itte n te , dati, fin e m essaggio, ecc.) e gestisce la validazione dei fra m e dati trasmessi e ricevuti. Il livello applicazione (livello 7) o ffre i servizi ne­ cessari alle applicazioni di a lto livello com e, per e se m p io , file tra n sfe r, read, w rite , sca m b io di messaggi.

Process Management

Field (campo)

Data link In un sistema di com unicazione s tru ttu ra to a bus, il livello data lin k specifica la m o d a lità di accesso al m ezzo fisico utilizzata dai diversi u ten ti. In una c o n fig u ra z io n e m aster-slave (fig . 6.20), con un solo m aster (c o o rd in a to re d e ll'a u to m a ­ zione) che co n tro lla più slave (periferici di misura o di a zionam ento), la soluzione più diffusa, detta p o llin g -se le ctin g (inte rrog a zio n e con selezione), prevede che gli slave rispo n d a no solo a seguito di una chiam ata da parte del master.Il

^ f i e l dbus.

Un p ro to c o llo è d e tto proprietario se è s ta to re d a tto da un solo fo rn ito re o da un'associazione di p ro d u tto ri, m e n tre è d e tto aperto se la sua applicazione è libera anche per a ltri c o stru tto ri. Un p ro to c o llo pu ò essere standard di fatto, se risulta u tilizzato da m oltissim e aziende del s e tto ­ re, o standard normativo, se è sta to e la b o ra to e in d ica to da e n ti governativi. L'O rganizzazione In ternazionale per gli Standard (ISO) ha in d iv id u a to un m o d e llo (ISO-OSI, ISO 7 498) per i sistem i di interconnessione, del tu t ­ to generico, s tru ttu ra to su sette livelli di servizio (tab. 6.2). Livello

7 6 5 4 3 2 1

Applicazione Presentazione Sessione Trasporto Network Data link Fisico-elettrico

Servizio

formato di codifica apertura e chiusura di una comunicazione impacchettamento instradamento accesso al mezzo, CRC cavi, livelli

T e c n ic a m a s te r-s la v e .

Il d isp o sitivo m aster (PLC, PC) in te rro g a ciclica­ m e n te gli slave in via n d o sul bus un m essaggio di in te rro g a zio n e (di richiesta, di p olling), chiuso a ll'in te rn o di due d e lim ita to ri u n ivo ci e c o n te ­ n e nte l'in d iriz z o de llo slave d e stin a ta rio , il tip o di richiesta e uno o più caratteri di c o n tro llo per la verifica d e ll'in te g rità del m essaggio stesso (fig. 6 .2 1 ).

M o d e llo IS O -O S I.

Per essere più veloci, i p ro to co lli fie ld b u s im pe ­ gnano solo i livelli 1, 2, 7 del m odello ISO-OSI; per questo m o tivo sono d e tti standard collassati. 239

UNITA DIDATTICA 6

Delim. iniziale

Indirizzo dello slave

Funzione richiesta

Dati eventuali associati alla funzione

Caratteri di controllo

Per esem pio, se il carattere di co n tro llo vale 5F H, si inviano i due caratteri " 5 " + 'F \ I m essaggi co m p o sti in formato binario sono invece più c o m p a tti, ma possono contenere byte di valore c o in c id e n te con il co d ice scelto per i d e lim ita to ri. Per questo m otivo, prim a di essere inviati in linea, i m essaggi da tra s m e tte re sono so ttop o sti a una verifica di co n gru ità, duplica nd o i valori pari ai d e lim ita to ri, per renderli riconosci­ bili in ricezione, dove avviene il processo inverso prim a della loro elaborazione. I d e lim ita to ri utilizzati sono da 2 byte. Im piegando, per esem pio, 10 FI + 02 FI per iden­ tifica re l'in izio del messaggio e 10 FI + 03 H per la chiusura, per evitare false in te rp re ta zio ni in rice­ zione, eventuali caratteri di valore 10 Fi a p p a rte ­ nenti al corpo del messaggio (controllo com preso) vanno trasmessi duplicati, indipendentem ente dal valore del carattere che segue. In questo m o d o una coppia di 10 H viene riconosciuta in ricezio­ ne com e a p pa rte n e nte al co rp o del m essaggio e rico m p a tta ta in un solo byte, in d ip e nd e n tem e nte dal carattere che segue, m entre le co p pie dei de­ lim ita to ri risultano univo ca m e n te in d ividuabili.

Delim. finale

S tru ttu ra tip ic a d i u n m e s s a g g io d i p o llin g .

Lo slave selezionato risponde con un messaggio stru ttu ra to in m odo analogo, indirizzato al master (fig. 6.22). *il

Delim. iniziale

Indirizzo del master

Funzione richiesta

Dati richiesti

Caratteri di controllo

Delim. finale

R is p o s ta tip ic a a u n m e s s a g g io d i p o liin g .

La m o d a lità di com posizione dei caratteri di con­ tro llo è diversa in o gni p ro to collo . Può essere specificata com e parità verticale a 8 b it (pari o dispari) tra i diversi byte del m essaggio, com e som m a a 8 b it di alcuni o di tu tti i caratteri del m essaggio ( checksum , som m a di co n trollo), tra scu ra n d o gli eventuali tra b o cch i o ltre l'o tta v o bit, o p p u re com e risultato di una particolare ela­ borazione iterativa, abbastanza complessa, d e tta co n tro llo a ridondanza ciclica (CRC, Cyclic Redundancy Check), so lita m en te a 16 bit. il p ro to co llo indica anche il te m p o di pausa che deve intercorrere tra i diversi messaggi. I messaggi possono essere in fo rm a to ASCII {Ame­

0

Esercizi svolti n. 3, 4, 5 Esercizi da svolgere n. 4, 5, 6

HART Il p ro to collo FIART (Highway Addressable Remote Transducer), d iffu so nei sensori 4 ± 2 0 m A a sicu­ rezza intrinseca, per applicazioni in zone con pe­ ricolo di esplosione (Ex, fig . 6.23), consiste in una com u n ica zio n e seriale asincrona (UART) a 1.200 bps, o tte n u ta m o dulando ±0,5 m A la corrente del sensore con frequenza 1.200 FHz per tra sm ette re un b it di livello 1, o p pu re 2 .2 0 0 Hz per il livello 0 (m o d u la zio n e FSK, Freguency Shift Keying, Bell 2 0 2, fig . 6.24). La c o m u n ic a z io n e è b id ire zio n a le , h a lf duplex, singola (p u n to -p u n to ) se si tra tta di un senso­ re analogico o m u ltip u n to (fin o a 15 slave) se si tra tta di un bus d ig ita le in co rren te a 4 m A. Trat­ ta nd o si di linea in corrente, le distanze possibili sono superiori al ch ilo m etro. Il p ro to c o llo è p o lling-selecting. O gni messaggio (fig. 6 .25 ) è co m p o sto da caratteri con codifica NRZ, cioè o g n i sin g o lo ca ra tte re c o m p re n d e 1 b it di Start, 8 b it di dato, la parità e 1 b it di Stop, perciò, co n siderato il b it rate lim ita to , le co m u n i-

rican Standard Code for Information Interchange) 0 binario. 1 m essaggi c o m p o s ti con c a ra tte ri ASCII, d e tti messaggi in chiaro, u tilizzano d e lim ita to ri scelti tra i caratteri sicuram ente non im piegati nel corpo del m essaggio, per esem pio S T X =02 H, E TX =03 H, $ = 24 H, ? = 3 F H, @ = 40 H. Si tra tta di una soluzione facile da leggere per gli o p e ra to ri ma dispendiosa com e im pieg o di byte, basti pensare, per esem pio, che per indirizzare lo slave num ero 100 servono tre byte (" 1 ' + '0 ' + '0 ') anziché un o solo in codice b in a rio (0 1 1 0 0 1 0 0 b = 64 H = 100). Inoltre, per garantire che i ca ratteri di co n tro llo , calcolati solo al te rm in e della com posizione del m essaggio, non assum ano va lo ri id e n tici ai ca­ ratteri di delim itazione, si scom pone ciascun byte o tte n u to in due parti e si tra s m e tto n o in chiaro i due valori da 4 b it, u tiliz z a n d o i due ca ra tte ri ASCII co rrisp on d e n ti. 240

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

cazioni possibili in un secondo (request-respons) sono so lita m en te in fe rio ri alla decina.

MODBUS Il p ro to c o llo MO DBUS, p ro p o s to dalla Compa­ gnie de Regulation et de Controle IndustrieI, è un o standard che definisce solo il livello data link, u tiliz z a to su bus di q u alsivoglia livello fisico (in corrente, 232, 4 8 5, E thernet, ecc.). È a d a tto per co n ne ssio ni p u n to -p u n to o p p u re m u ltip u n to del tip o m aster-slave, in m o d a lità polling-selecting. Dal p u n to di vista del pro to collo , ogni slave risulta o rg a n izza to in due aree: • area word, c o n te n e n te tu tte le g randezze num eriche, i param etri di personalizzazione (i valori m isurati, i valori di soglia, i c o e ffic ie n ti, i tim e -o u t, ecc.); • area bit, c o n te n e n te tu tti gli stati binari (co­ m andi, allarm i, ingressi, ecc.). I messaggi possibili co n te m p la n o , q u in d i, pochi codici (tab. 6.3), con l'a g g iu n ta del m essaggio di broadcast, di indirizzo " 0 " , di sola scrittura e senza risposta.

P ro d u c tio n m a n a g e m en t level

Funzione

P ro c e s s

Codice

lettura n bit lettura n word scrittura 1 bit scrittura 1 word scrittura n bit scrittura n word broadcasting

A p p lic a z io n e d i H A R T in z o n a Ex.

Risposta

1 oppure 2 3 oppure 4 5 6 15 16 -

bit letti word lette eco eco eco header eco header -

A lc u n i c o d ic i fu n z io n e M O D B U S .

La trasm issione è asincrona, s tru ttu ra ta in byte e c o d ific a ta in ASCII o in b in a rio RTU (Remote

Terminal Unit). In ASCII mode, il tra m e (fig . 6 .26 ) inizia con il ca ra tte re due p u n ti (3A H ) e te rm in a con i due caratteri CR (ODH) e LF (OAH).

Preamble

SD

AD

CD

BC

Status

Data

Parity

Field device and communication status (onlyfrom field device to master) Byte count

3AH

Indirizzo dello slave

Funzione richiesta

Dati eventuali associati alla funzione

LR C

CR ODH

LF OAH

1 byte

2 byte

2 byte

n byte

2 byte

1 byte

1 byte

F ra m e M O D B U S in A S C II m o d e .

H A R T instruction

A l suo in te rn o sono possibili solo i sedici caratteri 0 -p 9, A - p F, ciascuno dei quali fo rn isce una cifra esadecim ale di in fo rm a z io n e , com presi i 2 byte conclusivi di co n tro llo LRC (Longitudinal Redundancy Check). I due byte ASCI! di LRC corrispon-

Display terminal and field device addresses Start Character

S tru ttu ra d i u n m e s s a g g io H A R T .

241

UNITA DIDATTICA 6

d o n o al co m p le m e n to a due della som m a a 8 b it dei byte a m o n te , escluso il due p u nti. In RTU mode, il tra m e inizia e te rm in a con un silenzio pari ad alm e n o 3,5 caratteri (fig . 6.27), e co n tie n e 2 byte di c o n tro llo CRC.

lin k-p o w e r), su una distanza che pu ò arrivare a 100 m. Type of control F ie ld b u s

Silenzio

4 byte Urne

Indirizzo Funzione dello slave richiesta

1 byte

Dati eventuali associati alla funzione

1 byte

n byte

Process Control CRC

Profibus PA EtherCAT Profinet SERCO S

D ev iceb u s

Silenzio CAN Profibus DP

Logic Control

2 byte 4 byte rime

S e n s o rb u s ASI CAN

F ra m e M O D B U S in RTU m o d e .

Type of device

Simple devices (bit)

C om e tu tti i tra m e in fo rm a to b in a rio , il tra m e RTU risulta c o m p a tto . Per inviare, per esem pio, il valore 63 H, basta un solo byte in RTU m ode (63 H = 01 10 0 0 1 1 ), m e n tre se rvo n o due byte in ASCII m ode ( " 6 " + " 3 " = 3 6 H + 33 H = 0011 0110 + 0011 0011). Le regole di scam bio prevedono che lo slave ri­ sponda solo se il messaggio di interrogazione a lui d ire tto risulta co rre tto nel CRC (o p p ure LRC). Se rileva un codice e rra to o un indirizzo di m em oria inesistente a ll'in te rn o di un m essaggio c o rre tto a lui d e s tin a to , rispo n d e con un m essaggio di errore, ca ra tte rizza to dal byte di codice fu nz io ne con il b it MSB = 1, se g uito dal codice dell'errore.

Midrange (byte)

Complex devices (block)

S u d d iv is io n e d e lle re ti d i c a m p o .

Lo scam bio d a ti è ciclico, con un m essaggio di richiesta da p arte del m aster lu n g o 14 b it (fig. 6 .29) e risposta dello slave di 7 bit. Richiesta del Master ST

A4

SB

A3

A2

A1

AO

IO

PB

EB

I4

Risposta dello Slave ST

I3

11

I2

ST SB

I3

I2

11

IO

PB

EB

= start bit (sempre 0) = bit di inizio messaggio

I4... IO = informazioni da master a slave (5 bit) o da slave a master (4 bit) PB = bit di parità EB = bit di line messaggio (sempre 1) S tru ttu ra d e i m e s s a g g i A SI.

Esercizi svolti n. 6, 7

Con 31 slave connessi, il ciclo dura m eno di 5 ms. O gni slave può gestire fin o a 4 e le m e n ti o n /o ff, per un to ta le di 124 elem enti slave sulla rete. I singoli b it sono co d ifica ti M anchester (fig. 6.30), una codifica, priva di c o m p o n e n te co n tin ua , che contiene il clock m iscelato con i dati, così da tener s in cro n iz za to il ricevitore. Il chip che gestisce il p ro to c o llo ASI è reperibile sul m ercato.

Esercizi da svolgere n. 7, 8, 9, 1 0 ,1 1 , 12

ASI Le reti di ca m p o possono essere suddivise per ca pacità trasm issive in a lm e n o tre g ru p p i d e tti rispe ttiva m en te : • sensorbus, q u a n d o tra tta n o solo g ru p pi di po­ chi bit; • devicebus laddove il singolo messaggio traspor­ ta alcuni byte; • fie ld b u s q u an d o in o g n i m essaggio è presente un in te ro blocco di d ati (fig. 6.28).

V '

t

0 Un esem pio tip ic o di sensorbus è il p ro to c o llo ASI {Actuator Sensor Interface), p ro p os to da un g ru p p o di aziende specializzate nella sensoristica e negli a zio n ato ri o n /o ff. M e d ia n te un cavo b ifi­ lare isolato in g o m m a gialla, con sezione 2x1,5 m m 2, il sistem a ASI fo rn is c e l'a lim e n ta z io n e in co n tin u a (30 V, 100 m A ) e scam bia i d ati in half d u p le x tra il m a ste r e fin o a 31 slave (sistem a

'

*

4\

0

1

j

0

1

1

1

0

C o d ific a M a n c h e s t e r .

Profibus DP La rete Profibus DP (Data Processing) è asincrona, con co d ifica NRZ (11 b it/b yte , con parità pari), e utilizza il livello e le ttric o RS 4 8 5 , con fin o a 32 242

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

stazioni disposte su una linea differenziale, la cui estensione è legata alla velocità di trasm issione selezionata. Il sin g o lo n o d o si presenta in c o n ­ te n ito re m e ta llico (fig . 6 .3 1 ), con m o rs e tti per l'e n tra ta e per l'uscita della linea, così da evitare spezzoni e d isa d atta m e n ti. *Il

della trasm issione (errori, trasm issione te rm ina ta , ecc.). La trasm issione è half duplex, m u lti master, o rie n ­ ta ta agli o g g e tti (senza a lcu n o slave). Le d ista n ze possibili su d o p p in o te rm in a to da 1 2 0 Q (fig . 6 .3 2 ) v a n n o da 5 km con b it rate 10 kbps, a 500 m con velocità 125 kbps, fin o a 4 0 m a 1 M bps.

Hi

N o d o P ro fib u s.

O gni no do dispone di resistenze di te rm ina zion e , da inserire con uno sw itch solo se in posizione te rm in a le sulla linea. Da notare la designazione dei due co n d u tto ri (A, B) discordi rispetto alle sigle dei te rm in a li del transceiver RS 485. il no do P rofibus è g e stito da un ap po sito in te gra ­ to co n trollore di com unicazione, interfacciato con il m icroprocessore attraverso una m em oria RAM dual port. In questo m o d o il microprocessore, che vede gli a ltri disp o sitivi in rete co m e ta b e lle di va lori, pu ò scrivere in m e m oria i dati che vuole inviare in indirizzi ben specificati e leggere i valori di rito rn o da a ltri indirizzi di m em oria. La tecnica di gestione della rete è master-slave.

I nodi sul bus non hanno indirizzo, m entre l'h a n ­ no i messaggi, id e n tific a ti m e diante un indirizzo (ID, Id en tifie r) di 11 b it nella fo rm a base (29 nel fo rm a to esteso), per un to ta le di 2 .0 4 8 possibili messaggi diversi. Ciascun dispositivo riceve tu tti i messaggi e de­ cide al suo in te rn o se un m essaggio è di suo in ­ teresse, filtra n d o lo m e diante apposite maschere p ro g ra m m a te all'accensione. I b it sono c o d ific a ti NRZ, ma considerate le velo­ cità, la sincronizzazione tra i dispositivi in linea è g a ra ntita inviando un su fficie n te num ero di tra n ­ sizioni, im piegando la tecnica b it s tu ffin g , ovve­ ro a g g iu n g e n d o nel m essaggio un b it di polarità o p p o sta {stuff bit) ogni q u a lvo lta si in c o n tra n o nel m essaggio cinque b it consecutivi di identica p o la rità (fig. 6.33), com preso lo stesso s tu ff bit.

CAN Il p ro to c o llo C A N {Controller Area Network) è sta to p ro p o s to la p rim a v o lta da Philips per la fa bb rica di a u to m o b ili BMW , per ridurre il volum e dei co lle g a m e n ti in te rn i a ll'a u to m o b ile , con un a lle g g e rim e n to com plessivo di circa 15 kg. Definisce solo i livelli OS11 e 2, sostenuti ris p e tti­ vam ente da un transceiver hardw are differenziale esterno (8 2 C 251) e un hardw are data link, standa lo n e o p p u re già in te g ra to nei m icroprocessori industriali. Il liv e llo a p p lic a tiv o vede q u in d i il CAN com e due zone di registri, rispe ttiva m en te da scrivere (trasm issione) o da leggere (ricezione), con l'a g ­ g iu n ta dei fla g di co m a n d o della trasm issione, di segnalazione della ricezione (inte rrup t) e di status

01111110

6

10

5

\ \ \

r 5

’Ii 5

\

\1

\I 5

5

B it d i s tu ffin g .

Il ricevitore riconosce e to g lie i b it di s tu ffin g pri­ ma di in te rp re ta re il m essaggio. 243

UNITA DIDATTICA 6

L'accesso al bus è casuale, a w ie n e in te c n ic a CSMA/CR (Carrier Sense Multiple A ccess/ Collislon Resolution), ovvero ciascun dispositivo che in te n d e tra sm e tte re a tte n d e p rim a che la linea sia in silenzio (CS, linea libera) e poi inizia la tra ­ sm issione. D u ra n te la trasm issione, il dispositivo ascolta il m essaggio presente in linea e, se rileva un valore diverso da q u a n to sta scrivendo, si ri­ tra e , a tte n d e n d o u n 'a ltra occasione di silenzio (fig. 6.34).

co n tin u a in d is tu rb a to la sua trasm issione. C o n ­ siderata la lunghezza della linea e la velocità di propagazione dei segnali (5 ns/m), le collisioni, se esistono, avvengono nei prim i b it del m essaggio, q u elli c o rris p o n d e n ti a ll'ID ; p e rta n to , nell'asse­ g n azion e d egli ID ai diversi m essaggi, è im p o r­ ta n te te ne r c o n to che gli indirizzi bassi risultano in qualche m odo privilegiati rispe tto agli indirizzi alti.

Collisione

11110

0

111

11110

0

110

11110

0

110

N odon

N odok

Bus

S tru ttu ra del tra m e C A N . C o m p o rt a m e n t o a lla c o llis io n e .

Il m essaggio (fig. 6.36) c o n tie n e un ca m p o dati m assim o di 8 byte e un c o n tro llo di errore (CRC) a 16 bit. Un b it di conferm a (ACK, Acknowledge), di livello recessivo, viene p o rta to basso dai d i­ spositivi che h a nno com preso il m essaggio, re­ s titu e n d o al tra s m e ttito re , che si sta ascoltando, la co n ferm a che il m essaggio è sta to com preso. In caso c o n tra rio , il d a ta lin k C A N c o n tin u a a ritra sm e tterlo , fin o a conferm a.

La collisione tra due trasm issioni in co n te m p o ra ­ nea non causa perdita di in fo rm a z io n e in linea (CR), perché i driver sono stru ttu ra ti internam ente in m o d o da presentare un livello basso più ro b u ­ sto (d o m ina n te , fig . 6 .35 ) rispe tto al livello alto (recessivo).

v

L iv e llo d o m in a n t e e re c e s s iv o .

In q u esto m odo, uno zero in linea sovrasta l'u n o che c o llid e e il m essaggio c o n te n e n te lo zero 244

H M

K c ir c u it o

■

■

■

R

ìu f g

d i in g re s s o p e r s c h e d a

E le ttro n ic a ).

can

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

La fig. 6 .37 rip o rta lo schem a tip ic o di ingresso di una scheda CAN. Il m icro co n tro llo re (DSP 58F803) gestisce gli I/O d ig ita li e analogici m e diante la p o rta SPI e il con­ te g g io di un encoder bicanale in in te rru p t. La connessione CAN è isolata galvanicam ente dal m icro co n tro llo re , m e diante acco p piato ri o ttic i, e a lim e n ta ta da un co n ve rtito re DC/DC (+5VC AN ). Tra il driver (PC A82C 251T) e il c o n n e tto re è pre­ sente la resistenza di te rm ina zion e , da inserire se si tra tta d e ll'u ltim o nodo. La velocità è c o n fig u ­ rabile (500 kbps /1 M bps) attraverso d ip -sw itch , sei dei quali se ttan o la p arte bassa d e ll'in d irizzo di scheda.

Spina R J4 5

Presa R J4 5

Esercizi svolti n. 8, 9 Esercizi da svolgere n. 13, 14

T e rm in a z io n e R J 4 5 p e r c a v o a q u a t t ro d o p p in i.

Le spine ve n g o n o fissate al cavo tra m ite apposite pinze (fig. 6.40), m entre le prese vanno cablate u tilizzan d o inseritori a scatto (panch tool).

|| cablaggio del campo I 2 J ) Ethernet E thernet è lo standard più diffuso di connessione in rete locale (IEEE 8 0 2 .x). Im p le m en ta i prim i livelli del p ro to co llo TCP/IP ( Transmission Control Protocol, fig . 6.38) secondo il m o d e llo ISO/OSI. In particolar m o d o si occupa del livello fisico, e le ttri­ co, data link e n e tw o rk delle reti locali. O SI Model

T C P /IP Model

Application P in z a p e r R J 4 5 e p a n c h to o l. Presentation

Application

Il cavo, di im pedenza caratteristica 100 Q, può essere non scherm ato (UTP, Unshielded Twisted Pair), con scherm o u n ico a fo g lio (FTP, Foiled), con uno scherm o per o g n i sin g o lo d o p p in o (STP, Shielded), o e v e n tu a lm e n te con d o p p io scher­ m o (con l'a g g iu n ta di una u lte rio re scherm atura complessiva). Può essere, in o ltre , di diversa ca te ­ goria (5e, 6, 7), in base alla q u alità delle co sta nti p rim arie e secondarie (tab. 6.4).

Session

Transport

Transport

Network

Internet / -------

\

Data Link Network A cce ss Physical

J

L iv e lli OSI e T C P /IP .

Livello fisico A livello fisico le connessioni in a m b ito locale sono realizzate con cavo m u ltip o la re a q u a ttro coppie a tto rcig lia te , con spine e prese RJ45 (fig. 6.39).

Categoria

AWG

5e

22-24

6 7

22-24 22

Applicazione

100Base-TX 1000Base-T 1000Base-TX 10G

U [MHz]

100 250 600

C la s s if ic a z io n e d e i c a v i s e c o n d o la n o r m a E IA -5 6 8 .

245

UNITA DIDATTICA 6

Per porre o rd in e tra le siglature u tilizzate dai co ­ s tru tto ri, n o n sem pre u n ivo ch e , le n o rm e ISO/ IEC 11801 p re ve d o n o u n 'in d ic a z io n e d o p p ia , che ripo rta il tip o di scherm o u tiliz zato su ciascun d o p p in o e per l'in te ro cavo (tab. 6.5). Sigle

Il ca b la gg io s tru ttu ra to degli edifici prevede che parte dei dispositivi di co m u n ica zio n e e altre ap­ parecchiature, com e, per esem pio, p e rife rich e , server e UPS, siano ra g g ru p p a ti per o gni piano in un unico a m b ie n te de dicato , realizzando un ca b la gg io o rizzon ta le (fig. 6.41). L 'a m b ie n te riservato c o n tie n e un a rm a d io con i patch panel di d is trib u z io n e e i patch cord di c o lle g a m e n to tra le prese (fig. 6.42). Gli spezzoni, che collegano il PC alla presa a muro, e i patch cord h anno una spina su e n tra m b i i lati, m entre il cablaggio incassato, che va dalla scatola a m u ro fin o al patch panel, te rm in a su prese. Tranne pochissim e situ a zio n i, le connessioni ri­ ch ie d o n o cavi d ritti con i d o p p in i posti e n tra m b i secondo una delle sequenze T568 (tab. 6.6 e fig. 6.43).

Schermo Per ogni Complessivo doppino

Commerciali

ISO/IEC 11801

UTP

U/UTP

no

no

STP

U/FTP

fo g lio

no

FTP, STP

F/UTP

no

fo g lio

STP

S/UTP

no

calza

SFTP, STP

SF/UTP

no

calza, fo g lio

FFTP

F/FTP

fo g lio

fo g lio

SSTP, SFTP

S/FTP

fo g lio

calza

C o rris p o n d e n z a tra sig le c o m m e rc ia li e IS O /IE C 1 1 8 0 1 .

T568A

Pin 1

T568B

bianco verde

bianco arancio

2

verde

arancio

3

bianco arancio

bianco verde

4

blu

blu

5

bianco blu

bianco blu

6

arancio

verde

7

bianco m arrone

bianco m arrone

8

m a rro n e

m arrone

S ta n d a rd T 5 6 8 .

Pair 2

Pair 3

T568A

T568B

C a b la g g io o riz z o n t a le e v e rtic a le .

Cablaggio orizzontale

S c h e m i d i c a b la g g io T 5 6 8 .

Per realizzare cavi incrociati (cross) si im piegano schem i diversi alle due estrem ità. Il cablaggio verticale tra i diversi arm adi di piano è realizzato tra m ite backbone, in cavo o in fib ra . Per la degradazione del segnale lu n g o il cavo, la lunghezza com plessiva del c o lle g a m e n to tra due dispositivi non p u ò superare i 100 m (fig. 6.44), salvo ricorrere a repeater o co n ve rtito ri per fib ra o ttica .

P a tc h p a n e l e p a t c h c a b le .

246

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

c e rtific a to , s o tto p o n e n d o lo a prove e le ttrich e e m isurando il livello di accoppiam ento tra i d o pp in i ( crosstalk, diafonia), m e diante appositi stru m e n ti connessi ai due estrem i (fig. 6.46).

T e s te r p e r reti.

Esercizio svolto n. 10

La connessione fisica orizzon ta le tra i dispositivi è a stella, o tte n u ta m e d ia n te dispositivi hu b (e sw itch). Gli hub (fig. 6 .47) sono dei m u ltip o rt repeater che gestiscono un solo p a c c h e tto in a rrivo per volta, rip o rta n d o lo su tu tte le altre uscite senza d istin zio n e alcuna.

Esercizio da svolgere n. 15

Livello elettrico I segnali sono d iffe re n z ia li, isolati a tra s fo rm a ­ to re da e n tra m b e le p a rti (fig . 6.45), con i pin 1 e 2 im p e g n a ti nella trasm issione, 3 e 6 per la ricezione. *Il

B

Poiché la tecnica di accesso al m ezzo è C S M A / CD (Collision Detect), ad accesso casuale con rile va m e n to della co llisione (senza possibilità di risolverla), la rete va sem pre d im e n sio n a ta con velocità superiore alla reale necessità di scam bio dei d ati ( throughput). Un access p o in t (fig. 6 .48) è un h u b transceiver radio che pe rm e tte la connessione in rete di d i­ spositivi wireless, con m o lte più fu n z io n i, so p ra t­ tu tto legate alla sicurezza di accesso.

C o n n e t t o r e fe m m in a E th e rn e t c o n tra s fo rm a t o re in c o rp o ra to .

La codifica è M anchester, con il clock m iscelato ai dati. Le velocità sono alte, tip ica m en te 100 M bps, con fra m e che p o rta n o pacchetti da non più di 1,5 kbyte, distanziati di alm e n o 96 b it-tim e . Il ca b la g g io , una v o lta re a lizzato , deve essere 247

UNITA DIDATTICA 6

L'efficienza d e ll'o ccu p a z io n e della rete, m igliora ricorre n do a uno sw itch che utilizza gli indirizzi M A C dei dispositivi connessi (fig. 6.50). Lo switch è un HUB in te llig e n te che individua gli indirizzi M A C dei dispositivi connessi sui diversi p o rt, si costruisce nel te m p o una ta b e lla delle allocazioni (tab. 6.7) e, le tto il M A C d e stin atio n address del p a cch etto in arrivo, realizza solo la connessione stre tta m e n te necessaria fra tra sm et­ tito re e d e stin ata rio (fig. 6.51), riducendo le pos­ sibilità di collisione. Port

MAC address

E1

32C4.8FA2.9801

E2

069B. FC54.651B

E3

32C 4.8FA2.9878

E4

32C 4.8FA2.9832

Livello data link O gni interfaccia per rete E thernet dispone di un indirizzo univoco al m o n d o , d e tto MAC (Media Access Control) co m p o sto da 48 b it (6 byte) che id e n tifica n o sia il c o s tru tto re (prim i 3 byte), sia il dispositivo (3 byte m eno significativi). O gni pac­ c h e tto inviato sulla rete c o n tie n e in posizioni ben d e fin ite e n tra m b i gli indirizzi M A C , del tra s m e tti­ to re (source) e del d e stin ata rio (destination, fig . 6.49).

Tabella di allocazione dei MAC.

64 0 c t e t s + 1518 Octets

Preamble 7

SFD

1

Destination

6

Source

6

Length Type

2

Data 46 to 1500

■

FCS 4

MAC address

Livello network A livello di rete si utilizza il p ro to c o llo IP (Internet Protocol), basato su un in d irizza m e n to logico a 4 byte (IPV4) o p pu re a 6 byte (IPV6), univoco al m ondo. 14 byte di indirizzo IP sono suddivisi in due campi: rete e host (fig. 6.52).

Indirizzi MAC.

I32C 4 .8 F A 2 .9 8 0 Ì1

Switch da 8 p ort con 4 connessioni attive contem poraneam ente.

|0 69 B .F C 54 .651 b 1

C la ss A

Network

C la s s B

Host

Network

C la ss C

Host

Network

Host

C la ss D Octet

^

Switch.

Host

1

2

Segmentazione dell'indirizzo IP.

248

3

4

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

Indirizzi non assegnati e a uso p riva to sono ri­ sp e ttiva m e n te 1 0 .0 .0 .0 di classe A, 1 7 2 .1 6 .0 .0 e 1 9 2 .1 6 8 .0 .0 di classe B. li ca m p o host di un indirizzo IP pu ò essere seg­ m e n ta to in so tto re ti, utilizzando maschere di pari dim ensioni, dette maschere di sottorete (subnet mask). L'ampiezza della s o tto re te è d e te rm in a ta rilevando il num ero di zeri presenti a destra della maschera. Per esem pio, la su b ne t m ask 2 5 5 .2 5 5 .2 5 5 .2 4 0 , essendo 240 = 11 11 0 0 00 , presenta 4 zeri te rm i­ nali e q u in di id e n tifica una s o tto re te con 24 = 16 indirizzi disponibili. A ll'in te rn o di ciascun host, l'in d iriz z o IP è sem pre a cco m p a g n a to da una subnet mask che id e n ti­ fica sia l'am piezza e l'in d irizzo IP della s o tto re te di a p pa rte n e nza, sia il n u m e ro d e ll'h o s t al suo in te rn o . L 'id e ntifica zio ne del se gm ento di rete è o tte n u ta p o n e n d o in A N D l'in d iriz z o IP con la rispettiva m aschera di s o tto re te . Per esem pio, l'in d iriz z o IP 1 9 2 .1 6 8 .1 0 .1 3 con m aschera 2 5 5 .2 5 5 .2 5 5 .0 id e n tifica l'h o s t n u m e ro 13 della rete di indirizzo 1 9 2 .1 6 8 .1 0 .0 (fig. 6.53).

AND 255 .2 5 5.2 5 5.0

Se il ro u te r (DTE, Data Terminal Equipment) pos­ siede u n 'u s c ita con m o d e m (DCE, Data Communication Equipment), può essere connesso al provider In terne t (fo rn ito re di servizi In terne t, fig. 6.55).

)0 0 0 o c )0 )1 0

AND

1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 oc)0 0 o c o

1() 0 ( ) 0 )0 10 0 0()0

1o

)0 0 0 o c )0 ) 0 c o c

1

indirizzo della rete

o

1()0 0 )0 10 0 0 ( )0

1o—'

192.168.10.13

DTE

In d iriz z o d i rete.

A ll'in te rn o di una rete, l'in d iriz z o più basso è ri­ servato alla rete stessa (n ell'esem pio precedente 1 9 2 .1 6 8 .1 0 .0 ) e l'in d irizzo più a lto è destinato ai m essaggi di broadcast (n e ll'e se m pio preceden­ te 1 9 2 .1 6 8 .1 0 .2 5 5 ). Il n u m e ro di host possibili in una s o tto re te vale, q u in d i, 2 N- 2 ; dove N è il n u m e ro di b it nulli presenti nella m aschera di subnet. A ll'in te rn o di o g n i p a cch etto presente sulla rete sono reperibili (oltre ai M A C ) gli indirizzi IP sor­ g e nte e destinatario. Per instradare pacchetti tra reti d iffe re n ti è neces­ sario im piegare un ro u te r (fig. 6.54). Il router è un dispositivo di livello 3 (n e tw o rk), più le n to di u n o s w itc h , capace di esam inare l'in d iriz z o IP d e stin ata rio presente nel pacchetto per deciderne, se necessario, l'in s tra d a m e n to su a ltre reti.

DTE

M o d e m r o u t e r p e r a c c e s s o a In t e r n e t

Esercizi svolti n. 11, 12 Esercizi da svolgere n. 16, 17, 18

Livello trasporto Il livello tra s p o rto ha la fu n z io n e di regolare il flusso di informazioni e n d-to-en d tra due host, c o n tro lla n d o n e l'a ffid a b ilità ( reliability) e la ve lo ­ cità (flow control). Per esem pio uno studente che 249

UNITA DIDATTICA 6

conosca poco una d e te rm in a ta lingua straniera, d o ven d o com unicare con una persona di quella lin g u a dovrà parlare piano ( flow control) e ripe ­ tere alcune parole (reliability). I protocolli disponibili sono due: TCP (Transmission Control Protocol) e UDP ( UserDatagram Protocol, fig . 6.56).

handshake, con messaggi di negoziazione e sin­ cronizzazione in e n tra m b e le direzioni. U D P tra s m e tte , invece, m essaggi s in g o li, più sem plici, d e tti datagrammi, senza c o n tro llo di flusso né d e ll'e ffe ttiv a ricezione, perciò non ha la m edesim a a ffid a b ilità di TCP e non ritra sm e tte eventuali d a ta g ra m m i errati. Sia TCP, sia UDP, rip o rta n o nei lo ro m essaggi i num eri di porta, ch ia m a n te e chiam ata, in m o d o da pe rm e tte re conversazioni m u ltip le in c o n te m ­ poranea, attra ve rso la rete. I sistem i destinatari usano i n u m e ri di p o rta per selezionare le a p ­ plicazioni che h a nno richiesto quel d e te rm in a to servizio, m entre la sorgente sceglie il num ero in m o d o dinam ico, so lita m en te superiore a 1.023, perché alcuni dei num eri in fe rio ri sono assegnati di d e fa u lt a d e te rm in a te applicazioni (tab. 6.8).

Port Numbers ------------Liv. 4 L iv.3 Liv. 1, 2

Protocollo Porta superiore

Protocolli TCP e UDP.

Pur essendo il p ro to c o llo IP di tip o non connesso, TCP fornisce un circu ito virtu a le a ffid a b ile tra le applicazioni di due host {sender e receiving), per­ ché o rie n ta to alla connessione (connection-oriented): in trasm issione divide in segm enti n u m e ra ti il m essaggio in uscita e rispedisce i segm enti non ricevuti, m entre in ricezione riassembla i segm enti e c o n fe rm a in d ica n d o il n u m e ro del se g m e n to successivo in attesa (fig. 6 .57 ) e il num ero di seg­ m e n ti attesi prim a d e ll'in v io di un nuovo A C K di co n fe rm a (window size).

S e n d e r H ost

R eceive 1

Send 2

R eceive 2

A C K 3 window size 2 Send 3

R eceive 3

Receive 6

21

Telnet

23

SM TP

25

Invio posta

DMS

53

R isoluzione nom i di d o m in i

HTTP

80

TFTP

69

SN M P

161

RIP

520

T rasfe rim e n to file TCP

Term inale re m o to

TC PoU DP

WWW

T rasfe rim e n to file UDP

Gestione reti Scam bio tabelle tra ro u te r

R eceive 4

TLD

A C K 5 window size 2 Receive 5

FTP

Per stabilire una connessione è q u in di necessa­ rio aprire un canale (socket), in d ica n do l'in d irizzo IP del destinatario, il p ro to c o llo da utilizzare e il num ero della porta, per esem pio 2 0 4 .5 6 .1 0 8 .1 2 / TCP/23. Per sveltire la gestione num erica degli indirizzi IP, s o p ra ttu tto nel w e b , è stato svilu pp a to un siste­ ma di nom i per i d o m in i, la cui parte te rm ina le (TLD, Top Level Domain) id e n tifica un g ru p p o di appartenenza (tab. 6.9).

Send 3

Send 4

Utilizzo

A lcun i num eri di porta preassegnati.

R e c e iv in g H ost

Send 1

Protocollo di liv. 4

R eceive 3 R eceive 4

.US

U nited States

,it

Italia

.edu

Educational sites

A C K 7 window size 2

Funzionam ento di TCP.

L'avvio di una connessione TCP c o m p o rta una prim a fase necessaria per concordarne i param e­ tri del canale di connessione, d e tta three-way 250

.com

C om m ercial sites

■gov

G o vernm ent sites

org

N o n -p ro fit site s

.net

N etw ork Service

STANDARD DI INTERCONNESSIONE TRA APPARATI E DISPOSITIVI

I s e rv e r DNS sono co m p u te r organizzati in m odo gerarchico, in g ra d o di fo rn ire un in d irizzo n u ­ m erico IP in co rrisp on d e n za di un n om e di d o ­ m inio.

im piega, in parallelo al canale IP, un secondo ca­ nale in te m p o reale, che tra sm e tte i fra m e critici in m o d a lità ciclica m aster-slave, con i nodi sin­ cro n izzati. Nella sua terza versione (SERCOS III) su p p o rta la g estione di una s tru ttu ra a d o p p io a n e llo in fib ra (per una m a g g io re sicurezza). Il te m p o di ciclo, da 0,25 ms a qualche ms, d ip e n ­ de dal n u m e ro di slave e dalla velocità scelta. I messaggi asincroni sono scam biati in m o d o fra ­ z io n a to a ll'in te rn o di cam pi dedicati presenti nel m essaggio ciclico. A n ch e P r o fin e t (Siemens H A ), accanto a TCP/IP, utilizza un secondo canale che bypassa i livelli 3 e 4 (fig. 6 .59 ) per una com u n ica zio n e d e te rm i­ nistica, con p a cchetti di d im e n sio n e rid o tta cui assegna p rio rità assoluta.

Scheda 28 - Serial device server

Fieldbus intempo reale Il p ro to c o llo E th e rn e t rie n tra o rm a i tra le reti in ca m p o co m e s ta n d a rd di fa tto per il c o lle ­ g a m e n to di PLC con i pannelli o p e ra to re (HM I, Human Interface) o con il livello di supervisione, grazie alla g ra n de d isp o n ib ilità e al basso costo d e ll'h a rd w a re di rete (sw itch, router) e alla pos­ sibilità di integrare il p ro to c o llo in una FPGA con poco a ltro a tto rn o . E thernet garantisce la ricezione dei dati solo utiliz­ zando il p ro to co llo TCP di livello 4, che assicura la ritrasm issione dei pacchetti dati di cui non è stato ricevuto alcun acknowledge di conferm a. L'elaborazione della pila (stack) di p ro to co lli stan­ d ard TCP/IP, presenti ai diversi livelli, richiede, però, tro p p o te m p o e non ha te m p o riz z a z io n i g a ra n tite , p e rta n to E th e rn e t non è a d a tto per a p plicazioni in te m p o re a le . Un sistem a di c o m u n ic a z io n e si dice in te m p o reale q u a n d o garantisce, ris p e tto a un evento, va lo ri m assim i di latenza e di jitte r c o m p a tib ili con l'a p p lica zio n e , senza p e rd ita di risoluzione nel co n tro llo (fig. 6.58).

y \ \

Layer 5-7

L a y er4 Layer 3 Layer 2 L a y e r1 C a n a le in t e m p o r e a le fu n z io n a n t e in p a r a lle lo a T C P /IP . * il

E th e rC A T (Ethernet for Control Automation Technology), p ro p o s to da B e c k h o ff nel 2 0 0 3 , ga ra ntisce una latenza m in o re di 0,1 ms e un jitte r m inore di 0,1 ps, grazie anche al fa tto che il dispositivo slave legge l'in d iriz z o e a g g io rn a il d a ta fra m e in corsa, cioè m entre ancora il fra m e sta attraversando il nodo. La fig. 6 .6 0 rip o rta lo schema di ingresso di una scheda slave I/O. La connessione EtherCAT è doppia, per realizzare e v e n tu a lm e n te l'a n e llo con il m aster e a u m e n ­ ta re il liv ello di sicurezza della c o m u n ica zio n e . C iascuna co n ne ssio ne s in g o la è b id ire z io n a le (Tx, Rx), con un p ro p rio in te g ra to di livello fisico (KSZ8721), e te rm ina sull'ASIC B eckhoff (ET1100) che gestisce i pacchetti in tra n s ito e il co llo q u io con il master. M e diante la porta SPI, il m icrocontrollore (DSP, Di­ gital Signal Processor) vede il co n tro lle r EtherCAT com e una RAM d u a l-p o rt: ha un'area per riporre i d a ti in uscita e u n 'a ltra dalla q u a le leggere i com andi in arrivo. S u ll'a ltro lato, gestisce gli I/O d ig ita li e analogici e il c o n te g g io di un encoder bicanale in in te rru p t.

Jitter Evento

- ~Ì~ÌTT'TTTj i l~rr— t V(t)

v

w

(0

- l ,r rrrrrj~ÌTTT » t

Variazione dello spettro in un im pulso periodico variando la durata dell'im pulso. *il

Esercizio svolto n.

Nel secondo m essaggio, il segnale può essere pa­ ra g o n a to a un im pulso re tta n g o la re sin g o lo (fig. 7.21), il cui sp e ttro è c o n tin u o (fig. 7.22).

8

Esercizio da svolgere n. 11

Occupazione di canale Data una so rgente che e m e tte una sequenza di e logici, dove lo logico è co d ific a to con un livello 0 V di d u r a t a t i e l'1 logico con una tensio­ ne di valore A e d i pari d u ra ta, si considerino due casi particolari: un p rim o messaggio c o s titu ito da una serie a lte rn a ta di b it ( ) e un secondo m essaggio co m p o s to da una serie di con un solo isolato ( ). 0

1

0

0

1

0

1

0

Im pulso rettangolare singolo.

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

il p rim o m essaggio ha un a n d a m e n to te m p o ra ­ le e q uivalen te a u n 'o n d a quadra (fig. 7.19) con fre q u en za f Tq — 2

1

fb

tb — 2

il cui sp e ttro presenta un va lo r m edio A /2, una prim a arm onica di am piezza 2 A

4

^ - , una terza

^

4

^ -,

371

una q u in ta -|^ r, ecc. (fig. 7.20 ), con inviluppo che passa per zero o g n i m u ltip lo di -4- = Iq

Lo spettro del m essaggio cam bia secondo la se­ quenza di b it trasm essi, ma la banda occupata è co m u n q u e in fin ita . O ccorre p e rta n to lim ita rla a un valore fin ito , per renderla c o m p a tib ile con la banda messa a disposizione dal m ezzo trasm issi­ vo e nel c o n te m p o g a rantire un su fficie n te c o n ­ te n u to di potenza da fa r g iu n g e re al ricevitore. Nel caso d e ll'o n d a quadra, per esem pio, più del 9 0 % della potenza è co n ce ntrata e n tro la terza arm onica. U tilizzando b it con fo rm a d 'o n d a cos2, la co n ce ntrazion e della potenza nelle p rim e ar­ m o n ich e è ancora m aggiore.

Lb

V(t) 1

0

1

0

1

A Tb T,

272

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

Per c o n fro n ta re tra lo ro le diverse te cn ich e di co d ifica , si considera la banda 1 / t b [Hz], ovvero tu tte le a rm o n ich e fin o al p rim o zero d e ll'in v i­ lu p p o sen x/x. Nel caso della serie a lte rn a ta di b it re ttangolari, se l'o b ie ttiv o del ricevitore è q uello di d istin g u e ­ re i livelli logici in arrivo, può essere s u fficie n te ricevere solo la prim a arm onica, una cosinusoide di frequenza Tq “ 2 t b e am piezza 2 N n . Il m ezzo trasm issivo, s u p p o s to un filtr o ideale passa basso, d o vrà di con se gu e n za avere una larghezza di banda [ hz ] > 7 L

b

= Ì! l 1 |M

Questa relazione perm ette di calcolare la massima capacità di canale (C, [bit/s]) ovvero il massimo b it rate so p po rta b ile da un canale dato. Se il canale è e q u iv a le n te a un filtr o ideale di banda B [Hz], senza rum ore in linea, e se i livelli sono due, la massima velocità con cui possono essere emessi i b it lu n g o il canale è C = f b = 2 B [b it/s ] Per o g n i h e rtz di banda, a queste c o n d iz io n i, si possono tra s m e tte re al m assim o bit/s, ma u tiliz za n d o una trasm issione con co d ifica a più livelli o in presenza di rum ore in linea, i risultati cam biano. Si consideri, per esem pio, il caso in fig . 7 .23 , con co d ifica su 4 livelli. 2

diverso di am piezza; il risultato è un segnale con 4 diversi livelli di am piezza (N = 2n, dove N è il n u m e ro di livelli e n il n u m e ro di b it associato a o g n i livello) che varia con velocità pari alla m età dei b it della sorgente. La fre q u e n z a del segnale o tte n u to e la conse­ g u e n te occupazione in banda risultano m età ri­ s p e tto al b it rate di partenza. La ve lo cità dei sim boli del segnale m o d u la to si m isura in baud, dal nom e di Émile Baudot (18451903), inventore d e ll'o m o n im o codice te le g ra fi­ co, ed è d e fin ita da v [baud] =

Vb [bit/s] _ vb [bit/s] lg2N n

Limitazioni dovute alla presenza di rumore In un canale ideale di banda B, privo di rum ore in linea e con soli due livelli di codifica, la massima velocità teorica con cui possono essere emessi i b it lu n g o il canale è, com e già visto C [b it/s] = 2 B T ra tta n d o si di un sistem a ideale, in o ltre , se si m a n tie n e il d a ta rate e ffe ttiv o al di s o tto della capacità del canale, il tasso di errore (BER) può essere approssim ato a zero. U tilizzando, invece, una trasm issione che im pe ­ gna L = 2 n livelli e q u iprob a b ili, o gni livello codifica un g ru p p o di b it (d ib it, trib it, ecc.) e la capacità del canale a um enta C [b au d ] = 2 B C [bit/s] = 2 B log L > 2 B 2

o

o

o

1

o

o

1

1

1

o

Per esem pio, preso un canale te le fo n ico con ban­ da d isp o nibile B = 3 .1 0 0 Hz (com presa tra 3 0 0 e 3 .4 0 0 Hz) che su p po rta 6 .20 0 baud e ip o tizza n ­ done una co d ifica su 16 = livelli diversi, ciascun livello co d ifich e re b be 4 bit, o tte n e n d o 2 4

C = 2 B log216 = 2 3.100 4 = 24.800 bit/s

Codifica a 4 livelli.

P artendo da un segnale binario, si ra g g ru p p a n o i b it a due a due, o tte n e n d o i d ib it (coppie di bit) , , , , e a o gni d ib it si associa un livello

0

0

0

1

1

0

1

1

In realtà la presenza di rum ore lu n g o la linea li­ m ita il n u m e ro m assim o di livelli d is tin g u ib ili e la capacità di canale deve te n e rn e c o n to . A u ­ m e n ta n d o il nu m e ro dei livelli di codifica, d ifa tti, si riduce l'im m u n ità al ru m o re e si a u m e n ta la p ro b a b ilità di errore. C om e n o to , in un segnale co m p o sto i valori e f­ ficaci delle c o m p o n e n ti si so m m a no in potenza.

UNITA DIDATTICA 7

Nel caso del segnale (S) con rum ore sovrapposto (N) si o ttie n e

e il num ero di b it per ogni livello vale n - _ C _ _ 37.073 bit/s _ 2 B 6.200 baud

(S + N)eff = /S e f^ + Nef^

cioè è te o rica m e n te possibile una co d ifica fin o a 2 = 6 4 livelli d iffe re n ti. Q ueste relazioni co n ferm a n o in sostanza che, per au m e n ta re la capacità C di un canale, si deve a u ­ m entarne la banda (canale a banda larga), oppure au m e n ta re il num ero di livelli L, associando i b it tra loro nel m aggior num ero possibile, co m p a tib il­ m ente con il rum ore e, q u in d i, con la pro b ab ilità di errore. È da notare co m u n q u e che, in presenza anche del solo rum ore te rm ico di densità N = k -T , per B - * co, c non te nde a in fin ito ma risulta lim ita to a 1,44 ■S/N

e il num ero m assimo te orico dei livelli distin g u ib ili rispe tto al ru m ore non pu ò superare il valore ■

_ ( S + N )e(f _ UaX~ Ne„ "

-

/ 1

V

+ Seff2' NeH2

6

Seff2 + Neff2

/ 1

V 1

bit livello

+ JL N

S o stituendo tale valore nella C = 2 B log L 2

0

si o ttie n e

0

C [bit/s] = 2 B ■log

1 +-jq- = B ■log2( l + | p )

2

lim b- ooC = lim a -. | ^

che rappresenta la relazione di Shannon per la d e te rm in a zio n e della capacità teorica del canale, una volta n o to il ra p p o rto S/N tra le pote n ze del segnale e del ru m o re presenti in linea. Per ridurre la p ro b ab ilità di errore, è bene che L sia m inore di Lmax. La possibilità che N possa d ive n tare n u llo è da escludere, perché nessuna linea è esente da ru­ m ore, anche solo per la presenza del ru m o re ter­ m ico nei co m p o n e n ti. Nel caso del canale te le fo n ic o con B = 3 .1 0 0 Hz, per esem pio, in presenza di una potenza di ru­ m ore tale che S/N = 36 dB

Nei m o dem a ttu a li la velocità di com unicazione, co n co rd ata a ll'in iz io della connessione, viene va­ riata in m odo a u to m a tico in base all'insorgenza (o assenza) di rum ore in linea, rilevata dal num ero di pacchetti di in fo rm a zio n e che g iu n g o n o errati al ricevitore in un d e te rm in a to lasso di te m p o . Esercizi svolti n. 9, 10 Esercizi da svolgere n. 12, 13 Codifiche La codifica si occupa di com e rappresentare i dati num erici pro ve n ie nti dalla sorgente, in m o d o da utilizzare il m in o r num ero possibile di b it (codifica di sorgente), rendere più a ffid a b ile la trasmissione (co d ifica di canale) e a d a tta re il flusso di b it al canale d isp o nibile (codifica di linea). Una m o d a lità u tile per minimizzare il nume­ ro di bit da tra s m e tte re (co d ific a di so rg e n te ) consiste n e ll'a d a tta re il codice alle c a ra tte ris ti­ che statistiche della sorgente, assegnando, per esem pio, un codice più co rto ai caratteri usati più di fre q u e n te , com e avviene nei fax o nel codice M orse, che assegna alle lettere più fre q u e n ti (A e E) i codici più brevi (risp e ttivam e nte , p u n to linea e punto). Una codifica per controllo errori (codifica di canale), invece, in tro d u c e s im b o li u lte rio ri nel m essaggio, in m o d o da rilevare la presenza ed e ve n tu a lm e n te correggere errori in ricezione. Un

| j- [dB] = 10 log 10- ^

N

= 10

3-6

= 3.981

C = B ■log2(1 + 3.981) = 3.100 log23.982 log103.982 = 3.100 = 37.073 [bit/s] lo g i 0 2

Lmax =

1 + ^ , = 7 1 + 3.981 = 63,1

In linea teorica, con LmaX= 6 4 = 2 6 si possono as­ sociare n = log 64 = 2

6

B loge( l

bit/liv

D ifa tti, anche considerando il canale privo di ru­ m ore si ha C [bit/s] = 2 ■B log L 2

274

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

esem pio è l'a g g iu n ta del b it di parità, pari o d i­ spari, al te rm in e di ciascun carattere trasmesso, o del CRC. La codifica di linea, infine, consiste per esem pio n e ll'a d otta re codici privi di co m p o n en te continua, per superare i tra sfo rm a to ri di isolam ento, o co ­ dici ricchi di transizioni, in m o d o da g a rantire la sincronizzazione del clock in ricezione. Tra i codici di linea, il più com u n e è d e tto NRZ (N on R ito rn o a Zero, fig . 7 .2 4 ) e presenta due livelli, che rim a n g o n o alla m edesim a tensione per tu tta la durata del bit.

Inforni azione binaria

0

; i ; o ; i ; i j

0

j

0

ji

Informazione binaria

0

!

0

;

1

Codifica NRZ

Codifica RZ

_______________ R

_

ck*‘ ITJ1JTJTJ1JTJ1J1J1 *rT J

C o d ific a RZ.

Lo spettro occupa una banda m aggiore (fig. 7.27), ma è in grado di fa r giungere al ricevitore l'a rm o ­ nica per estrarre il segnale di sincronism o.

Codifica NRZ

Tb

C o d ific a NRZ.

Lo sp e ttro di un segnale NRZ di am piezza A (fig. 7 .25) co n tie ne una c o m p o n e n te co n tin u a pari a Vi A e m anca d e ll'a rm o n ic a con fre q u en za pari a quella del clock; il ricevitore è q u in di im possi­ b ilita to a estrarre il segnale di sin cro n is m o dai d ati in arrivo. Il

il problem a rim ane nel caso di lu n g he sequenze di 0. Lo spettro, inoltre, co n tin ua a contenere una c o m p o n e n te co n tin ua . Il codice bifase, d e tto anche Manchester, elim ina d allo sp ettro la c o m p o n e n te co n tin u a a spese di un a lla rg a m e n to della banda rispe tto al NRZ. O gni b it viene co d ific a to con un ciclo co m p le to di u n 'o n d a quadra: il b it viene c o d ific a to da una fo rm a d 'o n d a quadra caratterizzata da una transizione dal livello basso al livello a lto al cen­ tro del bit, m entre il b it da una tra n sizion e dal livello a lto al livello basso, sem pre al c e n tro del b it (fig. 7.28). 1

0

V (t)

n

n

r

,

o

o

o

0

1 D _ o

Il segnale così o tte n u to , essendo privo del clock, è poco a d a tto alla trasm issione veloce. Un m ig lio ra m e n to si o ttie n e utilizzando il codice RZ (R eturnZero) che si differenzia dal precedente per la co d ifica del livello 1. L'1 viene rappresen­ ta to con una fo rm a d 'o n d a che c o n tie n e una tra n sizion e d a ll'a lto al basso nella seconda m età del bit, m e n tre il b it non cam bia risp e tto alla co d ifica NRZ, rim a n en d o basso (fig. 7.26).

C o d ific a M a n c h e s t e r .

Lo spettro contiene il clock per la sincronizzazione del ricevitore (fig. 7.29).

UNITA DIDATTICA 7

7.4 . Trasmissione digitale in banda traslata v W

Clock

Q u a n d o il canale rende d isp o n ib ile una banda passante traslata, cioè priva della co n tin ua , per la presenza di tra s fo rm a to ri o perché la banda base è già occupata, l'info rm az io ne binaria da trasm et­ te re deve m o d u la re una p o rta n te sin u soidale, v a ria n d o n e l'a m p ie z z a , la fre q u e n z a o la fase, o tte n e n d o rispe ttiva m en te le m o d u la zio n i ASK, FSK e PSK (e suoi successivi m ig lio ra m e n ti), il param etro di qualità della trasm issione rim ane ii BER.

S p e ttro d i c o d ic e M a n c h e s t e r.

C on il codice AMI (A lte rn a te M a rk Inversion, fig . 7.30), si o ttie n e una riduzione di banda, pur m an­ te n e n d o i vantaggi del M anchester (assenza della co m p o n e n te co n tin ua e possibilità di estrazione del sincronism o). Si tra tta di un codice bip o la re a tre livelli (+V; 0; -V ), nel quale lo 0 viene rappre­ se n tato con un segnale a livello zero, m entre l viene co d ifica to a lte rn a n d o una volta un im pulso po sitivo con rito rn o a zero e la vo lta successiva un im pulso negativo con rito rn o a zero.

Modulazione ASK Nella m odulazione ASK {A m p litu d e S h ift Keying), l'am piezza del segnale m o d u la to si presenta con due valori possibili, c o rris p o n d e n ti ai due livelli logici del segnale b in a rio m o d u la n te (fig. 7.31). *il

' 1

Informazione binaria

1

I

0

L 1

I

1

j

0

I

1

Modulante digitale

Tb

!

Portante analogica

\vAVA vÀr i /AV Av Àj\ / AV AV/ \VAVAV/ \vAV AV/ \vAV AV/ Tb

!

A!3K

i A A/

\ A A/

!VVV

VVV

M o d u la z io n e A S K .

A n ch e in questo caso, com e nel codice RZ, per­ m ane il p ro b le m a della ric o s tru z io n e del clock nel caso di lunghe sequenze di zeri (tab. 7.1 ); per questo m o tivo si utilizza una variante che in tro ­ duce un b it di violazione in presenza di più di tre zeri consecutivi, d e tta codifica HDB3, im piegata pre va le n te m en te in cam po te le fo n ico .

Poiché, in corrispondenza del valore lo g ico 0 del segnale m o d u la n te , l'am piezza del segnale m o ­ d u la to è 0 V, questo tip o di m o d u la zio n e viene anche chiam ata OOK (O n O ff Keying). il segnale m o d u la to si può esprim ere con Vask ( t ) = [P ■m ( t )] ■cos (cùp ■t)

Codice

Presenza della componente continua

NRZ

Sì

fb

No

RZ

Sì

2-fb

Non sem pre

M anchester

No

2 -fb

Sì

AM I

No

fb

Non sem pre

HDB3

No

fb

Sì

Banda del primo lobo dello spettro

Possibilità di ricostruzione del clock

con m (t) =

0

o

1

.

Nel m essaggio b in a rio , o g n i b it ha una d u ra ta c o sta n te pari a tb e l'in fo rm a z io n e è trasmessa con velocità

C o n fro n t o tra c o d ific h e .

Lim itan d o la banda del segnale d igitale a

276

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

fb= l

[b it/s]

la banda di un segnale m o d u la to ASK, com e nella A M , vale due vo lte la fre q u en za di bit, allocata a tto rn o alla p o rta n te (fig. 7.32). B = 2 fb [Hz]

La m o d u la zio n e ASK occupa una banda re la ti­ va m e n te stre tta , ma è sensibile ai d istu rb i. Era utilizzata nei te le gra fi. Esercizio svolto n. 11 Esercizio da svolgere n. 14

Home automation modem Le a p p lica zio n i che im p ie g a n o la m o d u la zio n e ASK sono m o lto più num erose di q u a n to si possa im m aginare. Basti pensare a ll'u so d e ll'in te rfo n o in u ffic io o al sistema di sorveglianza a distanza dei neonati, e n tra m b i con trasm issione della voce sui c o n d u tto ri della rete di energia a 230 V; o in ca m p o industriale alle reti lin k p o w e r che scam­ biano dati u tilizza n d o il m edesim o d o p p in o che p o rta l'a lim e n ta zio n e 4 8 V co n tin ua . Si consideri, per esem pio, il m o dem Philips per h o m e a u to m a tio n T D A 5 0 5 1A . N elle n o te a p p lica tive , v e n g o n o p ro p o s te due soluzioni, con e senza isolam ento galvanico dal­ la rete. Per se m p lifica re l'a n a lisi, si p ro p o n e la seconda (fig. 7.33). A n alizza n do i blocchi, si nota il m icro co n tro llo re che scambia dati con il TDA5051 A, dal quale rice­ ve il clock (è il TDA d ifa tti che possiede il quarzo 7 ,3 7 2 8 MHz). Il TDA si interfaccia alla linea 230 V attraverso una rete di condensatori e in d uttanze. Dalla rete stessa è derivata l'a lim e n ta zio n e +5 V per l'in te ro sistema, m e diante un in te g ra to sta­ bilizzatore (78L05).

M odem per dalla linea.

home automation, senza isolam ento

Si ponga ora a tte n zio n e alle frequenze in gioco. La rete 230 V lavora a 50 Hz, m entre il TDA e m e t­ te i b it di d a to generando brevi intervalli di segna­ le rettangolare a frequenza 115.200 Hz (o tte nu ta d ivid e n do in te rn a m e n te la frequenza del quarzo per 64). La rete di interfaccia deve q u in di rappre­ sentare un blocco per il 50 Hz dalla rete verso il TDA e un accesso fa c ilita to in entra ta -u scita per le a rm on ich e da 1 1 5.2 0 0 Hz in su, a p p a rte n e n ti al segnale dati. In tab. 7.2 sono rip o rta ti i valori delle reattanze presenti nel circu ito alle frequenze di interesse. 47 nF

47 (lH

1 MF

1 mH

2 |iF

f = 50 Hz

67,7 kQ

14,7 mQ

3.182 Q

0,314 Q

1.591 Q

f = 115.200 Hz

29,4 Q

34,02 Q

1,4 Q

724 Q

0,69 Q

^ Reattanze presenti nel sistema di fig. 7.33.

S em plificando, il 50 Hz vede il TDA d ie tro un par­ tito re con 6 7 ,7 kQ in serie e 14,7 m Q verso mas­ sa; dei 230 V solo pochi pV g iu n g o n o al m odem . Per c o n tro , il TDA lavora a p a rtire dai 1 1 5 .2 0 0 Hz, una frequenza prossim a alla frequenza di ri­ sonanza dei c o m p o n e n ti f0 =

2 7 t/L C

= 107.083 Hz

e accede al cavo di rete a ttra ve rsa n do c o m p o -

UNITA DIDATTICA 7

n e n ti re a ttivi che si c o m p e n sa n o tra loro, cioè con resistenza e q uivalen te in serie pra tica m e n te nulla. I! sistem a RLC di a lim en ta zio n e lim ita la corrente d isp o nibile dal 50 Hz a circa 150 m A , m ediante la reattanza del condensatore a quella fre q u e n ­ za, m e n tre rappresenta un carico di 7 0 0 Q alla fre q u en za fo n d a m e n ta le del m odem .

(m o de m Bell 202), m o d u la n d o in FSK ± 0,5 m A la co rren te analogica 4 -f 20 m A del sensore (fig. 7.35).

Approx. +0.5 mA* Il15

Analog signal

Modulazione FSK FSK (F req u e n cyS h ift Keying) è una delle m o d u la ­ zioni più sem plici da realizzare e più u tilizzate nel passato. Con FSK, in pratica, scelte due frequenze d istin te che rappresentano rispe ttiva m en te lo logico e i'1 logico (fig. 7.34), la p o rta n te assume il valore di frequenza fi q u an d o il m essaggio vale e il valore di frequenza f q u a n d o vale .

Approx. - 0 .5 mA 2 2 0 0 Hz

“0” M o d u la z io n e FSK p e r p r o t o c o llo H A R T .

0

1

2

Informazione binaria i Modulante digitale

Portante analogica

FSK

1

0

1

Le fre q u e n z e u tiliz z a te s o n o ris p e ttiv a m e n ­ te 1 .2 0 0 Hz per tra s m e tte re un b it di liv e llo 1 e 2 .2 0 0 Hz per il liv e llo 0 (m o d u la z io n e FSK, 1 .700 Hz ± 500 Hz). Se la trasm issione d ig ita le avviene a 1 .200 bit/s, a o gni b it è g a ra n tito un s u p p o rto an alog ico pari o superiore alla singola sinusoide. La banda occupata dalla FSK risulta m aggiore ri­ s p e tto alla ASK, com e già nella FM rispe tto alla AM. Il ra p p o rto tra la distanza delle due fre q u e n ze (Af) rispe tto al b it rate (R) è d e tto indice di mo­ dulazione (m).

0

ì

0

1

!

0

j

Tb

IrtAA/\AAA vvvv vvvv/lAAAAAAA/ vvvvvVvvlAAAAAAA/ vVVVVvVv

-

lAAAl\vAv/ lAAAAAAA/ \ AAA vVvV VvvVvVVVv v v v

-

/

m = Af / R Un in d ic e di m o d u la z io n e m = 1 ris u lta una b u o n a sce lta p e r le a p p lic a z io n i a basso c o ­ sto che im p ie g a n o ric e v ito ri dal d e sig n sem ­ p lic e m a a b b a s ta n z a ro b u s to , a e c c e z io ­ ne di re s triz io n i s u lla la rg h e z z a di b a n d a . C on m = 1 , le fre q u e n z e sono d e tte o rto g o n a ­ li, la m odu la zio n e Orthogonal FSK (OFSK) e la larghezza di banda è circa due v o lte la velocità dei dati.

M o d u la z io n e FSK.

La scelta delle due frequenze f i e f sim m etriche rispe tto alla frequenza della p o rta n te dipende dal tip o di canale e dalle applicazioni. In generale, i crite ri sono q u elli di m inim izzare l'o ccu p a zio n e in banda, di avere alm e n o un p eriodo dei segnali nel te m p o di bit, di avere una c o n tin u ità di fase e di m antenere una s u fficie n te separazione tra le due fre q u en ze per g a rantire una interferenza tra i sim boli (ISi) accettabile. Q u a nd o si so vra p p on g o n o, anche parzialm ente, tra loro, i sim boli p ro d ucon o una distorsione, con co nseguente d e grad o della qualità d e ll'in fo rm a ­ zione, d im in u zio n e del m argine di im m u n ità agli e rro ri e c o rre la to a u m e n to della p ro b a b ilità di errore. Il p ro to co llo HART {H ig h w a yA dd re ss ab le R em o­ te Transducer), d iffu s o nei sensori 4 -f 20 m A a sicurezza intrinseca, per applicazioni in zone con pericolo di esplosione (Ex), im p le m e n ta una co ­ m unicazione seriale asincrona (UART) a 1.200 bps 2

Esercizio svolto n. 12 Esercizio da svolgere n. 15

Modulazione PSK Il segnale m o d u la to PSK (Phase S h ift Keying) ha am piezza e fre q u en za costanti, ma presenta, ri­ s p e tto alla p o rta n te , un o sfasam ento di °, se il valore b in a rio è , e di 180°, in corrispondenza di un o 0 logico (fig. 7.36). Lo s p e ttro del segnale m o d u la to presenta due 0

1

278

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

bande laterali sim m etriche rispetto alla frequenza f p della p o rta n te e occupa la stessa banda del segnale m o d u la to ASK

Modulazione 4-PSK o QPSK Un m ig lio ra m e n to n e ll'o ccu p azio ne di banda si o ttie n e ricorre n do a p o li-m o d u la zio n i, nelle qu a ­ li i d a ti del m essaggio ve n g o n o ra g g ru p p a ti in g ru p pi di n b it e a o gni g ru p p o viene associato un valore di fase o di am piezza diverso nel segnale m o d u la to. Un m o d u la to re PSK a q u a ttro fasi (4-PSK) può essere realizzato utilizzando q u a ttro fo rm e d 'o n ­ da sfasate 90° tra loro (fig. 7.37), ciascuna del­ le quali rappresenta una coppia diversa di cifre binarie (d ib it); la lettera Q (Q u a d ra tu re ) inserita nella d e n o m in a zio n e QPSK sta a ricord are che il m o d u la to re u tilizza due p o rta n ti, per la m o ­ d u la z io n e , che h a n n o la stessa fre q u e n z a ma sfasate di 90° (q u a d ra tu ra ). A n ch e per qu esto tip o di m o d u la zio n e esiste la versione d iffe re n ­ ziale (DQPSK, D iffe re n tia l Q u a dratu re Phase S hift Keying) nella quale i salti di fase sono relativi al d ib it precedente.

con il va n ta g g io che un d istu rb o altera più d iffi­ cilm e n te la fase del segnale.

Informazione binaria

i

0

1

1

;

Tb

Modulante digitale

Portante analogica

1 l 1 j 0

m i ìa a a i\ a a a a a a a | AAAf I M A / v v m V v v j ìlm W v V

PSK

M o d u la z io n e PSK.

Poiché i possibili va lo ri della fase sono due, la m odulazione è anche de tta 2-PSK o BPSK (Binary Phase S h ift K eying). M o d u la n d o un segnale in BPSK, lo sp e ttro del segnale m o d u la to è ce n tra ­ to sulla fre q u en za della p o rta n te e si estende a destra e a sinistra per f b (dove f b è la frequenza di b it del m essaggio di partenza), o ccu p an d o una banda pari a f b, do pp ia rispe tto al b it rate del m essaggio dati, ma m inore della FSK. La m o d u la zio n e PSK, in o ltre , risulta m e n o sen­ sibile alle a tte n u a zio n i di am piezza rispe tto alla ASK. L'im piego p ra tico ne risulta però lim ita to a causa della sensibilità del d e m o d u la to re agli e rro ri di fase, d o vuti sia alle variazioni delle caratteristiche del m ezzo trasmissivo, sia agli spostam enti in fre ­ quenza degli oscillatori. La m o d u la zio n e BPSK è im pieg a ta nei ricevitori GPS {G lo ba l P o sitioning System) e in alcune reti te le fo n ich e cellulari. Nei casi di linee d istorcenti in fase (com e le linee te le fon ich e ) si preferisce ricorrere alla m o d u la zio ­ ne di fase differenziale 2-DPSK o DBPSK (D iffe re n tia l B inary Phase S h ift Keying), nella quale lo sfasam ento di ° o 180° del segnale m o d u la to non è rife rito alla portante ma alla fase del b it pre­ cedente. C on la m odu la zio n e DBPSK, il d e m o d u ­ latore richiede un rife rim e n to preciso di frequenza ma non di fase m entre il segnale m o d u la to pre­ senta il m edesim o sp e ttro di un segnale PSK e, q u in d i, anche pari occupazione di banda. 2

Modulazione QAM-PSK Nella m o d u la z io n e QAM-PSK, o più sem plicem ente Q A M {Q uadrature A m p litu d e M o dulation), le due p o rta n ti in qu ad ra tu ra possono assumere anche d iffe re n ti valori di am piezza, in m o d o tale che l'in fo rm a z io n e sia c o n te n u ta non s o lta n to nella fase (o variazione di fase) ma anche n e ll'a m ­ piezza della p o rta n te m o d u la ta trasmessa. Rappresentando il segnale m o dulato digitalm ente con un ve tto re sul piano di co o rd in a te I (in fase) e Q (in quadratura), ro ta n te alla velocità angolare della p o rta n te , questo viene visto, da un osserva­ to re che ru o ti alla m edesim a velocità, com e un v e tto re che, per e ffe tto della m o d u la zio n e d ig i­ tale, si sposta a scatti nel piano IQ, va ria n d o o g n i vo lta am piezza e fase. I vertici dei v e tto ri così o tte n u ti c o m p o n g o n o sul piano IQ delle costellazioni di punti. Per esem pio, in un sistem a 16 Q A M , i sedici livelli di m o d u la zio n e descrivono a ltre tta n ti p u n ti sul

0

279

UNITA DIDATTICA 7

pia n o IQ che, ra g g ru p p a ti a g ru p p i di q u a ttro , co m p o n g o n o un reticolo regolare (fig. 7.38).

0000

0100

1100

1000

0001

0101

1101

1001

0011

0111

1111

1011

0010

0110

1110

1010

o o o o

o o o o

o o o o

Il grado di sensibilità di una determ inata tecnica di m o d u lazione num erica si esprim e com e ra p p orto segnale-rum ore necessario al ricevitore per garan­ tire un d e te rm in a to livello di a ffid a b ilità , espresso in te rm in i di BER. La relazione tra il BER e il tip o di m o d u la z io n e a d o tta ta (PSK, Q A M , ecc.) è rappresentata m e­ d ia n te alcune curve di prestazione (fig . 7.39) in fu n z io n e della grandezza Eb/N 0, che ra p p re ­ senta la richiesta di energia per b it (Eb) rispetto alla densità di potenza di ru m ore (N0, ru m ore in 1 Hz di banda), in d ip e n d e n te , perciò, dal data rate e ffe ttiv o del sistema.

o o o o

M o d u la z io n e 1 6 Q A M .

O gni possibile posizione del v e tto re nel piano IQ, per o g ni istante di decisione preso in considera­ zione dal ricevitore, c o d ifica più b it di in fo rm a ­ zione. Per codificare i 16 valori, co rrisp o n d e n ti ciascuno a q u a ttro b it, si im p e g n a n o tre diversi va lo ri di am piezza e dodici diversi valori di fase. A u m e n ta n d o la com plessità della costellazione Q A M (fin o a 2 5 6 Q A M ), a u m e n ta il b it rate a parità di baud rate. I m odem (M O D ulatore-D E M odulatore), per la tra ­ sm issione e la ricezione seriale delle in fo rm a zio n i d ig ita li, im piegano m o d u la zio n i Q A M m ultilivello e m ultifase, a ccom pagnate da a lg o ritm i di com pressione/decom pressione in te m p o reale. Valori tip ici di b it rate su d o p p in o te le fo n ico (ana­ logico) sono: 56 kbps per m odem su linea te le fo ­ nica com m utata e da 640 kbps ad alcuni M bps per la ADSL (A sym m e tric D ig ita l Subscriber Line).

Eb/No [dB] P ro b a b ilit à d i e rr o re p e r a lc u n e te c n ic h e di m o d u la z io n e .

Per risalire da Eb/N al ra p p o rto segnale rum ore (S/N o SNR), vanno considerati il data rate (R) e la banda (Bw) del sistema, secondo la 0

Esercizio svolto n. 13

C om e si può vedere, a ll'in te rn o della m edesim a te cnica di m o d u la z io n e e a p a rità di BER, l'im ­ p ie g o di un m a g g io r n u m e ro di livelli richied e un ra p p o rto segnale ru m o re m iglio re , m e n tre , a parità di livelli, la m o d u la zio n e Q A M è m eno sensibile al rum ore rispe tto alla PSK. È possibile m igliorare le prestazioni ricorre n do a tecniche specifiche com e l'im p ie g o di filtri a cose­ no rialzato, la co d ifica Trellis e la tecnica OFDM.

Esercizio da svolgere n. 16 Scheda 31 - A n alizzatori di m odulazione

W&w Prestazioni delle modulazioni

digitali e possibili miglioramenti La scelta della tecnica di m o d u la zio n e determ ina la banda occupata, la sua efficienza in potenza e la com plessità delle apparecchiature da im piega­ re. Principale in d ica to re di q u alità di un co lle g a ­ m e n to dati è il livello di affidabilità (re lia b ility ) g a ra n tito , espresso in te rm in i di BER.

Filtro a coseno rialzato U tiliz z a n d o p a rtic o la ri filtri s a g o m a to ri (o fo r­ m a to ri) di im pulso, è possibile rid u rre la banda bilatera occupata dal segnale dati, m a n te ne n d o lim ita to l'ISI.

280

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

P rendendo per esem pio, com e fo rm a to re di im ­ pulso, un filtro passa basso con a n d a m e n to in fre q u en za d e tto a coseno rialzato (fig. 7.40a), dove

La risposta im pulsiva del filtro a coseno rialza­ to ha, inoltre, la p ro p rie tà di risultare nulla negli istanti m u ltip li del te m p o di sim bolo (fig. 7.40b), p e rta n to , se il ricevitore cam piona la fo rm a d 'o n ­ da trasmessa negli istanti co rre tti (fig. 7.41), può id e a lm e n te ricostruire tu tti i valori o rig in a li tra ­ smessi, senza incorrere n e ll'in te rfe re n za di intersim b o lo (ISI).

e in d ica n do con a (fa tto re di ro ll-o ff) l'eccesso di banda del filtro rispe tto alla banda ideale fb/ , la banda del segnale è lim ita ta al valore 2

Esercizi svolti n. 14, 15 Esercizio da svolgere n. 17

y ( 1 +cc)

Codifica Trellis Per aum entare il b it rate, m a n te n e n d o inalterata la p ro b a b ilità di errore, è necessario elevare, al co n te m p o , il num ero dei livelli e la potenza del segnale. Se non è possibile au m e n ta re la potenza, si deve p e rm e tte re al ricevitore di correggere alm eno in parte eventuali errori in ricezione, utilizzando ap­ posite co d ifich e "a correzione di e rro re " quale la modulazione TCM ( Trellis C oded M o d u la tio n ). A ttra v e rs o questa c o d ific a , si in tro d u c o n o nel m essaggio alcuni b it di ridondanza, u tili al deco­ d ifica to re di ricezione per riconoscere e co rreg ­ gere eventuali errori m e diante un a lg o ritm o con s tru ttu ra a tra liccio che ricostruisce la sequenza più verosim ile.

e la banda traslata bilatera, occupata d o p o il p ro­ cesso di m odulazione, diventa B = fb • (1 + CX)

Tecnica OFDM In una trasm issione a banda larga, sia su d o p p i­ no, sia in etere, risulta sco n ve nie nte m o d u la re l'in te ro flusso dati con una sola p o rta n te , perché il c o m p o rta m e n to irregolare del canale lim ita la banda disponibile. Il d o p p in o te le fo n ico , per esem pio, presenta una fo rte a tten u a zio n e in alta frequenza, m entre nel­ le connessioni w ireless è il fe n o m e n o dei cam ­ m ini m u ltip li di p ro p ag a zio n e a ridurre la banda utile. È più conveniente, q u in di, scomporre il flusso to ta le dei dati in tra n s ito in g ru p p i di velocità in ­ feriore, da associare a un d e te rm in a to num ero di s o tto p o rta n ti, e ricomporre il tu tto al te rm ine . La banda com plessiva viene così suddivisa in un certo num ero di canali di banda m inore (FDM, Freq u en cy D ivision M u ltip le x in g ), a c o m p o rta m e n to sin g o lo più u n ifo rm e , con una m o d u la zio n e in ­ d ip e n d e n te dei vari canali (M C M M u lti-C a rrie r M o d u la tio n ), lasciando un m a rgine di sicurezza tra gli sp e ttri (fig. 7 .4 2 ) per prevenire l'in te rfe ­ renza intercanale.

281

UNITA DIDATTICA 7

I W j - Ii ] : ! ) Convolutional channel coding r

\

r

fi

\

,

h

k

r

\

.

,

f4

U tiliz z o d e lla b a n d a c o n m o d u la z io n e F D M .

Per o ttim iz za re u lte rio rm e n te la banda, i canali co n fin a n ti sono m o d u la ti con portanti ortogo­ nali (m o du la zio n e OFDM, O rth o g o n a l FrequencyD ivisio n M u ltip le x in g ), rendendo, in ricezione, d istin g u ib ili le bande, anche se p a rzialm ente so­ vrapposte (fig. 7.43).

In o fi

(2

cY \ 7

Ì3

7

f

U

U tiliz z o d e lla b a n d a c o n m o d u la z io n e O F D M .

S fru tta n d o le relazioni di o rto g o n a lità tra i canali, è q u in di possibile accettare una sovrapposizione tra gli sp e ttri c o n fin a n ti, con gu ad a g no di banda e senza d e grad o nelle prestazioni. La m odulazione OFDM è utilizzata in tu tti i sistemi a larga banda, quali ADSL (indicata com e DMT, D iscrete M u ltito n e M o d u la tio n ), W iFi 8 0 2 .1 1/g, W iM a x e nel d igitale terrestre (DVB-T, D ig ita l Vi­ d e o B roadcasting - Terrestrial). Il n u m e ro di p o rta n ti da u tiliz za re è m a g g io re laddove è p eggiore la q u alità del canale a dispo­ sizione. Per esem pio, ADSL utilizza 25 p o rta n ti p er l'u p lin k e 2 2 4 per il d o w n lin k (fig. 7.44), con banda com plessiva di circa 1 MHz; il DVB-T, a seconda delle configurazioni, può utilizzare 1.705 o 6 .8 1 7 p o rta n ti (di solo d o w n link), con bande variabili tra , 7 o M Hz. 6

^ E S E R C IZ I SVOLTI ESERCIZIO 1 D ato un segnale A M con p o rta n te di am piezza V p= 1 V e frequenza f p= 100 kHz, e con m o d u la n ­ te di frequenza f m= 5 kHz e am piezza V m= 0 ,5 V, calcolare: • l'in d ice di m o d u la zio n e in percentuale; • la potenza della p o rta n te non m o d u la ta, c o n ­ siderando u n 'a n te n n a con Req= 5 0 Q; • le co m p o n e n ti a rm oniche del segnale m o d u ­ lato; • lo s p e ttro del segnale m o d u la to A M , DSB, SSB; • la larghezza di banda o ccu p a ta dal segnale AM. Soluzione L'indice di m o d u la zio n e vale m a =

V m /V p =

0 ,5 =

50%

Nella m o d u la zio n e A M la p o rta n te risulta in a l­ te ra ta, perciò, n o to il suo valore m assim o V p, la potenza sviluppata in a n te n n a è data da 1

P =

2

50

=

0 ,0 1

W

vP !

V Pn W 2

f p - fm

VpfTla/2

fp + fm

fp

8

. |Q.

fp

fp + fm

:

+

. |Q.

t-fm

b

P o rta n ti A D S L d i u p e d o w n lin k s u lin e a te le fo n ic a . S p e ttri A M , DSB, SSB.

Esercizio svolto n. 16 Esercizio da svolgere n. 18

Il segnale m o d u la to A M risulta co m p o s to dalle seguenti a rm oniche:

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

•

fo n d a m e n ta le con a m piezza V p= 1 V e fre ­ quenza kHz; • arm onica inferiore di am piezza 0,25 V e fre ­ quenza fp - f m= 100 - 5 = 95 kHz; • arm onica superiore di am piezza 0 ,25 V e fre ­ quenza fp + f m= 100 + 5 = 105 kHz. Lo sp e ttro del segnale DSB co n tie n e solo le due a rm oniche laterali di am piezza m entre lo spet­ tro del segnale SSB c o n tie n e solo u n 'a rm o n ica . Gli spettri dei segnali m o d u la ti sono rip o rta ti in fig . 7.45. V

a

fp + fm — ( f p

4-1,25 • cos[27T (1 0 6 — 103)

t]

+ 1,25 cos[27t (1 0 6 + 103)

t]

B = 2 fm = 2 kHz

,

La potenza della p o rta n te è 2

— f m ) = 2 - f in

= 562,5 mW

50

1 _ 2,52 Req

2 • 50

= 62,5 mW

La p o te n za di una banda ris p e tto alla pote n za to ta le è P‘ 100 P + 2 • P1 62,5 mW 100 = 8,96% 562,5 mW + 2 62,5 mW

P‘ %

=

ESERCIZIO 3 Una m o d u la n te , con am piezza M = 4 V e pulsa­ zione com= . - k rad/s, m o d u la in fre q u en za una p o rta n te con am piezza P = 10 V e pulsazione cop= 10 rad/s. Sapendo che la sensibilità del m o ­ 1

0

0

0

6

dulatore vale kf= 1 .0 0 0 -k rag / s , scrivere l'espres­ sione trig o n o m e tric a del segnale m o d u la to in frequenza Vfm (t) e stim are la banda occupata.

Soluzione P rendendo a rife rim e n to la fig . 7.3, sapendo che l'am piezza del segnale m o d u la to è com presa tra ± 10 V e ±5 V, si pu ò d e durre che è s ta to o tte ­ n u to da una p o rta n te V p= ± 7 ,5 V, m o d u la ta con p ro fo n d ità V m= ± 2 ,5 V.

Soluzione Una vo lta calcolata la massima deviazione di fre ­ quenza dalla p o rta n te A f = kf •

2n

1.000

n

~

-

2 n

=

2.000 Hz

conoscendo la frequenza della m o d u la n te

L'indice di m o d u lazione vale perciò

fm=

m - = -V7 = x l = 33%

2 7t

= 1-Q°Q 2 7t

71

=

500 Hz

si d e te rm in a l'in d ice di m o d u la zio n e di fre q u e n ­ za

Le espressioni trig o n o m e tric h e del segnale m o ­ d u la to sono Vp-

2

Req

La potenza di una banda laterale, che nell'esem ­ pio è rappresentata da una sola arm onica, vale

ESERCIZIO 2 Un segnale m o d u la to A M , o tte n u to da una por­ ta n te di 1 M H z e da una m o d u la n te da 1 kHz, presenta am piezze com prese tra ±10 V e ±5 V. D eterm inare: • l'in d ice di m o d u la zio n e percentuale; • l'espressione trig o n o m e tric a del segnale m o ­ dulato; • la larghezza di banda occupata. Sapendo, in o ltre , che viene inviato a u n 'a n te n n a di 50 Q, calcolare: • la potenza della p o rta n te non m o d ulata; • la potenza di ciascuna banda laterale; • la potenza di una banda in percentuale rispet­ to alla potenza to tale.

=

7,52

V .J L

P

P' =

Vam(t)

t)

La larghezza di banda occupata vale

La banda occupata dal segnale A M è B=

7,5 COS(27t IO 6

Vam (t)=

1 0 0

Hz = 4 m, = A f _ 2.000 500 Hz fm

[1 + m a ■COS (CÙm • t)] • COS (CÙp ■t)

L'espressione del segnale m o d u la to p u ò q u in d i essere com posta u tiliz zan d o l'ind ice di m o d u la ­ zione

Vam ( t ) =

7,5 •( 1 + 0,33 cos(2 ti 103 t ) ) - cos(2 ji 106 t)

283

UNITA DIDATTICA 7

V fm (t) =

P cos [Cùp • t

= 10 cos[10

+

t + 4 sen( .

6

L'indice di m odu la zio n e e la banda occupata val­ g o n o rispettivam ente

m f • sen (com• t ) ] 1

0

0

0

- t t)] 7

_ Af 35 kHz = 2,3 m f _ f m “ 15 kHz

La banda occupata dal segnale m o d u la to vale B = 2 ■(A f + f m) = 2 • (2.000 + 500) = 5.000 Hz

B = 2 ■(A f + f m) = 2 ■(35 + 15) = 100 kHz

ESERCIZIO 4 In un sistem a FM, la frequenza della p o rta n te va­ ria tra 99,97 M H z e 100,03 M H z perché m odulata da un segnale con f m= 4 ,5 kHz. D e term inare la frequenza della po rta nte , l'ind ice di m odu la zio n e e la banda occupata.

ESERCIZIO 6

Si v o g lio n o tra s m e tte re p iù segnali a u d io con banda 15 kHz, m o d u la ti A M con indice di m o ­ dulazione m a= 0 ,5 , su un canale di banda 1 MHz. D eterm inare il num ero di canali a llo c a g li in FDM, la potenza to ta le di ciascun canale e il valore e f­ ficace della p o rta n te , sapendo che la potenza di una banda laterale vale Pi = 10 W e che il carico (Ri) è da 75 Q.

Soluzione La v a ria z io n e di fre q u e n z a d e lla p o rta n te è pari a 2 ■A f = 100,03 - 99,97 = 0,06 MHz = 60 kHz

Soluzione M o d u la n d o A M un segnale da 15 kHz, si occupa una banda di 30 kHz e riservando 3 kHz (1 0 % ) alla separazione tra bande adiacenti per evitare in te rfe re n z e , le b a nde che è possibile allocare sono

La fre q u en za della p o rta n te è a m età tra f max e fmin

L'indice di m o d u lazione è

1 MHz = 30 (30 + 3) kHz

„ Af 30 kHz = 6,6 m , _ f m - 4,5 kHz

La te nsio ne in ciascuna delle bande laterali vale

La banda occupata

ma •V p _ k V m 2 2

B = 2 • (A f + f j = 2 • (30 + 4,5) = 69 kHz

~

con V p e V m, valori efficaci rispe ttiva m en te della p o rta n te e della m o dulante. ESERCIZIO 5

Dalla p o te n za svilu pp a ta sul carico da 75 Q in una delle bande laterali

Una p o rta n te viene m o d u la ta in fre q u en za con co sta n te k f= 1 2 .5 6 0 ray ^ s e fre q u en za m o d u ­

Pi

lante 15 kHz. D eterm inare l'am piezza del segna­ le m o d u la n te che c o n s e n te una d e via zio n e di fre q u en za A f= 3 5 kHz, l'in d ic e di m odu la zio n e e la banda occupata.

si può risalire al valore efficace della p o rta n te V _ 2 •v/P~~r7 _ 2 V TC K 75 _ 109,54 V p_ ma 0,5 e alla potenza sviluppata dalla sola p o rta n te

Soluzione Dalla deviazione di frequenza Af =

D _ VP2 _ 109,542 _ 160 W 75 Ri

k,M 271

La potenza to ta le vale q u in d i

si ricava l'am piezza del segnale m o d u la n te M = A f •2 k,

7!

“

/ m a • V P \2 j _ 2 / Ri

3 5 - 103-2 12.560

71

= 17,5 V

Ptot = Pp + 2 • P = 160 + 2 10 = 180 W

284

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

seconda arm onica, f 2= 1 0 M H z

ESERCIZIO 7 Si v o g lio n o tra s m e tte re p iù segnali a u d io con banda 15 kHz, m o d u la ti FM con indice di m o d u ­ lazione r r if= , su un canale di banda 1 M H z. De­ te rm in a re il num ero di canali a llo c a g li in FDM.

V = - ^ - - s e n (27t/4) = 0,64 V 2

terza arm onica, f 3= 15 M Hz

6

V = l ^ - s e n (3 t i /4 ) = 0,30 V 3

Soluzione

quarta a rm onica, f 4= 2 0 M H z

A f = m , f m=

6

15 kHz = 90 kHz

V = ^ f s e n (4 ti/4 ) = 0 V 4

e successive.

B = 2 - ( A f + f m) = 2 ( 9 0 + 15) = 210 kHz Il num ero di canali a llo c a g li in FDM vale n
0 5

si o tte n g o n o le seguenti arm oniche: prim a arm onica, f i = 5 M H z V, =

C = B log2( l + - !- ) = 3.100 ^ g

2 2 7t sen (7 t/4 ) = 0,90 V

Lmax = ^ 1

285

^

'

1

= 18.607 bps

= V 1 + 6 3 ,1 =

8

UNITA DIDATTICA 7

D ifa tti, con L = , u tiliz za n d o la relazione del ca­ nale privo di ru m ore si ha 8

C = 2 B log2L = 2 3.100 log

2 8

B = fmax - fmin + 2 f b = 40 kHz +

8

kHz = 48 kHz

= 18.600 bps ESERCIZIO 13 D eterm inare il b it rate di un m o dem fo n ic o che lavora con velocità di m odu la zio n e 2 .4 0 0 baud, o p e ra n d o su 64 livelli e a d o tta n d o un p ro to co llo di com pressione dei dati in ingresso con efficienza 200 % .

ESERCIZIO 11 D ato un sistem a di trasm issione dati con m o d u ­ lazione di am piezza ASK OOK, con Tb=1 ms e p e rio d o della p o rta n te Tp= 0 ,2 ms, calcolare la velocità di trasm issione, la fre q u en za della por­ ta n te e la banda occupata.

Soluzione O p e ra nd o su 6 4 livelli, ciascun livello tra sp o rta b it di in fo rm a zio n e (2 = 64) C onsiderando anche la com pressione, il b it rate vale 6

Soluzione La velocità di trasm issione vale fb= J - = Ib

1 . 0 0 0

6

bit/s 2.400

6

2 = 28.800 bps

La fre q u en za della p o rta n te è f p = J - = 5.000 Hz 1p

ESERCIZIO 14 Una sorgente e m e tte un flusso b in a rio con rate f b=1 M bps, successivamente filtra to m ediante un fo rm a to re di im pulsi a coseno rialzato con ro ll-o ff a = 0,8. D eterm inare la banda bilatera occupata dal segnale dati.

La banda di un segnale m o d u la to ASK, com e nel­ la A M , vale due vo lte la frequenza di bit, allocata a tto rn o alla p o rta n te B = 2 f b — 2.000 Hz

Soluzione Nel caso di a lfa b e to binario, il baud rate dei sim ­ boli in trasm issione coincide con il b it rate della sorgente. L'utilizzo di un fo rm a to re di im pulsi a coseno ri­ a lza to riduce la banda bilatera com plessiva del segnale dati al valore

ESERCIZIO 12 Una p o rta n te sinusoidale di fre q u en za 50 M H z viene m odulata con u n 'on d a quadra di frequenza f = 2 kHz. Data la massima deviazione di frequenza A f = 20 kHz, calcolare l'in d ic e di m odulazione, le fre q u e n ze m in im a e massima e la banda passan­ te, co n siderando solo il ° lo b o dello spettro. 1

B = f b • (1 + a ) = 1 Mbps ■(1 + 0 ,8 ) = 1,8 MHz

Soluzione L'indice di m o d u lazione vale mf =

Af

ESERCIZIO 15 Per realizzare un co lle g a m e n to da 100 kbps con un BER m iglio re di 10‘ 5, si utilizza un m o d u la to ­ re 3 2 Q A M con filtro a coseno ria lza to a = 0,5. D eterm inare il ra p p o rto segnale rum ore m in im o necessario.

20 kHz 2 kHz

La fre q u en za m inim a vale f ml„ = 50.000 kHz - 20 kHz = 49.980 kHz La fre q u en za massima vale

Soluzione U tilizzando la tecnica 3 2 Q A M , ogni sim bolo porta 5 b it di in fo rm a zio n e e la banda traslata b ilate­ ra, o ccu p ata d o p o il processo di m o d u la zio n e , diventa

f max = 50.000k Hz + 20 kHz = 50.020 kHz N ota la banda del 1° lo b o dello sp e ttro fb = 2 f = 4 kHz

B = fb-(1 + a ) = 100 kbps ( 1 + 0 , 5 ) = 3Q kHz

si o ttie n e la banda passante 286

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

Dal g ra fico di fig . 7 .39 , per un BER < 10 risulta una richiesta di energia per b it (Eb), rispe tto alla densità di potenza di rum ore

ESERCIZI DA SVOLGERE

- 5

ESERCIZIO 1 D ato un segnale A M con p o rta n te di am piezza ± 10 V e frequenza 1 M H z, m o d u la n te 1 kHz e ±5 V, calcolare l'in d ice di m o d u lazione in percen­ tuale, la potenza della p o rta n te non m o d u la ta su u n 'a n te n n a da 50 Q, la larghezza di banda occu­ pata dal segnale A M , ie c o m p o n e n ti arm oniche del segnale m o d u la to. [Ris.: m a= 5 0 % ; P=1 W ; B = 2 kHz; 2,5 V a 9 9 9 kHz; 10 V a 1 M H z; 2 ,5 V a 1,001 M H z]

1 ^ = 21 dB = 125,9 No

perciò un ra p p o rto segnale rum ore S i =

i r

100 kbps = 419,7 = 26,2 dB 30 kHz

' «

ESERCIZIO 16 Si vuole scaricare da In te rn e t un video a colori di 30 s, in fo rm a to CIF (360 • 2 8 8 pixel), 3 fram e/s, 3 co lo ri da 4 b it ciascuno (2 12 = 4 .0 9 6 colori), c o m ­ presso al 5 0 % , u tilizzan d o un m o dem analogico su linea vocale con S/N = 36 dB oppure un m odem ADSL a 6 4 0 kbps. D e term inare il te m p o im p ie ­ g a to nei due casi.

ESERCIZIO 2 Una p o rta n te a 100 kHz è m o d u la ta in am piezza con un segnale da 2 kHz. D e term inare le righe spettrali presenti nel segnale m o d u la to nei casi di m o d u la zio n e A M , DSB, SSB. [Ris.: 98 kHz, 100 kHz, 102 kHz; 98 kHz, 102 kHz; 98 kHz o p pu re 102 kHz]

Soluzione La massa to tale di inform azioni da scaricare vale

ESERCIZIO 3 D ato il m essaggio

(360 288) pixel 3 - ^ 1 4 — r pixel colore .3 fraine.. 30 s , 50o/o = Mbit 5 6

m ( t ) = 2 cos(2 j i - 1.000 t) + y - cos( 27T-3.000 t) U tilizza n do un m o dem an alog ico su canale tele­ fo n ic o (B = 3 .1 0 0 Hz), in presenza di ru m ore tale che S/N = 36 dB =

1

e la p o rta n te p( t ) = 5 cos(27i 100.000 t ) d e te rm in a re g li s p e ttri del m essaggio e del se­ gnale m o d u la to DSB. [Ris.: riga di am piezza 2 V a 1 .00 0 Hz e riga di

o3-6 = 3.981

la capacità di canale vale

am piezza y V a 3 .00 0 Hz; y V a 97 kHz, 1 V

C = B log2(1 + 3 .9 8 1 )

a 99 kHz, 1 V a 101 kHz,

= 3.100 ■log23.982 = 37.073 [bit/s]

V a 103 kHz]

Il num ero di b it per ogni livello p u ò essere C n _ 2 B ‘

ESERCIZIO 4 Dato un segnale A M con portante ±50 V e periodo Tp= 2 ps, m o d u la n te ±35 V e periodo Tm= 0 ,5 ms, si chiede di esprim ere m atem aticam ente i due se­ gnali e il segnale m o d u la to . Si richiede, in o ltre , di determ inare l'indice di m odulazione m a, lo spettro e la banda del segnale m o d u la to . [Ris.: v p (t)= 5 0 ■c o s (2 n • 500 •10 3• t); vm (t)= 3 5 -cos(2jt -2 -10 3• t); m = 0,7; vam (t) = (50 + 35 co s(2 n -2 •10 3• t)) -co s(2jt - 500 -103-t); Vam (t) = 5 0 -COS(23T - 5 0 0 - 1 0 3-t) + 17,5 • cos(2jr ■4 9 8 • 10 3 • t) + 17,5 c o s (2 jf 502 -10 3• t); B = 4 kHz]

37.073 bit/s , , r bit 6.200 baud = b livello

cioè è possibile una co d ifica fin o a 2 6= 6 4 livelli d iffe re n ti, quale la 6 4 Q A M PSK, a 3 8 ,4 kbps. Il te m p o im p ie g a to per scaricare ii film a to vale 56 M bit = 1.458 s = 24 minuti 38,4 kbps C on una connessione ADSL a 6 4 0 kbps il te m p o im p ie g a to si riduce a t=

56 M bit = 87,5 s 640 kbps

287

UNITA DIDATTICA 7

ESERCIZIO 5 D ato il segnale m o d u la to FM

ESERCIZIO 10 Si v o g lio n o tra s m e tte re più segnali con banda 12 kHz, m o d u la ti FM con indice di m odulazione rrif= 4 , su un canale di banda 500 kHz. D e te rm i­ nare il num ero di canali a llo c a g li in FDM. [Ris.: n = 4 ]

Vfm(t) = 15 cos[(615,75 106 t + 25 ■sen(18,84 10 3 t )] ricavare f m, f p, m f, A f, banda e p o te n za su un carico da 75 Q. [Ris.: f m= 3 kHz; f p= 9 8 M H z; m f = 25, A f = 7 5 kHz; B = 156 kHz; P = 1 , 5 W ]

ESERCIZIO 11 D e te rm in a re la co m p o sizio n e a rm o n ica di una p o rta n te d ig ita le c o s titu ita da un tre n o di im ­ pulsi di fre q u e n za 1 M H z, d u ra ta t on = 0,2 ps e am piezza 1 V. [Ris.: V 0 = 0,2 V; V i = 0 ,3 7 V (f, = 1 MHz); V 2= 0 ,3 0 V ( f 2 = 2 MHz); V 3= 0 ,2 0 V (f3 = 3 MHz); V4= 0 ,0 9 V (f4= 4 M Hz); V 5= 0 (fs= 5 MHz); ecc.]

ESERCIZIO 6 In un sistema FM la frequenza della p o rta nte varia tra 9 9 ,9 5 M H z e 100,05 M H z perché m o dulata da un segnale con f m= 5 kHz. D eterm inare la fre ­ quenza della p o rta n te , l'in d ic e di m odu la zio n e e la banda occupata. [Ris.: f p= 100 M H z; m f = 1 0 ; B = 1 10 kHz]

ESERCIZIO 12 D e te rm ina re il b it rate di un canale con banda B = 1 .20 0 Hz e codifica su 16 livelli. [Ris.: 9 .6 0 0 bps]

ESERCIZIO 7 Una p o rta n te viene m o d u la ta in fre q u en za con co sta n te k f= 1 0 .0 0 0 ray ^ s e fre q u e n za m o d u ­

ESERCIZIO 13 D eterm inare la capacità di canale C per la banda te lefonica (B = 3 .10 0 Hz), nei casi di trasm issione binaria in assenza di rum ore e di trasmissione m ul­ tilive llo in presenza di un ra p p orto S/N = 20 dB. [Ris.: con trasm issione binaria C = 6 .2 0 0 bps; con trasm issione m u ltiliv e llo in presenza di ru ­ m ore Lmax= 10, che non è una potenza del 2, perciò si scende a L = 8 = 23, C = 18,6 kbps]

lante 5 kHz. D eterm inare l'am piezza del segnale m o d u la n te che consente di o tte n e re una devia­ zione di frequenza A f = 35 kHz, l'in d ice di m o d u ­ lazione e la banda occupata. [Ris.: 22 V; m f = 7 ; B = 8 0 kHz] ESERCIZIO 8 Una p o rta n te da 1 0 7,8 M H z è m o d u la ta in fre ­ qu en za da u n 'o n d a sinusoidale da 8 kHz, con deviazione di frequenza A f = 50 kHz. Determ inare le fre q u en ze m inim a e massima, la banda o ccu ­ pata e l'in d ice di m odulazione.

ESERCIZIO 14 Un segnale d a ti, c o s titu ito da u n 'o n d a quadra 0 4- 5 V, m o d u la a 1 .200 bit/s una p o rta n te si­ nusoidale di am piezza 1 V e p e rio d o 0,1 ms, e f­ fe ttu a n d o una m o d u la zio n e d ig ita le ASK OOK. Indicare il c o n te n u to a rm o n ico del segnale m o ­ d u la to e il valore della banda occupata. [Ris.: co p pie di righe ce n tra te a tto rn o a 10 kHz, con am piezza A i = 5 /ji; A 3 = 5 /3 n ; B = 2 .4 0 0 Hz]

[Ris.: f max= 107,85 kHz; f min = 1 0 7,7 5 kHz; B = 116 kHz; m f = 6 ,2 5 ] ESERCIZIO 9 Si v o g lio n o tra s m e tte re più segnali con banda 12 kHz, m o d u la ti A M con indice di m odulazione m a= 0,8, su un canale di banda 100 kHz. De­ te rm in a re il n u m e ro di canali a llo c a g li in FDM, lasciando alm eno 1 kHz di separazione tra le ban­ de. Sapendo che la potenza di una banda laterale vale Pi = 8 W e che il carico (Ri) è da 50 Q , calco­ lare anche la potenza to ta le di ciascun canale e l'am piezza della po rta nte .

ESERCIZIO 15 Un segnale d a ti, c o s titu ito da u n 'o n d a quadra, m odula in frequenza (FSK) a 80 0 bit/s una portante sinusoidale di p eriodo 0,1 ms, con A f= 1.000 Hz. D e te rm in a re il valore sia d elle fre q u e n z e f min e fmax, sia della banda passante, considerando solo il p rim o lo b o d ello sp ettro della quadra. [Ris.: f min= 9 kHz; fmax=11 kHz; B = 3,6 kHz]

[Ris.: n = 3; V p = 50 V; P,0,= 66 W ]

288

MODULAZIONI ANALOGICHE E DIGITALI

■2> TEST

ESERCIZIO 16 D eterm inare il b it rate di un m o dem che lavora con velocità di m o d u la z io n e 1 .2 0 0 baud, o p e ­ rando su 128 livelli e a d o tta n d o un p ro to c o llo di com pressione dei dati in ingresso con efficienza 150% . [Ris.: 12.600 bps]

Tra le seguenti a fferm a zio n i, individua quelle cor­ rette (V) e quelle errate (F). 1. In un sistema di comunicazione: 1. il trasm ettitore adatta il segnale infor­ m ativo al mezzo utilizzato per la sua propagazione 2. ciascun mezzo è caratterizzato da una banda passante e da un costo per uni­ tà di lunghezza 3. il segnale, m entre percorre il canale trasmissivo, si degrada 4. il ricevitore ricostruisce il segnale ori­ ginario con un processo analogo al trasm ettitore

ESERCIZIO 17 Per realizzare un lin k da 2 0 0 kbps con un BER m igliore di 1CF4, si utilizza un m o d u la tore 3 2Q A M con filtro a coseno rialzato o .= 0 ,8 . D eterm inare il ra p p o rto segnale-rum ore m in im o necessario. [Ris.: S N R = 2 3 ,4 dB] ESERCIZIO 18 Si vuole scaricare da In te rn e t un video a colori di 4 0 s, in fo rm a to QCIF (1 8 0 -1 4 4 pixel), 5 fram e/s, 3 colori da 4 b it ciascuno (2 5*12= 4 .0 9 6 colori), com ­ presso al 6 0 % , u tiliz za n d o un m o d e m a n a lo g i­ co su linea vocale con S/N = 36 dB, o p p u re un m o dem ADSL a 640 kbps. D eterm inare il te m p o im p ie g a to nei due casi. [Ris.: 972 s; 58,3 s]

2. In un processo di modulazione: 1. si riduce la banda del segnale 2. la portante modifica uno dei parametri della m o d u la n te 3. si adatta il segnale al canale 4. si ricostruisce il segnale d e m o d u la n d o la m odulante 3. Tra le bande di segnale: 1. la voce umana cade, per la m aggior parte, tra i 300 e i 3 .10 0 Hz 2. il segnale udibile copre una banda da 16 H z a 16 kHz 3. il segnale video occupa una banda di circa 4 kHz 4. le note musicali sono delle deform ate periodiche

E E

E E E E

E E

E E E B E E

E E

E E E E E E

E E

4. Nella modulazione AM: 1. il segnale m odulato ha un'am piezza dipendente dal messaggio E E 2. il segnale m odulato ha la frequenza che dipende dal messaggio E E 3. l'in d ice di m o d u la zio n e è uguale a 1 E E 4. il re n d im e n to di m odu la zio n e è a lto E E 5. Lo spettro ottenuto modulando in DSB una portante di frequenza fp con una si­ nusoide di frequenza f m: 1. contiene infinite arm oniche E E 2. occupa una banda B = 2 -fm E E 3. contiene la portante E E 4. presenta due righe alle fre que nze fp + fm e f p — fm E E 289

UNITA DIDATTICA 7

6. Nella modulazione FM: 1. il segnale m o d u la to ha u n 'am piezza che dipende dal messaggio 2. il segnale m o d u la to ha la frequenza che dipende dal messaggio 3. l'in d ice di m o d u lazione non dip e nd e dalla frequenza del m essaggio 4. l'im m u n ità ai d istu rb i è m a g g io re ri­ sp e tto alla m o d u lazione A M

11.Riguardo le possibili codifiche del mes­ saggio numerico da trasmettere è corret­ to dire che è possibile: 1. minimizzare il numero di bit adattando ii codice alle caratteristiche statistiche della sorgente E E

E E E E E E

2. introdurre simboli ulteriori nel messag­ gio in m odo da rilevare la presenza di errori in ricezione E E 3. inviare il clock miscelato con i dati E E 4. elim inare la c o m p o n e n te co n tin ua E E

E E

7. Lo spettro ottenuto modulando in FM una portante di frequenza fp con una si­ nusoide di frequenza fmpresenta: 1. arm oniche che si estendono a destra e a sinistra di f m E E 2. una banda che a u m e n ta a ll'a u m e n ta re dell'indice di m odulazione E E 3. una banda più estesa rispetto alla m o­ dulazione DSB E E 4. una banda pari a 200 kHz E E

12. Tra le modulazioni numeriche: 1. la b a nda o ccu p a ta dalla FSK risulta m inore rispe tto alla ASK E E 2. la PSK occupa una banda m inore della FSK E E 3. la PSK è m eno sensibile alle a tte n u a ­ zioni di am piezza rispe tto alla ASK E E 4. la OOK è una particolare fo rm a di m o ­ dulazione OSK E E

8. La multiplazione a divisione di frequenza: 1. perm ette di im pegnare tu tta la ban­ da passante di un determ inato mezzo trasmissivo E E 2. suddivide la banda disponibile tra più sorgenti E E 3. p e rm e tte la trasm issione sim ultanea di più segnali distinguibili tra loro E E 4. trasla della medesima quantità le ban­ de dei diversi segnali E E

13. Utilizzando le poli-modulazioni: 1. i dati del messaggio vengono raggrup­ pati in gruppi di n bit E E

2. a ogni gruppo viene associato un va­ lore di fase o di ampiezza diverso del segnale m odulato E E 3. con una m odu la zio n e a 4 livelli, 128 kbps diventano 6 4 kbaud E E 4. la velocità di trasmissione in baud può risultare superiore al bit/s E E i*

9. La trasmissione dell'informazione in for­ ma digitale: 1. rispetto alla trasmissione analogica, ha un m igliore rapporto prestazioni/costo E E 2. rispetto alla trasmissione analogica, è meno influenzata da rum ori e distor­ sioni E E 3. perm ette la correzione di errori che alterano il dato in trasmissione E E 4. perm ette la crittografia dei dati E E

14. Per quanto riguarda la capacità di un ca­ nale di banda B: 1. senza ru m ore in linea e con soli due livelli di codifica, si ha C = 2 B [bit/s] E E 2. u tilizzan d o una trasm issione che che im pegna L livelli, si ha C = 2 • B • lo g 10L [bit/s] E E

10.Trattando dello spettro di un segnale dati, si può dire che: 1. occupa una banda lim itata E E 2. ha un inviluppo con andam ento del .. log x tip o — f — E E

3. la presenza di rum ore in linea riduce ii num ero di livelli possibili E E 4. nei m o dem a ttuali la velocità di c o m u ­ nicazione pu ò variare anche d u ra nte la com unicazione E E

indicando con tb la durata del singolo bit, passa per zero ogni m u ltiplo di 1/tb E E per o gni Hz di banda di canale si pos­ sono tra sm ette re al m assim o 4 bit/s E E

290

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE CC1000 SINGLE CHIP VERY LOW POWER RF TRANSCEIVER

Product Description C C 10 0 0 is a tru e single-chip UHF transceiver designed fo r very lo w p o w e r and very lo w voltage w ireless applications. The Circuit is m ainly in te nd e d fo r th è ISM (Industrial, S cie n tifica n d M edicai) and SRD (S hort Range D evice)frequency bands a t 315, 4 3 3, 86 8 and 9 1 5 M H z, b u t can easily be p ro g ra m m ed fo r o p e ra tio n at o th e r frequencies in th è 3 0 0 -1 0 0 0 M H z range. The m ain o p e ra tin g param eters o f C C 10 0 0 can be pro g ra m m ed via a serial bus, th u s m aking C C 10 0 0 a very flexible and easy to use transceiver. In a typical System C C 10 0 0 w ill be used to g e th e r w ith a m ic ro c o n tro lle r and a fe w external passive co m ponents. C C 10 0 0 is based on C hipcon's SmartRF® te c h n o lo g y in 0 .35 pm CMOS.

Circuit Description

A s im p lifie d block diagram o f C C 10 0 0 is s h o w n in Figure 1. O n ly s ig n a l pins are show n. In receive m ode C C 1000 is co n fig u re d as a tra d itio n a l superheterodyne receiver. The RF in p u t signal is a m p lifie d by th è low noise a m p lifie r (LNA) and converted d o w n to th è in te rm e d ia te fre quency (IF) by th è m ixer (MIXER). In th è in te rm e d ia te fre q u en cy stage (IF STAGE) this d o w n co n ve rte d signal is a m p lifie d and filte re d before being fed to th è d e m o d u la to r (DEMOD). As an o p tio n a RSSI signal, o r

291

CC1000 SINGLE CHIP VERY LOW POWER RF TRANSCEIVER

th è IF signal a fte r th è m ixer is available at th è RSSI/IF pin. A fte r d e m o d u la tio n C C 1 000 o u tp u ts th è d ig ita i d e m o d u la te d data on th è pin DIO. Synchronisation is done o n -ch ip p ro vid in g data clock a t DCLK. In tra n s m it m ode th è vo lta g e c o n tro lle d o scilla to r (VCO) o u tp u t signal is fed d ire ctly to th è p o w e r a m p lifie r (PA). The RF o u tp u t is fre quency s h ift keyed (FSK) by th è d ig ita i b it stream fe d to th è pin DIO. The internai T/R sw itch circu itry m akes th è a n te n n a in terface and m a tch in g very easy. The frequency synthesiser generates th è locai o scilla to r signal w h ic h is fe d to th è MIXER in receive m ode and to th è PA in tra n s m it m ode. The frequency synthesiser consists o f a crystal o scilla to r (XOSC), phase d e te c to r (PD), charge p u m p (CFIARGE PUMP), VCO, and frequency dividers (/R and /N). A n external crystal m ust be connected to XOSC, and o n ly an external in d u c to r is required fo r th è VCO. The 3 -w ire digitai serial in te rfa ce (CONTROL) is used fo r co n fig u ra tio n .

Application Circuit Very fe w external co m p o n e n ts are required fo r th è o p e ra tio n o f C C 1000. A typical a p p lica tio n Circuit is sh o w n in Figure 2. C o m p o n e n t values are sh ow n in Tables 1 and 2. Input / output matching C 31/L32 is th è in p u t m atch fo r th è receiver. L32 is also a DC choke fo r biasing. C 41, L41 and C42 are used to m atch th è tra n s m itte r to 50 Q. A n internai T/R sw itch Circuit makes it possible to co n ne ct th è in p u t and o u tp u t to g e th e r and m atch th è C C 1000 to 50 Q i n b o th RX and TX m ode. VCO inductor The VCO is co m p le te ly in te g ra te d except fo r th è in d u c to r L101. C o m p o n e n t values fo r th è m a tch in g n e tw o rk and VCO in d u c to r are easily calculated using th è SmartRF® S tudio so ftw a re . Additional filtering A d d itio n a l external co m p o n e n ts (e.g. RF LC o r S A W -filter) m ay be used in order to im prove th è pe rfo rm a n ce in specific applications. Power supply decoupling P ow er supply d e co u p lin g and filte rin g m ust be used (n o t sh o w n in th è a p p lica tio n Circuit). The placem ent and size o f th è decou p lin g capacitors and th è p o w e r supply filte rin g are very im p o rta n t to achieve th è o p tim u m perform ance. C hipcon provides reference designs (CC1000PP and CC 1000uCSP_EM ) th a t should be fo llo w e d very closely.

292

M èè-

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

CC1000 SINGLE CHIP VERY LOW POWER RF TRANSCEIVER

T ypica l C C 1 00 0 a p p lic a tio n C ircuit (p o w e r s u p p ly d e c o u p lin g n o t s h o w n )

CC1000 TSSOP package1 Item

3 15 MHz

8,2 pF, 5%, C0G. 0603 2,2 pF, 5%, C0G, C41 0603 5,6 pF, 5%, C0G. C42 0603 18 pF, 5%, COG, C171 0603 18 pF, 5%, COG, C181 0603 39 nH, 10%, 0805 L32 (Coilcraft 0805CS390XKBC) 20 nH, 10%, 0805 L41 (Coilcraft 0805HQ20NXKBC) 56 nH, 5%, L101 0805(Koa KL732ATE56NJ) R131 82 k1/z, 1%, 0603 14,7456 MHz XTAL crystal, 16 pF load C31

433 MHz

868 MHz

915 MHz

15 pF, 5%, COG, 0603 8,2 pF, 5%, COG, 0603 5,6 pF, 5%, COG, 0603 18 pF, 5%, COG, 0603 18 pF, 5%, COG, 0603 68 nH, 10%, 0805 (Coilcraft 0805CS680XKBC) 6,2 nH, 10%, 0805 (Coilcraft 0805HQ6N2XKBC) 33 nH, 5%, 0805(Koa KL732ATE33NJ) 82 k1/z, 1%, 0603 14,7456 MHz crystal, 16 pF load

10 pF, 5%, COG, 0603

10 pF, 5%, COG, 0603

Not used

Not used

4,7 pF, 5%, COG. 0603 18 pF, 5%, COG, 0603 18 pF, 5%, COG, 0603 120 nH, 10%, 0805 (Coilcraft 0805CS-121XKBC) 2,5 nH, 10%, 0805 (Coilcraft 0805HQ2N5XKBC) 4,7 nH, 5%, 0805 (Koa KL732ATE4N7C) 82 k1/z, 1%, 0603 14,7456 MHz crystal, 16 pF load

4,7 pF, 5%, COG, 0603 18 pF, 5%, COG, 0603 18 pF, 5%, COG, 0603 120 nH, 10%, 0805 (Coilcraft 0805CS-121XKBC) 2,5 nH, 10%, 0805 (Coilcraft 0805HQ2N5XKBC) 4,7 nH, 5%, 0805 (Koa KL732ATE4N7C) 82 k1/2, 1%, 0603 14,7456 MHz crystal, 16 pF load

B ill o f m a te ria ls fo r th è a p p lic a tio n C ircuit: C C 1 0 0 0 TSSOP p a c k a g e

1

In ta b e lla 1 s o n o in d ic a t i p e r o g n i e le m e n t o e c o rris p e ttiv a fr e q u e n z a : il v a lo re n o m in a le , la to lle ra n z a in p e r c e n t u a le e le d im e n s io n i e s p re s s e in p o llic i, lu n g h e z z a p e r la rg h e z z a ; p e r e s e m p io , 0 6 0 3 ( C 3 1 a 3 1 5 M H z ) in d ic a u n a lu n g h e z z a di 0 , 0 6 " e u n a la rg h e z z a di 0 , 0 3 " (1 p o llic e = 2 , 5 4 cm ).

M èè-

CC1000 SINGLE CHIP VERY LOW POWER RF TRANSCEIVER

CC1000 UltraCSP p ackage2 Item

C31 C41 C42 C171 C181 L32

L41

L101 R131 XTAL

315 MHz

433 MHz

868 MHz

915 MHz

8,2 pF, 5%, C0G, 15 pF, 5%, C0G, 10 pF, 5%, C0G, 10 pF, 5%, C0G, 0402 0402 0402 0402 Not used Not used Not used Not used 4,7 pF, 5%, C0G, 6,8 pF, 5%, C0G, 4,7 pF, 5%, C0G, 6,8 pF, 5%, C0G, 0402 0402 0402 0402 18 pF, 5%, C0G, 18 pF, 5%, C0G, 18 pF, 5%, C0G, 18 pF, 5%, C0G, 0402 0402 0402 0402 18 pF, 5%, C0G, 18 pF, 5%, C0G, 18 pF, 5%, C0G, 18 pF, 5%, C0G, 0402 0402 0402 0402 39 nH, 5%, 68 nH, 5%, 120 nH, 5%, 120 nH, 5%, 0402 (Ceramic 0402 (Ceramic 0402 (Ceramic 0402 (Ceramic multilayer) multilayer) multilayer) multilayer) 22 nH, 5%, 15 nH, 5%, 2,7 nH, 5%, 2,7 nH, 5%, 0402 (Ceramic 0402 (Ceramic 0402 (Ceramic 0402 (Ceramic multilayer) multilayer) multilayer) multilayer) 56 nH, 5%, 33 nH, 5%, 7,5 nH, 5%, 7,5 nH, 5%, 0402 (Thin film 0402 (Thin film 0402 (Thin film 0402 (Thin film inductor) inductor) inductor) inductor) 82 k1/2, 1%, 0402 82 k1/z, 1%, 0402 82 k1/2 ,1%, 0402 82 k1/z, 1%, 0402 14,7456 MHz 14,7456 MHz 14,7456 MHz 14,7456 MHz crystal, 16 pF load crystal, 16 pF load crystal, 16 pF load crystal, 16 pF load B ill o f m a te ria ls fo r th è a p p lic a tio n C ircuit: C C 1 00 0 U ltraC S P p a cka g e N o te : Ite m s s h a d e d are d iffe re n t fo r d iffe re n t fre q u e n c ie s

(a d a tt a to d a

2

Texas Instrum ents - CC! 0 00 Chipcon Products from Texas Instrum ents)

In ta b e lla 2 s o n o in d ic a ti p e r o g n i e le m e n t o e c o rris p e ttiv a fre q u e n z a : il v a lo re n o m in a le , la t o lle ra n z a in p e r c e n t u a le e le d im e n s io n i e s p re s s e in p o llic i, lu n g h e z z a p e r la rg h e z z a ; p e r e s e m p io , 0 4 0 2 ( C 3 1 3 1 5 M H z ) in d ic a u n a lu n g h e z z a di 0 , 0 4 " e u n a la rg h e z z a d i 0 , 0 2 " (1 p o llic e = 2 , 5 4 cm ).

294

a

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

>

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 (w e b o 9|

8.6 8.7

8.8 8.9 8.10 8.11

Campionamento e ricostruzione dei segnali Pulse code modulation Reti a commutazione di circuito Reti mobili Cellulare GSM Trama GSM Cordless DECT Reti a commutazione di pacchetto Connessioni M2M Reti convergenti multiservizio La qualità di servizio Normative di settore sulla sicurezza Esercizi svolti

a Esercizi da svolgere Test Industriai grade 4G router

NEL QUADERNO OPERATIVO DI LABORATORIO Prove sulla m odulazione PAM Com andi AT per GSM

UNITA DIDATTICA 8

La va lid ità del te ore m a del c a m p io n a m e n to può essere com presa a iutandosi con alcune fig u re . Si sup po n g a di disporre di un segnale o rig in a rio v (t) (fig. 8.2a) con a n d a m e n to co n tin u o nel te m ­ po, il cui spettro in frequenza V(f) risulta lim ita to nelle sue c o m p o n e n ti a rm on ich e al valore mas­ sim o f M (fig. 8.2b).

EH® Campionamento e ricostruzione dei segnali Per d ig ita liz z a re un se g na le a n a lo g ic o senza perdere in fo rm a zion e , in m o d o che sia possibile ric o s tru irlo successivam ente in m o d o fe de le , è necessario operare nel rispe tto di alcune regole ben note, che riguardano il valore della frequenza di ca m p io n a m e n to e l'im p ie g o di filtri analogici passa basso, in ingresso e in uscita al sistem a d igitale.

V (t)

Teorema di Shannon Il teorema fondamentale del campionamen­ to, o te o re m a di Shannon (1949), a ffe rm a che un segnale analogico v (t), ca ra tte rizza to da uno s p e ttro lim ita to in fre q u e n z a , con fre q u e n z a massima f M, è c o m p le ta m e n te d e fin ito dai suoi ca m p io n i se questi sono presi con fre q u en za f s (frequenza di sam pling, di ca m p io n a m e n to ) tale che

r,

r

0

n

v (f)t

/I r

t

DI

0

fiw

S e g n a le c o n s p e t tro lim ita to .

Si supponga poi di disporre di una sequenza pe­ riodica di im pulsi ideali, e q uidistan ti tra loro nel te m p o (fig. 8.3a)

fs > 2 • f M

Solo ca m p io n a n d o a queste ve lo cità , il segna­ le an alog ico o rig in a rio può essere ric o s tru ito in m o d o fedele. Per esem pio, se il segnale da digitalizzare ha com ­ p o ne n ti in fre q u en za fin o a 4 kHz, sarà necessa­ rio ca m pionare a una velocità non in fe rio re agli 8 .0 0 0 ca m pioni al secondo. Il valore 2 • f M è n o to com e frequenza di Nyquist del segnale, dal nom e del fisico statunitense Harry T h e o do r N yquist (1 8 8 9-19 7 6 ). Tale teorem a si fo n d a su due ipotesi puramente teoriche ma non fisicam ente realizzabili: da una p a rte si d e finisce l'im p u ls o di c a m p io n a m e n to com e la n o ta fu n zio n e im pulsiva di durata in fin i­ tesim a e area unitaria (fig. 8.1); d a ll'a ltra si te o ­ rizza la d isp o n ib ilità di un filtro a n alog ico ideale passa basso rettangolare.

□

□

-----------»

fs A t= T Im p u ls i d i c a m p io n a m e n t o .

Il loro spettro è c o s titu ito da una sequenza in fi­ nita di righe e q u id ista n ti tra loro f s in frequenza (fig. 8.3b). A p p lic a n d o questa sequenza periodica di im pulsi di ca m p io n a m e n to al segnale analogico v(t), si o t­ tiene la sequenza im pulsiva m odulata vs(t), indica­ ta in fig . 8.4a, tale che ciascun im pulso possieda u n 'area p ro p o rzio n a le a ll'am piezza del segnale n e ll'ista n te di c a m p io n a m e n to .

fn(t) Vs(t) imp(t) = lim f„(t)

□

Vs(f)

J____\ L X ____ L

2n

At

2n

F u n z io n e im p u ls iv a .

S e g n a le c a m p io n a to .

296

0

fM

t

2

fs

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

Poiché lo sp e ttro del segnale c a m p io n a to (Vs(f), fig . 8 .4b) risulta una con vo lu zio n e dello sp e ttro del segnale o rig in a rio V (f), che si rip e te specu­ la rm e n te o g n i f s hertz, d is p o n e n d o di un filtro ideale passa basso (g u a d a g n o p ia tto in banda e pendenza in fin ita al ta g lio ) con fre q u e n za di ta g lio f M (fig. 8.5), è possibile isolare la parte di sp e ttro che va da 0 alla frequenza f M (spettro in banda base), ricostru en d o in pratica l'o rig in a rio segnale v(t).

te n g o n o false fre q u e n z e ric o s tru ite (fe n o m e n o di aliasing).

Av

-------------------

o

fw

Filtro passa basso ideale.

C o m e si sa, un filtr o ideale non è fis ic a m e n te realizzabile, perciò si a u m e n ta il valore della fre ­ quenza di ca m p io n a m e n to (fs) in m odo da a llo n ­ tanare tra loro le co m p o n en ti spettrali del segnale c a m p io n a to e si utilizza un filtro passa basso con pendenza adeguata. C am pionando un segnale a frequenza m inore del d o p p io della sua frequenza massima fM, lo spet­ tro del segnale so tto c a m p io n a to presenta alcuni tra tti sovrapposti (fre q u e n c y fo ld in g , fig . 8.6), tali per cui anche a p plica nd o il filtro ideale non è più possibile isolare il solo s p e ttro o rig in a rio in banda base, senza recuperare c o n trib u ti a rm on ici che non a p p a rte n g o n o al segnale o rig in a rio .

Un fe n o m e n o sim ile si avverte q u an d o osservan­ do una ruota in rotazione veloce questa sem bra girare a una velocità m o lto più bassa, o addirittura in senso o p po sto ; anche qui la frequenza di cam ­ p io n a m e n to d e ll'o cch io u m a n o è in su fficie n te a ricostruire il m o vim e n to reale. Per lo stesso m otivo, è indispensabile filtra re pre­ ve n tiva m e n te il segnale a n alog ico , in m o d o da e lim in a re tu tte le fre q u en ze , di ru m ore o altro, superiori a 0,5 • f s. Q uesto p re -filtro passa basso è d e tto a p p u n to filtr o a n tia lia s in g (fig. 8.8).

Signal

A ntialiasing in p u t filte r. At

Spettro del segnale sottocam pionato.

C a m p io n a n d o un segnale con sincronism o m ag­ giore del suo sem iperiodo (Ts > T/2, cioè f s < 2 • f M), la serie di ca m pioni o tte n u ta appare appartenere a una fo rm a d 'o n d a co m p le ta m e n te diversa da quella o rig in a ria ca m p io n a ta (fig. 8.7), cioè si o t­

Per ricostruire il segnale, non avendo a dispo­ sizione né gli im pulsi ideali, né il filtro ideale ne­ cessario per rita g lia re lo spettro in banda base, si utilizza un DAC, che m a ntiene il livello analogico tra un cam p io n e e il successivo (ricostruzione per re tta n g o li, fig . 8 .9 ), s e g u ito da un filtr o passa basso che elim ina le transizioni a gradino presenti tra i diversi ca m p io n i (s m o o th in g filter).

UNITA DIDATTICA 8

vs(t>

v'(t)

segnale in q u e ll'ista n te , presi alla frequenza del­ la p o rta n te (fp), che costituisce la fre q u e n z a di c a m p io n a m e n to del segnale. S u pp o n en d o di ca m pionare con im pulsi u n ita ri ideali a 100 Hz (fig. 8 .11) un segnale da 20 Hz, tra scu ra n d o la c o m p o n e n te co n tin u a , lo sp e ttro del segnale m o d u la to risulta co m p o s to da una c o m p o n e n te alla frequenza base del messaggio f m= 20 Hz, più una serie di a rm o n ich e alle fre ­ quenze n • f p (100 Hz, 200 Hz ...) con c o m p o n e n ­ ti laterali di fre q u en za rispe ttiva m en te n - f p- f m, quelle a sinistra (80 Hz, 180 Hz, ecc.) e n - f p+ f m, quelle a destra (120 Hz, 2 2 0 Hz, ecc.).

V"(t)

X V

Smoothing filter.

Esercizio svolto n. 1 Esercizio da svolgere n. 1

S P(t) ,

Portante impulsiva

u

Pulse code modulation

8.2

20

30

40

t [ms]

50

S(t)Sc(t) Modulante t

Nelle tecniche di m odulazione, analogiche e d ig i­ ta li, analizzate n e ll'u n ità precedente, la p o rta n te è sem pre un segnale sinusoidale. Q u a n d o , invece, il m essaggio a n a lo g ico da in ­ viare (m o du la n te ) varia un o dei param etri di una p o rta n te im p u ls iv a di frequenza più elevata, si parla di m o d u la z io n e im pulsiva

Sc(f)

20 0 + fm

40

60

80

100

120

fp-fm

fp

fp + fm

140

160

180

200

220

2 -fp-fm 2-fp 2 -fp + fm

Segnale da 20 Hz m odulato PAM con portante da 100 Hz.

Modulazione PAM Se la m o d u la n te varia l'a m p ie zz a d e gli im pulsi della p o rta n te (fig. 8.10), si o ttie n e un segnale im pulsivo m o d u la to P A M {Pulse A m p litu d e M o ­ d u la tion ).

Se gli im pulsi non h a nno durata in fin ite sim a, la replicazione degli s p e ttri te n d e a ridursi in a m ­ piezza salendo in frequenza. In o gni caso, dal g ra fico dello sp ettro si nota che per ricostruire il messaggio o rig in a rio basta in tro ­ durre un filtro passa basso ideale che elim ini tu tte le a rm oniche a frequenza superiore a f m. Q uesto è possibile solo se l'a rm o n ic a la te ra le in fe rio re della prim a arm onica p o rta n te (fP- f m) non si so­ vra p p o ne alla riga f m del m essaggio. Deve cioè essere

Segnale analogico modulante

Segnale di impulsi portante

D ifatti, se la m o dulante è una fu nzio ne con banda lim ita ta a f max, può essere ca m p io n a ta e ricostru ­ ita p u rché la fre q u e n z a di c a m p io n a m e n to sia m aggiore di 2 -fmax (teorem a del c a m p io n a m e n ­ to). A l co n tra rio , se fp < 2 -fmax la banda laterale alla sinistra di f p si so vrappone alla banda base del messaggio, con distorsioni o false ricostruzioni (aliasing, fig. 8.12).

segnale modulato PAM

0 -i ] 0 [ [ : 3 =*Il J

10

Segnale PAM.

Il segnale m o d u la to presenta una serie di im p u l­ si (cam pioni), di am piezza pari a ll'am piezza del 298

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

^

lation). In fig . 8 .13 sono rip o rta ti, per esem pio, due ca m pioni PAM co d ifica ti con 4 b it in codice bin a rio naturale. Se il te m p o che intercorre tra l'in vio di un cam ­ pio n e e il successivo è su fficie n te m e n te am pio, si può pensare di suddividerlo in frazioni da riservare alla trasm issione di altre in fo rm a zio n i. Si realizza in questo m o d o la trasm issione co n tem p oran e a di p iù in fo rm a z io n i sul m edesim o canale fisico (d o p pino , fib ra , spazio, ecc.) con tecnica di m u lti­ plazione a divisione di te m p o (TD M , Time Division M u ltip le x in g ). Si sup po n g a , per esem pio, di d o ver tra s m e tte ­ re dieci canali vocali, c a m p io n a ti ciascuno alla v e lo c ità di 8 kHz (nel ris p e tto del te o re m a del ca m p io n a m e n to) e con risoluzione 8 bit. Il te m p o che intercorre tra un cam pione e il successivo, per ciascun canale, vale

Aliasing.

Il segnale fo n ic o , per esem pio, ha una banda com presa tra 3 0 0 e 3 .4 0 0 Hz. La fre q u e n za di c a m p io n a m e n to deve essere q u in d i m a g g io re di 6 ,8 kHz. Poiché viene scelta una fre q u e n z a di ca m p io n a m e n to f p= 8 kHz, il p eriodo di cam ­ p io n a m e n to è Tp= 1 2 5 ps e l'in te rv a llo di te m p o d isp o nibile tra un cam p io n e e il successivo viene u tilizzato per la conversione a n a lo g ico -d ig ita le e la trasm issione del d a to acquisito. Esercizio svolto n. 2

8TH z = 1 2 5 MS in questo in te rva llo vanno inviati i 10 canali, ov­ vero 8 -1 0 = 8 0 bit. Il te m p o assegnato a ciascun canale vale

Esercizio da svolgere n. 2 Scheda 32 - Prove sulla m o d u lazione PAM

125 pis 10 canali

tcan = T a ------- — F =

Codifica PCM Il segnale PAM co n tie n e l'in fo rm a z io n e relativa alla m o d u la n te nell'am piezza analogica dei cam ­ p ioni ed è sensibile ai ru m ori, ai filtri in trasm is­ sione e ricezione, alle distorsioni di canale, alla d ia fon ia , ecc.

1 2,5

LLS

^

Poiché o gni canale PCM im pegna 8 bit, la durata di ciascun b it vale 12,5 |J.s = 1,56 )J.s 8 La velocità di tra sfe rim e n to d e ll'in fo rm a z io n e nu­ m erica PCM, d e tta fre q u e n z a di rip e tiz io n e , risulta f“ >=

Ì

= W i S ‘ = 640 kbps

L'insieme dei segnali c o n te n u ti n e ll'in te rv a llo di te m p o di 125 ps che intercorre tra due ca m pioni successivi del m edesim o canale viene d e nom inato tra m a La tra m a PCM m inim a d e fin ita dall'ITU (In te rn a ­ tio n a l T elecom m unication U nion), d e tta tra m a di p rim o liv ello , com prende 32 canali di cui 30 fo n ic i e 2 riservati ai servizi di segnalazione e sin­ cronism o. Ciascun segnale fo n ico , la cui banda è di 3 0 0 -h 3 .4 0 0 Hz, è c a m p io n a to a 8 kH z e co d ific a to con 8 b it, per un to ta le di 64 kbps. I d u e canali di s e rvizio c o n te n g o n o in fo rm a zion i n u m eriche relative ai servizi di segnalazione (n u ­ m ero te le fo n ic o , segnale di o ccu p ato , sgancio, ecc.) e ai sincronism i di a llin e a m e n to necessari per ricostruire al ricevitore l'e sa tto o rdine con cui

t

t

Per essere trasm esso con m a rg in e di ru m o re a ffid a b ile e senza im p e g n a re tro p p i c o n d u tto ­ ri, ciascun ca m p io n e deve essere q u a n tiz z a to , c o d ific a to e in via to in fo rm a seriale, o tte n e n d o la co sid d e tta codifica PCM (Pulse Code M o d u 299

UNITA DIDATTICA 8

sono sta ti m u ltip la ti i 32 canali. La tra m a dura com plessivam ente 125 ps, pari al te m p o che in ­ tercorre tra ciascun cam p io n e e il successivo. Il te m p o riservato a ogni canale è

Il v a lo re effic a c e del ru m o re di quantizzazione, cioè il p a ra m e tro che ne caratterizza l'e ffica cia in te rm in i di potenza, tra tta n d o si di un tria n g o lo sim m e trico vale

_q

Ì2 5 |is tcan_ 32 canali ~~ 3,9 ^

1

_

1__f

2 V i " 273

la d u ra ta di un sin g o lo b it

i 2“

R elativam ente alla sinusoide fu ll range, di a m ­ piezza massima

3,9 Lls t t b = 8 bit _ 8 _ ° '49

FS/2

e la frequenza degli im pulsi e valore efficace

bit fb = 8 . 0 0 0 ^s* 1 . 8 "- campione 32 canali = 64 kbps 32 canali = 2,048 Mbps

FS/(2 f i )

il segnale PCM a 2 M bps, quando viaggia su d o p ­ p in o telefonico, subisce attenuazioni e distorsioni e va rig e n e ra to a o g n i tra tta di 1,5 -r 2 ,5 km , con un in cre m e n to considerevole nel costo dei co lle g a m e n ti. Per questo il c o lle g a m e n to su cavo è utilizzato in a m b iti p iu tto s to lim ita ti; m entre per le distanze superiori si ricorre alla fib ra . Q u a nd o le distanze superano i 20 km , si realiz­ zano co lle g a m e n ti in p o n te radio; in ta l caso il segnale PCM a 2 M b it/s m odula in am piezza (o n / o ff) una p o rta n te radio con frequenza com presa t r a i 12 e i 13 GHz. Per im pegnare al m e g lio la banda passante più am pia, disponibile su mezzi quali le fib re o ttich e e i p o n ti radio, si im pieg a n o p o rta n ti im pulsive più veloci, che tra sp o rta no , nel m edesim o intervallo di te m p o , più tra m e di p rim o livello m u ltip la te in TD M tra loro, co m p o n e n d o tra m e di gerarch ia s u p e rio re . In fib ra o ttica si realizzano per esem ­ pio co lle g a m e n ti fin o a 10 G bit/s che gestiscono circa 1 2 1.0 0 0 canali fo n ic i m u ltip la ti. Esistono poi diverse variazioni dello schema tip ico di m odulazione PCM, tra le quali la versione d iffe ­ re n z ia le (D iffe re n tia l PCM, DPCM ) che codifica, in co m p le m e n to a due, solo le variazioni rispetto al ca m p io n e precedente, e la PCM a d a tta tiv a (.A daptive DPCM, ADPCM ), che m odifica nel te m ­ po l'am piezza d e ll'in te rv a llo di ca m p io n a m e n to, a d a tta n d o la alla dinam ica del segnale. La scelta della ris o lu zio n e d ei c a m p io n i deve te n e r co n to della presenza del rum ore di quantizza zion e in tro d o tto dal c o n ve rtito re A D C , il cui a n d a m e n to è a tria n g o lo , con am piezza

il ru m o re di q u an tizza zion e incide sul ra p p o rto segnale ru m ore in potenza secondo la SNR = 2 0 l o g , „ ( f ^

i- 4 ^ )

= n ■6,02 dB + 1 ,7 6 dB dalla quale si deduce che, per o gni b it in più nella co d ifica , il ra p p o rto S/N a u m e n ta di 6 dB, cioè ra d d op p ia com e ra p p o rto tra tensioni e q u a d ru ­ plica com e ra p p o rto tra potenze. L'incidenza del ru m ore di q u antizzazione sul se­ gnale (SNR) è utilizzata com e rife rim e n to per in ­ dividuare le prestazioni del filtro antialiasing da a n te p o rre al convertitore. D etta f c la frequenza di c a m p io n a m e n to del se­ gnale, alla frequenza f c/2 il filtro antialiasing deve a tte n u a re di un fa tto re > SNR. In questo m odo, d o p o il filtro , le co m p o n e n ti residue del segnale ed eventuali rum ori a frequenza m aggiore di fc/2 , in cid o n o m eno del rum ore di quantizzazione. Esercizi svolti n. 3, 4, 5, 6, 7, 8 Esercizi da svolgere n. 3, 4, 5, 6, 7

Quantizzazione non lineare Da prove statistiche sulle com unicazioni fo n ich e d ig ita li, si è ve rifica to che una conversazione ri­ sulta su fficie n te m e nte in te llig ib ile se il cam piona­ m e n to garantisce un ra p p o rto segnale rum ore di alm e n o 26 dB, cioè, dalla

q _ 1 FS 2 _ 2 ' 2n

SNR = 20 lo g i0-jq- = n 6,02 dB + 1,76 dB > 26 dB

dove FS rappresenta il valore del fo n d o scala del c o n ve rtito re e n il num ero di b it di acquisizione.

se è sta to u tiliz zato un c o n v e rtito re con un n u ­ m ero di b it

300

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

n - 1 §O T Z i = 4' 0 3 b i,

Il segnale raccolto dal m ic ro fo n o te le fo n ico , pur­ tro p p o , presenta un ra p p o rto di circa 50 dB tra i segnali fo rti (u rla to ri) e i segnali d e bo li (bisbi­ gliatori). Per rispettare i 2 6 dB sui segnali deboli, il rapporto S/N relativo ai segnali fo rti, considerati di fo n d o scala, diventa 50 + 26 = 76 dB Dal valore del ra p p o rto S/N di quantizzazione

q u an ti progressivam ente m aggiori a ll'a u m e n tare dell'am piezza del segnale. La fu n z io n e che rende più o m o g e n e o il ra p p or­ to segnale rum ore su tu tto il range presenta un a n d a m e n to lo g a ritm ic o (fig. 8.14) e p u ò essere realizzata in fo rm a analogica o d igitale. La soluzione analogica (fig. 8.15), orm ai a b ba n ­ d o na ta da anni, a n te p o n e al c o n ve rtito re lineare a 8 b it un com pressore a n a lo g ic o (un a m p lifi­ catore logaritm ico), che a m p lifica i livelli più bassi del segnale e co m p rim e quelli alti. Segnale

analogico

SNR = 20 log 1 0 = n 6,02 dB + 1,76 dB > 76 dB risulta necessario ca m pionare con un num ero di b it n£Zw

i = , 2 ' 3 3 b it

Im piegando convertitori a 12 bit, il rapporto segna­ le rum ore e ffe ttiv o sui segnali grandi si porta a SNR = 12 6,02 dB + 1,76 dB = 74 dB una qualità in u tilm e n te elevata, non apprezzabile d all'orecchio, m entre rim ane non del tu tto accet­ ta b ile per i segnali deboli SNR = 74 - 50 = 24 dB

v0

Q u a n t iz z a z io n e n o n lin e a r e c o n t e c n ic a a n a lo g ic a .

Il ricevitore PCM c o n tie n e un dispositivo e s p a n ­ s o re, con c o m p o rta m e n to c o m p le m e n ta re al com pressore, per il rip ristin o dei livelli o rig in a li. In tecnica d igitale (fig. 8.16), il segnale è acquisito a 12 b it e successivam ente com presso n u m e ­ ric a m e n te a 8 b it, prim a d e ll'in v io nella tram a PCM.

8 kcamp./s Q u a n t iz z a z io n e n o n lin e a r e d ig ita le .

Per realizzare una conversione che garantisca un b u o n livello di q u alità per tu tti i segnali, deboli e fo rti, p u r lim ita n d o a 8 b it la risoluzione del con­ ve rtito re , è necessaria una q u a n tiz z a z io n e n on lin e a re , in grado di aum entare progressivam ente l'am piezza dei livelli con il segnale, assum endo q u a n ti piccoli per i segnali di am piezza debole e

Dei 12 b it in ingresso al com pressore (4.096 com ­ binazioni), ii p rim o individua il q u ad ra n te di ap­ partenenza (il segno), che esce inalterato, m entre alle 2 .04 8 com b in a zio n i di ciascun q u adrante (11 bit) co rrisp on d o n o 128 codici (7 b it) in uscita, per un to ta le di 8 bit. Per o tte n e re ciò, il co m p re s­ sore nu m e rico approssim a, con una spezzata di

UNITA DIDATTICA 8

8 segm enti per q u ad ra n te (fig. 8.17), il co m p o r­ ta m e n to lo g a ritm ico della soluzione analogica e suddivide ciascun se gm ento in 16 p a rti uguali.

piede più prossim o a ll'e d ific io o a ll'in te rn o dello stesso e pu ò gestire fin o a un m assim o di 4 0 0 d o pp in i.

No

Cavo multipolare verso l'armadio ripartilinee

m

Presa d'utente

Com portam ento del compressore num erico da 12 a 8 bit.

Degli 8 b it fo rn iti in uscita, q u in d i, il p rim o in d i­ vidua il segno, i tre successivi il n u m e ro del seg­ m e n to della spezzata e i restanti 4 b it un o dei 16 intervalli a ll'in te rn o del se g m e n to in d ivid u a to.

cassetta di derivazione e connessioni interne.

Centrale telefonica

Esercizio svolto n. 9

*

*

,

Doppino telefonico

Esercizi da svolgere n. 8, 9 Cassetta di derivazione

O ® Reti a commutazione di circuito

Cavi telefonici da a ltre : utenze

La rete te le fo n ic a fissa tra d iz io n a le fu n z io n a a co m m u ta zio n e di circu ito (PSTN, P u b licS w itch e d Telephone N e tw o rk ) e si basa su centrali di c o m ­ m u ta z io n e di diversa c a p a c ità (PABX, P rivate A u to m a tic B ranch Exchange), che s u p p o rta n o specifiche aree di u te n ti.

a

a

l,.

Armadio ripartilinee

□

□

□

□

m C c a v o dalla centrale

C ablaggio telefonico tra utente e centrale.

La c e n tra le di c o m m u ta z io n e è un locale, di d i­ m ensioni variabili, in cui sono o sp ita ti gli apparati ai quali si a ttestano i vari d o pp in i dei clienti. O gni centrale gestisce da poche centinaia di u te n ti, in zone rurali, fin o a qualche decina di m igliaia nei ce n tri urbani. Le centrali di c o m m u ta zio n e , a loro volta, sono co lle g a te tra loro e in o rd in e gerarchico con cen­ tra li di tra n s ito di livello superiore, m e diante reti a m aglia, realizzate con dorsali in fib ra o ttic a o in p o n te radio (fig. 8.20), che so stengono canali ad alta capacità in g ra d o di tra sm ette re c o n te m ­ p o ra n e a m e n te più segnali PCM, m u ltip la ti con tecnica TDM . A lc u n e di queste c e n tra li, di liv ello n azionale, fu n z io n a n o da g a te w a y per il tra ffic o con desti­ nazione internazionale.

Centrali di commutazione La presa d 'u te n te d e ll'a b b o n a to è allacciata a una c a s s e tta di d e riv a z io n e , posta in p ro ssim ità d e ll'a b ita zio n e (fig. 8.18), m e d ia n te un cavetto te le fo n ic o con guaina in PVC (P o liv in ilc lo ru ro ), co n te n e n te un d o p p in o intrecciato bianco-rosso, anch'esso isolato in PVC, di diam etro 0 ,4 - r 0,6 m m per le distanze brevi e fin o a 1,2 m m per le d i­ stanze più lunghe. Tutte le cassette di derivazione di una certa zona sono connesse a un a rm a d io rip a rtilin e e (fig. 8.19), m ediante cavi m u ltipo la ri interrati o in aria, e da questo alla centrale di co m m u ta zion e . L'ar­ m a d io rip a rtito re pu ò essere s itu a to sul marcia302

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

la co n n e s s io n e p e rm a n e n te al se rvizio ADSL {A sym m etric D ig ita l S ubscriber Line), derivata dal d o p p in o m e d ia n te a p p o sito filtro separatore di segnale (s p litte r).

fiffiìWgSity

'i Vii1-1,1.,! tjilt l lil l!

liW M w n n m M M

..

Strisce ai perm utazione

il c o n c e n tr a to re rip o rta le lin e e c h ia m a n ti, p ro v e n ie n ti dal p e rm u ta to re , sul c o m m u ta to ­ re d ig ita le di ce n tra le in ra p p o rto 10/1, q uante sta tistica m en te possono essere le linee c o n te m ­ poraneam ente attive, e questo a sua volta esegue la connessione fisica tra il ch ia m a n te e il num ero selezionato, se d isp o nibile (fig. 8.23).

A ll'in te rn o della centrale di co m m u ta zion e , cia­ scuna linea u te n te in co n tra in cascata tre dispo­ sitivi: un p e rm u ta to re , un c o n c e n tra to re e un co m m u ta to re (fig. 8.21).

Dispositivi in centrale.

li p e rm u ta to re di ce n tra le è un a rm ad io , lu n ­ go alcuni m etri, al cui in te rn o sono presenti dei blocchi di connessione (o strisce di perm utazione, fig . 8.22), su cui si a ttestano i cavi provenienti dai diversi arm adi ripa rtiiin e e. R aggruppa da 4 0 0 a 2 .40 0 doppini e perm ette la m appatura tra utenti e rete. Il p e rm u ta to re di c e n tra le a b b in a ciascuna li­ nea u te n te al n u m e ro di te le fo n o assegnato ed esegue la co d ifica d ig ita le a 8 b it (6 4 kbps) del segnale fo n ic o in fo rm a to PCM. Se co ncordata nel c o n tra tto , è g a ra n tita a questo livello anche

C om m utazioni in centrale.

A nalisi del tra ffic o te le fo n ic o eseguite nelle ore di p u nta hanno d ifa tti perm esso di verificare che poche vo lte si supera un num ero di com unicazioni pari al % di tu tti gli u te n ti collegati. Se l'u te n te desiderato a p pa rtien e a u n 'a ltra cen­ tra le , la richiesta viene inviata sulla linea PSTN di quella centrale o alla centrale di tra n s ito di livello superiore, im p e g n a n d o un percorso più lungo.

10

303

UNITA DIDATTICA 8

Una vo lta stabilito il collegam ento, la durata della conversazione e la distanza tra gli u te n ti de te r­ m in a n o il costo da porre in fa ttu ra sulla b o lle tta bim estrale del ch ia m a n te (salvo c o n tra tti fo rfe t­ ta ri con il gestore). La co n ve rsa zio n e si ritie n e te rm in a ta solo q u an d o e n tra m b i gli u te n ti ria g ­ ganciano e la linea im pe g n a ta to rn a disponibile per altre utenze. Le centrali te le fon ich e di co m m u ta zion e scam bia­ no tra m e PCM -TDM con capacità che vanno da 128 linee fin o alle decine di m igliaia (fig. 8.24).

handover, passaggio di m ano), e possono essere localizzati, o vu n q u e siano, nel caso di chiam ate provenienti da altri te rm ina li (servizio di ro a m ing , girovagare).

Rete m obile.

C iascuna cella del te rrito rio è c o p e rta da una s ta z io n e base (BS, Base S tation), co stitu ita da una sezione radio rice tra s m itte n te , con antenna om n id irezio na le , e da un co n tro llo re di stazione, connesso, m e diante linea num erica fissa, a una c e n tra le d i c o n tro llo (M SC, M o b ile Services S w itc h in g Center), per la gestione dei servizi di rete. A sua volta, l'M S C è in c o lle g a m e n to con a ltre centrali della stessa rete o di a ltri o p e ra to ­ ri e con la rete di te le fo n ia fissa (PSTN/ISDN). Il te rm in a le m o b ile, al m o m e n to dell'accensione, cerca il segnale d 'a n te n n a m iglio re tra le diverse p o rta n ti di cella, si fa riconoscere e si aggancia. E ntram be le stazioni, base e m obile, con co rd an o co sta n te m e n te il livello della potenza emessa al valore m in im o indispensabile, la prim a per lim i­ ta re il più possibile le in te rfe re n ze com plessive e la seconda per o ttim iz z a re le prestazioni della b a tte ria interna. Per gestire il servizio di roam ing, ciascuna stazione base tie n e a g g io rn a to un p ro p rio data base degli u te n ti connessi (anche se in a ttivi) e lo com unica p e rio d ic a m e n te alla c e n tra le su p erio re (MSC), che a sua volta scam bia le proprie tabelle con le a ltre centrali, per u n 'e ffic ie n te localizzazione dei destinatari in caso di chiam ata. D u ra n te una conversazione, il c o n tro llo re della stazione base tie n e m o n ito ra to il livello e la q u a ­ lità del segnale ricevuto. Se il te rm in a le m obile si allo n tan a , la stazione base rileva sia la d im in u -

ISDN M e n tre il co lle g a m e n to tra d izio n a le tra u te n te e ce n tra le è di tip o an alog ico e gestisce una sola linea fonica, la connessione ISDN {IntegrateciS er­ vice D ig ita l N e tw o rk ) estende il c o lle g a m e n to d ig ita le (in d o p p in o o in fib ra ) fin o a ll'u te n te , con banda d ig ita le più elevata, ta le da co n se nti­ re la gestione di ce ntralini d ig ita li privati (ISPBX, Integrateci Service Private Branch Exchange) che su p po rta n o più linee te le fon ich e esterne in d ip e n ­ d e n ti, con servizi di attesa e tra sfe rim e n to delle ch ia m a te verso la rete aziendale interna.

E X B Reti mobili M e n tre una rete w ireless gestisce co n ne ssio ni senza fili tra u te n ti fissi, una rete m o b ile è una rete w ireless che su p po rta la m o b ilità. Reti m o b ili e reti w ireless non sono, dunque, sinonim i. In una rete m o b ile il te rrito rio da servire è su d di­ viso in cellule (o celle, fig . 8.25), di diversa fo rm a , tria n g o la re , q u ad ra ta o esagonale. I te rm in a li p o rta tili (MS, M o b ile S tation) possono m uoversi a piacere nella rete, p u r c o n tin u a n d o a m antenere a ttiva la conversazione (servizio di

304

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

zione del segnale utile, sia l'a u m e n to del livello di ru m o re d o vu to alle interferenze, a d a nn o del ra p p o rto S/N, e p e rta n to invia una richiesta di h a n d o v e r alla centrale, a ffin c h é a ttivi una ricer­ ca tra le sta zio n i c o n fin a n ti, fin o a in d ivid u a re quella con un ra p p o rto S/N m igliore, sulla quale c o m m u ta re l'u te n te .

per l'in v io di piccoli p acchetti di d ati in a m b ie n ti ad a lta in te rfe re n z a Tecnica DSSS In tecnica DSSS (D ire ct Seguence Spread Spec­ tru m ) l'e n co de r non cam bia la p o rta n te , ma spal­ ma l'e n e rg ia di uscita su una più am pia porzione di spettro, utilizzando una chiave di codifica co n ­ divisa con il ricevitore. C iò è o tte n u to c o m b in a n d o il data stre a m con una sequenza num erica pseudo-casuale (b a rk e r code, m -seguence, ecc.), detta PRN (Pseudo Rand o m N um erica! seguence), di data rate più alto, u tilizzan d o una fu n z io n e XOR (fig. 8.27).

Modulazioni Spread Spectrum Il te rm in e sp re a d s p e c tru m sta a in d ica re che l'e n e rg ia ra d ia ta dal tra s m e ttito re risulta d istri­ b u ita su una banda RF più am pia di quella che sarebbe s tre tta m e n te necessario u tilizzare con le a ltre te cniche. Q uesto processo, n o n o sta n te possa sem brare in co n tra d d iz io n e con l'o b ie ttiv o di risparm iare banda, rende il segnale dati m eno sensibile al ru m ore rispe tto alle tecniche di m o ­ dulazione convenzionali, poiché risulta disturbata una fra zio n e del segnale perce n tu a lm en te in fe ­ riore, a va n tag g io del ra p p o rto segnale rum ore al d e m o d ulato re . A l co n te m p o , è m eno probabile che due u ten ti che con divid o no il m edesim o spet­ tro possano in te rfe rire tra loro. Esistono due tip i di m odulazioni spread spectrum , FHSS e DSSS.

] Data

11 Bit Barker Code (PRN)

1011101000 C o m b in a z io n e d e l d a to c o n la s e q u e n z a P R N .

Il risultato è uno stream digitale con data rate pari a q u e llo del PRN, più a lto ris p e tto a q u e llo dei dati, e perciò, una volta m o d u la ta la p o rta n te RF, ne deriva una spalm atura più am pia d e ll'e n ergia del segnale dati (fig. 8.28).

Tecnica FHSS C on la tecnica FHSS (Frequency H o p p in g Spread S pectrum ), la banda a disposizione viene su d di­ visa in canali (fig. 8.26). Il D

[mW] 1

2

3

.................

........................

2 5 ~ 2 6 27

M K h k AKKKhk 902

928 [MHz] S u d d iv is io n e d e lla b a n d a 9 0 0 M H z in c a n a li.

Il tra s m e ttito re inizia in via n d o i pacchetti di dati su un o dei canali d isp o n ib ili, per poi ca m b ia rlo p e rio d ic a m e n te secondo una sequenza casua­ le generata m e diante un codice (h o p p in g code) condiviso con il ricevitore. Il ricevitore insegue, q u in d i, il segnale in p e rfe tto sincronism o. A ffin c h é più dispositivi possano operare in pros­ sim ità senza in te rfe rire, si im p ie g a n o set di codici di h o p p in g d e tti o rto g on a li, che non usano mai le stesse fre q u en ze nel m edesim o lasso di te m p o . FHSS è d u n q u e una tecnica che fu n z io n a bene

Gli 1 e gli 0 che co m p o n go n o il PRN sono chiam ati chip, per distinguerli dai b it che a p p a rte n g o n o al data stream , in q u a n to sono p re determ inati dalla sequenza PRN e non co n te n g o n o in fo rm a zion e . In ricezione, si esegue il de-spread dei d ati rice­ v u ti, u tilizzan d o il m edesim o codice pseudo-rand o m im p ie g a to in trasm issione, m entre un filtro di m atch so p prim e le in te rfe re n ze indesiderate, in q u a n to non correlate con il PRN. 305

UNITA DIDATTICA 8

C iò p e rm e tte a più u te n ti di condividere la m e­ desim a banda. Il ra p p o rto tra chip rate (C) e data rate (R) è n o to com e g u a d a g n o di processo, (process gain) per­ ché, visualizzando il processo di de -sp re a ding su un a n alizza to re di sp e ttro , m e n tre si osserva la ridu zio n e della larghezza dello s p e ttro in ingres­ so, l'a m p ie zza d e llo s p e ttro in uscita a u m e n ta co n te m p o ra n e a m e n te di un fa tto re di pari valore (fig. 8.29). *10

s tre tta , d ifa tti una sim ile in te rfe re n z a d istu rb a solo una p o rz io n e de llo s p e ttro (fig . 8 .3 0 ), sia del segnale c o d ific a to , sia del segnale d o p o la ricostruzione. Tuttavia, in presenza di u n 'in te rfe re n za a banda larga il ru m o re incide in m o d o più sig n ifica tivo sul segnale dati decodificato, rispetto a FHSS. Per questo m o tivo DSSS è più indicato per la gestione di g ran d i pacchetti di dati in un a m biente a bas­ sa-m ed ia in te rfe re n z a , ma non in applicazioni industriali a elevata interferenza, dove invece FHSS è più perfo rm a n te (oltre che più econom ico).

u X-*** 1

-""v

Esercizio svolto n. 10

f

Esercizio da svolgere n. 10

Multiplazione

Servizio dati

Per esem pio, lo standard IEEE 8 0 2 .1 1b (WiFi) spe­ cifica una sequenza PRN m inim a da 11 chip, con g u a d a g n o di processo pari a

Trasmissione

E ffetto di una interferenza a banda stretta sui segnale dati.

Sistemi

Banda prim a (a) e dopo il de-spread(b).

Generazione

Tecniche di accesso multiplo In un sistem a cellulare, più u te n ti sono in grado di accedere con tem p oran e a m e n te a una stazione base, m ediante un p ro to collo basato su una com ­ binazione delle tecniche FDM A, TD M A , C D M A e O FDM A. S eguendo lo sviluppo te c n o lo g ic o (tab. 8 .1), la prim a generazione di sistem i m o b ili (TACS, Total Access C o m m u n ic a tio n System ) u tilizzava una trasm issione a n alog ica con m u ltip la z io n e a d i­ visione di frequenza (FDM A), g e ne ra lm e nte non standard u fficia le , priva di in te ro p e ra b ilità al di fu o ri dei c o n fin i nazionali.

* \

Anni

lì

1980

1G

TACS

analogica

FDMA

nessuno

1990

2G

DECT GSM

digitale

FDMA + TD M A

9,6 kbps

2000

3G

UMTS

digitale

FDMA + TD M A + CDM A

2 M bps

2010

4G

LTE

digitale

FDMA + OFDMA

n M bps

Tecnologie per telefonia m obile.

C on la seconda g e n e ra zio n e te c n o lo g ic a (2G , cellulari), si è passati a una trasm issione d ig ita ­ le standardizzata, con tecnica sia a divisione di frequenza, sia a divisione di te m p o (TD M A ), con sistem i in te ro p e ra n ti a livello europeo. La terza generazione (3G), più recente, aggiunge alle prim e due una tecnica a divisione di codice (C D M A ) e p ro p on e sistem i m u ltim e d ia li e g lo b a-

10 logio -^- = 10 lo g i011 = 10,4 dB

O ltre che nello standard 802.11 b, la tecnica DSSS è utilizzata nei sistem i di navigazione satellitare GPS con codice a 1.023 chip. M a g g io re è il g u a d a g n o di processo, m ig lio re ris u lta la resistenza alle in te rfe re n z e a banda 306

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

li, con più servizi in te g ra ti in un unico te rm ina le u tente. I sistemi di quarta generazione (4G LTE) utilizzano la m u ltip la z io n e FD M A in c o m b in a zio n e con la te cn ica di trasm issione O FD M A , con prestazio­ ni più elevate in applicazioni che s u p p o rta n o la m o b ilità.

a d iv is io n e di te m p o (TDD, Time D ivision D u ­ plex, fig . 8.32), com e nel caso dei cordless DECT, la so tto b a n d a assegnata a ciascun u te n te m obile è unica per i due lin k, ma la tra m a è s tru ttu ra ta su due intervalli d istin ti per la trasm issione e per la ricezione. TDMA In tecnica T D M A (Time Division M u ltip le Access) a o g n i u te n te è assegnato un intervallo di te m p o (tim e s lo t), d u ra nte il quale ha l'in te ra sottobanda a disposizione (fig. 8.33).

FDMA La tecnica FDM A (Frequency Division M u ltip le A c ­ cess) consente un accesso m u ltip lo a divisione di frequenza, su d divid e nd o la banda d isp o nibile in più s o tto b a n d e (canali), il cui im p ie g o è legato alle m o d a lità di gestione dei due canali di c o m u ­ nicazione, u p lin k e d o w n lin k Se co m b in a ta con la tecnica FDD (Frequency D i­ vision D uplex, fig . 8.31 ), com e nel GSM, le s o tto ­ bande sono suddivise in due g ru p pi d istin ti, uno per l'u p lin k (da MS a BS) e l'a ltro per il d o w n lin k (da BS a MS), separati da una banda di guardia (Bg) che ne lim ita le interferenze. 1 2

3

n

Banda di uplink

r

2'

3'

n'

rf

Banda di downlink

Bg

Banda disponibile ^

Tecnica FDMA-TDMA.

FDMA con FDD.

Nella pratica, la sottobanda sostiene una sequenza di b it (b u rs t) a b it rate elevato, condivisa a te m p o da più u te n ti (com e nel PCM -TDM ). Il tra ffic o di ciascun u te n te viene m e m orizzato in un registro a sco rrim e n to (s h ift) e da questo prelevato a lo tti in corrispondenza dello slo t di te m p o assegnato. Q uesta tecnica è im pieg a ta sia nei GSM, sia nei cordless DECT.

Il te rm in e duplex, inteso com e fu ll d u p le x , sta a indicare che i d ati possono viaggiare nei due sensi co n te m p o ra n e a m e n te ; da non co n fon d e re con h a lf d u p le x , che specifica la possibilità di una co m u n ica zio n e in e n tra m b e le direzioni ma in intervalli di te m p o d istin ti, e in c o n tra p p o sizio ­ ne a s im p lex, che specifica, invece, un flusso di in fo rm a z io n i solo unidirezionale.

CDMA La tecnica C D M A {Code D ivision M u ltip le Access) è utilizzata nei sistemi GPS (C D M A tip o DSSS con codice a 1.023 chip) e nei cellulari di terza gene­ razione (UMTS). Essa m odula il messaggio con tecnica a sequenza d iretta (DSSS, D irectS equence Spread Spectrum ), u tilizzan d o per ciascun u te n te una chiave di co ­ difica a sequenza p seudo-random , di frequenza più alta (chip rate), condivisa tra il te rm in a le e la stazione base (fig. 8.34). Ne risulta u n 'o ttim a insensibilità alle interferenze che p e rm e tte a ciascun u te n te di utilizzare tu tta la banda e per tu tto il te m p o di connessione, una vo lta te n u ta s o tto co n tro llo la potenza emessa.

Guard Urne

|

uplink

|

downlink

^

uplink

^

downlink

Time slot Time trame FDMA con TDD.

A ll'a tto della connessione, a ciascun u te n te viene assegnata una de lle s o tto b a n d e (e q u in d i una p o rta n te ) in ciascuno dei due gruppi. Laddove l'accesso FDM A è u tiliz zato con d u p le x 307

UNITA DIDATTICA 8

che sta so p ra g g iu n g e n d o , in m odo trasparente per l'u te n te . Le frequenze di lavoro sono di qualche GHz. L'antenna di un te le fo n o satellitare è leggerm ente più in g o m b ra n te rispe tto a un GSM, m entre i ser­ vizi o ffe rti a ll'a b b o n a to sono i m edesim i (trasferi­ m e n to di chiam ata, segreteria telefonica, ecc.).

1 9

Cellulare GSM

S truttura di principio di un sistema CDMA.

La te c n o lo g ia GSM (G lo b a l System fo r M o b ile Com m unications) è lo standard u fficia le ETSI (Eu­ ropea n Telecom m unications Standards Institute) per i sistemi di telefonia m obile cellulare a co m m u ­ tazione di circuito, con roam ing internazionale. O gni u te n te è ca ra tte rizza to da un num ero iden­ tific a tiv o su SIM card, tra sfe rib ile su q u alun q u e te rm inale m obile, così da p e rm e tte re l'u tilizzo del m e desim o a b b o n a m e n to e q u in d i d e llo stesso n u m e ro di re p e rib ilità anche ca m b ia n d o il te r­ m inale. A ltri servizi riguardano l'ide n tifica zio n e del n u m e ­ ro chiam ante, la possibilità di deviare le chiam ate in arrivo verso un a ltro te rm in a le e l'in v io di SMS {S hort M essage Service) fin o a 160 ca ratteri.

OFDMA La te cnologia O FD M A {O rth o g o n a l Frequency Division M u ltip le Access) è una variante m u ltiu te n te de llo schema di m o d u lazione d ig ita le OFDM (Or­ th o g o n a l Frequency D ivision M u ltip le x in g ). A d ifferenza di OFDM, O FD M A gestisce la m ultiu te n za (accesso m u ltip lo ) assegnando a ciascun u te n te un g ru p p o di s o tto p o rta n ti in m odo d in a ­ m ico, con m odalità di accesso sia TD M A (intervalli di te m p o separati), sia FDM A (canali separati). I canali ve n g o n o perciò assegnati agli u te n ti per d e te rm in a ti intervalli di te m p o . La tecnica OFDM A è usata nella m o bilità di ultim a generazione. Telefonia satellitare Per c o m u n ic a re tra re g io n i m o lto d is ta n ti, le ce n tra li te le fo n ich e rico rro n o ai sa telliti in o rbita g e o sta zio n a ria , cioè in p o sizio n e fissa ris p e tto alla terra, su u n 'o rb ita d istante circa 3 6 .0 0 0 km, ra g g iu n g ib ili con a ntenne paraboliche. Per i te rm in a li m o b ili tale distanza risulta p ro ib i­ tiva e l'a u to n o m ia delle b a tte rie inadeguata. Per g a ra ntire la com unicazione m obile anche in zone prive della co p e rtu ra GSM/GPRS (deserto, mare, zo n e scarsam ente p o p o la te , ecc.), si u tiliz za n o reti di s a te lliti in o rb ita a distanza m inore (LEO, L o w Earth O rbit), da 500 a 1 .500 km , non geostazionari e con co p e rtu ra terrestre più lim itata, tra i quali: • irid iu m , c o s titu ito da 66 satelliti di 689 kg, a 7 8 0 km da terra, con capacità di c o m m u ta z io ­ ne a bordo; • Globalstar, con 4 8 satelliti da 450 kg, a 1.414 km da terra e centrali di co m m utazione a terra. La co m m u ta zio n e è indispensabile d u ra n te una conversazione in q u a n to , data l'a lta velocità di ro tazione dei satelliti, l'a g g a n cio può venir m eno e il sistem a deve g a ra ntire il passaggio in corsa della com u n ica zio n e so tto il govern o del satellite

Frequency reuse Ciascuna cella del te rrito rio da servire opera con una frazione della banda disponibile, su un raggio che p u ò variare da 26 km (m acrocella) a 2 km (m icrocella) e fin o alle ce n tin aia di m e tri (picocella). L'insieme delle celle che utilizzano l'in te ra banda è d e tto cluster (fig. 8.35), che a sua v o l­ ta c o n fin a con a ltri cluster a n alog h i (fre q u en cy reuse) fin o alla co m p le ta co p e rtu ra d ell'area di com petenza.

| A u s te ra 7 celle.

308

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

La distribuzione delle frequenze tra le diverse celle viene fa tta in m odo da lim ita re l'in te rfe re n za tra le bande. In d ica n d o con D la distanza tra i c e n tri di due celle che u tilizza n o la m edesim a banda (detta d i­ stanza di riutilizzo ) e con R il ra ggio di ciascuna cella (supposta esagonale), si definisce ra p p o rto d i riu so di c a n a le (o di riuso di fre q u e n za ) la q u a n tità

dell'interferenza proveniente dalle celle co-canale a p p a rte n e n ti ai cluster c o n fin a n ti. In dica nd o con S la potenza di segnale ricevuta dal te rm in a le m o b ile e con I il ru m ore di in te rfe ­ re n za d o v u to alle i celle c o n fin a n ti che utilizzano la m edesim a fre q u en za {in te rfe rin g celi, i = 6 nel caso di celle esagonali, fig . 8.35 ), si può d im o ­ strare che Q“

I “

i

con a il c o e ffic ie n te di p ro p agazione, di valore so lita m en te com preso tra 2 e 5. Poiché le norm e fissano il valore m in im o del rap­ p o rto S/l per una d e te rm in a ta te cn olog ia , n o to il valore di a e la fo rm a delle singole celle (cioè Q), è vin co la to il n u m e ro N di celle che devono c o m p o rre un sin g o lo cluster.

Q d ip e nd e q u in di dal num ero e dalla fo rm a delle celle che co m p o n g o n o un cluster. Se un clu ste r è c o m p o s to da N celle e sa go n a ­ li {clu ste r size, 7, 9, 12, 21), si p u ò d im o strare che q

S__

= / T “n

m e n tre se di fo rm a qu ad ra ta Q = 2 - / N

D ifa tti, nel caso del clu ste r a 7 celle (N = 7) in fig . 8 .3 5 , considerato che in un esagono il lato è lu n g o q u a n to il ra g g io (R) del cerchio circoscritto e che l'a p o te m a vale

la distanza (D) di riutilizzo , p er il te ore m a di Pi­ ta g o ra , vale D = y(4 ,5 =

R f + ( ^ - R)2 0

V/ ^ . R 2 + | . R2 = r . / 2T = r V 3“ NIl

Esercizi svolti n. 11, 1 2 ,1 3 Esercizi da svolgere n. 11, 12, 1 3 ,1 4

Il d im e n s io n a m e n to di una cella deve te n e r c o n to sia della densità degli u te n ti (più piccole e più fitte sono le celle e m aggiore è il num ero di utenze su p p o rta b ili), sia dei servizi o ffe rti in q u e ll'a re a , cioè della banda im p e g n a ta da cia­ scuna utenza. Per ridu rre le dim ensioni della cella, si riduce la p o te n za di tra sm issio n e in a n te n n a ; nei c e n tri a b ita ti, per lim ita re il num ero dei pali d 'a n te n n a , questi ve n g o n o posizionati al vertice di co n fin e tra tre esagoni {c o rn e r excited). In ciascuno di ta li vertici sono posizionati tre a rra y di an te n n e d ire ttive a 120° (fig. 8.36). Esiste un lim ite m inim o alle dim ensioni delle celle, poiché riducendo le dim ensioni a u m e n ta l'e n tità

Frequenze di up e downlink Lo standard GSM utilizza un sistem a ib rid o FDM A -FD D -TD M A , in a llo c a zio n e dinam ica. Per lim itare le interferenze reciproche tra trasm is­ sione e ricezione, la banda assegnata è divisa in due parti d istin te (FDD), rispettivam ente di uplink per le co m u n ica zio n i dal te rm in a le m o b ile (MS) alla stazione base sul palo (BS) e di d o w n lin k per il percorso inverso. Nella banda dei 900 MHz, per esem pio, i 25 M H z da 8 9 0 a 91 5 M H z sono di u p lin k, m entre i 25 M H z da 93 5 a 9 6 0 M H z sono di d o w n lin k . C onsiderando che a ogni canale viene assegnata una banda di 200 kHz, si riescono a gestire 124 309

UNITA DIDATTICA 8

canali bidirezionali utili (1 2 4 p o rta n ti) e un canale di guardia alle fre q u en ze in fe rio ri

I diversi tim e slo t so n o separati da 8 ,2 5 b it di g uardia, m e n tre il b u rs t di accesso dura 6 8 ,2 5 b it (2 5 1 ,8 4 ps), per p e rm e tte re l'accesso anche al te rm in a le m o b ile p iù d is ta n te (30 km ), e gli in te rva lli tra le diverse tra m e sono m a n te n u ti ri­ d o tti concordando co n tin ua m en te con la stazione m o b ile un a n ticip o di trasm issione c o n g ru o con la distanza da percorrere. Per m inim izzare l'e ffe tto delle in te rfe re n ze con a ltri segnali e per ridurre gli e ffe tti im pre ve d ib i­ li di fe n o m e n i di a tte n u a z io n e (fa d in g ) o di so­ vrapposizione di riflessioni, è a ttivo il meccanism o a u to m a tic o di ca m b io del canale (sequenza di fre g u en cy h o p p in g ) con 217 hops/s. La gestione dei servizi di handover, roam ing, ecc. im pegna una rete separata (SS7 n e tw o rk) per lo scam bio di messaggi e segnalazioni secondo un a p p o sito p ro to c o llo (SS7).

125 200 = 2 5 MHz Per o gni canale, le fre q u en ze dei due versi di co ­ m un ica zion e distano tra loro di 4 5 M H z (passo di duplex). O ltre ch e n e llo spazio (celle) e in fre q u e n z a (FDM A), il p ro to co llo GSM utilizza anche la m u l­ tip la z io n e nel te m p o (TDM A), con tram e suddi­ vise in 8 tim e slot, per la gestione contem poranea di 8 utenze, per un to ta le di 124 8 = 992 utenti Ciascun utente, d ifa tti, cam pionato a ll'o rigine con frequenza 8 kHz e con risoluzione 13 b it/c a m p io ne, viene successivamente elaborato con tecniche di codifica predittiva e di correzione degli errori, fin o a o tte n e re un b it rate di 2 2 ,8 kbps, ovvero per 8 u te n ti

0

Esercizi svolti n. 14, 15 Esercizi da svolgere n. 15, 16

22,8 8 = 182,4 kbps

web09 ^

A g g iu n g e n d o i b it di intestazione, di d e lim ita z io ­ ne interfram e, di sincronism o e di guardia, previsti dal protocollo, il b it rate finale per 8 u ten ti si porta a 2 7 0 ,8 kbps. Il segnale digitale è poi m o d u la to con tecnica digi­ tale G M S K 0,3 (Gaussian M in im u m S h ift Keying), che produce una variazione della frequenza della p o rta n te RF di ± 67,7 kHz (equivalente a uno sfa­ sam ento di 90°), q u a ttro volte m inore del b it rate, a ll'in te rn o dei 200 kHz lordi disponibili. C on l'estensione DCS-1800 (d u a lb a n d ) sono sta­ te assegnate u lte rio ri bande da 75 M H z, a tto rn o ai 1 .8 0 0 M H z (1 .7 1 0 = 1 .7 8 5 M H z per l'u p lin k e 1 .8 0 5 = 1 .8 8 0 per il d o w n lin k ), per la sistem a­ zione di

Modulazione GMSK Un segnale dati non filtra to presenta fro n ti rip id i in entram be le direzioni, con uno sviluppo in serie di Fourier che com prende co m p o n e n ti arm oniche fin o a ll'in fin ito , rendendone teoricam ente im pos­ sibile la trasm issione w ireless m e diante m o d u la ­ zione di una p o rta n te RF. Tecnica di modulazione

Acronimo

Frequency S h ift Keying

FSK

M u ltip le Frequency S h ift Keying

MFSK

C ontinuous Phase Frequency S hift Keying

CPFSK

M in im u m S hift Keying

MSK

Gaussian M in im u m S hift Keying

GMSK

Phase S hift Keying

= 3 7 5 - 1 = 374 portanti

PSK

Q uadrature Phase S hift Keying

QPSK

D ifferential Q uadrature Phase S hift Keying

e la gestione possibile di a ltri 3 7 4 -8 = 2 .9 9 2 uten­ ti in co n tem p oran e a . Le tra m e da 4 ,6 1 5 ms sono co m p o ste da 8 tim e slo t da 577 ps (8 u te n ti in co n tem p oran e a ) cia­ scuno, con 1 5 6,2 5 bit, per un b it rate u te n te

P i/4 D ifferential Q uadrature Phase S hift Keying

DQPSK P i/4 DQPSK

Q uadrature A m p litu de M o dulation

QAM

Alcune tecniche di m odulazione digitale.

Nella pratica, per lim ita re la banda del segnale dati, si inserisce a m o n te un filtro passa basso che ne addolcisce le transizioni nel te m p o , p u r accet­ ta n d o un a u m e n to dell'ISI e q u in di del BER. Una v o lta ris tre tta la b a nd a del se g na le d a ti, esistono diversi schem i di m o d u la zio n e che per-

e un tb = 3,69 ps

310

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

m e tto n o di m igliorare le prestazioni del BER pur in presenza di ru m ore (tab. 8.2), ciascuna delle q u ali risulta o ttim a per una d e te rm in a ta a p p li­ cazione. In generale, a parità di BER, gli schem i che richie­ d o n o due soli livelli di m o d u la zio n e necessitano di ra p p orti segnale rum ore (SNR) m in o ri rispe tto ai sistemi m u ltilive llo (Q A M , QPSK) e, in am biente wireless, s o p p o rta n o m e g lio anche una m inore lin e a rità d e ll'a m p lific a to re di potenza. Per q u e sto m o tiv o la te cn ica G M S K , con una m o d u la zio n e a due soli livelli, è la più utilizzata nei sistem i di trasm issione m o b ile e a pacchetto. Le sue prestazioni di data rate d ip e n d o n o dalla b a nda del filtr o a m o n te e d a llo spazio che si lascia tra i canali. La m o d u la z io n e G M S K è u n 'e s te n s io n e della m o d u la zio n e M S K , in pratica una FSK a sposta­ m e n to m inim o , con uno schema a m odulazione co n tin u a di fase, nel quale la p o rta n te m o dulata non co n tie n e alcuna d isco n tin u ità di fase e dove il cam bio di frequenza avviene in coincidenza del passaggio per lo zero. Per o tten e re ciò, l'in d ice di m o d u la zio n e vale 0,5, ovvero la d ifferenza tra le due frequenze che co d ifica n o lo 0 e l'1 logico

u lte rio rm e n te rid o tti, s o p ra ttu tto nelle tra sm is­ sioni wireless.

A f = | f 1 - fo | vale e sattam ente m ezzo b it rate m -

^ = A f T bft = 0,5 bit rate

In questo m odo, o gni T » co n tie ne n sem iperiodi di fi e n+1 sem iperiodi di f 2. Inoltre, nel passare da f i a f 2 c'è co n tin uità di fase, rendendo più semplici le apparecchiature di m odulazione. Per esempio, un segnale dati MSK a 1.200 bps (fig. 8.37), può essere codificato m ediante le frequenze f i = 1 .2 0 0 e f 2= 1 .800 Hz, con un num ero intero di sem ionde per bit, rispettivam ente 2 e 3. Dispositivi com m erciali che incorporano in un sin­ g le ch ip tu tta la necessaria circuiteria di m o d u la ­ zione e d e m o d ulazion e MSK sono per esem pio M X 4 2 9 e M X 4 6 9 (M X -C O M ). Lo spettro del segnale m o d u la to MSK (fig. 8.38) presenta un prim o lobo al 7 5 % del b it rate, con banda (traslata in frequenza) teoricam ente pari a 2 0,75 bit rate = 1,5 bit rate I lobi successivi presentano, però, ancora un con­ te n u to e n erge tico sig n ifica tivo e devono essere

L'unica possibilità che rim a n e è quella di a n te ­ porre al m o d u la to re MSK un filtro passa basso {p re -m o d u la tio n filtering). Tale filtro deve essere a banda stretta, con pendenza ripida al ta g lio e pri­ vo di sovra elongazioni (overshoot) e pendolazioni di assestam ento (rin g in g ) nella risposta a ll'im p u l­ so, quale può essere un filtro gaussiano. il filtr o gaussian o è un filtro passa basso m o lto com plesso, ca ratterizzato sia da una fu n z io n e di tra s fe rim e n to in frequenza con m o d u lo ad an da ­ m e n to gaussiano del tip o | F(co) | = A0 e - atì>! con pend e n za m o lto fo rte al ta g lio (da f_3 dB a 10 • f- 3 dB scende di circa 3 0 0 dB), sia da una rispo­ sta a ll'im p u ls o anch'essa con a n d a m e n to gaus­ siano (fig. 8.39), con pendenza iniziale che varia in m o d o m o lto graduale e priva di ring in g .

UNITA DIDATTICA 8

g iu n ta alle tecniche classiche di co d ifica o tte n u ­ te nel rispe tto del teorem a del ca m p io n a m e n to, quali la PAM-PCM, si è reso necessario individuare te c n ic h e di com pressio ne (/oss/ess, senza per­ d ita di in fo rm a z io n e ) e di c o d ific a (lossy, con perdita) che p e rm e tto n o la ridu zio n e della massa com plessiva d e ll'in fo rm a z io n e da scam biare, e q u in di della banda, senza perdere in qualità. Per q u an to riguarda la codifica dei segnali udibili, per esem pio, se un segnale si m a ntiene periodico per un ce rto te m p o , è s u ffic ie n te c a m p io n a rio per un p eriodo e indicare il te m p o di persistenza, o p p u re si possono scartare le co m p o n e n ti del se­ gnale che non possono essere u d ite m o lto bene (è il caso dei file MP3). Le tecniche di co d ifica delle im m agini sono m o l­ teplici, sia per le im m agini fe rm e (JPEG), sia per le im m a g in i in m o vim e n to (MPEG), te n e n d o co n to delle s im ilitu d in i tra riquadri o fra m e successivi. Nel caso della voce, analizzandola nel d e tta g lio si può osservare che risulta p ro d otta dall'eccitazione del t r a t t o v o c a le , che inizia d a ll'e p ig lo ttid e e te rm in a con le labbra, co rrisp o n d e n te a un tu b o acustico riproducibile con un filtro a N co e fficie n ti v a ria b ili nel te m p o , da a g g io rn a re o g n i 12 ms circa (fig. 8.40).

Risposta all'im p ulso per un filtro gaussiano.

Il n om e che gli è sta to a ttrib u ito sta a p p u n to a indicare questo d o p p io co m p o rta m e n to gaussia­ no, sia in frequenza, sia nel te m p o . In d ica n d o con B la banda del filtro (B = f_ 3 dEs) e con T la d u ra ta di un b it (T = Tbit), si assum e a rife rim e n to il p a ram etro BT = b • Tbit = f - 3dB • T b it = . f; 3dBt bit rate C on BT = 0,5, la d istribu zion e della densità spet­ tra le m iglio ra (fig. 8.38), con il 9 9 % della p o te n ­ za c o n te n u ta in 0,5 f/b it rate, m entre la risposta a ll'im p u lso si allunga su 2 Tbit (fig. 8.39), a u m e n ­ ta n d o l'in te rfe re n za di in te rsim b olo (ISI). C on B T = 0,3 , la densità spettrale si addensa anco­ ra di più nel prim o lobo e i lobi secondari risultano a tte n u a ti di 15 dB, ma la risposta a ll'im p u ls o si allunga a 3 Tbit con un ISI p eggiore e, q u in di, con una m a g g io re d iffic o ltà nella d e m o d u la z io n e e nella ricostruzione dei bit. C iò significa che, ridu ce n d o la d istribu zion e della densità spettrale, la m o d u la zio n e G SMK, a pa­ rità di in te rfe re n za di canale, richied e una m i­ nore spaziatura tra i canali rispe tto alla MSK. In a ltre parole, a parità di distanza tra i canali (per esem pio 2 0 ,75 b it ra te = 1 ,5 - b it rate), G SM K garantisce u n 'in te rfe re n z a di canale m in o re ri­ sp e tto alla MSK.

Gain

M odello della generazione della voce.

Per q u a n to riguarda le sorgenti di eccitazione, i suoni vocali (per esem pio a, e) sono sem iperiodici e p ro d o tti dalla vibrazione delle corde vocali, la cui frequenza determ ina il to n o {pitch) della voce, m entre i suoni non vocali (per esem pio s, f) sono p ro d o tti da lle tu rb o le n z e d e ll'a ria (s o rg e n te di rum ore) a ll'in te rn o del tra tto vocale. Tenendo co n to di queste osservazioni, gli in te gra ti vo co d er {voice co d e r decoder), a intervalli m in o ri di 20 ms, ca m p io n a n o il segnale vocale (su d d i­ viso in 16 so ttob a n d e) per individuare il to n o e la fre q u en za dei segnali vocali o la presenza di sorgenti non vocali e per determ inare i coefficienti

Esercizio svolto n. 16 Esercizio da svolgere n. 17

Vocoder I vo co d er sono i dispositivi di codifica d e lla voce im pie g a ti nei sistem i GSM. Nei m o derni dispositivi di com unicazione, in a g ­

312

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

del m o d e llo del tra tto vocale, inviando il tu tto in m o d o m u ltip le x a to TD M (fig. 8.41). Speech IN Bandpass filter :

Rectifier

Lowpass filter

ADC

Bandpass fiUer 16

Rectifìer

Lowpass filter

ADC

MUX

Pitch detector

hr C odec output

Codifica interna a un vocoder.

La sezione d e coder d e ll'in te g ra to d e m u ltip le xa le in fo rm a zio n i ricevute e ricostruisce il segnale vocale (fig. 8.42).

con 10 p o rta n ti ra d io da circa 2 M H z (tecnica FDM A), ciascuna con tra m e da 10 ms (tecnica TD M A ), 2 4 slo t per tra m a , 12 per ciascun verso di co m u n ica zio n e (12 utenze, tecnica di duplex TDD, Tim e D ivisio n D uplex), con m o d u la z io n e GFSK 0 ,5 (Gaussian Frequency S h ift Keying, con B •Tbit = 0,5), potenza tip ica 10 m W con 2 5 0 m W di picco e c o d ifica A D P C M (A d a p tiv e D iffe re n tia l PCM, a 4 b it/ca m p io n e) per il segnale vocale (32 kbps). In a m b ito dom estico (fig. 8.43), il sistema DECT si co m p o n e di una sola stazione base, con una po­ tenza m edia emessa di circa 10 mW, e di un certo n u m e ro di te rm ina li p o rta tili, ra g g iu n g ib ili fin o a 30 50 m aH 'interno e fin o a 300 m a ll'a p e rto , che non possono m uoversi con velocità superiore a 4 0 km /h.

C odec input

DECT in am bito dom estico (Fitre SEL-dectl 00).

Decodifica interna a un vocoder.

C on qu esta te cn ica si riesc on o a rid u rre i 64 kbps classici del ca m p io n a m e n to vocale (8 .0 0 0 c a m p io n i/s -8 b it/ca m p io n e) a 13 kbps.

Cordless DECT La te c n o lo g ia DECT (D ig ita l E nhanced Cordless Telecom m unications) è lo standard ETSI o b b lig a ­ to rio aH 'interno d e ll'U n io n e Europea per i te le fo n i cordless di uso d o m e stico e aziendale, s tu d ia to a p po sita m e n te per g a rantire sicurezza c o n tro le in te rfe re n z e e c o n tro l'u so ille ga le da p a rte di terzi, con possibilità, inoltre, di in te ra g ire senza particolari problem i con tu tti i tip i di rete esistenti, quali GSM, ISDN e la rete te le fon ica pubblica. DECT lavora nella banda 1 .8 8 0 4- 1 .9 0 0 M Hz,

DECT in am bito industriale (Fitre).

Nei sistem i a zie n da li, invece, la c o p e rtu ra può essere resa più estesa (te o rica m en te fin o a 120 utenze), im pe g n a nd o una co p e rtu ra a picocelle (fig. 8.44), sim ile a quella del GSM, con le stazioni base co lle g a te al ce n tra lin o te le fo n ic o aziendale attraverso un'apposita stru ttu ra di com m utazione a stella, con la possibilità per gli u te n ti di attivare e ricevere c h ia m a te , sia in te rn e , sia esterne, e di c o n tin u a re a conversare anche m u o ve n d o si su ll'in te ra area.

UNITA DIDATTICA 8

DECT è an che u tiliz z a to per le c o m u n ic a z io n i in te rn e in a m b ie n te ospedaliero, per la m inore potenza emessa (10 m W ) rispe tto ai GSM (fin o a 2 W ), ca ra tte ristica che lo rende c o m p a tib ile con i dispositivi m edici di su p p o rto vitale (pom pe per in fu sio n e , d e fib rilla to ri, m o n ito r, v e n tila to ri p o lm o n a ri, m acchine per anestesia).

GPRS A d iffe re nz a del GSM, che utilizza connessioni a c o m m u ta z io n e di circu ito , la te cn o lo g ia GPRS {G eneral Packet Radio Service) im piega la tecnica a c o m m u ta z io n e di pacch etto , con p restazioni m ig lio ri nella trasm issione dati e con possibilità di c o lle g a m e n to In terne t. I cellulari GPRS d is p o n g o n o d ifa tti del p ro to co llo W AP per la tra d u z io n e e la conversione d ire tta dal fo rm a to HTML al fo rm a to specifico del d ispo­ sitivo m obile. Le in fra stru ttu re di rete sono solitam ente le stesse del GSM, con va n tag g i nei costi di installazione, m e n tre la ta riffa z io n e è legata alla q u a n tità di d ati scam biati anziché al te m p o di u tilizzo delle risorse di rete. II d is p o s itiv o GPRS non è sem pre connesso in rete, ma presenta tre stati di fu n z io n a m e n to : idle, standby e ready/active (fig. 8.46).

Esercizi svolti n. 17, 18, 19 Esercizio da svolgere n. 18

Reti a commutazione di pacchetto In una rete a co m m u ta zion e di p a cch etto {packet sw itch in g ) non esistono centrali di c o m m u ta z io ­ ne, ma la rete è sem pre a ttiva e i dati ve n g o n o suddivisi in pacchetti num erati progressivam ente, ciascuno con una intestazione (header) recante l'in d iriz z o del destinatario, e instradati dalla cen­ tra le m ediante ro u te r (fig. 8.45), su percorsi li­ beri o sta tistica m en te considerati o ttim a li, anche diversi tra loro, e ric o m p o s ti al te rm in e (com e avviene per Internet). Il

C om e all'accensione, la stazione m obile (MS) può passare d allo s ta to di riposo (idle) a un o s ta to a ttiv o in rete (ready) a se g uito di una richiesta di agga n cio (attach) e vi rim ane per tu tta la durata dello scam bio di pacchetti. Q uando la trasm issio­ ne di pacchetti si in te rro m p e , il dispositivo passa provvisoriam ente in standby e, se il silenzio per­ dura, to rn a in idle. Destìnatìon D

VolP La te cn o lo g ia VolP ( Voice o v e r In te rn e t P ro to col) p e rm e tte di e ffe ttu a re te le fo n a t e tr a m ite la re te In te r n e t, creando un canale v irtu a le con p ro to collo TCP/IP (a pacchetti) una volta che i due in te rlo c u to ri sono presenti in rete. VolP è u tiliz z a to a n che per la c o m u n ic a z io n e d 'u ffic io , u tilizzan d o la rete d ati aziendale inter­ na {Intranet), con possibilità di accedere d ire tta ­

Principio di funzionam ento di una rete a com m utazione di pacchetto.

Il m ezzo trasm issivo è q u in di condiviso tra i diversi u te n ti in m o d o co o rd in a to . Un ese m p io c o m u n e è la conne ssio ne d ig ita le ADSL, una connessione a pacchetti alla rete Inter­ n e t sem pre a ttiva e senza alcuna co m m u ta zion e da parte d e ll'u te n te . 314

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

m e nte alla rete PSTN esterna tra m ite gatew ay PIG (PSTN to In te rn e t G atew ay) per la conversione dei d ati tra pacchetti IP e tra m e PCM -TDM . La te le fo n ia VolP richiede, per p o te r fu nzio na re co rre tta m e n te , la presenza di due tip i di p ro to ­ co llo di co m unicazione, che devono fu nzio na re in parallelo: un o necessario a inviare e ricevere la voce spacchettata d ig ita lm e n te (p ro to co llo RTP, Real-Time Transport P rotocol), l'a ltro a riordinare cro n o lo g ica m e n te i pacchetti dati e ricodificare i dati digitali in segnale voce analogico. Uno dei p ro to c o lli più fre q u e n te m e n te im p ie g a ti per la ricod ifica è SIP (Sess/on In itia tio n P ro to col), uno standard di livello "A p p lic a z io n e " in grado di sta­ bilire, m antenere e term inare una sessione, di uno o più partecipanti, d u ra nte una com unicazione di tip o m u ltim e d ia le , u tilizzan d o i livelli so tto s ta n ti di com u n ica zio n e TCP e UDP.

ADSL è una tecnologia di trasm issione dati a ban­ da larga, utilizzata per l'accesso alla rete In terne t ad alta velocità. La connessione u tiliz z a due m o d e m te rm in a li, u n o situ a to presso l'u te n te e l'a ltro nella centrale te le fo n ic a di zona, c o n g iu n ti tra m ite il n o rm a ­ le d o p p in o te le fo n ic o bianco/rosso che collega l'u te n te alla centrale (fig. 8.47). I due flussi di inform azione, voce e dati, condivido­ no il m edesim o canale o ccupando due bande d i­ verse e separate: la com unicazione audio im pegna le frequenze più basse (300 Hz -e 3.400 Hz), m entre ADSL im pegna la banda da 25 kHz a circa 1 M H z (lasciando libera la frequenza 12 kHz utilizzata dal to n o del co n tascatti p roveniente dalla centrale). Su e n tra m b i i lati della connessione, il flusso dati viene separato dal segnale vocale tra m ite appositi filtri separatori (fig. 8 .4 8 ) e inviato ai m odem .

ADSL Se fin o a qualche an no fa le esigenze di co n n e t­ tiv ità p o tevano essere so d disfatte con data rate di alcuni kbps, le richieste a ttu a li di in te ra ttività , connessione p e rm a n e nte in rete e m u ltim e d ia lità rich ie d o n o alm e n o alcuni M b p s.

Presa telefonica

Filtro utente per ADSL e connessione alla presa telefonica.

In questo m odo, anche le te lefonate non risultano d istu rb a te da fischi o fruscii d o vuti alla presenza di a rm on ich e superiori. Poiché il d o p p in o presenta un c o m p o rta m e n to irregolare in frequenza, ADSL utilizza la tecnica D M T (Discrete M ultiTone), ovvero, anziché m o ­ dulare l'in te ro flusso d ati su una sola p o rta n te , lo scom pone in g ru p p i di velocità inferiore, che m o d u la n o a ltre tta n te s o tto p o rta n ti (toni), in nu­ m ero m aggiore laddove è peggiore la q u alità del canale a disposizione. In questo m o d o la banda com plessiva risulta suddivisa in un ce rto num ero di canali di banda m inore ma con co m p o rta m e n ­ to singolo più u n ifo rm e . Inoltre, per o ttim izza re u lte rio rm e n te la banda a d isposizione, i canali co n fin a n ti sono m o d u la ti con p o rta n ti o rto g o n a li (OFDM).

Collegam ento tra utente e centrale.

In a m b ito in d u stria le poi, la d isp o n ib ilità di una b a nd a a m p ia ra p p re se nta c o n c re ta m e n te una risorsa per la creazione di nuove o p p o rtu n ità di sviluppo. 315

UNITA DIDATTICA 8

La banda to tale, da 0 a 1.104 kHz, viene suddivisa in 256 so ttocanali da

Distanza [km]

Downstream [Mbps]

Distanza [km]

Essendo la banda inferiore, fin o a 25 kHz, riser­ vata ai servizi te le fo n ic i tra d izio n a li (PSTN), ADSL utilizza 2 4 p o rta n ti per i'u p lin k (da 25 kHz a 128 kHz) e 222 per il d o w n lin k (da 146 kHz a 1 .104 kH z, fig . 8 .4 9 ), la sciando libera una banda di guardia tra le due zone.

ADSL

0,8

8

1,5

1,5

6

ADSL2

3,5

12

2

3

5

ADSL2+

3,5

24

2

12

5

VDSL

16

52

0,3

13

1,5

Tipo di DSL

Upstream [Mbps]

1.104 kH z /2 5 6 = 4 ,3125 kHz

Massima distanza

Downstream [Mbps]

Massima velocità

Prestazioni di alcune tecniche xDSL.

Per la precisione, si parla di A D SL2 q u a n d o la velocità in d o w n stre a m ra g g iu ng e i 12 M b it/s e di A D S L 2+ q u an d o ra g g iu ng e i 2 4 M bit/s. L'evoluzione VDSL della te c n o lo g ia m ig lio ra le p restazioni sulle distanze brevi, im p ie g a n d o la m edesim a tecnica di m o d u lazione D M T di ADSL, ma con un m a g g io r n u m e ro di to n i, q u in di con m a g g io re occupazione di banda. Le prestazioni o ffe rte risultano m ig lio ri di ADSL2+ solo fin o a 1 km (fig. 8.50). Essendo le s o tto p o rta n ti destinate al d o w n lin k in n u m e ro m aggiore rispe tto a quelle per I'u p lin k, la velocità di ricezione dei dati risulta m aggiore risp e tto a quella di invio; per qu esto si parla di tra s m is sio n e as im m etrica La m odulazione delle s o tto p o rta n ti è Q A M -T C M , m u ltilive llo con co d ifica a recupero degli errori. Ip otizza nd o 32 livelli di co d ifica e considerando una banda di 4 kHz per ciascuna s o tto p o rta n te , si o ttie n e un data rate

MBit/s

C = 2 B log2 L = 2 4.000 log232 = 40 kbps e la velocità di ricezione, considerando tu tti i 222 canali diventa

Confronto tra le prestazioni di alcune tecnologie DSL

VDSL2 aum enta ulteriorm ente la banda occupata, p o rta nd o la a 30 MHz, e o ffre 100 M bps nom inali in d o w n stre a m e 4 0 M bps in upstream , m a solo fin o a qualche ce n tin a io di m etri.

40 kbps 222 = 8,88 Mbps La te cn o lo g ia ADSL è ca ratterizzata da velocità in d o w n lo a d (d o w n stre a m ) e in upload (upstream ) che possono variare secondo l'o p e ra to re , la ta riffa scelta e la distanza dalla ce n tra le . Si va da 640 kbit/s a qualche M b it/s in d o w n lo a d , da 128 kbit/s a circa 1 M b it/s in upload. Le e v o lu z io n i xDSL della te cn o lo g ia ADSL, oggi disponibili, utilizzano una banda più am pia e con­ s e n to n o di ra g g iu n g e re capacità di gran lunga superiori alle precedenti (tab. 8.3), con prestazioni legate alla q u alità e alla lunghezza del d o p p in o te le fo n ico e all'e ve n tua le presenza di d ia fon ia sul cavo.

Connessioni M2M Lo sviluppo d e ll'a u to m a z io n e richiede sem pre di più un c o n tro llo e un m o n ito ra g g io a distanza delle appa re cch ia tu re e delle installazioni (telec o n tro llo ), sp in g e n d o alla ricerca di soluzioni di com unicazione wireless tra m acchina e macchina (M 2 M , M a c h in e To M a ch in e c o m m u n ic a tio n ) o 316

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

tra m acchina e ce ntro di co n tro llo , attraverso la rete m obile. Le a p p lica zio n i rig u a rd a n o num erosi s e tto ri in ­ dustriali e dei servizi, quali la te le le ttu ra e il te le ­ rilevam ento, il te le c o n tro llo di ve n ding-m achine (d istrib u to ri a u to m atici), la localizzazione satelli­ tare degli a utom ezzi, la telem edicina, ecc.

gere eventuali SMS destinati ad attivare particolari uscite del PLC, a inviare un SMS c o n te n e n te lo status della m acchina o anche ad a ttiva re la c o n ­ nessione per tra sferire interi file di lavorazione.

Modem GSM/GPRS Le so lu zio n i M 2 M a distanza u tiliz za n o in pre­ va le n za m o d e m GSM/GPRS is tru iti m e d ia n te a p po siti com andi, d e tti com andi AT (A T te n tio n ), attraverso una linea seriale asincrona. I co m a n d i sono s trin g h e di c a ra tte ri ASCII che iniziano con le due le ttere 'A ' e T (m aiuscole o m inuscole) e te rm in a n o con il carattere di invio (CR= to rn a a capo = 0DH), m entre le risposte del m o d e m risultan o incapsulate tra due co p pie di caratteri CRLF . I com andi possibili sono num erosissim i, ma per le fu n z io n i di a u tom azione ne bastano pochi (alcuni esem pi a p plicativi sono sviluppati sul q u ad e rn o d i la b o ra to rio , "S ch e da 33 - C o m a n d i AT per G S M "). M e n tre la te c n o lo g ia GSM con SIM card per la fo n ia è m a g g io rm e n te utilizzata per la gestione della reperibilità e la co m u n ica zio n e sporadica di piccole q u a n tità di d ati (SMS), la te cn olog ia GPRS richiede una SIM card con abilitazione apposita (IP del gestore), ma consente di realizzare connessio­ ni dati sem pre attive, con velocità di trasm issione più alta e ta riffa z io n e a consum o. Un m o d e m GSM in s ta lla to su un d is trib u to re a u to m a tic o p e rm e tte , per esem pio, di avvisare in te m p o reale la centrale di gestione per il rifo r­ n im e n to o il m a lfu n z io n a m e n to della m acchina, rid u ce n d o i te m p i di risposta ed e lim in a n d o te m ­ pi m o rti e in u tili sopralluoghi. In m o d o analogo fu n z io n a n o i sistem i installati su ascensori, per la richiesta di m a n u ten zion e , e su fo to c o p ia tric i e sta m p a n ti, per la sostituzione del toner. Le d is p o n ib ilità te c n o lo g ic h e va n n o dai m o d u li da 3,3-5 V (fig. 8.51a), per l'in te rfa c c ia m e n to d i­ re tto su circu ito sta m pato con l'UART di un m i­ croprocessore em bedded, ai m o dem esterni con connessione RS 232 (fig. 8.51 b), alle unità G SM / GPRS di espansione per PLC (fig. 8.51c). Per gestire la reperibilità, un PLC pu ò co m porre un num ero di te le fo n o per inviare un avviso m e­ d ia n te u n o squillo, gestire l'in v io di un SMS verso il num ero di re p e rib ilità aziendale, specificando il tip o di allarm e che ha m o tiv a to la chiam ata, leg­

L'applicazione più nota n e ll'a m b ito del tra sp o rto è il Vehicle Tracking, un sistem a di localizzazione satellitare usato per co n tro lla re e gestire i mezzi di tra s p o rto , c o m p o s to da una O n -B o a rd U n it (OBU) a m icroprocessore in sta lla ta sul veicolo, c o m p re n d e n te un GPS e un m o dem GSM/GPRS con SIM card, e da un so ftw a re , da installare in sede, che raccoglie e processa i d ati ricevuti, rela­ tivi alla posizione, alla velocità e al ch ilo m etrag g io del veicolo. Una soluzione n e ll'a m b ito dei servizi alla persona è la R em ote H ealthcare D iagnostic, che suppor­ ta i pazienti nel c o n tro llo della propria m alattia, m ediante rilevam ento e trasferim ento autom atico dei d ati verso una p ia tta fo rm a di telem edicina, installata presso una stru ttu ra ospedaliera. Scheda 33 - C om andi AT per GSM

Visibilità GPRS Per q u a n to rig u a rd a la v is ib ilità tra te rm in a li, m e n tre i dispositivi GSM po ssie d on o sulla rete ciascuno un p ro p rio n u m e ro u te n te univoco, la rete GPRS non perm ette connessioni p u n to -p u n to verso il te rm in a le m obile. Data la carenza e il costo degli indirizzi IP pubblici, i p ro v id e r GPRS assegnano a ciascun te rm in a le un in d irizzo IP p riv a to e in s tra d a n o i p a c c h e tti destinati alla rete In te rn e t in un solo indirizzo IP pubblico, utilizzando il p ro to c o llo NAT (N e tw o rk A ddress Translation) in te rn o al loro router. L'indi­ rizzo assegnato al te rm in a le è dinam ico, poiché risulta d e fin ito solo al m o m e n to della richiesta di connessione alla rete (GPRS attach ), e scelto lib e ra m e n te dal provider tra quelli che risultano disponibili.

317

UNITA DIDATTICA 8

Per realizzare una rete privata virtuale tra te rm i­ nali m o b ili GPRS o ccorre q u in d i d isp o rre di un in d iriz z o IP p u b b lic o (s o lita m e n te l'in d iriz z o IP a zie n da le ) sul quale ciascun te rm in a le m o b ile GPRS chiede e m a n tie n e a ttiv a la connessione per lo scam bio dei dati.

Se a lim e n ta te a batteria o m e diante celle solari, restano a ttive le sole fu n z io n i di c o n te g g io (fu n ­ z io n a m e n to in standby) e la radio DECT entra in fu n z io n e solo q u a n d o è necessario scam biare i dati con il con ce ntrato re . L'unità di concentrazione gestisce fin o a 100 unità DECT rem ote, aggiorna periodicam ente il proprio d a ta base e invia i d ati verso la rete GSM (fig. 8 .54 ) o la rete satellitare O rbcom m .

Moduli DECT I m o d u li DECT (fig. 8.52) sono c o n fig u ra b ili e d i­ re tta m e n te c o n tro lla b ili, m e d ia n te co m a n d i AT da interfaccia RS 232, in una delle tre m odalità operative: te rm in a le p o rta tile (PP, P ortable Part), stazione fissa (FP, Fixed Part) e server FP. Con ali­ m e n ta z io n e 5 V, d a ta rate fin o a 19,2 kbps e BER < 10~8 tro va n o applicazioni com e co n ce ntra ­ to ri dati n e ll'a m b ito del te le co n tro l lo.

Transceiver DECT/GSM.

Un ce ntro di supervisione e c o n tro llo gestisce le fu n z io n i di esercizio e m a n u ten zion e del sistem a, raccoglie i dati di le ttu ra dal ca m p o e può in te ra ­ gire d ire tta m e n te con il sistem a di fa ttu ra zio n e .

Siemens DECT Engine MD32.

Un esem pio è il sistem a per il m o n ito ra g g io di co n tato ri di gas, acqua ed e lettricità fin o a 100 m, con tecniche di progettazione a sicurezza intrinse­ ca (gas) e im perm eabilizzazione IP68 (acqua). Il sistem a si co m p o n e di unità p e riferiche in te lli­ g e n ti in cam po, solidali con i c o n ta to ri o m o n ta te in prossim ità (fig. 8.53), in grado di acquisire i dati di co n te g g io o di m isura provenienti dai tra s d u t­ to ri di p o rta ta e connesse, m e d ia n te dispositivi radio DECT, a u n 'u n ità di concentrazione.

Teleassistenza e telecontrollo La teleassistenza è una p re sta zio n e e ffe ttu a ta da re m oto , le cui p o te n zia lità sono vin colate alle caratteristiche del canale di com unicazione stabi­ lito tra il cam po e il prestatore d 'o pe ra (velocità, durata, a ffid a b ilità , costo). Le connessioni più diffuse utilizzano la rete te le fo ­ nica pubblica (eventualm ente con linea dedicata), o p p u re In terne t. Se il c o lle g a m e n to è re a lizzato m e d ia n te linea a n a lo g ica , o GSM, il co sto è le g a to alla d u ra ­ ta del c o lle g a m e n to e la ve lo cità è lim ita ta ; la situ a zio n e m iglio ra con un c o lle g a m e n to ISDN, con a ltri costi. Un esem pio è Teleservice (TS, Siemens), ca ra tte ­ rizzato da un dispositivo TS A d a p te r connesso tra il bus del PLC e la rete te le fon ica (fig. 8 .55 ) e da una stazione rem ota chiam ante, anch'essa c o n ­ nessa alla linea te le fon ica e d o ta ta del so ftw a re necessario (Teleservice) per co m p o rre il n u m e ro di te le fo n o d e ll'Im p ia n to d e stin ata rio e stabilire il colle g a m e n to.

Periferiche per contatori acqua.

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RETI DI TELECOMUNICAZIONE

m

M e d ia n te connessione GPRS il costo è legato alla q u a n tità di in fo rm a zio n i scam biate. La teleassistenza m e d ia n te connessione In terne t può essere realizzata in vari m odi, con diversi gra­ di di sicurezza. Uno dei più e co no m ici consiste nel c o n n e tte rs i con il m o d e m ro u te r aziendale d o ta to di IP fisso (fig. 8.56) e, una volta fo rn ite le credenziali di accesso (nom e u te n te e password), stabilire una co n n essio n e VPN (V irtu a l Private N e tw o rk). In questo m o d o si apre una sessione (con p ro to ­ co llo Telnet) che pe rm e tte di operare da re m oto com e se si trattasse di un PC in locale, con possi­ bilità di m anutenzione e a g g iorna m en to softw are sul PLC e sul pannello operatore. Teleassistenza e te le c o n tro llo da re m o to sono fa c ilita ti se il PLC dispone di un server w e b in te ­ g ra to o u n 'u n ità E th e rn e t-ln te rn e t co n ten e n te il p ro to collo server con pagina w eb, raggiungibile una vo lta n o to l'in d iriz z o IP d e ll'u n ità e stabilita la connessione m e diante browser. In tu tte le CPU della fa m ig lia SIMATIC S7-1200, la fu n z io n e w e b in te g ra ta rende possibile c o n ­ nettersi alla CPU da PC u tilizzan d o un qualsiasi brow ser di rete (per esem pio, In te rn e t Explorer), per leggere i b u ffe r di diagnostica, avere in fo r­ m azioni sullo sta to dei singoli m o d u li, leggere e scrivere variabili PLC, scaricare DataLog, ecc. È possibile, inoltre, interagire g ra fica m e n te sulle variabili del PLC m e diante brow ser di rete, richia­ m ando pagine g ra fich e personalizzate scritte in lin g u a g g io HTM e registrate in m em oria.

Teleassistenza m ediante m odem su rete telefonica pubblica.

Esercizi svolti n. 20, 2 1 ,2 2 , 23 Esercizi da svolgere n. 19, 20, 2 1 ,2 2 , 23

Reti convergenti multiservizio Fino a pochi decenni a d d ie tro esistevano reti d if­ fe renziate e d istin te per la te le fo n ia , i dati, la TV e la radio, e una notevole varietà di p ro to co lli per la trasm issione dati. O ggi le reti a co m m u ta z io n e di circu ito e di pac­ c h e tto fu n z io n a n o in m o d o in te g ra to e i sistemi m o b ili si sono e vo lu ti con ra p id ità , sup po rta n d o , co n te m p o ra n e a m e n te alla te le fo n ia e alla re g i­ stra zio n e video, le fu n z io n a lità di un ricevitore radiotelevisivo e di un personal com puter, con la connessione a In te rn e t e la gestione della posta

I! TS A d a p te r deve essere provvisto di un m odem a d a tta to re in te rn o , m entre per la connessione in rete GSM il m o dem è esterno. Una volta stabilita la connessione è possibile apri­ re l'a m b ien te di program m azione (STEP7, H A Por­ ta i, W in C C , ecc.) e in tervenire sul so ftw a re del PLC per m o d ifich e e a g g io rn a m e n ti. 319

UNITA DIDATTICA 8

e le ttro n ica . U n 'e vo lu zio n e che ha m o d ific a to il m o d o di vivere e di partecipare di c itta d in i e im ­ prese che con grande sem plicità possono richie­ dere d o cum e nti, fo rn ire dati, seguire avvenim enti pubblici in video stream ing, scaricare giochi e m u­ sica, acquistare o n -lin e o se m p lice m e n te e ffe t­ tu are telesorveglianza video (im m a g in i in te m p o reale c a ttu ra te da telecam ere W iFi). Lo sviluppo a ttu a le sem bra sem pre più c a ra tte ­ rizzato dal trin o m io "In te rn e t", "b a n d a la rg a ", "m u ltis e rv iz io ". La convergenza di più servizi su un u nico te rm i­ nale richiede che questo possa supportare diverse tecniche di accesso (GSM, W iFi, W LAN, B luetoo th ) m a n te ne n d o un unico num ero e un indirizzo IP univoco per l'id e n tific a z io n e e l'a u ten tic azion e del te rm in a le m obile. Per p o te r fo rn ire o gni sorta di in fo rm a zio n e (fo ­ nia, TV, dati) su q u a lu n q u e p ia tta fo rm a di c o m u ­ nicazione (TV, PC laptop, PDA e te le fo n i W iFi) e in o g n i lu o g o (casa, u fficio , hotel, a e ro p o rto , ecc.), le in fra s tru ttu re di rete d e von o a ttiva re dorsali full-IP m ultiservizio (fig. 8.57), con a rch ite ttu re in­ d ip e n d e n ti dalle soluzioni te cn o lo g ic h e utilizzate nell'accesso, sulle quali in tegrare fisso e m obile.

IP Back-bone j ^ y

Per le reti di con ve rg en za , lo s ta n d a rd IMS (IP M u ltim e d ia Subsystem) specifica l'interoperabilità e il ro a m in g tra le reti, fo rn isce il c o n tro llo del canale di tra s p o rto e p e rm e tte di im p le m e n ta ­ re le fu n z io n a lità di ta riffa z io n e , identificazione, au to rizza zio n e e sicurezza (A A A , A u th o riz a tio n , A u th e n tic a tio n a n d A c c o u n tin g ) basate sulla SIM card. UMTS Lo standard ETSI U M T S (UniversaI M o b ile Telec o m m u n ic a tio n s System) è un sistem a di terza generazione che in te gra più servizi in un unico te rm inale (s m a rtp h o n e ), o ffre n d o una trasm issio­ ne dati con b it rate fin o a 2 M b it/s (nelle celle più piccole), una connessione In te rn e t sem pre attiva e l'accesso d ire tto ai servizi via satellite. Le bande riservate allocano 155 M H z per il te rre ­ stre (fig. 8 .58 ) e 60 M H z per il satellitare.

Livello dorsali ad alta velocità tra router e server

L'architettura è basata sul p ro to collo IP, con il p ro­ to c o llo VolP per il segnale te le fo n ico e il p ro to c o l­ lo MIP (M o b ile IP) per i co llegam enti a Internet, con l'indirizzo IP assegnato che non cam bia anche in caso di handover. Lo standard co m p re n d e l'in vio di messaggi M M S (M u ltim e d ia M essage Service), con file m u ltim e ­ diali (fo to , video, audio) allegati. UMTS u tilizza la te cnica C D M A , sia per la tra ­ sm issione della voce, sia per la trasm issione dati fin o a 2 M bps, con vari valori di ch ip ra te (4.096, 8 .1 9 2 e 1 6 .3 8 4 kchip/s). G razie alla sua notevole resistenza alle interferenze, è possibile utilizzare la stessa frequenza p o rta n te in tu tte le celle della rete, se m p lifica n d o n e non poco la p ia n ific a z io ­ ne. M e d ia n te so ftw a re specifici (per esem pio, Skype) è possibile realizzare connessioni a u d io-vid e o in te m p o reale tra due u te n ti in rete.

Gateway

Fixed and \ mobile a c c e s s J

Pluralità di reti di a cc e sso

Reti convergenti m ultiservizio.

La co n ve rg en za di fo n ia , d a ti e m edia su una c o m u n e in fra s tru ttu ra di rete riduce costi e ta ­ riffe , a u m e n ta l'u b iq u ità e la personalizzazione dei servizi m u ltim e d ia li e o ffre la possibilità agli o p e ra to ri di au m e n ta re i p ro fitti e ridurre i costi, anche riutilizza n d o la base di co p e rtu ra wireless già installata. 320

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

lelizzano la trasm issione dei dati su più elem enti, secondo te cn ich e d e tte di S p atial M u ltip le x in g (M IM O -S M ), con un a u m e n to p ro p o rz io n a le del b it rate to ta le (150 M bps con due antenne, 3 0 0 M bps con q u a ttro , ecc.). Un u lte rio re m ig lio ra m e n to del l'e fficie n za spet­ tra le si p u ò o tte n e re s fru tta n d o al m e g lio la fra m m e n ta z io n e d e llo sp e ttro e svilu p p a n d o la possibilità di rico n fig u ra re il fascio irra diato dalle a n te n n e (antenne attive), a d a tta n d o n e la fo rm a (b e a m fo rm in g , BF) in m o d o da focalizzare spa­ zia lm e nte l'energia sul servizio richiesto dalla cel­ la, così da p o te r im piegare m o d ulazioni di livello sem pre più alto. Le a ntenne che m e g lio si prestano a realizzare il BF sono le a n te n n e a schiera, c o s titu ite da un insiem e di radiatori e le m entari allineati, in v e rti­ cale (fig. 8.59), in o rizz o n ta le o in piano.

Banda larga 4G LTE In a m b ito wireless, W iFi copre aree lim ita te ad alta co n centrazione di tra ffic o , m entre per le aree più estese lo standard e m e rg e n te è IEEE 8 0 2 .1 6 a/d, n o to con l'a cro n im o W iM A X (W o rld w id e Interop e ra b ility fo r M icro w a ve Access), che consente di tra sfe rire voce, dati e video per tra tte radio fin o a 50 km , con possibilità di accesso anche per gli u te n ti in m o vim e n to (IEEE802.16e). Per le utenze nelle aree rurali, l'accesso alla banda larga utilizza le tecniche satellitari (per l'E uropa i sistem i EUTELSATe ASTRA).

Reti di nuova generazione (NGN) Le reti NGN (N ext G eneration N etw orks) sono reti di te le co m u n ica zio n e co n ve rg en ti m ultiservizio, ca ratterizzate da principi di fu n z io n a m e n to e ar­ c h ite ttu re innovative, così d e fin ite dall'ITU-T nella raccom andazione Y.2001 del 12/2004: "A N e xt G eneration N e tw o rk s (NGN) is a p a cke tbased n e tw o rk able to p ro v id e te le co m m u n ica tio n Services a n d a b le to m a ke use o f m u ltip le b ro adband, Q oS -enabled tra n s p o rt technologies a n d in w h ic h Service-related fu n c tio n s a re indep e n d e n t fro m u n d e rlyin g tra n sp o rt-re la te d tech­ nologies. It enables u n fe tte re d access fo r users to n e tw o rk s a n d to c o m p e tin g Service providers a n d !o r Services o f th e ir choice. It su p p o rts generalized m o b ility w h ic h w ill a llo w co n sistent a n d u b ig u ito u s p ro vision o f Services to users". Una Next G e neration N e tw o rk è q u in di una rete a co m m u ta z io n e di p a cch etto in g ra d o di fo rn ire tu tte le tip o lo g ie di servizi di te le com unicazione, fissi e in m o b ilità , im p ieg a n d o diverse te cn olog ie con d iffe re n ti livelli di q u a lità di servizio (QoS, Q u a lity o f Service). In una rete NGN te n d o n o a concentrarsi diverse in n o va z io n i di ca ra tte re te c n o lo g ic o e a rc h ite t­ tu rale, quali: • la convergenza fisso -m o bile e la trasparenza della rete per qualsiasi tip o di servizio (voce, video, dati, ecc.); • l'im p ie g o d e ll'a rc h ite ttu ra di tra s p o rto con co m m u ta zio n e di pa cch etto e delle tecniche di QoS per la gestione della p rio rità delle in ­ fo rm a z io n i in te m p o reale;

Antenna a schiera verticale (KATHREIN-Werke).il

il sistem a di com unicazione m obile a banda larga di quarta generazione è n o to com e 4G LTE (Long Term Evolution). Tra le specifiche te cn ich e tra ccia te d a ll'e n te di standardizzazione (3GPP), la tra tta di d o w n lin k (dalla stazione al term inale m obile) presenta u n 'e f­ ficienza sp ettrale o b ie ttiv o di 75 M b p s/2 0 MHz, da o tte n e re m e diante la tecnica di trasm issione O FD M A e u tilizza n d o a n te n n e M IM O (M u ltip le In p u t M u ltip le O u tp u t). C om e si sa, la te c n ic a O F D M A divide lo spet­ tro d isp o nibile in s o tto b a n d e (s o tto p o rta n ti) più fa cilm e n te e q u a liz z a g li, che possono q u in di es­ sere m o d u la te con p ro fo n d ità sem pre m a g g io ri (a ttu a lm e n te fin o a 6 4 Q AM ). Le a n te n n e con te cn olog ia M IM O , invece, paral-

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UNITA DIDATTICA 8

•

l'uso generalizzato del p ro to c o llo IP per tu tti i tip i di in fo rm a zio n i trasmesse; • l'a d o zio n e di bande sem pre più larghe per la gestione di servizi video (videoconferenza in alta de finizio n e, HDTV - H igh D e fin itio n TeleVision, TV interattiva, giochi in rete, telelavoro, ecc.) e per a ltri servizi in n o va tivi fu tu ri (am b ie n t m o rp h in g , a m b ie n ts h a rin g , h o lo grap h ic C om m unications, ecc.). li p ro to co llo IP è in te g ra to con u lte rio ri p ro to co lli che co n se nto n o di sup po rta re c o n te m p o ra n e a ­ m e n te i diversi servizi con i livelli di q u alità ga­ ra n titi. L'evoluzione verso la rete NGN co in vo lg e tu tti i segm enti del tra sp o rto delle in fo rm a zio n i: la rete a grande distanza (b a ckb on e ), le reti di raccordo tra accesso e b a ckb on e e in fin e l'area di accesso rivo lta a ll'u te n te fin a le (l'u ltim o c h ilo m e tro ), la più p ro b le m a tica e la più gravosa in te rm in i di investim enti. Il se g m e n to di accesso rappresenta, ad oggi, la vera stro zza tu ra per i servizi a banda larga che ric h ie d o n o sim m e tria nella b id ire zio n a lità . Il si­ stem a ADSL attuale, d ifa tti, non è sim m e trico e n e m m e n o a banda larga. Per superare le lim ita zio n i s tru ttu ra li e a rc h ite ttu ­ rali della rete te lefonica a ttua le , bisogna ricorrere alla fib ra o ttica , p o rta nd o la il più vicino possibile a ll'u te n te , con lavori civili che, in assenza di tu ­ bature preesistenti, rappresentano la percentuale di costo m aggiore per gli investim enti da e ffe t­ tuare.

FTTCab u tiliz z a la fib ra fin o a ll'a rm a d io rip a r­ tito re , m e n tre c o n tin u a a s fru tta re il d o p p in o esistente per la tra tta dal rip a rtito re a ll'u te n te , a d o tta n d o la te cn o lo g ia VDSL, con 52 M bps in d o w n stre a m e 16 M bps in upstream . Si tra tta di una p rim a so lu zio n e , che lim ita gli investim enti di ristru ttu ra zio n e delle linee ma che pu ò risultare in su fficie n te a breve te rm ine , al cre­ scere dei servizi a banda sem pre più larga. Sem­ pre che, con l'a u m e n ta re del n u m e ro di u te n ti VDSL sul m edesim o cavo a coppie e considerate le velocità in gioco, non insorgano seri problem i di diafonia. FTTB p o rta la fib ra fin o a ll'e d ific io d e ll'u te n te , con costi m a g g io ri per la necessità di interrare i cavi in nuovi c o n d o tti su una vasta area, ma ha il va n tag g io di predisporre l'im p ia n to in vista di una soluzione tu tta in fib ra . In te rn a m e n te a ll'e d ificio , c o n s id e ra to che il tra tto in ram e non supera i 100 m , è possibile l'a d o z io n e della te c n o lo g ia VSDL2, con prestazioni avanzate su distanze brevi (100 M bps n o m in a li in d o w n stre a m e 4 0 M bps in upstream ). FTTFI è la tip o lo g ia più im p e g n a tiv a in te rm i­ ni di in vestim enti. La fib ra arriva fin o alla presa d e ll'u te n te , con conne ssio ne fin o a 2 ,5 G bps in d o w n s tre a m e 1,2 G bps in upstream . Il colle g a m e n to pu ò essere realizzato con una fib ra dedicata per ciascun u te n te (FTTH-PtP, P o in t to P oint), o p p u re con una fib ra condivisa tra più u te n ti nella tra tta fin o a ll'a rm a d io e una fib ra in d iv id u a le d a ll'a rm a d io a ll'u te n te (FTTH-PtM , P o in t to M u ltip o in t).

Reti di accesso NGAN La realizzazione delle reti NGN richiede l'im p le m e n ta zio n e di soluzioni in n ovative rig u a rd a n ti la rete d'accesso, detta N G A N {Next G eneration A c ­ cess N e tw o rk), che c o in v o lg o n o le te c n o lo g ie da utilizzare e le opere civili da m e tte re in cam po. Le in fra stru ttu re della rete d'accesso NGAN, desi­ g n ate con l'a cro n im o FTTx (Fiber To Thex), si d i­ stin g u o n o per l'estensione del tra tto in fib ra a ll'in ­ te rn o del co lle g a m e n to tra la centrale e l'u te n te fin a le e possono ricondursi a tre tip o lo g ie : •

FTTCab (Fiber To The Cabinet), la fib ra o ttica va dalla centrale fin o a ll'a rm a d io ripartilinee;

•

FTTB (Fiber To The B uilding), la fib ra ra g g iu n ­ ge il d istrib u to re , a llo g g ia to sul m arciapiede o nella cantina d e ll'e d ificio ;

•

FTTH (Fiber To The H om e), tu tta la tra tta è in fib ra , dalla ce n tra le a ll'u te n te finale.

N aturalm ente, i te m p i di sviluppo delle in fra s tru t­ tu re di rete dip e nd o n o da m olti fa tto ri, econom ici e tecnici, non u ltim e le p o litich e di sostegno agli investim enti da parte dei governi nazionali. WDM Per trasportare in contem poranea più in fo rm a zio ­ ni o ttich e in d ip e nd e n ti sulla m edesim a fib ra , si ri­ corre alla te cn olog ia W D M ( W avelength Division M u ltip le x in g ), che m u ltip la varie p o rta n ti o ttic h e con d iffe re n te lunghezza d 'o n d a (fig. 8.60). Si tra tta di una te cnica già u tiliz za ta da alcu n i decenni nei co lle g a m e n ti dorsali nazionali, con b it rate d e ll'o rd in e delle ce n tin aia di Gbps, per distanze anche superiori ai 100 km senza rip e ­ tito ri. 322

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

(OLT, O ptical Line Terminal), con un'unica sorgen­ te laser con lunghezza d 'o n d a 1.480 -h 1.500 nm, ai te rm in a li O N T (O p tica l N e tw o rk Terminal) dei vari u te n ti, passando per un o s p litte r passivo.

Funzionam ento della tecnologia PON in dow nstream .

Il m e to d o p e rm e tte anche di usare una singola fib ra per com unicazioni bidirezionali. N e ll'a m b ito dei sistem i W D M , si d istin g u o n o due te c n o lo g ie : la C W D M (Coarse W D M ), con un m assim o di 18 p o rta n ti o ttic h e ben distanziate, che la vo ra n o tra la seconda e la te rza fin e stra della fib ra , e la D W D M (Dense W D M ), con 4 0 o 8 0 p o rta n ti m o lto vicine tra loro e o p e ra n ti in terza finestra. La te cn o lo g ia D W D M tro va im p ie g o nelle c o n ­ nessioni a g ra n de distanza su fib re di altissim e prestazioni, m entre la C W D M è utilizzata su fib re più econom iche, in connessioni di alcune decine di km. Grazie alla m aggiore distanza tra le por­ ta n ti, i separatori (s p litte r) passivi per la C W D M sono più sem plici da realizzare e la stabilizzazio­ ne delle frequenze dei laser di em issione risulta m eno critica. PON La te cn o lo g ia PON (Passive O p tica l N e tw o rk ) è stata in tro d o tta dall'ITU con l'o b ie ttivo di avere un sistem a condiviso, sem plice, con costi c o n te n u ti d 'in v e s tim e n to e m a n u ten zion e , per il contesto FTTH. La sua caratteristica principale è la condivisione della fib ra tra diversi u te n ti con l'im p ie g o , tra n n e che per i te rm ina li, di co m p o n e n ti esclusivam ente passivi. A livello e le ttrico , i dati in d o w n stre am , destinati a diversi u te n ti (fig. 8.61 ), sono ra g g ru pp a ti a d i­ visione di te m p o (TDM ) e inviati dal tra s m e ttito re

Ciascun te rm in a le ONT seleziona i dati di c o m ­ petenza, se le zio n a n d o l'in te rv a llo assegnato e scartando gli altri. Nel percorso inverso, i d ati sono inviati con la m e­ desim a lunghezza d 'o n d a da 1 .260 a 1.360 nm (diversa da quella in d o w n stre am ), in m o d o sin­ cro n izzato da parte di tu tti gli u te n ti, e v e n g o n o som m ati dallo sp litte r sulla linea singola, con tec­ nica T D M A ( Time D ivision M u ltip le Access) che assegna a o gni ONT un canale te m p o ra le (tim e slo t) di accesso. Le reti NG AN im p ie g a n o gli sta n d a rd EPON e GPON, d e fin iti rispe ttiva m en te da IEEE e ITU, e le lo ro e v o lu z io n i 10G-EPON e 10G-PON a 10 Gbps in d o w n stre am .

La qualità del servizio Le reti IP, co n tra ria m e n te alle in fra s tru ttu re a cir­ c u ito c o m m u ta to che si ap prop ria no di un canale in m o d o p e rm a n e nte , fu n z io n a n o sul p rin c ip io del m in im o sfo rz o {b e st e ffo rt), con le risorse rip a rtite e q u a m e n te tra tu tti i richied e n ti. O gni trasm issione di p a cchetti avviene con durata di tra s p o rto va ria b ile, d o vu ta al carico dei ro u te r in term edi. Per tra sm ette re un m essaggio a u dio o video, in ­ vece, il rita rdo di re stitu zio n e delle in fo rm a z io n i deve m antenere il sincronism o con il ritm o della fo n te di em issione (isocronism o), poiché even­ tuali ritardi, dovuti a fenom eni di latenza, o o n d u ­ lazioni (jitter), provocano fe n o m e n i fastidiosi.

UNITA DIDATTICA 8

Nel caso della voce, per esem pio, l'o re cch io per­ cepisce scostam enti del suono solo se con ritardo su p erio re a 2 0 0 ms. A 4 0 0 ms, la conversione diviene im possibile. Q u a nto a ll'o n d u la z io n e , una conversazione risulta in te llig ib ile solo se il jitte r è m inore di 100 ms. Per questo i diversi servizi di connessione va n n o d is tin ti per livelli di q u a lità g a ra n titi. La qualità del servizio (Q oS, Q u a lity o f Service) di un sistem a di connessione è la capacità che il sistem a possiede di g a ra n tire i livelli di servizio p re sta biliti, d iffe re n z ia ti per classe e tip o lo g ia , in regim e di risorse lim itate, il livello di QoS, d e tto SLA (Service LeveI A g re e ­ m e n t), specificato nel c o n tra tto tra u te n te e fo r­ n ito re (Service Provider), viene deciso sulla base di o p p o rtu n i param etri e deve essere risp e tta to dal gestore e d a ll'u te n te . I param etri che d e finiscono la QoS sono sostan­ zia lm e nte sei. O n e W a y D e la y , è il rita rd o a una via che un p a cch etto sperim enta attraversando tu tta la rete, dalla sorgente al d e stinatario. La sua va ria b ilità d ip e nd e dal g ra d o di co n ge stio n e della rete. 0 Jitte r, è la variazione del rita rdo o n e -w a y tra pacchetti a p p a rte n e n ti al m edesim o flusso. È un p a ra m e tro fo n d a m e n ta le s o p ra ttu tto per i servizi real-tim e (fonia). 0 Latency, si definisce latenza il te m p o che in ­ tercorre tra la ricezione e l'in o ltro di un pac­ c h e tto a ll'in te rn o di un router. o B a n d w id th , è la m isura del b it rate g a ra n ­ tito (m assim o o m inim o ), espresso in kbps o M bps. 0 P acket Loss, questo p a ra m e tro indica la per­ ce n tu a le di p a c c h e tti persi ris p e tto a q u e lli inviati. È im p o rta n te se si u tilizzano p ro to co lli reai tim e, senza ritrasm issione (RTP, Reai Time Protocol), m entre non ha rilevanza nel caso di protocolli con ritrasm issione dei pacchetti persi (TCP/IP). 0 A v a ila b ility , indica la d isp o n ib ilità di un de­ te rm in a to servizio in un arco di te m p o prefis­ sato. Gli SLA so ttoscritti nel c o n tra tto , o ltre a garantire un d e te rm in a to livello di QoS, stabiliscono anche le penali da pagare nel caso di m a ncato rispetto del co n tra tto . Le tecniche di c o n tro llo della qualità del servizio (QoS) sono finalizzate p e rta nto alla fo rn itu ra di un servizio con una qualità d e fin ita e controllata, che

dia la p riorità, in caso di congestione, ai pacchetti più critici risp e tto al rita rdo (telefonia). Per esem pio, se un u te n te stipula un c o n tra tto SLA con il p ro p rio provider per navigare in Inter­ net e ricevere la televisione tra m ite rete fissa, i due servizi richiesti presentano c a ra tte ristic h e c o m ­ p le ta m e n te diverse per q u a n to riguarda il tra tta ­ m e n to dei pacchetti: la navigazione in In te rn e t è un tra sfe rim e n to dati non real-tim e, senza vincoli te m p o ra li o di p e rd ita di p a cch e tti, perciò sen­ za garanzia di banda, m entre la televisione è un servizio real-tim e, perché uno stream ing a u d io / video necessita di rita rdi, jitte r e perdite di in fo r­ m azione lim ita ti a ffin c h é l'u te n te sia so d disfatto del servizio ricevuto. In questo caso la QoS deve essere d iffe re n te per i due servizi. Se, invece, un p rofessionista vuole navigare in In te rn e t con una certa banda g a ra n tita , ovvero senza subire flessioni d o vute a co n gestioni nelle ore di p u n ta , la QoS deve co m u n q u e ga ra ntire a d eg u a te prestazioni di rete, n o no sta n te il servi­ zio non abbia in sé ca ra tte ristiche reai tim e.

o

Protocolli per la gestione della qualità del servizio Per p o te r gestire flussi di tra ffic o con livelli d iffe ­ renti di QoS, è necessario suddividere i possibili flussi in classi di prio rità e a ffiancare al p ro to co llo IP ulteriori p rotocolli specifici per la gestione delle risorse della rete, in m o d o da assegnare risorse m a g g io ri ai flussi con p rio rità più alta. I sistemi di gestione della QoS più noti sono IntServ (IntegratedS ervices), DiffServ (D iffe re n tia te d S e r­ vices) e MPLS (M u ltiP ro to c o l Label S w itching). In tS e rv utilizza il p ro to c o llo RSVP (ReSource reserV ation Protocol) per istruire o gni no do (router) del percorso, dal tra s m e ttito re al ricevitore, a ri­ servare le risorse necessarie per g a rantire la QoS di ciascun flusso in fo rm a tivo . Le classi di servizio possibili sono tre : la m o d a lità standard delle trasm issioni IP {best e ffo rt), la clas­ se superiore (guaranteedS ervice), che garantisce sia il rita rd o d 'in stra d a m e n to , sia la d isp o nibilità del canale, e infine, q u an d o il rita rd o di latenza diviene fo n d a m e n ta le , la m o d a lità con co n tro llo del carico (c o n tro lle d load). RSVP risulta un p ro to c o llo p iu tto s to pesante da tra tta re , che richiede il c o n tro llo di o gni s in g o ­ lo pacchetto, a p pe santendo il lavoro dei router, ta n to da re n d erlo in a d a tto per reti di grandi d i­ m ensioni. D iffS e rv riduce il lavoro di id e n tifica zio n e, d e fi­ n endo fin o a un m assim o di 6 4 classi di servizio 324

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

tra cui scegliere per d e finire il servizio di in o ltro di un d e te rm in a to flusso di tra ffic o . I p a cchetti in ingresso alla rete ricevono dal p rim o ro u te r un codice di 6 bit, d e tto DSCP (D iffe re n tia te d Ser­ vices Code Point), u tiliz zato poi da tu tti i ro u te r che in co n tra n o lu n g o il percorso per decidere in m e rito alla p rio rità nelle co d e e alla scelta dei percorsi più veloci. MPLS è il p ro to c o llo u tiliz z a to nelle reti NGN. Si tra tta in pratica di un m u ltip ro to c o llo di c o m ­ m u ta zio n e che fa uso di e tich e tte . È d e tto m u lti­ p ro to c o llo perché è a d a tto al tra sp o rto di dati su diversi p ro to colli di rete, o ltre a IP. Le possibili classi di servizio sono 8, da quella a più alta priorità, per le trasm issioni in te m p o reale, fin o a quella a m igliore prestazione possibile {best e ffo rt), tip ica delle connessioni Internet. Q u a nd o il flusso dati in co n tra il p rim o ro u te r in ingresso alla rete (ELSR, Edge Label-S w itch Ro­ u te r), i sin g o li p a cch etti v e n g o n o in te s ta ti con u n 'e tic h e tta num erata, co n ten e n te sia la classe di servizio assegnata, sia l'ind ica zion e del percorso nella rete (LSP, Label S w itch e d Path), m ediante un in d irizza m e n to ai vari ro u te r da attraversare. L'ottim izzazione dei percorsi da assegnare è so­ stenuta da un sistem a di co n tro llo statistico del tra ffic o di rete, che a iu ta i ro u te r di ingresso a evitare di congestionare la rete e a non superare le capacità di tra ffic o dei vari collegam enti. L'assegnazione d iffe re nzia ta delle risorse di rete (.sch e d u lin g ) è q u in d i e ffe ttu a ta solo dal ro u te r di ingresso, m entre i ro u te r successivi (LSR, Label S w itch in g R outer) si lim ita n o a leggere l'e tich e tta assegnata, a gestire le code con diverse p riorità e a instradare i pacchetti. La co m m u ta z io n e dei pacchetti risulta m o lto più rapida rispe tto alla ge­ stione m e d ia n te in d irizza m e n to IP, con riduzione delle code di attesa.

i

Le on de e le ttro m a g n e tic h e con fre q u en za in fe ­ riore a 300 GHz non sono radiazioni ionizzanti, ovvero non sono in g ra d o di ro m pe re i legam i m olecolari, ma il loro assorbim ento da parte dei tessuti b io lo g ici pu ò pro d urre co m u n q u e e ffe tti a breve e lu n g o term ine. Gli e ffe tti biologici a breve te rm in e sono prevalen­ te m e n te di natura te rm ica e risultano legati alla fre q u e n za e alla potenza del ca m p o in cid e n te. Gli e ffe tti a lu n g o te rm in e , d o vuti a esposizioni p ro lu n g a te anche di lim ita ta intensità, sono an­ cora o g g e tto di studio, m a i dati d isp o nibili sono s u ffic ie n ti a g iu s tific a re l'a d o z io n e di p o litic h e cautelative. È da notare che un e ffe tto biologico non coincide necessariam ente con un d a nn o alla salute. L'OMS (O rg a n izza zio n e M o n d ia le della Sanità) afferm a in fa tti che "u n e ffe tto bio lo g ico si verifica g u an d o l'esposizione alle onde e lettrom agnetiche p ro vo ca gualche variazione fisiologica n o te vo le o rilevabile in un sistem a b io lo g ic o ", m e n tre "un e ffe tto d i d a nn o alla salute si verifica g u a n d o l'e f­ fe tto b io lo g ic o è a l d i fu o ri d e ll'in te rv a llo in cu i l'o rg a n is m o p u ò n o rm a lm e n te c o m p e n s a rlo ". Si tra tta perciò di individuare, per ciascuna banda di fre q u en za , i lim iti di esposizione che possano causare d a nn i alla salute, d e tti lim iti di base, espressi m e d ia n te valori di soglia di alcuni in d i­ catori e le ttro m a g n e tici, al di sopra dei quali ta li e ffe tti si m anifestano. Tali v a lo ri di s o g lia, rid o tti di un fa tto re di si­ curezza, in d ic a n o i lim iti di sicu rezza che, se risp e tta ti, co n se nto n o di non superare la soglia di esposizione che separa l'e ffe tto b io lo g ico dal d a nn o alla salute. Il p a ra m e tro più u tiliz zato per valutare gli e ffe tti term ici è il SAR (Specific A b s o rp tio n Rate), ovvero la p o te n za assorbita dai te ssuti e c o n v e rtita in calore, per u n ità di massa di tessuto co rporeo, m isurata in W /kg. Una vo lta in d iv id u a to il valore di SAR lim ite di base, o tte n u to m ediante prove su cavie da labora­ to rio , si possono d e finire i lim iti di rife rim e n to per la sicurezza dei lavoratori esposti e per la p o po la ­ zione in generale, riducendo tale valore risp e tti­ va m e n te di un fa tto re di sicurezza 10 e 50.

Normative di settore sulla sicurezza

U n 'o n d a e le ttro m a g n e tica che si propaga nello spazio porta con sé un'en e rg ia che si attenua con l'a u m e n ta re della distanza. La d iffu sio n e sem pre m aggiore delle reti in m o ­ b ilità e la loro evoluzione in te rm in i di banda o c­ cupata c o m p o rta n o un a u m e n to della densità di potenza e le ttro m a g n e tica presente n e ll'a m b ie n ­ te, fe n o m e n o c o m u n e m e n te d e fin ito in q u in a ­ m e n to e le ttro m a g n e tic o , da regolare m ediante ap po site n o rm ative co m u n ita rie e nazionali.

Normativa di riferimento per i lavoratori professio­ nalmente esposti Le prescrizioni m in im e di sicurezza e di salute, relative ai lavoratori esposti per ragioni professio­ nali ai rischi derivanti dai cam pi e le ttro m a g n e tici, 325

UNITA DIDATTICA 8

sono rip o rta te nella D irettiva europea 2 0 0 4 /4 0 / CE, recepita dal D ecreto legislativo n. 2 5 7 /2 0 0 7 , e successivam ente inserite nel Testo Unico sulla sicurezza (D ecreto Legislativo n. 8 1 /2 0 0 8 ) al T ito ­ lo V ili, capo IV, a rtico li 2 0 6 -=-212, so tto la piena responsabilità del datore di lavoro. In particolare, i lim iti di base di e s p o s izio n e ai cam pi elettrom agnetici sono riportati nelle tabelle allegate al decreto, suddivisi per bande a partire da 0 Hz e fin o a 300 GHz, espressi rispettivam ente in te rm in i di densità di co rren te efficace per capo e tro n c o (m A /m 2, per frequenze da 0 a 10 M Hz), SAR (W /kg, da 100 kHz a 10 GHz) e densità di potenza (W /m 2, da 10 GHz a 3 0 0 GHz).

Campo di frequenza fin o a 1 Hz U4Hz

Densità di SAR corrente sul rms corpo [mA/m2] [W/kg] 40 4 0 /f

SAR sugli arti [W/kg] -

di lavoro a in tra p re n de re le m isure di protezione del personale e di sorveglianza m edica indicate nella norm ativa. Normativa di riferimento per la popolazione La norm ativa nazionale di rife rim e n to per la po­ p o la z io n e è c o s titu ita dal D e creto M in is te ria le n. 3 8 1 /1 9 9 8 (M in is te ro d e ll'A m b ie n te ) e dalla Legge q u ad ro n. 3 6 /2 0 0 1 , più nota com e le g g e s u ll'e le ttro s m o g , inclusi i suoi Decreti a ttu a tiv i (D.P.C.M. 0 8 /0 7 /2 0 0 3 , G.U. n. 199/2003). L'articolo 3 del D .M . n. 3 8 1 /1 9 9 8 fissa i lim iti di esposizione della p o p o la zio n e ai cam pi e le ttro m agnetici o p e ra n ti con frequenza com presa tra 100 kHz e 300 GHz (tab. 8.6), m ediati su un'area e q uivalen te alla sezione verticale del co rp o um a­ no, in un qualsiasi in te rva llo di sei m inu ti.

Densità di potenza [W/m2] -

10 MHz-=10 GHz

-

0,4

20

-

10-=300 GH z

-

-

-

50

Campo di frequenza

E [V/m]

H [A/m]

S [W/m2]

fin o a 1 Hz

-

1.6 3 -1 0 5

-

1 0 -r4 0 0 M H z

61

0,16

10

0,36

H [A/m]

S [W/m2]

100 k H z ^ 3 MHz 3 MHz -sGHz

60

0,2

-

20

0,05

3 -r3 0 0 GHz

40

1

0,1

4

Per gli a m b ie n ti a d ib iti a perm anenze non in fe ­ riori a q u a ttro ore giornaliere (e lo ro pertinenze esterne) e per fre q u en ze com prese tra 3 M H z e 3 GHz, sono indicati specifici v a lo ri di a tte n z io n e rid o tti (tab. 8.7), quale m isura di cautela c o n tro eventuali e ffe tti a lu n g o te rm ine .

Poiché non è possibile m isurare in m o d o d ire tto il SAR relativo a una specifica persona esposta al ca m p o e le ttro m a g n e tico , la norm ativa ripo rta una seconda tabella di lim iti, co sid d e tti d e riv a ti, con i livelli di rife rim e n to espressi in te rm in i di ca m p o e le ttrico (E, V /m ), ca m p o m a g netico (H, A /m ) e densità di potenza (S, W /m 2) del cam po e le ttro m a g n e tic o presente nel p o sto di lavoro (tab. 8.5). Il risp e tto dei lim iti d erivati garantisce a u to m a ­ tica m e n te il rispe tto dei lim iti base, assicurando ai lavoratori esposti p ro tezione da tu tti gli e ffe tti nocivi noti.

137

E [V/m]

Lim iti di esposizione per la popolazione (D.M. n. 381/1998).

Lim iti di base (estratto parziale della tab. 1, Allegato XXXVI del D. Lgs. n. 81/2008).

2 t 300 GH z

Campo di frequenza

Campo di frequenza

E [V/m]

H [A/m]

S [W/m2]

3 M H z-r 3 GHz

6

0,016

0,1

V alori di attenzione per am bienti a b ita tivi (D.M . n. 381/1998).

Campo di frequenza

E [V/m]

H [A/m]

S [W/m2]

100 kHz =-300 GHz

6

0,016

0,1 (3 MHz =-300 GHz)

V alori di attenzione per am bienti a b ita tivi (Legge quadro n. 36/2001).

I decreti a ttu a tiv i della Legge quadro n. 36/2001 rip o rta n o i m edesim i lim iti di esposizione in tro ­ d o tti dal D .M . n. 3 8 1 /1 9 9 8 , m e n tre este nd o n o da 100 kHz a 300 GHz i valori di a tte n zio n e in ­ d ic a ti per gli a m b ie n ti a b ita tiv i, scolastici e nei luoghi adibiti a perm anenze prolungate (tab. 8.8), assegnando alle regioni le co m p e te nze per il ri-

50

Lim iti derivati (estratto parziale della tab. 2, Allegato XXXVI del D. Lgs. n. 81/2008).

I lim iti derivati sono anche n oti com e v a lo ri di a z io n e , perché se superati o b b lig a n o il datore 326

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

lascio delle a u to rizza zio n i a ll'in s ta lla z io n e degli im p ia n ti e le fu n z io n i di c o n tro llo e di vigilanza a m b ientale. O nde m inim izzare progressivam ente l'esposizione com plessiva ai cam pi e le ttro m a g n e tici, i m edesi­ mi valori di a tte n zio n e sono indicati anche quali o b ie ttiv i d i q u a lità per le aree in te n s a m e n te fre q u e n ta te .

C o n sid e ra to che un filtro è d e tto di o tta v o o r­ d in e se p re s e n ta una p e n d e n z a al ta g lio di - 2 0 • 8 = - 1 60 dB/decade, verificare se ciò è valido nel g ra fico in fig . 8.62, relativam ente alla m inim a fre q u en za p ro g ra m m ab ile (fcutoff= 1 0 kHz) e con g u a d a g n o u n ita rio (G =1 VA/). S o lu zio n e Nel g ra fic o in fig . 8 .6 2 , per f cutoff = 1 0 kH z e G =1 V/V, il tra tto di retta con pendenza m inore è com preso tra 10 kHz e 20 kHz e presenta un g u a d a g n o che si abbassa da - 3 dB a - 6 0 dB, con una variazione com plessiva di - 5 7 dB. Poiché la fre q u e n z a è rip o rta ta sull'asse delle ascisse in fo rm a logaritm ica con base 10, te n u to c o n to che si è o p e ra to un ra d d o p p io della fre ­ quenza e che

Esercizio svolto n. 24 Esercizio da svolgere n. 24

^ESERC IZI SVOLTI ESERCIZIO 1

Iogio2 = 0,3

Nel c a ta lo g o Linear Technology, il filtro a n a lo ­ gico a n tialiasing LTC1564 è d e scritto in questo m o do: • 4 b it d ig ita lly co n tro lle d 8 th -o rd e r antialiasing low pass filte r; • fcutoff adjustable fro m 10 kHz to 150 kHz in 10 kHz steps; • -1 0 0 dB a tte n u a tio n at 2,5 x f cut0ff; • 4 b it d ig ita lly c o n tro lle d p ro g ra m m a b le gain a m p lifier; • G =1 to 16 in 1V/V steps.

log 1 0 10 = 1 proseguendo con la m edesim a pendenza, in una decade di frequenza si sarebbero o tte n u ti ~Q 73dB 1 = - 1 9 0 dB/decade

Il grafico del filtro antialiasing, p e rfcutoff=10 kHz e G =1 V/V, presenta perciò una pendenza superiore a ll'o tta v o o rd in e in d ica to tra i param etri.

Low Noise Programmable Filter with Variable Gain 0.1 pF ANALOG IN G h n - H 16

15

IN AGND V *

|12

RST G3

LTC1564 CSI EN HOLD F3

OUT V" 1

ESERCIZIO 2

b 14 |l3

2

j3

|4

il m essaggio m (t)= M • cos (2 j i - 500 • t) m odula in am piezza un tre n o di im pulsi di p e rio d o 0,2 ms. Indicare le posizioni di replicazione del segnale m o d u la n te nello sp e ttro PAM.

111 110 I9 G2 G1 G0

F2

F1

le

|7

|5

F0 18

FREQUENCYCODE

0.1 pF

ANALOG OUT ^

S o lu zio n e

LTC1564 Programmable Range

i i Mni fC=15C

30 20 10

0 -10 -20

— sL § ®

-30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110 -120

\ \ \ \ Y \ GAIN=1VA/ l L L vL V 10

fm = 500 Hz

\ \

fp _ 0,2 ms

\ \

= 5 kHz > 2 L

Non esiste aliasing, perciò lo spettro del segnale m o d u la to è fo rm a to da una arm onica della stes­ sa frequenza del m essaggio (fm) e un insiem e di co p pie di righe ± 0,5 kHz a tto rn o alle frequenze f p, 2 fp, ecc., perciò a 4 ,5 kHz, 5,5 kHz, 9,5 kHz, 10,5 kHz, ecc.

100 FREQUENCY [kHz]

LTC1564.

327

UNITA DIDATTICA 8

S o lu zio n e Per rispettare i 29 dB sui segnali deboli, il ra pporto S/N relativo ai segnali fo rti, considerati di fo n d o scala, deve valere 20 + 2 9 = 4 9 dB. Dal valore del ra p p o rto S/N di quantizzazione

ESERCIZIO 3

D eterm inare la frequenza di una tra m a PCM per 32 canali fo nici, la cui banda è di 3 0 0 + 3 .40 0 Hz, ca m p io n a ti a 8 kHz e c o d ifica ti a 12 bit. S o lu zio n e La fre q u en za degli im pulsi deve valere

SNR = 20log10- ^ = n

6,02 d B + 1 ,7 6 d B = 4 9 d B

risulta necessario ca m pionare con un num ero di b it pari a

t campioni bit f b = 8.000------ f -------12 32 canali s campione = 3,072 Mbps

___ 4 9 - 1,76 _ -, 0 „-7 6,02 7,847 b[t -

~

Basta q u in di un c o n ve rtito re a 8 bit. ESERCIZIO 4

Un segnale a n a lo g ico c a m p io n a to con ra p p o r­ to segnale ru m o re (S/N)q = 2 6 dB vie n e in v ia ­ to su tra m a PCM con v e lo c ità di tra sm issio n e fb = 8 0 kbps. Calcolare la risoluzione di ciascun cam pione, la fre q u en za di ca m p io n a m e n to e la massima fre ­ quenza am m issibile per il segnale ca m p io n a to.

ESERCIZIO 6 Si devon o inviare su fib ra o ttica tre segnali ana­ lo g ici di fre q u e n z a m assim a 4 ,5 kHz, da c a m ­ pionare a 8 bit, un q u a rto canale di sincronism o da 8 b it e un segnale video d ig ita le m o n o cro m a ­ tic o da 2 5 0 - 2 1 0 pixel, con 2 5 6 livelli di g rig io , e 4 fram e/s. D eterm inare l'o rg a n izza zio n e della tra m a e la frequenza di trasm issione.

S o lu zio n e Dal valore del ra p p o rto S/N di q u antizzazione si o ttie n e

S o lu zio n e La frequenza di c a m p io n a m e n to dei segnali ana­ logici deve essere superiore al d o p p io della fre ­ quenza massima, perciò

SNR = 20log10- j^ = n -6,02 dB + 1,76 dB = 26 dB _ 2 6 -1 ,7 6 _ 4 bit “ 6,02 ~

fc > 2 fmax = 2 4,5 kHz = 9 kHz

La fre q u en za di ca m p io n a m e n to vale q u in di fc =

4

Scegliendo

80.000 = 20.000 Hz =

fc = 10 kHz

La massima frequenza am m issibile del segnale da ca m pionare deve rispettare il teorem a del cam ­ p io n a m e n to fc >

f ma x
SNR. Dalla caratteristica in fig . 8 .6 2 , p e r fcutOff= 1 0 kHz e gu ad a g no G =1 V/V, risulta che il filtro a ttenua 65 dB > 50 dB, perciò la scelta è corretta.

Soluzione

Dal valore del ra p p o rto S/N di q u antizzazione si o ttie n e

ESERCIZIO 9 D eterm inare il valore fo rn ito in uscita da un c o m ­ pressore n u m e rico da 12 a 8 b it, sa p endo che riceve in ingresso il num ero + 536.

SNR = n 6,02 dB + 1,76 dB = 50 dB

Soluzione

C onsiderando il m argine del 1 5 % , la frequenza di ca m p io n a m e n to deve essere

Degli 8 b it fo rn iti in uscita dal com pressore nu­ m erico, il p rim o in d ividua il segno, i tre successivi il num ero del segm ento della spezzata e i restanti 4 b it uno dei 16 intervalli a ll'in te rn o del segm ento in d ivid u a to. Il se g no è p o s itiv o (p rim o q u a d ra n te ), perciò S=0. Prendendo a rife rim e n to la fig . 8.17, il valore 536 a p pa rtien e a ll'in te rv a llo da 512 a 1.024, p e n u lti­ m o degli 8 intervalli in cui è suddiviso l'asse delle ascisse, n u m e ra ti da 0 0 0 (0) a 111 (7), perciò vale 1 1 0 (6 ). S udd ivid en d o l'in te rv a llo da 512 a 1 .02 4 in 16 parti, ciascuna di esse vale

fc = 2 f max 1,15 = 2 15 kHz 1,15 = 34,5 kcampioni/s Ciascun segnale im pegna q u indi 8 34,5 k = 276 kbps Se il canale non è d is tu rb a to , il b it rate te orico am m issibile vale 2 B = 2 Mbps su fficie n te per 7 segnali allocati in un'unica tram a con b it rate

1 .0 2 4 - 512 16

7 276 kbps = 1,932 Mbps

„

Poiché 5 3 6 - 512 = 2 4 < 32, il valore 536 appar­ tie n e al p rim o segm ento, di codice 0000. Il valore binario a 8 b it fo rn ito in uscita vale quindi 0110 0 0 0 0 = 9 6 .

ESERCIZIO 8 Si vuole cam pionare a 4 0 kHz e con risoluzione n = 8 b it un segnale analogico con banda tipica 0 + 8 kHz. Indicare se è co rre tto e lim in a re o g n i ru m ore di fre q u en za m a g g io re , e v e n tu a lm e n te sovrapposto al segnale, a n te p o n e n d o al conver­ tito re il filtro a n tialia sin g rip o rta to in fig . 8 .6 2 , p re disposto per f Cu t o f f = 1 0 kHz e g u a d a g n o u n i­ ta rio (G =1 V/V).

ESERCIZIO 10 D eterm inare l'am piezza del chip code che garan­ tisce 12 dB di process gain. Soluzione

Con process gain

Soluzione

10 lo g io y = 12 dB

C on n = 8 b it, il ra p p o rto S/N di quantizzazione vale

il chip code vale 1 0 l = 16chip

SNR = n 6,02 dB H-1,76 dB = 50 dB

329

UNITA DIDATTICA 8

si o ttie n e

ESERCIZIO 11 La c o p e rtu ra GSM del te rrito rio ha la s tru ttu ra in d ica ta in fig . 8 .6 3 . D e te rm in a re il va lo re del ra p p o rto di riu so c o -c a n a le (Q) e il ra p p o rto tra la potenza di segnale ricevuta dal te rm in a le m o b ile (S) e il ru m ore di interferenza (I) d o vu to alle i celle co n fin a n ti che u tilizzan o la medesim a fre q u en za , sapendo che a = 2,5 (co e fficie n te di propagazione).

D

3

1

ESERCIZIO 13 In un sistem a cellulare è richiesto S/l m in im o di 15 dB. C onsiderando a = 3 , è possibile utilizzare cluster da 7 celle esagonali? Soluzione con N = 7 e i = 6

, R

q= ^

4

2

s _ Qa

1

=/ fn =/r r

(4 /2T )3 = 16 = 12 dB < 15 dB 6

A p p a re evidente che 7 celle esagonali non sono s u ffic ie n ti; ne è richiesto un n u m e ro superiore. Servono, in fa tti, 12 celle (N = 1 2 ) per fa r fu n z io ­ nare il sistema

1

Q = ^ = v 'F N = / 3 6

Soluzione

La co p e rtu ra del te rrito rio è stata o tte n u ta con cluster da 4 celle di fo rm a quadrata.

S _ Qa _ ( / 3 6 )3 = 36 = 15,56 d B > 15 dB I “ i ~~ 6

Q = -jj- = 2 V N = 4 Se le celle sono di fo rm a quadrata i = 4

ESERCIZIO 14 La banda di u p lin k per il GSM a 900 M H z va da 8 9 0 M H z a 91 5 M H z ed è suddivisa in canali da 2 0 0 kHz lordi (8 utenti/canale), di cui u n o desti­ n a to ai servizi. D eterm inare il n u m e ro di u te n ti g e s tib ili. S apendo, in o ltre , che la fre q u e n z a di h o p p in g vale 217 hops/s, calcolare o g n i q u a n to avviene il cam bio di canale.

T = - r = ^ r = 8 = 9dB

ESERCIZIO 12 Per la vecchia te le fo n ia m o b ile (TACS), le n o r­ me im ponevano un ra p p o rto m in im o segnale su in te rfe re n za (S /l)= 1 8 dB. C o n sid e ra n do a = 3,9 e celle e sa go n a li (i = 6), d e te rm in a re il clu s te r size (N).

Soluzione

Banda di u p lin k disponibile 915 - 8 9 0 = 25 MHz

Soluzione

N um ero di canali u ten te

-j- = 10 1'8 = 63,1

25 MHz - 1 = 124 canali 200 kHz

Q“ = -j- - i = 63,1 6 = 378,6

N um ero u te n ti gestibili 124 8 = 992

Q = 3,V 3 7 8 ,6 = 4,58 Trattandosi di celle esagonali, dalla q

Periodo di hopp in g 1 = 4,6 ms/hop 217 hops/s

= /T ~ N

330

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

si ha

ESERCIZIO 15 Un particolare sistem a di te le fo n ia cellulare FDD d ispone di 33 M H z di banda, di cui 1 M H z per i segnali di c o n tro llo . Sapendo che un sin g o lo canale sim plex occupa 25 kHz, se il sistem a usa clu ste r da 4 celle per fo rn ire voce e segnali di c o n tro llo fu ll duplex, q u an ti canali sono d isp o ni­ bili per o gni cella?

0,3 = f-3 dB 9.600 f - 3dB = 0,3 9.600 = 2.880 Hz

ESERCIZIO 17 Il sistema DECT utilizza la banda 1.880 + 1.900 M H z con 10 p o rta n ti radio d is trib u ite secondo la re­ gola

Soluzione

Banda di un canale duplex B, = 2 25 kHz = 50 kHz

f p = 1.881,792 MHz + n 1.728 kHz

La banda disponibile p e ri canali voce vale 32 MHz, perciò il num ero to ta le dei canali voce fu ll duplex a disposizione è Nv = ^ W

con n = 0, 1 , . .. 9. Sapendo che è utilizzata la m odulazione GSMK 0,5, con filtro gaussiano avente banda B = 57 6 kHz, determ inare il b it rate di ciascun canale e disegna­ re lo sp e ttro dei prim i due canali, evidenziando le p o rta n ti, il passo tra le due p o rta n ti e la banda d isp o nibile per il canale (banda lorda). Calcolare, inoltre, l'am piezza della banda dove si addensa il 9 9 % della potenza (banda netta).

= 640 canaii

La banda d isp o nibile per i canali di servizio vale 1 M H z, perciò il nu m e ro to ta le dei canali di ser­ vizio per le celle è Ns =

uZ = 20 canali 50 kHz Soluzione

Se o g n i cluster è co m p o sto da 4 celle, ogni cella d isp o ne di 6 4 0 /4 = 1 6 0 canali voce e occupa 1 canale di servizio. Ciò significa che la distanza di riuso dei canali di servizio è m aggiore risp e tto ai canali voce.

Dalla

si ricava bit rate =

= 576 -0Q° = 1,152 kbps

ESERCIZIO 16 D eterm inare il te m p o di salita della risposta a ll'im ­ pulso di fig . 8 .3 9 per B T = 0,3 e la banda del filtro gaussiano passa basso da utilizzare per un b it rate di 9 .6 0 0 bps. Soluzione

Il te m p o di salita (trise) è, per de finizio n e, il te m p o im p ie g a to dalla risposta a ll'im p u lso per passare dal 1 0 % al 9 0 % della sua escursione to ta le . A n a lizza n d o la risposta a ll'im p u ls o di fig . 8 .3 9 per BT= 0 ,3 ed estra p olan d o il passaggio al 9 0 % si ha trise — tgo% — tio% — 2 tbit ~ 0,8 tbit — 1,2 tbit

Posizione delle p rim e due p o rta n ti

Per d e te rm in a re la banda (f-3dB) del filtro , par­ te n d o dalla BT — B • Tbit — f-3 dB • T bit —

f P1 = 1.881,792 MHz

f-3 dB bit rate

f P2 = 1.881,792 M H z+ 1.728 kHz = 1.883,52 MHz

331

UNITA DIDATTICA 8

passo

un to ta le di 4 8 0 bit, perciò o gni 10 ms la tram a di 2 4 tim e -s lo t è trasmessa con un data rate fp2 — fPi = 1.728 kHz _ 24 480 bit = 1,152 Mbps 10 ms

banda lorda BL = passo = 1.728 kHz

(fig. 8 .64 )

pari a 2 0,75 bit rate = 1,5 bit rate

C on BT = 0,5, il filtro gaussiano addensa il 9 9 % della p o te n za in 0 ,5 f/b it rate, perciò la banda n e tta del segnale m o d u la to vale BN = 2 0,5 bit rate = 2 0,5 1.152 kbps = 1.152 kHz

ESERCIZIO 18 Ciascuna p o rta n te DECT lavora in tecnica TD M A TDD (Time Division Duplex), con tra m e da 10 ms e 2 4 slot per tra m a , 12 per ciascun verso di co ­ m unicazione (12 utenze). S apendo che o g n i sin­ g o lo u te n te voce (term inale m obile) tra sm e tte a 32 kbps (codifica vocale AD -PC M ) e che il tip ic o p a cch etto voce singolo, trasm esso ogni 10 ms, è c o s titu ito com e in d ica to in tab. 8.9, determ inare q u a n ti b it c o n tie n e il s in g o lo tim e -s lo t, q u a n ti una tram a da 10 ms e il data rate (R) del singolo canale radio (p o rta n te ). *32 Campo

ESERCIZIO 19 La stazione base di un sistem a DECT gestisce 10 canali con data rate 1.152 kbps, sostenendo 24 tim e -slo t (12 per ciascun verso di com unicazione), o g n u n o da 10 ms. S apendo che la te c n o lo g ia DECT su p po rta anche la trasm issione di dati, con d a ta rate fin o a 2 5 6 kbps e che un tip ic o pac­ c h e tto dati ha un overhead di bit (tra sincronism o e segnalazione) del 1 2 ,5 % , d e te rm in a re q u a n ti u te n ti dati fu ll d u plex a 256 kbps possono essere s u p p o rta ti da un s in g o lo canale ra d io e q u a n ti per stazione base. Soluzione

Per s u p p o rta re una connessione da 2 5 6 kbps, o gni 10 ms devono essere trasmessi 256 kbps 10 ms + 12,5% = 2.560 b it + 320 bit = 2.880 bit Poiché il data rate vale 1.152 kbps e sostiene 24 tim e -slo t (12 per ciascun verso di com unicazione), o g n i singolo tim e -s lo t co n tie ne 1.152 kbps 10 ms _ . . . , it Una connessione fu ll d uplex da 2 5 6 kbps im pe ­ gna q u indi

n. bit

Intestazione

4

Sync

32

Dati voce

160

Sync Dati voce

32 160

Segnalazioni

82

Bit di guardia

10

Struttura del pacchetto voce DECT.

Soluzione

Se o g n i singolo u te n te voce tra sm e tte a 32 kbps, o g n i 10 ms deve inviare 32 kbps 10 ms = 320 bit Dai valori rip o rta ti in tab. 8 .9 si desum e che ogni singolo p a cch etto voce (tim e-slot) contiene, o ltre ai 3 2 0 b it di dati u tili, 160 b it su p plem e nta ri, per

L'

2.880 bit/10 ms = 2 6 = 12 slot 480 bit/slot

Un singolo canale è, quindi, in grado di sostenere 2 connessioni fu ll d u plex a 256 kbps e la stazione base, disponendo di 10 canali, ne pu ò supportare fin o a 20.

ESERCIZIO 20 indicare i dispositivi di co m u n ica zio n e necessari per realizzare un sistem a di prossim a fe rm a ta da installare a bordo autobus. Soluzione

Per co m p o rre il sistem a richiesto, serve a n z itu tto che l'u n ità centrale abbia in m e m oria il percorso da e ffe ttu a re , c o s titu ito da lle c o o rd in a te e dai nom i delle fe rm a te successive, e sia in g ra d o di

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

conoscere in o gni istante la propria posizione. Il sistem a deve q u in di essere d o ta to di GPS, g iro ­ scopio e le ttro n ico e o d o m e tro .

ESERCIZIO 23 Individuare i dispositivi di co m u n ica zio n e neces­ sari per realizzare un video server per l'in v io di im m agini a bassa risoluzione su un ftp /w e b server o g ni 10 secondi.

G iroscopio e o d o m e tro (encoder sulla ru o ta ) ser­ v o n o ad a g g io rn a re le c o o rd in a te di posizione nelle zone non co p e rte dal GPS, quali percorsi stre tti tra palazzi m o lto alti o in galleria.

Soluzione

S upponendo di utilizzare una w e b ca m d o ta ta di uscita video over IP, p u ò bastare un m icroproces­ sore (o un m ini PC) con interfaccia E thernet verso la w e bcam e con linea RS 232 verso un m odem GPRS (fig. 8.65). Il

M e d ia n te l'e la b o ra z io n e d elle in fo rm a z io n i di posizione, il sistema, a ogni chiusura delle porte, è in grado di verificare la fe rm a ta a ttu a le e di in ­ dividuare la successiva per com unicarla in fo rm a grafica ai display (LCD o LED) e in fo rm a to audio ai d iffu so ri audio.

GPRS network

ESERCIZIO 21 Indicare i disp o sitivi di c o m u n ic a z io n e che p o ­ tre b b e ro risultare utili per realizzare un sistema di paline in te llig e n ti per a u to b u s c itta d in i, con l'in d ica zio n e dei te m p i di attesa. Soluzione

il m ezzo che si fe rm a presso una palina deve co ­ m unicare la propria id e n tità con a n g o lo di aper­ tu ra lim ita to e/o ra ggio d 'a zio ne di pochi m etri, per esem pio in fo rm a o ttic a con p ro to c o llo IRDA o RF di bassa potenza. La palina co m unica a sua vo lta i dati d e ll'e ve n to a un sistem a centrale che si incarica di aggiornare tu tte le paline successive, per il ricalco lo dei te m p i di attesa. T ratta n do si di p a cch e tti di d a ti scam biati fre q u e n te m e n te , sia p u n to -p u n to , sia a g ru p p i, le p a lin e va n no connesse in GPRS.

Video over IP

^

Video server.

Il m icroprocessore, o ltre a gestire i com andi AT per stabilire la connessione, verificarla periodica­ m e n te ed e v e n tu a lm e n te ria ttiv a rla , acquisisce l'im m a g in e e la invia a ll'in d iriz z o IP destinatario. C onsiderando una risoluzione 352 x 288 pixel, 3 co lo ri da 8 bit, in fo rm a to JPEG com presso 1/21, si o tte n g o n o

ESERCIZIO 22 Indicare i disp o sitivi di c o m u n ic a z io n e u tili per m iglio ra re la gestione di un parco di d is trib u to ri a u to m a tici posizionati in un'area provinciale.

----- -,2188 ì - = 14.482 byte cioè, circa 20 kbyte lordi da trasm ettere o gni 10 s, per un b ite rate di 2 kbyte/s c o m p a tib ile con il servizio GPRS. Per la connessione RS 2 3 2, co n sid e ra n d o l'a g ­ g iu n ta dei b it di sta rt, sto p e p a rità e le rispo­ ste del m o d e m , va predisposta una velocità ben m aggiore di

Soluzione

Trattandosi di un'area pubblica ed estesa, bisogna ricorrere ai servizi di un o p e ra to re te le fon ico . D o ta nd o , per esem pio, la centralina di gestione del d istrib u to re a u to m a tic o di un m o dem GSM, questa p o tre bb e inviare un m essaggio al num ero di te le fo n o d e ll'a d d e tto alla m a n u ten zion e ogni vo lta che viene rilevata una anom alia o una m an­ canza (caffè, m o n e ta, bicchieri, ecc.) nella m ac­ china, riducendo i tem pi di risposta ed elim inando te m p i m o rti e in u tili so p ralluoghi.

bit = 22 kbps byte per esem pio al m assim o b it rate del te rm in a le GPRS, pari a 115 kbps. 333

ESERCIZIO 24 Sapendo che un dispositivo DECT (1 .9 0 0 M H z) tra sm e tte con potenza m edia 10 dBm, d e te rm i­ nare a quale d istanza, la densità di p o te n za è co m p a tib ile con i valori di a tte n zio n e indicati nel q u ad ro n o rm a tivo sulla p ro te zio ne della p o po la ­ zione dai cam pi e le ttro m a g n e tici.

ESERCIZIO 3 D eterm inare il num ero di canali vocali che si pos­ s o n o tra s m e tte re a 8 b it in P C M -TD M su una p o rta n te da 4 3 ,2 M bps. [Ris.: 675] ESERCIZIO 4 Q u a ttro segnali con frequenza massima 100 kHz vanno ca m p io n a ti con SNR di 50 dB e inviati con m o d u la zio n e PCM. Indicare la frequenza m inim a di ca m p io n a m e n to , il num ero di b it per ca m p io ­ ne e la velocità di trasm issione del segnale PCM associato. [Ris.: fc= 2 0 0 kHz; n = 8 ; f b = 6 ,4 M bps]

Soluzione

La legge quadro n. 36/2001 sulla p rotezione della p o p o la zio n e dai cam pi e le ttro m a g n e tici, prescri­ ve che i valori di im m issione, calcolati o m isurati a ll'a p e rto nelle aree in te ns am e nte fre q u e n ta te , non devono superare i valori rip o rta ti in tab. 8.8; perciò, la densità di potenza non deve risultare superiore a 100 m W /m 2. Nel caso del dispositivo DECT

ESERCIZIO 5 Tre se g na li a n a lo g ic i con fre q u e n z a m assim a 4 ,8 kHz e am piezza 0 t 5 V devono essere d ig i­ ta lizza ti a 10 kHz, con errore di quantizzazione m inore di 10 m V e inviati m e d ia n te tra m a PCM con l'a g g iu n ta di un canale di sincronism o e uno di servizio. D eterm inare la risoluzione del conver­ tito re e il b it rate della PCM. [Ris.: n = 8; f b= 4 0 0 kbps]

10 dBm = 10 mW e dalla S=

EIRP < 10Q mW rrv 471- r2

la co n d izio n e risulta ve rifica ta a una distanza

rjw := [z z i

10 mW ~ V 471 S V 4 71 100 m W /m 2 _ y 0,1 m 2 _ 8,92 cm 471

ESERCIZIO 6 Si vuole ca m p io n a re e tra s m e tte re su linea n u ­ m erica seriale un segnale in te ns io ne di dinam ica ±2,5 V, con velocità di variazione non superiore a 2 ,5 m V/ps, g a ra n te n d o un ra p p o rto segnale ru m ore di q u antizzazione non in fe rio re a 4 5 dB. V alutare le ca ratteristiche spettrali essenziali del segnale e la velocità necessaria per la trasmissione sulla linea num erica. Se il c o lle g a m e n to seriale opera a 256 kbps, q u a n ti segnali identici si pos­ sono inviare?

ESERCIZI DA SVOLGERE

ESERCIZIO 1 V e rific a re i v a lo ri in d ic a ti nel d ia g ra m m a del g u a d a g n o del d isp o sitivo LTC1564 rip o rta to in f ig . 8 .6 2 alla m assim a fre q u e n z a p ro g ra m m a b ile (fcutoff=150 kHz) e al m assim o g u a d a g n o (G = 1 6 V/V) e valutare la pendenza al ta g lio . [Ris.: G = 2 0 -L o g l016 = 2 4 d B ; pendenza - 7 0 dB /ottava]

[Ris.: dalla

= A ffi

valida per la sinusoide si ricava fmax= 1 60 Hz; n = 8; con f c= 4 0 0 Hz, V b = 3 . 2 0 0 bps; Ncan = 8 0 ]

ESERCIZIO 7 Un sistema PCM -TDM deve trasm ettere tre canali di banda rispe ttiva m en te 5 kHz, 5 kHz, 10 kHz, con ca m pioni da 8 bit. D eterm inare la stru ttu ra di una tram a e ffic ie n te e il b it rate com plessivo. [Ris.: si cam piona a 20 kHz il canale C e a lte rn a tiv a m e n te i canali A e B; tra m a = A/C/B/C; 320 kbps]

ESERCIZIO 2 Il m essaggio m (t)= M • cos {2n -100 • t) m odula in am piezza un tre n o di im pulsi di p e rio d o 1 ms. Indicare le posizioni di replicazione del segnale m o d u la n te nello sp e ttro PAM. [Ris.: 100 Hz; 9 0 0 Hz; 1,1 kHz; 1,9 kHz; 2,1 kHz ...] 334

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

ESERCIZIO 8

D eterm inare il valore fo rn ito in uscita da un com ­ pressore n u m e rico da 12 a 8 b it, sapendo che riceve in ingresso il num ero + 1.0 5 0 . [Ris.: 0111 0 0 0 0 = 1 1 2 ] ESERCIZIO 9

D eterm inare il valore fo rn ito in uscita da un com ­ pressore n u m e rico da 12 a 8 b it, sapendo che riceve in ingresso il num ero + 2 1 2 . [Ris.: 0 1 0 0 1010 = 74]

C onsiderando a = 4 , è possibile utilizzare cluster da 7 celle esagonali? [Ris.: sì; S/l = 1 8 ,6 6 dB > 15 dB] ESERCIZIO 14

La c o p e rtu ra GSM di una c itta d in a è stata o t­ te n u ta con 25 cluster da 7 celle ciascuno. Dato che o gni cella su p po rta k canali di conversazio­ ne, determ inare il num ero to ta le di conversazioni s u p p o rta te in co n tem p oran e a . [Ris.: 2 5 -7 k] ESERCIZIO 15

ESERCIZIO 10

D eterm inare l'am piezza del chip code che garan­ tisce 11 ,7 6 dB di process gain. [Ris.: 15 chip] ESERCIZIO 11

La c o p e rtu ra GSM del te rrito rio ha la s tru ttu ra in d ica ta in fig . 8 .6 6 . D e te rm in a re il va lo re del ra p p o rto di riu so c o -c a n a le (Q) e il ra p p o rto tra la potenza di segnale ricevuta dal te rm in a le m o b ile (S) e il ru m ore di interferenza (I) d o vu to alle i celle c o n fin a n ti che u tiliz z a n o la m edesi­ m a fre q u e n za , sapendo che a = 4 (co e ffic ie n te di propagazione).

La banda di u p lin k per il GSM a 1 .800 M H z va da 1 .7 1 0 M H z a 1 .78 5 M H z ed è suddivisa in canali da 2 0 0 kHz lordi (8 u ten ti/ca n a le ), di cui un o d e stin a to ai servizi. D e term inare il nu m e ro di u te n ti gestibili. [Ris.: 2 .99 2 ] ESERCIZIO 16

Un particolare sistem a di te le fo n ia cellulare FDD dispone di 33 M H z di banda, di cui 1 M H z per i segnali di co n tro llo . Sapendo che un singolo ca­ nale sim plex occupa 25 kHz, q u a n ti canali sono d isponibili per ogni cella, se il sistem a usa cluster da 7 celle per fo rn ire voce e segnali di co n tro llo fu ll duplex? E se le celle per cluster sono 12? [Ris.: per N = 7, 4 celle con 91 canali voce + 1 canale di servizio e 3 celle con 92 canali voce + 1 canale di servizio; per N = 1 2 , 8 celle con 53 canali voce + 1 canale di servizio e 4 celle con 54 canali voce + 1 canale di servizio] ESERCIZIO 17

[Ris.: Q = / T T ; S/l = 2 4 = 1 3 ,8 dB]

D eterm inare il te m p o di salita della risposta a ll'im ­ pulso di fig . 8 .3 9 per BT = 0 ,5 e la banda (f-3dB) del filtro gaussiano passa basso da utilizzare per un b it rate di 9 .60 0 bps. [Ris.: t 9o% =1,2 tbit; tio% = 0 ,5 tbit; tris e = 0 ,7 tb it; f - 3 d B = 4 .8 0 0 Hz]

ESERCIZIO 12

D eterm inare il ra p p o rto tra la potenza di segnale ricevuta dal te rm in a le m o b ile (S) e il ru m ore di in te rferenza (I) per una co p ertura con cluster da 12 celle esagonali, co n siderando a = 3,9. [Ris.: S/l = 22,5 dB] ESERCIZIO 13 In un sistem a c e llu la re è ric h ie s to un ra p p o r­ to m in im o se g na le su in te rfe re n z a di 15 dB.

ESERCIZIO 18

Il cord less DECT utilizza la banda 1 .8 8 0 + 1 .9 0 0 MHz, suddivisa in canali da 2 M H z lordi con 12 u te n ti voce o gni canale. D eterm inare il num ero di u te n ti voce gestibili. [Ris.: 120] ESERCIZIO 19 Indicare i disp o sitivi di c o m u n ic a z io n e che p o ­

UNITA DIDATTICA 8

tre b b e ro m igliorare le prestazioni di un sistema di videosorveglianza per autobus. [Ris.: m o dem GPRS/UMTS/HSPA (High Speed Packet Access) per la trasm issione di film a ti in te m p o reale, m o d u lo GPS per la costante georeferenziale delle riprese e pulsante d 'a lla rm e per l'avvio delle riprese da parte d e ll'a u tista ]

ESERCIZIO 23

U n'azienda di trasporti e spedizioni internazionali vu o le d o ta re la p ro p ria flo tta di TIR (Transports Internationaux Routiers, fig . 8 .67 ) di un sistema di localizzazione, in grado di m o n ito ra re la posi­ zione di tu tti i veicoli della flo tta , la velocità e la loro efficienza. Individuare le apparecchiature di com u n ica zio n e necessarie.

ESERCIZIO 20 I pannelli m o b ili a m essaggio variabile sono d i­ spositivi visualizzatori u tilizzati per segnalare si­ tu a z io n i di em ergenza (incide n ti, m a n u ten zion i, ca n tie ri, code, ecc.) d ire tta m e n te sul posto. Indicare i disp o sitivi di c o m u n ic a z io n e che p o ­ tre b b e ro m igliorare le prestazioni di un pannello a m essaggio variabile da installare su un m ezzo m o b ile o su un carrello. [Ris.: tra tta n d o s i di messaggi che non cam b ia n o di fre q u e n te può bastare un co lle g a m e n to GSM con SMS] ESERCIZIO 21

D ep osito TIR.

I dissuasori di velocità sono dispositivi e le ttro nici installati in strade dove la velocità eccessiva può causare situazioni di pericolo, per indurre gli a u to ­ m obilisti a rallentare e a non superare i lim iti vigenti. Indicare i dispositivi di com unicazione che p o tre b ­ bero m igliorare le prestazioni di un dissuasore. [Ris.: GSM con SMS statistici relativi alla fre ­ quenza oraria di velocità im proprie]

[Ris.: sistem a di b o rd o a m icroprocessore con 2 RS 232 per GPS e GSM, in c o lle g a m e n to con la centralina di bordo; invio pe rio d ico di SMS alla centrale di servizio, d o ta ta di GSM e so ftw a re di localizzazione con m appe stradali] ESERCIZIO 24 Sapendo che un dispositivo GSM (1,8 GHz) tra ­ sm ette con potenza m edia 20 dBm, determ inare a quale distanza, la densità di potenza è c o m p a ti­ bile con i valori di a tte n zio n e indicati nel quadro n o rm a tivo sulla p ro tezione della popo la zio n e dai cam pi e le ttro m a g n e tici. [Ris.: r s 28 cm ]

ESERCIZIO 22

U n 'a zie n d a di tra s p o rto vu o le a rch iviare i d a ti raccolti dalle ce n tra lin e di b o rd o dei propri m ez­ zi, q u a n d o questi rien tra n o in deposito. Indicare possibili soluzioni di com unicazione. [Ris.: tra tta n d o si di una co m u n ica zio n e che si sviluppa su un'area privata e lim ita ta , non sono necessari m o dem te le fo n ici G SM , m a è s u ffi­ ciente un m o d u lo wireless 802.11 su ciascuna ce n tra lin a ]

336

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

[ 2 TEST Tra le seguenti a ffe rm a zio n i, individua quelle co rrette (V) e quelle errate (F). 1. In merito al campionamento e alla rico­ struzione dei segnali, si può dire che: 1. un segnale può essere rico s tru ito dai suoi ca m pioni solo se è lim ita to in fre ­ quenza e e 2. un segnale, per p o te r essere ricostru ­ ito, deve essere c a m p io n a to con fre ­ quenza alta E E 3. per ricostruire un segnale serve un fil­ tro di smoothing E E 4. il valore 2 • f M è n o to com e frequenza di N yquist del segnale E E 2. Per quanto riguarda alcune particolarità inerenti il campionamento dei segnali, si può dire che: 1. il filtro antialiasing serve a lim itare lo spettro del segnale da ca m pionare E E 2. lo sp e ttro del segnale c a m p io n a to si ripete in fre q u en za E E 3. per isolare lo s p e ttro in banda base servirebbe un filtro passa a lto ideale E E 4. può esistere aliasing in caso di sovraca m p io n a m e n to E E 3. Analizzando i filtri presenti in un sistema di acquisizione dati, si può dire che: 1. il filtr o a n tia lia s in g è di tip o passa banda E E 2 . il filtro di smoothing è presente in in­ gresso E E 3. il filtro di ingresso lim ita la banda del segnale a un valore in feriore alla m età della frequenza di acquisizione E E 4. senza il filtro di smoothing il segnale di uscita avrebbe un andam ento a gradini E E 4. Nella modulazione PAM: 1. un segnale dig ita le m odula in am piez­ za una p o rta n te analogica 2 . lo sp e ttro del segnale m o d u la to con­ tie n e lo sp ettro in banda base del se­ gnale m o d u la n te 3. lo s p e ttro del segnale m o d u la n te è p resente p iù v o lte n e llo s p e ttro del segnale m o d u la to 4. per ricostruire il m essaggio dai cam ­ pioni serve un filtro passa alto

5. Nella ricostruzione di un segnale PAM, il fenomeno dell'aliasing si presenta: 1. q u an d o la frequenza del m essaggio è elevata E E 2. se le bande p ro d o tte dalla m o d u la zio ­ ne si so vra p p on g o n o E E 3. se la frequenza di c a m p io n a m e n to è più che do pp ia rispe tto alla massima frequenza del segnale E E 4. se le a rm o n ich e del m essaggio sono num erose E E La m ultiplazione TDM/PCM permette di: 1 • co n ne tte re più u te n ti c o n te m p o ra n e ­ am ente, u tilizzan d o un unico m ezzo trasm issivo E E 2. disporre di più banda E E 3 c o n n e tte re 8 u te n ti te le fo n ic i con 64 kbps com plessivi E E 4 c o n n e tte re p iù u te n ti s u d d iv id e n d o tra loro il te m p o di o ccu p a zio n e del canale E E 7. La rete telefonica fissa tradizionale: 1. fu n z io n a a co m m u ta zio n e di pacchet­ to E 2 si basa su centrali di co m m u ta zio n e di diversa capacità E u tilizza ce n tra li connesse con canali PCM m u ltip la ti con tecnica TD M E 4. im p ie g a co n ne ssio ni d ire tte p u n to ­ p u n to E

E E E E

8 . Una rete mobile: 1. è una rete w ireless che s u p p o rta la m o b ilità E E 2 . suddivide sempre il te rrito rio da servire in cellule esagonali E E 3. fo rn is c e servizi di handover e roaming E E 4. gestisce o g n i cella del te rrito rio con E E più stazioni base

E E

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337

UNITA DIDATTICA 8

3. è o b b lig a to ria a ll'in te rn o d e ll'U n io n e Europea per i te le fo n i cordless di uso d o m estico e aziendale E E 4. utilizza un sistem a ib rid o FDM A-TD M A -TD D E E

9. Trattando della tecnica FHSS, è corretto dire che: 1. la banda a disposizione viene suddivisa in canali E E 2. il tra s m e ttito re suddivide e tra sm e tte i pacchetti di dati ca m b ia n d o p e rio d i­ cam ente il canale e e 3. il ca m b io della p o rta n te avviene se­ co n do una sequenza casuale E E 4. è una tecnica che fu n z io n a bene per l'in v io di piccoli p a cch e tti di d a ti, in a m b ie n ti a bassa interferenza E E 10. Tra le tecniche di accesso multiplo zate in un sistema cellulare: 1. FDM A suddivide la banda disponibile in più so tto b a n d e 2. TD M A fornisce a ogni u tente un'intera so ttob a n d a per un d e te rm in a to tim e slo t 3. C D M A è utilizzata nei sistem i cellulari di terza generazione 4. FDM A e T D M A non possono essere u tilizzate in m odo co m b in a to 11.11 sistema GSM: 1. è standard ETSI 2. è un sistem a di te le fo n ia m o b ile a co m m u ta zio n e di pa cch etto 3. utilizza un sistem a ib rido CDM A-FD DTD M A , in allocazione dinam ica 4. fra z io n a la banda d is p o n ib ile tra le celle del te rrito rio da servire 12.1 vocoder per GSM: 1. u tilizzano una co d ifica senza perdita di in fo rm a zio n e 2. cam pionano periodicam ente il segnale vocale suddiviso in 16 s o tto b a n d e 3. in d ivid u a n o le sorgenti presenti e de­ te rm in a n o i valori dei c o e ffic ie n ti del m o d e llo del tra tto vocale 4. riprod u co n o in ricezione il tra tto voca­ le d a ll'e p ig lo ttid e alle labbra m ediante un filtro a N c o e ffic ie n ti

14. In una rete a commutazione di pacchet­ to: 1. non esistono centrali di c o m m u ta z io ­ ne E E 2. i d ati ve n g o n o suddivisi in p a cch etti num erati progressivam ente E E 3. i pacchetti sono instradati dalla cen­ tra le m e d ia n te c o m m u ta to ri E E 4. i percorsi utilizzati sono quelli liberi o sta tistica m en te considerati o ttim a li E E

utiliz­

E E 15. Lo standard ETSI UMTS: 1. integra più servizi in un unico te rm i­ nale 2. offre una connessione Internet sempre a ttiva 3. ha una a rch ite ttu ra basata sul p ro to ­ collo W AP 4. utilizza la tecnica C D M A

E E E E E E

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16. Utilizzando un modem GSM governato mediante comandi AT: 1. è possibile com porre un num ero di te ­ le fo no per inviare un o squillo di avviso E E 2. è possibile gestire l'in v io di un SMS verso il n u m e ro di re p e rib ilità a zien­ dale E E 3. non è possibile a ttiv a re da distanza particolari uscite del PLC E E 4. è possibile conoscere lo status della m acchina E E

E E E E E E

E E E E

17. Parlando di teleassistenza e telecontrollo si può affermare che: 1. le p o te n z ia lità d elle p restazioni non sono vin co la te alle ca ra tte ristiche del canale di com u n ica zio n e E 2. le connessioni più d iffuse utilizzan o la rete te le fon ica pubblica o In te rn e t E 3. m e d ia n te connessione GPRS il costo è legato alla d u ra ta della connessione E 4. la teleassistenza in In terne t può essere realizzata m e d iante connessione VPN E

E E

E E

13. La tecnologia DECT: 1. non è standard ETSI E E 2. è un sistem a di te le fo n ia a c o m m u ta ­ zione di p a cch etto E E

338

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ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

IN D U S T R IA !. G R A D E 4 G R O U TE R

Four-Faith co m m u n ica tio n industriai grade 4G routers, all co m p a tib le w ith 4 G /3.5G /3G /2.5G n e tw o rk , com pared w ith th è o rdinary wireless ro u te rs , im p ro v e th è p ro d u c t fu n c tio n and p e rfo rm a n c e , e ffe c tiv e ly p re ve n t big tra ffic data p a cke t loss and fu lly m eet th è requirem e n ts o f a la rg e r a m o u n t o f d a ta and th è h ig h er sta b ility needed by industriai site w ire ­ less n e tw o rk in g . The products are sold in over 50 countries and regions in th è w o rld . F3X34 series in dustriai grade 4G ro u te r supports LTE, TD -S C D M A and W C D M A , EDGE, GPRS n e tw o rk . All th è eq uipm e nt's co m p o n e n ts sh o w excellent industriai quality. A d o p tin g th è rugged industriai housing design, IP30 p ro te ctio n, th è ro u te r c a n w ith s ta n d te m ­ perature variations ranging fro m - 3 0 to + 7 5 °C. The b u ilt-in h ig h -p e rfo rm a n ce in d u stria l-g rad e 3 2 -b it c o m m u n ic a tio n processor and th è in d u stria l-g rad e w ire ­ less m o d u le , s u p p o rtin g a p la tfo rm based on e m b e d de d re a l-tim e o p e ra tin g System s o ftw a re , a t th è sam e tim e p ro vid e a RS 232 o r RS 4 8 5 / RS 4 2 2 , 4 E thernet LAN, 1 E thernet W A N and 1 W iFi interface. The p ro d u c t satisfied th è EMC level 4 standard, passed rigorous te stin g regarding te m p e ra tu re va ria tio n , surge shock, vib ra tio n and drop, and o b ta in e d th è CE c e rtific a tio n as a stable, safe and reliable p roduct.

Product main features Q

0

0

o 0

Reliable n e tw o rk in g and co m m u n ica tio n - The device uses high perform ance industriai wireless m odule, in d u strial-grade, high stability and high precision co m p o n e n ts. It can w ith s ta n d a w id e te m p e ra tu re va ria tio n (fro m - 3 5 to +75 °C), w a rra n tin g a high p e rfo rm a n ce in h o t as w e ll as in cold environm ents and p ro vid in g reliable n e tw o rk and sta b ility co m m u n ica tio n . Data processing and transm ission speed - CPU speed has been trip le d ; W iFi speed has been enhanced fro m 54 M bps to 150 M bps; b u ilt-in FLASH and RAM capacity have been doub le d in o rd e r to im prove th è w ireless transm is­ sion o f a large a m o u n t o f data, such as im ages and videos, in a clear and flo w in g manner. B a nd w idth resource a llo ca tio n under co n tro l - Flow co n tro l, flo w record and real-tim e n e tw o rk speed display a llo w th è p ro d u c t to o p erate according to th è type o f n e tw o rk p ro to col and th è custom b a n d w id th a llo ca tio n m odel. S trong W iFi - W iFi su p po rts 802.11 b /g/n , W iFi AP, AP C lie nt, relay, relay bridge and WDS, WEP, W PA e n cryp tio n etc. C o m plete set o f e q u ip m e n t w ith m a n a g em e nt p la tfo rm - The p ro d u c t enhancesthe centralized m anagem ent o f large equipm ents; batch co n fig uration and upgraded fu n c tio n s im prove th è e fficie n cy fo r projects im p le m e n ta tio n and m anagem ent.

339

M èè-

ESTRATTO TECNICO IN LINGUA INGLESE

IN D U S T R IA !. G R A D E 4 G R O U T E R

©

R eal-tim e display o f signal s tre n g th - R eal-tim e display n e tw o rk o f signal stre n g th im proves m aintenance co n tro l.

Industriai grade 4G router's working principles For th è firs t use, you m ust insert a rate card (SIM Card) in to 4G router. You can achieve data transm ission and In te rn e t c o n n e ctio n th ro u g h W C D M A and TDS C D M A 4 G o p erato rs n e tw o rk . The ro u te r has W iFi fu n c tio n in o rd e rto co n ne ct to th è In terne t. M o b ile phones, co m p u te rs, PSP w ith wireless n e tw o rk card or W iFi fu n c tio n can th e re fo re con­ nect to th è In te rn e t via 4G w ireless router, th us providing a g reat convenience fo r th è realization o f th è w ireless LAN to share 3G wireless n e tw orks. Four-Faith industriai grade 4G ro u te r w ith m u ltip le cable b roadband interface can also access to th è In te rn e t w ith o u t 4G. T h ro u g h in d u stria i grade 4G ro u te r you can achieve b ro a db a n d connections, reaching o r increasing th è cu rren t ADSL n e tw o rk b a n d w id th , w ide ly used in sm art grids, sm art tra n s p o rta tio n , in te llig e n t hom e, sm art finance, industriai a u to m a tio n , p u b lic safety, e n viro n m e n tal p ro te c tio n and m edicai fields, etc.

The simple network topology

(a d a tta to da Four-Faith - 4 G In d u s tria i M o d e m R outer)

340

CONNESSIONI WIRELESS SHORT RANGE 9.1 9.2 9.3 9 .4 9 .5 9 .6 9.7 9 .8 9 .9 (W E B

10 1 m

» □

ili

Connessioni wireless a lungo e corto raggio Noise floor Receiver sensitivity Loss and signal fading Bande ISM e loro regolamentazione Link calculation Tecnologie per reti wireless short range Tecnologie wireless short range per connessioni punto-punto Direttive e normative di settore: R&TTE Compatibilità elettromagnetica Esercizi svolti Esercizi da svolgere Test RN41/RN41N Class 1 Bluetooth Module

NEL QUADERNO OPERATIVO DI LABORATORIO Connessione RS 232 - WiFi Connessione RS 232 - B luetooth

UNITA DIDATTICA 9

E X B Connessioni wireless a lungo e corto raggio Le com u n ica zio n i wireless si sta n no rap id a m e n ­ te d iffo n d e n d o in m o lte p lici applicazioni, di ogni g e ne re e se tto re , a p a rtire da lle co n ne ssio ni a lu n g o raggio, quali la te le fo n ia m o b ile cellulare e satellitare, fin o ai sistem i a c o rto raggio e a bassa potenza. Si p u ò tra tta re di co m u n ica zio n i p u n to ­ p u n to o di connessioni in rete. In a m b ito locale, una connessione w ireless sosti­ tu isce il ca b la g g io laddove qu esto risulta scon­ ve n ie nte o im praticabile. Ciò può riguardare un c o lle g a m e n to tra e d ific i se p ara ti di una stessa azienda (b u ild in g to b u ild in g , fig . 9.1), l'accesso a una LAN {Locai Area Network), un cordless te ­ le fo n ico o se m p lice m e n te la connessione sh o rt range con il database aziendale da parte di u te n ­ sili ta ra ti utilizzati dalle m aestranze.

Storehouse

Rete wireless building to building.

Classificazione delle reti wireless

C om e per le reti LAN anche per il w ireless esiste una classificazione in base all'estensione della rete stessa (fig. 9.2). WMAN

WLAN

Reti wireless.

WWAN

Si parla, in fa tti, di W W A N ( Wireless Wide Area Network), W M A N ( Wireless Metropolitan Area Network), W LAN ( Wireless Locai Area Network) e W PAN ( Wireless Personal Area Network). Le W W A N sono grandi reti di dati, condivise pu b ­ blicam ente, p ro g e tta te per co prire aree estese e gestite da un d e te rm in a to fo rn ito re di servizi (pro­ vider). Le connessioni u tilizzan o sia la m oderna rete te le fo n ica , sia la co p e rtu ra satellitare. Le W M A N servono aree a d im e n sio n e m e tro ­ p o lita na , con ra ggio fin o a 10 km , e u tilizzan o coperture radio con una larghezza di banda supe­ riore alla W W A N . Lo standard più n o to è W iM A X

(Worldwide Interoperability for Microwave Access). Le W L A N possono essere reti a sé stanti oppure segm enti di estensione di una LAN. Trasm ettono e ricevono dati utilizzando le radiofrequenze con varie tecniche di m odulazione ad a m p io spettro, d e fin ite dall'insiem e degli standard IEEE 8 0 2 .1 1 . Le W P A N co n se nto n o una com unicazione e uno scam bio di in fo rm a zion i fra com puter, stam panti, cellulari e a ltri dispositivi e n tro un ra ggio che non supera alcune decine di m e tri (sh o rt range). Le te c n o lo g ie W PAN so n o d is p o n ib ili s o tto fo rm a di m o d u li di com unicazione re lativam ente ro b u ­ sti e con consum i energetici c o n te n u ti, in grado di lavorare in a u to n o m ia in sistem i a lim e n ta ti a batterie. Le più n o te sono gli standard B luetooth, ZigBee e i co llegam enti a infrarossi. Il lim ite principale della te cn o lo g ia w ireless sh o rt range riguarda il d e ca d im e n to della potenza di trasm issione d o v u to alla presenza n e ll'a m b ie n te di s tru ttu re fisse, com e pareti e arm adi, e m obili, com e le persone. Le reti in d u s tria li specifiche per la connessione w ireless di sensori, destinati a m o n ito ra re i p ro ­ cessi produttivi, sono d e tte W SN (Wireless Sensor

Network). A ll'in te rn o della rete, ciascun no do sensore è un sistem a e le ttro n ic o a m icroprocessore, dalle d i­ m ensioni rido tte , spesso a lim e n ta to a batteria, in g ra d o di raccogliere ed elaborare in fo rm a z io n i, co m u n ica n d o i dati agli altri dispositivi della rete m e diante un dispositivo ricetrasm e ttitore a radiofrequenza (transceiver). Una rete di sensori w ireless è, so lita m en te , o rg a ­ nizzata con una o più stazioni base {Base Station), che consentono a ll'u te n te di interagire con la rete da re m oto . Una vo lta connesso con la stazione base, l'u te n te può inviare com andi, o p p u re sem ­ p lice m en te analizzare, elaborare e m em orizzare i d ati raccolti.

CONNESSIONI WIRELESS SHORT RANGE

m o ltip lic a n d o e n tra m b i i te rm in i della fra z io n e per So e so stitu e nd o a n u m e ra to re S0 = G • Si, si o ttie n e

E 2 V Noise floor Q u a lu n q u e segnale (Si) che g iu n g e in ingresso a un q u a d rip o lo è sem pre a cco m p a g na to da un rumore di fondo (N i, noise flo o r) o ru m o re di b ackground. R agionando con le potenze, se il segnale c o m ­ plessivo viene e la b orato da un q u a d rip o lo ideale di gu ad a g no G (fig. 9.3), il ra p p o rto segnale ru­ m ore in uscita risulta in a lte ra to rispetto all'ingres­ so, poiché sia il segnale, sia il rum ore, subiscono il m edesim o tra tta m e n to .

Si

F _ No So r" _ G ■Ni So No G -5, No S, _ Sì/N ì > 1 GNi So ‘ N, So - So/No So/No [dB] = Sj/Nj [dB] - F„ [dB] Il valore di Fn (o anche NF, Noise Figure) è q u in di un in d ica to re del livello di d e grad o del ra p p o rto segnale ru m ore p ro d o tto dal dispositivo. E straendo il fa tto re Fn dal q u a d rip o lo e a p p li­ c a n d o lo al ru m ore in ingresso (fig. 9.5), si può riconsiderare il q u a d rip o lo ideale privo di rum ore e con S/N invariato.

So = G- Si

G

N0 = G N i

Ni

S i/N i = So/No

Quadripolo ideale. Si

In realtà, q u a lu n q u e q u a d rip o lo a g giun g e al ru­ m ore in ingresso il rum ore p ro d o tto al suo interno (Nim, fig . 9.4), generato dai co m p o n en ti che lo co­ stituiscono. Tale rum ore in te rn o è ta n to m aggiore q u a n to più è com plessa la sua stru ttu ra e q u a n to più alta è la sua te m p e ra tu ra interna.

S0 = G ■Si

G

Ni - Fn '

No = ‘g -N

f„

Quadripolo non rumoroso.

Valori tip ic i di Fn per alcuni dispositivi sono ripor­ ta ti in tab. 9.1. Si

G

N

Nw

S0 = G ■Si N o= 'G N i+ N w = F n G N ,

Dispositivo

N0 > G N ,

Amplificatore Attenuatore passivo con attenuazione h

Si / Ni > So / No

Degrado del rapporto segnale rumore.

Antenna 100 MHz

Il rum ore di fo n d o in uscita

Fattore di rumore [decimale]

Figura di rumore [dB]

4

6

1/h

10 log 1/h

1,01 2-r 1,4

0 ,0 5 -r 1,5

Valori tipici di F„ per alcuni dispositivi.

No = G • Ni + Nint = F„ • G • Ni > G • Ni

Per esem pio, se un cavo d 'a n te n n a a tte n u a 3 dB, significa che g uadagna - 3 dB; corrisponde, cioè, a un g u a d a g n o di potenza in fo rm a naturale

risulta m a g g io ra to rispe tto al segnale di un fa t­ to re Fn > 1, d e tto a p p u n to fattore di rumore del q u a d rip o lo (o figura di rumore, se espresso in dB).

h = 10 t 5- = 0,5 Il fa tto re di ru m ore del cavo è q u in di

Fn [dB] = 10 lo g i0Fn Ne deriva che il ra p p o rto segnale rum ore risulta de grad a to ; d ifa tti dalla r

e la sua fig u ra di ru m o re è pari a

_ G ■N , + N |n t _ N 0 G - Ni ~ G Ni

10 log F„ = 3 dB

343

UNITA DIDATTICA 9

Per q u a n to riguarda il ru m ore Nj raccolto da un rice v ito re , è im p o rta n te ricord are che tu tti gli o g g e tti caldi e m e tto n o energia s o tto fo rm a di ru m ore casuale (rum ore te rm ico gaussiano), che, essendo d is trib u ito in m o d o u n ifo rm e su tu tte le frequenze, è d e fin ito rumore bianco. La densità sp e ttrale di potenza del rum ore te rm i­ co gaussiano g e ne ra to vale NHz = k T [W /H z ] con k la costante di B oltzm an (1,38 x 1CH3 J/K), T la te m p e ra tu ra assoluta del sistem a, solitam ente assunta com e te m p e ra tu ra a m b ie n te T0 = 290 K (17 °C) e p e rta n to NHz = -1 7 4 dBm /Hz La p o te n za di ru m ore te rm ic o (Ni) raccolta alla te m p e ra tu ra To = 290 K p u ò q u in di essere deter­ m inata una volta nota la larghezza della banda di lavoro (Bw) in hertz del dispositivo stesso

Si

G

Ni ■Fn = k •(To + Teq) ' Bw

Bw

Contributo della temperatura equivalente di rumore.

C o m pa ra n d o i due m odelli di rum ore equivalente in ingresso (fig. 9.6), si ha RNF = Ni • Fn = k • To • Bw • Fn = k • Bw • ( To + Teq) To'Fn = To + Teq e, d ivid e n do e n tra m b i i te rm in i per T0, si o ttie n e Fn = 1 + Teq/To Teq = (F n -1 ) T0

N, [W] = k To Bw = NHz - Bw Ni [dBm] = - 1 7 4 + 10 log10Bw

La som m a del rum ore te rm ico e del ru m o re del ricevitore è più n o ta com e rumore di fondo del ricevitore (RNF, Receiver Noise Floor) RNF= Ni-F„

O perare con la te m p e ra tu ra di sistem a può risul­ tare utile, per esem pio, nel caso di u n 'a n te n n a e di un ricevitore che hanno te m p e ra ture differenti, quali i ricevitori che lavorano con frequenze supe­ riori a 100 M H z e d o ta ti di a n te n n e fo rte m e n te d ire ttive (parabole), o rie n ta te verso il cielo. Con u n 'a n te n n a di te m p e ra tu ra Ta e il ricevitore con fig u ra di ru m o re Fn e te m p e ra tu ra di rife ri­ m e n to T0 si ha T sist = Ta + Teq = Ta + (Fn

1) ' To

RNF[dBm] = N ,[d B m ]+ F n [dB] RNF = k • Bw Tsist Esercizi svolti n. 1, 2, 3 Esercizi da svolgere n. 1 ,2 , 3, 4, 5, 6

Temperatura equivalente di rumore

In alcuni casi, anziché la fig u ra di rum ore, viene fo rn ita la temperatura equivalente di rumore (Tep) del dispositivo. L'idea consiste nel riportare l'a g g iu nta del ru m ore in te rn o com e c o n trib u to Teq alla tem peratura di rum ore in ingresso, o tte n e n d o la cosiddetta temperatura di sistema

Se non diversam ente specificato, la te m p e ra tura To di rife rim e n to del ricevitore si assume pari a 2 9 0 K. P onendo p iù d o p p i b ip o li ru m o ro s i in cascata (fig. 9.7), si può dim ostrare che si o tte n g o n o gli e q uivalenti Teq-T,+ F

— F 4-

Feq-h+

+ GiT.3G2 + ...

Gi

’i

_i_ l~3

1

+ G, G2

I

Tsist = To + Teq e p o te r co n sid e ra re a n cora una v o lta ideale il d o p p io bipolo.

Il d o p p io b ip o lo che incide di più sul ru m ore è, q u in d i, il p rim o della catena, e va c u ra to al m e­ glio. Per questo m o tivo il p rim o stadio (fron t-e n d )

CONNESSIONI WIRELESS SHORT RANGE

di un ricevitore è so lita m en te un pre a m p lificato re con basso rum ore ed elevato guadagno.

di m isura con risoluzione 16 b it non può essere m iglio re (m inore) di 20 Log 1o216 = -9 6 dB perché a questo va so m m a to il rum ore elettronico p ro d o tto a ll'in te rn o dello stru m e n to stesso. A n a lo g a m e n te , il ru m ore di fo n d o di un o stru ­ m e n to con risoluz io ne 2 4 b it non p o trà essere in fe rio re a -1 4 4 dB. Si definisce q u in di sensibilità (sensitivity) di un ricevitore il livello m in im o di potenza del segnale d'ingresso (Smin) necessario per p ro d u rre un se­ gnale di uscita con un ra p p o rto segnale rum ore m in im o specificato. A volte, anziché al ra p p o rto S/N, la sensibilità vie­ ne rife rita al SINAD m in im o , in c lu d e n d o anche eventuali distorsioni sul segnale. Nel caso di un rice v ito re con fig u ra di ru m o re Fn, a n te p o s to a un sistem a di e la b orazio ne che necessita di un d e te rm in a to valore di SNR (fig. 9.9), dalla

D oppi b ip o li in cascata.

Esercizi svolti n. 4, 5, 6 Esercizi da svolgere n. 7, 8, 9 ,1 0

E E B Receiver sensitivity Poiché un segnale pu ò essere rile va to con una certa sicurezza solo se risulta superiore al rum ore di b a ckg ro un d , il ru m o re di fo n d o lim ita di fa tto la soglia minima che p u ò essere a vve rtita da un ricevitore. Se il live llo di ru m o re in tro d o tto nel sistem a è p aragonabile al segnale, diventa im possibile d i­ stinguere il segnale c a ttu ra to dal rum ore, per la m edesim a ragione per cui è possibile avvertire segnali d e bo li solo in a m b ie n ti non rum orosi. In fig . 9.8, per esem pio, il segnale a 20 kHz può essere rile vato risp e tto ai - 1 2 0 dB del rum ore di fo n d o , perché di livello superiore (-1 0 0 dB).

la potenza m inim a in ricezione (receiver sensiti­ vity) dovrà essere Smin = SNR N, Fn = SNR RNF = | r |

IM Imin

-k T0 B Fn

Smin [dBm] = SNR [dB] + RNF [dBm]

Ricevitore

Prie = Si = ? RNF = N iF n

G

Elaborazione

SNR desiderato

D e te rm in a z io n e d e lla P * m in im a .

La sensibilità (o sensitività) è sem pre espressa in dBm , tra n n e che per qualche ricevitore di radiod iffu sio n e com m erciale, dove pu ò risultare in d i­ cata in pV o dBpV. Un ricevitore con sensibilità - 6 0 dBm risulta più sensibile (m igliore) rispe tto a un a ltro con sensi­ b ilità - 5 0 dBm. Nel caso di un ric e v ito re per d a ti a n te p o s to a un d e m o d u la to re num erico, alla d e te rm in a zio n e della sensibilità c o n trib u isco n o anche la tecnica di m o d u la zio n e a d o tta ta e il tasso di errore ac­ c e tta b ile (BER).

Negli stru m e n ti di acquisizione e misura, il ru m o ­ re di fo n d o è lim ita to dalla risoluzione dell'A D C . Per esem pio, il ru m o re di fo n d o di un sistem a 345

UNITA DIDATTICA 9

il g ra d o di sensibilità di una d e te rm in a ta tecnica di m odulazione num erica si esprim e, in fa tti, com e ra p p o rto segnale rum ore necessario al ricevitore per garantire un d e te rm in a to livello di a ffid a b ilità (reiiability), espresso in te rm in i di BER. Nel caso, invece dei ricevitori destinati a in te rce t­ tare ed e la b orare segnali im pulsivi (radar, fib re o ttich e ), la sensibilità è rife rita a una larghezza m inim a d e ll'im p u ls o in ricezione. Tutti i lin k (co llegam enti) vanno perciò p ro g e tta ti in m o d o da rispettare il livello di sensibilità richie­ sto dal ricevitore, cioè la potenza e ffe ttiv a m e n te ricevuta deve sem pre risultare

g e ne ra lm e nte in d ica to com e o b ie ttiv o di p ro g e t­ to , tra i - 9 0 e i - 9 5 dBm secondo la tip o lo g ia del te rre n o e il grado di urbanizzazione presente, incarica un consulente per eseguire una perizia di c o m p a tib ilità sulle apparecchiature. Il sistem a di localizzazione di b o rd o (fig. 9 .10 ) si basa su un ric e tra s m e ttito re radio, con relativa an te n n a , e un m odem , m e n tre il sistem a in fo r­ m ativo è co stitu ito da più apparecchiature che in­ te ra g isco n o in locale, m o n ta te sul mezzo a breve distanza dalla stru m e n ta zio n e di localizzazione.

Prie > Smi„ = SNR RNF Prie [dBm] > SNR [dB] + RNF [dBm]

M a g g io re è il livello di potenza del segnale rice­ v u to , risp e tto alla sensibilità richiesta, m ig lio re è la q u alità del segnale rilevato (a basso rum ore a g g iu n to ) e m inore è la p ro b a b ilità di incorrere in errori di ricostruzione. Il valore S/N m in im o accettabile per un ricevitore im pulsivo, pu ò dipendere anche dalla sua desti­ nazione d'uso. Per esem pio, un ricevitore radar con display video può fu nzionare in m odo soddisfacente anche con S/Nmin in feriore se l'o p e ra to re a d d e tto è esperto, perciò capace di rilevare un o g g e tto anche in pre­ senza di un rum ore di fo n d o più m arcato.

Il consulente, poiché sono n o te e fisse le posizio­ ni reciproche dei due sistem i sul m ezzo, anziché staccare il sistem a in fo rm a tiv o per p o rta rlo in la b o ra to rio (in cam era anecoica) e m isurarne le em issioni, sceglie di procedere m e diante m isure di im m issione. Q ueste le p ro ce d ure messe in a tto e le m isure rilevate: dalle specifiche del m o dem di localizzazione ricava che il valore del SINAD necessario in ingresso per g a rantire una buona d e m o d u la ­ zione del segnale è pari a 10 dB; perciò stacca l'a n te n n a dal ra d io ricevitore e al suo posto inietta, m e d ia n te un g eneratore di frequenze radio (RF, Radio Frequency) di fabbricazione HP (Hewlett Packard), un segnale RF di potenza regolabile e con SINAD costante di 10 dB; il valore della p o te n za RF in ie tta ta , necessaria al fu n z io n a m e n to del localizzatore, risulta di -1 1 9 dBm; 0 collega poi co n te m p o ra n e a m e n te , m ediante un dispositivo disaccoppiatore, sia l'a n ten n a , sia il g e ne ra to re , n o ta n d o che il segnale ri­ chiesto al generatore, sempre per il m edesim o

Esercizi svolti n. 7, 8, 9, 10 Esercizi da svolgere n. 11, 12, 13, 14, 15

o

Un esempio pratico: compatibilità tra sistemi informativi e di localizzazione

U n 'ip o te tica azienda di tra sp o rti pubblici, che la­ vora in a m b ito provinciale, dispone di mezzi d o ­ ta ti di un sistem a di localizzazione o p eran te dalla sede centrale. Successivamente ha fa tto m o n ta re sui mezzi un sistem a in fo rm a tiv o per passeggeri (a nnuncio di prossima fe rm a ta , messaggi p u b b li­ citari, in fo rm a zio n i di servizio, ecc.) che sembra co m p ro m e tte re il buon fu n z io n a m e n to del siste­ ma di localizzazione, s o p ra ttu tto q u an d o i mezzi sono più distanti dal ca p oluogo. Poiché ritiene la co p ertura radioelettrica del te rri­ to rio da servire più che adeguata rispetto al valore

346

CONNESSIONI WIRELESS SHORT RANGE

SINAD, deve salire a -1 0 6 dBm , un valore più che g a ra n tito dalla copertura radioelettrica del te rrito rio (avendo in tro d o tto anche il rum ore raccolto d a ll'a n te n n a , occorre più potenza di segnale per g a rantire il SINAD); © a c c e n d e n d o poi il sistem a in fo rm a tiv o , rile ­ va che il segnale RF necessario va p o rta to a - 8 7 dBm. Le conclusioni della perizia sono perciò le seguen­ ti: il sistem a di localizzazione riesce a fu nzio na re correttam ente solo dove il segnale RF ricevuto non è m inore di -8 7 dBm; tale valore risulta più a lto di q u e llo g e neralm ente in d ica to com e o b ie ttiv o di p ro g e tto per una buona co p ertura radioelettrica del te rrito rio da servire (tra i - 9 0 e i - 9 5 dBm), valore in sé più che s u fficie n te al radioricevitore perché questo garantisca i 10dB utili di SINAD al m o d e m . Il p ro b le m a risiede q u in d i nel sistem a in fo rm a tivo , che deve ridurre di alm e n o 95 - 87 = 8 dB (cioè di 10 8/10 = 6,3 volte) la potenza delle p ro p rie em issioni e le ttro m a g n e tich e .

Purtroppo, negli spazi chiusi, a causa della presen­ za di pareti (tab. 9.2), solette, m acchinari, m o b ili e persone, l'a tte n u a z io n e reale del segnale può risultare ben più alta, superando, d o p o i prim i 20 piedi (6 m), anche i 30 d B /100 piedi (30 dB /30 m, fig . 9.11). Struttura Finestra in muratura Muro di mattoni accanto a una porta di metallo Muro in calcestruzzo Parete di vetro con struttura in metallo Parete d ’ufficio Porta di metallo nella parete dell’ufficio Porta di metallo in muro di mattoni

Attenuazione [dB] 2 3 4 6

12,4

A tte n u a z io n i tip ic h e a 2,4 GHz.

E Z V Loss and signal fading In un collegam ento radio, per risalire alla necessa­ ria potenza di trasm issione, nota la sensibilità del ricevitore, va considerata l'attenuazione (loss) di spazio libero do vuta alla dispersione dell'energia nello spazio, indicata con AttsL o, nella m a g g io r p a rte dei casi, con il c o rris p o n d e n te inglese Lfs

In u n o spazio chiuso, in a g g iu n ta alle on de d i­ rette, possono giungere al ricevitore anche onde in d ire tte p ro ve n ie n ti da riflessioni sugli o g g e tti circostanti (percorsi m u ltip li, fig . 9.12), con ritardi di fase che in te rfe risco n o d istru ttiv a m e n te con le on de d irette, secondo un fe n o m e n o n o to com e signal fading (in d e b o lim e n to del segnale).

(Loss Free Space). L 'a tte n u a zio n e di spazio lib e ro a u m e n ta con il q u a d ra to della distanza, com e evidenziato dalla fo rm u la Lfs = 1 0 lo g 10( ^ - ^ ) 2

Esem pio di percorsi m u ltip li.

I percorsi m u ltip li so n o sem pre presenti e te n ­ d o n o a variare co s ta n te m e n te , con fading che pu ò superare i 30 dB, in cid e n do s u ll'a ffid a b ilità del co lle g a m e n to ; tu tta v ia , la cancellazione non è m ai to ta le , p e rché ciò pu ò accadere solo se so p ra g g iu n g o n o due segnali di pari am piezza e sfasam ento reciproco di 180°. II m e to d o più sem plice per superare il problem a

Range [fi] A n d a m e n to tip ic o d e ll'a tte n u a z io n e in d o o r e n e llo sp a zio libero.

347

UNITA DIDATTICA 9

del fa d in g in a m b ito in d o o r consiste nell'alimen­ tare la potenza trasm essa con un m a rg in e di 20-=-30 dB (link b u dg e t), d e tto anche m argine di fa d in g (fade m argin). Un seco n do m e to d o , u tiliz z a to nella te le fo n ia m o b ile , si basa, invece, sulla diversificazione dell'antenna, con l'im p ie g o di due o più a n ­ te n n e , d ista n zia te tra lo ro a lm e n o m ezza lu n ­ ghezza d 'o n d a , e di un ricevitore, le g g erm e n te più com plesso, che le tiene co sta n te m e n te s o tto te st e seleziona quella con la m iglio re qualità di segnale. A ltra soluzione applicata per superare il p ro b le ­ ma dei percorsi m u ltip li prevede l'u tiliz z o di un equalizzatore adattativo, da inserire d o p o che il segnale è sta to ricev uto e d ig ita lizza to , co sti­ tu ito da una serie di stadi di rita rd o a d a tta tiv i, so m m a ti tra loro (fig. 9.13).

Disponibilità del collegamento [%]

Margine di fading [dB]

90

10

99

20

99,9 99,99

30 40

99,999

50

Margine di fading e disponibilità del collegamento per ponti radio terrestri.

Esercizi svolti n. 11, 1 2 ,1 3 Esercizi da svolgere n. 16, 17, 18, 19, 20

Bande ISM e loro regolamentazione Le bande libere, u tiliz z a b ili senza licenza, sono n o te com e bande ISM (Industriai, Scientific and Medicai) e im piegate largam ente nelle applicazio­ ni com m erciali e consum er. Tali bande non sono o vu n q u e le m edesim e (tab. 9.4). In Europa, per esem pio, la banda a 900 M H z non è libera, per­ ché occupata dal GSM.

Digitized baseband input

Equalizzatore adattativo.

Banda ISM [MHz]

FCC 15.247 (U.S.)

ETSI (Europa) ETS 300 328

902 - 928

Sources, Family -► POWER_SOURCES, Component -* GROUND), rispe tto al quale il sim ulatore cal­ cola le tensioni degli a ltri nodi.

m

In s e rz io n e del m u lt im e t ro in f u n z io n a m e n t o v o ltm e t ro .

Il wattmetro è lo stru m e n to specifico per la m isura della potenza a valle della sezione di un circuito, o tte n u ta dal p ro d o tto tra una te n ­ sione e una co rren te (e un fa tto re di potenza in alternata).

Strumentazione disponibile

La s tru m e n ta z io n e v irtu a le a disp o sizio n e è varia e so fistica ta . C o m p re n d e gli s tru m e n ti di base (m u ltim e tro , g e n e ra to re di fu n z io n i, oscilloscopio) e m o lto a ltro (w a ttm e tro , ana­ lizzatore di spettro, ecc.).

V: 1.20 V I: -2.04 mA

R1

M/V 1 k£2

—

"■

E 10 v

i/Vattrreter-KV/Ml

XNMl

R2 ---- VvV 6S2 7

E1 Probe 1

l'h 8V

— T

-A M r R5 22kS2

V1 20 V

W a t tm e t ro in s e r it o in u n c irc u it o in c o n t in u a .

S tru m e n to M e a s u re m e n t P ro b e .

Lo s tru m e n to presenta q u a ttro m o rse tti p o ­ larizzati, due di te n s io n e e due di co rre n te , rispetto ai quali calcola la misura. Il w a ttm e tro in fig . 2 .14 , per esem pio, rip o rta la potenza consum ata dalla sezione 6-0, intesa con dire­ zione verso destra, il ris u lta to ne ga tivo sta a

M o lto pratico risulta lo stru m e n to Measure­ ment Probe (fig . 2 .1 2 ), da p o sizio n a re nel p u n to di interesse per visualizzare te nsio ni e c o rre n ti di o g n i tip o (c o n tin u a DC, e ffica ce RMS, picco-picco PP) e a ltro ancora, tu tto se­ lezionabile dalla relativa fin e stra dei param e-

19

indicare che la potenza è, invece, fo rn ita dal c irc u ito di destra, verso il resto della rete a sinistra.

2.5

frequenza e in fase, in te rfa ccia m e n to con PC e a ltro ancora. Comandi e predisposizioni Il pannello frontale dello stru m e n to ha so­ lita m e n te tre aree fu n z io n a li: visualizzatore, com andi e c o n n e tto ri di ingresso/uscita. Il visualizzatore, che nei m odelli più s o fisti­ cati è di tip o a lfa n u m e rico e presenta diverse in fo rm a zio n i relative al segnale generato, nei m odelli più com uni è co stitu ito sem plicem ente da un display n u m erico a più cifre, che riporta la frequenza del segnale. I comandi presenti sul pannello fro n ta le per­ m e tto n o di im postare tu tti i param etri ca ra t­ teristici del segnale da generare. Tra questi i più significativi e usati sono: • tasti per la selezione della gamma di fre­ quenze da generare (per esem pio, 8 tasti da 1 Hz a 10 M H z) e m anopola do pp ia per la re g o la zio n e grossolana (esterna) e fin e (inte rn a ) della frequenza (fig. 2.17);

G eneratore di funzioni

Il g eneratore di fu n z io n i (GDF) è un o stru m e n ­ to capace di generare segnali elettrici variabili, u tili per eseguire diverse operazioni di test o di sviluppo, su apparecchiature sia analogiche, sia d ig ita li (fig. 2.15).

Generatore di funzioni (GW Instek).

I segnali generati sono i più co m u n i: onda si­ nusoidale, quadra, triangolare, ecc. (fig. 2.16). È p o ssib ile , in o ltre , v a ria rn e la fre q u e n z a , l'am piezza, il duty-cycle (ra p p o rto tra la par­ te "p o s itiv a " e il p eriodo d e ll'o n da ) e l'o ffs e t (co m p o n e n te continua).

10K

□D Ò © ra s ti e m a n o p o la p e r la s e le z io n e d e lla .

[ Z Z I ____ Z Z I ____ Z Z I

Onda con livelli logici

re q u e n z a .

• ta s ti per la selezione del tipo di forma d'onda g e n e ra ta (q u a d ra , s in u s o id e , tria n g o lo ), m a nopola do pp ia per la regola­ zio n e grossolana (esterna) e fin e (inte rn a ) d e ll'a m p ie z z a del segnale ge ne ra to e tasti per l'e ve n tua le attenuazione "a s c a tti" di ta le am piezza (- 2 0 dB = 1/10; - 4 0 dB = 1/100) (fig. 2.18);

Onda triangolare

Onda sinusoidale

Onda quadra

Forme d'onda principali.

O ltre a queste ca ra tte ristiche base, i genera­ to ri più m o d e rn i o ffro n o anche a ltre possibi­ lità: generazione di fo rm e d 'o n d a arb itra rie, fu n z io n i di sweep (frequenza che a u m e n ta / dim inuisce in m o d o a u to m a tic o e co n tin uo ), segnali m o d u la ti in am piezza (am piezza che si m odifica in fu n z io n e di un a ltro segnale), in

d i

\A

.y s

-2 0d B

-4 0 d B

Tasti e manopola per la selezione della forma d'onda e l'impostazione della sua ampiezza.

20

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

• u lteriore m anopola doppia per la regolazio­ ne grossolana (esterna) e fin e (interna) della co m p o n e n te co n tin u a (offset) da sovrap­ porre al segnale prescelto.

fo rm a d 'o n d a è costruita m e diante em issione di ca m pioni d ig ita li ravvicinati e filtra ti. Seb­ bene la purezza del segnale nei prim i sia di regola, nei secondi la p ro g ra m m a b ilità e l'in te rfa ccia b ilità con a ltri stru m e n ti e con il PC li rende più interessanti e più pratici.

I connettori di uscita del segnale sono due, OUTPUT e TTL/CMOS (fig. 2.19). Sul co n n e tto re OUTPUT è d isp o nibile il segna­ le con le ca ra tte ristic h e im p o sta te m e d ia n te i relativi com andi e con im pedenza di uscita 50 Q. II c o n n e tto re TTL/CMOS rende, invece, d isp o ­ nibile un a ltro segnale, con frequenza e d u ty cycle identici al precedente, ma con am piezza fissa, com presa tra 0 e +5 V, da utilizzare con i circuiti d ig ita li.

OUTPUT

TTL/CMOS

Il generatore di funzioni NI Multisim Il g eneratore di fu n z io n i d isp o nibile nel pac­ c h e tto M u ltis im presenta tre m o rse tti, di cui il ce n tra le è lo zero. È selezionabile per tip o di segnale (sinusoide, tria n g o la re , q u adra), frequenza, d u ty cycle (tran n e che per la sinu­ soide), ampiezza del picco di ciascuno dei m or­ setti rispe tto allo zero ed eventuale offset. Il m o rs e tto ne ga tivo presenta ca ra tte ristiche duali ed è u tile per le a p p lica zio n i in d iffe ­ renziale.

50 ohm

y Connettori di uscita.

L'uso dello stru m en to , nel caso più sem plice, si pu ò schem atizzare in queste fasi operative: Q accensione (-► tasto POWER ON/OFF); 0 selezione della form a d 'o n d a ( - * tasti FOR­ MA d 'o n d a );

Tuorton Oenerator-XrOl

0 selezione della frequenza im m e d ia tam e nte superiore a quella desiderata (-» tasti FRE­ QUENZA);

M f-

0 re g olazione fin e della fre q u e n za ( - * ma­ nopola FREQUENZA display);

0 regolazione fin e dell'am piezza ( - *

m anopo­ la AMPIEZZA), non necessaria con i circuiti d ig ita li, laddove il segnale è prelevato dal c o n n e tto re TTL/CMOS;

0 prelevam ento del segnale dal c o n n e tto re di interesse, OUTPUT o p p u re TTL/CMOS 1 g e n e ra to ri di fu n z io n i sono d is tin ti in a n a ­ logici o d ig ita li in base alla tecnica u tilizzata in te rn a m e n te per la generazione dei segnali. M e n tre nei prim i si lavora su circuiti oscillanti an alog ici, nei dispositivi d ig ita li (fig. 2 .20 ) la

21

Segnale prodotto da GDF Multisim.

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

Nel circuito in fig . 2.21, per esem pio, l'am piez­ za del picco risulta im p o sta ta a 10 V, perciò la sinusoide d isp o nibile tra il m o rse tto p o s iti­ vo (+) e lo zero ha una escursione di ±10 V, co m e si p u ò vedere s u ll'o s c illo s c o p io , il cui asse verticale è sta to predisposto con 5 V al q u a d re tto .

deflessione, m e n tre quelli digitali "tra s fo r­ m a n o " il segnale in una serie di num eri che ve n go n o poi e la b orati, c o n v e rtiti in pixel e ri­ p o rta ti sullo scherm o com e p u nti. Oscilloscopi analogici

Gli oscilloscopi analogici, i prim i a essere stati costruiti, sono fa cilm e nte riconoscibili dalle di­ m ensioni e dal peso notevoli, quasi to ta lm e n te im p u ta b ili a ll'a p p a ra to di visualizzazione, cioè al tu b o ca todico. Un tip ic o schem a a blocchi d ell'oscilloscopio an alog ico è rip o rta to in fig. 2.23.

Oscilloscopio L'oscilloscopio è uno stru m en to indispensabile n e ll'a ttiv ità di o g n i la b o ra to rio te c n o lo g ic o , perché è il più id o n eo per visualizzare g ra fi­ ca m ente l'a n d a m e n to nel te m p o dei segnali e lettrici. Il suo utilizzo non è lim ita to al cam po e le ttro n ico , in q u a n to con o p p o rtu n i tra s d u t­ to ri, pu ò essere im p ie g a to per visualizzare la m a g g io r parte dei fe n o m e n i fisici. Struttura L'oscilloscopio, così co m e appare nei diversi m o d e lli in co m m e rcio (fig. 2.22), si presenta a ll'o p e ra to re con un'in te rfa ccia c o n tra d d is tin ­ ta da una parte di visualizzazione abbastanza standard e una parte com andi che cam bia no­ te vo lm e n te in base alla com plessità d e ll'a p p a ­ recchio. La visualizzazione del segnale e lettrico viene o tte n u ta con scherm o a fo sfo ri o p pu re su scherm o LCD (a cristalli liquidi).

Il segnale e le ttric o da visualizzare viene c a t­ tu ra to dalla sonda (probe), a m p lific a to o a t­ te n u a to dal blocco ve rtica le e a p p lic a to alle p la c c h e tte di d e fle s sio n e v e rtic a li, così da o rie n ta re o p p o rtu n a m e n te il pennello di e le t­ tro n i emesso dal tu b o a raggi catodici (CRT). Un segnale positivo fa d e fle tte re il pe nn e llo in alto, m entre un segnale negativo lo d e fle tte in basso. C o n te m p o ra n e a m e n te un sistem a orizzontale, co m a n d a to da un segnale a den­ te di sega ge ne ra to dal blocco orizzon ta le e sincronizzato da un circu ito di trigger, sposta il pennello in senso orizzontale, da sinistra a destra. La co m b in a zio n e dei due m o vim e n ti, co n tin ua m en te ripetuta, traccia la fo rm a d 'o n ­ da del segnale d ire tta m e n te sullo scherm o, rinfrescando i fo s fo ri di em issione con c o n ti­ nuità. Il blocco di trigger serve a fare in m odo che la scansione orizzon ta le del pennello inizi sem pre da llo stesso p u n to del segnale, garan-

) Oscilloscopio (HAMEG).

Per e n tra m b i è d e fin ib ile un asse verticale per la tensione (canale Y) e un asse orizzontale per il te m p o (canale X). Gli oscilloscopi possono essere analogici o d i­ gitali. Gli oscilloscopi analogici e la b oran o il segnale in m o d o c o n tin u o e lo rappresentano in m o d o an alog ico , u tiliz zan d o le placche di

22

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

te n d o così una visualizzazione chiara e stabile (fig. 2.24).

r\

a) S egnale non triggerato

r-J A \J

C A M P IO N A M E N T I

I V -AV- r V f \ V/ XJ

b) Semiale triggerato

D ig ita liz z a z io n e d i u n s e g n a le a n a lo g ic o .

a) Segnali non triggerati

b) Segnale triggerato

V is u a liz z a z io n e d i s e g n a li n o n t rig g e ra ti (a) e

Impostazioni

t rig g e ra ti (b).

L'utilizzo di un oscilloscopio è g iu s tific a to lad­ dove si vuole o tte n e re una visualizzazione si­ g nificativa e stabile di una fo rm a d 'o n d a , sulla quale eseguire misure sia di durata (asse X), sia di am piezza (asse Y). Per o tte n e re ciò, occorre operare alcune im postazioni m irate. Negli oscilloscopi an alog ici l'area di visualiz­ zazione è c o s titu ita da llo scherm o fro n ta le , in ve tro, del tu b o a raggi catodici. Su di esso viene ricavata una q u a d re tta tu ra (8x10) che può essere resa lum inosa per m iglio ra rn e la vi­ sibilità (fig. 2.27). Negli oscilloscopi d igitali con scherm o LCD la q u a d re tta tu ra viene, invece, tracciata co n te m p o ra n e a m e n te al segnale.

Oscilloscopi digitali

Gli oscilloscopi digitali (fig. 2.25) sono ca ra tte ­ rizzati da un blocco co nvertitore (ADC, Analog to Digital Converter), il quale converte il segna­ le di ingresso in una serie di ca m pioni n u m e ri­ ci, tali da descriverlo c o m p iu ta m e n te . Questi valori vengono m em orizzati e successivamente ric o n v e rtiti n e ll'im m a g in e m e d ia n te la c o m ­ posizione dei singoli pixel. La visualizzazione della fo rm a d 'o n d a avviene g e neralm ente su scherm i a cristalli liq u id i (LCD), più m an e g ge ­ voli e fu n zio n a li dei tu b i a raggi catodici. r

-----------------------

N r

a

Memoria ) -► Mfcroproc. di \acquisizioneJ V_______ J f

Memoria^ di ivisualizz.J ___> f

A Display c.____ J f

S c h e m a a b lo c c h i d i u n o s c illo s c o p io d ig ita le .

C om e in un oscilloscopio analogico, il blocco a m p lifica to re di ingresso pe rm e tte di adattare l'am piezza e la posizione del segnale. Il blocco ADC cam piona, ossia d ig ita liz z a , il segnale (fig. 2.26) a una frequenza (sample rate) scelta dallo stru m e n to , in base alla durata seleziona­ ta del segnale da visualizzare. Un m icroproces­ sore coordina tu tte le operazioni, interagisce con il p a n n e llo di selezione dei p a ra m e tri di m isura, elabora i d a ti n u m erici e gestisce lo scherm o di visualizzazione.

A r e a d i v is u a liz z a z io n e .

Per fa c ilita re la m isura del segnale, a ll'in te r­ no della q u a d re tta tu ra com pare una ulteriore suddivisione in cinque parti dei soli assi centrali (fig. 2.28).

23

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

Impostazioni dell'asse verticale (Y)

unità base a sse y L ______ A J

unità base a ssex

r

I co m a n d i verticali (fig. 2 .30 ) agiscono p rin ­ cip a lm en te sul blocco di a m p lifica zio n e /a tte nuazione del segnale in e n tra ta e, negli oscil­ loscopi analogici, sul blocco di co m a n d o delle placchette di deflessione verticale del pennello lum inoso.

i i i i 1 1 r 1

S u d d iv is io n e d e lla q u a d re tta t u ra .

V E R T IC A L

A cca n to all'area di visualizzazione, è presente il p a n n e llo fr o n ta le , so stitu ito negli o scillo­ scopi d ig ita li da un m enu di setup, suddiviso in q u a ttro aree fu n z io n a li (fig . 2.29): im p o ­ sta zio n i dell'asse ve rtica le (Y), im p o sta zio n i dell'asse orizzontale (X, base tem pi), selezione del segnale di trig g e r e im postazioni di visua­ lizzazione. M e n tre negli oscilloscopi analogici le im posta­ zioni sono o tte n u te m ediante azione m eccani­ ca su pulsanti e se le ttori fisici, negli s tru m e n ti digitali le medesim e selezioni sono sem pre più spesso o tte n u te q uali o p z io n i da un o o più m enu. È fo n d a m e n ta le essere consapevoli che, agen­ do sui com andi dell'oscilloscopio, si interviene solo a m odificare la m odalità di visualizzazione del segnale, ma non le sue ca ra tte ristiche fis i­ che; si tra tta in pratica di m o d ificare la "le n ­ te " di osservazione, m entre il segnale rim ane sem pre lo stesso.

Z A

ZA

P O S IT IO N

P O S IT IO N

A7 MATH M ENU

CURSOR1

i

CH 1 M ENU

□

J

CH 2 M ENU

□

VOLTS/DIV

5V

CURSOR 2

2mV

VOLTS/DIV

5V

2mV

C o m a n d i v e rtic a li.

Il co m ando POSIZIONE sposta in senso vertica­ le la posizione della fo rm a d 'o n d a a ll'in te rn o dell'area di visualizzazione (fig. 2.31).

P a n n e llo fro n t a le d i u n o s c illo s c o p io d ig ita le T e k tro n ix a d u e c a n a li.

24

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

esem pio per visualizzare con scala a m p lifica ta solo il ru m ore sovrapposto a un d e te rm in a to segnale c o n tin u o . La m a g g io r parte degli oscilloscopi dispone di più canali ve rtica li, così da rendere possibile l'acquisizione e la visualizzazione di più segnali co n tem p oran e a m e n te, per le ttu re co m p a ra te o per leggere gli sfasam enti reciproci. In q u e ­ sto caso i com andi verticali ve n go n o replicati in m o d o che o gni canale disponga dei p ro p ri co n tro lli.

■ VI

A z io n e del c o m a n d o P O S IZ IO N E v e rtic a le .

Il com ando VOLTS/DIV im posta il fa tto re di sca­ la dell'asse verticale, ovvero il valore in te n s io ­ ne di ciascun q u ad re tto (DIV) dell'asse Y (valori m in im i sono 1 o 2 mV). Se, per esem pio, il fa tto re viene im p o s ta to su 5 V, ogni divisione in verticale rappresenterà un'am piezza di 5 V, e l'in te ro scherm o 4 0 V. La fig . 2 .3 2 rip o rta la m edesim a onda quadra u n ip o la re da 4 V visualizzata in scala 2 V /div e 1 V/div.

Impostazioni dell'asse orizzontale (X)

Negli oscilloscopi analogici i com andi o rizz o n ­ tali (fig. 2.34) agiscono sul blocco generatore del segnale a dente di sega che com anda le placchette di deflessione o rizz o n ta le m o d ifi­ ca n do la v e lo c ità di scansione del p e n n e llo lum inoso. Negli oscilloscopi d ig ita li, invece, i com andi o rizzontali agiscono sulla frequenza di c a m p io n a m e n to del blocco ADC. Il blocco com andi dell'asse orizzontale è unico anche negli oscilloscopi con più canali d 'in ­ gresso (m ultitraccia).

| i

;

...

•f-V)

!TV»

v/dtv

1 V/div

C a m b io d i s c a la c o n il c o m a n d o V O L T S /D IV .

C om e si può vedere, agendo su tale com ando, il segnale visualizzato cam bia in am piezza in accordo al fa tto re di scala im po sta to . Il co m ando CH1 MENU raggruppa una serie di com andi legati alla visualizzazione del segnale, il più im p o rta n te dei quali è GND-DC-AC (fig. 2.33).

H O R IZ O N T A L MENU

□ S E C /D IV

5s

5ns

C o m a n d i o riz z o n t a li.

Il com ando POSIZIONE sposta in senso orizzon­ tale la fo rm a d 'o n d a visualizzata (fig. 2.35).

C o m a n d o G N D -D C -A C .

GND serve a visualizzare una riga di massa per il p o sizio n a m e n to co rre tto de llo zero. C on DC il segnale viene visualizzato così com e è, senza lim ita zio n i, m entre con AC viene ri­ p o rta ta in visualizzazione s o lta n to la c o m p o ­ n e nte variabile del segnale e non la sua c o m ­ ponente continua (il suo valor medio), utile per

A z io n e del c o m a n d o P O S IZ IO N E o riz z o n t a le .

25

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

Il co m a n d o SEC/DIV im posta il fa tto re di scala o rizzontale, o w e ro il valore di un q u a d re tto in te rm in i di te m p o , dai nanosecondi ai secondi (fig. 2.36).

Tv./|

va o negativa) inizia la fase di sincronizzazione (fig. 2.38). Le modalità {mode) d 'u so più com uni sono: NORMAL, AUTO e SINGLE. In fu n z io n a m e n to N O R M A L, l'o s c illo s c o p io visualizza l'o n d a solo se vie n e ra g g iu n to il p u n to di trig g e r; in caso co n tra rio , nei m odelli analogici lo scherm o appare buio, m entre in quelli d ig ita li rim ane visualizzata l'u ltim a im ­ m agine. In m o d a lità AUTO , l'oscilloscopio co n tin u a a visualizzare il segnale in ingresso anche se non scattano le condizioni di trig g e r; è una soluzio­ ne utile per verificare la presenza del segnale, in d ip e n d e n te m e n te dai sincronism i. In fu n z io n a m e n to SINGLE, l'o scillo sco p io v i­ sualizza solo la prim a traccia innescata da un trig g e r va lid o e va ria rm a to m a n u a lm e n te a o g ni acquisizione. M entre negli oscilloscopi analogici l'inizio della traccia è d e te rm in a to dal trig g e r, in quelli d ig i­ tali può situarsi in q u a lu n q u e posizione dello scherm o, ta n to che le due zone a sinistra e a destra del trig g e r p re n d o n o il n o m e di p re ­ trig g e r e post-trigger.

[iv i

Ziiydiv

irro tti

A z io n e del c o m a n d o S E C /D IV .

Impostazioni di trigger

I param etri di trig g e r (fig. 2.37) servono a sin­ cronizzare la scansione orizzontale della traccia su un p u n to prestabilito del segnale in entrata, così che un segnale ripe titivo risulti visualizzato in m o d o stabile. I com andi da im postare sono q u a ttro : livello {level), fro n te (s/ope), m o d a lità {mode) e te m p o di attesa (holdoff). II livello {level) di trig g e r stabilisce a qu ale valore d e ll'a m p ie zza del segnale in ingresso d e bba iniziare la visualizzazione. Se il livello di trig g e r sce lto risulta e sterno al ra n g e del segnale in ingresso, questo non risulta trig gerato.

Livello Fonte di salita Il livello

Fonte di discesa

.

di trigger f

Intervallo di

Intervallo di

Intervallo di

acquisizione

acquisizione

acquisizione

m tm Tflftt V

può e sse re 7

Holdoff

regolato verticalmente

y

U

1

j

Y

Y

Holdoff

Holdoff

H 1

A z io n e del c o m a n d o d i

holdoff.

La pendenza del trigger può e ssere Salita o D iscesa

Il tempo di attesa (holdoff) è un in tervallo di te m p o selezionabile, che inizia dopo un trig g e r valido, d u ra n te il quale l'oscilloscopio rim ane insensibile a u lte rio ri stim oli di trigger. Questa possibilità è utile per visualizzare un segnale complesso, caratterizzato dalla presenza di più p u n ti di trig g e r validi, che p o rte re bb e ro a una ritraccia casuale del segnale. Nel tre n o di im pulsi rip o rta to in fig . 2.39, per esem pio, so n o presenti tre possibili trig g e r, co rrisp on d e n ti ai tre fro n ti di salita degli im ­ pulsi. In fu n z io n a m e n to NORMAL, te rm in a ta una visualizzazione, la nuova scherm ata visua­ lizzerebbe il segnale a partire dal p rim o fro n te

P a ra m e tri d i trig g e r.

A z io n e del c o m a n d o slo p e .

La selezione del fronte (s/ope) d e te rm in a su quale pendenza del segnale d'ingresso (p ositi­

26

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

valido, cioè dal secondo im pulso, a lte rn a n d o scherm ate d iffe re n ti che p o rte re bb e ro a una visualizzazione instabile e caotica. Regolando o p p o rtu n a m e n te il te m p o di attesa, l'o s c illo ­ scopio esegue il trig g e r solo sul p rim o im pulso del treno.

s/ope im postate. Questa possibilità va indicata nelle o p zio ni di trigger. La fig . 2.41 rip o rta com e esem pio il risultato (sem plificato) di una acquisizione o tte n u ta con un oscilloscopio d ig ita le a q u a ttro tracce. *lo

Impostazioni di visualizzazione I c o m a n d i di v is u a liz z a z io n e in te rv e n g o n o su ll'a sp e tto e sulla m o d a lità di visualizzazio­ ne del segnale. I principali sono: • INTENSITÀ, per il co n tro llo della lu m inosità della traccia visualizzata; • FOCUS, per la messa a fu o c o della traccia sullo scherm o (solo per oscilloscopi a n a lo ­ gici); • ALTERNATE, negli oscilloscopi analogici d o p ­ pia traccia, essendo u nico il pennello, i due canali vengono visualizzati alternativam ente (prim a tu tto C H 1, poi tu tto CH2), ciascuno con il p ro p rio trigger, p e rdendo le sfasature o rizzontali reciproche; • CHOPPED, negli oscilloscopi analogici d o p ­ pia traccia, q u an d o si voglia salvaguardare gli sfasam enti reciproci tra i due segnali, il trig g e r è unico (CH1 o p p u re CH2) e le due fo rm e d 'o n d a sono visualizzate a tra tti a l­ te rn i: un pezzo di CH1, un pezzo di CH2, un pezzo di CH1, ecc.

f:h:i

soomv

ss. 2»oiiiv

A c q u is iz io n e o tte n u ta c o n o s c illo s c o p io a q u a t tro tra c c e .

Si possono notare, in basso, i valori im p o sta ti relativi alle scale verticali dei singoli canali (CH1 = 2 0 0 m V /q u ad retto , ecc.), il valore della base tem pi (2 ns/quadretto), sorgente (CH2), livello (76 mV) e pendenza di trig g e r (su fro n te di d i­ scesa). Le q u a ttro freccette num erate a sinistra in dicano la posizione del livello zero di ciascu­ na traccia, m e n tre la freccia di destra indica la posizione del livello di trig g e r (76 m V sopra lo zero del canale 2). La lettera T a ll'In te rn o della scherm ata indica la posizione dell'istante di trigger. Per le operazioni di com pensazione del p a rti­ to re capacitivo presente nelle sonde a tte n u a trici (1 :1 0 ,1 :1 0 0 ), è d isp o nibile un co n n e tto re COM P. S O N D A (fig. 2.42) che fornisce u n 'o n ­ da quadra cam p io n e con frequenza 1 kHz.

Connettori di ingresso e di uscita

I segnali da visualizzare vanno p o rta ti a ll'o scil­ loscopio m e diante sonde scherm ate da allac­ ciare ai co n n e tto ri BNC di canale (CH1, CH2, ecc., fig . 2.40). CH 1

COMP. SO N D A

_n_

C o n n e tto re B N C p e r la s o n d a d i s e g n a le .

O ltre agli ingressi di canale è d isp o nibile un u lte rio re c o n n e tto re BNC per l'in tro d u z io n e e ve n tu a le di un segnale ave nte la fu n z io n e di sorgente esterna di trig g e r (EXT TRIG, fig . 2.29), sul quale hanno valore le op zio ni levele

C o n n e tto re p e r il p re lie v o d el s e g n a le c a m p io n e ,

27

Misurazioni

Le m isurazioni sui segnali in tensione, acquisiti e rip ro d o tti dall'oscilloscopio, possono essere e ffe ttu a te in diversi m o d i. È possibile u tiliz ­ zare il re tico lo , i cursori o una m isu ra zio n e a u to m atica. Il reticolo consente di eseguire una va lu ta zio ­ ne visiva, rapida, sem plice, anche se un p o ' approssim ativa, dell'a m p ie zza in te ns io ne di una fo rm a d 'o n d a , co n ta n d o le divisioni della p a rte di re tico lo interessata e m o ltip lic a n d o per il fa tto re di scala im po sta to . Per esem pio, se l'escursione picco-picco del se­ gnale im pegna o tto divisioni verticali principali del reticolo e il fa tto re di scala è 100 m V/div, la te nsio ne picco-picco vale

H—H A-

Tipo

Sergente

ratti Delta 670.0ps 1.493kHz Cursore 1 1S30ms Cursore 2 2.000ms

8 div • 100 mV/div = 800 mV Un secondo m e to d o di m isura utilizza coppie di cursori, di tensione o di te m p o , spostandoli sui punti di interesse per la m isura del segnale, sia assoluta, sia differenziale. In genere, sono resi d isp o nibili p re m endo l'a p p o s ito pulsante CURSORI e se le zio n a nd o n e il tip o (te n sio n e 0 te m p o ). 1 cursori di te n s io n e c o m p a io n o sul display com e righe o rizzon ta li (fig. 2 .43) e m isurano i param etri verticali, m e n tre i cursori di te m p o co m p a io n o co m e rig h e verticali (fig . 2 .44) e m isurano i param etri o rizzon ta li.

M is u r a z io n i c o n i c u r s o ri o riz z o n t a li.

In m odalità automatica, si possono im postare alcune m isure che l'o scillo sco p io e ffe ttu a in m o d o a u to m a tic o (fig. 2.45), con a g g io rn a ­ m e nto periodico e con risultati num erici senza d u b b io più a c cu ra ti ris p e tto alle m isure a p ­ prossim ate e ffe ttu a te con il re tico lo o con i cursori.

CH1 Freq. 1.000kHz CH1 Periodo 1.000ms CH1 Picco-Picco 5.12V CH1 T. salta 3.072 ps? CH1 Durata pos 500.0ps

^

M is u ra z io n i c o n i c u r s o ri v e rtic a li.

^

28

M i s u re a u to m a tic h e .

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

Tempo di salita

Il te m p o di salita è d e fin ito com e il te m p o che un segnale im piega per andare dal 10 al 9 0 % della sua am piezza (fig. 2.46).

tvis —

ts + tose

P ertanto è sem pre bene disporre di un oscil­ lo sco p io con te m p o di salita a lm e n o 5 v o l­ te m in o re ris p e tto a q u e llo del segnale. Per esem pio, per m isure su segnali con te m p o di salita di 2 ns, può bastare un oscilloscopio con salita di 2 ns = 0,4 ns 5 ovvero con banda m aggiore di 0,35 = 875 MHz 0,004 |js

P u rtroppo anche l'oscilloscopio ha un te m p o intrinseco di salita. C onsiderando per sem plicità l'oscilloscopio un sistema del p rim o ordine, con una sola costan­ te di te m p o t, il te m p o im pieg a to da un fro n te per passare dal 1 0% al 9 0 % vale

k -H tvis

tr = 2 , 2 x

T e m p o d i s a lit a v is u a liz z a t o .

e poiché la fre q u en za di ta g lio f t (che d eter­ m ina il valore della banda B) è vin co la ta alla co sta nte di te m p o

Aliasing nel dominio del tempo

L'aliasing si verifica quando l'oscilloscopio d ig i­ tale non cam piona il segnale con una fre q u e n ­ za sufficiente per ricostruire la form a d 'o nd a in m odo accurato. In questo caso, l'oscilloscopio visualizza una form a d 'o n d a con una fre q u e n ­ za in fe rio re ris p e tto alla fo rm a d 'o n d a d 'in ­ gresso co rren te (fig. 2.48), o p p u re una fo rm a d 'o n d a instabile.

la relazione tra banda e te m p o di salita vale B >' = 1 Ì F T = 0' 35 Per esem pio, un oscilloscopio con banda pas­ sante di 120 M H z, in tro d u ce in riprod u zio n e un te m p o di salita pari a

Forma d’onda ad alta-frequenza effettiva--------

U = 0,35/120 MHz = 2,91 ns

Forma d’onda a bassa-frequenza apparente a causa dell’aliasing

Negli oscilloscopi d ig ita li, la co sta n te m o lti­ plicativa è le g g e rm e n te più alta; d ip e nd e da marca e m odello. In o g n i caso, il te m p o di salita vis u a lizza to ( t v is; fig . 2 .47) co n tie ne e n tra m b i i c o n trib u ti, dell'oscilloscopio (W ) e del segnale (ts), secon­ do la relazione

/

P u n ti d e l - > ■ * '

sample

M

Ù

C

A lia s in g .

Senza entrare nel d e tta g lio dei problem i di ac-

29

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

quisizione d ig ita le , si può dire che la presenza di aliasing pu ò essere c o n tro lla ta ru o ta n d o la m a n o p ola SEC/DIV della scala o rizzontale. Se la stru ttu ra della fo rm a d 'o n d a varia in m o d o d ra stico , p u ò essere presente l'a liasing e la fo rm a visualizzata non è a tte n d ib ile .

d e ll'intervallo di te m p o (T2 - T1 ) che intercorre tra due eventi di interesse (fig. 2.50).

Gli oscilloscopi NI Multisim

M u ltisim dispone di diversi oscilloscopi per la sim ulazione, sia di base, a due e q u attro canali, sia evoluti. Gli oscilloscopi di base presentano un pannello o p e ra to re co m p le to ma essenziale, con tu tti i com andi o rizzon ta li, verticali e di trigger, di uso più com une. Nel circu ito in fig . 2 .49 , per esem pio, è rip o rta to il p a n n e llo di un o s c il­ lo sco p io di base, im p o s ta to a 10 m s/div in o riz z o n ta le e 2 V /d iv in ve rtica le, che rileva una sinusoide di ±5 V (2 V /div • 2,5 div), con p e rio d o 20 ms (1 0 m s/div • 2 div), d e riva ta da un p a rtito re b ila n cia to so lle cita to con un g eneratore da ±10 V, 50 Hz.

Gli oscilloscopi più e vo lu ti replicano, invece, il fro n ta le di a ltre tta n ti oscilloscopi com m erciali, tra questi il Tektronix d ig ita le a q u a ttro canali TDS2024.

2-7

Uso di gen erato re di funzioni e oscilloscopio

X?G1

-I-3H-

K3

1

C ollegando, m ediante una sonda BNC-BNC, il co n ne tto re OUTPUT del generatore di fu n z io n i (GDF) con il c o n n e tto re INPUT CH1 d e ll'o scil­ loscopio (fig. 2.51), si ha la possibilità di spe­ rim e n ta re la fu n z io n a lità dei com andi di en­ tra m b i gli stru m en ti.

r \-/ M t

k it

In s e rz io n e d i G D F e o s c illo s c o p io .

G D F e o s c illo s c o p io .

In visualizzazione sono anche d isp o nibili due c u rs o ri re g o la b ili, per le operazioni di m isura

Per la prova è s u ffic ie n te disporre di un generatore di fu n z io n i e conom ico, con range di

30

2. STRUMENTAZIONE DI BASE

fre q u en za 0,5 H z -h 5 M H z, dinam ica massima di te nsio ne a 10 V pp, e co m a n d o DC O ffset; co m e oscillo sco pio p u ò bastare un m o d e llo an alog ico con banda 50 M Hz. Si tra tta di im postare i com andi del generatore di fu n z io n i secondo i param etri desiderati per la form a d 'o n d a , visualizzarla sull'oscilloscopio e ritoccare le im postazioni del g eneratore fin o a o tten e re il segnale desiderato. L'oscilloscopio serve sia com e riscontro della co rretta im p o ­ stazione della fre q u en za , sia per la messa a p u n to di am piezza e o ffs e t del segnale.

ta, è possibile m odificare le im postazioni degli stru m e n ti fin o a visualizzare u n 'o n d a tria n g o ­ lare da 1 kHz, ± 1 ,4 V (2,8 V pp). Lo scopo della prova è di esercitarsi a un cor­ re tto uso delle s o tto d iv is io n i del q u a d ra n te dell'oscilloscopio. O gni q u a d re tto è diviso in cinque p a rti, o g n u n a delle quali vale 1/5 del fa tto re di scala im po sta to .

Predisposizione di onda triangolare

Si vuole predisporre il GDF per la g e nerazio­ ne di u n 'o n d a tria n g o la re da 1,25 kHz, ±1 V (2 V pp). Si può iniziare im postando il generatore di fu n ­ zioni per segnale tria n g o la re , range 1 kHz e o ffs e t a zero; osservando, poi, l'ind ica zion e di fre q u en za fo rn ita dal display, regolare la m a­ nopola Frequency sino a leggere 1,25 kHz. S u ll'o s c illo s c o p io se le zio n a re ca n ale C H 1, trig g e r in m o d a lità AUTO , so rgente di trig g e r C H 1 , con s/ope positiva e TRIGGER LEVEL = 0; im p o s ta re T IM E /D IV = 0,1 ms e VOLTS/DIV CH1 = 0,5 V; ru o ta re la m a nopola POSITION CH1 per visualizzare il segnale con lo zero al ce n tro dell'asse verticale; se necessario, rego­ lare INTENSITY e FOCUS sino a o tte n e re una visualizzazione nitida. Se la fo rm a d 'o n d a che com pare sullo scher­ m o non è stabile, è necessario sincerarsi che l'oscilloscopio sia predisposto in m o d o c o rre t­ to , scollegando la sonda dal lato generatore e co lle g a n d o la a ll'u s c ita del segnale di te st d e ll'o s c illo s c o p io . Il segnale a o n d a q u ad ra di te st dovrebbe com parire sullo scherm o, d i­ versam ente occorre ripetere le regolazioni di trig g e r dell'oscilloscopio, ve rifica nd o che non siano state inserite fu n z io n i indesiderate (per esem pio, CH 1+CH2). Q u a nd o il segnale è visualizzato e stabile, si pu ò procedere alla ta ra tu ra sul g eneratore sia della fre q u en za del segnale, fin o a o tte n e re un p e rio d o di 8 divisioni (pari a 0 ,8 ms), sia dell'am piezza, fin o a o tten e re un picco-picco di 4 d ivisio n i (p a ri a 2 V), c o m e in d ic a to in fig . 2.52. Una vo lta o tte n u ta la fo rm a d 'o n d a desidera­

O n d a tr ia n g o la r e ± 1 V, 1 , 2 5 kH z.

Se la m a n o p ola VOLTS/DIV fosse im postata su 1 V, o g ni frazione varrebbe 0,2 V, se im postata su 0,5 V, o gni parte varrebbe 0,1 V, e così via. A n a lo g o c rite rio si usa per l'asse dei te m p i. Per generare la nuova fo rm a d 'o n d a , si deve regolare l'a m p iezza del segnale a g e n d o sul g e ne ra to re di fu n z io n i, sino a q u a n d o l'a m ­ piezza picco-picco d e ll'o n d a non raggiunge i 2,8 V pp e il p eriodo 1 ms (fig. 2.53).

r

r »

0,1 nnsdiv

O n d a tr ia n g o la r e ± 1 ,4 V, 1 kH z.

31

m 2 . STRUMENTAZIONE DI BASE

La prova vuole rim arcare l'utilizzo della m odali­ tà di a ccoppiam ento DC-AC del MENU CH1. Poiché la com ponente alternata è m o lto piccola rispetto al valore m edio, bisogna procedere con due ta ra ture separate, secondo quest'ordine: Q predisporre l'oscilloscopio con traccia cen­ tra ta , 20 m V/div, acco p piam e nto A C , trig ­ g er su CH1 con livello zero, 2 ps/div (per vedere alm e n o due periodi co m p le ti); © predisporre e ta ra re la sinusoide 100 m V pp, 100 kHz; © p re d is p o r re l'o scillo sco p io per 1 V /d iv (la sinusoide appare appena percettibile), ac­ c o p p ia m e n to DC e a b ilita re la fu n z io n e o ffs e t sul generatore, regolandone il valore fin o a p o rta re il segnale a +2 V di valore m edio. È m o lto p robabile che inserendo la tensione di o ffs e t si perda il trig g e r sul segnale; in tal caso spostare TRIGGER LEVEL a tto rn o a +2 V, fin o ad agganciarlo (fig. 2.55).

Onda quadra con offset

Si vuole predisporre il GDF per la generazione di u n 'o n d a q u ad ra da 10 kHz, 4 V pp, o ffs e t (fu o ri zero) +1 V. La prova vuole rim arcare la fu n z io n e del livello o ffs e t del generatore. L'offset rappresenta la c o m p o n e n te c o n tin u a del segnale, perciò nel MENU CH1 seleziona­ re a cco p p ia m e n to DC. Si procede co stru e n do prim a la quadra a lte rn a ta ±2 V, 10 kHz, con le solite regolazioni di am piezza e frequenza, poi si sbilancia lo zero inserendo un o ffs e t +1 V.

1 V/ iiv

20

p s/div

1

V/div ;

2

O n d a q u a d ra + 3 V, - 1 V , 1 0 kHz.

p i/div

OV

C on la fu n z io n e o ffs e t inserita, il segnale ac­ quista una com ponente continua (valor m edio) diversa da zero e risulta spostato in alto rispet­ to al rife rim e n to di zero dell'oscilloscopio. D urante la regolazione d e ll'o ffse t è im po rta n te non m uovere POSITION CH1, per non perdere il rife rim e n to di zero dell'asse verticale. A l te rm in e , il segnale risultan te avrà picco p o ­ sitivo +3 V e picco negativo -1 V (fig. 2.54).

O n d a s in u s o id a le 1 0 0 kH z, 1 0 0 m V p p , o ffs e t + 2 V.

In a cco p p ia m e n to AC è, q u in d i, possibile vi­ sualizzare la sola c o m p o n e n te a lte rn a ta del segnale e, p o rta n d o la scala a 2 0 m V /d iv e TRIGGER LEVEL a zero, tararne il valore, m en­ tre, in a cco p p ia m e n to DC, il segnale viene vi­ sualizzato al co m p le to .

Onda sinusoidale con offset

Si vuole predisporre il GDF per la generazione di u n 'o n d a sinusoidale da 100 kHz, 100 m V pp, o ffs e t +2 V.

32

PROVE DI LABORATORIO

Codice colore I param etri principali di una resistenza sono tre: il valore nominale espresso in ohm , la tolle­ ranza in percentuale e la potenza espressa in w a tt, dissipabile dalla stessa senza che ne ve n g a n o a lte ra te le ca ra tte ris tic h e o rig in a li, che ne d e te rm in a le dim ensioni. I resistori più com unem ente usati presentano una tolleranza del 5 % , p o te n za Va W e va lo ri n o rm a lizza ti della serie E12 (12 valori per decade, scelti seco n do una p rogressione lo g a ritm ic a , ta b . 3.1).

Moltiplicatore 3astriscia

0

0

10»

-

1

1

10’

±1

Tolleranza 4a striscia

Valore 2a striscia

Nero M arrone Rosso

2

2

102

±2

A rancio

3

3

103

G iallo

4

4

104

±0.05 -

Verde

5

5

105

±0.5

106

±0.25

Blu

6

6

Viola

7

7

-

G rigio

8

8

-

Bianco

9

9

Oro

-

-

101

±5

A rgento

-

-

10-2

±10

±0.1 -

-

-

C o d ic e c o lo r e p e r r e s is te n z e 5 % .

Codice colore 3» 1a 2a 4a striscia striscia striscia striscia

Serie E12 1

Valore 1a striscia

La resistenza di un e le m e n to rappresenta la contrapposizione che l'elem ento o ffre al flusso delle cariche e le ttrich e che lo attraversano.

Colore

1 SCHEDA 1 - Misura di resistenze

1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4 .7 5.6 6.8 8.2 arancio arancio

arancio

oro

V a lo ri d e lla s e rie E 1 2 .

Il valore no m in a le della resistenza e la sua to l­ leranza sono indicati d ire tta m e n te sul c o n te ­ n ito re del co m p o n e n te (fig. 3.1), rispe tta n do le regole del "codice dei colori" che utilizza q u a ttro fasce co lo ra te , il cui s ig n ifica to è ri­ p o rta to in tab. 3.2.

Valore nominale 33-103 33.000 ±5% Q 27-102 2.700 ±5% Q

33 kQ 2,7 kQ

rosso

viola

rosso

oro

blu

g rig io

m a rro ­ ne

oro

68-10' ±5%

680 Q

680 Q

blu

g rig io

o ro

oro

68-10-' ±5%

6,8 Q

6,8 Q

E se m p i d i d e c o d ific a d e l c o d ic e c o lo r e a q u a ttro s tris c e .

lolleran za

Inllernn?n

Moltiplicatore

Multi pii calli i t

' y striscia

V alore 2 J striscia

2" striscia

V alore 1" striscia

1“ striscia

R e s is te re 5 % , c o n c o d ific a a q u a t t ro s tris c e . R e s is te re 1 % , c o n c o d ific a a c in q u e s tris c e .

Per ricavare il valore nom in a le della resistenza è su fficie n te riportare in sequenza i valori delle p rim e due strisce co lo ra te e m o ltiplica re per la potenza del dieci corrispondente al terzo co lo ­ re, com e in d ica to negli esem pi di tab. 3.3.

Le resistenze con to lle ra n z a in fe rio re al 5 % h a n n o una scala di va lo ri m o lto più estesa (E24, E48, E96 cioè 24, 4 8 , 96 va lo ri a ll'in ­ te rn o di una decade) e anche una segnatura

33

diversa. Ci sono resistenze con cinque strisce co lo ra te (3 per il valore, una il m o ltip lic a to re e una la tolleranza, fig . 3.2) e resistenze con il valore d ire tta m e n te sta m p a to sul c o n te n ito re (generalm ente quelle di precisione, a più bassa tolleranza). Per la decodifica del valore o h m ico vale la re­ gola precedente, ma con tre cifre num eriche m o ltip lica te per la potenza del dieci corrispon­ d e n te al q u a rto colore, com e in d ica to negli esem pi di tab. 3.4.

2,2 kQ ±5%

3a striscia 4a nero striscia 5a m arrone striscia

P

I

giallo

viola

O

m arrone

arancio

arancio

1a striscia 2a striscia arancio CO CO

■

O CO co o

O

O

o

O

CO co

CO CO

O O

i

3 90 kQ ±5% 47 Q ±5% 12 M Q ±5%

Codice colore

O

2,2-10 3 22-102 ±5% Q

rosso

Valore nominale

1a striscia 2a striscia 3a striscia 4a striscia 5a striscia

Codice colore

Valore nominale

333-10° ±1%

3 33 Q

3 38 kQ ± 1% 1,2 Q ±5%

3 33 Q

10 M Q ±5%

272-104 2 .7 20 .00 0 2,72 ±1% Q MQ

1 kQ ± 1% 100 Q ±5%

IEsempi di decodifica del codice colore a cinque

o o

03

o

‘>

o

~o

ao >

o o

co

co

o

15

oo

Z i

co

o

O

5a striscia

2a striscia

O "o

4a striscia

1a striscia

Codice colore Valore nominale

3 3 -1 0 2

3 .3 0 0

3,3

±5%

Q

kQ

o

O)

c5 o o

co

, 03

1k «

O

□

D

□

□

n

o

e

o

o

d

r lllllL S iJ ^ o o o . . » » » -H m k h

t»

O

D

®

D

D

,

A

Q

Q

1 1

l

l

a

d

o

c

1 -•

a i

a

i>

a a

a

p

-

a

a

o

a

a

o

o

a

t

9

3

CO

E 03 O 03

>

2,2 k

a

□

a

a

a

1a

a

a

□

S

ab

O 03

°

>

R

ab

calcolata m isurata

03 -O a ,

03

203 S SS °

R

R2

^

Due resistenze in parallelo.

fi

A R1

—

C irc u it o c o n d u e re s is te n z e in s e rie .

Rab Rab calcolata m isurata

1k

V alore rilevato dal codice colore

R2

R3

R4

R5

■ ^W v ------------ W r 3,3 k Q

6,8 k Q

Valore m isu ra to

Valore m isu ra to

V alore rilevato dal codice colore

F1

R2

W V - - - - - - - - - W V - - - - - - - - - - - V A ----1 kQ 2 ,2 k Q 4 ,7 k Q

2,2 k

D ue re s is te n z e in se rie .

^

Ripetere la prova per il circu ito e le ttrico di fig . 3.7, co m p le ta n d o la tab. 3.9 e per il circu ito di fig . 3.8 (tab. 3 .1 0 e tab. 3.11).

C ir c u ito m isto .

V alori teorici R1

Ri

r2

R3

Ra

Rs

1 kQ

2,2 kQ

4,7 kQ

3,3 kQ

6,8 kQ

V alori m isurati

A /W 1 kQ

R e s is te n z e c o m p o n e n t i il c irc u it o m isto .

A

B

R l2 3

R2

----- W v -----

V alori calcolati

2,2

V alori m isurati

kQ

R

45

R

ab

R e s is te n z e e q u iv a le n ti. « e o o o o c i o o t>

B

~

n

a

»

□

D

”

•

»

0

H B 3 >

'H IIIII- "

°

a

T ^

a

8

I l SCHEDA 3 - Misura di tensioni e correnti

r B

Per la misura di te nsio ni e co rre n ti in un cir­ c u ito , d u ra n te una verifica o un co lla u d o , si utilizza quasi esclusivam ente il m u ltim e tro .

C irc u it o c o n d u e re s is t e n z e in p a r a lle lo .

36

3. PROVE DI LABORATORIO

Predisposizione del multimetro in funzione voltmetro

Per eseguire misure di tensione, occorre predi­ sporre lo stru m e n to con la m anopola centrale in una delle posizioni del settore V continua, inserire lo spinotto nero nella boccola COM e lo spinotto rosso nella boccola V-Q-mA. A p ­ plicando i due puntali dello stru m e n to al circu­ ito in m isura, il display visualizza il potenziale del pu nta le rosso rispe tto al nero, preso com e rife rim e n to . Se la te nsio ne dovesse superare il valore del fondo scala selezionato, il display lo segnala la m peggiando (o in altri m odi specifici di o g n i m u ltim e tro ). In tal caso è s u fficie n te selezionare un fo n d o scala più elevato. Se la te nsio ne applicata sul p u n ta le rosso è m inore di quella presente sul p u n ta le nero, il display visualizzerà prim a delle cifre il sim bolo per indicare che la te nsio ne è negativa. A n c h e il m u ltim e tro presenta una sua resi­ stenza interna, d e ll'o rd in e dei M Q , perciò la sua presenza altera in qualche m o d o il circu ito stesso so tto m isura. Per i circuiti indicati nelle prove che seguono, perciò, per rendere trascu­ rabile l'errore sulla misura d o vuto alla presenza (a u to c o n s u m o ) d e llo s tru m e n to , sono state im p ie g a te solo resistenze d e ll'o rd in e dei kQ .

Circuito n. 1

V,

VB

Ve

Vb

Ve

V alori calcolati [V ] V alori m isurati [V ]

Misura di tensione

T e n s io n i re la t iv e a l c irc u it o n. 1.

Calcolare e m isurare le te nsio ni VA, VBe Vc, rife rite a massa, in d ica te nei tre c irc u iti che se g uono (fig. 3.9, 3 .10 , 3.11), e trascrivere i risultati nelle rispettive tabelle (tab. 3.12, 3.13, 3.14). Fasi operative: O calcolare i valori te o ric i delle singole te n ­ sioni e rip o rta rli in tabella; 0 m o n ta re il circu ito su breadboard; 0 predisporre l'a lim e n ta to re a +12 V e c o l­ legarlo alla basetta, m e diante due cavetti inseriti nei fo ri delle righ e estrem e indicate con + e 0 toccare con il puntale nero del m u ltim e tro il ca ve tto GND (se non isolato) o uno dei term inali inferiori del circuito e mantenerlo in tale posizione per tu tte le a ltre m isure (potenziale di riferimento negativo); 0 to cca re con il puntale rosso i p u n ti di m isura e trascrivere i risultati in ta be lla, a co n ferm a dei calcoli teorici.

Circuito n. 2

Va

V alori calcolati [V ] V alori m isurati [V ] T e n s io n i r e la t iv e a l c irc u it o n .

37

2.

3. PROVE DI LABORATORIO

l^fM

te rm ina li della resistenza da 1 kQ e chiudere e ste rn a m e n te il c o lle g a m e n to che è v e n u to m eno, attraverso i due p u ntali del m u ltim e tro (fig. 3.13).

R?

^ 2.2 kohm

^ 3 3 kohm

i ___ _ J

> 2 .1 k o h m

r > 4.7 Roh m

C ir c u it o n. 3.

Circuito n. 3

VA

Vb

Ve

V alori calcolati [V ] V alori m isurati [V ] T e n s io n i re la tiv e a l c irc u it o n. 3.

o

a

d

n

n n n n

Predisposizione del multimetro in funzione amperometro

d

Per m isurare la corrente è richiesta u n 'a tte n ­ zio n e m a g g io re ris p e tto alle p re ce d en ti m i­ sure di resistenza e tensione, poiché si tra tta di in te rro m p e re m o m e n ta n e a m e n te il ram o del circu ito so tto m isura, per inserirvi, in serie, l'a m p e ro m e tro (fig. 3.12). È m o lto im p o rta n ­ te, per non falsare la m isura, che la resisten­ za interna de llo stru m e n to , che fu n z io n a da a m p e ro m e tro , sia m o lto m inore ris p e tto alle resistenze in serie nel ram o, in m o d o che la sua presenza appaia in in flu e n te sui risu lta ti della m isura stessa.

n

In s e rz io n e d e l m u lt im e t ro p e r la m is u ra d e lla co rre n te .

Il risultato espresso sul display è positivo qu an ­ do la corrente entra dal m orsetto positivo (ros­ so) ed esce dal n e g a tiv o (nero, C O M ); se il ris u lta to è ne ga tivo significa che la co rren te sta scorrendo in senso inverso. Misura di corrente

0 .1 3 2 A

,03; :

Calcolare e m isurare le correnti circolanti nei ram i dei circuiti indicati in fig . 3.14, 3.15, 3.16 e trascrivere i risultati nelle risp e ttive tabelle (tab. 3.15, 3 .1 6 , 3.17). Fasi operative: 0 calcolare i valori te o ric i delle sin g o le cor­ renti e rip o rta rli in tabella; 0 m o n ta re il circu ito su breadboard; 0 predisporre l'a lim e n ta to re a +12 V e col le­ garlo alla basetta; o predisporre il m u ltim e tro per m isure di cor­ rente; 0 estrarre un term inale di una delle resistenze

0 .1 2 A .

— H -------12V I— r > ------ V v V --------3 C I 2 1 HO 1

*7 T U -

In s e rz io n e d e ll'a m p e ro m e t ro .

O p e ra n d o fisica m e n te sulla basetta, per m i­ surare la co rren te I, occorre estrarre uno dei

38

3. PROVE DI LABORATORIO

del ram o s o tto m isura e collegarlo al p u n ­ tale rosso del m u ltim e tro ; 0 collegare il pu nta le nero a uno dei fo ri a p ­ p a rte ne n ti al nodo, nel quale era inserito il te rm in a le della resistenza sollevata; 0 le g g ere il va lo re di c o rre n te m is u ra to e tra scrive rlo nella ta b e lla , a c o n fe rm a dei calcoli teorici.

Circuito n. 2 V alori calcolati [m A ] V alori m is u ra ti [m A ] Correnti relative al circuito n. 2.

Circuito n. 3

1

1,

l2

l3

L

l5

Valori calcolati [m A l Valori m isu ra ti [m A l j Correnti relative al circuito n. 3.

Circuito n. 1

r ^

n

V alore calcolato [m A ]

1 SCHEDA 4 Risoluzione delle reti con NI Multisim

V alore m isurato [m A ] C orrente relativa al circuito n. 1.

L'am biente NI M u ltis im dispone di una solida libreria di s tru m e n ti per la m isura e la m es­ sa a p u n to dei circuiti e le ttrici ed e le ttro n ici. L'abilità d e ll'o p e ra to re sta nello scegliere gli s tru m e n ti a d e g u a ti e allocarli co rre tta m e n te a ll'in te rn o del circu ito in esame. O ltre a d e te rm in a re in m o d o ra pido tensioni e c o rre n ti in un c irc u ito , NI M u ltis im risulta u n o s tru m e n to m o lto p ra tic o per ve rifica re la correttezza dei calcoli e delle soluzioni agli esercizi proposti. Scelta e allocazione degli strumenti virtuali

Si supponga, per esempio, di voler conoscere la resistenza equivalente vista dal generatore del

39

3. PROVE DI LABORATORIO

circu ito in fig . 3.17 e i valori della tensione e della corrente relativi alle resistenze R5 e R3.

caduta su R10 è d iretta da destra a sinistra), C om pletare la tab. 3.20.

M isu re rile v a te

tip o

fu n zio n e

Analyses -> DC Operating Point, si ha la possibilità di com porre una tabella di grandezze da rilevare, scegliendo tra le tensioni dei nodi, le co rren ti e le pote n ze di o gni c o m p o n e n te della rete. La ta be lla d ive n ta a ttiva clicca nd o sul ta sto

A

AAAr 1 kO

8V

B

Simulate. Per evidenziare la n um erazione dei nodi, sele­ zionare Options -► Sheet Properties -► Circuit e spuntare l'o p z io n e Net names -> Show all.

Circuito n. 4.

Modello A-B Eeq

leq

Req

Modello C-A Eeq

Req

Modello C-B Eeq

leq

Req

leq

IBSCHEDA 5 - Misure sui condensatori I condensatori sono dispositivi elettrici in grado di accum ulare cariche elettriche.

M isure relative al circuito n. 4.

Misura della costante di tempo

Si vuole sp e rim en ta re in m o d o p ra tico , m e­ diante generatore di fu n z io n i e oscilloscopio, i transitori di carica e scarica di un condensatore s o tto p o sto a una tensione quadra. C om e è n o to , caricando un condensatore con un g eneratore di tensione costante e una re­ sistenza, la te nsio ne ai capi del con de n sa to re assum e un a n d a m e n to esponenziale che si pu ò considerare co m p le ta to d o p o circa 5 t (fig. 3.27), d o v e r è la co sta nte di te m p o del circu ito (r = R-C). La tensione sul condensa­ tore d o p o un te m p o pari a r vale il 6 3 % del valore finale.

CX Operating P:in: Anslyste Cuou: | A*ay35 0ptoi£ | Suivncry | Von:bfc3 r orcu:

sdezted v:ri3blc3 for anolyoQ:

Ip2)

--m

«Ie:) ?) tp-U =5(ve) «u;

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IP3> Ip5)

=(ve.ì

vW

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v(-n -iltcr un scl:ctc: vù'obc3...

|

Fi il rXIHh-SM II

|

Addexp-seston...

-iter jo e c e d vano:l:c

Add deM^/irodel psia-netei... Orlile reeclid vdio.li

Sdezt •/aiisbtec to save

U Or»ph*fVi«v» V>ev> G»»ph Trace Cuoce Lc-jtod Toolj Help «ai-A -, •, £? J “7 X OCOperettaPor« OC »V>S | Design2 DC O perating Point DCOptf •'sci ■ClUHn 1 Pfctì >3.00000 ? • •16.32560re 7.16174 t •« 1.20246 9 jVC«9 9.20246 10:VXJ)

fi* Un

OOtf Pwi

*

A

Q O

m

7

Scegliere una resistenza R = 10 kQ e un c o n ­ densatore C = 2,2 nF (fig. 3.28). C on questi valori la costante di te m p o risulta r = 22 ps.

[SekctedPaoramCCOpertinq Po«x

A nalisi in m odalità "DC Operating P oint"

42

3. PROVE DI LABORATORIO

Predisponendo il generatore per u n 'o n d a qu a ­ dra 0 -h 10 V, f = 1 kHz, gli intervalli di carica e di scarica durano ciascuno 500 ps, garantendo cicli rip e tu ti di carica e di scarica co m p le ta . S cegliendo per l'o s c illo s c o p io una scala dei te m p i di 5 ps (fig. 3.29), è possibile m isurare il te m p o im piegato dalla tensione per ra g g iu n ­ gere 6,3 V (il 6 3 % ). Q uesto in te rva llo è pari alla costante di te m p o del circuito: 5 ps/div • 4,4 div = 22 ps

R

- A A /V 10 kO

C : 2.2 nF

Rilievo della costante di tem po in simulazione.

Risposta di un circuito RC alla quadra

1

S o tto p o n e n d o un c irc u ito RC (resistenza e condensatore) a u n 'on d a quadra, l'a n d a m e n ­ to della te n s io n e sul co n d e n sa to re d ip e n d e dal te m p o di carica e scarica a disposizione. Se questo te m p o è lu n g o (> 5 t), risulta ancora una quadra, sebbene leggerm ente a rro to n d a ­ ta sui fro n ti; se, invece, il te m p o a disposizione è breve (< 0,1x), la tensione sul condensatore non fa a te m p o a m uoversi e, d o p o un tra n ­ s ito rio iniziale di assestam ento, si m a n tie n e p ra tica m e n te stabile a tto rn o al valore m edio del segnale di ingresso.

J - .•.Sv.'jO-ii.O, M isura della costante di tem po.

M isura della costante di tem po.

R

C

f

10kQ

2,2 nF

1 kHz

100 k£2 2,2 nF

1 kHz

100 k£2 100 nF

1 kHz

T

T/2

22 500

_ps_ ps

t -hT /2

T« T/2

Vmin VlMax AV [V] [V] [V] 0

10

10

100 k£2 100 nF 100 kHz 10 kQ

La m edesim a prova p u ò essere e se gu ita in sim ulazione con GDF e oscilloscopio NI M u l­ tisi m, fin o a o tte n e re la scherm ata rip o rta ta in fig . 3.30. C om e si può vedere, il secondo cursore taglia 6,32 V d o p o circa 22 ps.

2,2 nF 100 kHz Misure sul circuito RC.

U tiliz z a n d o i c o m p o n e n ti RC in d ic a ti in tab. 3 .2 5 , im p o sta re il GDF per una quadra

43

3. PROVE DI LABORATORIO

0 -r 10 V, con la frequenza specificata, e rile ­ vare con l'o scillo sco p io i valori m in im o e m as­ sim o della tensione sul condensatore. Rivelatore di fronti

A p p lica re una te n s io n e Vi q u a d ra 0 -e 10 V, 1 kHz, al c irc u ito CR in fig . 3.31 e vis u a liz­ zare e disegnare l'a n d a m e n to della tensione V o , prim a con il p o te n z io m e tro 100 kQ c o m ­ p le ta m e n te co rto c irc u ita to e poi in te ra m e n te inserito. 1n

0 - |---------------------- ----------- --------- * - t

ziali a ogni nuova sim ulazione, e in Parameters indicare gli istanti di inizio (Start time) e di te r­ m ine (End time) d e ll'in te rva llo di osservazione. Successivamente, a ll'In te rn o della cartella Out­ put, spostare nella fin e stra di destra le variabili che si v o g lio n o visualizzare nel grafico finale. Il tasto Simulate a ttiva l'analisi (fig. 3.32). C liccando sul g ra fico con il pulsante destro e selezionando Properties, appare la scheda Graph properties, m e d ia n te la quale è possibile im postare, per ogni asse, l'e tich e tta (Label), gli estremi della scala (Range -> Min/Max), i p unti di suddivisione della scala stessa ( Divisions) e l'a b ilita zio n e dell'asse (Axis -> Enabled). Al te rm in e , con OK si to rn a al g ra fico m o d i­ ficato. Nel g ra fico , due cursori possono essere spo­ stati m a n u a lm e n te o p p u re p o sizio n a ti in un p u n to preciso del d ia g ra m m a, a g en d o sulle o p zio ni del pulsante Cursor. I valori incrociati dai cu rso ri so n o d is p o n ib ili in una ap po sita tabella (Cursore Show Cursors).* 10

Rivelatore di fro n ti.

S ostituire il condensatore da 1 nF con un a ltro da 100 nF e ripetere la prova precedente, con il p o te n zio m e tro nelle due posizioni. C o m m e n ­ ta re i risultati. Multisim Transient Analysis

Transient Analysis è una m o d a lità di sim u la ­ zione che pe rm e tte di visualizzare i tra n sie n ti, ovvero le variazioni delle variabili di una rete a ll'in te rn o di un intervallo d e fin ito , fissando le co n d izio n i iniziali del processo. Per rilevare la co rren te di carica di un circu ­ ito RC, per e se m p io , basta c o lle g a rlo a un g e ne ra to re di te ns io ne costante e analizzare l'a n d a m e n to della co rren te nel condensatore o nella resistenza d u ra n te i prim i istanti, p o ­ n e ndo com e co n dizio n e iniziale che la rete sia c o m p le ta m e n te scarica. Una v o lta d ise g na ta la rete ed e v id e n z ia ti i nodi ( Options -> Sheet Properties -> Circuit, e spuntare l'o p zio n e Netnames -► Show all), selezionare Simulate -►Analyses -► Transient

Analysis. Nella finestra che appare, im postare nella car­ te lla Analysis parameters -► Initial Conditions -> Set to zero, per azzerare le co n d izio n i in i­

v j Transient Analysis.

Per il circu ito in fig . 3.32, con costante di te m ­ po 100 ps, si è scelta una sim u la zio n e da 1 ms. Da notare che p o sizio n a nd o il cursore a 100 ps, la tensione sul condensatore è a 6,3 V, m entre la co rren te , iniziata con un picco da 10 m A , è scesa a circa 3,7 m A , ovvero al 3 7 % del suo valore iniziale. Transitorio di carica a impulsi di tensione

Disegnato il circuito RC in fig . 3.33, visualizza­ re il tra n s ito rio di V1 e V2 nei prim i 50 ps, sa­ pendo che il generatore a im pulsi PULSE_VOLTAGE (fig. 3.34) ha le seguenti caratteristiche (Value): quadra, am piezza 0 -ri 0 V, frequenza 1 M H z, DC 5 0 % , rita rd o iniziale 2 ps.

3. PROVE DI LABORATORIO

R1

Il SCHEDA 6 - Misure sugli induttori

0

A/Vv------1

1 kO

Misura indiretta di una induttanza

V1

Si vu o le d e te rm in a re il valore di una in d u t­ ta n z a , rile v a n d o la c o s ta n te d i te m p o del tra n s ito rio di carica d e ll'in d u tto re m e d ia n te g eneratore di fu n z io n i e oscilloscopio. C om e è n o to , caricando un in d u tto re con un generatore di tensione costante e una resisten­ za, la te nsio ne ai capi d e ll'in d u tto re assume un a n d a m e n to esponenziale con picco inizia­ le m assim o e valore fin a le te n d e n te a zero, che si pu ò considerare c o m p le ta to d o p o circa 5t , dove r è la co sta nte di te m p o del circu ito (x = L / R).

Carica a impulsi di tensione. LISE VOLTAGE l:t> :l

U-pOy j

t e » !'

• EO.lt

l"3

J s :r fi:tó 3

[ iliJ V d lu t:

» 1 xo

'

D dr»Tm s

|J

—

• re in e

11

—

t/»ur

11 =UCE\Ydtl

-

li! S a

m

-g

| 0.5

c io d

|1

.*« •

Pulse Voltage.

C o m m e nta il g ra fico risultante. Transitorio di carica a impulsi di corrente

D isegnato il c ircu ito in fig . 3 .3 5 , visualizzare il tra n s ito rio di V1 nei prim i 30 ps, sapendo che il generatore a impulsi di corrente PULSE_CURRENT (fig. 3 .36) ha le seguenti caratteristiche {Value): quadra, am piezza 0 -e1 m A, frequenza 1 MHz, DC 5 0 % , rita rd o iniziale 2 ps. 1

Strum entazione utilizzata.

La tensione s u ll'in d u tto re d o p o un te m p o pari a x vale il 3 7 % del valore iniziale. M isurando la co sta nte di te m p o e conoscen­ do il valore della resistenza, è q u in di possibile risalire al valore d e ll'in d u tta n z a . Per eseguire la m isurazione indiretta, scegliere una resistenza R = 1 kQ e un in d u tto re di va­ lore in c o g n ito (fig. 3.37). Predisporre il gene­ ratore per una quadra 0 -r 10 V, f = 100 kHz, in m o d o da g a ra ntire cicli rip e tu ti di carica e di scarica. Scegliendo per l'oscilloscopio una scala dei te m p i o p p o rtu n a (tra le più basse, c o n sid e ra ti i va lo ri lim ita ti d elle in d u tta n z e d is p o n ib ili in la b o ra to rio o a u to c o s tru ite ), è

Carica a impulsi di corrente.

PUISECURREM

«hH ri^ìlnyj Value 'Tml-

j Phs

[ iili Rete a porte logiche.

Per la soluzione con m ultiplexer, tra tta n d o si di una rete con tre ingressi, basta un m u ltiplexer 8/1 (4051). Si p o n g o n o gli ingressi A, B e C della rete quali selettori di canale del m u ltip le ­ xer e si pre d isp o ng o n o al positivo o a massa gli ingressi dei singoli canali, seguendo l'ordine delle co m b inazioni di uscita della tabella della verità (fig. 3.62).

MUX, DEMUX con 4051.

V

1

+

V do

INO

OUT/IN

IN1

V

-o X

IN2

A B

IN3

c

IN4

1kohm

IN6

INH

IN7

-k /

c

-< / c

T

V,

T1=f i n i

JL ]

IN5

C

Ve 100 k

Circuito di uscita. Soluzione con m ultiplexer.

Sintesi di una rete combinatoria mediante multiplexer

Il SCHEDA 12 - Prove su encoder e decoder

Si vuole costruire la rete co m b in a to ria che rea­ lizza l'equazione logica X = À + B ■C + B • C , m e d ia n te p o rte logiche e m ultiplexer. Per la soluzione a porte logiche, si com pone pri­ ma la tabella della verità (tab. 3.30) e da questa si ricava la fu nzio ne risolutiva (fig. 3.61).

Si vuole sperim entare il fu n z io n a m e n to di alcu­ ni tra i dispositivi encoder e decoder, m ediante sem plici applicazioni pratiche. Encoder con priorità 4532 Visualizzare su tre LED (Q2, Q1, Q0) il codice binario del tasto p re m u to in una tastiera a o tto c o n ta tti, risolvendo anche i casi di pressione con tem p oran e a di più tasti, im p ie g a n d o il d i­ spositivo priority encoder 4532. il circuito in fig. 3.63 può essere sufficiente allo scopo. L'ingresso I7 è a p rio rità m aggiore. La rete resistiva da 100 kQ risolve i pro b le m i di in d e te rm in a z io n e , p o la riz z a n d o a massa gli ingressi liberi, c o rris p o n d e n ti ai ta sti non p rem uti.

B 0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

J

Tabella della verità.

52

3. PROVE DI LABORATORIO

andrebbero sostituiti da sensori di livello, con il sensore posto nella posizione più alta del ser­ batoio, q u in di con p rio rità più alta, co llegato all'Ingresso 17 (fig. 3.64). Leggendo la tabella della verità d e ll'in te g ra to 4 5 3 2 (fig. 3.65a), si scopre che le uscite sono a ttiva te solo qu an d o l'ingresso EIN si trova a livello 1 e che l'uscita EOUT è a livello 1 solo q u an d o nessun tasto risulta p re m u to . Questa caratteristica pe rm e tte di realizzare dei circuiti priority encoder con un n u m e ro m aggiore di ingressi, c o lle g a n d o l'uscita EOUT del p rim o in te g ra to a ll'in g re sso EIN di un seco n do in ­ te g ra to , che d ive n ta a p rio rità p iù bassa, e s o m m a n d o lo g ic a m e n te le uscite Q2, Q1 e QO dei due dispositivi (fig. 3.65b).

Rete con 4532.

Decoder per display 4511

d H

Il dispositivo4511 è un decoder BCD/7segmenti specifico per display a c a to d o co m u n e , con l'a g g iu n ta di a ltre fu n z io n i u tili nella fase di c o lla u d o (vedi la relativa ta b e lla della verità in fig . 3.66).

Serbatoio.

□ In p u t

De De

O u tp u t

De

d

X

X

0

0

0

X

X

X

X

X

X

X

X

X

1

X

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

E.„

d

_0_

X

1

0

0

0

1

1

X

X

1

0

1

X

1

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1 1

7

X

X

d

4

2

D, Do Gs Da Di Do

Eout

X

0 0 0 0 0

0

0

0

0

0

0

1

X

X

1

1

1

1

0

X

X

1

1

1

0

0

X

X

1

1

0

1

0

X

X

X

1

1

0

0

0

X X

X X

1 1

0

1

1

0

0

X 1

0

1

0

0

0

0

0

1

X

1

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

X

X

□ D 15 »

Tabella del display decoder 4511.

Lo schem a p ro p os to in fig . 3 .67 utilizza una rete resistiva da 4 7 0 Q x 8, per lim ita re a circa 7 m A la corrente nei segm enti. La sequenza delle operazioni da com piere, per verificare il fu n z io n a m e n to d e ll'in te g ra to e del circuito, segue la scansione delle righ e della tabella della verità. Collegare il pin 3 (LAMP TEST) a massa, per verificare la fu n z io n a lità del display (prim a riga). 0 Ripristinare il circu ito iniziale e collegare il pin 4 (BLANKING) a massa, per verificare che il display si oscuri (seconda riga).

o

Tabella della verità (a) ed espansione degli ingressi (b).

Il circuito p roposto in fig . 3.63 potrebbe anche essere utilizzato per stabilire il livello del liquido c o n te n u to in un serbatoio; in tal caso i tasti

53

3. PROVE DI LABORATORIO

0 Ripristinare il circu ito e, m e diante i q u a ttro c o n ta tti p o sti sugli ingressi A , B, C e D, im postare il codice di ingresso, ve rifica n d o tu tte le co m b in a zio n i, da 0 0 0 0 a 1111. 0 Impostare un codice di ingresso visualizzabi­ le dal display e portare il pin 5 (LATCH ENABLE) al positivo. Variare il codice di ingresso e verificare che il display non cam bi.

A

B

•/ •/

C

0 m em orizzare con oscilloscopio a m em oria il segnale che si o ttie n e sul p in 1 a o g n i pressione del pulsante; 0 osservare il c o m p o rta m e n to dei LED (il con­ te g g io è del tu tto casuale); 0 prem ere RESET per ve rifica rn e l'azione. C om e si p u ò osservare, il p u lsa n te da solo non è una buona sorgente di segnale per un contatore. Ogni volta che il pulsante viene pre­ m u to , si p ro d ucon o un num ero im precisato di rim balzi, con conseguente increm ento indeter­ m in a to del valore fin a le del co n te g g io . Per rendere p u lito il segnale di clock, è ne­ cessario aggiungere un circuito a n tirim b a lz o che, nel caso più semplice, può essere c o m p o ­ sto da una rete RC con in cascata un inverter trig g e r (fig. 3.70).

O

•/

Decodifica BCD/7segmenti.

B SCHEDA 13 - Prove sui contatori

Si vuole sperim entare in m o d o p ra tico il fu n ­ zio n a m e n to di due tra i dispositivi c o n ta to ri più sem plici.

TRUTH TABLE

Contatori binari e BCD

Il d is p o s itiv o C M O S 4 5 2 0 (o a n c h e TTL 7 4 H C 4 5 20 ) è un d o p p io c o n ta to re b in a rio a 4 b it (fig. 3.68); co n tie n e d ifa tti due c o n ta to ri identici e ind ip e nd e n ti tra loro, il cui co n teg g io si può increm entare col fro n te positivo del se­ gnale a p plica to al pin clock, o p pu re col fro n te ne ga tivo sul pin enable. Entram bi i c o n ta to ri possono essere azzerati in m o d o asincrono, a p p lica n d o un livello a lto sul pin di reset. L'in­ te g ra to 4 5 1 8 è sim ile (pin co m p a tib ile ), ma in versione BCD. Si vuole co n fig urare un c o n ta to re binario, con in crem ento sul fro n te di salita, reset asincrono e visualizzazione a LED. Nella prim a p ro p osta di fig . 3 .6 9 , il segnale di clock è derivato da un sem plice pulsante, senza alcun circu ito a n tirim ba lz o. Una vo lta e se g u ito il m o n ta g g io , seguire le fasi indicate:

CP

E

MR

OUTPUT STATE

t

H

l

Increment Counter

L

i

L

Increment Counter

1

X

L

No Change

X

r

L

No Change

t

L

L

No Change

H

i

L

No Change

X

X

H

Qo thru Q3 = L

Contatore 4520.

54

3. PROVE DI LABORATORIO

chi sim ili (fig. 3.72), d e riva n d o il clo ck per il blocco in cascata dal fro n te di discesa del b it di peso m aggiore della cifra che precede.

UNITA'

il

Circuito antirim balzo.

Il fu n z io n a m e n to è sem plice: il condensatore è n o rm a lm e n te carico a una te nsio ne di 5 V e l'uscita deH'inverter è a 0 logico. Q uando viene p re m u to il pulsante, il condensatore si scarica ista n ta n e a m e n te e, n o n o s ta n te i rim balzi di qualche m illisecondo, non riesce a caricarsi alla te nsio ne di scatto del trigger. La co sta nte di te m p o del circu ito di carica vale d ifa tti

CLOCK. 100 (clock per «ìItii moduli ili cascata)

C onteggio a due cifre.

Realizzando un co llegam ento in cascata di più m o d u li, ci si rende c o n to d e ll'u tilità , o ffe rta da alcuni in te gra ti c o n ta to ri, di avere due ingressi di clock, sensibili uno ai fro n ti di salita e uno ai fro n ti di discesa. Il blocco delle decine riceve il segnale di clock dal blocco delle unità; l'a va n za m e n to avviene, quindi, con il fro n te di discesa di Q4 (fig. 3.73). A n a lo g o ra g io n a m e n to vale per tu tti i blocchi successivi.

10 kQ • 1 pF = 10 ms Il fro n te p ro d o tto dal trig g e r è perciò unico, cioè p u lito Contatore BCD con display

La le ttu ra di un c o n ta to re con visualizzazione m e d ia n te singoli LED non è c e rta m e n te age­ vole; le persone che sanno contare in binario sono poche. A g g iu n g e n d o un decoder BCD/7 segm enti (fig. 3.71), è possibile co n vertire la co d ifica a 4 b it BCD in sim boli decim ali, azio ­ n a nd o i 7 segm enti di un display.

01

2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 . .

Q 4

UNITA’

1 _ I 1 X , / __ L

DECINE

DISPLAY

Segnale di avanzam ento decine.

1) SCHEDA 14 - Prove sui temporizzatori

Si vo gliono confrontare in m odo pratico le pre­ stazioni di alcuni circuiti te m p o riz z a to ri. RC e inverter trigger

L'astabile con RC e in ve rte r trig g e r in fig . 3 .7 4 presenta una fre q u e n z a poco rigorosa, per l'im p re cision e di tu tti i c o m p o n e n ti coinvolti. Si costruisca il circuito indicato con un inverter trig g e r d isp o nibile in la b o ra to rio e si m isuri il

J Conteggio a una cifra.

Per realizzare un co n ta to re decim ale a più ci­ fre , è s u fficie n te a g g iu n g e re , in cascata allo schema base provato in precedenza, altri bloc-

55

3. PROVE DI LABORATORIO

p e rio d o della fo rm a d 'o n d a o tte n u ta . Si c o n ­ fro n tin o tra loro le m isure o tte n u te dai diversi g ru p p i di lavoro.

+ Ve

12 v

Astabile con 555.

Si operi poi in sim ulazione (Simulate -> Analyses - * Transient Analysis), prim a con la porta CMOS 40 93 (fig. 3.75) e successivam ente con l'in v e rte r TTL 7 4 1 4 e si c o n fro n tin o i risultati.

R1

^WV1MO

U1A

U1A

T = S O 4093BP 5V :1pF C1

C1

Generatore di toni

S ostituire il LED con un piccolo a lto p a rla n te con im pedenza di 8 Q e 100 Q in serie (fig. 3.77) e il condensatore C con uno da 0,1 pF. Ricalcolare le due resistenze Ri e R2, necessarie per o tte n e re in uscita un suono di frequenza di circa 1 kHz.

R1 -A A A — 1 MO 2

7414N

:1MF

Altoparlante

8 Lì

A stabili CMOS e TTL

Astabile con 555

Il circ u ito in fig . 3 .7 6 rip o rta le connessioni necessarie per im pegnare il m u Itivibratore 555 in fu n z io n a m e n to astabile. Sapendo che il pe­ rio d o del segnale in uscita vale

Altoparlante.

Oscillatore con quarzo e inverter CMOS

Per realizzare un o scilla to re di precisione, è su fficie n te m ontare il circu ito di fig . 3.78, con inverter CM OS e quarzo (fig. 3.79). Per co m pletare la prova, seguire i passaggi: 0 realizzare su breadboard il circu ito ra ffig u ­ rato; Q a lim entare il circu ito con +5 V; 0 porre la sonda d ell'oscilloscopio sul te rm i­ nale di uscita d e ll'in v e rte r, visualizzare il segnale e m isurare la frequenza di oscilla­ zione. C om e si potrà notare dal risultato della misura, la fre q u en za di oscillazione rilevata in uscita

T = T on + Toff = 0 . 7 - (R i + R2) C + 0 . 7 R2 C

calcolare il valore che deve avere la resisten­ za R1( per o tte n e re un la m p e g g io del LED o g n i s e co n d o , una v o lta fissa ti C = 1 pF e R2= 4 7 0 kQ. M o n ta re p o i il c irc u ito e a lim e n ta rlo con + 12 V. Osservare il la m p e g g io e visualizzare con l'oscilloscopio le fo rm e d 'o n d a sul pin 3 (o u tp u t) e sul pin 2, c o n fro n ta n d o i te m p i cal­ colati te o rica m e n te con i rilievi pratici. C o n fro n ta re , successivam ente, i risultati o tte ­ n u ti dai diversi g ru p p i di lavoro.

56

3. PROVE DI LABORATORIO

è d e te rm in a ta solo dal valore del quarzo a d i­ sposizione. Nella m a g g io r p arte dei casi i valori di capa­ cità variano tra 15 pF e 56 pF; la resistenza in parallelo a ll'in v e rte r è com presa tra 1 M Q e 10 M Q , m entre la resistenza in serie al quarzo, tra 1 kQ e 10 kQ, ridu ce il co n su m o e può anche essere omessa. Se, in sostituzione del quarzo, si utilizza un ele­ m e n to risonatore ceram ico con condensatori in te rn i (fig. 3.80), il m o n ta g g io risulta ancora più sem plice.

o— f

IDI

T— O

HH

74H C 04

Risonatore ceramico. ------ r VSd 5 V ----------

WM— 10 M Q

> "1

•

inf— :

_Z22pF

T

;

I l SCHEDA 15 - Circuiti con temporizzatori

Rd kQ

22 pF

Si vuole analizzare il fu n z io n a m e n to di alcuni circuiti applicativi che im pieg a n o te m p o rizza ­ to ri.

Z

Jr

Misuratore di riflessi

Oscillatore con quarzo.

L'applicazione che si p ro p on e co in vo lg e due persone e serve a m isurare la capacità di ri­ spondere agli stim oli sensoriali. La prim a per­ sona, p re m e n d o casualm ente su un pulsante, fa generare un im pulso la cui durata può esse­ re variata da un m in im o di 0,01 s a circa 0,5 s. Una seconda persona, agendo su un altro pul­ sante, deve cercare di "c a ttu ra re " l'im p u lso ; se ci riesce si accende un LED. V a ria n d o la durata d e ll'im p u lso (agendo su un trim m e r di ta ra tura) si pu ò d e te rm in a re q u a n to è veloce la risposta della persona. Lo schem a a b lo cch i p ro p o s to (fig . 3 .8 1 ) è co m p o s to da un c irc u ito m o n o sta b ile , azio ­ n a to dalla persona verificatrice, e da un flip flo p di ca ttu ra . Il relativo schem a e le ttric o è rip o rta to in fig . 3.82. Per eseguire la m isura, procedere com e in d i­ cato di seguito: O co lla u d a re il c irc u ito m o n o s ta b ile , m o n ito ra n d o con un oscilloscopio a m em oria il segnale g e n e ra to (TP); Q tarare il trim m e r in m o d o da o tte n e re un im pulso di circa 0,2 s (conviene iniziare la prova con un te m p o discretam ente alto);

Quarzi.

I ris o n a to ri ce ram ici s fru tta n o il c o m p o rta ­ m e n to p ie zo e le ttrico , c a ra tte ristic o di alcuni e le m e n ti ce ra m ici, per ese m p io lo z irc o n io tita n a to . La loro frequenza di risonanza è m eno accura­ ta (per esem pio, ± 0 ,5 % ) rispetto ai quarzi, ma il loro costo è inferiore; ciò li rende co m p e titivi in tu tte quelle applicazioni che richiedono pre­ cisioni e sprim ibili in percento.

57

3. PROVE DI LABORATORIO

0 in vita re una seconda persona a prem ere il pulsante di ca ttura , non appena scorge il la m p e g g io del LED ve rd e (il LED rosso segnala se la prova è stata superata con successo); 0 ripetere la prova con te m p i sempre più bre­ vi, d o p o aver resettato il LED rosso.

0 110

0 10 1

nn

80 ps

Generatore di funzioni d ig ita li periodiche. Schema a blocchi.

Divisore di frequenza per tre +5V

La fig . 3 .8 4 p ro p o n e una s o lu zio n e per un divisore di frequenza m o d u lo tre. R eplicare il c irc u ito in a m b ie n te M u ltis im e co llaudarne il fu n z io n a m e n to .

+5V

M isuratore di riflessi.

Generatore di funzioni digitali periodiche

L'uso co m b in a to di un c o n ta to re e di un m ultip le x e r realizza un se m p lice g e n e ra to re di fu n z io n i d ig ita li periodiche. Un circu ito astabile, di p eriodo pari alla durata d e ll'Im p u lso u n ita rio da generare, increm enta liberam ente un co n tato re , le cui uscite fu n z io ­ nano da selettori per un m ultiplexer. Il m o d u lo del contatore è pari al num ero di im pulsi u n ita ­ ri della fo rm a d 'o n d a dig ita le da generare, così com e il n u m e ro di ingressi del m ultiplexer. Tali ingressi sono poi polarizzati nel rispe tto della sequenza desiderata. In fig . 3 .83 , un astabile di frequenza 100 kHz, un c o n ta to re m o d u lo o tto e un m u ltip le x e r a o tto ingressi, g e nerano un segnale d ig ita le di p e rio d o 8 0 ps, la cui fo rm a d 'o n d a replica p e rio d ica m e n te lo sta to logico d e gli ingressi del m ultiplexer.

Divisore per tre.

1 SCHEDA 1 6 -Misure suiPLL

Il PLL (Phase-LockedLoop, m aglia ad aggancio di fase) è un sistem a re tro a zio n a to in g ra d o di agganciare e inseguire in fre q u en za il segnale presente al suo ingresso. È c o m p o s to da un oscillatore c o n tro lla to in te nsio ne (VCO, Voltage Controlled Oscillator) e un rivelatore di fase con filtro passa basso. Rivelatore di fase

Un riv e la to re di fase p ro d uc e in uscita una te n s io n e (V0) p ro p o rz io n a le a llo sfasam ento (Aq>) esistente tra i due segnali applicati ai suoi ingressi

58

3. PROVE DI LABORATORIO

r1

V o = k • A(p

M u ltim e te r - X M M l

con k [V /rad] che rappresenta il g u a d a g n o di conversione. Se i segnali sono is o fre q u e n z ia li, V0 è una te n s io n e c o n tin u a ; in caso c o n tra rio risulta variabile. Nel circu ito di fig . 3 .85 , un c o n ta to re decadi­ co (4518) e un decoder BCD/decim ale (4028), a zio n ati da un clo ck a 1 kHz, p ro d u c o n o dieci segnali logici (Q0 a- Q9), con d u ty cycle 10% (ton = 1 ms, T = 10 ms), sfasati reciprocam ente di 1/10 di p eriodo (1 ms).

—

Misura della com ponente continua in uscita.

Lasciando l'ingresso CP1 del flip -flo p sem pre co lle g a to con l'u scita Q0 del 4 0 2 8 , spostare l'ingresso CD1 sulle diverse uscite del 4 0 2 8 e co m pletare la ta b. 3.31.

XSCl

Rivelatore di fase.

Uscita del 4028 connessa con CD1

Ritardo di fase rispetto a QO

Componente continua in uscita [V]

QO (pin 3)

0

0

Q1 (pin 14)

36°

Q2 (pin 2) Q3 (pin 15)

Il n u cle o del riv e la to re di fase è il flip -flo p 4 0 13 . Presa a rife rim e n to l'uscita Q0 del 4 0 2 8 (cana­ le A , fig . 3.86), ogni suo fro n te di salita setta l'u scita Q1 del 4 0 1 3 (canale C), m e n tre Q5 (canale B), in rita rdo di 5 /10 di p e rio d o (5 ms, 180°), la azzera a gendo a livello sull'ingresso di dear (CD 1).

Q4 (pin 1) Q5 (pin 6 ) Q6 (pin 7) Q7 (pin 4) Q8 (pin 9) Q9 (pin 5) Tensioni continue prodotte dal rivelatore di fase.

Forme d'onda visualizzate.

Un m u ltim e tro posto sull'uscita Q1 del flip -flo p m isura la c o m p o n e n te c o n tin u a del segnale p ro d o tto (fig. 3.87).

59

3. PROVE DI LABORATORIO

N o n o stan te si tra tti di due segnali d ig ita li, il rita rd o di fase è sta to v o lu ta m e n te espresso in gradi per evidenziare com e questi p o tre b ­ bero anche essere stati derivati da due sin u ­ soidi isofrequenziali, squadrate m e d ia n te un co m p a ra to re di zero. C o m m e n ta re i risultati o tte n u ti. A nalizzare la te nsio ne di uscita p ro d o tta dal circu ito in fig . 3 .8 8 e g iu stifica rn e il co m p o r­ ta m e n to . LM567

L 'in te g ra to tone decoder L M 5 6 7 (fig . 3 .89 ) co n tie n e un PLL con VCO a frequenza libera Applicazione per LIVI567.

f - _ y _

fo _ Ri C,

Calcolare il valore della fre q u en za libera del VCO

e dispone di un'uscita (Out) che va bassa qu an ­ do il segnale di ingresso (Vi) risulta agganciato in frequenza. I valori di C2 e C3 sono stati scelti nel rispetto delle indicazioni del c o stru tto re

fo - Ri - e , -

........... Hz

della banda di aggancio

rt-2 ^> -130 f— To

Bagg — f3

fi — ..........

e della banda di te n u ta C3 > 2 • C2

Bten

Una vo lta realizzato il circuito, si tra tta di ri­ levare q u a ttro valori di frequenza, gli estrem i della b a nd a di a g g a n c io e gli estrem i della banda di te n u ta , perciò: © a u m e n ta r e la fre q u e n z a del g e n e ra to re ±0,5 V picco fin o ad o tte n e re l'a g g a n cio (LED acceso) e m isurarne la frequenza

^2

f^l

..........

C om e sono situ a te le due bande rispe tto a f 0? Q uale banda è m aggiore? La frequenza del VCO in te rn o a ll'in te g ra to è rile va b ile sul pin 5, p e rciò rip e te re la prova osservandone il valore. Q uanto vale la frequenza in assenza di aggan­ cio? E d u ra n te l'a g g an cio?

f, = ..... Hz (frequenza inferiore di aggancio) PLL_Virtual

0 co n tin ua re ad aum entare la frequenza fin o

P redisporre il circ u ito di fig . 3 .90 , c o m p le to del g eneratore sinusoidale 1 V picco picco in ingresso e del dispositivo PLL_VIRTUAL con i param etri indicati. S connettendo il generatore, il PLL oscilla alla sua frequenza libera di 25 kHz. M o d ific a n d o la frequenza del generatore, ricercare la banda di aggancio

a perdere l'a g g an cio (LED spento) f2 = ......Hz (frequenza massima di tenuta) 0 ridurre la frequenza fin o a rio tte n e re l'a g ­ gancio f3 = ......Hz (frequenza superiore di aggancio)

B = 2 5 kHz ± ......

© ridu rre u lte rio rm e n te la fre q u en za fin o a perdere l'aggancio

Ridurre il g u a d a g n o di conversione del VCO a 1 kH zA/ e ricercare la nuova banda di a g ­ gancio

U = ......Hz (frequenza inferiore di tenuta)

60

3. PROVE DI LABORATORIO

m em orizzato, azio n an d o m a n u a lm e n te la se­ quenza dei com andi prevista nei cicli di lettura e scrittura. C om e in d ica to nel circu ito di fig . 3.91, la m e ­ m oria utilizzata è una RAM 2 k -8 , con 11 b it di indirizzo, 8 di d a to e 3 b it d i c o n tro llo : CS a b ilita zio n e d e ll'in te g ra to , W R c o n tro llo scrit­ tu ra e OE a b ilita zio n e dei b u ffe r di uscita. La selezione delle sedici celle è im po sta ta m a­ nualm ente, colle g a nd o ai 4 b it m eno s ig n ifi­ cativi degli u n d ici in d irizzi della m e m o ria le uscite di un c o n ta to re binario, p ilo ta to in in ­ gresso da un clock, realizzato con un pulsante e a n tirim b a lz o . Q u a ttro LED di segnalazione possono a iutare a conoscere lo sta to d e ll'in ­ dirizzo selezionato. L 'im postazione e la visualizzazione del d a to sono o tte n u te u tiliz z a n d o o tto d ip -s w itc h e o tto LED connessi com e in fig u ra . In fase di scrittura, il d a to viene im po sta to con il d ip -sw itch : se lo sw itch è su posizione ON, il d a to im p o sta to è 0; se, invece, è su posizione OFF, il d a to im po sta to è 1. In fase di le ttu ra , il d ip -s w itc h va to lto , per evitare c o n flitti con il d a to in uscita dalla RAM, m entre un LED acceso indica che il co rrisp on ­ dente b it vale 0. Per eseguire co rretta m e n te la scrittura, seguire le fasi indicate: predisporre una tabella con gli indirizzi delle sedici celle e i c o rris p o n d e n ti d a ti che si v o g lio n o scrivere; 0 collegare il pin OE al + 5 V; 0 preparare l'in d iriz z o della prim a cella in cui scrivere, resettando il co n tato re ; 0 preparare il dato da m em orizzare tra m ite il d ip -sw itch ; 0 prem ere e rilasciare il pulsante a ntirim balzo di W R per scrivere il dato; 0 increm entare il c o n ta to re e ripetere le fasi di preparazione dato e com ando di scrittura per tu tti i dati c o n te n u ti nella tabella.

B' = 25 kHz ± ...... Cosa è cam biato? R iportare il g u a d a g n o di conversione del VCO a 10 kHz/V, im postare la fre q u en za di oscil­ lazione libera a 15 kHz e ricercare la nuova banda di aggancio B" = .........kHz ± ....... XSC1

PLL.V1RPJA. I /ilir

m

| D fj U7\

[ =rl I

) ^ns

Fhase Detector O tv e r flo n G an

y,Y ac):

10.25

VCO Cznvcraon C o r (fcHz/vj:

I0

VCO H ee K u m n g i-recuencv

I 23

Lov/Fass “ Iter C utcffrie qu en cv;

|:

VCO C L t x t A r p ltjc c : FU ’ n p irO ffs p t:

"

| l i s i fifl k|

|0

kHz IH /

n

V

a SI “i

V

F D I i J L lO f sei;

fò

V

V C O O L tx t O fte t:

|q

V

A pplicazione con PLL_VIRTUAL.

o

Di nuovo con il g u ad a g no di conversione del VCO a 10 kH z/V e fre q u e n za di oscillazione libera a 15 kHz, ra d d o p p ia re il g u a d a g n o di conversione del rivelatore di fase (0,5 V /rad) e ricercare le bande di agga n cio e di te n u ta Bagg

= 15 kHz ± ......

Bten = 15 kHz ± ......

[fi SCHEDA 17 - Scrittura di una RAM statica

Si vo g lio n o sp e rim en ta re in m o d o p ra tico le o p e ra zio n i di scrittu ra e le ttu ra di una RAM statica.

Seguono, poi, le relative fasi di le ttura: 0to g lie re il d ip -sw itch ;__ © v e rific a r e che il pin WR sia a lto e po rta re OE basso; 0 increm entare progressivam ente il contatore e verificare sui LED dei d ati il c o n te n u to dei sedici valori inseriti.

Scrittura manuale di una RAM statica

Si vu o le m e m orizzare in una m e m oria RAM una serie di sedici d ati e poi rileggere q u a n to

61

3. PROVE DI LABORATORIO

module macch_stati (A, B, T, clo ck, re ­ se t, VC, VS, MR); in p u t A ,B ,T ,c lo c k ,re s e t ; output VC,VS,MR; // reg VC,VS,MR; reg [2 :0 ] cur_ sta te; reg [2 :0 ] next_state; always @(posedge clock) begin cu r_ state= next_state; i f (re s e t—0) begin VC-1' bO; VS-1 ' bO; MR-17bO; next_state=3' bOOO; end else begin case(cur_state) 37bOOO: begin VC-1' b l ; VS-l'bO ; MR-l'bO; i f (A——1 && B— 1) next_state=37bOOl; else next_state=37bOOO; end 37bOOl: begin VC-17bO; MR—17b l ; i f (T——1 )next_state—37bOlO; else next_state=37bOOl; end 37bOlO: begin MR-17bO; VS-17b l ; i f (A—0 && B—0) next_state=37bOOO; else n e xt_ sta te -3 7bOlO; end endease end end endmodule

Circuito per RAM 2 k - 8 .

1 SCHEDA 18 - Da Verilocj alla macchina a stati

Gli integrati a logica program m abile c o n te n g o ­ no svariati e le m e n ti logici elem entari che pos­ sono essere interconnessi a piacere in m odo da realizzare fu n z io n i lo giche più com plesse. Le interconnessioni sono realizzate a partire dalla descrizione, grafica o verbale, della fu n z io n e che si in te nd e ottenere.

^

Ingressi e uscite.

62

Un serbatoio di mescola dispone di due sensori di livello, a lto (A) e basso (B), di due valvole, di carico (VC) e di scarico (VS), di un a g ita to re con riscaldatore (M R) e di un te rm o s ta to (T). La gestione del serbatoio è stata realizzata con una CPLD (A ltera M A XII E P M 240T100C 5N ), m e d ia n te uno schem a (fig. 3.92) che include una m acchina a stati sincrona, scritta in Verilog (fig. 3.93). Dalla le ttu ra del listato di fig. 3.93, derivare il g ra fo della m acchina a stati.

\È SCHEDA 19 - Analisi di forme d'onda periodiche

La ricostruzione di alcuni segnali a partire dalle

nona

ottava

s e ttim a

sesta

0

q u in ta

6,365

q u arta

ampiezza

terza

seconda

Serbatoio di mescola

p rim a

V erilog è uno dei lin g u a g g i più utilizzati per la descrizione d e ll'h a rd w a re .

a rm o n ic a

3. PROVE DI LABORATORIO

■

Valori rilevati.

Ricostruzione della quadra

U tilizzando i risultati della prova precedente, si è v o lu to ricom p orre p a rzialm ente il segnale o rig in a le u tiliz za n d o le p rim e q u a ttro a rm o ­ niche s ig n ific a tiv e . Il ris u lta to o tte n u to è ri­ p o rta to in fig . 3.95. A tu o parere è coerente con le attese? Increm enta poi il num ero di c o m p o n e n ti fin o a evidenziare e m isurare il p a rtico la re fe n o ­ m eno di sovraelongazione presente sui fro n ti del segnale. Q u a nto vale? Perché appare?

3. PROVE DI LABORATORIO

è, q u in d i, un range di fre q u en za , m e n tre le a m p ie zze sono ra p p re s e n ta te in v o lt, in dB o in dB m . La te n s io n e di ru m o re g e n e ra ta dai c o m p o n e n ti in te rn i a llo s tru m e n to fo r­ m a una riga o rizzo n ta le di base che lim ita il valore in fe rio re delle am piezze (tip ic a m e n te —9 0 h— 100 dBm). L'analizzatore di sp ettro d ig ita le è in grado di testare la com posizione arm onica del segnale solo per m u ltipli della sua risoluzione, per qu e ­ sto m o tivo le righe tro va te , che non necessa­ riam e nte co in cid o n o con le vere c o m p o n e n ti a rm on ich e del segnale, ve n g o n o so lita m en te rappresentate c o n g iu n te tra loro, s o p ra ttu tto se vicine. L'analizzatore M u ltisim , lavorando in sim u la ­ zione, non evidenzia righe di rum ore di fo n d o nella rappresentazione delle am piezze. Il pannello fro n ta le p e rm e tte la predisposizio­ ne m a nuale dei p a ra m e tri di a cq uisizio n e e visualizzazione (fig. 3.96).

Le am piezze (A, [V]) delle a rm oniche possono essere rappresentate in tensione (Lin), in dB (in realtà dBV), o an che in dB m di pote n za sviluppata su un carico da 600 Q, con fa tto re di scala (Range) selezionabile. Il tasto REF d e fi­ nisce il valore della linea di rife rim e n to (visibile con Show refer). N e ll'e s e m p io in fig u ra , la c o m p o n e n te a 10 kHz, con a m p ie zza 0 ,5 V, viene d a ta a - 6 dB, m e n tre la c o m p o n e n te da 1 V vale 0 dB (in dBm i valori rispettivi sono -6 ,8 dBm e -0 ,8 dBm). La linea a 0 dBm corrisponde a una tensione efficace di 0 ,7 7 5 V 1Q !gi° g'07Q7^

1.000 = 10 Igiol = 0 dBm

A p plica re l'a n a lizza to re di sp e ttro a una qu a ­ dra sim m etrica ± 5 V, 1 kHz, DC 5 0 % e c o m ­ m entare i risultati o tte n u ti.

Hi SCHEDA 20 - Impedenza al variare della fre­ quenza

XSAl

Si vu o le sp e rim entare, in sim u la zio n e, la re­ lazione tra le grandezze e le ttrich e a ll'in te rn o di c irc u iti RC, RL e RLC al variare della fre ­ quenza. RC al variare della frequenza

Si vu o le tracciare, m e d iante sim ulazione, l'a n ­ d a m e n to del m o d u lo e della fase d e ll'im p e ­ denza vista dal g e ne ra to re per il circ u ito RC in fig . 3.97, da 10 Hz a 100 kHz. Rilevare in particolare i valori a 100 Hz e a 10 kHz (tab. 3.33) e co m m e nta re i risultati o tte n u ti. Spectrum Analyzer M ultisim .

C on la selezione Setspan, si dim ensiona l'asse orizzontale delle frequenze; si utilizzano i para­ m etri Start e End, i più im p o rta n ti, co n fe rm a ti i quali il sistema calcola a u tom aticam ente Cen­ ter (frequenza in te rm e d ia ) e Span (am piezza di banda). La risoluzione di frequenza è legata al num ero di ca m pioni elaborati (so litam ente 1.024, da cui A f = fenc/"I -024), m a am pliabili aprendo la fin e stra Set.

^ C ircuito RC.

Il segnale in d ica to nello schem a (Sources -► SIGNAL_VO LTAG E_SO URC E - * AC_VOLTAGE) è a frequenza fissa; ciò non to g lie che si possa

64

3. P R O V E D I L A B O R A T O R IO

selezionare la sim ulazione Simulate Analyses -► AC Analysis che u tiliz z a c o m e asse o rizz o n ta le la fre q u en za . Tra i p a ra m e tri del ge ne ra to re , il valore AC Analysis Magnitude rappresenta a p p u n to l'am piezza del segnale a fre q u en za variabile da utilizzarsi in analisi AC. Nel caso in d ica to in fig . 3 .98 , per l'analisi AC, il g eneratore è considerato da 1 V.

Frequenza [Hz]

Impedenza (ase

Modulo

10 0 10 k ^

Misure di impedenza.

RL al variare della frequenza

Si vu o le tracciare, m e d iante sim ulazione, l'a n ­ d a m e n to del m o d u lo e della fase d e ll'im p e ­ denza vista dal g e n e ra to re per il c irc u ito RL in fig . 3 .100, da 1 kHz a 10 M H z. Rilevare in particolare i valori a 10 kHz e a 1 M H z (tab. 3.34) e co m m e nta re i risultati o tte n u ti. R1

1

-AAvV 1 k fi

©

AC Voltage.

Per tra ccia re l'im p e d e n z a , nella ca rte lla AC Analysis c he si apre, selezionare la scheda Out­ put e, com e variabile selezionata per l'analisi, c o m p o rre l'espressione V(1)/I(R1), e v e n tu a l­ m e nte con l'uso di Edit expression. A ttiva re Simulate e, cliccando su ciascuna delle scale, a g g iu sta rn e gli estrem i com e in d ica to nella richiesta. C on l'a ttiv a z io n e e lo sco rri­ m e n to dei cursori è poi possibile rilevare m o ­ d u lo e fase dell'im pedenza nei punti desiderati (fig. 3.99).

I*

v**

4

m

fi* E*l V.«W Impostazioni ASCII, spuntare l'o p zio n e Eco dei

caratteri digitati localmente. Se si dispone di un solo PC con una sola porta, la prova può essere eseguita co rto c irc u ita n d o tra lo ro i pin 3 (TD) e 2 (RD), ricevendo in ta l m odo quel che si tra sm e tte (eco).

Livelli elettrici dei segnali Porre la sonda di un oscilloscopio con m e m o ­ ria tra il c o n d u tto re di trasm issione (pin 3) e il rife rim e n to di zero (pin 5) di una p o rta RS 232 e, prem endo rip e tu ta m e n te un o dei tasti della tastiera del PC, rilevare le variazioni di te n s io ­ ne in linea rispe tto allo sta to di riposo (stato di m ark) a - 1 0 V. In fig . 3 .1 4 3 , è rip o rta ta la fo rm a d 'o n d a rilevata d u ra n te la trasm issione del carattere ASCII " 0 " = 30H, a 9 .60 0 baud, 8 bit, nessuna parità e 1 b it di stop.

+10 V

Start

^ Selezione porta.

CQ >-)

Si

m 0

0

0

0

1 1

0

0

$

(S )

ri y -10 V -----104

1

1

1

1

1

1

PS

Nella finestra di dialogo che si apre (fig. 3.142), appare l'icona di una co rn e tta te le fon ica solle­ vata, a indicare che la p o rta è a ttiva e pronta a tra sm ette re e ricevere caratteri.

Codifica RS 232 del carattere ASCII " 0 ".

Sapendo che ciascun b it dura 104 ps, è possi­ bile decodificare il valore di o gni b it e notare che il PC invia il carattere a partire dal b it m eno sig n ifica tivo (30H = 0011 0 0 0 0 b). t: 5

-4“ IS B

mi

M SB

1

n. r> co

Finestra di dialogo. Carattere da identificare.

Una vo lta a ttiva ta una fin e stra analoga sul se­ co n do PC, collegare le due unità, con il cavetto DTE - DTE cross a tre c o n d u tto ri, e verificare che i caratteri co m posti sulla tastiera di un PC g iu n g a n o a ll'a ltro (e viceversa).

In fig . 3 .144, è rip o rta ta la codifica RS 232 di un carattere ASCII da identificare. Di quale ca­ rattere si tra tta ? Che valore h a nno i param etri di trasm issione?

3. PROVE DI LABORATORIO

1 SCHEDA 2 7 -P rove su RS 485

T I 7-

fi

RO L i

Si vo g lio n o sperim entare i livelli e le ttrici dello standard RS 485.

i n

B

DE IT

S

A

DI

5

GND

Da RS 232 a TTL

I driver per RS 48 5 fu n z io n a n o con livelli logici, p e rta n to bisogna prim a ripo rta re i livelli e le t­ tric i RS 232 a livelli 0 t +5 V, u tilizzan d o un in te g ra to co n ve rtito re quale, per esem pio, il M A X 232 (M axim ), che autocostruisce le due te nsio ni bilanciate (+ 1 0 V e - 1 0 V), a partire dal +5 V (fig. 3.145).

8

M ax 485.

Poiché l'in te g ra to c o n tie n e un rice tra s m e ttito re , a b ilita n d o in m o d o p e rm a n e n te sia il ricevitore (RE = 0) sia il tra s m e ttito re (DE = 1), si avrà l'eco del segnale trasm esso. Una v o lta c o m p o s to il circ u ito in fig . 3 .14 8 , m e diante un oscilloscopio con una sonda sul segnale A (pin 6) e una sul segnale B (pin 7), è possibile rilevare la d ifferenza tra i due segnali u tilizzan d o la fu n z io n e A-B (fig. 3.149).

-si n=;

5Y

J

C onvertitore di livello da RS 232 a TTL.

Una vo lta m o n ta to il circuito, tra sm ette re con H yperterm inal il carattere " 0 " e verificare con l'o sc illo sco p io sul pin 9 del M a x 232 i livelli TTL co rrisp o n d e n ti (fig . 3 .1 4 6 ), con lo stato di m ark a +5 V. P

S

+10 V

ù)

0

0

0

0

1

1

0

0

Oh O CO

R S 232

0 V

V B^D coniin Vi

3

c/5 5V — QV

Convertitore RS 232 - RS 485.

& 0

0

0

0

1

1

0

0

V)

+5 V

:

:

!

1 10

TTL

vAB

;

:

0 10

i

6

10

T TF tfW

^ L i v e l l i RS 232 e TTL.

Segnali per RS 485.

Da TTL a RS485

Poiché il tra s m e ttito re è sem pre a ttivo , la linea a riposo risulta polarizzata in stato di m ark con VAB = +5 V, senza bisogno d 'a ltro .

Per passare dai livelli single ended TTL al se­ gnale d iffe re n zia le RS 4 8 5 , si pu ò utilizzare, per esem pio, il driver M ax 48 5 (fig. 3.147).

80

3. PROVE DI LABORATORIO

IP address

B SCHEDA 28 - Serial device server

Un dispositivo serial server è sem pre fo rn ito con un corredo di so ftw a re , utile per rico n o ­ scerlo e c o n fig u ra rlo . Dispone, inoltre, di una serie di com andi di m o n ito r attivabili da seriale al reset. Se si tra tta di una prim a esperienza e non si conosce l'in d irizzo IP a ttu a le del dispositivo, si può operare dalla seriale RS 232, aprendo la C O M del PC m e d iante una finestra H yperterm inal con i param etri indicati nel m anuale del dispositivo (3 8 4 00 , 8, N, 1, Hw).

Si vu o le co lla u d are un c o n v e rtito re E th erne t seriale sta b ile n do un socket TCP/IP. Tibbo device server

Un serial device server p re se n ta una p o rta E thernet da un lato e una p o rta seriale asin­ crona su ll'a ltro. Nel caso del dispositivo T ibbo DS203 (fig. 3.150), si tra tta di una seriale RS 232.

D opo aver p re m u to il ta sto di reset del dispo­ sitivo, inviare il c o m a n d o di richiesta dell'IP a ttu a le (GET IP), d ig ita n d o la stringa di 5 ca­ ratteri ASCII Ctrl-B G I P CR te rm in a ta con il carattere di invio (CR = to rn a a capo = ODH), in risposta alla quale il siste­ ma fo rn isce il p ro p rio indirizzo, per esem pio 1.0.0.1.

Una volta a lim entato il dispositivo con una te n ­ sione co n tin ua tra 9 e 25 V, collegarlo al PC da e n tra m b i i la ti, u tilizzan d o due cavi cross, sia per la RS 232, sia per E thernet (fig. 3.151).

Per uscire dalla m o d a lità com andi, inviare Ctrl-B 0 CR o p pu re spegnere e riaccendere il dispositivo. Per c o n fig u ra re il d isp o sitivo , u tiliz z a n d o il so ftw a re da E thernet, è necessario predispor­ re l'in d irizzo della scheda locale del PC per il m edesim o se g m e n to di rete, e n tra n d o nella co n fig u ra z io n e delle pro p rie tà relative al p ro ­ to c o llo TCP/IPv4 della scheda (in Apri Centro

Serial device co n v e rte r

cross

cross

connessioni di rete Modifica impostazioni scheda -► Connessione alla rete locale LAN -► Proprietà- * Rete -► Protocollo Internet versione 4) e im p o s ta n d o un in d iriz z o fisso

PC! D B 9 -F

otn Eth.

RJ45

co m p a tib ile , quale, per esem pio 1.0.0.2, con maschera 2 5 5 .2 5 5 .0 .0 . Richiamare, a questo p u nto , Tibbo Connection Wizard, il so ftw a re di co n fig u ra z io n e in d o ta ­ zione (fig. 3 .15 2 ), e cliccare su Select from thè list, iniziando la ricerca dei dispositivi co lle g a ti che in d ivid u a il serial server in esame. Una vo lta selezionato, si procede in d ica n do a ltri param etri, quali chi è il p rim o a inviare i dati (l'ap p lic azion e sul PC) e il p ro to c o llo u ti­ lizzato (TCP/IP sul p o rt 1001).

Connessioni cross.

Un cavo E thernet cross incrocia le coppie 1-2 con 3-6, cioè il d o p p in o di trasm issione con q u e llo di ricezione, ed è da utilizzare solo per i co lle g a m e n ti d ire tti tra due dispositivi fin a li, senza interposizione di hu b o altro. Per eseguirne il co llaudo, è necessario c o n fi­ g u ra rlo per una com unicazione d iretta con un a p plica tivo sul PC.

81

3. PROVE DI LABORATORIO

scuno di essi, indicando per ciascuno l'in d iriz ­ zo IP (univoco) e il nu m e ro del p ort.

S ensore ► , sm art 1 J

D B 9-F Serial { de vie e

DB9-M

RJ45 Serial ■-[ de vie e

cavo straight through

---- 1RJ45 PC

cavo straight through DB9

2

Sensore sm art 2

HUB

C o m Eth. /R J 4 5

Rete di sensori sm art in RS 232.

Tibbo C onnection W izard.

H SCHEDA 29 - Prove sulla modulazione AM Collaudo A prire un canale di colle g a m e n to (socket), con p ro to c o llo TCP/IP (W insock), con il dispositivo di in d irizzo 1.0.0.1 sul p o rt 1001, u tiliz za n ­ do una seconda fin e stra H yp e rte rm in al (fig . 3.153).

****** ■M>pt>T«nnn«r e*

Si v o g lio n o s p e rim e n ta re in s im u la z io n e le caratteristiche di un segnale m o d u la to in a m ­ piezza. Segnale modulato AM

S elezionare tra i c o m p o n e n ti il g e n e ra to re Source Signal_Voltage_Source -►AM_Voltage con am piezza 10 V, p o rta n te 100 kHz, m o d u la n te 1 kHz e indice di m o d u la zio n e 0,5 (fig. 3.155).

[a fi) J

& 0(9 ts

^

Seconda finestra Hyperterm inal.

C on entram be le finestre attive, se il dispositivo è fu n z io n a n te , ciò che si scrive in una finestra deve com parire su ll'a ltra (e viceversa). Rete di sensori A ssegnando a diversi serial co n ve rte r indirizzi IP d iffe re n ti, a p p a rte n e n ti al m edesim o seg­ m e n to di rete del PC, è possibile c o m p o rre una rete di sensori in RS 232 (fig. 3 .154) u ti­ lizzando hub o sw itch di diram azione. I cavi da u tilizzare sono tu tti d iritti (straight through), sia i seriali, con c o n n e tto ri m aschiofe m m in a , sia gli Ethernet. Per a ttiva re la rete, l'a p p lica zio n e sul PC deve prim a aprire un canale TC P/IP (socket) con cia­

Segnale m odulato AM .

Analizzare la fo rm a d 'o n d a generata, m edian­ te un oscilloscopio con base te m p i 1 ms/div, e lo spettro relativo, attraverso un analizzatore im p o sta to com e in d ica to in fig . 3 .15 6 . Tra q uali estrem i si m u o ve la fo rm a d 'o n d a sull'oscilloscopio? Perché? Cosa succede au­ m e n ta n d o l'in d ice di m odulazione, im po sta n ­ do, per esem pio, m = 0,8? Osservando lo spettro del segnale, q u an to val-

82

3. PROVE DI LABORATORIO

g o n o le co m p o n e n ti a rm o n ich e a tto rn o alla p o rta n te da 100 kHz? E con m = 0,8?

bande laterali; con la p o rta n te che racchiude la m a g g io r parte della potenza del segnale. Per elim inare la p o rta n te e o tte n e re una tra ­ smissione DSB (Doublé Side Band), si può u ti­ lizzare un m o ltip lica to re analogico. C om porre p e rta n to il circ u ito in fig . 3 .1 5 8 , scegliendo il m o ltip lic a to re reperibile in Source -► Control_Function_Blocks ed entrare in sim ulazione con le im postazioni di fig . 3.159. C om e risulta il segnale nel te m p o ? E lo spet­ tro?

Spari control

Set span

11 Zero spari

Frequency

Full span

A m p li t u d e

dB 11 dBm 11 Lin

E n te r

Span: 4

kH j

Start: 9S

kH2

C e n te r:

100

kH2

End:

102

kH2

Range: 2

U/DÌV

Ref; 0

dB

R e s o lu B o n f r e q :

Hz

500 500.000 Hz

XSCl Start 11 Stop | | Reverse |

Showrefer, Input

||

Set,, Trigger

Im postazioni per l'analizzatore di spettro.

Rivelatore a diodo

Per rilevare l'in v ilu p p o del segnale m o d u la to, è richiesto un circu ito a carica rapida e scarica lenta, perciò un co n d e n sa to re con d io d o di carica e una resistenza di scarica, tale che

M o ltip lica to re analogico.

R C= ^ -r2 tc f m con fm che rappresenta la frequenza della m o ­ dulante. Visualizzare la fo rm a d 'o n d a ricostru ita con il circu ito in fig . 3 .157. M o d ific are il valore della resistenza con 10 kQ e 1 M Q e co m m e nta re i risultati.

1114148

4 " \1 0 V •S-M '1 0 0 k H z 1000 Hz

Im postazioni per l'analizzatore di spettro.

z ^ 2 .2 n F

H SCHEDA 30 - Prove sulla modulazione FM

^io o kn

Si v o g lio n o s p e rim e n ta re in s im u la z io n e le caratteristiche di un segnale m o d u la to in fre ­ quenza.

Rivelatore a diodo.

Trasmissione DSB

VCO

Il segnale A M u tiliz z a to nell'esperienza p re­ ce d e n te presenta sia la p o rta n te , sia le due

Per com p re n d e re il c o m p o rta m e n to della m o ­ d u la zio n e di fre q u e n za , si p u ò u tilizzare un

83

3. PROVE DI LABORATORIO

oscillatore c o n tro lla to in tensione (VCO) p ilo ­ ta to con un segnale variabile. C o m p o rre q u in di il circu ito in fig . 3 .160, se­ lezio n a nd o il co m p o n e n te Source -► Controlled_Voltage_Sources -> Voltage_Con trolled_

della frequenza del segnale m o d u la to rispetto alla frequenza p o rta nte , m entre l'indice di m o ­ d u lazione (m ) è il ra p p o rto tra il valore della deviazione (Af) e la frequenza della m odulante (fm)

Sine_Wave.

m = Af / fm XSCl

R ispetto a ll'u n ic a co p p ia s p e ttra le presente nella A M , in FM le co p p ie s p e ttra li a tto rn o alla p o rta n te sono in fin ite , con potenza che decresce a llontanandosi dalla po rta nte . C onsiderando solo quelle con am piezza fin o a - 2 0 dB rispe tto alla più alta, queste racchiu­ d o n o il 9 8 % della potenza to ta le del segnale m o d u la to . Il num ero delle copie significative a u m e n ta con la p ro fo n d ità di m o d u la zio n e; per esem pio, con m = 3 si h a n n o 6 co p p ie significative

4^ W >0V1V

J

vco.

Im postare il g eneratore di fu n z io n i per onda tria n g o la re : f = 100 Hz; V p = 4 V; o ffs e t = 5 V; d.c. = 5 0 % ; in m odo da ottenere una tensione che varia le n ta m e n te tra 1 V e 9 V. Im postare la tabella del VCO per 0 V -» 100 Hz; 10 V -» 10 kHz, e a ttiva re la sim ulazione. C om e si presenta il segnale nel te m p o ? Per­ ché? S ostituire il g eneratore di fu n z io n i con un p o ­ te n z io m e tro (fig. 3 .16 1 ) e osservare la fo rm a d 'o n d a p ro d o tta dal VCO variando la posizio­ ne del cursore.

A f = m • fm

C o m po rre il circu ito in fig . 3 .1 6 2 , con il ge ne ­ ratore FM di am piezza 10 V, p o rta nte 100 kHz, m o d u la n te 5 kHz, co e fficie n te di m odulazione m = 3, selezionandolo in Sources -> Signal_ Voltage_Sources -► FM_Voltage.

XSAl

X S C l

J

I

Generatore FM.

Inserire l'analizzatore di spettro con i param etri di fig . 3.163 e a ttiva re la sim ulazione. C om e sono posizionate le coppie? C onsiderando la banda

J l : C ontrollo m ediante potenziom etro.

Deviazione di frequenza

Nella m o d u la zio n e FM, la deviazione di fre ­ quenza rappresenta l'e n tità dello scostam ento

B = 2

84

- (Af -4- f m )

= 2 - f m • (1

+ m)

3. PROVE DI LABORATORIO

le più sig n ificative risultano incluse? C om e cam bia lo spettro p o rta n d o m = 5?

Im postazioni per l'analizzatore di spettro.

U SCHEDA 31 - Analizzatori di modulazione

Gli analizzatori di m odulazione sono strum enti utilizzati dagli ingegneri della co m unicazione per verificare la q u alità e m ettere a p u n to le connessioni con m o d u la zio n e digitale. Vettore errore

Sul piano IQ (in fase e in q u ad ratura) ro ta n te alla velocità della p o rta n te , il v e tto re del se­ gnale non m o d u la to appare fe rm o , c a ra tte ­ rizzato da un'am piezza (distanza d a ll'o rig in e del piano IQ) e da una fase (a n g olo rispetto all'asse I). La m odu la zio n e d ig ita le della por­ ta n te in te rv ie n e m o d ific a n d o n e l'a m p ie z z a e/o la fase, spostando il vertice del v e tto re su un a ltro dei p u n ti della costellazione, sem pre a ll'in te rn o del piano IQ (fig. 3.164). P urtroppo, a causa del rum ore che si sovrap­ po ne al segnale, il ve tto re che rappresenta il segnale m o d u la to ricevuto non si situa esat­ ta m e n te su u n o dei p u n ti ideali della co ste l­ lazione, ma risulta un p o' spostato, ta n to più q u a n to m a g g io ri sono i d istu rb i o le non lin e ­ arità della catena di trasm issione. La costellazione rilevabile al ricevitore si pre­ senta, q uindi, com e un insiem e di piccole m ac­ chie posizionate a tto rn o a ciascuno dei p u n ti te orici (fig. 3.165).

Si definisce, p e rta n to , vettore errore di un sim bolo la differenza tra il p u n to te orico in cui si sarebbe d o v u to trovare il segnale nel piano IQ, nel m o m e n to della decisione del ricevitore, e il p u n to reale (fig. 3.166).

3. PROVE DI LABORATORIO

Errore di ampiezza

^ Vettore errore.

La m isura pratica di EVM richiede stru m e n ti com plessi, capaci di d e m o dulare il segnale se­ co n do il tip o di m o d u la zio n e u tilizzata, rico­ struire via s o ftw a re il segnale ideale che si sa­ rebbe d o v u to ricevere, calcolare per differenza il ve ttore errore di ciascun baud ed elaborare m a te m a tica m e n te l'e rrore q u a d ra tico m edio dei sim boli ricevuti. Sul m ercato sono disponibili sia strum enti ana­ lizzatori di m o d u la zio n e (o analizzatori v e tto ­ riali) veri e p ro p ri, sia applicativi so ftw a re da installare sugli analizzatori di spettro. In e n tra m b i i casi, la scherm ata riporta, accan­ to al diagram m a reale della costellazione (fig. 3 .16 8 ), l'EVM in fo rm a tabellare, in percen­ tuale o in dB, o p pu re com e evoluzione grafica nel te m p o , o ancora com e analisi spettrale del v e tto re stesso per un p a rticolare sim bolo.

Il m o d u lo del ve tto re errore (E V M , Error Vector Magnitude) è il p a ra m e tro più u tiliz za to p e rv a lu ta re la qualità di un segnale m o d u la to d ig ita lm e n te . Può essere calcolato com e elem ento singolo di ciascun sim bolo, o p pu re com e m edia q u ad ra ­ tica degli errori su una d e te rm in a ta q u a n tità di sim boli (RMS EVM); eseguendo il ra p p o rto tra la potenza del v e tto re errore e la potenza del segnale ideale d i rife rim e n to , si o ttie n e l'E V M com plessivo, indice della q u alità in trin ­ seca della m odulazione, espresso in percento o in dB. V alori percentuali m aggiori di EVM indicano valori p e gg io ri della q u alità del segnale rice­ vu to , m entre per gli EVM espressi in dB, c o n ­ siderando che la potenza di errore è sem pre m inore della potenza del segnale, il ra p p o rto risultan te avrà un valore in dB ta n to più nega­ tiv o q u a n to m iglio re è il segnale. Per esem pio, un va lo re EVM = 0 ,1 0 (1 0 % ) rappresenta un segnale peggiore rispetto a un a ltro con EVM = 0,05 (5% ), m entre un segnale con EVM = - 1 0 dB risulta peggiore rispe tto a un a ltro con EVM = - 2 0 dB. La misura di EVM perm ette, inoltre, di valutare la p ro b a b ilità di errore (BER) presente sui dati scam biati (fig. 3.167). Il co nsorzio IEEE, p ro p rio per queste ragioni, ha v o lu to g a ra ntire una q u alità m inim a delle connessioni W LAN, sta b ile n do lim iti massimi per l'E V M , seco n do la m o d u la z io n e del se­ gnale: - 1 9 dB, per la 1 6 -Q A M ; - 2 5 dB, per la 6 4 -Q A M ; - 3 0 dB, per la 2 5 6 -Q A M .

86

3. PROVE DI LABORATORIO

fig . 3 .172. Ripetere la sim ulazione e co m m e n ­ tare i risultati rilevati m e diante l'a n a lizza to re di spettro.

1 SCHEDA 32 - Prove sulla modulazione PAM

Nella m odulazione PAM {PulseAmplitude Modulation), la m o d u la n te varia l'am piezza degli im pulsi della po rta nte . il segnale m o d u la to presenta una serie di im ­ pulsi (cam pioni), di am piezza pari all'am piezza del segnale in q u ell'ista n te, presi alla fre q u e n ­ za della p o rta n te (fp), che co stituisce la fre­ quenza di campionamento del segnale. Lo spettro di un segnale PAM risulta com posto da una c o m p o n e n te alla frequenza base del m essaggio m o d u la n te (fm), p iù una serie di bande laterali a tto rn o alle fre q u en ze m u ltip le della p o rta n te (n- f p).

A ndam ento nel tem po della sinusoide m odulante e del segnale m odulato PAM.

te e del segnale PAM (fig. 3.170), m e n tre un a n alizza to re di sp e ttro fo rn isce in fo rm a zio n i sul co n te n u to a rm onico del segnale m o d u la to (fig. 3.171). C o m m e nta re i risultati o tte n u ti. Porre un co n d e n s a to re da 100 nF in p a ra l­ lelo alla 100 kQ e rip e te re le m isure. Cosa è ca m b ia to n e llo s p e ttro del segnale PAM? Perché? U tilizza n d o il co m p o n e n te Sources - * CO N TROL_FUNCTION_BLOCK -► VOLTAGEJ5UMMER, co m p o rre un segnale m o d u la n te deriva­ to dalla som m a di due sinusoidi, la prim a da 1 kHz e la seconda da 3 kHz, com e in d ica to in

Individuazione dei blocchi

M o n ta re (o sim ulare) il circ u ito in fig . 3 .17 3 e, u tiliz z a n d o l'o s c illo s c o p io , in d iv id u a re la fu n z io n e dei singoli blocchi presenti, te n e n d o c o n to che il c o m p o n e n te 4 0 6 6 è uno sw itch analogico CM OS, con alim en ta zio n e singola. C o m m e n ta re il c o n te n u to a rm o n ic o d e llo sp e ttro del segnale p resente al te rm in e del circuito. Che cosa succede sostituendo il condensatore da 22 nF, presente in uscita allo sw itch, con una resistenza da 100 kQ?

87

3. PROVE DI LABORATORIO

1 SCHEDA 33 - Comandi AT per GSM

Si vo g lio n o sperim entare i com andi AT neces­ sari per leggere e inviare SMS m e d ia n te un GSM, utilizzando una p o rta RS 232. Connessioni

Radio interface

C o n n e tte re il te le fo n in o GSM al PC m ediante il cavetto seriale in d o ta zio n e (fig. 3.174).

RS-232 Interfacce per GSM industriale.

Hypert. RS 232 | - J

L

PC

J

GSM

Connessione con un GSM. card holder A udio interface

Se si dispone di un GSM industriale (per esem ­ pio, M C 35Ì Siemens in fig . 3 .17 5 ), si utilizza un cavo DTE - DCE d iritto , con c o n n e tto ri fe m m in a-m a sch io . C o n n e tte re al GSM anche l'a n ten n a a frusta in d o ta zion e e riporre la SIM n e ll'a p po sita tasca estraibile (fig. 3.176). O ltre ai due c o n d u tto ri di a lim e n ta z io n e , il GSM industriale dispone so lita m en te di u lte ­ riori ingressi per ridu rre il consum o d u ra n te i te m p i di in u tilizzo {Power Down) o per a ttiv a ­ re il dispositivo all'accensione ( Ignition). In tal caso, questi ingressi vanno collegati o p p o rtu ­ n am ente a uno dei te rm in a li di alim entazione, in m o d o da p o rre in fu n z io n e il d isp o sitivo (P D JN = GND; IG TJN = + V, fig . 3.177).

Pin assignm ent

1 + 8»Ì0V 2

free

S 4

P D JN IG T J N

5 s

free GND

Jack W estern a 6 poli per l'alim entazione del GSM MC35Ì (Siemens).

88

3. PROVE DI LABORATORIO

ricezione, inviare at+csqCR. La risposta è un num ero com preso tra 0 (-1 1 3 dBm o m inore) e 31 (-51 dBm o m aggiore). At+cgmiCR restituisce il c o s tru tto re del te rm i­ nale, m entre at+cgmmCR fo rn isce il m odello del te rm ina le . Per a ltri c o m a n d i co n su lta re il m a n u a le del term inale.

Comandi di base

A prire una finestra di com unicazione Hyperterm inal sul PC e a ttiva re l'eco dei caratteri tra ­ smessi, in m odo da vedere ciò che si invia. Tutti i com andi inviati al GSM sono string h e di caratteri ASCII che iniziano con le due lettere " A " e " T " (m aiuscole o m inuscole, abbrevia­ tiv o di ATtention) e te rm in a n o con il carattere di invio (C r = to rn a a capo = ODH). I co m a n d i possibili sono num erosissim i, ma per le fu n z io n i di a u to m a z io n e ne bastano pochi. D ig ita n d o il c o m a n d o A tC R (ta b . 3 .5 3 ), fo r­ m a to dai tre ca ra tte ri "A", " t " e invio, se il GSM è a lim e n ta to , sul video com pare AtAt, con OK su una seconda riga. Q uesto perché, di d e fa u lt, il GSM esegue al suo in te rn o l'eco dei com andi ricevuti e co n ferm a l'esecuzione del co m a n d o con una stringa da sei caratteri C rL f O K C rL f ( L f = salta riga = OAH). Comando A tC R

A tA t

OK OK

ATEOC r

AtAteeOO ERROR

A t+ c p in = "2 2 2 2 ” CR

OK

r

r

Risposta 1ariga 2ariga

AtciaoCfi A t+clip=1 C

Lettura dei messaggi A ll'in te rn o di un dispositivo GSM, i messaggi possono essere tra tta ti in fo rm a to PDU a 7 b it o in fo rm a to ASCII. Il secondo è il fo rm a to più c o m o d o per la le ttu ra da PC; per a ttiva rlo occorre inviare il co m ando at+cmgf=1 C (con 'f ' da "fo rm a t"). Per v is u a liz z a re t u t t i i m e ssa g g i, in v ia re at+cmgl="ALL"CR(con T da " lis t"). Per le g g ere solo quelli già le tti, u tilizzare la stringa "REC_READ", m entre "RECJJNREAD" restituisce solo i messaggi nuovi, mai aperti. Si s u p p o n g a che in m e m o ria esista un solo m essaggio (n u m e ro 1), già le tto ; la risposta del GSM è c o m p o sta da p iù righe, di cui la prim a per esem pio:

+CMGL: 1 ,"R E C _R E A D ","+ 39 3 4 09 8 7 6 54 3 ", "14/01/05,17:18:58+04"

OK

ATHOC r

OK

At+CSQCR

+CSQ:21.99

dice che il m essaggio ha il n u m e ro 1; è già stato ap erto; fornisce il nu m e ro del m itte n te (+ 3 9 per l'Italia); l'a n n o (2014); il mese (01); il g io rn o (05); le ore (17); i m in u ti (18); i secondi (58); il m e ridiano (+4 q u a rti d 'o ra rispe tto al m e ridiano zero di G reenw ich). Una seconda riga co n tie n e il te s to in chiaro del m essaggio e una terza riga ch iu d e con la stringa OK. Per cancellare {to delete) un m essaggio d a l­ la m e m o ria del GSM, si ricorre al co m a n d o at+cmgd= se g uito dal num ero del messaggio da e lim in a re e chiuso con il c a ra tte re C R di invio.

Com andi di base.

Per e lim in a re l'e c o d e l G S M , d ig ita r e A T E O C r.

D igita n d o un co m ando errato, si o ttie n e com e risposta la stringa ERROR. Tutti i com andi vanno q u in di te rm in a ti con il carattere CRe tu tte le risposte risultan o incap­ sulate tra due co p pie di caratteri C RLF . Inserire il codice pin, se necessario per accede­ re ai servizi della SIM, con il co m a n d o at+cpin se g uito dal codice. Da questo m o m e n to , se esiste una chiam ata per la SIM inserita, sul PC com pare pe rio d ica ­ m e nte la scritta RING. Per a b ilita re la visualizzazione del num ero del chiam ante, d ig ita re at+dip=1CR. Per r ifiu ta r e la c h ia m a ta , il c o m a n d o è

Invio di un messaggio

Con il co m ando at+cmgs= seguito dal num ero del d e stin ata rio e chiuso con CR (tab. 3.54), è possibile inviare un m essaggio di testo. Il m o ­ dem GSM risponde su una nuova riga con il sim bolo ">" seguito da uno spazio e atten d e il te sto del m essaggio, chiuso con il carattere

A T H O C r.

Se si vu o le conoscere il livello del ca m p o in

89

3. PROVE DI LABORATORIO

Ctrl-Z (1 AH), tipicam ente entro un te m p o mas­ sim o di 180 s (prem ere ESC se si vuole uscire prim a dal com ando).

|® l 4 4 43 4 2 41 4 0 39 35 37 36 □ □ □ □ □ □ □ □ □

□ □ □ □ □

GSM

O peratore at+ cm gs=340987654C R

>

C C C C C

1

r

□ □

valvola 32 a ttiva Ctrl-Z C rL f +CM G S:26C rL f

C

C

3

C

□ □ □ □

C rL f OKC rL f Invio di un messaggio di testo.

C c c c

njojQjQ.n n n n n

14 15 16 17 18 19 20 21 22

Una volta inviato il messaggio, il GSM risponde con l'e co del c o m a n d o s e g u ito dal n u m e ro progressivo assegnato al m essaggio nella m e­ m oria e te rm ina con l'O K di conferm a.

Pin pads top view (pads n o t visitile from top).

Per realizzare un semplice bridge RS 232 - WiFi, bastano 8 pin (fig. 3.180), con alim entazione, massa e un M A X 3232 che trasla i segnali UART a livello RS 232, da collegare a una vaschetta DB9F per la connessione d iretta con una porta C O M del PC.

1 SCHEDA 34 - Connessione RS 232 - WiFi

Si v u o le s p e rim e n ta re un se m p lice b rid g e RS 232 - W iFi, senza alcun segnale di co n tro llo m o d e m , im p ie g a n d o il m o d u lo RN-131.

330

29

& RN-131

URX

Il m o d u lo R oving N e tw o rk s W iF ly GSX con RN-131 (fig. 3.178) è un dispositivo con p ro ­ to c o llo TCP/IP, p ro g e tta to per accedere a una rete w ireless 802.11 b/g m e diante i due soli pin Tx e Rx di una p o rta UART.

UTX

a

20 21

12

13

24 1S 19

Bridge W iFi to RS 232 (UFG Elettronica).

Per una connessione con la porta UART di un m icroprocessore, si possono utilizzare d ire tta m e nte i livelli TTL dei segnali URX (pin 12) e UTX (pin 13), senza l'in te rp o s iz io n e di alcun elevatore RS 232. I param etri di d e fa u lt per la seriale sono: 9 .60 0 baud, 8 b it/c a ra tte re , 1 b it di stop, nessuna parità, nessun c o n tro llo di flusso.

Il m o d u lo è d is p o n ib ile nella versione in d u ­ striale RN-131G per te m p e ra tu re di lavoro da - 3 0 °C a + 8 5 °C e nella versione com m erciale RN-131C per il range 0 + 70 °C; presenta 4 4 pin (fig. 3 .17 9 ), fu n z io n a a 3,3 V, è d o ta to di antenna ceram ica SMD e dispone sia di ingres­ si analogici, sia di in p u t/o u tp u t d ig ita li (stand

Connessione lato seriale

alone).

C ollegare il m o d u lo alla seriale del c o m p u te r

90

3. PROVE DI LABORATORIO

(fig. 3 .1 8 1 ) e a prire una connessione Hyperte rm ina l con la CO M del PC, u tiliz zan d o i pa­ ram etri di d e fa u lt (fig. 3.182).

In queste co n dizio n i, a ffin ch é il PC possa "v e ­ d e re " il m o d u lo , è necessario che la scheda w ireless in d o ta zio n e abbia un indirizzo IP ap­ partenente alla medesim a sottorete, per esem ­ pio 1 6 9 .2 5 4 .1 .2 . Bisogna q u in di disabilitarle DHCP (assegnazione a u to m atica d e ll'in d irizzo IP) e procedere con l'assegnazione m anuale. Da Pannello di controllo Centro connessioni di rete -»Modifica impostazioni scheda, o p e ­ rare con il ta sto destro sulla scheda W ireless N e tw o rk A d a p te r in d o ta zio n e e selezionare Proprietà. D o p p io clic su Protocollo Internet versione 4 (TCP/IPv4; vedi fig . 3 .184) e, nella fin e stra che si apre (fig. 3 .18 5 ), spuntare l'o p ­ zione Utilizza il seguente indirizzo IP e inseri­ re Indirizzo IP = 1 6 9 .2 5 4 .1 .2 , Subnet mask = 2 5 5 .2 5 5 .0 .0

Connessione lato seriale.

S U a -I'

Proprietà - CO M 3 Im postazioni della porta

Bit p e r s e con do :

Bit ci dati:

Parità:

960C

8

Nessuno

Bit d is to p : 11

Bridge R S -232/W iF i. C ontrollo di flusso:

Nessuno

Proprietà - Connessione rete wireless

Ripristina

R ete OK

| |

A n n u la

) [

A pplica

C ondivisione

| *>

Atifims AR 92 R5 Wirftlpss Network Adapter

C onfigura..

Parametri RS 232.

La co nn ession e utilizza gli e lem enti seguenti:

Connessione ad hoc lato WiFi

Per sim ulare il b rid g e RS 232 - W iFi, si può utilizzare anche il solo PC (fig. 3.183). C on il pin 2 4 (G PI09) del m o d u lo connesso a 3,3 V, il dispositivo si predispone d ire tta m e n ­ te per una connessione w ireless p u n to -p u n to (d e tta conne ssio ne ad hoc), con p a ra m e tri di d e fa u lt: IP address 1 6 9 .2 5 4 .1 .1 , s u b n e t m ask 2 5 5 .2 5 5 .0 .0 e p ro to c o lo TCP/IP sul p o rt 2 . 000 .

0

P R O F IN E T IC R T -P roto col V 2.0

0

P rotocollo Internet ve rsio ne 3 (T C P /IP v 6 )

0

P roto co llo Internet ve rsio ne 4 (T C P /IP v 4 )

0

D rive r di I/O del m aooina di n d iv id u a z io n e to o o lo a ia liv

□ Proprietà

ICP/IP. Protocollo predetinito perle WAN che permette la comunicazione tra diverse reti interconnesse.

Selezione del Protocollo Internet versione 4.

91

L'avvenuta a p e rtu ra del so cke t TCP/IP viene segnalata dall'accensione fissa del LED di stato e dalle scritte OPEN sulla seriale e HELLO sul lato wireless (fig. 3.188). Per ve rifica re il canale, i c a ra tte ri d ig ita ti su una delle finestre devono com parire su ll'a ltra (e viceversa).

Inserim ento m anuale dell'indirizzo IP della scheda wireless del PC.

L'uscita G P I0 4 (p in 29) del m o d u lo GSX segna­ la lo stato della connessione (tab. 3.55).

GPI04 (pin 29)

LED

Stato della connessione

C om m uta a 10 Hz

Lam peggio veloce

In attesa di connessione

C om m uta a 1 Hz

Lam peggio lento

C onnesso

A lto

Acceso

Canale TCP/IP aperto

Connessioni di rete wireless disponibili.

Segnalazione dello stato della connessione.

A lim e n ta n d o il m o d u lo , il LED di s ta to la m ­ peggia velocem ente e, d o p o qualche secondo, il n o m in a tivo del no do (W ifly-G S X -X X , dove i ca ra tte ri XX c o rris p o n d o n o agli u ltim i due byte del M A C address del dispositivo) appare n e ll'e le n co delle connessioni di rete wireless d isponibili (fig. 3.186). P rem endo Connetti, si realizza la connessione ad hoc tra il PC e il m o d u lo GSX; in risposta il LED di sta to lam peggia lento. A ttiv a re una fin e stra H y p e rte rm in a l con n o ­ m in a tivo a scelta (w ifi) e aprire un canale con p ro to c o llo TCP/IP (W in so ck) verso l'h o s t di in d irizzo 1 6 9 .2 5 4 .1 .1 , sulla p o rta 2 0 0 0 (fig. 3.187).

Apertura del canale di com unicazione wireless.

92

PROVE DI LABORATORIO

• set uart baud 19200 setta il baud rate a 1 9 .2 0 0 baud • save salva la m o difica in m o d o p e rm anen­ te. Per leggere tu tti i param etri d isp o nibili, basta d ig ita re get everything. I com andi possono essere inviati sia dal lato UART, sia da wireless (m eglio dalla seconda se il b it rate non è n o to ). È, co m u n q ue , possibile ripristinare in o gni m o m e n to i valori di fa b b ri­ ca, d ig ita n d o in sequenza i com andi factory RESET e reboot (fig. 3.189).

Segnalazione di canale aperto e scambio di dati. ^

Gestione parametri

A ll'a cce n sio n e il m o d u lo è in m o d a lità di fu n ­ zio n a m e n to "d a ti". Per la lettura e la m odifica dei param etri di co n fig uraz io ne , è necessario passare in m odalità "c o m a n d i" d ig ita n d o tre v o lte il ca ra tte re d o lla ro ($$$). Il m o d u lo ri­ sponde, di conseguenza, con la stringa ASCII C M D , m entre il LED lam peggia veloce. D ig ita n d o EXIT più invio (CR, rito rn o carrello), il m o d u lo risponde con l'eco e rientra in m o ­ dalità dati. Una vo lta in m o d a lità c o m a n d i, i p a ra m e tri possono essere te stati o m o d ific a ti m e diante a p p o siti co m a n d i ASCII seguiti dal ca ra tte re di invio (CR). I com andi possibili sono num erosissim i, ma in fu n z io n a m e n to ad hoc m o lti sono m ascherati e privi di e ffe tto . I più utilizzati sono: GET, per visualizzare i param etri a ttu a li; SET, per m o d i­ fica rli, con e ffe tto pe rm a n e nte solo se salvati nel C o n fig u ra tio n File (com ando SAVE). Per esem pio: • get uart fornisce il baud rate a ttu a le della seriale

Factory RESET.

Hi SCHEDA 35 - Connessione RS 232 - Bluetooth

Si vu o le sp e rim en ta re una sem plice connes­ sione B lu e to o th p u n to -p u n to in SPP (Serial Port Profile), senza alcun segnale di co n tro llo m odem . T9JRN41-I/RM

T9JRN41-I/RM è la versione del m o d u lo Blue­ to o th 2.1 T9JRN41 con firm w a re standard SPP (fig. 3.190).

M odulo B luetooth RN41 (Roving Netw orks).

93

3. PROVE DI LABORATORIO

Il m o d u lo , con ra d io di classe 1 (20 dBm ) e a n te n n a ceram ica SMD, fu n z io n a a 3,3 V e d ispone di ingressi d ig ita li e analogici (stand alone) e di interfacce UART TTL e USB. Nella c o n fig u ra z io n e di fig . 3 .1 9 1 , i segnali UART di com u n ica zio n e sono p o rta ti a livello RS 232 m e diante un M A X 3 2 3 2 e collegati a una vaschetta DB9F per la connessione diretta con una porta C O M del PC. Per la connessione locale con la p o rta UART di un m icroprocessore, si possono u tilizzare d ire tta m e n te i livelli TTL U2RX e U2TX, senza l'in te rp o sizio n e di alcun elevatore RS 232. C on il pin 4 (G PI07) non connesso, la veloci­ tà di d e fa u lt è pari a 115 kbps; per ridurla a 9 .6 0 0 baud, senza passare dalla co n fig u ra z io ­ ne, è su fficie n te polarizzare a lto il pin. Il co rto circu ito presente tra i pin 15 (RTS) e 16 (CTS) bypassa eventuali handshaking presenti nel firm w a re . C on il pin 3 (G PI06) non connesso, il disposi­ tiv o fu n z io n a da slave. Le uscite G PI05 (pin 21) e G PI02 (pin 19) se­ g n a la n o lo sta to rispe ttiva m en te del m o d u lo (tab. 3 .56) e della connessione (tab. 3.57).

GPI05 (pin 21)

LED

Status del modulo

C om m uta a 1 Hz

Lam peggio lento

In attesa di connessione

C om m uta a 10 Hz

Lam peggio veloce

In m odalità com andi

Basso

Spento

C onnesso tra m ite B luetooth

Segnalazione dello status del m odulo.

GPI02 (pin 19)

LED

A lto

Acceso

C onnesso

Basso

Spento

Non connesso

Status della connessione BT

Segnalazione dello stato della connessione BT.

Lettura parametri

Il m od u lo , com e tu tti i sistem i di co m u n ica zio ­ ne, possiede due m o d a lità di fu n z io n a m e n to : " d a ti" o p pu re "c o m a n d i". I param etri di con­ fig u ra z io n e possono essere le tti (e m o d ific ati) solo in m o d a lità "c o m a n d i". C o n n e tte re q u in di il m o d u lo RN sp e nto alla porta C O M del PC e aprire una finestra Hyperte rm ina l di com u n ica zio n e con la p o rta im pe-

3. PROVE DI LABORATORIO

Successivam ente, dare a lim en ta zio n e al m o ­ d u lo (fig. 3 .1 9 3 ) e d ig ita re " $ $ $ " (tre v o lte il carattere dollaro) e n tro 60 secondi (param etro co n fig urab ile).

D ig ita n d o " -------- C R" (tre v o lte il c a ra tte re m eno, se g u ito da invio), il sistem a risponde con "E N D " e rien tra in m odalità dati. Factory reset

Se, per una precedente co n fig u ra z io n e errata o sconosciuta, il d isp o sitivo non co m u n ica s­ se, è possibile rip o rta rlo alla c o n fig u ra z io n e di fa b b ric a m e d ia n te u n 'a p p o s ita sequenza di reset da operare sul pin 22 (G PI04), d o ta to in te rn a m e n te di una resistenza di pulì down. Si tra tta di tenere G P I04 a lto al power up e, successivam ente, di c o m m u ta rlo basso, alto, basso, a lto con un seco n do di pausa tra le transizioni. Bridge RS 232 - Bluetooth

In m o d a lità " d a ti" , il m o d u lo RN pu ò fu n z io ­ nare da bridge bidirezionale tra la porta seriale asincrona UART di un m icroprocessore e la radio BT, creando un canale di com unicazione w ireless con la possibilità di m e tte re in rete fin o a sette dispositivi (fig. 3.195). Per sim ulare il p e riferico slave connesso in BT, si p u ò utilizzare anche il solo PC (fig. 3.196). C on il pin 3 non connesso (G PI06), grazie alla resistenza di pulì down in te rn a che ne tie n e basso il livello logico all'accensione, il disposi­ tiv o RN si predispone a fu n z io n a re da slave. Il PC può q u in di fu n z io n a re da master.

Connessione RS 232.

In : O lii ;

U Micro A 1 R T

KN41 (SPP) [H BT Slave

Parametri del m odulo RN.

Il m o d u lo rispo n d e rà con C M D per indicare che si è e n tra ti in m o d a lità com andi. A qu e ­ sto p u nto , d ig ita n d o il carattere " D " seguito da "C R" (invio), il sistem a fornisce i param etri standard (fig. 3.194), m entre, d ig ita n d o "E" s e g u ito da in vio , si o tte n g o n o i p a ra m e tri avanzati.

In : Out :

u

Micro A n K. T

RN41 (SPP) [ P BT Slave

Acquisizione e controllo m ediante canale Bluetooth.

95

3. PROVE DI LABORATORIO

re a quale p o rta C O M è stato assegnato (per esem pio, Collegamento standard seriale su

Bluetooth (COM5)). A p rire due fin e stre con H yperterm inal: la pri­ ma su C O M 5 (senza p o ssib ilità di m o d ific a dei param etri) per i d ati BT e la seconda per la co m u n ica zio n e in RS 2 3 2, com e già fa tto per la le ttu ra della co n fig u ra z io n e (per esem ­ pio, C O M 3). A p re n d o la C O M su BT, il LED di connessione del d isp o sitivo si accende in m o d o stabile e, c o m p le ta ta anche la secon­ da connessione, i dati d ig ita ti su una finestra co m p a rira nn o su ll'a ltra (e viceversa).

Bridge RS 232 - Bluetooth.

Se il PC non dispone di B lu etooth in te gra to , è necessario procurarsi una q u a lu n q u e penna BT v2 con interfaccia USB (fig. 3.197). Dal pulsante Mostra icone nascoste, presente in basso a destra d e llo scherm o, se leziona­ re Dispositivi Bluetooth -» Mostra dispositivi Bluetooth e, da ll'e le n co , cliccare sul d isp o siti­ vo RN in te rce tta to (per esem pio, RNBT-1C17). Nella fin e stra de lle p ro p rie tà del d ispositivo selezionare la cartella Hardware e in d iv id u a ­

96