SISTEMI DI
TRASMISSIONE
2013/2014
Un sistema di trasmissione è l’insieme di apparati e mezzi trasmissivi che consentono la
trasmissione di informazioni da una sorgente (o da più sorgenti poste nello stesso luogo) a un
utilizzatore (o a più utilizzatori posti nello stesso luogo).
Introduzione
Per trasmissione analogica si intende la trasmissione a distanza di segnali da un sorgente ad un
destinatario. Essa si contrappone alla trasmissione digitale la dove il segnale prima di essere
trasmesso viene scomposto e rappresentato con una sequenza di numeri (binari) i quali ricevuti
dal destinatario gli permetteranno di ricostruire il segnale di origine e decodificare il messaggio.
Possiamo rappresentare le due situazioni in questo modo
Si vede come il trasmettitore trasmetta direttamente il segnale di origine opportunamente
modificato per adattarlo al meglio al canale trasmissivo.
Si vede come all'inizio il segnale fisico venga convertito in una sequenza di numeri binari grazie
al convertitore A/D (Analogico Digitale); il trasmettitore digitale trasmetterà questa sequenza
binaria che verrà ricevuta da un ricevitore digitale. Infine un convertitore D/A
(Digitale/Analogico) permetterà di ricostruire il segnale di partenza per portarlo in uscita.
Ma perché si preferisce la trasmissione digitale a quella analogica?
Per due motivi importanti
» a parità di canale trasmissivo in digitale e possibile trasmettere più emittenti
contemporaneamente sfruttando la minor occupazione in banda (frequenza) di ogni
canale.
» la conversione dei segnali in sequenze di numeri binari ne permette la loro elaborazione e
la loro archiviazione numerica sfruttando le grandi potenzialità dei sistemi di calcolo
digitali.
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N.B. E' importante comunque sottolineare che sia il trasmettitore analogico che il trasmettitore
digitale alla fine trasmettano segnali elettromagnetici solo che assumono significato diverso nei
due casi. In particolare nella trasmissione analogica il segnale trasmesso contiene direttamente il
segnale sorgente, nella trasmissione digitale il segnale trasmesso contiene i valori numerici
(binari) che rappresentano il segnale sorgente.
Schema di una Trasmissione Analogica
Trasmettitore
riceve l’informazione dalla sorgente e la pone nella forma più adatta a essere inviata sul
canale di comunicazione.
canale di comunicazione
Comprende il mezzo trasmissivo utilizzato per collegare i luoghi in cui sono posti la sorgente
e l’utilizzatore, nonché gli apparati che consentono al segnale emesso dal trasmettitore di
giungere al ricevitore con una qualità accettabile, limitando quindi il degrado che
l’informazione subisce nel transitare attraverso il canale stesso.
Ricevitore
Preleva il segnale fornito dal canale di comunicazione e lo pone nella forma richiesta
dall’utilizzatore, cercando di limitare il degrado dell’informazione.
In pratica, nel transitare attraverso i blocchi sopra citati, e in particolare nell’attraversare il canale
di comunicazione, l’informazione associata al segnale trasmesso viene degradata, principalmente
a causa di:
Distorsioni
Possono essere definite come una modifica non desiderata della forma di un segnale,
provocata dalla non idealità dei circuiti e dei mezzi trasmissivi utilizzati.
Rumore
Può essere definito come tutto ciò che si somma al segnale utili, in modo essenzialmente
casuale, degradandone il contenuto informativo.
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Il parametro che definisce la qualità nel caso dei sistemi di trasmissione tradizionali (analogici) e
il rapporto segnale rumore S/N o SNR (Signal to Noise ratio). Definito nel seguente modo:
=
Un sistema di trasmissione, quindi, deve far si che il trasferimento del segnale che porta le
informazioni avvenga soddisfacendo le seguenti due condizioni:
SNR sufficientemente alto:
con minori distorsioni possibili
In questo modo si garantisce che l’informazione venga trasferita con un degrado accettabile.
Schema dettagliato di una Trasmissione Analogica in banda base
Schema dettagliato di una Trasmissione Analogica in banda traslata
Per spiegare i vari blocchi di una trasmissione analogica possiamo fare riferimento alla
trasmissione via radio di un segnale sonoro o in particolare di un messaggio vocale.
Allora il segnale fisico sorgente e proprio il messaggio vocale che entra nel nostro sistema di
trasmissione sotto forma di variazioni di pressioni sulla membrana di un microfono.
A questo punto e utile andare a chiarire meglio la natura di questo segnale e l'esempio adottato di
messaggio vocale interviene in maniera opportuna per comprendere quanto diremo.
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Sappiamo infatti che per produrre i suoni delle consonanti e delle vocali le nostre corde vocali
vibrano producendo tanti suoni diversi. Questi suoni che singolarmente non sono comprensibili,
agendo contemporaneamente cioè sovrapponendosi l'uno all'altro creano l'effetto della pronuncia
delle consonanti e delle vocali alla base dei nostri messaggi. Quindi possiamo dire che il segnale
acustico prodotto quando parliamo può essere visto come sovrapposizione di tante onde
sinusoidali diverse tra loro che agendo contemporaneamente creano l'effetto desiderato.
D'altra parte anche i suoni complessi prodotti da uno strumento musicale possono essere visti
come sovrapposizione di tanti suoni elementari sinusoidali.
Ma visto che le nostre corde vibrano producendo onde sinusoidali possiamo anche chiederci
quale è la frequenza tipica di queste onde. Bene si è misurato che i messaggi vocali prodotti
dall'uomo contengono delle onde sinusoidali la cui frequenza varia in genere da 100Hz a 10KHz.
Invece i suoni prodotti con strumenti musicali hanno una estensione maggiore e raggiungono
anche i 20KHz
Un modo intuitivo per rappresentare il contenuto armonico di un segnale (ovvero le frequenze
contenute al suo interno) e quello di descriverne lo spettro in frequenza.
Si definisce sistema analogico un sistema che consente la trasmissione dei segnali informativi
analogici.
Il trasduttore
I sistemi di trasmissione sono tipicamente sistemi elettronici per questo il primo stadio di una
trasmissione prevede sempre un dispositivo capace di trasformare il messaggio vocale in
ingresso in segnale elettrico di uscita. Il dispositivo capace di operare questa trasformazione
viene chiamato trasduttore . In realtà oltre al nostro caso specifico di trasformazione da segnale
acustico in segnale elettrico, i trasduttori sono definiti in modo più generale come tutti quei
dispositivi capaci di
“ trasformare un qualunque segnale fisico in ingresso in segnale elettrico di uscita”
Ne deriva che sono trasduttori anche le sonde di temperatura, di pressione, di umidità, di forza,
di luce, di velocità ecc. ecc.
Tipicamente il segnali elettrico in uscita da un trasduttore può essere di due tipi:
● segnale di tensione v(t)
● segnale di corrente i(t)
Ad ogni modo la scelta del tipo di trasduttore, in corrente o in tensione, non condiziona l'intera
catena di trasmissione visto che grazie a particolari circuiti convertitori V/I (tensione /corrente)
posti a valle di un trasduttore e possibile passare dall'uno all'altro segnale in modo facile e
veloce.
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È chiaro inoltre che la caratteristica fondamentale che deve avere un trasduttore e quella di
produrre un segnale elettrico in uscita perfettamente proporzionale al segnale fisico in ingresso.
In questo modo, per esempio, per una sonda di temperatura in tensione, quando la temperatura
aumenta deve aumentare anche la tensione in uscita e viceversa quando la temperatura
diminuisce deve diminuire anche la tensione di uscita. Dal punto di vista matematico, sia s(t) il
segnale fisico in ingresso e v(t) il segnale elettrico in uscita deve essere:
Quindi il segnale in uscita deve essere proporzionale al segnale in ingresso in modo da riprodurre
perfettamente l'andamento nel tempo. È importante comunque sottolineare che quel (k) non
indica una amplificazione o una attenuazione poiché si tratta di grandezze diverse.
Per esempio per una sonda di temperatura a sinistra avremo dei Gradi Centigradi e a destra
avremo dei Volt quindi (k) rappresenta solo un fattore di adattamento tra le due unità di misura.
L'amplificatore
L'esempio precedente mostra chiaramente come i segnali in uscita da un trasduttore siano in
genere segnali in tensione o in corrente al quanto deboli. Anche l'uscita di un microfono, inteso
come trasduttore di segnale acustico in segnale di tensione ha una uscita dell'ordine dei milliVolt.
Ne deriva che per permettere il trattamento del segnale dai dispositivi successivi nello schema
del trasmettitore occorre un potenziamento del segnale ovvero una amplificazione.
Il fattore di amplificazione (G) viene chiamato “Guadagno”.
In realtà potremmo anche avere una
“G” minore di uno il che implica una attenuazione invece di una amplificazione.
Vediamo ora un esempio di amplificazione con G=3.
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Vediamo come il segnale in ingresso e un semplice segnale sinusoidale con ampiezza 1V.
Essendo G=3 avremo una sinusoide in uscita con ampiezza pari a (3V). Notiamo inoltre che il
guadagno agisce solo sull'ampiezza mentre il periodo dell'onda e quindi la sua frequenza
rimangono perfettamente le stesse.
I Filtri IDEALI
Abbiamo visto come il segnale acustico in ingresso al nostro sistema possa essere visto come
l'insieme di tante onde sinusoidali elementari che si sovrappongono. Questa idea e anche
supportata dall'analisi di Fourier che ha dimostrato, matematicamente, come in realtà qualsiasi
segnale nel tempo possa essere visto come costituito da tante onde sinusoidali.
Tutto questo implica come anche i segnali elettrici in uscita dal trasduttore e dall'amplificatore
possano essere visti anch'essi come costituiti dalla sovrapposizione di tante onde sinusoidali. In
pratica possiamo analizzare il comportamento dei vari blocchi del sistema andando ad analizzare
il loro comportamento sulle varie onde contenute nel segnale. Inoltre in generale questo
comportamento dipende in particolare dalla frequenza di queste onde ovvero possiamo avere
comportamenti diversi al variare delle frequenze considerate, per questo si parla tipicamente di
analisi infrequenza del sistema da affiancare all'analisi nel tempo.
Questo modo di analizzare il comportamento dei blocchi e alla basa della comprensione del
funzionamento dei filtri. I filtri sono dispositivi capaci di agire in modo selettivo sulle
componenti in frequenza di un segnale. In particolare come si evince già dal nome la loro
funzione e di prendere un segnale in ingresso, agire su di esso preservando alcune frequenze ed
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eliminandone altre e rimettere il segnale in uscita. Il comportamento in frequenza di un filtro e
pienamente descritto dalla sua funzione di trasferimento H(f).
Possiamo distinguere tre tipi di Filtri fondamentali (IDEALI):
Filtro Passo Basso << LPF (low pass filter)>>
Il diagramma mostra come le onde la cui frequenza e compresa tra 0 → fH avranno le ampiezze
moltiplicate per (1) e quindi non verranno sostanzialmente modificate e passano indisturbate,
mentre le ampiezza delle frequenze maggiori di fH avranno le ampiezze moltiplicate per (0) e
quindi verranno eliminate. Quindi in uscita dal sistema in generale non avremo le stesse onde
che sono entrate e questo implica che anche la loro sovrapposizione produrrà un segnale
complessivo diverso da quello entrato. Considerazioni equivalenti valgono per i filtri passa alto e
passa banda:
Filtro Passo Alto << HPF (high pass filter)>>
Filtro Passa Banda << BPF (band pass filter)>>
Una applicazione molto conosciuta dei filtri e quella legata ai sistemi di diffusione audio la dove
in uscita dall'amplificatore vengono differenziati i suoni “bassi” e i suoni “alti”.
In pratica quello che succede e che in uscita dall'amplificatore abbiamo un filtro passa basso che
seleziona i suoni a frequenza bassa e li manda alle casse grandi; dall'altra un filtro passa alto
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selezionerà le onde a frequenza alta per mandarle alle casse piccole piu adatte a riprodurre suoni
ad alta frequenza.
I Filtri REALI
In realtà i filtri visti precedentemente non possono essere realizzati poiché e impossibile creare
dei tagli di frequenza cosi netti. Infatti più si cerca di approssimare il profilo dei filtri ideali e più
i circuiti elettronici risultano complessi e costosi.
Nei filtri REALI i tagli di frequenze risultano più dolci e anziché parlare di frequenze che
passano e che non passano occorre parlare di frequenze che vengono poco attenuate o molto
attenuate.
Filtro Passo Basso << LPF (low pass filter)>>
Osserviamo che non essendoci una frequenza di taglio netta occorre definire una “regola”
per determinare la banda passante e quella eliminata. Allora per convenzione si definisce banda
passante la banda nella quale le ampiezze verranno al più attenuate di un fattore 0,7.
Nel caso del filtro passa basso la banda passante e quella compresa tra 0 → fH dove fH è proprio
la frequenza nella quale è presente un fattore di moltiplicazione 0,7. Per le frequenze maggiori di
fH si vede come ci sarà una moltiplicazione per 0,6, 0,5 ... cioè l'attenuazione sarà maggiore.
Stesse considerazioni possono essere applicate per determinare la banda passante dei filtri passa
alto (HPF) e passa banda (BPF).
HPF
BPF
Il Modulatore (solo nel caso di trasmissione in banda traslata)
L'ultimo stadio prima della trasmissione del segnale sul canale di trasmissione e il modulatore. Il
dispositivo modulatore non sempre risulta esserci. Infatti, solo quando la trasmissione avviene in
banda traslata c’è bisogno del modulatore, mentre con la trasmissione in banda base del segnale
informativo questo blocco risulta assente.
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Per capire la sua funzione facciamo riferimento alle trasmissione radio tramite onde
elettromagnetiche. In questo caso il mezzo trasmissivo e rappresentato dallo spazio la dove le
onde si diffondono. (N.B. non e corretto dire che il mezzo e l'aria visto che le onde e.m. si
trasmettono anche nel vuoto).
Ora in particolare analizziamo le trasmissioni che conosciamo di più cioè quelle a in
modulazione di frequenza (FM). Sappiamo che le varie radio commerciali trasmettono su una
banda di frequenze che va dagli 88MHz ai 108MHz. Ad ogni radio e assegnata poi una banda di
200Khz intorno alla sua frequenza portante (principale). Per esempio una radio che trasmette a
105Mhz significa che i segnali da essa trasmessi occupano solo le frequenze che vanno da
104.9Mhz a 105.1Mhz.
A questo punto pero e naturale porsi la seguente domanda:
<< visto che i suoni hanno frequenze molto basse confinate praticamente nella banda 0-20Khz
perché le radio trasmettono a frequenze cosi alte dell'ordine dei milioni di Hertz. >>
Le risposte sono sostanzialmente due:
1) se si volesse trasmettere i segnali direttamente alle frequenze di origine (0-20Khz) dovremmo
utilizzare antenne lunghe decine di chilometri
2) se tutte le radio trasmettessero nelle frequenze di origine avremmo la sovrapposizione in
frequenza di tutte le emittenti e non sarebbe più possibile selezionarne una in particolare. Appare
allora necessario l'impiego di un dispositivo che sia capace di trasportare il segnale dalle basse
frequenze alle alte frequenze andando ad occupare una banda libera ben delimitata.
Il dispositivo capace di realizzare tutto questo e proprio il modulatore
Dall'altra parte della trasmissione un ricevitore grazie ad un demodulatore riporterà il segnale
alle basse frequenze (cioè nella cosiddetta banda base) per poi consegnarlo agli amplificatori e
quindi alle casse per essere ascoltato.
Le tecniche di trasmissione dei segnali informativi analogici
Le tecniche di trasmissione dei segnali informativi analogici possono essere differenti a seconda
del mezzo trasmissivo adottato e possono essere così elencate:
1) In banda base: Trasmissione di un segnale analogico a frequenze vocali (in banda base
- senza modulazione)
2) In banda traslata: Trasmissione in alta frequenza (banda trasposta) di un segnale
analogico con una tecnica di modulazione
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3) A divisione di frequenza: Trasmissione a divisione di frequenza di più segnali su un
singolo mezzo trasmissivo, in cui si adotta la multiplazione a divisione di frequenza
(FDM, Frequency Division Multiplexing)
Trasmissione di un segnale analogico in banda base
La trasmissione di un segnale analogico in banda base è una tecnica che consiste nel trasmettere
la banda di frequenze (banda base) occupate dal segnale informativo.
Con questo metodo un mezzo trasmissivo è utilizzato per il trasferimento di un solo segnale
informazione alla volta. Si tratta di una tecnica poco utilizzata; il suo uso è limitato alle linee
degli utenti, ovvero a quelle linee, della lunghezza di qualche Km, che collegano gli utenti
telefonici alla centrale di commutazione.
Tecnicamente la trasmissione si realizza nel seguente modo: la linea è alimentata con una
corrente, mentre un microfono, trasduttore che trasforma un segnale sonoro in uno elettrico,
produce una variazione della corrente di linea in misura proporzionale all’onda sonora. All’altro
capo della linea è collegato un ricevitore che, rilevando le sole variazioni della corrente di linea,
trasforma il segnale elettrico in segnale vocale. Se la distanza è limitata a qualche Km, il
collegamento in banda base è senza amplificazione e la linea è del tipo bidirezionale a due fili.
Se invece la distanza è superiore a qualche Km, si inseriscono sulla linea amplificatori ed
equalizzatori, questi ultimi sono necessari per limitare le distorsioni introdotte dal mezzo
trasmissivo. Poiché gli amplificatori sono quadripoli unidirezionali, è indispensabile, prima di
amplificare, separare i due sensi di circolazione del segnale (la trasmissione dalla ricezione) nella
centrale di partenza: la linea diventa così a quattro fili. La trasmissione su linee a coppie
simmetriche di uno stesso cavo è soggetta al problema della diafonia. Infatti essendo le linee
abbastanza vicine tra loro e poiché i segnali appartengono tutti alla stessa banda, sorgono
accoppiamenti elettromagnetici che danno luogo a un trasferimento del segnale da una linea
all’altra. La tensione e la corrente di una linea disturbante creano campi magnetici ed elettrici
che si concatenano con la linea adiacente, che viene disturbata, creando accoppiamenti capacitivi
e induttivi. Una parte dell’energia del segnale della linea disturbante viene trasferita alla linea
disturbata: il fenomeno prende il nome di diafonia.
I segnali utili, nella maggior parte dei casi, presentano un maggior contenuto energetico in
prossimità delle frequenze più basse, ossia la loro banda BS (= f2-f1) è concentrata in bassa
frequenza (BF).
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Se la banda passante del canale, BP, è anch’essa concentrata alle BF (canale di tipo passa-basso,
com’è nel caso del cavo a coppie simmetriche in rame), il segnale può essere direttamente
trasmesso in quel canale senza subire alterazioni.
Si ottiene, così, una trasmissione in banda base (dal nome della banda originariamente occupata
dal segnale).
Attualmente è utilizzata solo sulla linea utente tramite doppino fino alla centrale di
commutazione.
Fino a qualche Km necessita solo di alimentazione e di un microfono e un ricevitore
(collegamento poco costoso).
Nel caso in cui, invece, il mezzo trasmissivo presenti caratteristiche diverse da quelle del segnale
da trasmettere, p.e. sia di tipo passabanda (come nella maggioranza dei casi), la banda BS deve
essere traslata di una certa quantità: si ottiene così una trasmissione in banda traslata.
Trasmissione di un segnale analogico in banda traslata
La trasmissione di un segnale analogico in banda traslata è una tecnica che consiste nello
spostare (o traslare) il campo di frequenze occupato dal segnale informativo (banda base) verso
l’alta frequenza. Per effettuare la traslazione è necessario adottare la tecnica della modulazione
che consente di:
trasmettere via radio un segnale di bassa frequenza, per esempio un segnale audio o
video,
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poter inviare su uno stesso mezzo trasmissivo più segnali posizionati in bande di
frequenze diverse come nel caso della FDM (Frequency Division Multiplexing) ovvero la
multiplazione a divisione di frequenza.
Modulazione nei sistemi analogici di trasmissione
Sappiamo che i segnali audio sono caratterizzati da una bassa frequenza, di solito inferiore a
20KHz. È noto anche che le antenne necessarie per irradiare e captare i segnali devono avere
dimensioni inversamente proporzionali alla frequenza delle onde elettromagnetiche. Per tale
ragione i segnali audio necessitano di antenne di dimensioni talmente grandi da essere
irrealizzabili.
I sistemi radio utilizzano invece frequenze molto alte, per esempio la banda cittadina (CB =
Citizen’s Band) si aggira sui 27MHz. Quindi per poter trasmettere via radio un segnale audio o
video è necessario adottare la tecnica della modulazione che serve per adattare il segnale audio o
video al canale di comunicazione.
Nella trasmissione radio per poter irradiare efficacemente l’energia elettromagnetica, l’antenna
del trasmettitore deve avere dimensioni (d) paragonabili alla lunghezza d’onda λ del segnale da
trasmettere.
Essendo λ=c/f, più piccola è la frequenza f del segnale, maggiore sarà la
lunghezza d’onda λ del segnale e quindi le dimensioni dell’antenna. Ad
esempio:
una
frequenza
di
1
kHz
corrisponderebbe
a
λ = c/f = 3·108/1000 = 300 km!, per cui occorrerebbe un’antenna di dimensioni
irrealizzabili.
È chiaro che allora conviene traslare i segnali
originari a frequenze più elevate, in modo da
ridurre le dimensioni dell’antenna. Es: con
f = 100 MHz si ha λ=3 m.
È conveniente modulare un segnale per molte ragioni:
— se i segnali devono essere trasmessi mediante onde radio, il cosiddetto etere, l’antenna
(in trasmissione, come in ricezione) deve avere un'altezza proporzionale alla lunghezza
d’onda del segnale il quale – in banda base, per un segnale audio è pari a
λ=c/f=3⋅108m/s /20 kHz =15 km : improponibile;
— modulando più segnali a frequenze diverse, è possibile far transitare più informazioni
in un unico mezzo trasmissivo, quindi – ad esempio – più persone possono comunicare
contemporaneamente senza generare interferenze;
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— il segnale modulato può essere manipolato al fine di ridurre gli effetti del rumore
utilizzando le frequenze più opportune;
— la natura del segnale stesso è tale da concentrare il suo spettro nelle frequenze più
basse, mentre i mezzi trasmessivi hanno un miglior rendimento e qualità a frequenze più
elevate;
— i segnali modulati possono essere criptati, garantendo una maggior riservatezza
durante la transazione dei dati;
— si ha – infine – una semplificazione dei circuiti adottati per la trasmissione e la
ricezione dei segnali.
La modulazione consiste nel variare i parametri di un segnale (portante) con il segnale da
trasmettere (modulante) che costituisce il messaggio da trasmettere.
Il risultato di questa operazione è un segnale modulato (portante modulata) che contiene in
alcuni suoi parametri il contenuto dell’informazione da trasmettere.
Quindi la modulazione consente di traslare in frequenza un segnale, cioè di trasmetterlo in una
banda centrata a una frequenza opportuna (detta frequenza portante) invece che nella sua banda
originaria, ottenendo così la trasmissione in banda traslata (o trasposta).
Il modulatore (figura) è uno strumento con due ingressi, la portante e il segnale informativo e
un’uscita, il segnale modulato.
Simbolo di un modulatore
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In figura è riportata una classificazione dei processi di modulazione con segnale informativo di
tipo analogico.
Schema a blocchi di un trasmettitore di un segnale in banda traslata.
Trasmissione multipla di segnali a divisione di frequenza (FDM).
Un altro motivo per poter traslare lo spettro dei segnali originari è quello di poter trasmettere non
solo il segnale in banda base ma più segnali, traslando opportunamente gli spettri per evitare che
interferiscano tra loro.
La multiplazione FDM quindi è la tecnica che permette ai segnali emessi da più sorgenti di
condividere uno stesso mezzo trasmissivo, mantenendo comunque la possibilità di separarli e di
fornirli al destinatario corretto, lato ricezione (operazione detta de multiplazione); questa tecnica
consente notevoli economie sul costo dei mezzi trasmissivi.
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Esempio di multiplazione FDM
Trasmissione multipla di segnali a divisione di tempo o TDM (Time Division Multiplexing)
La Trasmissione multipla di segnali a divisione di tempo o TDM consente a più segnali di
condividere uno stesso mezzo trasmissivo, trasmettendo in linea una sequenza di impulsi
(segnale digitale). In ricezione si ha la demultiplazione. in linea di principio un n multiplatore
TDM potrebbe essere visto come un interruttore che ruota e scandisce in sequenza le uscite dei
vari codificatori.
Esempio di multiplazione TDM
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