Lezione 1 · Canale 1 · giovedì 1 ottobre 2026
Fondamenti di comunicazione: segnali e modelli
FCI · Segnali
Il segnale
Un segnale è una grandezza fisica che varia nel tempo e porta un'informazione. L'elettrocardiogramma è un segnale elettrico ; i segnali sismici misurati da più sensori sono un altro esempio. Un'immagine è un segnale di due variabili spaziali, e un video aggiunge il tempo. Gli strumenti per i segnali monodimensionali valgono in gran parte anche per quelli bidimensionali, ma cambiano le caratteristiche e la difficoltà.
Un segnale certo (o deterministico) ha forma nota; uno aleatorio si descrive con una densità di probabilità. Il rumore è un segnale aleatorio, e un rumore gaussiano ha densità gaussiana. Qui si trattano solo segnali monodimensionali certi, cioè funzioni del tempo:
Il modello di comunicazione
Una comunicazione ha una sorgente che produce il segnale, un mezzo che lo trasporta e un ricevitore a cui è destinato. Con i trasduttori si ottiene lo schema di un sistema di trasmissione:
- Trasduttore di sorgente (trasmettitore): converte il flusso informativo prodotto dalla sorgente in un segnale adatto alla trasmissione e lo trasmette nel canale.
- Canale di comunicazione: il mezzo trasmissivo in cui il segnale si propaga. Esempi: coppie simmetriche, cavi coassiali, radio, fibra ottica, luce in aria, infrarossi.
- Trasduttore di ricevitore (ricevitore): riceve il segnale dal canale e lo converte in una forma utilizzabile dall'utente finale.
Nel telefono cellulare le onde di pressione della voce diventano un segnale elettromagnetico; in ricezione la conversione si inverte e l'orecchio percepisce di nuovo onde di pressione. La scelta di trasduttori e canale influenza le prestazioni.
I disturbi del canale limitano la lunghezza del collegamento:
- attenuazione: l'ampiezza diminuisce con la distanza; in propagazione libera la potenza ricevuta diminuisce con il quadrato della distanza;
- distorsione: la forma del segnale cambia;
- rumore additivo: un segnale aleatorio che si somma a quello trasmesso;
- interferenza: più segnali attraversano contemporaneamente lo stesso mezzo.
Classificazione in tempo e ampiezza
Si guarda se l'asse del tempo e quello delle ampiezze sono continui o discreti. Un segnale a tempo continuo è ; uno a tempo discreto è una sequenza , con che assume solo valori interi.
| Ampiezza continua | Ampiezza discreta | |
|---|---|---|
| Tempo continuo | analogico | quantizzato |
| Tempo discreto | campionato | digitale |
- Analogico: continuo nel tempo e nell'ampiezza, può assumere qualsiasi valore reale. Una sinusoide, una gaussiana o una curva qualunque lo sono.
- Campionato: discreto nel tempo, continuo nell'ampiezza. Si ottiene prelevando dall'analogico un campione ogni , il passo di campionamento; è il campione di indice .
- Digitale: discreto nel tempo e nell'ampiezza. L'asse delle ampiezze si divide in intervalli e ogni campione è rappresentato dal valore medio del suo intervallo. A ciascun valore si associa una sequenza di bit.
- Quantizzato: continuo nel tempo, discreto nell'ampiezza. L'onda quadra e il segnale a gradini lo sono; lo è anche, idealmente, una luce che segue il codice Morse, se si ignorano gli intervalli fisici fra accensione e spegnimento.
Dall'analogico agli altri tre tipi
- segnale analogico
Segnali complessi
Un segnale complesso è una coppia di segnali reali, una parte reale e una parte immaginaria :
Si può descrivere anche con modulo e fase, altri due segnali reali:
I segnali misurati direttamente, come voce, elettrocardiogramma e segnale sismico, sono reali. Il modello complesso serve alle comunicazioni: due segnali reali e da trasmettere insieme si possono porre come parte reale e parte immaginaria di un solo segnale,
che a ogni istante è un punto del piano complesso e porta entrambe le informazioni. Si trasmette un segnale invece di due: alcune modulazioni sfruttano questa idea.
L'esponenziale complesso
È il segnale complesso più importante del corso:
è l'ampiezza, la frequenza, la fase. La parte reale è un coseno e quella immaginaria un seno, entrambi con frequenza e fase . Modulo e fase sono:
Il modulo è costante, pari ad , e la fase cresce linearmente nel tempo, partendo da in .
Esponenziale complesso
Parte reale, parte immaginaria e modulo
Fase
Segnali elementari
Rettangolo, triangolo e gradino unitario servono a eseguire a mano le operazioni sui segnali: la convoluzione, per esempio, è già faticosa da disegnare con due rettangoli. Quando si scrive senza disegno si intende sempre questa definizione.
Il valore nei punti di discontinuità è una convenzione della teoria dei segnali.
Con il modulo si scrive in modo compatto: per , e altrove.
Nel gradino unitario la discontinuità in ha valore , ancora per convenzione.
Rettangolo, triangolo e gradino unitario
Operazioni sui segnali
Somma, prodotto e costante. Si calcolano istante per istante, come per le funzioni:
L'ultima amplifica o attenua. Somma e prodotto possono corrispondere anche a sistemi fisici, per esempio alcuni filtri.
Traslazione. . Se il grafico si sposta a destra (ritardo), se a sinistra (anticipo).
Per disegnarla si pone e si segue un punto notevole. In si ha : la discontinuità che stava in si trova ora in , quella in in . La larghezza resta : il rettangolo va da a .
Scalatura dell'asse. , con . Se il segnale si dilata, se si contrae.
La prova dei punti vale anche qui. In si ha : i punti di sono dove , cioè . Il triangolo, nullo fuori da , è dilatato.
Traslazione e scalatura
Traslazione:
Scalatura:
Formulario
Segnale certo
Segnale complesso
Modulo e fase
Esponenziale complesso
Rettangolo
Triangolo
Gradino unitario
Somma, prodotto, costante
Traslazione (: ritardo)
Scalatura (: dilatazione)