Segnali, codifiche e modulazioni digitali

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// obiettivi di apprendimento
✓Descrivere i parametri fondamentali di un segnale analogico (ampiezza, frequenza, fase) e spiegare la digitalizzazione mediante campionamento, quantizzazione e codifica
✓Classificare e descrivere le principali tecniche di codifica di linea (NRZ, Manchester, AMI) spiegando il legame con la sincronizzazione tra mittente e ricevitore
✓Descrivere le modulazioni digitali ASK, FSK, PSK e QAM, spiegando la relazione tra bit rate, baud rate e numero di simboli
✓Distinguere le modalità di trasmissione (simplex, half-duplex, full-duplex) e confrontare la trasmissione seriale asincrona con quella sincrona
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Segnali, codifiche di linea e modulazioni digitali — teoria completa
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Segnali analogici — il continuum fisico

Prima di capire come un computer trasmette dati, occorre capire cosa sia un segnale. Un segnale analogico è una variazione continua di una grandezza fisica nel tempo — tipicamente tensione elettrica. Può assumere infiniti valori all’interno di un intervallo. Il suono che parla al telefono, la tensione di una batteria che si scarica, un’onda radio — sono tutti segnali analogici.

La forma d’onda più semplice e fondamentale è la sinusoide, descritta dall’equazione:

y(t) = A · cos(2πft + φ)
A
Ampiezza — il valore massimo del segnale, legato alla potenza
f
Frequenza [Hz] — numero di cicli al secondo. T = 1/f è il periodo
φ
Fase [rad] — posizione del segnale rispetto all’origine temporale

Larghezza di banda e capacità del canale (Shannon)

La larghezza di banda (bandwidth) indica l’intervallo di frequenze che un canale trasmissivo può trasportare senza attenuazione significativa. Maggiore la banda, più dati si possono trasmettere per secondo. Il teorema di Shannon definisce la capacità massima teorica di un canale:

C = B · log₂(1 + S/N)
dove: C = capacità [bit/s] · B = banda [Hz] · S/N = rapporto segnale/rumore
// implicazione pratica

Non esiste modo di trasmettere più dati di quanti Shannon consente — è un limite fisico fondamentale. Aumentare la banda o migliorare il rapporto segnale/rumore (cavi migliori, meno interferenze) sono gli unici strumenti per aumentare la capacità effettiva.

Dalla realtà al bit — digitalizzazione ADC

Per trasmettere informazioni analogiche (voce, video, musica) su una rete digitale, occorre convertirle in bit. Questo processo si chiama conversione analogico-digitale (ADC) e avviene in tre fasi sequenziali:

1
CAMPIONAMENTO (Sampling)
Il segnale analogico viene misurato a intervalli di tempo regolari. Il Teorema di Nyquist-Shannon stabilisce che la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza massima del segnale per garantire una ricostruzione fedele. Es: la voce umana arriva a ~4 kHz → si campiona a 8 kHz (telefonia digitale).
2
QUANTIZZAZIONE (Quantization)
I valori campionati (continui) vengono approssimati ai livelli discreti più vicini in una scala predefinita. Con n bit si hanno 2ⁿ livelli. Più bit si usano, minore l’errore di quantizzazione e più fedele la riproduzione. Es: CD audio usa 16 bit → 65.536 livelli.
3
CODIFICA (Encoding)
I livelli quantizzati vengono convertiti in sequenze binarie (bit). Il risultato è un flusso digitale pronto per la trasmissione e la compressione. Es: il livello 37 con 8 bit diventa la sequenza 00100101.

Codifiche di linea — da bit a segnale

Una volta che i dati sono in formato binario, occorre trasformarli in segnali elettrici da inviare sul cavo. Le codifiche di linea stabiliscono come associare i livelli di tensione ai bit 0 e 1. La scelta della codifica incide su sincronizzazione, larghezza di banda occupata e immunità al rumore.

Principali codifiche di linea — bitstream esempio: 1 1 0 0 1 0 1
NRZ
Non Return to Zero
1 → alto, 0 → basso, il segnale rimane stabile per tutta la durata del bit. Semplice ed efficiente in banda, ma lunghe sequenze di 0 o 1 identici causano perdita di sincronizzazione tra mittente e ricevitore — il ricevitore non riesce a capire dove finisce un bit e inizia il successivo.
RZ
Return to Zero
1 → alto per metà periodo, poi zero. Il ritorno a zero a metà bit fornisce una transizione che aiuta la sincronizzazione. Svantaggio: occupa il doppio della banda rispetto a NRZ perché ogni bit ha due stati.
MANCHESTER
IEEE 802.3
1 → transizione da basso a alto a metà bit; 0 → transizione da alto a basso. Ogni bit contiene sempre una transizione → sincronizzazione garantita. Usata nello standard Ethernet 10BASE-T. Svantaggio: occupa il doppio della banda rispetto a NRZ.
MANCH. DIFF.
Differenziale
1 → nessuna transizione all’inizio del bit; 0 → transizione all’inizio del bit. Più robusta rispetto alla Manchester classica perché è indipendente dalla polarità — anche se i fili fossero scambiati, la codifica funzionerebbe ugualmente.
AMI
Alternate Mark Inversion
0 → livello zero; 1 → alternanza tra +V e -V ad ogni occorrenza. I bit 1 si alternano tra tensione positiva e negativa. Riduce la componente DC del segnale e migliora la sincronizzazione. Usata nei sistemi di telefonia digitale (T1, E1).

Modalità di trasmissione

SIMPLEX

Comunicazione in un’unica direzione. Il trasmettitore invia, il ricevitore ascolta — i ruoli non si invertono mai.

Es: radio FM, TV, altoparlante
HALF-DUPLEX

Bidirezionale ma non contemporaneo. Un nodo trasmette mentre l’altro ascolta, poi si invertono.

Es: walkie-talkie, Ethernet con hub
FULL-DUPLEX

Bidirezionale simultaneo. Entrambi i nodi trasmettono e ricevono contemporaneamente, raddoppiando il throughput effettivo.

Es: telefonate, Ethernet con switch

Trasmissione seriale — asincrona e sincrona

ASINCRONA — UART

I dati sono trasmessi carattere per carattere. Ogni carattere è delimitato da:

START → 5-8 bit dati → PARITÀ → STOP

Vantaggi: semplice, non richiede segnale di clock. Svantaggi: overhead elevato (~30% di bit ridondanti), bassa efficienza. Dispositivo: UART.

SINCRONA — USART

I dati sono organizzati in blocchi (frame), sincronizzati da un clock condiviso tra mittente e ricevitore. Non servono bit di start/stop per ogni byte.

Vantaggi: overhead ridotto, maggiore efficienza, velocità superiore. Svantaggi: richiede sincronizzazione del clock. Dispositivo: USART. Usata in reti di alta velocità (Ethernet, HDLC).

Modulazioni digitali — portante e informazione

Per trasmettere segnali digitali su canali fisici (cavi coassiali, onde radio, linee telefoniche) si usa la modulazione: un segnale digitale (modulante) modifica le proprietà di un segnale sinusoidale ad alta frequenza (portante). Il dispositivo che esegue modulazione e demodulazione è il MODEM.

Le quattro modulazioni digitali fondamentali
ASK
Amplitude
Shift Keying
Varia l’ampiezza della portante. 1 → ampiezza alta; 0 → ampiezza bassa (o nulla). La variante OOK (On-Off Keying) usa presenza/assenza della portante. Semplice da implementare ma molto sensibile al rumore — facile da disturbare modificando l’ampiezza. Usata in sistemi semplici a corto raggio (es. telecomandi IR).
FSK
Frequency
Shift Keying
Varia la frequenza della portante. 1 → frequenza f₁; 0 → frequenza f₂. Più robusta al rumore rispetto ad ASK perché il rumore difficilmente altera la frequenza. Richiede maggiore banda. Usata nei vecchi modem analogici, dispositivi RFID, sistemi radio.
PSK
Phase
Shift Keying
Varia la fase della portante. BPSK (Binary): 2 fasi (0°/180°), 1 bit per simbolo. QPSK (Quadrature): 4 fasi (0°/90°/180°/270°), 2 bit per simbolo. 8-PSK: 3 bit per simbolo. Buon compromesso tra velocità e affidabilità. Usata in Wi-Fi, Bluetooth, comunicazioni satellitari.
QAM
Quadrature
Amplitude Mod.
Combina ampiezza e fase contemporaneamente. I simboli sono rappresentati come punti in una costellazione 2D (asse I = in-phase, asse Q = quadrature). 16-QAM: 4 bit/simbolo. 64-QAM: 6 bit/simbolo. 256-QAM: 8 bit/simbolo. Massima efficienza spettrale ma più sensibile al rumore. Standard in Wi-Fi 6, ADSL, 5G, DVB-T2.

Bit rate vs Baud rate — due velocità diverse

BIT RATE

Numero di bit trasmessi in un secondo. Si misura in bps (bit per second). È la velocità dell’informazione utile.

BAUD RATE

Numero di simboli trasmessi in un secondo. Un simbolo può rappresentare 1 o più bit a seconda della modulazione.

// relazione fondamentale
Bit rate = Baud rate × bits_per_simbolo
Con 64-QAM (6 bit/simbolo) a 1000 baud: bit rate = 1000 × 6 = 6000 bps
Con BPSK (1 bit/simbolo) a 1000 baud: bit rate = 1000 × 1 = 1000 bps
// perché QAM domina le reti moderne

Wi-Fi 6 usa 1024-QAM (10 bit per simbolo): trasmette 10 bit per ogni “ticchettio” dell’orologio. Il limite è il rumore — più simboli per simbolo richiedono segnali più precisi e meno disturbati. Per questo 1024-QAM funziona bene solo a corto raggio con un buon SNR.

📌 Riepilogo — Punti chiave
  • Un segnale analogico è descritto da tre parametri: ampiezza (potenza), frequenza (velocità di variazione), fase (posizione temporale). La capacità massima di un canale è definita dalla formula di Shannon: C = B·log₂(1+S/N).
  • La digitalizzazione ADC avviene in tre fasi: campionamento (Nyquist: fc ≥ 2·fmax), quantizzazione (approssimazione a livelli discreti), codifica (conversione in bit).
  • Le codifiche di linea trasformano bit in segnali: NRZ (semplice, problemi di sync), Manchester (sync garantita, 802.3 Ethernet), AMI (bilancia DC, telefonia).
  • Le modulazioni digitali: ASK (ampiezza), FSK (frequenza), PSK (fase), QAM (ampiezza+fase). La QAM è la più efficiente: 1024-QAM = 10 bit per simbolo.
  • Bit rate = baud rate × bit per simbolo. Le modalità di trasmissione sono: simplex, half-duplex, full-duplex. La trasmissione asincrona usa start/stop bit; quella sincrona usa un clock condiviso con frame.

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