Distorsione (fisica)

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Una distorsione è l’alterazione della forma originale (o caratteristica) di un oggetto, immagine, suono, onda o altra forma di informazione o rappresentazione. La distorsione di solito è un fenomeno indesiderato. Nelle telecomunicazioni, ad esempio, porta ad un disturbo nella ricezione di un segnale e quindi ad alterazione dell'informazione originariamente trasmessa. In alcuni campi invece la distorsione è un fenomeno volutamente cercato, come nel suono della chitarra elettrica, e ottenuta per mezzo di un amplificatore o con un effetto elettronico per ottenere un suono più aggressivo. La distorsione leggera delle registrazioni su nastro e delle valvole è considerata un piacere in certe situazioni. L’aggiunta del rumore o di altri segnali estranei (interferenza, ronzio) non sono considerati distorsione, in quanto si sommano col segnale utile, benché gli effetti della distorsione talvolta siano considerati rumore.

Segnali elettrici[modifica | modifica sorgente]

Grafici di onde a versioni distorte della stessa onda.

Nelle telecomunicazioni e nella teoria dei segnali, un “sistema” esente da rumori può essere caratterizzato da una funzione di trasferimento, tale che l’uscita y(t) possa essere scritta in funzione dell’ingresso x come:

y(t) = F(x(t))

Quando la funzione di trasferimento comprende solo un guadagno A costante e un ritardo T

y(t) = A\cdot x(t-T)

l’uscita è non distorta e il segnale o grandezza d'uscita si dice fedele al segnale o grandezza di ingresso. La distorsione avviene quando la funzione di trasferimento F è più complicata della precedente. Se F è una funzione lineare, per esempio un filtro il cui guadagno e/o ritardo varia con la frequenza, allora il segnale subirà una distorsione lineare. Una distorsione lineare non cambia la forma di una singola sinusoide, ma di solito cambierà la forma di un segnale combinato(multi-tono). Nella figura si nota il comportamento di un segnale(costituito da un’onda quadra seguita da un’onda sinusoidale) che passa attraverso varie funzioni di distorsione.

  1. Il primo segnale(in nero) mostra l’ingresso. Egli mostra, anche, l’uscita da una funzione di trasferimento non distorta(linea dritta).
  2. Un filtro passa alto(segnale in verde) distorce la forma dell’onda quadra al diminuire della frequenza. Questa è la causa del “droop”(attenuazione) vista in cima al segnale.
  3. Un filtro passa basso(segnale in blu) attenuerà i segnali alle alte frequenze. La maggior parte dei sistemi fisici sono passa basso. Da notare che la fase della sinusoide è diversa per i sistemi passa basso e passa alto, dovuto alla distorsione di fase dei filtri.
  4. Una funzione di trasferimento un po’ non lineare(viola), è una leggera compressione che può essere tipica di un amplificatore audio, che comprime il picco dell’onda sinusoidale. Questo causerà un piccolo aumento delle armoniche a basso ordine.
  5. Un forte taglio alla funzione di trasferimento(rosso), genererà delle armoniche ad alto ordine. Parte della funzione di trasferimento è piatta, la quale indica che tutta l’informazione del segnale d’ingresso andrà persa se il dispositivo lavora in quella regione.

La funzione di trasferimento di una amplificatore ideale, con un perfetto guadagno e ritardo, è solo un’approssimazione. Il vero comportamento di un sistema e di solito differente. La non linearità in una funzione di trasferimento di un dispositivo attivo(tipo le valvole, transistor e amplificatori operazionali) sono una comune fonte di distorsione non lineare; nei componenti passivi(come cavo coassiale, fibra ottica) la distorsione lineare può essere causata dalle disomogeneità, riflessione, e anche dal mezzo di propagazione.

Alla distorsione della forma d'onda nel dominio del tempo corrisponde una distorsione nel dominio della frequenza e viceversa

Distorsione Armonica[modifica | modifica sorgente]

L’onda può essere affetta da componenti non lineari, portando il sistema in risonanza oppure in distorsione di intermodulazione (IMD). Guarda anche distorsione armonica totale (THD).

Distorsione d’ampiezza[modifica | modifica sorgente]

Una distorsione d’ampiezza è una distorsione presente nei sistemi, sottosistemi o dispositivi quando l’ampiezza d’uscita è una funzione non lineare dell’ampiezza d’ingresso sotto specifiche condizioni.

Distorsione della risposta in frequenza[modifica | modifica sorgente]

Questo tipo di distorsione avviene quando frequenze diverse sono amplificate con coefficienti diversi, causata dai filtri. Nel caso particolare dell' audio, questa distorsione è principalmente causata dai seguenti fattori: dall'acustica dell'ambiente; dai microfoni e altoparlanti scadenti; dai cavi per altoparlanti troppo lunghi che influiscono con la risposta in frequenza dipendente dell’impedenza dell’altoparlante; ecc.

Un particolare tipo di distorsione causato dalla risposta in frequenza del sistema attraversato è la distorsione per 'taglio di banda' dovuta alla banda passante del canale che può essere inferiore a quella del segnale in input.

Distorsione di fase[modifica | modifica sorgente]

Questa forma di distorsione capita soprattutto nel caso di componenti reattivi, come la reattanza capacitiva o l’induttanza. Qui, tutti i componenti di un segnale d’ingresso non sono amplificati con la stessa fase, portando il segnale di uscita ad essere fuori fase con il resto dell’uscita.

Distrorsione del ritardo di gruppo (group delay)[modifica | modifica sorgente]

Può essere visto solo nei mezzi dispersivi. In una guida d’onda, la velocità di propagazione varia con la frequenza. In un filtro, il ritardo di gruppo tende ad avere un picco nelle vicinanze della frequenza di taglio), risultando una distorsione d’impulso. In presenza di trasmissioni a lunga distanza, la distorsione del ritardo di gruppo può essere corretta con i ripetitori.

Cause ed effetti di una distorsione[modifica | modifica sorgente]

In un sistema di telecomunicazione cause di una distorsione possono essere la risposta in frequenza non piatta del canale trasmissivo, il rumore aleatorio che nei casi reali si accompagna al segnale trasmesso nel canale, la dispersività del mezzo trasmissivo deputato a canale, l'interferenza dovuta alla presenza eventuale di altri segnali informativi nella banda del segnale utile e il multipath.

Gli effetti di una distorsione sono l'alterazione del segnale trasmesso che può inficiare dunque l'informazione associata al segnale stesso generando un errore di trasmissione o interferenza intersimbolica a valle nel ricevitore.


Correzione della distorsione[modifica | modifica sorgente]

L’uscita di un sistema è dato da y(t) = F(x(t)), allora se la funzione inversa F−1 può essere trovata, e usata intenzionalmente per la distorsione dell’ingresso o dell’uscita del sistema, allora la distorsione sarà corretta. Un esempio di tale correzione è dove nelle registrazione LP/vinile o trasmissioni audio FM sono pre-enfatizzati da un filtro lineare, che riproduce un effetto inverso in modo da lasciare il sistema intatto. La correzione non è possibile se la funzione inversa non esiste, per esempio se la funzione di trasferimento ha delle zone piatte(l’inversa avrà molti punti d’ingresso per ottenere un unico punto d’uscita). Questo risultato è una perdita d’informazione, quindi incorreggibile. Tale situazione può accadere quando un amplificatore è affaticato, risultando in clipping o in distorsione dello slew rate, quando per un momento l’uscita è determinata dalle caratteristiche dell’amplificatore e non dal segnale d’ingresso.

Misure anti-distorsione[modifica | modifica sorgente]

Per contrastare una distorsione di un segnale è possibile usare a valle del sistema distorcente un equalizzatore che modifichi i toni in frequenza dell'onda ricevuta oppure utilizzare a monte del sistema distorcente, conoscendo le caratteristiche della distorsione, un predistorsore con distorsione reciproca al sistema distorcente in cascata in modo tale che in uscita alla doppia distorsione il segnale rimanga fedele a quello di ingresso.

Telescrivente o segnali modem[modifica | modifica sorgente]

Nei segnali binari come la FSK, la distorsione è lo spostamento di un istante significativo del segnale d’impulsi dalla propria posizione relativa per iniziare a pulsare. La grandezza di questa distorsione è espressa in percentuale di un ideale unità lunghezza dell’impulso. Alcune volte chiamata “bias” della distorsione. La distorsione telegrafica è un problema simile, dove viene distorto il rapporto tra intervalli di segno e spazio.

Distorsione audio[modifica | modifica sorgente]

In questo contesto, la distorsione si riferisce ad alcuni tipi di deformazione della forma d'onda, confrontata con quella d'ingresso, di solito il clipping, distorsione armonica e distorsione di intermodulazione (un fenomeno causato dal mixing) che causano un comportamento non lineare dei componenti elettronici e inefficienza dell'alimentazione. La distorsione nella musica a volte è usata intenzionalmente per degli effetti. Altre forme di distorsione audio possono essere riferite a un andamento non-flat della risposta in frequenza, compressione, modulazione, aliasing, quantizzazione, rumore, variazioni lente o veloci dei parametri da parte di dispositivi analogici come i dischi in vinile e nastri magnetici. L'orecchio umano non può ascoltare la distorsione di fase, a meno che è affetto dalle distorsioni avvenute durante la registrazione. Come argomenti correlati si veda anche misure dei sistemi audio. In molti campi, la distorsione è caratterizzata come il cambio del segnale non desiderato.

Ottica[modifica | modifica sorgente]

In ottica, la distorsione delle immagini è una divergenza da una proiezione rettilinea causata dal cambiamento in magnificazione(ingrandimento) con l’incremento della distanza dall’asse ottico di sistema ottico.

Proiezione cartografica[modifica | modifica sorgente]

Nella cartografia, una distorsione è travisamento di un’area o forma. La proiezione cilindrica centrografica modificata di Mercatore, per esempio, distorce Groenlandia a causa della sua alta latitudine, nel senso che le forme e le dimensioni non sono le stesso come quelle del globo.