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Trasmissione e ricezione dell’informazione

Trasmissione e ricezione dell’informazione. Università di Trieste. Sorgente. Codifica di canale. Modem. Canale fisico. Code stream. Data stream. Utente. Decodifica di canale. Demodem. Canale digitale.

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Trasmissione e ricezione dell’informazione

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Presentation Transcript

  1. Trasmissione e ricezione dell’informazione Università di Trieste Sorgente Codifica di canale Modem Canale fisico Code stream Data stream Utente Decodifica di canale Demodem Canale digitale La codifica/decodifica di canale permette di diminuire (con un certo grado di libertà) il tasso di errore del canale, aggiungendo informazioni, oltre a quelle trasmesse, che permettono di rilevare e/o ricostruire simboli errati. Omero Tuzzi

  2. Serie di Fourier Università di Trieste All’inizio del XIX secolo Jean-Baptiste Fourier ha dimostrato che: Omero Tuzzi

  3. Serie di Fourier Università di Trieste Omero Tuzzi

  4. Serie di Fourier Università di Trieste Omero Tuzzi

  5. Capacità del mezzo Università di Trieste Nel 1924 H. Nyquist dimostrò che un segnale a larghezza di banda B può essere ricostruito a partire dai 2B campioni del segnale stesso.Con l’ausilio di questa relazione riuscì a stabilire che la massima quantità di informazione trasmessa in un canale non rumoroso, dato un segnale costituito da V livelli, è di: Omero Tuzzi

  6. Capacità del mezzo Università di Trieste Nel 1948 C. Shannon estese il lavoro di Nyquist a canali soggetti a rumore casuale (termico). Se indichiamo con S la potenza del segnale e con N la potenza del rumore, la massima informazione trasmessa è: quindi, in un canale telefonico la banda è di circa 3 Khz, il rapporto S/N è di circa 30 dB (cioè 10 log101000=30 dB), allora la quantità massima di bit trasmessi è di circa 33.000 bps. Omero Tuzzi

  7. Mezzi di trasmissione Università di Trieste • Mezzi magnetici: Nastri magnetici e floppy disk che hannouna banda passante molto varia (dipende dalla destinazione) • Il doppino: Consiste in due fili di rame isolati, dello spessoredi un 1mm • La larghezza di banda dipende dallo spessore e dalla distanzapercorsa, ma molte volte può raggiungere diversi megabit/sper distanze di chilometri. Esistono vari tipi di doppino: • Categoria 3: Rappresentato da 4 coppie raggruppate in una guaina • Categoria 5: Come Cat. 3 ma con più intrecciamenti per cm edisolamento di qualità superiore Omero Tuzzi

  8. Mezzi di trasmissione Università di Trieste • Cavo coassiale a banda base: Consiste in un filo di rame rigido circondato da una garza metallica che funge da schermo: L’impedenza tipica dei cavi coassiali (coax) è di 50. La larghezza di banda dipende dalla lunghezza del cavo: per lunghezze di 1 km sono possibili velocità che variano da 1 a 2 Gbps. Si possono avere anche cavi più lunghi, ma occorre ridurre la velocità di trasmissione e frammezzare ai tratti di cavo degli amplificatori di segnale. Omero Tuzzi

  9. Mezzi di trasmissione Università di Trieste • Cavo coassiale a larga banda: Consiste in un cavo identico a quello in banda base, ma con un sistema di trasmissione diverso.Su coassiale in banda larga, la trasmissione avviene in analogico, cioè in maniera del tutto simile alla trasmissione televisiva. La larghezza di banda in questo caso è di 300 Mhz, con lunghezze anche di 100 km. I sistemi a banda larga suddividono il canale totale in canali da 6 Mhz, che possono essere utilizzati per la trasmissione di emittenti TV, audio ad alta qualità (1,4 Mbps) o un flusso digitale a 3 Mbps. Omero Tuzzi

  10. Mezzi di trasmissione Università di Trieste • Fibra ottica: Consiste in un cavo composto da un anima trasparente di silicio avvolto in un rivestimento di vetro con indice di rifrazione diverso. Tutta la parte in vetro è ricoperta da una guaina di plasticanera. Le fibre sono normalmente raggruppate insieme intorno ad un filo di metallo che facilita la posa del cavo. La larghezza di banda in questo caso è di oltre 30.000 GHz. L’attuale limite di trasmissione è dovuto semplicemente al fatto che un sistema a fibra ottica necessita di due conversioni: la prima da elettrico a luce, e la seconda luce ad elettrico. Omero Tuzzi

  11. Mezzi di trasmissione Università di Trieste La trasmissione all’interno dell’anima di vetro può avvenire con modalità diverse: Fibra multimodale: È una fibra il cui nucleo è abbastanza ampio da permettere diversi angoli di rimbalzo della luce trasmessa Fibra monomodale: È una fibra il cui nucleo permette il passaggio di poche lunghezze d’onda. Questo fa comportare la fibra come una semplice guida d’onda Omero Tuzzi

  12. Mezzi di trasmissione Università di Trieste 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Doppino Satellite Fibre Coax Microonde Radio FM Radio AM Radio Microonde Infrarosso UV Raggi X Raggi Gamma TV Marittima LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF • L’aria: L’aria è un buon mezzo di trasmissione, in particolare le onderadio sono facili da generare, possono viaggiare per lunghe distanze epenetrano facilmente negli edifici. Inoltre sono omnidirezionali, quindiil trasmettitore e il ricevitore non devono essere allineati. Omero Tuzzi

  13. Università di Trieste Canale digitale x0 y0 q 0 0 x1 y1 p p x2 y2 1 1 q = 1 - p xj yk È costituito dall’insieme modulatore, canale fisico di comunicazione e demodulatore. Viene chiamato così perché sia in ingresso che in uscita del canale si hanno simboli digitali. Discrete q-aty input, Q-ary output channel BSC (Binary Symmetric Channel) …… …… Omero Tuzzi

  14. 1876: Inizio della nuova era Università di Trieste • 1876: Alexander Graham Bell brevetta il telefono • 1878: Fonda la Bell Telephone Company • Apre il primo ufficio di commutazione a New Haven nel Connecticut Omero Tuzzi

  15. Il sistema telefonico moderno Università di Trieste DIGITAL PSTN Linea Analogica Linea Analogica 3 4 5 6 5 4 0 0 2 4 5 3 Nella trasmissione PCM, in corrispondenza di ciascun campione vengono emessi n impulsi binari rappresentanti in codice il valore quantizzato dell’ampiezza istantanea del segnale campionato. Omero Tuzzi

  16. Evoluzione della topologia di rete Università di Trieste 1876 1878 1890 Switching office End office Toll office ... Local Loop Local Loop Toll connecting trunk ... VHB interc. trunk ... Omero Tuzzi

  17. Università di Trieste Mezzi di trasmissione Il canale telefonico vocale ha banda in 300Hz - 3.4KHz • Icircuiti localisono doppini in rame • Tra gliuffici di commutazionesi usano cavi coassiali, microonde e fibre ottiche • Si sta passando dal sistema analogico aldigitale(è più facile rigenerare il segnale; permette trasmissione di voce, dati, video; la frma d’onda non deve essere accurata; manutenzione più semplice). Omero Tuzzi

  18. Università di Trieste Componenti del sistema • Circuiti locali - analogici I dati devono essere convertiti in forma analogica con un modem Ufficio di pedaggio Ufficio terminale Ufficio terminale • Dorsali • Centralini Omero Tuzzi

  19. Distorsione d’ampiezza Università di Trieste Soglia di decisione 1 0 1 L’attenuazioneè la perdita di energia del segnale durante la sua propagazione. La perdita è espressa in dB per Km. LaDistorsione d’ampiezzaderiva dalla diversa attenuazione che subiscono nella propagazione le varie componenti spettrali del segnale, il quale risulta così deformato rendendo più difficile la sua ricezione. Ad ogni distorsione dello spettro provoca un cambiamento sull’andamento del segnale nel dominio del tempo. Questo provocaeffetti coda con conseguente interferenza intersimbolica. Omero Tuzzi

  20. Distorsioni della fase Università di Trieste LaDistorsione di faseè provocata dalla differente velocità con la quale si propagano le diverse componenti del segnale trasmesso. In genere sono costanti per un mezzo trasmissivo e si riflettono nel dominio del tempo provocando una traslazione in ritardo del segnale. IlJitter di faseè un fenomeno molto simile alla distorsione di fase, con l’unica differenza che questo disturbo non è costante nel tempo, ma varia in maniera casuale. Omero Tuzzi

  21. Il rumore di linea Università di Trieste È importante distinguere trarumore di fondoerumore impulsivo: • Rumore di fondo (Rumore bianco): È un rumore la cui potenza è uniformemente distribuita nella banda di frequenze utilizzata. • Rumore impulsivo: È un rumore costituito da picchi che superano una determinata soglia, in genere non raggiungibile dal rumore di fondo. Ha origine dai transitori delle centrali, da correnti parassite industriali e atmosferiche e da qualunque altra causa che possa indurre disturbi di breve durata ma di forte intensità. Omero Tuzzi

  22. Le modulazioni Università di Trieste • La modulazione dei dati sulla linea di trasmissione può essere: • Pulse Code Modulation (PCM) • Modulazione a Frequency Shift Keying (FSK) • Modulazione a Phase Shift Keying (PSK) • Modulazione a Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Omero Tuzzi

  23. La codifica PAM/PCM Università di Trieste 1 0 1 1 1 0 Per trasformare una sequenza di bit in un segnale analogico è necessario associare ad ogni valore binario una curva chiamatakernel. Il problema è che non è possibile avvicinare troppo due simboli consecutivi, perché questi potrebbero interferire tra loro. Inoltre non è possibile ridurre troppo l’ occupazione in tempo della curva kernel a causa del conseguente allargamento della banda di canale nel dominio della frequenza. Omero Tuzzi

  24. Frequency Shift Keying Università di Trieste Nella modulazione FSK a ciascuna delle due cifre binarie è associato un valore diverso di frequenza. Precisamente: Requisito importante nella FSK è lacontinuità di fasenegli istanti di transizione da una frequenza all’altra. Il mancato rispetto di questa condizione comporta un allargamento della banda del segnale modulato. Per ottenere questo generalmente si scelgono le frequenze di livello in modo che la loro frequenza risulti pari ad un multiplo dellafrequenza fondamentale di modulazione. Omero Tuzzi

  25. Phase Shift Keying Università di Trieste Nella modulazione PSK bifase, a ciascuna delle due cifre binarie è associato un valore diverso di fase. Precisamente: La modulazione polifase si realizza effettuando una codifica preliminare dei bit provenienti dal terminale, raggruppandoli in parole di n bit e facendo corrispondere a ciascuna delle 2n parole possibili una determinata fase della frequenza portante. Omero Tuzzi

  26. Esempio di PSK Università di Trieste 3 bit = 4800 bit/s 2 bit = 2400 bit/s 001 0 000 45 010 90 011 135 111 180 110 225 100 270 101 315 00 45 10 135 11 225 01 315 Non si può aumentare indefinitamente il numero di bit per campione perché entrano in gioco fattori di distorsione o rotazione del segnale, detto anchephase jitter. Omero Tuzzi

  27. Quadrature Amplitude Modulation Università di Trieste 1111 0000 1101 001 1010 101 0010 000 4 bit/baud 3 bit/baud Nella QAM si utilizzano congiuntamente le modulazioni di ampiezza e fase. Quindi la codifica dei bit non viene solo affidata alla variazione di fase, ma anche a quella di ampiezza. Schemi di costellazione Omero Tuzzi

  28. Esempio di costellazione QAM Università di Trieste 0111 0110 0001 0010 0100 0101 0000 0011 1001 1100 1111 1000 1101 1110 1010 1011 4 bit/baud = 9600 bps Omero Tuzzi

  29. Università di Trieste Esempio di costellazione QAM Velocità di trasmissione: 14400 bps Costellazione a 64 punti Omero Tuzzi

  30. I Modem Università di Trieste • I modem vengono classificati in base alle loro principali caratteristiche di funzionamento: • Banda di frequenza dei segnali trasmessi (banda base o traslata) • Tipo di collegamento consentito (half duplex o full duplex) • Procedura di trasmissione (sincrona o asincrona) Omero Tuzzi

  31. Caratteristiche dei Modem Università di Trieste Modem in banda traslata: Se la via di trasmissione del collegamento dati è un canale telefonico con banda 300-3400 Hz, è necessario effettuare, mediante il modem, una traslazione di frequenza di adattamento. Modem in banda base: Se il collegamento è una rete dedicata in ambito urbano con supporto trasmissivo costituito da coppie di cavo senza limitazioni (o quasi) di banda, è possibile trasmettere dati in banda base. In questo modo il modem risulta semplificato. Omero Tuzzi

  32. Caratteristiche dei Modem Università di Trieste Modem in half-duplex: In questo tipo di funzionamento, per consentire il flusso dei dati in entrambe le direzioni di trasmissione, i modem devono passare alternativamente dallo stato di trasmissione a quello di ricezione e viceversa. Questa commutazione richiede un certo tempo dell’ordine di qualche millisecondo (turn around time). Modem in full-duplex: In questo tipo di funzionamento il flusso dei dati può avvenire contemporaneamente nei due sensi di trasmissione: non è richesta quindi la commutazione trasmissione-ricezione da parte del modem, e ciò consente di eliminare i tempi morti relativi a questa operazione. Questa modalità pone dei problemi nel caso di circuiti a 2 fili, perché la banda passante telefonica deve essere divisa in due canali che limitano di fatto la velocità di trasmissione. Omero Tuzzi

  33. Caratteristiche dei Modem Università di Trieste Modem sincroni: Nel modo sincrono la temporizzazione dei dati è eseguita dal modem. Questo preleva i dati, lato trasmissione, dal terminale secondo una cadenza scandita da un proprio clock. In ricezione, il clock viene estratto dai segnali in arrivo. In questo caso la velocità di trasmissione è rigidamente stabilita dal clock del modem. Modem asincroni: Nel modo asincrono il modem non ha componenti di temporizzazione, ed accetta dalla sorgente i dati con qualsiasi cadenza, purché non superiori ad un massimo consentito. Questi vengono poi restituiti al terminale ricevente senza alterazioni temporali; si dice che i modem asincroni sono trasparenti ai dati. Omero Tuzzi

  34. Caratteristiche dei Modem Università di Trieste Altri elementi di classificazione: • Intelligenza • Equalizzazione automatica o manuale • Modem a multiporta • Sicurezza • Capacità Voice/Data Omero Tuzzi

  35. Circuito di trasmissione Università di Trieste Transmit Data Modulatore Data Encoder Scrambler Filtro Driver Canale fisico Circuito di controllo Clock Transmit Clock Clear To Send Request To Send Omero Tuzzi

  36. Circuito di ricezione Università di Trieste Equalizzatore Demodulatore Received Data Data Decoder Descrambler Receive Clock Clock Filtro e Amplificatore Driver Circuito di Carrier Detect Data Carrier Detect Canale fisico Omero Tuzzi

  37. Elementi del Modem Università di Trieste Data Encoder: Viene impiegato in sinergia con schemi di modulazione, per aumentare il rapporto bit/baud. Scrambler/Descrambler: Quando il flusso di bit che arrivano dal DTE non è sufficiente all’estrazione del clock di trasmissione, è necessario aggiungere uno scrambler che modifica le sequenze di bit in modo da aggiungere le transizioni necessarie. Equalizzatore: Gli equalizzatori vengono utilizzati per adattare le singole componenti del segnale ricevuto, in modo da minimizzare interferenze, attenuazioni, ecc. Filtro: È un dispositivo che accoppia la banda del segnale emesso dal modem alla banda del canale fisico. Omero Tuzzi

  38. Elementi del Modem Università di Trieste Clock:Il generatore di clock interno è necessario nei modem sincroni. Driver: Il driver è un dispositivo che adatta il livello del segnale al canale fisico. Modulatore/Demodulatore: Questi circuiti trasformano le sequenze di bit digitali in segnali analogici aventi particolari caratteristiche che dipendono dal tipo di modulazione impiegata. Omero Tuzzi

  39. Baud/sec e Bps Università di Trieste • I Bps (Bits Per Second) di un modem rappresentano la capacità di trasmissione in bit di sorgente. • Il Baud rate o Baud/sec rappresentano il numero di campioni analogici trasmessi dal modem. Omero Tuzzi

  40. Codifica/Decodifica di canale Università di Trieste In generale una codifica di canale si indica con(n, k): dove k rappresenta il numero di simboli di sorgente utilizzati per la formazione di un blocco, mentre n (n > k) indica il numero di simboli utilizzati dal codificatore per rappresentare il blocco codificato. Il numero n viene detto anchelunghezza della parola di codice, mentre gli n - k simboli si diconosimboli di ridondanza. Omero Tuzzi

  41. Classificazione dei Codici Università di Trieste Possiamo dividere i codici in due classi distinte: • Codici a rilevazione d’errore: che permettono di rilevare la presenza di un errore all’interno di una parola di codice ma che non permettono la sua correzione. • Codici a correzione d’errore: che permettono, oltre ad una rilevazione dell’errore in un parola di codice, anche la sua l’individuazione e correzione. Un codice (n, k) viene detto informa sistematicase la parola di codice è formata dai k simboli di sorgente (rimasti invariati), uniti agli n - k simboli di ridondanza. Omero Tuzzi

  42. Vantaggi e svantaggi Università di Trieste • Codici a rilevazione d’errore • Vantaggi • Sono codici molto semplici e quindi molto veloci. In questo modo possono lavorare ad alte velocità • Hanno probabilità di errore più piccole rispetto ai codici a correzione • Svantaggi • Presentano più basse prestazioni in trasmissione perché è necessario ritrasmettere la parola di codice sbagliata Omero Tuzzi

  43. Vantaggi e svantaggi Università di Trieste • Codici a correzione d’errore • Vantaggi • Hanno prestazioni elevate in trasmissione perché possono correggere le parole di codice sbagliate • Svantaggi • I decodificatori sono sempre molto complessi • Quando sono presenti più errori di quelli che il codice può correggere, in genere il decodificatore introduce nuovi errori. Omero Tuzzi

  44. La Codifica Trellis Università di Trieste 4 bit S to P Signal Point Mapper Data Fase Trasmettitore QAM 2 bit 3 bit Livello C.E. Nei modem a modulazione QAM, il limite imposto alla velocità è dovuto principalmente alle distorsioni introdotte dal canale fisico. Quindi è stata introdotta una codifica di canale, chiamata Codifica Trellis (TCM) che tende a massimizzare la rilevazione degli errori. Omero Tuzzi

  45. Università di Trieste Standard dei modem Modem Velocità max. Trasmissione Modulazione Modalità V. 21 300 Asincrona FSK Half, Full V. 22 600 1200 Asincrona Asincrona/Sincrona PSK PSK Half, Full Half, Full V. 22 bis 2400 Asincrona QAM Half, Full V. 23 600 1200 Asincrona/Sincrona Asincrona/Sincrona FSK FSK Half, Full Half, Full V. 26 2400 1200 Sincrona Sincrona PSK PSK Half, Full Half V. 27 4800 Sincrona PSK Half, Full V. 29 9600 Sincrona QAM Half, Full V. 32 9600 Asincrona TCM/QAM Half, Full V. 32 bis 14400 Asincrona TCM/QAM Half, Full V. 33 14400 Sincrona TCM Half, Full V. 32 terbo 19200 Asincrona TCM Half, Full V. 34 28800 Asincrona TCM Half, Full V. 90 56000 Asincrona TCM Half, Full Omero Tuzzi

  46. Non-linear encoding Università di Trieste 4 bit S to P Signal Point Mapper Fase Data Trasm. QAM 2 bit 3 bit Livello C.E. LaNon Linear-Encodingè una tecnica utilizzata per distribuire i punti della costellazione in maniera non uniforme. Questo sistema rende il modem immune agli effetti della PCM su linee analogiche normali Omero Tuzzi

  47. Modem a 300 bit/s (V. 21) Università di Trieste Caratteristiche generali di un modem a 300 bit/s: Velocità di trasmissione: 300 bit/s Modulazione: FSK Tipo di trasmissione: asincrona Mezzo trasmissivo: rete commutata Servizio: full-duplex Frequenze di trasmissione: Bit Canale inferiore Canale superiore Canale inf. (Bell) Canale sup. (Bell) 1 980 1650 1270 2225 0 1180 1860 1070 2025 Omero Tuzzi

  48. Costellazione V. 32 Università di Trieste 9600 bps Omero Tuzzi

  49. Costellazione V. 32 bis Università di Trieste 14400 bps Omero Tuzzi

  50. Costellazione V. 32 terbo Università di Trieste 19200 bps Omero Tuzzi

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