Sistemi di Telecomunicazione

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1 Sistemi di Telecomunicazione Codici di Linea e Sincronizzazione Universita Politecnica delle Marche A.A A.A Sistemi di Telecomunicazione 1/36

2 Codici di linea - I I segnali in logica TTL usati all interno delle macchine numeriche non sono idonei per essere inviati direttamente sui canali trasmissivi. E necessaria una codifica di linea che ha il compito di produrre un codice idoneo alla trasmissione. Un codice di linea binario e un formato di segnalazione seriale per rappresentare i livelli 0 e 1 generati da sorgenti binarie, o da convertitori A/D come il PCM Tale codifica viene realizzata da opportuni dispositivi noti come terminali di linea. L apparato ricevente sara fornito di analogo terminale di linea in grado di ricostruire il codice binario trasmesso. I codici di linea devono possedere determinate proprieta, in base alle quali vengono scelti per le diverse applicazioni. Alcuni esempi: Codice unipolare o polare o omopolare. Il simbolo 1 logico e rappresentato dal livello alto +A, mentre lo 0 logico e rappresentato dal livello 0. Codice bipolare o antipodale. I simboli 1 e 0 sono rappresentati da due livelli simmetrici, positivo e negativo, +A e -A. Codice pseudo-ternario. Il simbolo 0 e rappresentato da un livello 0, mentre il simbolo 1 e rappresentato da un livello che alterna di volta in volta tra +A e -A (tipico e il codice AMI: Alternate Mark Inversion). Codice Manchester (chiamato anche split-phase o bifase). Il simbolo 1 e rappresentato dalla transizione alto basso al centro del bit, mentre il simbolo 0 e rappresentato dalla transizione basso altro, sempre al centro del bit. (Attenzione che alcuni considerano invece le transizioni opposte) A.A Sistemi di Telecomunicazione 2/36

3 Codici di linea - II A.A Sistemi di Telecomunicazione 3/36

4 Codici di linea - III I codici di linea binari piu diffusi sono quelli senza ritorno a zero (NRZ - No Return to Zero), come la codifica unipolare NRZ, la codifica polare NRZ e la codifica Manchester, e quelli con ritorno a zero (RZ - Return to Zero), come la codifica polare RZ e la codifica bipolare RZ (AMI) A.A Sistemi di Telecomunicazione 4/36

5 Scelta di un codice di linea - I componente DC: eliminare la componente in continua dallo spettro di potenza del segnale consente di accoppiare il sistema in AC (alternata). Sistemi di registrazione magnetici, o sistemi che usano accoppiamenti tramite trasformatori, hanno una sensibilita estremamente ridotta alle componenti a bassa frequenza del segnale, che rischierebbero di andare perdute auto-temporizzazione (self clocking): qualunque sistema di comunicazione digitale richiede la sincronizzazione di simbolo o di bit. Alcuni schemi di codifica PCM hanno delle caratteristiche di sincronizzazione o temporizzazione intrinseca, che agevolano il recupero del segnale di clock (temporizzazione). Ad esempio, la codifica Manchester presenta una transizione a meta tempo di bit, sia che venga inviato uno zero oppure un uno, che fornisce un segnale di clock rivelazione di errore (error detection): alcuni schemi, come i duobinari, forniscono una capacita intrinseca di rilevazione di errore, senza richiedere l uso di bit aggiuntivi di ridondanza A.A Sistemi di Telecomunicazione 5/36

6 Scelta di un codice di linea - II compressione della banda: alcuni schemi, come le codifiche multilivello, aumentano l efficienza d uso della banda consentendo cioe una riduzione della banda necessaria a supportare una certa data rate. Si ha maggiore informazione trasmessa per banda unitaria codifica differenziale: tecnica utile perche consente di invertire la polarita della forma d onda codificata, senza alterare la rilevazione dei dati trasmessi. In sistemi di comunicazione in cui puo accadere che le forme d onda vengano invertite, questo puo essere vantaggioso immunita ai disturbi: le varie tipologie di codifica possono essere ulteriormente caratterizzate dalla probabilita di errore sul bit rispetto al rapporto segnale-rumore. Alcuni schemi di codifica sono maggiormente immuni al rumore di altri. Ad esempio, le forme d onda NRZ hanno prestazioni migliori della RZ unipolare, rispetto alla probabilita di errore sul bit A.A Sistemi di Telecomunicazione 6/36

7 Codici Non Ritorno a Zero (NRZ), unipolare e polare Nella segnalazione NRZ unipolare, il livello logico 1 e rappresentato dal livello alto +V, il livello logico 0 e rappresentato dal livello 0 (segnalazione tutto o niente, on-off keying). Nella segnalazione NRZ polare, i simboli 1 e 0 sono rappresentati da due livelli simmetrici positivo e negativo, +V e -V (segnalazione antipodale). A.A Sistemi di Telecomunicazione 7/36

8 Codici Non Ritorno a Zero (NRZ) - I All interno degli apparati, le informazioni si presentano quasi sempre sotto forma di codice binario di tipo unipolare NRZ (Non ritorno a Zero). Il codice NRZ presenta per il bit di valore 1 un impulso elettrico di durata pari a tutto il tempo di bit Tale codice, pur essendo utile per tutte le funzioni interne dell apparato, non e adatto ad essere inviato ai mezzi trasmissivi per i seguenti motivi: impossibilita di estrarre la temporizzazione (deve essere accompagnato dal Clock) presenza di una componente continua che e spesso indesiderata sulle linee di trasmissione, perche non consente accoppiamento a trasformatore (richiede accoppiamento in continua) presenza di lunghe sequenze di zeri consecutivi che pongono in difficolta, nei rigeneratori di linea, i circuiti di estrazione del Clock A.A Sistemi di Telecomunicazione 8/36

9 Codici Non Ritorno a Zero (NRZ) - II Per questi motivi, quindi, il segnale binario NRZ viene opportunamente trasformato tramite un trasduttore di codice. Nel gergo tecnico il trasduttore di codice prende anche il nome di Codificatore di linea Poiche nello spettro del segnale non compare una componente a f=r, necessaria per l estrazione della temporizzazione nei rigeneratori, la durata dell impulso 1 viene ridotta del 50%, passando cosi da una segnalazione NRZ ad una segnalazione di tipo RZ A.A Sistemi di Telecomunicazione 9/36

10 Codici Non Ritorno a Zero (NRZ) e Ritorno a Zero (RZ) La durata dell impulso al 50% del tempo di bit permette di ottenere nello spettro del segnale RZ una componente non nulla alla frequenza di bit, utile per l estrazione del sincronismo A.A Sistemi di Telecomunicazione 10/36

11 Codici Alternate Mark Inversion (AMI) - I A.A Sistemi di Telecomunicazione 11/36

12 Codici Alternate Mark Inversion (AMI) - II Nella trasmissione dati, per eliminare la presenza di componente continua, il trasduttore di codice opera una conversione del codice binario in un particolare codice ternario, cioe a tre livelli, detto AMI (Alternate Mark Inversion) Il segnale cosi codificato viene quindi reso disponibile per essere inviato sul mezzo trasmissivo con precise caratteristiche di interfaccia (durata e ampiezza degli impulsi, impedenza interna del generatore equivalente, ecc.) Il codice AMI consta di tre simboli: lo 0 binario viene codificato come assenza di impulso cosi come nel codice binario, mentre l 1 binario e codificato alternativamente come +1 o -1, indipendentemente dal numero di zeri frapposti a due 1 binari consecutivi Come si vede intuitivamente dalla figura, con il codice AMI si elimina la componente continua che invece e presente nel codice binario A.A Sistemi di Telecomunicazione 12/36

13 High Density Bipolarity 3 zeroes - I Codice a 3 livelli con ritorno a zero. Usa impulsi positivi e negativi alternati in corrispondenza di ogni valore logico alto (1) e di una sequenza di 3 zeri consecutivi, come l AMI. Tuttavia, qualora si dovessero presentare quattro bit consecutivi tutti a livello logico zero, il quarto bit viene trasformato in un livello di tensione +V oppure -V, uguale al precedente valore logico 1; questo evento viene interpretato come una violazione di codice e quindi viene riconosciuto non come 1 ma come zero logico A.A Sistemi di Telecomunicazione 13/36

14 High Density Bipolarity 3 zeroes - II Come per la codifica AMI, non si ha piu la componente continua. Inoltre, vengono eliminate le lunghe sequenze di bit 0, che rendono difficile l estrazione del clock nel ricevitore A.A Sistemi di Telecomunicazione 14/36

15 Spettro delle codifiche numeriche in banda base A.A Sistemi di Telecomunicazione 15/36

16 Codice interfaccia codirezionale (DM0) - I Questa interfaccia costituisce il livello base della gerarchia numerica. E caratterizzata da una particolare codifica di linea che, oltre a permettere la trasmissione del segnale di temporizzazione (240 KHz) e ad annullare la componente continua, permette anche di individuare l ottetto mediante opportune violazioni di bipolarita degli impulsi. In figura e riportato un esempio della codifica di linea dell interfaccia DM0 A.A Sistemi di Telecomunicazione 16/36

17 Codice interfaccia codirezionale (DM0) - II L interfaccia DM0 e denominata anche, secondo la dicitura CCITT, interfaccia codirezionale in quanto, in entrambi i sensi di trasmissione, i dati ed il CK hanno sempre la stessa direzione essendo la temporizzazione contenuta nei dati stessi Regole della codifica di linea: 1 Il segnale binario 1 relativo al segnale dati a 64 Kb/s e codificato con il pacchetto di 4 segnali elementari Il segnale binario 0 relativo al segnale dati a 64 Kb/s e codificato il pacchetto di 4 segnali elementari Il segnale binario e convertito in un segnale a 3 livelli alternando la polarita dei pacchetti consecutivi 4 L alternanza della polarita di cui al punto precedente, e violata ogni otto pacchetti in corrispondenza dell ultimo bit di ottetto 5 Viene evidenziato il tempo di ottetto (8 KHz) A.A Sistemi di Telecomunicazione 17/36

18 Sincronizzazione Il problema del sincronismo e molto importante. Un cattivo sincronismo pregiudica infatti le prestazioni di un sistema di telecomunicazioni digitale Se a destinazione vogliamo ricostruire il messaggio originale, dobbiamo essere in grado di riconoscere in quale punto della sequenza ricevuta inizia la forma d onda associata ad un bit (sincronismo di bit), oppure inizia il frame relativo ad una parola di codice (sincronismo di frame) Nel caso di trasmissione in banda traslata esiste un ulteriore problema di sincronismo legato al recupero della frequenza e della fase della portante nei demodulatori coerenti La complessita dei circuiti per la sincronizzazione di bit dipende dalle proprieta di sincronizzazione del codice di linea A.A Sistemi di Telecomunicazione 18/36

19 Sincronizzazione di bit e di trama: schema ricevitore Il sincronismo di bit viene ottenuto analizzando il segnale ricevuto Tecniche basate su sincronizzatore di bit a legge quadratica per NRZ bipolare Tecniche basate su Early-Late Synchronizer Tecniche basate su Zero-Crossing Detection Il sincronismo di frame viene ricavato dal messaggio rigenerato e dal clock A.A Sistemi di Telecomunicazione 19/36

20 Sincronizzatore di bit a legge quadratica per NRZ bipolare - I Idea di base: sfruttare gli impulsi presenti nello spettro di densita di potenza a multipli di r b per ricavare un segnale di sincronismo per il il clock che governa il rigeneratore In un codice RZ unipolare con un numero sufficiente di transizioni tra i livelli 1 e 0, lo spettro del codice ha una componente discreta a frequenza di bit. Un filtraggio passa-banda selettivo a frequenza f 0 = r b = 1/T b ed un aggiustamento di fase consentono di ottenere il segnale di temporizzazione Un segnale NRZ polare deve essere prima convertito in RZ polare, poi si applica il filtro passa-banda a banda stretta centrato in f 0 = r b = 1/T b La conversione in RZ polare avviene mediante un dispositivo a non-linearita quadratica A.A Sistemi di Telecomunicazione 20/36

21 Sincronizzatore di bit a legge quadratica per NRZ bipolare - II A.A Sistemi di Telecomunicazione 21/36

22 Sincronizzatore di bit early-late (anticipo e ritardo) per NRZ polare - I La tecnica sfrutta il fatto che un segnale opportunamente filtrato presenta un massimo in corrispondenza dell istante ottimo di campionamento t opt, e presenta una certa simmetria rispetto tale punto, purche i dati si alternino frequentemente tra 0 e 1 Il segnale w 1 (t) viene campionato all istante t k ; si fissa una quantita positiva δ < T b /2 e si considerano i campioni w 1 (t k δ) e w 1 (t k + δ) Se si sta campionando correttamente, cioe TX e RX sono sincronizzati, w 1 (t k δ) = w 1 (t k + δ) per t k = topt Se si sta campionando in ritardo (late sync): w 1 (t k δ) > w 1 (t k + δ) Se si sta campionando in anticipo (early sync): w 1 (t k δ) < w 1 (t k + δ) Si puo usare la tensione γ(t) = w 1 (t k δ) w 1 (t k + δ) per controllare un VCO A.A Sistemi di Telecomunicazione 22/36

23 Sincronizzatore di bit early-late (anticipo e ritardo) per NRZ polare - errore di sincronizzazione A.A Sistemi di Telecomunicazione 23/36

24 Sincronizzatore di bit early-late (anticipo e ritardo) per NRZ polare - I A.A Sistemi di Telecomunicazione 24/36

25 Sincronizzatore di bit con Zero Crossing Detector per NRZ bipolare - I La tecnica ZCD utilizza una configurazione ad anello chiuso (quindi permette una sincronizzazione robusta) Idea di base: il sincronismo di bit viene recuperato sfruttando le transizioni per zero del segnale nel dominio del tempo Questa tecnica puo essere applicata anche a formati di linea di tipo NRZ Nei sistemi basati su ZCD, il clock viene fornito da un generatore di onda quadra la cui frequenza e funzione della tensione in ingresso. Questo dispositivo viene chiamato Voltage Controlled Oscillator (VCO). Il VCO e controllato da un segnale (tensione) derivato da un opportuna analisi delle transizioni per zero del segnale ricevuto Eventuali scostamenti dalla condizione di sincronismo ideale vengono recuperati dal meccanismo ad anello chiuso aumentando (o diminuendo) opportunamente la tensione di controllo del VCO A.A Sistemi di Telecomunicazione 25/36

26 Sincronizzatore di bit con Zero Crossing Detector per NRZ bipolare - II A.A Sistemi di Telecomunicazione 26/36

27 Sincronizzatore di trama - I La sincronizzazione di frame e necessaria principalmente per due motivi principali: 1) se si sbaglia l identificazione dell inizio del frame il ricevitore ricostruisce una sequenza sbagliata; 2) se non si identifica la presenza di un messaggio, si rischia di interpretare il segnale in un momento in cui non vi e trasmissione ed e presente solo rumore L informazione relativa al frame e in genere ricavata per mezzo dei bit rigenerati e del clock del ricevitore (gia sincronizzato con il clock del trasmettitore grazie al sincronismo di bit) La sincronizzazione di frame e facilitata includendo nella sequenza da trasmettere la ripetizione di una parola speciale di sincronismo (sync word) costituita da N bit Il prefisso del frame e costituito da diverse ripetizioni della sync word che demarcano l inizio della trasmissione. Il prefisso e seguito da un altra parola di codice che indica l inizio del messaggio vero e proprio Il sincronizzatore di frame deve rilevare la sync word non appena essa appare nella sequenza di bit che vengono rigenerati A.A Sistemi di Telecomunicazione 27/36

28 Sincronizzatore di trama - II Il sincronizzatore di frame e sostanzialmente costituito da uno shift register e da un comparatore. Il suo funzionamento si basa su un calcolo di cross-correlazione tra la sequenza di bit rigenerati e la sync word. I guadagni delle celle contengono l informazione sulla sync word. Quando nello shift register e presente la sync word, il valore in ingresso al comparatore e pari a N (se non ci sono errori in ricezione). In realta, per tener conto di eventuali errori nella parola di codice ricevuta, l indicatore di frame viene attivato se il valore in ingresso al comparatore e maggiore di una soglia V inferiore a N A.A Sistemi di Telecomunicazione 28/36

29 Autocorrelazione di una sequenza PN A.A Sistemi di Telecomunicazione 29/36

30 Tapped Shift Register (scrambler) A.A Sistemi di Telecomunicazione 30/36

31 Caratteristiche dell interfaccia ITU-T G.703 La raccomandazione G.703 definisce le caratteristiche fisiche ed elettriche per le interfacce ai vari livelli gerarchici, necessarie per consentire l interconnessione di elementi di reti digitali (digital section, multiplex equipment, exchanges) che formano un collegamento internazionale A.A Sistemi di Telecomunicazione 31/36

32 Codici di trasmissione definiti nella Raccomandazione ITU-T G.703 A.A Sistemi di Telecomunicazione 32/36

33 Banda di un segnale A.A Sistemi di Telecomunicazione 33/36

34 Banda di un segnale - definizioni half power bandwidth: intervallo tra i valori di frequenza in corrispondenza dei quali G x (f ) si riduce a meta potenza, ovvero diminuisce di 3 db al di sotto del valore di picco equivalent rectangular o noise equivalent bandwidth: la banda equivalente di rumore fu inizialmente definita per poter calcolare in modo rapido la potenza di rumore in uscita da un amplificatore avente in ingresso un rumore a banda larga. Il concetto si puo applicare anche alla banda di un segnale: la banda equivalente di rumore di un segnale, W N, e definita dalla relazione: W N = P x /G x (f c ), dove P x e la potenza totale del segnale calcolata su tutte le frequenze, e G x (f c ) e il valore di G x (f ) a centro banda (assumendo che esso sia il valore massimo su tutte le frequenze) null-to-null bandwidth: la misura piu comune per la banda nelle comunicazioni digitali e l estensione del lobo principale dello spettro, in cui e contenuta la maggior parte della potenza del segnale. Questo criterio, tuttavia, non e del tutto generale, perche alcuni formati di modulazione non hanno una definizione ben precisa dei lobi dello spettro A.A Sistemi di Telecomunicazione 34/36

35 Banda di un segnale - definizioni fractional power containment bandwidth: questa definizione della banda e stata assunta dalla FCC (Rules and Regulations Section 2.202), e stabilisce che la banda occupata e definita come la banda che lascia esattamente lo 0.5% della potenza del segnale a frequenze superiori al limite superiore della banda stessa, ed esattamente lo 0.5% della potenza del segnale a frequenze inferiori al limite inferiore della banda. Ovvero, il 99% della potenza del segnale e contenuta all interno della banda da esso occupata bounded power spectral density: un metodo comune di specificare la banda di un segnale e di dire che ovunque, al di fuori della banda, l ampiezza di G x (f ) deve essere scesa almeno ad un certo livello al di sotto del valore di centro banda. Valori tipici di attenuazione sono 35 o 50 db absolute bandwidth: e l intervallo di frequenze al di fuori del quale lo spettro e nullo. Si tratta di una astrazione utile, tuttavia, per tutte le forme d onda realizzabili, la banda assoluta e infinita A.A Sistemi di Telecomunicazione 35/36

36 Riferimenti Leon W. Couch II, Fondamenti di Telecomunicazioni, Cap. 1 e 3. APOGEO Ed., A.A Sistemi di Telecomunicazione 36/36