PRINCIPI E STANDARD DELLA MODULAZIONE

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1 PRINCIPI E STANDARD DELLA MODULAZIONE Quando parliamo di Internet e delle attuali macchine tecnologiche (telefonino, macchina fotografica, tablet, computer) parliamo sempre di digitale e, qualche volta, contrapponiamo a questo termine quello di analogico. Ma cosa queste parole esattamente significhino ed a cosa si riferiscono, molto spesso lo ignoriamo, forse anche perché la cosa non è per noi rilevante e ci basata poter usare il digitale per quello che ci serve senza stare tanto a guardarci dentro. Analogico e digitale sono termini che si incontrano di continuo quando si parla di tecnologie (vecchie e nuove). Nel senso comune, ad analogico è associato un significato di vecchio o passato o di bassa qualità ; digitale è, invece sinonimo di nuovo o innovativo o di qualità. Questa distinzione da senso comune non è vera. Una cosa da tenere ben presente quando si trattano queste questioni è che una cosa sono le definizioni dei due termini (cosa significano, da dove derivano, ), altro le implicazioni operative che esse hanno (perché si usa una e non l altra, quali le conseguenze, le implicazioni, i risultati ). Per quanto riguarda le definizioni... Innanzi tutto va tenuto presente che quando parliamo di Analogico e di Digitale ci riferiamo a modalità di rappresentare la misura di una quantità (sono attributi di una quantità ), a modi in cui variano le grandezze che stiamo prendendo in considerazione (come un segnale audio, un segnale video, il colore,.). Analogica è una grandezza che varia con continuità: una variabile analogica può assumere un numero infinito di valori (ad esempio la distanza tra due punti nello spazio può assumere un numero infinito di valori). Digitale è una grandezza che varia a salti : una variabile digitale può assumere solo un numero finito di valori (la durata di un giorno ad esempio, può assumere solo uno degli valori se usiamo l unità secondo, uno dei 850 mila valori se usiamo i decimi di secondo oppure uno degli 8 milioni e 500 mila se usassimo i centesimi di secondo; tante possibilità ma pur sempre finite, determinate). Possiamo dedurre che il concetto di analogico è associabile ad una condizione di continuità, cioè in un probabile percorso qualcosa si muove mutando la sua

2 collocazione attraverso infinite posizioni e definendole infinite escludiamo la possibilità di poterle numerare. Con il digitale invece lo stesso percorso verrebbe diviso in tappe (step) ed anche se piccolissime e numerosissime sarebbe sempre possibile determinarne la quantità. Il passaggio da analogico a digitale è chiamato digitalizzazione. Anche geometricamente vi è una notevole differenza fra un'onda sinusoidale (più o meno regolare) come il segnale analogico e un insieme di spezzate (tratti costanti ai valori dell'insieme discreto, tipicamente 0 e 1) di un segnale digitale. Il digitale è usato come approssimazione un po' rozza di un'onda analogica, anche se nelle applicazioni la qualità della riproduzione può essere ottima. Tale conversione è frequente quanto la discretizzazione di variabili continue in matematica o statistica (aspetto più generale di un problema soprattutto pratico). Un oggetto viene digitalizzato, cioè reso digitale, se il suo stato originario (analogico) viene "tradotto" e rappresentato mediante un insieme numerabile di elementi. Per esempio una foto, normalmente formata da un infinito numero di punti ognuno dei quali formato di un'infinita gamma di colori, viene digitalizzata, e quindi tradotta in foto digitale, allorché la sua superficie la si rappresenti divisa in un numero discreto di "punti" (in genere piccoli quadrati o rettangoli detti pixel) ognuno dei quali formato di un colore tra i possibili (se codificati in RGB, e cioè in una combinazione di 256 sfumature di rosso, 256 di verde e 256 di blu), ovvero 8 bit per colore. Molte tecnologie ricorrono al digitale per ottenere la riproduzione di un'onda (sonora o luminosa) che è analogica; il modem converte appunto un segnale analogico inviabile attraverso i doppini telefonici in un segnale richiesto dal pc o altro dispositivo elettronico che funziona tramite bit (0/1) e richiede un segnale digitale. I moderni televisori LCD funzionano principalmente con segnali digitali, mentre i televisori della precedente generazione CRT avevano un funzionamento basato primariamente su segnali analogici. I convertitori ADC e DAC in genere non sono integrati direttamente sulla scheda madre di un computer ma si trovano su di una apposito componente, chiamato scheda audio, che si inserisce in uno degli slot di espansione del computer. Vi ricordo che, alle volte, i convertitori della scheda vengono chiamati CODEC ma questa sigla non rappresenta altro che degli ADC e DAC di qualità non troppo elevata integrati in un unico componente.

3 Vediamo come appare una scheda audio: MODULAZIONE Spesso il collegamento tra computer viene realizzato tramite connessione telefonica che consente una trasmissione seriale dei dati su grandi distanze (in una trasmissione seriale i dati sono inviati bit per bit attraverso un unica linea). Tali dati non possono essere logicamente inseriti su linea telefonica senza che questi vengano distorti in modo tale che siano irriconoscibili dal ricevente, perciò sono state realizzate apparecchiature in grado di modulare il segnale in modo da evitare errori gravi. Per evitare la deformazione e l'attenuazione del segnale si usa un segnale detto portante sinusoidale. Questa operazione viene effettuata su un segnale modulante tramite un dispositivo chiamato modem. La tecnica usata è detta quindi modulazione e consiste nel modificare uno dei parametri fondamentali dell'onda sinusoidale (ampiezza, frequenza o fase). Quindi che cos è la modulazione? È il processo secondo il quale l ampiezza, la frequenza o la fase di un segnale a radiofrequenza o di un onda luminosa vengono modificate per trasmettere i dati.

4 Le caratteristiche dell onda vengono modificate per mezzo di un altra forma d onda di modulazione. La modulazione inserisce il contenuto informativo (di un testo, un contenuto multimediale ecc) sull onda portante per la trasmissione. I metodi di modulazione più comuni sono: ASK (Amplitude Shift Keying = modulazione a spostamento di ampiezza). Modulazione d ampiezza (AM): modula l ampiezza; Consiste nel modulare l'ampiezza del segnale radio che si intende utilizzare per la trasmissione (detto portante) in maniera proporzionale all'ampiezza del segnale che si intende trasmettere (modulante) e che contiene informazione. Quindi il segnale digitale, che costituisce l informazione da trasmettere, va a modulare una portante sinusoidale facendone variare l ampiezza. FSK (Frequency Shift Keying = modulazione a spostamento di frequenza). Modulazione di frequenza (FM): modula la frequenza; è uno dei sistemi utilizzati per trasmettere informazioni utilizzando la variazione di frequenza dell'onda portante. consiste nel modulare la frequenza del segnale radio che si intende utilizzare per la trasmissione (detto portante) in maniera proporzionale all'ampiezza del segnale che si intende trasmettere.quindi si hanno due possibili portanti a frequenze diverse che vengono abbinate ai due valori logici binari uno e zero.

5 Questo tipo di modulazione è stata usata nei primi modem, V21 e V23 molto lenti rispetto a quelli odierni, ed è tuttora usata nei ponti radio e nelle trasmissioni fra cellulari del tipo GSM. PSK (Phase Shift Keying = modulazione a spostamento di fase). Modulazione di fase (PM): modula la fase. è una tecnica di modulazione di un segnale e si ottiene variando la fase della portante rispetto al suo valore in assenza di modulazione, proporzionalmente al valore istantaneo dell ampiezza del segnale. La modulazione numerica più moderna è certamente la PSK, nella quale si ha una sola portante e quindi i due valori numerici uno e zero vengono fatti corrispondere a due fasi diverse della stessa frequenza: 0 e 180 rispettivamente. Quando l ampiezza del segnale attenuato diventa confrontabile con quella del rumore e si confonde con esso, si verifica una perdita di comunicazione. La scelta di uno schema di modulazione determina di quanto il segnale debba essere superiore al rumore per essere recepito senza errori.

6 IL MODEM Il modem è un dispositivo che permette a un computer di comunicare con un altro computer tramite la linea telefonica. I modem possono essere: Interni: Sono costituiti di una sola scheda che trova posto all'interno del computer. Per il collegamento alla linea telefonica necessitano solo di un sottile cavo telefonico. Con un secondo cavo (non obbligatorio) si potrebbe collegare il modem all'apparecchio telefonico. Hanno il vantaggio di non richiedere un eccessivo numero di cavi penzolanti dal tavolo. Hanno una seriale propria che potrebbe provocare conflitti di IRQ. Esterni: L'aspetto esteriore è quello di una piccola scatola, di ingombro variabile (mediamente 15 cm è la dimensione massima), con un piccolo display che contiene varie spie luminose indicanti le modalità di funzionamento. Sono necessari tre cavi di collegamento: il primo lo collega alla linea telefonica, il secondo alla porta seriale del computer e il terzo all'alimentatore. Per il collegamento all'apparecchio telefonico può essere necessario un quarto cavo (opzionale). Di solito i modem esterni sono preferiti da utenti esperti perché offrono i vantaggi di indicare sempre (tramite le spie) il modo di funzionamento e di non dar luogo a conflitti hardware con altri dispositivi. Inoltre, si possono resettare facilmente spegnendoli e riaccendendoli, cosa particolarmente utile quando si bloccano.

7 Dato che i modem moderni possono supportare un ampia gamma di velocità di trasmissione, integrano una serie di standard di interfaccia. Molti sono stati creati dall' ITU (International Telecommunication Union - è un'organizzazione internazionale che si occupa di definire gli standard nelle telecomunicazioni e nell'uso delle onde radio) e recano una denominazione di tipo V. Esistono molti tipi di standard di interfaccia, tra i quali: V.17: Standard per i modem/fax in grado di comunicare a baud. V.22: Standard di comunicazione via modem a baud. V.22bis: Standard di comunicazione via modem a baud. V.32: Standard di comunicazione via modem a baud. V.32bis: Standard di comunicazione via modem a baud. V.32ter: Standard di comunicazione via modem a baud. V.34: Standard di comunicazione via modem a baud. V.42: Standard di comunicazione con correzione degli errori. Include gli standard MNP 2-4. V.42bis: Standard di compressione dei dati (MNP 5 e LAPM), in grado di ridurre sino ad un quarto le dimensioni di un file trasmesso. V.90: Standard di comunicazione via modem che prevede di lavorare a 56K in ricezione e fini a 33.6K in trasmissione. Questa modalità si attiva automaticamente solo se vi è un modem similare a cui ci si collega e se la qualità delle linee telefoniche lo permettono. Attualmente esistono 4 tipi di modem, che si diversificano in base alla tecnologia di connessione: Modem analogici, con velocità fino a 56 Kb/sec Modem ISDN (Integrated Services Digital Network)), con velocità fino a 128 Kb/sec Modem ADSL, con velocità fino a 100 Mb/sec Modem GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA, con velocità fino a 7,2 Mb/sec Per quanto riguarda il tipo di cavo di connessione possiamo dire che esistono Modem USB e Modem Ethernet: ma qual è la differenza? Un modem USB va collegato all'interfaccia USB di un PC e richiede dei driver per funzionare: ciò potrebbe causare delle difficoltà d'installazione in alcuni sistemi operativi, come ad esempio Linux. I modem Ethernet vengono collegati alla porta RJ45 del computer e sono compatibili con tutti i sistemi operativi. Quest'ultimi possono anche essere collegati ad un router, per disporre della connessione ad Internet su più PC contemporaneamente.

8 Protocolli di modem più comuni Il modem utilizza alcuni protocolli per il trasferimento di file, tra i quali troviamo: X-Modem Y-Modem Z-Modem Kermit X-Modem X-Modem è un protocollo di comunicazione a 8 bit. È un protocollo singolo file, ha una dimensione di blocco di 128 byte e trasmette utilizzando l half-duplex. Il nome del file, la data e la dimensione dello stesso non vengono trasmessi tramite X-Modem, per cui è necessario fornire il nome del file scaricato. X-Modem utilizza CRC o Checksum per il controllo degli errori. Y-Modem Il protocollo Y-Modem è sostanzialmente la stessa X-modem, con un'eccezione. Y- Modem utilizza blocchi di 1024 byte rispetto al blocco di 128 byte X-Modem. Grazie alle sue dimensioni blocco più grande, Y-Modem è generalmente più veloce di X-Modem su una riga priva di disturbi. Nelle righe disturbate, Modem X può risultare più veloce perché quando si verifica un errore, il blocco deve essere inviato di nuovo. Consente di inviare più file con un unico lancio. In questo caso (si parla di trasmissione batch), ma non consente il recupero della trasmissione interrotta come lo Zmodem.. Z-Modem Il protocollo di trasferimento file Z Modem fornisce trasferimenti di file. Noto per la sua velocità e per il fatto di inviare anche ulteriori informazioni sui files che sta inviando. Permette di riprendere download falliti e utilizza un CRC a 32 bit che lo rende praticamente a prova di errore. Z-Modem utilizza il recupero degli errori intelligente, che automaticamente provoca la diminuzione della dimensione del blocco se la linea telefonica si deteriora e tenta di aumentare la dimensione del blocco non appena migliora la linea telefonica. Z-Modem fornisce anche i download automatici. Quando il computer host di avvia il trasferimento tramite Modem Z, il computer remoto la riconosce e inizia a ricevere automaticamente il download. E' lo standard attualmente più utilizzato poichè permette sia il trasferimento di più file sia la ripresa del loro trasferimento in caso di interruzione.

9 Kermit Kermit è un protocollo di pubblico dominio sviluppato Columbia University. È un protocollo di trasferimento di file di pubblico dominio disponibile per molti tipi di computer. È possibile trasferire file tra un PC e un host su cui viene eseguito il protocollo Kermit. Se il programma Kermit dell'host dispone di una modalità server, per trasferire i file è anche possibile utilizzare questa modalità. DTE - DCE Un terminale di computer è costituito da una combinazione di schermo video e tastiera. La maggior parte dei terminali è collegata al computer mediante una porta di interfaccia seriale RS-232. Si consideri il caso nel quale un individuo debba accedere ad un computer situato in un'altra località. La connessione di un terminale remoto e di un computer possono avvenire attraverso una linea telefonica standard. Il terminale e il computer non sono collegati direttamente, ma sono separati da un modem. Come già detto, i modem sono dispositivi che eseguono la conversione dei due livelli di un segnale digitale. Il modem è un transceiver, può cioè trasmettere e ricevere dati. Il procedimento di impressione di un segnale digitale in una frequenza di trasporto analogico (portante) è denominato modulazione. Il procedimento inverso di rilevamento di un segnale digitale da uno analogico è denominato demodulazione. Da quanto appena detto consegue per contrazione di Modulator-Demodulator il termine modem. La parola terminale indica la fine della linea, come termine di una linea di bus. In generale i DTE (Apparecchiatura terminale di trasmissione dati) sono rappresentati da terminali e computer. I modem vengono definiti come apparecchiature di comunicazione dati (Data Communication Equipment ossia DCE). Le connessioni terminale-modem e computer-modem si conformano allo standard RS-232 (porta seriale), mentre la connessione tra i due modem è costituita dalle normali linee telefoniche a due fili. Quando i canali di trasmissione superano determinate distanze non è più possibile trasmettere i dati numerici in banda base, bensì è necessaria una modulazione. Per tale motivo nei sistemi di comunicazione, si distinguono i due tipi di apparati: DTE e DCE. I DTE (Data Terminal Equipment) sono i nodi di rete connessi ai canali di trasmissione. Il termine DTE viene utilizzato principalmente per quelle unità che visualizzano le informazioni utente. Include inoltre le unità che memorizzano o generano i dati per l'utente. Le unità di sistema, i terminali, le stampanti e i router rientrano tutte nella categoria DTE.

10 I DCE sono quei dispositivi che si frappongono per permettere la trasmissione sul canale. I DCE adattano il segnale digitale alle caratteristiche del canale di modo che la comunicazione possa giungere a destinazione. Un modem è un esempio di DCE in quanto permette, modulando/demodulando una serie di portanti, di far comunicare due DTE tra di loro. Quando si effettua una connessione via modem da un computer a altro sono coinvolte due velocità. La velocità DTE è la velocità con cui i dati vengono inviati da unità di elaborazione centrale (CPU) per il modem. La velocità DCE è la velocità effettiva di invio i dati tramite la linea telefonica. Quando il modem è in uso, Windows tenta di riportare la velocità più precisa in cui si connette il computer, in genere la velocità DCE. Se la velocità DCE è disponibile o risulta in un formato non riconosciuto da Windows, Windows segnala la velocità di connessione utilizzando il tasso DTE connessione dal computer al modem. Ad esempio, se Windows segnala una velocità di connessione di bps, bps o bps, il codice del risultato probabile viene inviato dal modem al computer quando il modem si connette e non viene correttamente riconosciuto. Al contrario, Windows segnala la velocità di connessione utilizzando la velocità DTE risultante. Se viene aumentata la velocità del modem,un modo per impedire perdite di velocità è ottimizzare la velocità DTE tra il modem e il computer. A tale scopo, attenersi alla seguente procedura: Fare clic su Start, scegliere impostazioni, scegliere Pannello di controllo e fare doppio clic su modem. Selezionare il modem per cui si desidera modificare la velocità DTE e quindi scegliere Proprietà. Nella casella velocità massima, fare clic su , fare clic su OK, fare clic su Chiudi e quindi chiudere il pannello di controllo.