Teoria dei segnali e basi di telecomunicazioni

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1 Corso per tecnico superiore per i sistemi e le tecnologie informatiche Teoria dei segnali e basi di telecomunicazioni Gabriella Trucco Università degli Studi di Milano Dipartimento di tecnologie dell informazione Codogno, 22 Novembre 2006

2 Argomenti della lezione La multiplazione del canale FDM TDM Il canale Tipologie di mezzi trasmissivi Attenuazione e distorsione Il rumore

3 Canale Collegamento permanente tra un trasmettitore ed un ricevitore TRASMETTITORE CANALE RICEVITORE

4 Multiplazione

5 Multiplazione Meccanismo per cui la capacità disponibile di un collegamento viene condivisa tra diversi canali trasmissivi Una frazione fissa della capacità trasmissiva è stabilmente allocata a ciascun canale. Ciascun utilizzatore ha a disposizione un canale trasmissivo dedicato, con la garanzia di poter utilizzare tutta la sua capacità. Per stabilire un canale di comunicazione, è normalmente necessaria una fase di creazione della connessione, nella quale vengono impegnate le risorse nei collegamenti e nei nodi. Segue la fase di utilizzo del canale, e alla fine una fase di abbattimento della connessione, che libera le risorse.

6 Multiplazione Esempio: conversazione telefonica. Un utente compone un numero, e la rete telefonica lo elabora allocando una serie di circuiti fino al destinatario della chiamata (creazione della connessione); se il destinatario risponde, i due possono parlare utilizzando il canale; quando uno dei due abbassa il ricevitore, la rete libera le risorse impegnate (abbattimento della connessione). La distinzione tra i flussi avviene solo sulla base di parametri del livello fisico come frequenza, tempo, codice, lunghezza d onda, ecc. La capacità del collegamento può essere suddivisa in circuiti con diversi meccanismi: a divisione di tempo o TDM: CIASCUN UTENTE UTILIZZA SLOT TEMPORALI INTERCALATE RISPETTO AGLI ALTRI UTENTI (SLOT DIVERSE E NON SOVRAPPOSTE). a divisione di frequenza o FDM: CIASCUN UTENTE UTILIZZA UNA BANDA DIVERSA E NON SOVRAPPOSTA RISPETTO ALLE BANDE UTILIZZATE DAGLI ALTRI UTENTI.

7 TDM Time Division Multiplexing, ovvero multiplazione a divisione di tempo Tecnica di condivisione di un canale di comunicazione: a turno, ogni dispositivo ottiene uso esclusivo dell intero canale per un breve lasso di tempo (tipicamente 125 ųs). Per rafforzare il fatto che l'allocazione del tempo del canale è rigida, si usano anche i termini multiplexing a divisione di tempo sincrono (STDM), o multiplexing a divisione di tempo quantizzato (QTDM).

8 TDM Dato un canale numerico a velocità C (bit/s) si costruiscono intervalli di tempo di canale (slot) costituiti da multipli del tempo di bit tb=1/c

9 TDM Una sorgente può usare un intervallo di canale (slot) ogni N Si definisce una struttura a trame consecutive costituite da N slot consecutivi Se si numerano ciclicamente gli slot delle trame, una sorgente è associata ad un numero di slot

10 Realizzazione Sono necessari appositi apparati detti (multiplatori/demultiplatori o MUX/DEMUX), posti agli estremi del circuito ad alta capacità da gestire, che si occupano di collegare il flusso di dati ad alta capacità con i numerosi circuiti in cui esso è diviso (detti flussi tributari). Questi apparati devono copiare dati numerici a velocità anche molto alte, e la velocità dei circuiti elettronici per eseguire queste operazioni costituisce un limite alle velocità dei collegamenti che possono essere gestiti con questa tecnica. In altre tecnologie, tipicamente utilizzate in ambito di rete locale, non esistono apparati di MUX/DEMUX, e l'accesso sincrono al canale condiviso è governato mediante algoritmi di coordinamento tra le stazioni che devono trasmettere.

11 Applicazione La multiplazione a divisione di tempo è la scelta d'elezione per sistemi a commutazione di circuito, poiché permette di garantire la costanza del bitrate assegnato a ciascun utente, eventualmente anche a costo di una non piena efficienza di sfruttamento della larghezza di banda del mezzo trasmissivo. Ove sia richiesta maggiore flessibilità ed efficienza, e si sia disposti a rinunciare alla garanzia di una qualità costante, è preferibile far uso di altre tecniche, tipicamente la commutazione di pacchetto.

12 Circuit switched network Connessione dedicata. Percorso fisico dedicato ad una singola connessione tra due punti della rete per tutta la durata della connessione. La capacità del canale trasmissivo è interamente dedicata ad una specifica comunicazione Esempio: servizio telefonico ordinario.

13 Packet switched network Comunicazione connectionless Informazione suddivisa in pacchetti, ognuno dei quali contenente l indirizzo del destinatario Pacchetti spediti attraverso la rete; non è detto che seguano lo stesso percorso Lo stesso percorso può essere condiviso da più utenti contemporaneamente Es. traffico in Internet

14 FDM: un esempio introduttivo Supponiamo di voler inviare i segnali vocali generati da tre microfoni su un unico canale. I tre segnali occupano la stessa banda se vengono sommati verranno irrimediabilmente confusi Possibile soluzione: si può effettuare una traslazione in frequenza degli spettri dei singoli segnali prima di effettuare la somma, in modo che occupino bande diverse e non sovrapposte fra loro. La traslazione in frequenza avviene moltiplicando il segnale per una funzione cosinusoidale (facendo la trasformata di Fourier, si vedrebbe il segnale traslato in frequenza)

15 FDM Frequency Division Multiplexing, ovvero multiplazione a divisione di frequenza, Tecnica di condivisione di un canale di comunicazione secondo la quale un canale trasmissivo è diviso in sottocanali, ognuno costituito da una banda (elettronica) di frequenza separata. Questo rende possibile la condivisione dello stesso canale da parte di diversi dispositivi che possono comunicare contemporaneamente. Per aumentare l'affidabilità della comunicazione ad ogni dispositivo può essere assegnata più di una portante. Se esiste una forte fonte di rumore su di una gamma di frequenze che interessa una portante, i dati possono essere trasmessi attraverso l'altra. Tale tecnica è chiamata diffusione dello spettro

16 FDM Il mezzo trasmissivo può essere caratterizzato da una banda di frequenze utilizzabili La banda complessiva può essere divisa in sotto-bande cui associare un canale Il segnale relativo ad un canale viene trattato mediante tecniche di modulazione in modo da associarlo a ciascuna sotto-banda

17 Applicazione Tecnica utilizzata nelle trasmissioni televisive o radiofoniche. Ogni emittente trasmette contemporaneamente attraverso l'etere, in questo caso il canale di comunicazione condiviso (ma questo non cambia se viene utilizzato un cavo). Ad ogni canale è associata una determinata frequenza. Il ricevente per selezionare la trasmissione deve solamente sintonizzarsi sulla frequenza appropriata.

18 Tipologia di mezzi trasmissivi

19 Tecnologie per interconnessioni La stesura dell'infrastruttura fisica viene detta cablaggio della rete Mezzo trasmissivo: mezzo fisico utilizzato per la propagazione dei bit da un host all altro Mezzi guidati Doppini intrecciati Cavi coassiali Fibre ottiche Mezzi a onda libera Canali radio terrestri Canali radio satellitari

20 Doppino intrecciato Twisted pair Il più diffuso ed economico Usato per le reti telefoniche da più di 100 anni Consiste di due fili di rame isolati singolarmente, con diametro ciascuno di circa 1 mm, avvolti a spirale regolare. I fili sono avvolti insieme per ridurre le interferenze elettromagnetiche con doppini simili posti nelle vicinanze Schermato e non schermato STP UTP

21 Shielded twisted pair STP è l'acronimo di Shielded Twisted Pair e identifica un cavo schermato. I cavi STP includono una schermatura metallica per ogni coppia di cavi. È composto da otto fili di rame intrecciati a coppie (pairs), inoltre ogni coppia è intrecciata con le altre. Ogni coppia è avvolta da fogli di materiale conduttivo che fungono da schermo per le onde elettromagnetiche, esternamente alle 4 coppie vi è un ulteriore foglio di materiale conduttivo.

22 Crosstalk L'intreccio dei fili ha lo scopo di ridurre le interferenze, i disturbi e limitare il crosstalk. Crosstalk: fenomeno di interferenza elettromagnetica che si può generare tra due cavi vicini Causa: campo elettromagnetico tempo-variabile che si genera attorno a un cavo in cui passa corrente non costante (segnale). Fenomeno particolarmente indesiderato nel campo delle comunicazioni quando si usano cavi elettrici per trasportare dati o segnali (voce, video etc). Se i cavi non sono opportunamente schermati, si possono generare dei disturbi sui livelli di tensione che possono generare errori nell'apparato ricevente, con perdita di dati, o peggioramento della comunicazione.

23 Unshielded twisted pair I cavi UTP non sono schermati. Ciò comporta un elevato grado di flessibilità e resistenza agli sforzi. Come l STP, è composto da otto fili di rame intrecciati a coppie (pairs), e ogni coppia è intrecciata con le altre in modo da ridurre le interferenze, i disturbi e limitare il crosstalk Si usano ampiamente nelle reti telefoniche

24 Cavo di rete Un cavo è formato da più doppini riuniti e avvolti in uno schermo protettivo

25 Cavo coassiale Formato da due conduttori concentrici Il cavo coassiale ha al suo centro un conduttore di rame ( detto anima). Intorno viene messo uno schermo di metallo (maglia). Lo schermo di metallo aiuta a bloccare le interferenze. Il segnale viaggia come campo elettromagnetico tra l'anima e la maglia. le reti che usano come mezzo trasmissivo il cavo coassiale possono estendersi solo per distanze limitate a meno che non vengano utilizzati dei ripetitori di segnale che rigenerano il segnale periodicamente (repeater). Semplici amplificatori non sarebbero sufficienti perché questi amplificherebbero il rumore e la distorsione che il segnale raccoglie mentre viaggia sul mezzo.

26 Cavo coassiale Per molto tempo il cavo coassiale è stata la sola scelta economica da usare nella cablatura di reti locali ad alta velocità. Gli svantaggi di installare e mantenere un sistema in cavo coassiale includono il fatto che il cavo è complesso e costoso da fabbricare, è difficile da utilizzare in spazi confinati, in quanto non può essere piegato troppo intorno ad angoli stretti, ed è soggetto a frequenti rotture meccaniche ai connettori. Esistono due tipi di cavo coassiale: cavo coassiale spesso (thick Ethernet); cavo coassiale sottile (thin Ethernet);

27 Cavo coassiale thick Costo elevato, difficoltà di posare il cavo perché è molto rigido e viene posato senza interruzioni, buon isolamento dal mondo esterno e dal rumore elettromagnetico Gli host si collegano al cavo attraverso transceiver (Transmitter/ReCeiver), dispositivi in grado di trasmettere e ricevere dati interfacciandosi da un lato con l host e dall altro con il cavo di trasmissione. Permette una distanza massima di 500 metri tra i ripetitori di segnale

28 Cavo coassiale thin Flessibilità che aumenta la facilità di posa Isolamento inferiore al coassiale thick Distanza massima tra i ripetitori pari a 185 m

29 Fibra ottica Realizzata in materiale trasparente, tipicamente vetro, ma anche plastica nelle fibre più economiche Trasporta i dati sotto forma di impulsi di luce Struttura a sezione cilindrica costituita da materiali con diverso indice di rifrazione. La differenza fra gli indici di rifrazione permette di piegare il raggio luminoso mantenendolo all'interno della fibra con minima dispersione di luce verso l'esterno

30 Fibra ottica Le fibre ottiche presentano: elevata insensibilità al rumore elettromagnetico bassa attenuazione di segnale basso costo di produzione elevata sicurezza (difficoltà di intercettazione) Ideale per collegamenti a lungo raggio e intercontinentali alto costo per trasmettitori, ricevitori e commutatori Poco utilizzato per il trasporto a corto raggio

31 Canali radio terrestri I canali radio trasportano segnali per mezzo di onde elettromagnetiche Non necessitano di cavi e potenzialmente possono trasportare il segnale su lunghe distanze Le caratteristiche di un canale radio dipendono dall ambiente di propagazione e dalla distanza a cui il segnale deve essere trasportato

32 Canali radio terrestri Indebolimento ed attenuazione del segnale a causa delle zone d ombra (intensità diminuisce con la distanza e quando passa intorno o attraverso un ostacolo) Indebolimento del segnale dovuto alla molteplicità dei percorsi (riflessioni sugli oggetti che si trovano sul percorso) Interferenze dovute ad altri canali radio o segnali elettromagnetici

33 Canali radio satellitari Un satellite per comunicazioni collega due o più trasmettitori/ricevitori a microonde situati sulla Terra (ground station) I satelliti possono fornire larghezze di banda dell ordine di centinaia di Mbit/s L enorme distanza dalla Terra introduce un ritardo di propagazione del segnale di circa 250 millisecondi Spesso utilizzati nelle reti telefoniche e nelle dorsali di Internet

34 Problemi di trasmissione

35 Problemi di trasmissione Attenuazione Dipende dal mezzo trasmissivo Dipende dalla frequenza Distorsione Rumore Generato da disturbi elettromagnetici esterni Generato dai dispositivi elettronici di amplificazione Generato dalla trasmissione di un altro segnale su un altro mezzo trasmissivo analogo e vicino ad esso (diafonia)

36 Attenuazione (1) A mano a mano che un segnale si propaga lungo una linea di trasmissione, la sua ampiezza diminuisce. Ciò è noto come attenuazione del segnale. In elettronica l attenuazione indica la diminuzione in ampiezza che subisce un segnale che passa per un circuito, in dipendenza delle sue caratteristiche e di quelle del circuito che attraversa. L attenuazione può essere generalizzata a trasmissione in mezzi fisici e quindi non si limita ai soli circuiti elettronici. attenuazione del segnale laser in una fibra ottica attenuazione nelle onde sismiche che si propagano nella terra attenuazione dell'energia elettromagnetica nella trasmissione in un ponte radio

37 Attenuazione (2) Nelle telecomunicazioni, rappresenta la diminuzione di intensità che il segnale subisce nell'attraversare il cavo. L'attenuazione è rappresentata solitamente come perdita di segnale in decibel (db). L'attenuazione è funzione della frequenza del segnale, della lunghezza e della struttura fisica del cavo stesso. Esempio: in un cavo coassiale l attenuazione del segnale dipende, oltre che dalla lunghezza del cavo e dalla frequenza del segnale, dal diametro del conduttore interno: all'aumentare del diametro del conduttore, l'attenuazione diminuisce; dalla composizione del conduttore esterno: quanto più esso esercita un'azione schermante efficace, tanto minore è l'attenuazione

38 Attenuazione (3) Soluzione adottata per limitare il fenomeno: si pone un limite alla lunghezza dei cavi Se i cavi sono più lunghi, è necessario inserire dei ripetitori (o amplificatori) che riportino il segnale al suo livello iniziale. L attenuazione del segnale aumenta in funzione della frequenza Poiché un segnale comprende diverse frequenze, gli amplificatori sono progettati in modo da amplificare in modo differente le diverse frequenze Altrimenti bisogna utilizzare degli equalizzatori per bilanciare l attenuazione in una banda di frequenza.

39 Attenuazione (4) L attenuazione è una caratteristica di un mezzo di trasmissione che indebolisce un segnale quando attraversa questo mezzo. Dei mezzi con una bassa attenuazione, indeboliscono poco il segnale mentre si propaga, permettendo al ricevitore di comprendere chiaramente il segnale trasmesso (una buona tratta di comunicazione). I mezzi con un elevata attenuazione, indeboliscono il segnale al punto che il ricevitore può avere serie difficoltà a comprendere il segnale, fino a non riuscirci affatto. Una rete elettrica ha una attenuazione molto variabile. A seconda della frequenza che si utilizza per comunicare, il cavo elettrico utilizzato può essere un ottimo o un pessimo mezzo di trasmissione.

40 Distorsione In generale, deformazione indesiderata nell andamento temporale di un segnale. La velocità di propagazione di un segnale sinusoidale lungo un canale varia con la frequenza del segnale Quando trasmettiamo un segnale digitale, le varie componenti in frequenza che formano il segnale raggiungono il ricevitore con un ritardo variabile, creando distorsione dovuta al ritardo. Il livello di distorsione aumenta con il crescere della velocità di trasmissione Quando la velocità di trasmissione aumenta, alcune frequenze vengono ritardate più di altre

41 Distorsione di ampiezza Si manifesta quando, ad esempio, un segnale ad onda quadra, immesso all'ingresso di una linea a radiofrequenza con attenuazione diversa al variare della frequenza, si presenta deformato in uscita perché le sue varie armoniche componenti vengono attenuate in modo diverso dalla linea.

42 Distorsione di fase Si ha quando il tempo di transito attraverso il dispositivo o il canale di collegamento in oggetto, non è lo stesso per tutte le frequenze interne alla banda utile. Il tal caso le varie componenti armoniche del segnale, pur essendo amplificate o attenuate allo stesso modo, si ritrovano in uscita sfasate fra loro rispetto alla posizione che avevano in ingresso, ed il segnale in uscita è deformato rispetto all'ingresso.

43 Non linearità Si ha quando il dispositivo/canale non ha caratteristica ingresso-uscita di tipo lineare. In questo caso al crescere del segnale d'ingresso, il segnale di uscita non cresce proporzionalmente Esempio: una sinusoide in ingresso non dà luogo ad una sinusoide in uscita. Nascono in uscita delle armoniche che non erano presenti in ingresso.

44 Intermodulazione (1) Distorsione che si aggiunge alla distorsione armonica nel caso di dispositivo non lineare quando il segnale è costituito da un segnale non sinusoidale oppure quando si hanno più ingressi contemporanei diversi. In questi casi, oltre alle armoniche dovute alla non linearità del componente, in uscita si hanno anche altri termini (prodotti di intermodulazione) le cui frequenze sono combinazioni lineari delle frequenze presenti nel segnale o nei segnali d'ingresso. Si ha questo tipo di distorsione quando sono presenti segnali modulati o composti da varie frequenze.

45 Intermodulazione (2) Questa caratteristica degli elementi attivi non lineari, che normalmente costituisce un difetto da eliminare, in talune circostanze, invece, può essere richiesta al fine di produrre nuove frequenze non presenti nel segnale d'ingresso. Nei modulatori, infatti, in ingresso entrano il segnale modulante ed la portante ed in uscita si hanno, come prodotti di intermodulazione, il segnale modulato traslato in frequenza, ed altre righe spettrali.

46 Rumore (1) In generale il rumore è un segnale di disturbo rispetto all'informazione trasmessa in un sistema. Termico, dovuto all agitazione termica degli elettroni Intermodulazione, interferenze fra frequenze Diafonia Impulsivo, picchi di rumore imprevedibili (es. guasti, interferenze esterne)

47 Rumore (2) In assenza di segnale trasmesso, una linea di trasmissione non trasporta, almeno idealmente, alcun segnale. In pratica, si registrano delle perturbazioni casuali sulla linea anche quando non sono trasmessi segnali: livello di rumore della linea. L ampiezza del segnale trasmesso viene paragonata all ampiezza del rumore della linea (detto anche rumore di fondo)

48 Rapporto segnale-rumore Parametro associato ad ogni mezzo trasmissivo è il rapporto tra la potenza media del segnale ricevuto, S, e la potenza del rumore di linea, N. Il rapporto S/N è detto rapporto segnale-rumore (SNR, signal to noise ratio), ed è espresso in decibel: SNR=10log 10 (S/N)dB SNR elevato = alta potenza del segnale rispetto al livello di rumore = segnale di buona qualità SNR basso = segnale scadente

49 Diafonia Sorgente di rumore dovuta all accoppiamento capacitivo tra fili adiacenti in una linea trasmissiva. Esempio A B (1) C D (2) Si ha paradiafonia quando il telefono A del circuito (1) genera un disturbo ricevuto dal telefono C del circuito (2). Si ha telediafonia quando il telefono A del circuito (1) genera un disturbo ricevuto dal telefono D del circuito (2) Il circuito (1) si definisce disturbante, il circuito (2) si definisce disturbato. L accoppiamento fa rilevare un segnale su una linea come un piccolo, ma non trascurabile, rumore sulla linea vicina. Esempio: quando al telefono sentiamo una conversazione come sottofondo

50 Rumore impulsivo Forma di rumore dovuta a impulsi di energia elettrica che provengono dall esterno o da altri dispositivi elettrici. Esempio: fulmini, impulsi elettrici dovuti a commutazioni dei centralini telefonici elettromeccanici Manifestazioni In telefonia come un marcato click ; non disturbano il servizio Nella trasmissione digitale possono essere dannosi: un impulso esterno della durata di mezzo secondo può alterare 1200 bit che viaggiano a 2400 bps!

51 Rumore termico Diafonia e rumore impulsivo sono dovuti ad attività elettrica esterna Il rumore termico è presente indipendentemente dalle sorgenti esterne. Effetto dovuto all agitazione termica degli elettroni nella struttura atomica del dispositivo o del materiale che costituisce la linea di trasmissione. A qualunque temperatura superiore allo zero assoluto, tutti i mezzi trasmissivi sono fonte di rumore termico, che contiene frequenze casuali la cui ampiezza varia con continuità Questo tipo di rumore è anche chiamato rumore bianco