Codifica dati, interfacce

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1 Prof. Roberto De Prisco TEORIA - Lezione 2 Codifica dati, interfacce Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica Codifica 2 Dati: analogici, digitali Canale (segnale): analogico, digitale Codifica è una trasformazione dei dati in un formato che può essere trasmesso Perchè serve? Dati=digitali, canale=analogico Dati=analogici, canale=digitale Ma anche Dati=analogici, canale=analogico Canale non utilizza le stesse frequenze dei dati Dati=digitali, canale=digitale Rappresentazione degli 0,1 diverse 1

2 Trasmissione analogica 3 Diffusissima Linee telefoniche, modem Anche se le nuove tecnologie rimpiazzeranno i doppini telefonici, prima di avere fibre ottiche in tutte le case passerà un pò di tempo Radio TV (non satellitare) Tuttavia Trasmissione digitale 4 Telecomunicazioni: ultimamente si sta orientando verso la trasmissione digitale Tecnologia digitale ha fatto grossi progressi mentre quella analogica no Integrità dei dati: con l uso di ripetitori al posto di amplificatori, gli effetti del rumore non sono più cumulativi Utilizzo delle risorse: disponibili larghezze di banda molto grandi (satelliti, fibre ottiche). Occorre un alto gradi di multiplexing, che è più facile con i dati digitali Sicurezza: i dati numerici possono essere crittografati Integrazione: rappresentando tutto in digitale (voce, video, dati) è più facile integrare il tutto 2

3 Codifica: 4 possibili casi 5 1. Dati digitali (numerici), canale digitale [DD] 0101 Codificatore Decodificatore Dati analogici, canale digitale [AD] Codificatore Decodificatore 3. Dati digitali, canale analogico [DA] 0101 Modulatore Demodulatore Dati analogici, canale analogico [AA] Modulatore Demodulatore [DD] Dati digitali e segnali digitali Codificatore Canale Decodificatore 0101 Dati numerici bit Segnale numerico Sequenza di impulsi discreti e discontinui Ogni impulso è un elemento del segnale Codifica semplice Corrispondenza 1:1 fra i bit e gli elementi del segnale Bit 1 rappresentato da un livello alto di tensione Bit 0 rappresentato da un livello basso di tensione 3

4 [DD] Velocità 7 Tasso di trasmissione Numero di bit al secondo (bps) che si riesce a trasmettere Elemento del segnale Impulso di tensione È l elemento minimo del segnale Tasso di modulazione Numero di elementi di segnale al secondo (baud) Se un bit è codificato con n elementi di segnale allora tasso di trasmissione = tasso di modulazione / n [DD] Aspetti della codifica 8 Sincronizzazione Il decodificatore deve ritrasformare il segnale digitale in bit Deve essere sincronizzato sulla durata di ogni singolo bit Rilevazione di errori La codifica permette la rilevazione di errori Resistenza al rumore Alcuni codici si comportano meglio di altri in presenza di rumore Costo e complessità 4

5 [DD] Schemi di codifica 9 Codifiche Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) Bipolar AMI Pseudoternary Manchester Differential Manchester Tecniche di scrambling B8ZS HDB3 [DD] Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) 10 Due diversi livelli di voltaggio Voltaggio costante durante l'intero intervallo di trasmissione del bit Es. voltaggio positivo denota un 0 e voltaggio negativo denota un 1 Tra un intervallo e il successivo il segnale non ritorna a livello

6 [DD] Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) Dati codificati con presenza o assenza di transizione del segnale all'inizio dell'intervallo del bit una transizione denota un 1 nessuna transizione denota uno [DD] Vantaggi e svantaggi di NRZ 12 Vantaggi Facili da usare Sfruttano tutta la larghezza di banda NRZI vs NRZ-L Se accidentalmente viene invertito il connettore NRZ-L inverte tutti i bit NRZI continua a funzionare Svantaggi Sincronizzazione difficile Una lunga sequenza di 0 o 1 in NRZ-L o di 0 in NRZI risulta in una tensione costante per lungo tempo; è facile che il trasmettitore ed il ricevitore perdano la sincronizzazione Generano componente continua Vengono spesso usati per la registrazione su supporto magnetico non per la trasmissione 6

7 [DD] Codici multilivello Bipolar-AMI 13 Utilizzano più di due livelli di segnale Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion) livello 0 rappresenta uno 0 livello positivo o negativo rappresenta un 1 polarità utilizzata alternativamente [DD] Codici multilivello Pseudoternary 14 Pseudoternary invertito rispetto a bipolar-ami Bit 1 rappresentato con assenza di corrente Bit 0 con segnale positivo e negativo alternato Equivalente alla precedente

8 [DD] Codici multilivello 15 Vantaggi nessuna componente continua bisogna evitare lunghe sequenze di 0 (scrambling, inserimento forzato di 1) semplifica l'individuazione di errori di trasmissione se l'alternanza delle polarità non è rispettata consente sincronizzazione per sequenze di 1 Per sequenze di 0, scrambling Svantaggi non sono efficienti come NRZ ogni elemento di segnale rappresenta un bit Con un segnale a tre livelli si potrebbero rappresentare log 2 3 = 1.58 bits [DD] Codici bifase 16 almeno una transizione di segnale per ogni intervallo di bit a volte due transizioni migliori proprietà di sincronizzazione l'assenza della transizione individua un errore di trasmissione il massimo tasso di modulazione è doppio di quello di NRZ richiede più larghezza di banda 8

9 [DD] Codici Manchester 17 Una transizione al centro di ogni intervallo di bit transizione dal basso verso l'alto codifica un 1 transizione dall'alto verso il basso codifica uno [DD] Manchester differenziale 18 Una transizione all'inizio ed al centro di ogni intervallo di bit transizione centrale solo per sincronizzazione transizione iniziale codifica l'informazione presenza di una transizione iniziale codifica uno 0 assenza di una transizione iniziale codifica un

10 [DD] Vantaggi codici bifase 19 Sincronizzazione La presenza di una transazione all interno di ogni bit rende facile la sincronizzazione Assenza di componente continua Poiché c è almeno una transazione per bit la corrente è sempre alternata Rilevazione di errore L assenza di una transazione all interno di un bit indica un errore NRZ-I [DD] Riepilogo codici NRZL AMI Pseudo ternary Manchester Manchester Diff. 10

11 [DD] Scrambling 21 tecniche utilizzate per eliminare le sequenze di bit codificate con livelli di segnale costante sostituisce le sequenze con altre sequenze necessarie perchè per ottenere alti tassi di trasmissione non si possono utilizzare codifiche bifase La sequenza introdotta deve avere abbastanza transizioni di segnale essere riconoscibile dal ricevitore che la deve sostituire con la sequenza originale avere la stessa lunghezza della sequenza originale [DD] Tecniche di scrambling 22 B8ZS bipolare con sostituzione dell'ottavo 0 usato negli USA e in Canada HDB3 bipolare ad alta densità con 3 zeri usato in Europa e Giappone 11

12 [DD] Codice B8ZS 23 Basato su bipolar-ami Sostituisce 8 zeri consecutivi con la sequenza 000VB0VB se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi) era positivo codifica gli otto zeri con se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi era negativo) codifica gli otto zeri con [DD] Codice B8ZS 24 Violano il codice bipolar-ami Due impulsi nello stesso verso consecutivi Non si possono confondere con codifiche di dati Improbabile che le violazioni siano provocate da rumore Il ricevitore individua la sequenza con violazioni e la decodifica come otto zeri 12

13 [DD] Codice HDB3 25 Basato su bipolar-ami Sostituisce 4 zeri consecutivi con la sequenza 000V oppure B00V La scelta viene fatta per fare in modo che la polarità della violazione finale sia invertita ad ogni utilizzo: Se l ultima violazione era una tensione positiva la successiva sarà con tensione negativa Se l ultima violazione era una tensione negativa la successiva sarà con tensione positiva [DD] B8ZS and HDB

14 [DA] Dati digitali e segnali analogici Modulatore Canale Demodulatore 0101 Utilizzato per trasmettere dati digitali sulla rete telefonica pubblica Progettata per gestire segnali analogici nella banda da 300Hz a 3400Hz Conversione eseguita da un modem Producono segnali all interno dell intervallo di frequenze che possono essere trasmesse Le tecniche di codifica valgono in generale (cioè per qualsiasi intervallo di frequenze) [DA] Tecniche di modulazione 28 La codifica è effettuata modulando un segnale analogico base (portante) alla portante viene sommato un secondo segnale che codifica i dati digitali La modulazione opera su uno dei parametri caratteristici del segnale analogico ampiezza (ASK, amplitude-shift keying) frequenza (FSK, Frequency-shift keying) fase (PSK, phase-shift keying) 14

15 [DA] Amplitude Shift Keying 29 Valori rappresentati da ampiezze diverse Ampiezza nulla per lo 0 Ampiezza massima per l 1 [DA] Frequency Shift Keying 30 Valori rappresentati da due frequenze diverse Più affidabile di ASK LAN su cavo coassiale 15

16 FSK su linee Voice Grade 31 Per ottenere trasmissioni full-duplex la banda viene spezzata in due La sovrapposizione tra le due bande crea interferenze [DA] Phase Shift Keying 32 Valori rappresentati modificando la fase del segnale PSK differenziale Fase cambia in funzione del bit precedente 16

17 [AD] Dati analogici e segnali digitali 33 Codificatore Canale Decodificatore Per trasmettere dati analogici con segnali digitali Convertire i dati analogici in dati digitali Trasmettere i dati digitali Digitalizzazione Processo di conversione di dati analogici in dati digitali Eseguito da un codec (codificatore/decodificatore) Tecniche di digitalizzazione Pulse code modulation Delta modulation [AD] Teorema del campionamento 34 Per ricostruire completamente un segnale è sufficiente campionarlo ad un tasso pari ad almeno due volte la frequenza massima Se un segnale ha frequenza f = 10 Hz, basta campionarlo 20 volte al secondo per poter ricostruire il segnale dai campioni La voce umana occupa le frequenze al di sotto di 4000Hz bastano 8000 campioni al secondo 17

18 [AD] Pulse Code Modulation 35 ogni campione è un segnale analogico (Pulse Code Modulation, PCM) ad ogni campione viene assegnato un valore digitale (quantizzazione) la quantizzazione introduce approssimazione nella ricostruzione del segnale più sono i livelli di quantizzazione e migliore è l'approssimazione del segnale [AD] Pulse Code Modulation 36 In questo caso potremmo usare 15 livelli di quantizzazione per rappresentare valori da 0 a

19 [AD] Codifica non lineare 37 Livelli di quantizzazione non equamente spaziati Più livelli di quantizzazione per segnali a bassa ampiezza Riduce la distorsione complessiva [AD] Delta Modulation 38 Il segnale analogico è approssimato da una funzione a scalini ad ogni intervallo di campionamento la funzione si sposta di δ in su o in giù 19

20 [AD] Prestazioni 39 Riproduzione della voce con PCM Assumiamo 128 levelli (7 bit) Larghezza di banda della voce 4kHz, quindi servono 8000 campioni al secondo Tasso di trasmissione 8000 x 7 = 56kbps Usando Nyquest, serve una larghezza di banda di 28kHz Da 4kHz ce ne servono 28kHz I vantaggi della trasmissione digitale fanno accettare l'aumento di banda del segnale La compressione dati può migliorare il rapporto tra larghezza di banda del messaggio originale e del messaggio codificato [AA] Dati analogici e segnali analogici 40 Modulatore Canale Demodulatore Perchè modulare segnali analogici? Permette di aumentare la frequenza ed ottenere una trasmissione più efficiente Permette di dividere il canale in sottocanali indipendenti (FDM) Tipi di modulazione Ampiezza (AM, Amplitude Modulation) Frequenza (FM, Frequency Modulation) Fase (PM, Phase Modulation) 20

21 [AA] Esempi 41 Interfacce 42 Finora ci siamo occupati della trasmissione dei dati Segnali, mezzi trasmissivi, codifica Un aspetto importante non ancora trattato è l interfacciamento fra il mezzo trasmissivo ed i dispositivi ad esso collegati Per poter scambiare dati tramite un mezzo trasmissivo occorre un alto livello di collaborazione Bit trasmessi uno alla volta Bisogna sapere e sincronizzarsi su Velocità di trasmissione Durata dei singoli bit Spaziatura fra i bit 21

22 Interfacce 43 Tali problemi sono risolti da un interfaccia Dispositivo fisico che connette il nodo al mezzo trasmissivo Es. Interfaccia di rete Ethernet, connette un PC o altro al cavo di rete Ethernet Due tecniche Asincrona Sincrona La scelta dei nomi è poco felice perché il problema fondamentale è la sincronizzazione, quindi entrambe le tecniche creano sincronia fra trasmittente e ricevente L interfaccia legge il segnale sul mezzo trasmissivo e interpreta tale segnale come una sequenza di bit Segnali e bit 44 Trasmittente genera un segnale Ricevente riceve il segnale In generale un bit può corrispondere Più elementi unitari del segnale Es. codifica Manchester Ad un elemento del segnale Es. codifiche NRZ Una frazione di elemento del segnale Es. segnali multilivello, codificano più bit Per semplicità assumiamo 1 elemento = 1 bit Non cambia molto per quanto riguarda la sincronizzazione Trasmittente I I Ricevente (slide animata) 22

23 Ricezione del segnale 45 Quando il ricevente riceve il segnale deve interpretarlo Vengono fatti dei campionamenti La sorgente ha un clock che governa la temporizzazione dei bit trasmessi 1 Mbps 1 bit per ogni microsecondo Ogni microsecondo è un slot temporale per la trasmissione di un singolo bit Il ricevitore campiona alla stessa velocità Il tutto funziona se trasmittente e ricevente sono sincronizzati Trasmissione asincrona 46 Trasmette i bit in gruppi di 5-8 bit Ogni gruppo rappresenta un carattere Es. codice EBCDIC, 8 bit Quando non c è nulla da trasmettere il trasmettitore emette il bit 1: stato inattivo Quindi un segnale con tensione costante pari al bit 1 indica assenza di trasmissione Per iniziare a trasmettere un carattere si trasmette prima uno 0 Lo 0 da la possibilità al ricevitore di sincronizzarsi Il ricevitore sa che i il gruppo di 8 bit successivo fa parte del carattere trasmesso 23

24 Trasmissione asincrona 47 Vengono trasmessi gli 8 bit, ed alla fine degli 8 bit viene trasmesso un bit di parità Bit di stop: si ritorna nello stato inattivo, trasmettendo un bit 1 la cui durata è almeno pari ad una soglia minima Tipicamente due volte la durata di un normale bit Poiché il bit di stop è lo stesso dello stato inattivo, il trasmettitore continuerà a trasmetterlo fino al prossimo carattere Clock skew 48 Se i due clock non sono sincronizzati ci possono essere errori Il vantaggio di questo metodo è che il clock del ricevitore si può sincronizzare ad ogni carattere Svantaggio: si introduce molta ridondanza 2 bit ogni 10 non rappresentano dati, servono solo per la sincronizzazione Ridondanza del 20% 24

25 Trasmissione sincrona 49 I dati vengono spediti in blocchi di grandezza arbitraria Riduce la ridondanza Ovviamente occorre sincronizzare in qualche altro modo Si usano dei bit, tipicamente 8, di sincronizzazione all inizio (preambolo) ed alla fine del blocco (postambolo) Inoltre ci sono dei bit di controllo HDLC: 48 bit fra controllo, preambolo e postambolo Ridondanza Per un blocco dati di 1000 byte la ridondanza è di 48/8000= 0.6% Esempio di interfaccia V.24/EIA-232-F (nota anche come RS-232) 50 Usa un cavo con 25 pin, ognuno dei quali porta un segnale elettrico Voltaggi +3V: bit di valore 0-3V: bit di valore 1 (quindi un NRZ-L) 25

26 Esempio d uso 51 02: Trasmitted data 06: DCE Ready 20: DTE Ready 22: Ring indicator Esempio d uso 52 03: Received data 06: DCE Ready 08: Rec d line signal detector 26

27 Esempio d uso 53 02: Trasmitted data 03: Received data 04: Request to send / Ready to receive 05: Clear to Send Riepilogo Dati e segnali: Trasformazione analogicodigitale Digitale-digitale Codici e codifiche Digitale-analogico Tecniche di modulazione Analogico-digitale Compinamento Analogico-analogico Trasformazione Interfacce Riferimento: Stallings, Capitoli 5 e