fisico-elettronico Capitolo 6: La trasmissione dati dal punto di vista

Transcript

1 Capitolo 6: La trasmissione dati dal punto di vista fisico-elettronico 6.1 I mezzi trasmissivi Uno degli aspetti più importanti di una rete, indipendentemente dal fatto che sia essa locale o geografica, è costituito dal tipo e dalle caratteristiche della linea fisica utilizzata come supporto per il segnale. Anche se negli anni più recenti sono andati affermandosi nuovi e più vantaggiosi supporti trasmissivi, il mezzo a tutt oggi più diffuso (e rimarrà ancora tale per diverso tempo) è il filo di rame, utilizzato nella stragrande maggioranza dei collegamenti telefonici Doppino telefonico Il doppino è un cavo intrecciato, costituito da 2 fili di rame isolati tra di loro, che collega solitamente un apparecchio telefonico alla più vicina centralina telefonica pubblica o privata. Spesso il doppino è realizzato anche con 4 fili, intrecciati a formare 2 coppie: in questo caso si parla di cavi twisted-pairs (come quelli UTP e STP utilizzati per le LAN). Prenderemo comunque in esame il doppino classico, ovvero quello con due soli fili. Di questi due fili, uno solo assolve alla funzione di trasportare i segnali, dato che il secondo serve come riferimento di terra del segnale stesso. Il doppino ha una capacità teorica di 1 Mbit/sec, ma a causa di appositi filtri presenti nelle stazioni telefoniche, la banda passante viene ridotta a 3100 Hz (compresa tra 300 e 3400 Hz). Un comune canale telefonico, non si presta alle trasmissioni di segnali digitali su lunghe distanze, per svariati motivi. Effetti capacitivi ed induttivi creano infatti una forte attenuazione del segnale in spazi veramente ridotti, rendendolo ben presto illeggibile se non opportunamente rigenerato. Per la trasmissione, si utilizza solitamente un segnale detto portante, modulato (da un altro segnale detto modulante) in modo da conservare nella sua forma l informazione da trasmettere. La modulazione del segnale, verrà comunque approfondita tra qualche paragrafo Cavo coassiale Un passo avanti rispetto al comune doppino di rame, è costituito dal cavo coassiale, formato da due conduttori concentrici, isolati reciprocamente e ricoperti da materiali protettivi. La struttura del coassiale permette di trasmettere il segnale verso una certa direzione attraverso il conduttore interno e, allo stesso tempo, ricevere il segnale di risposta tramite il conduttore esterno. Si ottiene così una forte riduzione dell attenuazione del segnale e del disturbo provocato dalle interferenze elettromagnetiche. A fronte di un costo nettamente superiore rispetto a quello del doppino, per una trasmissione attraverso cavo coassiale sono richiesti un minor numero di ripetitori di segnale e soprattutto si può disporre di una ampiezza di banda di circa 20 Mhz. Facendo un rapido calcolo, si può stabilire che all interno di un cavo coassiale potrebbero tranquillamente coesistere circa 4000 canali

2 fonici contemporaneamente. Un altro vantaggio, soprattutto su tratte piuttosto lunghe, deriva dalla velocità intrinseca di propagazione del segnale elettrico all interno del cavo. Questa velocità, nel caso l isolante tra i due conduttori sia l aria, eguaglia approssimativamente quella della luce. Rimane su ottimi livelli anche nel caso di isolanti solidi, toccando punte minime di 80'000 km/sec^2. La distorsione del segnale è superiore a quella del doppino, ma la velocità di propagazione (oltre 10 volte superiore) del coassiale permette di ridurre notevolmente i tempi di trasmissione Fibra ottica La trasmissione mediante fibra ottica è una delle soluzioni più utilizzate per la creazione di linee dorsali ad alto traffico, che necessitano di una grossa ampiezza di banda. Il funzionamento del cavo in fibra ottica è concettualmente semplice. Invece che trasmettere lungo un filo di rame dei segnali elettrici, si è pensato di fare viaggiare, attraverso una minuscola galleria, singoli impulsi di luce. Al contrario delle prime fibre ottiche, realizzate già negli anni 70, quelle odierne garantiscono un livello di attenuazione incredibilmente basso (0,05%, ovvero 2 db/km). I continui miglioramenti del mezzo trasmissivo, hanno ad oggi consentito di effettuare una trasmissione, senza ripetitori, fino a 25/30 km di distanza. L altissima frequenza a cui può viaggiare la luce, garantisce un ampiezza di banda veramente notevole e, di conseguenza, un numero spropositato di canali trasmissivi. Ulteriore vantaggio che ne deriva, è la totale immunità a disturbi esterni di tipo induttivo o elettromagnetico. La fibra ottica è inoltre esente da problemi di diafonia. A fronte di tutti questi vantaggi, c è comunque qualche lato negativo. Innanzitutto il costo, ancora proibitivo per gli utenti privati, così come per le piccole-medie aziende. La fragilità della fibra, inoltre, unita alla impossibilità della sua riparazione, ne limita fortemente l impiego in campo domestico Microonde e trasmissione via satellite La potenzialità trasmissiva delle microonde si pone a metà strada tra quella del cavo coassiale e quella della fibra ottica. Se si opera a frequenze superiori al Ghz, un collegamento di questo genere può supportare migliaia e migliaia di canali fonici. Alla

3 limitazione dovuta al fatto che le microonde si propagano in linea retta, si contrappone il vantaggio di poter piazzare un ripetitore ogni km contro i 3-6 km di un cavo coassiale spesso (thicknet). Questo problema è stato comunque risolto mediante l uso di satelliti per le telecomunicazioni. Tre satelliti posti in orbite geostazionarie, permettono infatti di ricoprire l intera superficia terrestre (esclusi i poli). Una stazione di terra che invia dati verso un satellite mediante microonde, può far sì che quest ultimo rinvii i dati ricevuti a tutte le stazioni terrestri presenti nel suo campo di copertura, fisse o mobili che siano. I costi per queste apparecchiature sono elevazioni ed inoltre, in caso di guasto del satellite, non è possibile intervenire per le riparazioni. Il concetto fondamentale che regola l utilizzo della banda trasmissiva di un satellite, è quello dell accesso multiplo. Per comprendere appieno come questo opera, occorre considerare la struttura di massima di un satellite e come esso si comporta. L operazione fondamentale consiste nel ricevere i segnali provenienti da stazioni di terra su canali con una frequenza portante preassegnata e riinviarli verso la stazione di destinazione, operante su di un diverso canale con una diversa frequenza portante. Ciò viene fatto utilizzando dispositivi chiamati trasponder, che provvedono a convertire i dati dalla banda di frequenza di ricezione in quella di trasmissione

4 specifica della stazione desiderata. L accesso multiplo è una tecnica che permette, ad un certo numero di stazioni trasmittenti di terra, l utilizzo contemporaneo della banda di frequenza gestita da uno dei trasponder collocati all interno di un satellite. I tre metodi di accesso multiplo più diffusi, ad oggi sono: FDMA (Frequency Division Multiple Access): sistema basato sulla divisione di frequenza, tramite la quale una stazione di terra ha a disposizione una certa parte della banda trasmissiva, che occupa per l intera durata della sessione di trasmissione; TDMA (Time Division Multiple Access): con questo sistema, una stazione di terra ha disposizione l intera banda trasmissiva a disposizione, ma solo in determinati intervalli di tempo. Si tratta del metodo in assoluto più utilizzato; CDMA (Code Division Multiple Access): non si basa né su suddivisione della frequenza, né del tempo, ma bensì su di un sistema in base al quale la frequenza portante del canale viene modulata a variazione di fase con un codice pseudocasuale differente. 6.2 Rumore, distorsione e diafonia Nei paragrafi precedenti abbiamo parlato a lungo di alcuni fenomeni e grandezze elettriche, noti come rumore, distorsione e diafonia. Vediamo nel dettaglio in cosa consistono: rumore: si intende per rumore, una serie di disturbi (caratterizzati da una propria frequenza, ecc ) presenti in un determinato ambiente. Fonti di rumore elettromagnetico, per esempio, sono tutti i fili in cui il passaggio della corrente genera un campo magnetico; distorsione: un sistema di trasmissione assolve bene alla sua funzione, quando l informazione presente nella sorgente raggiunge inalterata la destinazione. Il transito del segnale in un canale di trasmissione, può però provocare alcuni effetti indesiderati, in grado di alterare il segnale stesso. Si parla in questi casi di distorsione lineare (se causata da un comportamento non corretto dei dispositivi lineari) o distorsione non lineare. diafonia: si tratta di un fenomeno legato ai campi elettromagnetici, generati da due conduttori vicini. Nei cavi bifilari, infatti, la vicinanza dei due conduttori può portare a seri problemi di trasmissione. Dato che ogni filo in cui passa corrente genera un campo elettromagnetico, il secondo filo risentirà pesantemente dell influenza di questo campo. E per questo motivo che nei doppini telefonici e nei cavi UTP/STP per le reti, i conduttori sono fortemente intrecciati tra loro, in modo da generare due campi elettromagnetici perpendicolari che si annullano a vicenda. 6.3 Tecniche di modulazione del segnale

5 Il processo di modulazione consiste essenzialmente nell impiego di un segnale, detto portante (o carrier), per trasferire il contenuto informativo di un altro segnale (detto modulante), al fine di adattare le caratteristiche del segnale da trasmettere ai mezi trasmissivi a disposizione. La modulazione va a modificare uno o più parametri della portante, secondo una legge precisa e ben definita. Il segnale che si ottiene, il segnale modulato, è ovviamente correlato con il segnale modulante e ne contiene quindi l informazione. Questa può essere estratta, una volta trasmessa, attraverso un processo di demodulazione effettuato dal ricevitore. Tra le varie tecniche di modulazione, si possono distingure la modulazione analogica e quella digitale, riferendoci con questi aggettivi alla forma dell onda modulante. In entrambi questi casi, la portante può essere armonica (segnale sinusoidale) o impulsiva (segnale digitale) Modulazioni analogiche con portante armonica Un utilizzo tipico di queste modulazioni, (in particolare AM ed FM) è quello delle radiotrasmissioni. Un segnale analogico, come per esempio l uscita di un microfono, viene modulato per essere trasmesso nell aria da una antenna. Esistono tre tipi principali di modulazioni analogiche con portante armonica: modulazione di ampiezza (AM); modulazione di frequenza (FM); modulazione di fase (PM) AM (Amplitude Modulation) In questo tipo di modulazione, alla portante viene variata l ampiezza in base al valore di tensione del segnale modulante.

6 Ciò che determina quanto la modulante deve incidere sulla portante è l indice di modulazione, il quale deve presentare valori compresi tra 0 e 1. Nel caso esso sia maggiore di 1, si ottiene come risultato un onda disturbata o sovramodulata. Si tratta concettualmente di un buon sistema di modulazione, ma che richiede campi di frequenza decisamente troppo grandi. Per questo sono state create alcune varianti della AM, come la DSB (vengono trasmesse solo le bande laterali dello spettro e la portante è soppressa) e la SSB (dove, oltre alla portante, viene soppressa anche una delle due bande laterali) FM (Frequency Modulation) Questo tipo di modulazione si ottiene variando la frequenza della portante, in funzione dell informazione da trasmettere. Anche nella FM esiste un indice di modulazione, che esprime il rapporto tra la deviazione di frequenza dovuta alla modulazione e la frequenza del segnale modulante. Il vantaggio principale offerto da questa tecnica, nel caso l indice di modulazione sia alto (>5), consiste nella possibilità di ottenere un elevata immunità della trasmissione da disturbi ed interferenze. Da un punto di vista energetico, la potenza richiesta per la tramissione del segnale FM è uguale a quella richiesta per la trasmissione della sola portante non modulata PM (Phase Modulation) Questa tecnica consiste nel variare la fase dell onda sinusoidale portante, in funzione del segnale modulante. Anche nella PM esiste una deviazione di fase, molto simile a quella di frequenza che abbiamo appena visto nella FM Modulazioni analogiche con portante impulsiva Nel caso la portante non sia più una sinusoide, ma bensì un segnale impulsivo adatto a viaggiare su linee digitali, i tipi di modulazione che è possibile utilizzare variano. Oltre alle

7 modulazioni di ampiezza e di frequenza, che concettualmente abbiamo appena affrontato, è possibile operare anche sulla larghezza degli impulsi digitali e sulla loro posizione. Sono quindi quattro i principali tipi di modulazioni analogiche con portante impulsiva: modulazione dell ampiezza degli impulsi (PAM); modulazione della larghezza degli impulsi (PWM); modulazione della posizione degli impulsi (PPM); modulazione della frequenza degli impulsi (PFM); PAM (Pulse Amplitude Modulation) Il segnale modulato é costituito da impulsi di ampiezza proporzionale a campioni del segnale modulante, prelevati con cadenza regolare. La frequenza della portante viene a coincidere con la frequenza di campionamento del segnale: si potrà pertanto parlare indifferentemente di frequenza della portante o frequenza di campionamento. Tale frequenza, comunque, deve essere almeno doppia rispetto a quella della modulante, in rispetto al teorema di Shannon sul campionamento.

8 PWM (Pulse Width Modulation) Con questa tecnica di modulazione viene fatta variare la larghezza (equivalente alla durata) degli impulsi in funzione del livello del segnale modulante. La frequenza e l ampiezza degli impulsi vengono invece mantenute costanti PPM (Pulse Phase Modulation) Con la PPM, gli impulsi del segnale mantengono ampiezza, larghezza e frequenza costanti, ma la loro posizione viene variata in funzione del segnale modulante PFM (Pulse Frequency Modulation) Molto simile alla modulazione FM vista nel paragrafo , la PFM è un tipo di modulazione che varia la frequenza degli impulsi della portante, in funzione dell ampiezza del segnale modulante. Questa tecnica, che essenzialmente é realizzata dai convertitori tensione-frequenza, non è adatta ai sistemi di comunicazione a lunga distanza.

9 6.3.3 Modulazioni digitali con portante armonica Quando l informazione da trasmettere é rappresentata da un segnale binario (costituito da una sequenza di livelli logici 0 ed 1) e con esso si modula una portante, si ottiene una modulazione di tipo digitale. Con questo tipo di modulazione, è possibile convertire segnali digitali (come ad esempio l uscita della porta seriale di un PC) per adattarli ad una linea analogica (come quella telefonica). Dovrebbe essere chiaro che questa tecnica è quella che sta alla base del funzionamento dei modem. Esistono tre tipi principali di modulazioni digitali con portante armonica: modulazioni a variazione di ampiezza (ASK e OOK); modulazioni a variazione di frequenza (FSK); modulazioni a variazioni di fase (PSK e DPSK) ASK (Amplitude Shift Keying) e OOK (On-Off Keying) Con questo tipo di modulazione, l ampiezza della portante armonica viene modulata da un segnale, che come abbiamo appena ricordato è digitale binario e può quindi assumere soltanto i valori 0 e 1. Nella ASK, l ampiezza del segnale modulato, varia tra due valori distinti, associati ai due livelli binari. Una variante di questa tecnica é costituita dalla modulazione OOK, che lascia passare la portante quando la modulante ha valore 1 e, viceversa, non la trasmette quando il livello logico del segnale modulante é 0. La modulazione OOK può essere schematizzata in questo grafico: FSK (Frequency Shift Keying) Concettualmente molto semplice, la modulazione FSK prevede che la portante venga trasmessa con una frequenza f1 quando il segnale binario modulante vale 1 e con una frequenza f0 quando la modulante é a valore zero PSK (Phase Shift Keying) e DPSK (Differential PSK) La modulazione PSK genera un segnale modulato con ampiezza, frequenza e periodo degli impulsi costanti, a fronte di uno

10 sfasamento, rispetto alla portante, di 180 (se la modulante è a zero) o di 0 (modulante a 1). Rispetto alle altre tecniche di modulazione digitale illustrate, la PSK è quella che offre le migliori prestazioni, benché il processo di demodulazione sia molto sensibile a eventuali slittamenti degli oscillatori o a variazioni delle caratteristiche del mezzo trasmissivo usato. Anche per questo, viene usata spesso una variante della PSK, detta DPSK (Differential PSK). Con questa tecnica, schematizzata nel grafico qui sotto, ogni variazione binaria della modulante è associata ad una variazione di 180 della fase del segnale modulato Modulazioni digitali con portante impulsiva Con il recente abbassamento dei prezzi, è ora possibile installare linee telefoniche digitali nelle case, ad un bassissimo costo. Ciò comporta ovviamente l acquisto di nuovi apparecchi telefonici e la sostituzione del modem con un più economico TA (Terminal Adapter). Questo apparecchio non funziona più da convertitore digitale/analogico e viceversa, ma si limita ad adattare il segnale proveniente dall uscita del PC per poterlo trasmettere sulla linea telefonica. I TA utilizzano principalmente due tecniche di modulazione per l adattamento del segnale: modulazione ad impulsi codificati (PCM); modulazione Delta (DM) PCM (Pulse Code Modulation) L impiego di questa tecnica per la trasmissione di un segnale, prevede che questo venga campionato, quantizzato e convertito in forma digitale seriale ad n bit, secondo un certo codice. Il codice può essere ad esempio un semplice RZ, NRZ, GRAY, ecc I vantaggi che favoriscono l impiego sempre più diffuso della tecnica PCM nei moderni sistemi di comunicazione sono numerosi: innanzitutto l elevata insensibilità della trasmissione alle interferenze ed al rumore; la possibilità di elaborare i segnali trasmessi in forma digitale; la facilità con cui i segnali possono essere riformati o rigenerati lungo il canale di trasmissione; la possibilità di utilizzare un unico canale trasmissivo per trasferire campioni di segnali diversi, seguendo una tecnica di multiplazione chiamata TDM.

11 DM (Delta Modulation) e ADM (Adaptive DM) La modulazione DM é un particolare tipo di PCM in cui, dato un campione di segnale, non viene trasmesso il relativo codice, ma la sua variazione (delta) rispetto al valore precedente (o ai valori precedenti). Con la tecnica DM, delta è codificata con un solo bit, cosa che consente di ridurre drasticamente il numero di bit da trasmettere. Si ha però una limitazione per il fatto che, tra due campionamenti successivi, il segnale da trasmettere non deve presentare variazioni superiori al passo di quantizzazione. Un miglioramento alla tecnica DM lineare, arriva dalla modulazione ADM in cui l ampiezza del passo di quantizzazione varia, con legge definita, in funzione dei valori dei campioni precedenti del segnale. 6.4 Tipi di esercizio La trasmissione di informazioni tra due punti A e B (collegamento point-to-point), può avvenire secondo tre modalità distinte: Simplex (SX) Hald-duplex (HDX) Full-duplex (FDX) Simplex (SX) La trasmissione é unidirezionale e prevede una rigida gerarchia, in quanto la direzione non può essere invertita. Per questo si tratta di una soluzione scarsamente utilizzata, in quanto il mittente non può ricevere alcun segnale dal destinatario e non può quindi avere alcuna informazione sull esito della trasmissione. Viene realizzata con una linea a due fili Half-duplex (HDX) La trasmissione dei dati viene effettuata alternativamente (non contemporaneamente) nei 2 sensi, attraverso un solo canale. Quando A trasmette, B si pone in ricezione e viceversa. E importante tenere in debita considerazione il tempo di turn-around, ovvero quell intervallo di tempo (nell ordine delle decine di millisecondi), necessario per invertire il senso della trasmissione. Viene realizzata con una linea a due fili Full-duplex (FDX) La trasmissione e la ricezione possono avvenire contemporaneamente mediante due canali separati (realizzati, ad esempio, con quattro fili), uno adibito per il passaggio dei dati da A verso B e l altro da B verso A. L esercizio full-duplex può essere realizzato anche nella banda fonica tradizionale, utilizzando i due soli fili del doppino, stando però attenti ad assegnare una banda passante univoca a ciascuno dei due canali. 6.5 L interfaccia seriale RS 232C Nel 1969, l organismo statunitense EIA (Electronic Industries Association), una struttura che rappresenta i costruttori americani ed è interessata all emissione di standard nazionali, ha definito uno standard di comunicazione tra terminali remoti e

12 computer. Tale modello si è affermato di fatto come interfaccia generalizzata tra un computer e le sue periferiche. Lo standard RS 232C definisce caratteristiche elettriche, meccaniche e funzionali di un protocollo di comunicazione tra un dispostivo di elaborazione che gestisce i dati (DTE, Data Terminal Equipment) ed un apparecchio di ricetrasmissione degli stessi (DCE, Data Comunication Equipment). Di norma, viene utilizzato per trasmissioni di tipo sia sincrono che asincrono, half e fullduplex. Secondo questo standard, il DTE è collegato al DCE attraverso un cavo, i cui terminali a 25 poli sono trapezoidali (per evitare l inversione di aggancio), di tipo CANNON (dal nome della casa costruttrice). Come si può vedere dalla figura, i poli sono numerati in un modo un po particolare, partendo dall angolo in alto a destra. Tra questi, comunque, i più utilizzati sono i seguenti: Piedinatura RS232 Descrizione Sigla Direzione verso DTE 2 Dati trasmessi TD OUT 3 Dati ricevuti RD IN 4 Richiesta di trasmissione RTS OUT 5 Pronto a trasmettere CTS IN 6 DCE pronto DSR IN 20 DTE pronto DTR OUT 8 Portante ricevuta DCD IN Proprio da questa considerazione, è nata la nuova interfaccia seriale, che presenta 9 poli anziché I modem Il modem (modulator/demodulator) è il tipo di DCE più diffuso in assoluto. In Italia, un buon 80% del mercato appartiene al modem V.90, che garantisce una banda di 56 Kbit/sec in ricezione e di 33,6 Kbit/sec in fase di invio. Si tratta di un modem fonico (in quanto opera all interno della banda fonica Hz), particolarmente economico e discretamente efficiente, considerata la qualità delle nostre linee telefoniche. Per la trasmissione dati, il V.90 utilizza la modulazione PSK.

13 6.6.1 Null modem Non sempre, però, è necessario un modem. Nel caso in cui occorra, per esempio, collegare tra loro due host posti ad una distanza inferiore a 15 metri, non è necessario alcun modem. E sufficiente infatti un particolare tipo di cavo, chiamato quasi ironicamente null modem, che colleghi tra loro le porte seriali dei rispettivi host. Per la realizzazione di un null modem, si utilizza il semplice schema riportato qui sotto, basato sulla piedinatura della RS-232 (vista nel paragrafo 6.5):