Trasmissione Seriale e Parallela. Esempio di Decodifica del Segnale. Ricezione e Decodifica. Tecniche di Comunicazione di Dati Digitali

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1 Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica I semestre 04/05 Tecniche di Comunicazione di Dati Digitali Prof. Vincenzo Auletta 1 Trasmissione Seriale e Parallela Trasmissione seriale esiste un unico percorso su cui sono inviati i dati elementi di segnale spediti sul canale uno alla volta ogni elemento di segnale porta un certo numero di bit di informazioni < 1 codifica Manchester = 1 NRZ-L e FSK > 1 QPSK Trasmissione parallela simile ma si utilizzano più percorsi paralleli l informazione è inviata contemporaneamente su tutti i percorsi (un pezzo per ogni percorso) Ricezione e Decodifica Esempio di Decodifica del Segnale 2 il ricevente riceve un segnale e deve estrarre i dati campiona il segnale ogni "bit time" per determinarne il valore il sistema garantisce che solo al centro di ogni bit time il segnale è molto simile a quello trasmesso per una corretta decodifica il ricevente deve conoscere tempo di arrivo durata di ogni bit ricevuto trasmettitore e ricevente si devono sincronizzare 3

2 Sincronizzazione se i clock operano a velocità differenti è difficile mantenere la sincronizzazione e campionare sempre al centro dell intervallo di bit si trasmette a blocchi di dati, un blocco alla volta ogni blocco richiede una risincronizzazione due soluzioni trasmissione asincrona trasmissione sincrona Trasmissione Asincrona si trasmette un carattere alla volta ogni carattere è lungo da 5 a 8 bit la sincronizzazione è mantenuta solo per la trasmissione del singolo carattere il ricevente deve risincronizzarsi all'inizio di ogni carattere prima di trasmettere un carattere si devono trasmettere dei bit di sincronizzazione 4 5 Esempio di Trasmissione Asincrona Caratteristiche della Trasmissione Asincrona 6 durante l idle state il trasmettitore invia continuamente 1 lo start bit consente di sincronizzarsi transizione da 1 a 0 rilevata il ricevente campiona ogni bit del carattere al centro dell intervallo di bit i bit di stop segnalano la fine della trasmissione in genere i bit di stop sono due o più 7 consente la trasmissione solo tra dispositivi abbastanza sincronizzati se i clock differiscono di molto si perde la sincronizzazione utilizzo della linea inefficiente per ogni carattere (8 bit) spediti 3 bit di controllo inutilizzati 3/8 della larghezza di banda disponibile

3 Trasmissione Sincrona si trasmettono grandi frame (qualche migliaio di bit) ogni frame preceduto e seguito da caratteri di sincronizzazione il frame viene trasmesso in blocco senza ritardi all'interno del frame non ci sono caratteri di sincronizzazione Struttura di un frame preambolo+dati+coda+bit di controllo Livelli di Sincronizzazione Il ricevitore deve sincronizzarsi con il segnale ricevuto per individuare inizio e fine di ogni intervallo di bit individuare inizio e fine di ogni ottetto individuare inizio e fine di ogni frame 8 9 Sincronizzazione di Bit i due clock devono essere in sincronia per tutta la trasmissione del frame Due possibili soluzioni linea di clock separata inviata dal trasmettitore un impulso per bit time, utilizzabile solo per brevi distanze e bassi tassi embedding del clock nei segnali ci deve essere un alto numero di transizioni di segnale es. codifica Manchester (per segnali digitali) es. frequenza della portante (per segnali analogici) Sincronizzazione di Carattere e Frame Il ricevitore ed il trasmettitore concordano il numero di bit utilizzati per rappresentare ogni carattere il ricevitore conta il numero di bit ricevuti Ogni frame identificato da caratteri di inizio e fine frame previsti dal codice ASCII serve una tecnica diversa per trasmettere file binari 10 11

4 Caratteristiche della Trasmissione Sincrona Trasmissione efficiente adatta ad essere utilizzata ad alti tassi di trasmissione Es. HDLC ha 48 bit di controllo e circa 8000 bit di dati per ogni frame utilizzata per trasmettere dati generati a tasso costante Gestione degli Errori Il livello fisico non è in grado di garantire trasmissione affidabile dei bit anche scegliendo la combinazione ottimale di mezzo trasmissivo, tasso, distanza e codifica non si può ridurre il BER a 0 la probabilità che una trama sia difettosa cresce esponenzialmente con la lunghezza della trama P err = 1 - (1 - BER) n Es. se BER = 10-6, n = 1000 P err = 10-3 serve un meccanismo di controllo per individuare ( e correggere) le trame difettose Idea Base Tipi di Errore 14 Tutte le tecniche di individuazione degli errori sono basate sull uso di codici per l individuazione degli errori calcolati a livello di trame il trasmettitore calcola il codice relativo ad una trama ed inserisce il risultato tra le informazioni di controllo della trama stessa il ricevente ricalcola lo stesso codice sui dati della trama e confronta i risultati se sono differenti la trama è stata alterata durante la trasmissione In base al tipo di codice utilizzato il ricevente può individuare solo alcune categorie di errori 15 Errori singoli un bit errato preceduto e seguito da k bit corretti in genere dovuto a rumore di fondo o distorsione Errori a raffica (burst) sequenza di bit in cui tra due bit corretti c è una distanza maggiore di k dovuti a rumore impulsivo difficili da gestire

5 Gestione degli Errori Individuazione degli errori Il ricevente riconosce che c è stato un errore di trasmissione e chiede la ritrasmissione della trama Correzione degli errori Il ricevente riconosce il tipo dell errore e lo corregge Tecniche Principali Le principali tecniche di individuazione degli errori utilizzate sono Controllo di parità Cyclic Redundancy Check (CRC) Controllo di Parità Aggiunge un bit ad un blocco di dati in modo da garantire che il numero di 1 presenti sia fissato si parla di parità dispari (trasmissioni asincrone) o parità pari (trasmissioni sincrone) consente di individuare alterazioni di singoli bit (o di un numero dispari di bit) non utilizzabile per combattere errori a raffica Es. trasmissione di G ( ) in parità dispari Cyclic Redundancy Check Basato sul calcolo di una funzione modulo sul contenuto della trama Terminologia M = messaggio da spedire con k bit F = campo aggiunto al messaggio di n bit (FCS) T = trama spedita di (n+k) bit P = pattern di (n+1) bit utilizzato per ottenere F a partire da M P deve essere scelto in modo da poter calcolare F velocemente consentire l individuazione di ampie famiglie di errori

6 Calcolo del CRC Polinomi 20 Scegliamo P in modo che sia un divisore di T Aritmetica modulo 2 (OR Esclusivo) T = 2 n M + F poniamo F uguale al resto della divisione modulo 2 di 2 n M per P (2 n M/P = Q + R/P F = R) T/P = 2 n M/P + F/P = Q + R/P + F/P = Q il ricevente riceverà T r = T + E ed individuerà un errore se T r non è divisibile per P P deve contenere almeno tre 1 ed avere il bit più significativo e quello meno significativo uguale ad 1 21 Esiste una maniera alternativa di vedere il calcolo del CRC più efficiente da calcolare consideriamo M, P, F e T come polinomi in X a coefficienti binari Es. M = M(X) = X 5 + X 4 + X + 1 Polinomi più usati CRC-12 = X 12 + X 11 + X 3 + X 2 + X + 1 CRC-16 = X 16 + X 15 + X CRC-CCITT = X 16 + X 12 + X CRC-32 = X 32 + X 26 + X 23 + X 22 + X 16 + X 12 + X 11 + X 10 + X 8 + X 7 + X 5 + X 4 + X 2 + X + 1 Circuti Digitali per il Calcolo del CRC è possibile costruire dei circuiti digitali per calcolare il CRC in hardware in modo estremamente efficiente costituito da registri e connettori XOR Proprietà del CRC Scegliendo opportunamente P(X) è possibile individuare errori su singolo bit su doppi bit se P(X) ha almeno tre 1 su numero dispari di bit se P(X) ha un fattore (X+1) su ogni sequenza di bit di lunghezza non superiore alla lunghezza di F su molte sequenze di lunghezza superiore ad F 22 23

7 24 Correzione degli Errori La semplice individuazione degli errori implica la ritrasmissione dei dati In alcune situazioni (es. wireless) non è possibile o è inefficiente Il BER è alto e molte trame dovrebbero essere ritrasmesse Il tempo di trasmissione è molto più grande del tempo di elaborazione il ricevitore deve ricostruire il messaggio originario anche in presenza di errori Tecnica utilizzata da protocolli di controllo di linea (es. HDLC) e protocolli di trasporto (es. TCP) 25 Funzionamento del Decodificatore Ogni blocco di k dati viene codificato in una parola codice di n bit utilizzando un codificatore FEC (Forward Error Correction) Può non contenere i k bit originari Il ricevitore riceve la parola codice e la passa al decodificatore FEC Possibili esiti Se non ci sono errori o c è un tipo di errore riconoscibile, decodifica corretta Se c è un tipo di errore riconoscibile viene segnalato l errore Se c è un tipo di errore non riconoscibile la decodifica è errata Interfaccia di Comunicazione Terminologia 26 I computer hanno limitate capacità di trasmissione dati possono generare solo segnali NRZ per comunicare con le periferiche ma non possono essere collegati direttamente ad una rete di comunicazione utilizzano un dispositivo intermedio che li interfaccia con la rete 27 DTE (Data Terminal Equipment) identifica ogni dispositivo terminale (computer, terminale o altro dispositivo in grado di elaborare dati) DCE (Data Circuit-terminating Equipment) identifica un dispositivo in grado di ricevere e trasmettere bit su una linea di trasmissione (es. modem, schede di rete, ecc.) La comunicazione tra DTE e DCE avviene attraverso un insieme di circuiti per favorire l interoperabilità sono stati definiti standard di interfacciamento tra DTE e DCE

8 28 Comunicazione tra DTE e DCE DCE trasmette bit sul canale DCE scambia dati ed informazioni di controllo con il DTE serve un protocollo per la comunicazione tra DTE e DCE standard definiti dalla ITU-T serie V (PSTN) serie X (PSDN) serie I (ISDN) 29 Caratteristiche di un Interfaccia L'interfaccia di comunicazione definisce le caratteristiche Meccaniche: forma e struttura dei connettori Elettriche: livelli dei segnali, temporizzazzione, tipo di codifica del segnale Funzionali: operazioni svolte dall'interfaccia Procedurali: sequenza delle operazioni Modem Converte segnali digitali in analogici per trasmetterli sulla rete telefonica converte il segnale digitale proveniente dal DTE, in segnale analogico converte il segnale analogico ricevuto, in segnale digitale da trasmettere al DTE Spesso utilizzato per indicare qualsiasi dispositivo di interfacciamento DTE/rete...modem ISDN, modem ADSL Interfaccia con Modem modem operano a diverse velocità e con diverse forme di modulazione servono standard per rendere compatibili modem di diversi costruttori EIA-232F / V.24 EIA-530 / V.11 V.35 X

9 32 V.24/EIA-232-F ITU-T v.24 (Europa) specifica solo le caratteristiche funzionali e procedurali fa riferimento ad altri standard meccanici ed elettrici EIA-232-F (USA) evoluzione dello standard RS-232 livello meccanico ISO 2110 livello elettrico v.28 livello funzionale v.24 livello procedurale v Specifica Meccanica connettore a 25 pin Specifica Elettrica Specifica Funzionale 34 Standard V.28 Specifica i livelli di tensione definiti nelle interfacce A-232F / V.24 : +3 volt per lo zero binario -3 volt per l uno binario. all interno del calcolatore i livelli di tensione sono: volt per un zero binario 2 5 volt per un uno binario Utilizza segnali digitali con codifica NRZ-L valori interpretati come dati o segnali di controllo a seconda del circuito Utilizzabile per collegamenti fino a 15 m con tasso < 20 kbps 35 circuiti raggruppati in dati, controllo, temporizzazione, segnale di terra ogni circuito svolge una sola funzione (l informazione è rappresentata dalla presenza o assenza del segnale) due coppie di circuiti dati (primary e secondary) primary è full duplex secondary utilizzato per gestire l half duplex

10 36 Specifica Funzionale circuiti di controllo 10 per canali primary e 6 per canali secondary usati per avvio e chiusura connessione, controllo qualità del segnale, loopback control circuiti di sincronizzazione usati solo per trasmissione sincrona il segnale, inviato dal DCE al DTE, trasporta un segnale di temporizzazione con transizione al centro della cella 37 Specifica Procedurale Definisce l ordine con cui vengono utilizzati i circuiti da un applicazione Es: asynchronous private line modem all'accensione il DCE invia segnale ready quando il DTE vuole spedire dati invia Request to Send se in half duplex inibisce ricezione DCE risponde con Clear to send DTE manda i dati il DCE invia un Receive Line Signal Detector e trasmette i dati sul canale Interfaccia Null Modem L'interfaccia EIA- 232F può essere usata per collegare direttamente due DTE ogni DTE pensa di parlare con un DCE bisogna modificare il cablaggio del cavo Esempio di Operazione di Dial-Up 38 39

11 Specifiche Fisica ed Elettrica dell Interfaccia ISDN Schema dell Interfaccia Fisica di ISDN 40 Collegamento tra un Terminal Equipment (cfr. DTE) ed un Network Terminating (cfr. DCE) due circuiti per trasmissione in ognuna delle due direzioni due flussi dati paralleli con dati e segnali di controllo sullo stesso circuito connettore con soli 8 pin (RJ45) usa solo segnali differenziali tipo di codifica dipendente dal tasso di trasmissione tasso base di 192kbps usa pseudoternary tasso principale usa AMI con scrambling 41

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