7: Strato fisico: codifica dei segnali numerici, modulazione di segnali analogici e numerici

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1 1 1 7: Strato fisico: codifica dei segnali numerici, modulazione di segnali analogici e numerici Codifica dei dati numerici 2 La rappresentazione di dati numerici con segnali numerici è normalmente fatta tramite sequenze di impulsi discreti di tensione di una certa durata temporale. Il dato binario è codificato in modo da far corrispondere al valore di un bit un determinato livello del segnale Il ricevitore deve sapere quando inizia e finisce il bit, leggere il valore del segnale al momento giusto, determinare il valore del bit in base alla codifica utilizzata questa funzione si chiama sincronizzazione la migliore valutazione si ottiene leggendo il valore del segnale nell istante corrispondente a metà bit

2 2 Caratteristiche delle codifiche 3 Sono possibili diverse scelte di codifica, con caratteristiche differenti che possono migliorare le prestazioni della trasmissione Le caratteristiche determinanti sono: spettro del segnale: componenti ad alta frequenza richiedono una banda maggiore l assenza di componente continua è preferibile possono essere utilizzate tecniche trasmissive più resistenti al rumore dell elettronica spettro concentrato nel centro della banda caratteristica importante per il multiplexing (vedi oltre) Caratteristiche delle codifiche 4 Altre caratteristiche determinanti sono: sincronizzazione temporale: il ricevitore deve essere sincronizzato con il trasmettitore per identificare i bit; alcune codifiche facilitano questa funzione rilevazione di errore: funzione caratteristica dei livelli superiori, ma può essere utile anche a livello fisico solidità del segnale rispetto ad interferenza o rumore costo e complessità di realizzazione

3 3 Codifiche unipolari (RZ ed NRZ) 5 La codifica unipolare RZ (Return to Zero) prevede la trasmissione di un segnale di lunghezza T per ogni bit. Il segnale è nullo per il bit 0, mentre è un impulso di tensione di durata T/2 per il bit 1 La codifica unipolare NRZ-L (Non Return to Zero Level) differisce dalla RZ perché il livello di tensione per il bit 1 rimane alto per tutta la durata del bit Codifiche unipolari (RZ ed NRZ) 6 Una versione simile è la NRZI (Non Return to Zero Invert on ones), che è simile alla NRZ-L, ma differenziale (cambia simbolo in occasione di un bit 1, lo lascia inalterato in occasione di bit 0)

4 4 Caratteristiche delle codifiche unipolari 7 Le codifiche NRZ ed NRZI hanno i pregi: facili da progettare e realizzare (utilizzate frequentemente su linee molto brevi) utilizzo efficiente della larghezza di banda (la potenza è concentrata tra 0 ed R/2, dove R è la capacità trasmissiva in bit/s (transmission rate) Difetti: esiste una componente continua lunghe sequenze di bit di valore 0 (e sequenze di 1 nel caso della NRZ-L) producono un segnale costante, privo di transizioni: il ricevitore può perdere la sincronia Codifiche polari 8 Per migliorare le caratteristiche dei segnali si fa utilizzo di codifiche polari: i valori di tensione sono +V e -V questo riduce l impatto della componente continua, ma non la annulla resta il problema della sincronizzazione

5 5 Codifiche multilivello binario 9 Le codifiche a multilivello binario utilizzano tre livelli: lo zero indica il bit 0, mentre il bit 1 è identificato con segnali a +V e V alternati (AMI bipolare: Alternate Mark Inversion) La codifica pseudoternaria è la stessa, con 1 e 0 invertiti Caratteristiche della codifica AMI 10 La codifica AMI ha i seguenti vantaggi rispetto alla NRZ: risolve il problema della sequenza di bit 1, che presentano sempre una transizione utilizzabile in ricezione per sincronizzare (ma resta il problema per sequenze di 0) La componente continua è di fatto azzerata utilizza, a parità di tasso trasmissivo, una minore larghezza di banda errori isolati possono essere evidenziati come violazione del codice Vi sono anche svantaggi: utilizza simboli a 3 livelli, quindi ogni simbolo potrebbe trasportare più informazione (log2(3) = 1.58) a parità di bit error rate richiede circa 3 db in più rispetto alla NRZ (è più difficile discriminare) Utilizzata in diversi casi su linee punto-punto (ISDN)

6 6 Codifiche bifase: Manchester 11 La codifica Manchester utilizza due livelli di tensione; il bit 1 è rappresentato da un segnale -V per mezzo periodo, +V per il seguente mezzo periodo; il bit 0 è rappresentato in modo opposto (+V per il primo mezzo periodo, -V per il restante mezzo periodo) La codifica Manchester differenziale utilizza lo stesso tipo di rappresentazione, ma rappresenta il bit 1 come variazione rispetto alla codifica del bit precedente Caratteristiche della codifica Manchester 12 Vantaggi: sincronizzazione: ogni bit ha una transizione in mezzo, che può essere utilizzata per la sincronizzazione dal ricevitore totale assenza di componente continua rivelazione di errore (in assenza della transizione prevista) Svantaggi: richiede un segnale a frequenza doppia rispetto al bit rate: 1 bit richiede 2 simboli, quindi richiede una banda doppia L utilizzo più diffuso della codifica Manchester è negli standard (Ethernet) e (Token Ring) sia su coassiale che su doppino

7 7 Codifica B8ZS 13 Una modifica della AMI per risolvere il problema della sequenza di zeri è la B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), dove ogni sequenza di 8 zeri viene codificata come: se l ultimo impulso è stato positivo se l ultimo impulso è stato negativo Codifica B8ZS 14 In questo modo scompaiono lunghe sequenze di segnale inalterato, e la sequenza è identificata da due violazioni del codice AMI Utilizzata nel Nord America

8 8 Codifica HDB3 15 Stessa logica per la HDB3 (High Density Bipolar 3 zeros): ogni sequenza di 4 zeri viene codificata come se la polarità dell ultimo impulso è stata negativa: 000- se c è stato numero dispari di 1 dall ultima sostituzione +00+ se c è stato un numero pari di 1 dall ultima sostituzione se la polarità dell ultimo impulso è stata positiva: 000+ per un numero dispari di 1 dall ultima sostituzione -00- per un numero pari di 1 dall ultima sostituzione anche in questo caso scompaiono lunghe sequenze di zeri, e la sequenza è identificata da violazioni opportune del codice AMI Utilizzata in Europa e Giappone Caratteristiche di B8ZS ed HDB3 16 Hanno sempre componente continua nulla (le violazioni sono alternate) efficiente utilizzo della banda, la potenza è concentrata a metà banda come con AMI, è possibile riconoscere gli errori singoli Generalmente utilizzate nella trasmissione dati ad elevata distanza

9 9 Spettro delle codifiche numeriche in banda base 17 Dati analogici-segnali analogici 18 La rappresentazione di dati analogici tramite segnali analogici può essere: in banda base: il segnale trasmesso è identico al dato analogico da trasmettere, ed occupa la stessa banda di frequenza del dato analogico attraverso la modulazione di una portante sinusoidale operata utilizzando il dato (analogico) come segnale modulante

10 10 Modulazione 19 La modulazione è un processo con il quale il segnale da trasmettere (segnale modulante) viene utilizzato per modificare nel tempo le caratteristiche di un segnale ausiliario sinusoidale (portante) Questa operazione ha la caratteristica di generare un segnale che ha una occupazione di banda dell ordine di grandezza di quella del segnale modulante, centrata però intorno alla frequenza del segnale portante Utilizzando una portante ad alta frequenza si può quindi spostare la banda necessaria alla trasmissione delle informazioni in un intervallo più opportuno per la trasmissione stessa Vantaggi della modulazione 20 Spesso per la trasmissione sono preferibili determinati intervalli di frequenza ad esempio, la trasmissione via ponte radio (a vista) richiede una antenna direzionale; la dimensione della antenna deve essere dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d onda; per trasmissioni a 1 KHz λ = 300 Km, per trasmissioni a 1 GHz λ = 30 cm per trasmettere i segnali radio si può sfruttare la riflessione multipla dalla ionosfera, che riflette bene frequenze di 5-30 MHz Un altro vantaggio è legato alla possibilità di trasmettere più comunicazioni differenti e contemporanee sullo stesso mezzo, traslando le bande relative alle diverse comunicazioni in zone differenti della banda utile per la trasmissione (multiplexing a divisione di frequenza)

11 11 Tecniche di modulazione 21 Il segnale modulante viene utilizzato per modulare le caratteristiche della portante: ampiezza: il segnale viene utilizzato per modificare il valore della ampiezza della portante (modulazione di ampiezza) frequenza: il segnale modulante modifica istante per istante la frequenza della portante (modulazione di frequenza) fase: il segnale modulante cambia la fase della portante (modulazione di fase) Esempi di modulazione 22

12 12 Modulazione analogica di ampiezza (AM) 23 Il segnale modulante è un segnale analogico (es.: voce, o meglio il segnale elettromagnetico corrispondente alla voce in banda base) Il segnale modulato si genera in questo modo: s(t n x(t ) cos( t ) ) 1 c L ampiezza del segnale modulato è funzione del segnale modulante; n è detto indice di modulazione, e viene scelto in modo che 1 n x(t ) 0 Esempio: modulante sinusoidale 24 Consideriamo come esempio il segnale modulante sinusoidale a frequenza ω (singola nota di violino):

13 13 Esempio (cont) 25 Il segnale modulato ha la forma: s( t ) 1 ncos( t ) cos( t ) n s( t ) cos( ct ) cos 2 ( )t cos ( )t Il suo spettro sarà costituito da una riga in corrispondenza della frequenza della portante, più due righe simmetriche rispetto alla prima a distanza pari alla frequenza della modulante c c n 2 c Spettro del segnale modulato 26 In generale un segnale modulato in ampiezza ha uno spettro costituito dallo spettro del segnale modulante raddoppiato e collocato simmetricamente attorno alla frequenza portante (bande laterali) Ne segue che l occupazione di banda del segnale modulato è doppia rispetto a quella del segnale modulante

14 Spettro del segnale modulato 27 Si possono adottare tecniche per sopprimere la banda laterale inferiore, ed anche la frequenza portante mediante filtri passa banda (Single Sided Band) la frequenza della portante generalmente si potrà eliminare quando il segnale in banda base non ha componente continua o comunque vicine alla frequenza nulla Modulazione analogica angolare (PM) 28 Il segnale modulante può essere utilizzato per modificare la fase della portante (modulazione di fase) In questo caso il segnale modulato sarà descritto da s( t ) A cos t ( t ) ( t ) n c p x( t ) c dove n p è l indice di modulazione Di fatto si introduce un ritardo temporale proporzionale al segnale modulante 14

15 15 Modulazione analogica angolare (FM) 29 Il segnale modulante può essere utilizzato per modificare la frequenza della portante (modulazione di frequenza) In questo caso il segnale modulato sarà descritto da s(t ) A cos n c c f x(t ) t dove n f è l indice di modulazione Spettro del segnale modulato in frequenza 30 Per la modulazione di frequenza si può vedere come la banda occupata per effetto della ampiezza del segnale modulante sia F ( max min ) n f max x(t ) n f Am Un aumento della ampiezza del segnale modulante comporta un aumento della banda occupata, mentre nella AM aumenta l ampiezza del segnale modulato La modulazione angolare non è lineare e genera uno spettro generalmente costituito da banda infinita approssimata dalle relazioni: B B T T 2 F 2B 2n 2 A 2B per FM n A 1 B per PM p m f m

16 16 Modulazione di segnali numerici 31 La tecnica della modulazione viene utilizzata in questo caso per trasformare un dato numerico in un segnale analogico Si ottiene ciò modulando una portante sinusoidale utilizzando il dato numerico (o il segnale numerico in banda base che codifica il dato numerico) In ricezione il segnale viene demodulato ricostruendo il segnale numerico modulante L oggetto che realizza la conversione si chiama modem (modulatoredemodulatore) Un esempio comune è la trasmissione dati via rete commutata Un altro esempio è la trasmissione digitale su fibra ottica Tecniche di modulazione: ASK 32 Partendo da un segnale numerico (ad esempio un segnale NRZ) si può modulare in ampiezza una portante sinusoidale moltiplicando la sua ampiezza per il segnale numerico (ASK: Amplitude Shift Keying)

17 17 Tecniche di modulazione: FSK 33 Il segnale numerico può essere utilizzato per modulare in frequenza una portante sinusoidale, modificando la sua frequenza in funzione del segnale modulante (FSK: Frequency Shift Keying), cioè facendo corrispondere due frequenze ai due valori del bit Tecniche di modulazione: PSK 34 Il segnale numerico può modulare in fase una portante sinusoidale associano un certo valore di fase ad un certo valore di bit (PSK: Phase Shift Keying). Nell esempio in figura al bit 1 si associa un cambio di fase, al bit 0 nessun cambio di fase

18 18 Forma del segnale trasmesso 35 I segnali trasmessi con le diverse tecniche di modulazione hanno la seguente forma ASK : FSK : PSK : Acos( t) s( t) 0 Acos( 1t ) s( t) Acos( 2t) Acos( t 1) s( t) Acos( t 2) bit 1 bit 0 bit 1 bit 0 bit 1 bit 0 Spettro del segnale trasmesso 36 Le considerazioni viste per la modulazione analogica valgono anche in questo caso Il segnale generato è costituito dallo spettro del segnale modulante (quello numerico) spostato sulla frequenza della portante Ad esempio, i modem possono utilizzare una modulazione FSK a due valori per trasmettere dati fino a 1200 bps su un canale telefonico (limitato in banda tra 0.3 e 3.4 KHz) per la trasmissione in un verso, si utilizza una portante a 1170 Hz, con una traslazione di 100 Hz su ciascun lato in funzione del valore dei bit per la trasmissione nell altro verso, si usa la stessa tecnica con la portante a 2125 Hz

19 19 Esempio di spettro 37 Modulazioni più complesse: QPSK 38 Si ottiene una migliore efficienza del canale modulando in modo che ogni simbolo trasporti più bit Nella modulazione QPSK (Quadrature PSK) si utilizzano quattro angoli di fase per trasmettere due bit per simbolo; ad esempio: 00 per fase = 0 01 per fase = 90 gradi 11 per fase = 180 gradi 10 per fase a 270 gradi Si possono utilizzare modulazioni più complesse utilizzando più angoli di fase

20 20 QAM 39 La modulazione QAM (Quadrature AM) consiste nel separare il segnale portante in due segnali uguali ma sfasati di 90 gradi Successivamente si applica una modulazione di ampiezza a più valori indipendentemente su entrambe, quindi si ricombinano le portanti sfasate (quadratura). Si possono applicare modulazioni combinate in fase ed ampiezza sulle due componenti In funzione delle modulazioni delle due portanti si possono avere 4QAM, 16QAM, 64QAM ed oltre Schema della QAM 40

21 21 Applicazioni 41 Queste tecniche vengono utilizzate per la trasmissione digitale di segnale analogico (modem, ponti radio digitali, fibre ottiche) Per i modem l ITU ha definito degli standard per le trasmissioni modem a 2400 baud: V32 (32 livelli, 5 bit/baud di cui 1 bit di parità e 4 bit di dati, 9600 bps) V32 bis (128 livelli, 7 bit/baud di cui 1 bit di parità e 6 bit di dati, bps)