P1-01: Trasmissione dati

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1 Autunno 2002 Prof. Roberto De Prisco -01: Trasmissione dati Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica Sommario: parleremo di 01.2 Dati e segnali Rappresentazione dei dati con segnali elettromagnetici Analogico e digitale Segnali e frequenze Larghezza di banda Collegamento diretto e trasmissione dati Alterazioni nella trasmissione Capacità del canale Mezzi trasmissivi Doppino, cavo coassiale, fibra ottica 1

2 Trasmissione dati 01.3 Dati Rappresentati da segnali elettromagnetici Trasmettitore genera dei segnali per rappresentare informazioni Ricevitore riceve ed interpreta i segnali Mezzo di trasmissione trasporta il segnale Mezzo di trasmissione Tipi di collegamento 01.4 Trasmissione: diretta nessun dispositivo intermedio tranne ripetitore/amplificatore Mezzi trasmissivi Guidati (cavi) Mezzi non guidati Onde Mezzi guidati: Point-to-point solo due dispositivi utilizzano il collegamento Multipoint più dispositivi utilizzano lo stesso collegamento 2

3 Tipi di comunicazione 01.5 Simplex unidirezionale es. Televisione Half duplex bidirezionale ma una direzione per volta es. Ricetrasmittenti Full duplex bidirezionale es. Telefono Dati e segnali: analogici e digitali 01.6 Analogici: valori continui nel tempo (Audio, video) Digitali (numerici): valori discreti (testi, dati numerici) 3

4 Periodo e frequenza 01.7 Segnali aperiodici Segnali periodici si ripetono nel tempo con regolarità s(t) = s(t+t) T è il periodo, misurato in secondi Frequenza f è la velocità con cui il segnale si ripete misurata in Hertz (Hz), cicli o ripetizioni al secondo T = 1/f Segnali periodici

5 Periodo e frequenza 01.9 Periodo T = 0.5 secondi Frequenza f = 1/T = 2 cicli al secondi Periodo T = 2 secondi Frequenza f = 1/T = 0.5 cicli al secondo Periodo T = 0.1 secondi Frequenza f = 10 Hz Frequenza f = 1MHz Periodo T = 1/f = 1ms Ampiezza di picco e fase L ampiezza di picco è il valore massimo (di picco) dell intensità del segnale Fase si misura in radianti 1 periodo = 360 = 2 radianti La fase è la posizione all interno di un singolo intervallo Fase = 0 all inizio del periodo Fase = π/4 ad 1/8 del periodo Fase = π alla metà del periodo 5

6 Esempi Onda sinusoidale generica s(t) = A sen (2πft+φ) A ampiezza di picco f frequenza φ fase 6

7 Frequenze e segnali Un segnale è la somma di più frequenze s 1 (t) = sen(2πft) s 2 (t) =1/3 sen(2π(3f )t) s 3 (t) =4/π [s 1 (t) + s 2 (t)] Larghezza di banda Spettro: insieme delle frequenze componenti Nell esempio precedente: f e 3f Larghezza di banda: differenza fra la frequenza più alta e quella più bassa Nell esempio precedente: 2f Larghezza di banda e velocità di trasmissione Maggiore è la banda, più veloce è la trasmissione Es. banda = 4 MHz può generare una velocità = 2Mbps banda = 8 MHz può generare una velocità = 4Mbps NOTA: La velocità non dipende solo dalla banda 7

8 Segnali Analogici variabili continue larghezza di banda del parlato 100Hz Hz larghezza di banda della rete telefonica 300Hz Hz larghezza di banda del video 4MHz Digitali due sole componenti con frequenza zero Dati e segnali in genere si usano segnali digitali per dati digitali e segnali analogici per dati analogici segnali analogici per dati digitali Modem segnali digitali per dati analogici Compact Disc musicali 8

9 Trasmissione Trasmissione

10 Alterazioni del segnale Attenuazioni Riduzione dell intensità dovuta alla distanza Distorsione se l intensità si riduce in funzione della frequenza Si altera la somma finale Distorsione di ritardo (o di fase) La velocità può dipendere dalla frequenza Alcune frequenze arrivano prima ed altre dopo alterando la somma finale Rumore Termico, dovuto all agitazione termica degli elettroni Intermodulazione, interferenze fra frequenze Diafonia, segnali vanno a finire su un mezzo sbagliato Accoppiamento di doppini telefonici Impulsivo, picchi di rumore imprevedibili (es. guasti, interferenze esterne) Capacità del canale Rumore Altera il segnale Può generare degli errori Tasso di errore Interpretazione sbagliata del segnale Si trasmette 0, ma si riceve 1 frequenza con cui si verificano gli errori Capacità Velocità massima di trasmissione senza errori (o entro un certo limite di errore) Dipende dalla larghezza di banda 10

11 Rumore ed errori Larghezza di banda di Nyquist Non considera il rumore, cioè assume un canale senza rumore Dato un segnale con banda B la velocità massima di trasmissione è 2B Se i segnali sono binari allora con B Hz possiamo trasmettere 2B bps Con segnali con M livelli la velocità massima di trasmissione è 2B log 2 M bps Ricevitore più complesso perché deve distinguere fra M livelli di segnale 11

12 Formula di Shannon Considera il rumore La capacità diminuisce Rumore (Signal-to-Noise Ratio): SNR db = 10 log 10 (potenza segnale/ potenza rumore) Formula di Shannon C = B log 2 (1 + SNR) Mezzi trasmissivi Guidati Non guidati caratteristiche e qualità determinate da mezzo e segnale per mezzi guidati il mezzo è preponderante per mezzi non guidati il segnale è preponderante elementi chiave tasso di trasmissione e distanza da coprire 12

13 Fattori di progetto Larghezza di banda banda più larga consente tassi di trasmissione più alti Alterazioni del segnale attenuazione, distorsione, rumore Interferenze Numero di ricevitori importante per mezzi guidati e canali multi-point ogni ricevitore introduce attenuazione Mezzi trasmissivi guidati Doppino Non schermati Categorie 3 e 5 Schermati Cavo coassiale Fibra ottica usa la luce anzichè segnali elettromagnetici 13

14 Mezzi trasmissivi non guidati Antenne trasmettono e ricevono Onde elettromagnetiche si propagano nell aria Direzionale Fascio elettromagnetico direzionato Antenna trasmittente e antenna ricevente devono essere allineate Omnidirezionale Segnale si propaga in tutte le direzioni Può essere ricevuto da molte antenne Punti radio terrestri, satelliti Spettro elettromagnetico

15 Doppino Due fili di rame isolati ed intrecciati Intreccio riduce diafonia tra linee vicine Su un filo c è il segnale vero e proprio Sull altro c è un segnale di riferimento Una coppia funge da linea di comunicazione singola Più coppie inserite in un unico cavo Telefono: 2 coppie Lunga distanza: centinaia di coppie Utilizzi del doppino Mezzo di comunicazione più diffuso ed economico Rete telefonica collegamento da casa a centrale Cablaggio di edifici collegamento di ogni dispositivo a centralino Reti locali 10Mbps su brevi distanze (100m) da 100Mbps a 1Gbps su distanze più brevi e con pochi dispositivi collegati 15

16 Caratteristiche di trasmissione Usato sia per trasmissione analogica che digitale Forte attenuazione cresce rapidamente con la frequenza necessario ricostruire il segnale Trasmissione analogica Amplificatori ogni 5km o 6km Trasmissione digitale repeater ogni 2km o 3km Vantaggi del doppino Economico Semplice da installare e utilizzare Edifici già cablati con doppino nessuna spesa di cablaggio 16

17 Svantaggi del doppino Basso tasso di trasmissione dati Brevi distanze, larghezza di banda limitata Sensibile a interferenze e rumore Effetto pelle all'aumentare della frequenza il segnale si sposta sulla superficie del filo. aumento della resistenza perdita di potenza Diafonia il segnale trasmesso su una linea viene raccolto dalla linea in ricezione adiacente Comune nella rete telefonica UTP e STP Unshielded Twisted Pair (UTP) Normale filo del telefono economico e semplice da installare soggetto a interferenze Shielded Twisted Pair (STP) rivestimento metallico riduce interferenze costoso e difficile da lavorarci poco diffuso 17

18 Cavi UTP Cat. 3 e Quattro coppie di fili intrecciati Conosciuti come Cat 3: voice grade Cat 5: data grade Lunghezza dell'intrecciatura e rivestimento Cat. 3 : da 7.5 cm a 10 cm Cat. 5 : da 0.6 cm a 0.85 cm, miglior rivestimento Tassi di trasmissione Cat. 3: fino a 16 MHz Cat. 5: fino a 100 MHz Presenti in edifici per la rete telefonica Cat. 5 nei nuovi edifici Cavo coassiale Nucleo formato da fili di rame ricoperto da un dielettrico (isolante) Intorno c è un conduttore magliato Poi un altro strato isolante Questi strati sono coassiali Considerando la sezione sono concentrici 18

19 Utilizzi del cavo coassiale Molto versatile Segnale TV Collegmento antenna/televisore TV via cavo Rete telefonica a lunga distanza può trasportare fino a canali vocali in via di sostituzione con fibre ottiche Collegamenti di periferiche a breve distanza Reti locali Caratteristiche di trasmissione Maggiore protezione da diafonia e effetto pelle Trasmissione con segnali analogici e digitali Analogico amplificatori ogni 4-5 km più vicini per alti tassi larghezza di banda fino a 500MHz Digitale repeater ogni km più vicini per alti tassi 19

20 Cavo coassiale Vantaggi Buona protezione da diafonia e interferenze Minore attenuazione riduce le perdite dovute all irraggiamento ed all effetto pelle. Versatile collegamenti punto-punto e multipunto trasmissioni analogiche e digitali Velocità di 10 Mbps a distanze di 100 mt. Svantaggi Difficile installazione Soggetto a rumore termico Fibra ottica Informazione sotto forma di fascio di luce. È un mezzo sottile capace di condurre un raggio luminoso Svariati tipi di vetro Plastica Silicio fuso (migliore) Fibre inserite in un rivestimento protettivo che protegge da sorgenti luminose esterne. 20

21 Struttura del cavo Core = fibra che trasporta il segnale Cladding = fibra con proprietà ottiche differenti dal core Jacket = rivestimento protettivo di plastica L'interfaccia tra core e cladding funziona da riflettore la luce che incide sull'interfaccia con un angolo piccolo viene riflessa nel core Esempio di trasmissione Il trasmettitore usa un LED o un diodo laser (LD) converte i segnali elettrici in segnali luminosi Il ricevitore usa un fotodiodo o un fototransistor emette un segnale elettrico quando colpito da un fascio di luce 21

22 Utilizzi della fibra ottica Telecomunicazioni a lunga distanza da a canali vocali per 1500 km Cablaggio aree metropolitane fino a canali vocali senza repeater Collegamenti con aree isolate Collegamento telefonico casa-centrale a larga banda Reti locali Wavelength Division Multiplexing Più segnali possono viaggiare contemporaneamente sulla stessa fibra ogni segnale viaggia ad una differente frequenza (lunghezza d'onda) Sistema costruito ai Bell Lab. nel ' lunghezze d'onda a 10 Gbps tasso di trasmissione 1 Tbps Tecnologia del futuro per telecomunicazioni 22

23 Tecnica di trasmissione Tre diversi tipi di trasmissione su fibra ottica in funzione del materiale e della larghezza della fibra. Multimodo a indice discreto Multimodo a indice graduato Monomodo Fibra multimodo a ind. discreto L indice di rifrazione è costante su tutta la fibra I raggi luminosi hanno la stessa velocità ma seguono cammini diversi giungono a destinazione in tempi diversi bisogna inserire pause tra trasmissioni successive usate per collegamenti brevi 23

24 Fibra multimodo a ind. graduato L indice di rifrazione assume valori massimi al centro e poi diminuisce verso le zone periferiche. meno differenze tra i tempi di attraversamento della fibra dei vari segnali aumenta il tasso di trasmissione Fibra monomodo Il diametro del nucleo uguale alle dimensioni della lunghezza d onda Tutta la luce emessa si propaga lungo un singolo cammino senza dispersione Più costose ma coprono distanze maggiori 24

25 Vantaggi della fibra ottica Elevata larghezza di banda tassi di centinaia di Gbps Ridotte dimensioni e piccolo peso più cavi nella stessa canalina Attenuazione bassissima maggiore distanza tra i repeater (100 km) Immune al rumore elettromagnetico nessuna diafonia difficile intercettazione Economica e resistente alle alte temperature Svantaggi della fibra ottica Costi elevati per ricablaggio sostituzione di tutti i doppini della rete telefonica necessità di personale specializzato Costi elevati per interfacce tra il nodo (computer) ed il mezzo trasmissivo (fibra ottica) Giunzioni tra fibre introducono attenuazione 25

26 Riepilogo Rappresentare i dati con segnali Dati analogici o digitali Segnali, somma di frequenze Banda, velocità di trasmissione Rumori ed errori, capacità Mezzi trasmissivi (doppino, cavo coassiale, fibra ottica) Riferimento: Stallings, Capitoli 3 e 4 26