Capitolo 4 Strato Fisico- Modellazione delle Sorgenti d Informazione e Codificazione di Sorgente

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1 Capitolo 4 Strato Fisico- Modellazione delle Sorgenti d Informazione e Codificazione di Sorgente 1

2 Sorgenti d Informazione- Generalità Per valutare le prestazioni di un Sistema di TLC, è necessario descrivere opportunamente (ossia, modellare) le Sorgenti che generano i flussi informativi. Per definizione, una Sorgente d Informazione binaria è un apparato (terminale d utente, codificatore audio/video, nodo di commutazione) che genera flusso di bit per intervalli di tempo di durata fissa o variabile. 2

3 Stato di una Sorgente di Informazione (1/4) In ogni (generico) istante di tempo t 0, una Sorgente d Informazione binaria può trovarsi in uno di due possibili stati: i. Stato di Attività (Stato ON), nel quale la sorgente genera bit a una velocità di picco R P (bit/sec) assegnata e dipendente dalla sorgente considerata; ii. Stato di Inattività (Stato OFF), durante il quale la Sorgente non genera bit. 3

4 Stato di una Sorgente di Informazione (2/4) L intervallo di tempo T ON (sec) nel quale la Sorgente permane nello Stato ON e l intervallo di tempo T OFF (sec) nel quale la Sorgente permane nello Stato OFF possono variare di volta in volta durante il periodo di funzionamento della Sorgente. Quindi, T ON e T OFF sono modellabili come variabili aleatorie. Indichiamo con T ON E{T ON } (sec), T OFF E{T OFF } (sec) i valori medi (valori attesi) delle suddette variabili aleatorie. 4

5 Stato di una Sorgente di Informazione (3/4) Ciò significa che: i. 1/ T on ( sec -1 ) è il numero medio di transizioni della Sorgente dallo Stato OFF allo Stato ON nell intervallo temporale di 1 sec; ii. 1/ T OFF ( sec -1 ) è il numero medio di transizioni della Sorgente dallo Stato ON allo Stato OFF nell intervallo di tempo di 1 sec. 5

6 Stato di una Sorgente di Informazione (4/4) Il funzionamento di una Sorgente d Informazione è, quindi, rappresentabile graficamente mediante il seguente Diagramma degli Stati. 1/ Ton Stato OFF Stato ON 1/ T OFF 6

7 Probabilità di Stato La probabilità P ON che la Sorgente ha di trovarsi nello Stato ON in un generico istante t 0 è pari alla frazione media del tempo che la Sorgente passa nello Stato ON, quindi, P ON T on / (T on + T OFF ) La probabilità P OFF che la Sorgente ha di trovarsi nello Stato OFF in un generico istante di tempo t 0 è pari alla frazione media del tempo che la Sorgente passa nello Stato OFF, quindi, P OFF T OFF / (T on + T OFF ) 7

8 Velocità Media di Emissione e Fattore di Burstiness Per definizione, la velocità media R (bit/sec) con cui la sorgente genera bit nell unità di tempo è pari a: R P ON R P [T on / (T on + T OFF )] R P Per definizione, il Fattore di Burstiness B S della Sorgente è pari a : B S R/R P T on / (T on + T OFF )] 8

9 Sorgenti CBR e VBR Ovviamente, abbiamo che: 0 B S 1. Per definizione, una Sorgente è detta di tipo Constant Bit Rate (Sorgente CBR) quando B S 1. Per definizione, una Sorgente è detta di tipo Variable Bit Rate (Sorgente VBR) quando B S < 1. Ne deriva che, i. per le Sorgenti CBR, R R P; ii. per le sorgenti VBR, R < R P. 9

10 Classificazione delle Sorgenti sulla base della Velocità di Picco Sulla base del valore di R P, le Sorgenti possono essere classificate come riportato nella Tabella seguente: R P (Mb/sec) Classe di Sorgente Applicazioni Bassa Velocità Media Velocità Alta Velocità Telemetria VoIP Video Conferenza Suono ad alta fedeltà TV digitale, Trasmissione Dati 10

11 Classificazione sulla Base di R P e di B S (1/2) Sulla base dei valori assunti da R P e B S, le Sorgenti possono essere classificate come riportato nella Figura seguente. B S Voce Audio Video Conf. Immagini ad Alta Risoluzione Baccarelli, Cordeschi, Patriarca e Polli R P (bit/sec) 11

12 Classificazione sulla Base di R P e di B S (2/2) Le Reti con modalità di trasferimento a commutazione di circuito sono più adatte a trasferire i flussi binari generati da Sorgenti con valori di B S unitari (Sorgenti CBR) o prossimi all unità, (diciamo, B S >10-1 ). Le Reti con modalità di trasferimento a commutazione di pacchetto (multiplazione statistica) sono più adatte a trasferire i flussi binari generati da Sorgenti con Valori di B S (molto) minori dell unità (Sorgenti VBR con B S < 10-1 ). 12

13 Sorgenti CBR- Esempio (1/2) L andamento nel tempo della velocità di emissione R(t) (in bit/sec) di una sorgente CBR è riportato in Figura. R(t) (bit/sec) R P 0 Durata della trasmissione t (sec) 13

14 Sorgenti CBR- Esempio (2/2) Dalla precedente Figura, deduciamo che i. una sorgente CBR lavora sempre e solo nello Stato ON; ii. per una Sorgente CBR abbiamo che: R R P. 14

15 Sorgenti VBR- Esempio (1/2) Un possibile andamento nel tempo della velocità di emissione R(t) (bit/sec) di una Sorgente VBR con velocità di picco R P e fattore di Burstiness B S < 1 entrambi assegnati è riportato in Figura. R(t) (bit/sec) R P R Durata della Trasmissione t (sec) 15

16 Sorgenti VBR- Esempio (2/2) Dalla precedente Figura, osserviamo che: i. una sorgente VBR alterna Stati ON a Stati OFF; ii. le durate T ON e T OFF degli Stati ON e OFF possono variare nel tempo, ossia T ON e T OFF sono variabili aleatorie; iii. la velocità media R (bit/sec) di emissione è sempre strettamente inferiore alla velocità di picco R P, ossia: R = B S R P, con B S < 1. 16

17 Segnale vocale (1/2) Intervallo di stazionarietà C A S o No componenti alle basse frequenze o Energia concentrata fino a 4-5 khz 17

18 Segnale vocale (2/2) Filtro telefonico (telefonia fissa, GSM) Campionamento: 18

19 Compressione del segnale vocale segnale vocale, analogico ADC (camp+quant.) b bit per campione P/S flusso binario Codificatore Flusso binario dopo codifica < decodificatore S/P DAC Segnale ricostruito 19

20 DPCM: Differential Pulse Code Modulation (1/2) Anziché quantizzare e trasmettere il campione attuale si quantizza e trasmette la differenza tra ed il campione precedente Le differenze sono Numeri più piccoli dei campioni e Esempio : PCM codifica e ricostruzione DPCM differenza Codifica Ricostruzione

21 DPCM: Differential pulse code modulation (2/2) Codificare e trasmettere numeri piccoli, come si fa nel DPCM, costa meno bit rispetto al PCM L ipotesi è che il segnale evolve lentamente da campione a campione, cosicchè la differenza è in modulo più piccola di ossia 21

22 Codificatori usati nella pratica Rate (kbps) Livello Qualità PCM 64 TOLL Telefonica ADPCM 32 NEAR TOLL Quasi telefonica LD-CELP 16 DIGITAL CELLULAR LTP-RPE 13 DIGITAL CELLULAR MP-LPC 9 CELP 5 DIGITAL CELLULAR, LOW BIT RATE DIGITAL CELLULAR, LOW BIT RATE LPC-10 2,4 LOW BIT RATE Quasi telefonica ma rumorosa Quasi telefonica ma rumorosa Segnale naturale, parlatore riconoscibile Segnale naturale, parlatore riconoscibile Segnale comprensibile ma artificiale Baccarelli, Cordeschi, Patriarca e Polli 22

23 Parametri di Prestazione di un codificatore vocale Prestazioni di un codificatore: o o o o o Qualità del segnale ricostruito Fattore di compressione bit rate, occupazione di memoria Ritardo di codifica Complessità di calcolo e memoria degli apparati Robustezza rispetto agli errori di trasmissione Baccarelli, Cordeschi, Patriarca e Polli 23