Sistemi di comunicazione

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1 Capitolo 3 Sistemi di comunicazione In generale un sistema di comunicazione ha lo scopo di trasferire informazione da un punto, detto sorgente, in una certa posizione e ad un certo istante, ad un altro punto, detto utente. Restringeremo la descrizione dei sistemi di comunicazione a quelli di tipo elettrico, ossia ai sistemi che fanno uso di un segnale elettrico per trasferire l informazione. A seconda del numero e della disposizione degli utenti, i sistemi di comunicazione possono essere suddivisi in sistemi broadcast: sistemi che trasferiscono la medesima informazione a piú utenti; sistemi punto punto: sistemi che collegano due punti fissi nello spazio; sistemi portatili: sistemi di comunicazione trasportabili, ma che devono essere fissi al momento dell utilizzo; sistemi mobili: sistemi in cui l utente puó essere in movimento durante la comunicazione. Mantenendo un alto livello di generalitá, possiamo scindere un sistema di comunicazione nei blocchi fondamentali rappresentati in Fig In generale il messaggio informativo prodotto dalla sorgente puó essere non elettrico. In ingresso dovremo avere perció un trasduttore (ad esempio un microfono) che converta il messaggio in un segnale elettrico, detto segnale informativo. Analogamente, alla fine della catena, puó essere presente un opportuno trasduttore (il trasduttore di uscita) per convertire il segnale elettrico ricevuto in una forma appropriata alla particolare applicazione (ad esempio un altoparlante). Una suddivisone fondamentale dei sistemi di comunicazione si ha in base al tipo di informazione che deve essere trasferita. In particolare distinguiamo 13

2 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 14 Sorgente Trasduttore di ingresso Elaborazione Trasmettitore Modulatore Canale di trasmissione Utente Trasduttore di uscita Elaborazione Ricevitore Demodulatore Figura 3.1: Blocchi fondamentali costituenti un sistema di comunicazione. sorgenti di informazione analogiche: producono un segnale informativo definito su un insieme continuo, ossia un segnale che puó assumere un qualsiasi valore tra un valore minimo ed un valore massimo. Un esempio di sorgente analogica é il microfono; sorgenti di informazione discreta: producono un segnale informativo definito su un insieme con un numero finito di elementi, ossia un segnale che in ogni istante puó essere uguale ad uno tra un certo numero di simboli o valori. Un esempio di sorgente discreta é la macchina da scrivere, ad ogni istante puó generare un simbolo tra quelli compresi tra i caratteri alfanumerici. In base a tale distinzione si ha la classificazione seguente sistemi di comunicazione analogici: sistemi che trasferiscono informazione tra una sorgente analogica e l utente; sistemi di comunicazione discreti o digitali: sistemi che trasferiscono informazione tra una sorgente discreta e l utente; sistemi di comunicazione ibridi: sistemi che trasferiscono informazione tra una sorgente analogica e l utente utilizzando tecniche proprie dei sistemi di comunicazione digitali. Usualmente la sorgente e l utente sono in punti diversi dello spazio, spesso molto distanti tra loro. Il canale di trasmissione é quell oggetto che fornisce la connessione elettrica tra di essi. Il canale puó essere di differente natura. In particolare possiamo distinguere

3 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 15 canali hardwire: linee telefoniche, cavi coassiali, fibre ottiche, ecc.; canali softwire: atmosfera, spazio esterno, acqua, ecc. Il canale é una parte del sistema di comunicazione che puó non essere progettabile, ma imposta dalla particolare applicazione. Ad esempio, per il collegamento con un aereo, l unica possibilitá é l utilizzo dell atmosfera come canale di trasmissione. Il canale é generalmente sorgente di degradazione, attenuazione e interferenza per il segnale trasmesso, in modo dipendente dalle caratteristiche del canale stesso e del particolare segnale inviato attraverso di esso. Stabilito il canale di trasmissione, un sistema di comunicazione dovrá far transitare l informazione attraverso di esso in modo da fargli subire la minore distorsione possibile. Questo é lo scopo del tramettitore. Dalla parte dell utente, il ricevitore si occuperá di determinare il segnale informativo originario dal segnale in uscita dal canale nel modo piú fedele possibile. Un particolare canale puó richiedere che il segnale trasmesso abbia particolari caratteristiche per transitarvi con la minore distorsione possibile. In linea di principio se abbiamo a disposizione un certo canale e conosciamo un particolare segnale che puó transitarvi, possiamo pensare di sovrapporre ad esso il segnale informativo. Questa operazione prende il nome di modulazione, ed é realizzata dal blocco modulatore di Fig Come esempio pratico possiamo considerare il caso (realistico) di un canale che richiede che il segnale da trasmettere abbia uno spettro contenuto in una certa banda attorno ad una frequenza centrale f 0. Questo é il caso dell atmosfera o dello spazio libero come canale. Non siamo in grado di trasmettere segnali con frequenza troppo bassa attraverso di esso. Per il caso considerato, un segnale con le caratteristiche cercate é una sinusoide a frequenza f 0. Possiamo quindi pensare di sovrapporre il nostro segnale informativo su quest onda per ottenerene una contenente l informazione da trasmettere ed in grado di attraversare il canale. In tal caso il processo di modulazione consiste nella variazione sistematica di un attributo della sinusoide, che prende il nome di onda portante, in funzione del segnale informativo m(t) da trasmettere, detto segnale modulante. A seconda del parametro dell onda portante Asin(2πf 0 t+φ) variato in funzione del segnale informativo m(t) si hanno i tipi di modulazioni seguenti. 1. Modulazione di ampiezza (AM: Amplitude Modulation). L ampiezza dell onda portante viene variata in funzione del segnale informativo m(t). Ad esempio secondo la legge A(t) = V 0 [1 + αm(t)]

4 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 16 con α valore costante. L informazione é cosí contenuta nell ampiezza del segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig Modulazione di frequenza (FM: Frequency Modulation). La frequenza istantanea dell onda portante viene variata in funzione del segnale informativo m(t) d(2πf 0 t + φ(t)) dt = 2πf 0 + αm(t) con α valore costante. L informazione é cosí contenuta nella frequenza del segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig Modulazione di fase (PM: Phase Modulation). La fase istantanea dell onda portante viene variata in funzione del segnale informativo m(t) φ(t) = αm(t) con α valore costante. L informazione é cosí contenuta nella frequenza del segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig Nel caso di un segnale informativo digitale, il segnale modulante potrá assumere ad ogni istante solo uno tra un certo numero di simboli. Ad esempio, nel caso si debba trasmettere una sequenza di bit, il segnale informativo sará costituito da una successione di 1 e 0. Se il sistema deve trasmettere N bit al secondo, il tempo di durata di un bit sará di 1/N secondi. Corrispondentemente al segnale modulante, anche anche i parametri dell onda portante potranno assumere solo un numero discreto di valori (due nel caso di trasmissione di un bit alla volta). Considerando, ad esempio, una modulazione di frequenza, ció si traduce nell associazione di una certa frequenza (f 0 ) alla trasmissione di un bit 0 e di un altra frequenza (f 1 ) alla trasmissione di un bit 1, come evidenziato in Fig Tale sistema di modulazione, utilizzato nei modem telefonici, prende il nome di FSK (Frequency Shift Keying). L ampiezza di banda di un tale segnale é inversamente proporzionale alla durata di un bit, evidenziando il fatto che una maggiore velocitá di trasmissione richiede una maggiore larghezza banda. É da notare che con lo stesso principio si possono trasmettere piú bit alla volta, associando una frequenza diversa alle varie combinazioni di bit. Ad esempio, considerando 2 bit alla volta, avremo 4 combinazioni e il sistema (detto 4-FSK) associerá una frequenza diversa ad una delle 4 combinazioni di due bit. Fino adesso abbiamo fatto riferimento ad un onda sinusoidale come onda portante. Le onde portanti di questo tipo sono dette continue. In contrapposizione ad esse troviamo le modulazioni impulsive, in cui l onda portante

5 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 17 Figura 3.2: Segnali nella modulazione AM: segnale modulante (in alto), portante (al centro), modulato (in basso).

6 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 18 Figura 3.3: Segnali nella modulazione FM: segnale modulante (in alto), portante (al centro), modulato (in basso).

7 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 19 Figura 3.4: Segnali nella modulazione PM: segnale modulante (in alto), portante (al centro), modulato (in basso).

8 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 20 Figura 3.5: Segnali per una modulazione FSK. Segnali corrispondenti ai bit 0 e 1 (in alto), segnale corrispondente alla sequenza

9 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 21 Figura 3.6: Segnali per una modulazione PAM. In alto: segnali corrispondenti ai bit 1 e 0 per una modulazione di tipo NRZ e RZ. In basso: segnale NRZ corrispondente alla sequenza é di tipo impulsivo, spesso un onda quadra. Analogamente a quanto visto, il modulatore varierá, in base al segnale informativo, un parametro di quest onda. Ad esempio, in Fig. 3.6 l ampiezza dell onda portante é variata in base al bit da trasmettere. In tal caso si parla di modulazione PAM (Pulse Amplitude Modulation). Tramite un processo duale, la demodulazione, il ricevitore estrae il segnale informativo a partire dal segnale ricevuto, degradato dagli effetti indesiderati introdotti dal canale (attenuazione, rumore, interferenza, ecc.). Tale degradazione puó ripercuotersi sul segnale informativo estratto e inviato all utente. Per un dato tipo di modulazione ci possono essere diverse tecniche di demodulazione, che comportano complessitá, accuratezza nel ricostruire il segnale informativo inviato e costi diversi. 3.1 Sistemi di comunicazione digitale Nel caso di un sistema di comunicazione digitale la sorgente informativa é di tipo discreto e due esempi di possibili segnali trasmessi sono riportati

10 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 22 Sorgente digitale Codifica di sorgente Codifica di canale Modulatore Sequenza di simboli Flusso binario Segnale analogico Canale di trasmissione Utente Decodifica di sorgente Decodifica di canale Demodulatore Figura 3.7: Blocchi fondamentali di un sistema di comunicazione digitale. nelle Figg. 3.5, 3.6. I blocchi funzionali di un sistema di comunicazione digitale sono rappresentati in Fig In particolare notiamo la presenza di due nuovi blocchi: il codificatore di sorgente ed il codificatore di canale, a cui corrispondono i blocchi duali di decodifica di sorgente e di canale al ricevitore. Il codificatore di sorgente provvede a rappresentare in un alfabeto binario i simboli in uscita dalla sorgente informativa. Nota la statistica con cui si presentano tali simboli, é possibile progettare la codifica di sorgente per minimizzare il numero di bit al secondo da trasmettere. Al contrario, il codificatore di canale introduce ridondanza (bit aggiuntivi non informativi) in maniera controllata per consentire la rilevazione e la correzione di un certo numero di eventuali errori di trasmissione provocati dalla degradazione del segnale introdotta dal canale. Ció avviene a spese di una complicazione del sistema e di una riduzione del flusso informativo, ci sono piú bit da trasmettere e quindi meno bit informativi al secondo. Rispetto ai sistemi di comunicazione analogici, i sistemi di comunicazione digitali presentano una serie di vantaggi. Tra i maggiori troviamo l utilizzo di circuiti digitali di costo relativamente contenuto; possibilitá di criptare i dati per la privacy; l integrazione di dati di differente natura (voce, video, dati, ecc.) sul medesimo sistema e canale; gli errori di trasmissione possono essere rilevati e/o corretti mediante l impiego di codificatori di canale. Gli svantaggi possono consistere in

11 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 23 una maggiore larghezza di banda richiesta; necessitá di sincronizzazione. Con l ultimo punto si intende la necessitá, da parte del ricevitore, di ricostruire il riferimento temporale utilizzato dal trasmettitore, ad esempio per determinare, nel segnale ricevuto, gli istanti iniziali relativi ai singoli bit, o per individuare il primo di una serie di bit trasmessi Codifica di canale Come detto, prima della modulazione, in un sistema di comunicazione digitale, al flusso di bit informativi puó essre applicata una codifica di canale per proteggere le informazioni dagli errori di trasmissione dovuti, ad esempio, alla degradazione del segnale nell attraversamento del canale. Ció avviene tramite l introduzione di ridondanza controllata, ossia tramite l introduzione di alcuni bit di controllo (non informativi), a spese della velocitá di trasmissione di bit informativi. Non ci addentreremo nella teoria dei codici, ma riporteremo solo due semplici esempi per far comprendere come sia possibile la protezione dei dati tramite il loro utilizzo. Come primo esempio possiamo considerare la pura ripetizione dei bit informativi per un numero dispari di volte. Con ció intendiamo che il codice forma la sequenza di bit da trasmettere semplicemente ripetendo un numero dispari di volte i bit al suo ingresso. In ricezione sceglieremo il bit che si presenta per un numero maggiore di volte in ogni pacchetto di bit ripetuti. Ció é chiarito dall esempio seguente (si ripete un bit 3 volte): flusso informativo flusso trasmesso (codificato) errori di canale ( ) flusso ricevuto flusso decodificato (informativo) Le caratteristiche di questo codice sono le seguenti é un codice blocco, ossia opera su blocchi di bit informativi (1) in modo indipendente; rivela 2 errori (vedi il flusso ricevuto relativo ai bit 2, 3 e 4); corregge un errore (i bit 2 e 3 sono corretti, il bit 4 é decodificato in modo errato);

12 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 24 ha velocitá 1, ossia si trasmette un bit informativo su 3. 3 Come secondo esempio considereremo i codici di paritá. Questi sono un altro esempio di codici blocco, in grado solamente di rilevare 1 errore. É quindi utilizzato nelle situazioni in cui un errore é un evento relativamente poco frequente. Ad esempio un controllo di paritá é implementato in alcuni tipi di memorie. Un codice di paritá consiste nell introduzione di un bit di ridondanza in ogni blocco di un certo nuemro di bit informativi. Tale bit di ridondanza (detto di paritá) viene posto a 1 o 0 per avere rispettivamente un numero totale di bit 1 pari (codice a paritá pari) o dispari (codice a paritá dispari). Se si verifica un errore il numero di 1 da pari diventa dispari e viceversa rivelando l errore. Una coppia di errori sul medesimo blocco é invece non rivelabile. Per chiarire il funzionamento consideriamo l esempio seguente, in cui si supponde di lavorare su blocchi di 7 bit informativi, applicando un codice di paritá pari. bit informativi bit di paritá 1 errore di canale bit ricevuti Il decodificatore, verificando che la paritá pari non é piú rispettata in quanto si ha un numero dispari di 1, rivela l errore. 3.2 Codice ASCII Come esempio di codifica di una sorgente di simboli alfanumerici (ad esempio una tastiera), citiamo la codifica ASCII (American national Standard Code for Information Interchange), che risale al Utilizza 8 bit per carattere, dei quali 7 sono utilizzati per il simbolo ed 1 per un controllo di paritá. Con 7 bit si hanno 2 7 = 128 combianzioni. Oltre ai dati alfanumerici trovano posto anche caratteri speciali (line feed, form feed, ecc.) e sequenze di controllo (ad esempio end of transmission), ossia con un particolare significato, stabilito a priori, che riguarda le modalitá di scambio di informazione (Fig. 3.8). Oggi, nei computer, viene utilizzato il cosiddetto extended ASCII, in cui anche l ottavo bit é utilizzato per rappresentare un carattere. Si rende cosí piú ampia la gamma dei caratteri disponibili, comprendendo simboli, ecc..

13 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 25 Figura 3.8: Codici ASCII

14 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 26 DTE Data Terminal Equipment dati controllo Modem dati controllo Canale DTE Data Terminal Equipment controllo dati Modem controllo dati Figura 3.9: Sistema di comunicazione dati. 3.3 Segnali di controllo Parlando della codifica ASCII, abbiamo evidenziato come, oltre a sequenze di bit che rappresentano informazione, possono essere presenti (ossia definite in fase di progetto) sequenze di bit che rappresentano delle informazioni di controllo. In generale, lo scambio di informazioni di controllo, che servono a regolare, ad esempio, il flusso di informazione, comprendendo segnali di errore, indicazione di terminale occupato, ecc., é sempre previsto in un sistema di comunicazione digitale. Questi possono essere trasmessi su una linea separata, oppure sulla solita linea in cui viene trasmessa l informazione. In quest ultimo caso, particolari sequenze di simboli, stabilite a priori, saranno associate ai vari segnali di controllo. Dal punto di vista di un utente, un sistema di comunicazione dati puó quindi essere schematizzato nel modo rappresentato in Fig. 3.9, in cui é ipotizzato che i due utenti possano scambiare informazione nei due sensi. I due terminali si scambiano dati, e segnali di controllo, tramite i modem. Un modem (generico, non solo quello telefonico), nome nato dalla contrazione di MOdulator/DEModulator, si occupa di far transitare i segnali nel canale di trasmissione.

15 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 27 Simplex Terminale 1 Terminale 2 Half-duplex Terminale 1 Terminale 2 Full-duplex Terminale 1 Terminale 2 Figura 3.10: Modalitá simplex (in alto), half duplex (al centro), full duplex (in basso). Per concludere, la trasmissione tra i due utenti del sistema di comunicazione dati puó avvenire con tre diverse modalitá, che dipendono dalla particolare realizzazione. In particolare, possiamo avere (Fig. 3.10) modalitá simplex: la trasmissione puó avvenire in una sola direzione; modalitá half duplex: la trasmissione puó avvenire in entrambe le direzioni, ma per una direzione alla volta; modalitá full duplex: la trasmissione puó avvenire in entrambe le direzioni, anche contemporaneamente.

16 CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 28 m(t) t T s=1/fs Campionamento t Quantizzazione 3 bit = 8 livelli Livello 7: 111 Livello 4: 100 Figura 3.11: Digitalizzazione di un segnale. Campionamento (a sinistra) e quantizzazione (a destra). 3.4 Trasmissione di segnali analogici con sistemi digitali Utilizzando sistemi di comunicazione digitale é possibile trasferire anche segnali analogici (sistemi di comunicazione ibridi), ad esempio la voce. Per far ció dobbiamo digitalizzare il segnale analogico in ingresso, ossia trasformarlo in una sequenza di simboli (binari). Questo viene fatto in due passi: campionamento e quantizzazione. L operazione di campionamento consiste nella selezione di una successione dei valori del segnale presi in istanti temporali equispaziati di T s = 1/f s, come schematizzato in Fig T s e f s prendono il nome, rispettivamente, di passo e frequenza di campionamento. É possibile mostrare che, secondo il teorema del campionamento (o di Shannon), un segnale puó essere ricostruito senza errori a partire da un suo campionamento se la frequenza di campionamento f s é maggiore dedl doppio della sua banda. Una volta campionato, si provvede alla quantizzazione del segnale. Con ció si intende la rapresentazione dei valori del segnale campionato con un numero discreto di elementi. In pratica si suddivide l intervallo tra il minimo ed il massimo valore che i campioni del segnale puó assumere in un certo numero di livelli, e associamo ai campioni del segnale un simbolo corrispondente al livello in cui cadono (Fig. 3.11). Tale operazione introduce sempre un errore, tanto minore quanto piú sono i livelli (o i bit) utilizzati (2 b livelli per b bit). Alla fine del processo di campionamento e quantizzazione avremo un flusso informativo binario di f s b bit al secondo, che potremo trasmettere con un sistema di comunicazione digitale. In ricezione il segnale analogico puó essere ricostruito a partire dalla sua versione digitale tramite l operazione inversa alla quantizzazione per riottenere una sequenza di campioni del segnale, e un operazione di filtraggio.