Sistemi digitali di telecomunicazioni.

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1 Sistemi digitali di telecomunicazioni. 1. Dall'analogico al digitale I segnali di tipo vocale, che sono stati i primi segnali ad essere utilizzati nei sistemi di telecomunicazioni, sono segnali analogici, pertanto nei sistemi di telecomunicazioni sono state inizialmente utilizzate tecniche analogiche. Con tecniche analogiche si sono infatti sviluppati, alla fine del 1800, i sistemi telefonici e, all'inizio del 1900, i sistemi di radiocomunicazione. Le tecniche digitali, dapprima impiegate solo in particolari settori della telefonia, hanno offerto tali vantaggi da essere via via utilizzate in un numero sempre crescente di sistemi di telecomunicazioni, anche per trasmettere tutte le forme di informazione che precedentemente erano trasmesse con tecniche analogiche. Ciò ha contribuito a integrare sempre più strettamente tra loro le varie forme di comunicazione elettronica ed i diversi servizi. Indubbiamente lo sviluppo della tecnologia dei computers, favorendo lo sviluppo di circuiti integrati digitali sempre più complessi e meno costosi, ha reso le tecniche digitali sempre più interessanti perchè convenientemente utilizzabili, e non soltanto teoricamente vantaggiose, nei diversi settori applicativi dell elettronica. Ma è solo con lo sviluppo di nuovi mezzi trasmissivi a larga banda (fibre ottiche e comunicazioni via satellite) che le tecniche digitali hanno trovato la loro definitiva affermazione nelle telecomunicazioni. E' infine interessante osservare che le tecniche digitali hanno reso possibile e stimolato lo sviluppo di nuove forme di comunicazioni e di nuovi servizi (telematica). 2. Vantaggi dell'impiego di segnali digitali. Diverse sono le ragioni che hanno portato ad un graduale e lento passaggio dalle tecniche analogiche a quelle digitali, comunque i fondamentali vantaggi delle comunicazioni digitali possono essere così sintetizzati: 1) Miglior comportamento nei confronti del rumore. 2) Possibilità di integrare in un unico sistema di trasmissione l invio di informazioni di diversa natura (audio, video, dati numerici). 3) Maggiore efficienza e flessibilità dei sistemi. 4) Possibilità di elaborazione del segnale in tempo reale, impossibile con la tecnica analogica. 5) Minor costo dei sistemi. PCM_0.doc pag. 1

2 1) Miglior comportamento nei confronti del rumore. E dovuto almeno a tre fattori: a) I segnali digitali permettono una buona ricezione anche con valori del rapporto segnalerumore molto bassi, tali da rendere assolutamente inintelligibili i segnali analogici. b) Nelle trasmissioni digitali su lunga distanza non si accumula l'effetto del rumore raccolto nelle varie tratte, perché il segnale viene completamente rigenerato al termine di ogni tratta. c) Infine, grazie alla relativa facilità con cui possono essere elaborati i segnali digitali, si possono realizzare circuiti ed algoritmi per la rivelazione degli errori e per la correzione degli stessi, ai fini di migliorare l'affidabilità dei messaggi ricevuti. In conclusione possiamo dire che i segnali digitali, rispetto a quelli analogici, forniscono prestazioni migliori per quanto riguarda il comportamento nei confronti del rumore. 2) Integrazione dei sistemi di trasmissione. Dal momento che tutti i segnali analogici possono essere convertiti in segnali digitali, è possibile trasmettere con un unico apparato di comunicazioni digitali una grande varietà di segnali, provenienti da fonti di informazioni diverse. Una volta rese discrete e quindi numeriche, le informazioni più diverse (audio, video, grafica, ecc.) non sono più esteriormente distinguibili e vanno così a costituire un unico ed (apparentemente) uniforme flusso di informazioni binarie elementari. Un unico apparato può quindi trasmettere una grande varietà di informazioni, e non è più necessario dover progettare e realizzare sistemi specializzati per la trasmissione di un particolare tipo di segnale. Sarà sufficiente progettare le interfacce di ingresso e di uscita del particolare tipo di informazione richiesto. Ciò permette di ottenere una sensibile riduzione dei costi, sia per quanto riguarda la produzione e l istallazione delle apparecchiature che per quanto riguarda l esercizio e la manutenzione (si pensi ad esempio al vantaggio di poter utilizzare una strumentazione integrata per le misure, in quanto le prestazione di un qualsiasi sistema di comunicazione digitale sono caratterizzate dalla sua probabilità di errore, mentre quelle di un sistema analogico richiedevano la valutazione di prestazioni specifiche, e quindi di una specifica strumentazione). 3) Maggiore efficienza e flessibilità dei sistemi. Con la trasmissione digitale il formato del segnale è lo stesso per la trasmissione dell informazione e dei segnali ausiliari, indispensabili alla gestione della rete 1. I nodi della rete sono costituiti quindi da sistemi digitali di elaborazione (computers). Questi sistemi digitali operano sotto controllo software, per cui è possibile ottenere una elevata flessibilità ed efficienza, sia in termini di servizi offerti agli utenti, sia in termini di evoluzione delle prestazioni del sistema, ottenute spesso, più che con modifiche hardware, con miglioramenti (upgrade) del software. Con un semplice aggiornamento del software è persino possibile rendere disponibili nuovi servizi, magari neppure previsti al momento del progetto iniziale. Si pensi per contro ai grossi problemi di compatibilità che dovevano essere affrontati ad ogni notevole evoluzione dei sistemi analogici (ad es. nel passaggio dal segnale audio mono a quello stereofonico, e nel passaggio dal segnale video in bianco e nero a quello a colori). 1 Come si ricorderà infatti in una rete gli apparati oltre che trasmettere il segnale di informazione, hanno la necessità di scambiarsi un certo numero di segnali ausiliari per il loro corretto funzionamento: è ciò che nella telefonia va sotto il nome di segnalazione. Con l introduzione della tecnica digitale nella telefonia (PCM) le funzioni di trasmissione, di commutazione e di segnalazione, che prima erano rigorosamente separate, sono state strettamente integrate. E' sempre possibile e opportuno, per lo studio del sistema, separare concettualmente queste funzioni, ma i circuiti e gli apparati che le realizzano impiegano le stesse tecniche. PCM_0.doc pag. 2

3 4) Facilità di elaborazione in tempo reale dei segnali digitali. Mentre l elaborazione dei segnali analogici è generalmente limitata alle operazioni di amplificazione, di conversione di frequenza e di filtraggio, l elaborazione dei segnali digitali può comportare operazioni complesse ed essere effettuata con una relativa facilità. Nella tecnica digitale si possono realizzare circuiti ed algoritmi per la rivelazione degli errori e per la correzione degli stessi, ai fini di migliorare l'affidabilità dei messaggi ricevuti. Si pensi ad esempio all'importanza che l'elaborazione digitale dei dati trasmessi ha assunto nella ricezione dei segnali provenienti dalle sonde spaziali. Mediante una elaborazione digitale è infine possibile ridurre la ridondanza dei segnali trasmessi riducendo la banda occupata. Il segnale video, ad esempio, richiede una larga banda, ma molto spesso solo una parte dell'immagine è in movimento, cioè ha un reale contenuto di informazione. La digitalizzazione del segnale video permette quindi una elaborazione che consente di limitare la banda impiegata. Una ulteriore considerazione può riguardare la segretezza dell informazione trasmessa, problema di non facile soluzione nel caso della trasmissione analogica. Con un sistema digitale l informazione è codificata ed è quindi possibile adottare forme di crittografia per rendere incomprensibili le informazioni a persone non autorizzate. Si tenga infine conto che un segnale digitale può anche essere facilmente memorizzato a basso costo, in modo molto più semplice di quanto non possa avvenire per un segnale analogico. Mentre il segnale analogico può essere memorizzato unicamente mediante registrazione su nastro magnetico, il segnale digitale può essere memorizzato anche in dispositivi a semiconduttore (cioè in memorie di tipo RAM estremamente veloci), e inoltre su dischi ottici, cioè in memorie di grande capacità, soluzioni entrambe inattuabili per il segnale analogico. 5) Convenienza economica dei sistemi digitali. I circuiti digitali sono più facilmente integrabili dei circuiti analogici (infatti si sono sviluppati molto prima i circuiti integrati digitali di quelli analogici) in quanto implicano operazioni di commutazione, e utilizzano per realizzarle dispositivi attivi, cioè transistori, facilmente integrabili; i circuiti analogici invece utilizzano componenti (filtri, circuiti LC) difficilmente integrabili. L introduzione dei circuiti integrati digitali ha iniziato una riduzione di costo dei sistemi digitali, che si è poi ulteriormente accentuata con l integrazione su larga scala (circuiti VLSI) e con l introduzione dei sistemi microprogrammabili. I microprocessori infatti rendono i sistemi digitali programmabili, cioè modificabili via software, mentre i sistemi analogici una volta costruiti non sono modificabili, se non via hardware. Ad esempio grazie all impiego dei microprocessori i terminali trasmittenti e riceventi di un sistema di trasmissione digitale possono essere dotate di intelligenza e colloquiando tra di loro possono controllare l andamento della trasmissione, valutandone la qualità e prendendo adeguate contromisure nel caso in cui essa non sia soddisfacente. PCM_0.doc pag. 3

4 Svantaggi dell'impiego di segnali digitali. A fronte di tutti i vantaggi precedentemente esposti i segnali digitali tendono a richiedere grandi ampiezze di banda per la trasmissione. Queste ampiezze di banda tuttavia sono disponibili alle elevate frequenze radio, quali quelle utilizzate nei ponti radio a microonde o nei collegamenti in fibra ottica. Esercitazione: Spettro di un impulso. Esercitazione da svolgere in laboratorio di elettronica. Si esamina con l analizzatore d onda o di spettro una forma d onda impulsiva con duty cycle del 50%, poi del 25%, poi del 10%, e si disegnano i relativi spettri. Il confronto dei vari spettri ottenuti mostra chiaramente che la larghezza di banda necessaria per trasmettere un impulso aumenta rapidamente al diminuire della durata dell impulso stesso. N.B. Lo spettro può essere disegnato anche utilizzando i valori teorici ricavati dalle formule anziché i dati sperimentali. Tabella comparativa tra le caratteristiche dei sistemi analogici e digitali. Sistema Analogico è più vicino all uomo sistemi semplici ampiezza di banda (Hz) rapporto segnale / rumore Sistema digitale è più vicino alla macchina sistemi complessi (ma basati su moduli elementari) capacità informativa (bit / s) tasso di errore PCM_0.doc pag. 4

5 3. Effetti del rumore sui segnali. Sia i segnali analogici che quelli digitali vengono degradati durante il processo di trasmissione: le ampiezze sono ridotte a causa delle attenuazioni e le forme d'onda risultano deformate per l'aggiunta del rumore. Diversa è però, a seconda del tipo dei due segnali, la possibilità di ottenere, dalla forma d'onda deformata, la forma d'onda originariamente trasmessa. Nel caso dei segnali analogici l'energia dovuta al rumore non può assolutamente essere eliminata dal segnale una volta che si è introdotta. Una forma d'onda danneggiata non può essere più ripristinata completamente nella forma d'onda originale. Gli effetti del rumore possono essere minimizzati amplificando opportunamente il segnale di informazione, così che questo presenti una ampiezza sufficientemente elevata da non essere sopraffatto dal rumore, che è in genere di modesta entità. Si noti che per aumentare l'ampiezza del segnale occorre ovviamente aumentare la potenza trasmessa, e ciò può essere, oltre un certo limite, difficilmente realizzabile o comunque poco conveniente. Il rapporto segnale-rumore. E' abbastanza intuitivo notare che il rapporto segnale-rumore possibile nella trasmissione di un segnale digitale è molto maggiore rispetto a quello tollerabile nella trasmissione di un segnale analogico perchè il segnale digitale può assumere soltanto due diversi livelli e quindi una modifica della sua forma d'onda entro certi termini può consentire una corretta reinterpretazione della forma d'onda originaria (v. Fig. 1). Fig. 1. Effetti del rumore su di un segnale analogico e su di un segnale digitale. L interpretazione del segnale ricevuto si effettua fissando una soglia di riconoscimento a metà ampiezza dell impulso, e considerando l impulso presente (bit 1) o assente (bit 0), a seconda che esso superi o meno tale soglia, in corrispondenza di un determinato istante scelto all interno di ciascun intervallo caratteristico del segnale (v. Fig. 2). Fig. 2. Riconoscimento e rigenerazione di un segnale digitale. PCM_0.doc pag. 5

6 Quindi la trasmissione in linea di un segnale digitale relativo ad una data combinazione di codice, permette di ottenere in ricezione un segnale che, per quanto distorto e disturbato, rappresenta la stessa combinazione: fino a quando questa è riconoscibile, il contenuto informativo del segnale trasmesso resta invariato. Il tasso di errore. E importante osservare che un disturbo impulsivo di breve durata, che non ha apprezzabile influenza sulla intelligibilità di un segnale di tipo analogico, ha un influsso particolarmente nocivo sul segnale digitale, potendo alterare il valore di un bit, e modificare così il messaggio trasmesso. Il valore del tasso di errore, inteso come rapporto tra il numero dei bit errati ed il totale di quelli trasmessi in un certo intervallo di tempo, risulta quindi il parametro più significativo per definire la qualità della trasmissione di un segnale digitale. BER (Bit Error Rate) = N bit errati / N totale bit ricevuti Collegamenti a lunga distanza. Una ulteriore considerazione va fatta sulla qualità della comunicazione in dipendenza della lunghezza del collegamento. Nel caso di collegamenti a lunga distanza il segnale analogico subisce successive operazioni di amplificazione lungo il percorso (sistemi a tratte), e poichè non esiste un amplificatore ideale, cioè non rumoroso, le successive operazioni di amplificazione portano ad una inevitabile degradazione del segnale. Nella trasmissione digitale l influenza dei disturbi di linea sul tasso di errore è tanto maggiore quanto più basso è il livello del segnale utile, cioè quanto maggiore è la distanza tra i terminali. Sarà allora sufficiente inserire dei rigeneratori intermedi, posti ad una distanza tale che il gli impulsi trasmessi, per quanto distorti, siano ancora correttamente riconoscibili. Il processo di rigenerazione del segnale può essere ripetuto quante volte è necessario lungo il percorso del segnale: il rumore aggiunto in ogni tratta di collegamento sarà completamente eliminato ad ogni rigenerazione. In questo modo non si ha accumulo di rumore e la qualità della comunicazione, a differenza di quanto avviene nei sistemi di tipo analogico, risulta praticamente indipendente dalla lunghezza del collegamento. Tutto ciò che viene richiesto per la rigenerazione del segnale digitale è che il segnale ricevuto non sia eccessivamente degradato, in modo tale che l'informazione in esso contenuta possa essere rivelata senza errori. Per quanto esposto, poichè nei sistemi analogici il rumore è cumulativo, il rapporto S/N che ne risulta è funzione della lunghezza del collegamento. Per questo si era convenuto di introdurre, come parametro di qualità per i sistemi analogici, il numero di pw/km di rumore introdotto dal sistema. In un sistema numerico PCM invece il rapporto S/N sul mezzo trasmissivo determina la P e (cioè la probabilità che un bit sia interpretato in modo errato dal ricevitore) da cui dipende, non in modo diretto né proporzionale, il rapporto S/N al destinatario; tale legge di dipendenza non è univoca ma varia in base al tipo di codifica di linea utilizzata, nonché a diversi fattori pratici. Al crescere del valore di picco del segnale V p, o meglio al crescere del rapporto tra il valore di picco V p del segnale ed il valore efficace del rumore N, la probabilità di errore dovuta al rumore diminuisce molto rapidamente. PCM_0.doc pag. 6

7 20 log (V p /N) Probabilità di errore P e Tempo medio tra due errori per velocità di 10 6 imp./sec. 13,3 db sec. 17,4 db sec. 19,6 db sec. 21,0 db minuti 22,0 db ore 23,0 db giorni Dall esame dei valori riportati in tabella si nota che esiste una soglia ben definita sotto la quale l interferenza è notevole, al disopra della quale è invece del tutto trascurabile. Questa soglia si presenta quando il valore efficace del disturbo è di circa 20 db inferiore al valore di picco del segnale, per cui si ha un tasso di errore di circa 10-6 che si ritiene soddisfacente dal punto di vista del servizio telefonico. Confrontando questi 20 db con i db normalmente necessari per una trasmissione a modulazione di ampiezza di alta qualità, si nota che il PCM richiede una potenza di segnale di gran lunga inferiore, anche se la potenza del disturbo entro la banda è notevolmente superiore, essendo la banda del segnale PCM molto più ampia. PCM_0.doc pag. 7

8 4. Piccola storia della tecnica digitale Per ragioni storiche ed ancor più economiche la tecnica digitale (PCM) è stata studiata e sviluppata nell ambito della Telefonia e ciò è stato per molti anni; in un tempo relativamente più recente la tecnica PCM è entrata, a livello di realizzazione industriale e non solo teorico, anche in altri campi sia delle telecomunicazioni che del trattamento dei segnali. Nel campo del trattamento dei segnali la tecnica PCM è entrata sia nel campo dell alta fedeltà che nel campo della ripresa e della registrazione del segnale video. Nonostante questa grande differenziazione di usi la filosofia della tecnica PCM rimane sempre la stessa: campionamento, quantizzazione, codifica del segnale. Nel campo della telefonia la multiplazione a divisione di tempo con tecnica PAM venne sperimentata verso il Trattandosi però di una tecnica sostanzialmente analogica, non fu possibile ottenere la soluzione ideale al problema della trasmissione, cioè la riduzione del rumore e della diafonia, come dimostrò nel 1937, Alec H. Reeves. Nell intento di superare questo limite della PAM lo stesso Reeves cominciò a prendere in considerazione un progetto di trasmissione dei segnali vocali utilizzando impulsi codificati, di ampiezza costante, e nel 1938 brevettò la sua invenzione che venne chiamata Pulse Code Modulation, ovvero Modulazione a codice di impulsi. Tuttavia lo sviluppo pratico dei sistemi PCM doveva attendere la nascita di sistemi di commutazione molto rapidi e soprattutto di notevole compattezza, cosa che avvenne solo dopo l industrializzazione del transistor (anni 50). Nel 1962 la Bell System iniziò la produzione di un sistema PCM a 24 canali che fu chiamato sistema T1, mentre in Italia il primo sistema PCM venne realizzato nel 1964 dalla Telettra (che, sulla falsa riga del sistema T1, era a 24 canali). Successivamente furono normalizzati i sistemi a standard europeo a 30 canali. Negli anni 60 il rapido sviluppo dei sobborghi dei grandi centri urbani, con il conseguente aumento di traffico telefonico, chiedeva un potenziamento delle giunzioni urbane. L utilizzo di multiplex PCM di piccola capacità permetteva di aumentare la capacità di trasmissione dei canali già esistenti evitando la messa in funzione di nuovi cavi, con un considerevole vantaggio economico. Ciò fu possibile poichè i multiplex PCM di piccola capacità erano meno costosi di analoghi sistemi FDM. Poichè i vantaggi del PCM sono ottenuti a spese dell allargamento della banda, il PCM non fu competitivo con i sistemi di trasmissione a lunga distanza e di grande potenzialità allora in uso (multiplex FDM, in cavo coassiale o in ponte radio). Negli anni 70 si è sviluppata la tecnologia delle fibre ottiche che, costituendo un mezzo trasmissivo a larga banda particolarmente adatto alla trasmissione di segnali di tipo digitale, hanno dato un enorme impulso alla digitalizzazione di tutti i sistemi di trasmissione. I vecchi apparati FDM sono stati abbandonati e la rete telefonica nazionale, se si esclude la rete di distribuzione utente - centrale, è oggi totalmente digitale. Negli anni 80 le centrali numeriche hanno sostituito gradualmente le vecchie centrali elettromeccaniche ed anche le più recenti centrali elettroniche, cosicché sia la trasmissione che la commutazione telefonica è realizzata oggi in tecnica PCM. PCM_0.doc pag. 8