RETI DI CALCOLATORI. Lezione del 20 maggio

Transcript

1 RETI DI CALCOLATORI Lezione del 20 maggio

2 Lo strato fisico Ha a che fare con la trasmissione di bit "grezzi" sul mezzo fisico Deve tener conto delle caratteristiche della propagazione del segnale nei mezzi fisici: Dipendenti dal particolare mezzo trasmissivo Generali e basate sulle basi teoriche ed i limiti naturali della trasmissione dell informazione teoria dell informazione

3 La propagazione dei segnali La capacità di trasmettere/ricevere segnali è legata alla possibilità di produrre variazioni nello stato di caratteristiche fisiche dei mezzi tramissivi La stazione trasmittente induce una variazione collegata al segnale da trasmettere La stazione ricevente rileva la variazione della caratteristica e ricostruisce il segnale inviato Esempio: La voce nell aria La voce lungo i fili del telefono

4 Le leggi della propagazione dei segnali La teoria dell informazione studia i limiti naturali (matematici) della trasmissione delle informazioni La variazione della caratteristica del mezzo trasmissivo può essere descritta da una funzione f(t) che varia con continuità nel tempo L andamento di questa funzione descrive anche l andamento del segnale nel tempo Segnale analogico: f(t) varia con continuità (valori continui) Segnale digitale: f(t) assume solo un insieme di valori discreti [0,1, N] valori

5 Segnali periodici? Un segnale si dice periodico di periodo T sse f(t+t)=f (T) Periodo di ripetizione del segnale T allora 1/T è la frequenza fondamentale e si esprime in Hertz (cicli/sec) E comodo utilizzare la scomposizione delle funzioni periodiche in serie di Fourier Ogni funzione periodica può essere espressa come una sommatoria di (infinite) funzioni sinusoidali (sen (x), cos(x)) con periodo sottomultiplo di T (e la frequenza?): n-esima armonica periodo T/n E se il segnale non è periodico? Trucchetto.

6 Segnali periodici Quindi un segnale analogico si rappresenta come somma di funzioni sinusoidali, di frequenza ed ampiezza opportuna:

7 Lo spettro delle frequenze Si definisce spettro di frequenza di un segnale, l insieme delle frequenze delle sue componenti sinusoidali Banda di frequenza di un segnale = [fmin, fmax]

8 Caratteristiche delle armoniche Se il periodo t è piccolo, la frequenza fondamentale è elevata ed anche le frequenze delle armoniche (esempio: un suono intenso e breve) Se il segnale varia molto rapidamente, ha bisogno mi molte armoniche di frequenza elevata per essere descritto Tante più armoniche sono necesarie tanto più grande è la banda del segnale e tanto più fitto il suo spettro

9 Banda passante Ogni canale, a seconda del mezzo trasmissivo e della tecnologia utilizzata, riesce a trasmettere bene certe frequenze e male altre Banda passante: insieme di frequenze che un certo canale trasmette con degradazione accettabile Degradazione dovuta a: Attenuazione del segnale Ritardo di propagazione del segnale Distorsione dei segnali Introduzione di rumore

10 Problema! Ogni segnale ha una sua banda di frequenze Ogni canale ha una sua banda passante? Campionatura dei segnali Codifica/Quantizzazione dei segnali Teorema di Nyquist (o teorema del campionamento) Teorema di Shannon

11 Campionatura dei segnali Un segnale analogico é una funzione del tempo che varia con continuità entro un certo intervallo di valori continuo-tempo continuo Ci chiediamo: è possibile ricostruire completamente un segnale sulla base di un numero finito e limitato di suoi valori? CAMPIONI del segnale Esempio: se il segnale fosse una retta? Se il segnale fosse una circonferenza? In genere una funzione può essere ricostruita a partire da alcuni suoi valori Conviene portarsi dietro meno informazioni possibile

12 Bingo! Teorema di Nyquist ( valido per un canale ideale senza rumore) Un segnale analogico con banda di frequenze da 0 a h Hz può essere completamente ricostruito con una campionatura effettuata 2h volte al secondo Significa per campionare BENE un segnale con banda [0, H] mi bastano i campioni presi 2H volte al secondo Per non avere degradazione mi basta un canale con banda passante di 2H

13 Teorema di Nyquist per segnali digitali Un segnale con banda di frequenze da 0 a h Hz che assume un numero discreto di valori V può essere trasmesso su di un canale con capacità pari a 2h log2 V bit/sec. Esempio: se una linea telefonica ha una banda passante da 0 a 3 khz ed il segnale digitale ha 2 valori, il massimo data rate ottenibile sul canale è log2 2 = 6 kbps (circa 600 byte/secondo)

14 Teorema di Shannon Nei canali reali c è un segnale in più: il rumore Teorema di Shannon (1948). La massima capacità trasmissiva di un canale avente banda passante da 0 a h Hz e rapporto segnale/rumore pari a S/N (in decibel) è data da Esempio: se una linea telefonica ha una banda passante da 0 a 3 khz, e rapporto segnale rumore 30 d, il massimo data rate ottenibile sul canale è 3000 X log(1+1000) = bit/sec

15 Digitale vs analogico Conviene convertire il segnale analogico in segnale digitale Il segnale digitale consiste in una sequenza di impulsi lineari a due livelli la cui forma d'onda presenta transizioni nette fra questi due livelli. Il processo di conversione da analogico a digitale si svolge in tre fasi successive dette di : campionamento, in cui si osserva il valore del segnale analogico in momenti scelti ad intervalli di tempo con opportuna frequenza (dettata dal cosiddetto teorema di campionamento di Nyquist); quantizzazione, che consiste nell'operazione di suddividere tutto l'intervallo, dall'inizio alla fine del fondo scala, in un determinato numero di intervalli che definiscono le parti e il modo di come viene suddiviso il valore del campione analogico; codifica, in cui alle parti in cui si è suddiviso il campione si fa corrispondere un valore espresso con cifre binarie

16 Quantizzazione e codifica Il segnale quantizzato è un approssimazione del segnale originario Nella quantizzazione c è perdita di informazione

17 Il procedimento di digitalizzazione di un segnale Valore campionato 1,5 2,3 1,9 3,6 4,1 3,9 Valore quantizzato Valore codificato in binario

18 I mezzi e sistemi trasmissivi Elettrici Doppino non schermato Cavo coassiale Ottici Fibra ottica Raggi laser Radio (etere) Ponti radio Satelliti Reti cellulari

19 Il doppino Detto twisted pair (coppia attorcigliata) Ha bassi costi di produzione ed installazione E costituito da due fili di rame ritorti per ridurre le interferenze elettromagnetiche (antenna!) Può essere utilizzato per trasmissioni analogiche o digitali UTP: doppino senza schermatura si divide in 5 classi: Telefonia analogica Telefonia ISDN LAN fino a 10 Mb/s LAN fino a 16 Mb/s LAN fino a 100 Mb/s

20 Cavo coassiale Composto da un connettore centrale e da una o più guaine di schermo Rispetto al doppino risente meno di disturbi e di interferenze esterne Costi maggiori Tipo baseband: ha impedenza di 50 ohm, è usato per la trasmissione digitale, consente velocità da 1 a 2 Gbps con tratte di circa 1 km. Tipo broadband: ha impedenza di 75 ohm, è usato per la trasmissione analogica, ha banda passante di 300 MHz ed ha tratte di circa 100 km. La banda passante è suddivisa in più canali separati, indipendenti.

21 Fibra ottica Sottilissimo filo di vetro costituito da due parti (core e cladding) con indici di rifrazioni diverse Ogni cavo è costituito da più fibre Monomodale o multimodale Sfrutta la Legge di Snell: un raggio introdotto nella fibra con un opportuno angolo di accettazione, viene completamente riflesso sulla superficie che separa core e cladding e resta internamente alla fibra cladding core

22 Vantaggi Fibra ottica Del tutto esente da disturbi elettromagnetici Altissima capacità trasmissiva (fino a decine di terabit/sec) Bassa attenuazione del segnale Resistente agli agenti chimici ed atmosferici Dimensioni e peso contenuti Svantaggi Difficile da collegare ai connettori Difficile da curvare

23 Sistemi trasmissivi wireless Basati sulla propagazione di onde elettromagnetiche Si possono modulare varie caratteristiche fisiche come l ampiezza, la frequenza e la fase dell onda elettromagnetica Il segnale si propaga anche in presenza di ostacoli Problema dei cammini multipli, legati all interferenza del segnale con le sue copie riflesse/rifratte Può subire l interferenza di altri segnali

24 Tabella riassuntiva Tipo di mezzo trasmissivo TP cat. 5 Bit rate tipico <= 100 Mb/sec Distanza tipica del collegamento 100 m Coax 100 Mb/sec 500 m Fibra multimod. 100 Mb/sec 2 Km Fibra monomod Mb/sec 40 Km

25 Tabella riassuntiva (ultimo miglio) Tipo di collegamento POTS ISDN xdsl CATV Bit rate Kb/sec Kb/sec 16 Kb/sec 55.2 Mb/sec Mb/sec POTS = plain old telephone service ISDN = integrated services digital network (2 linee a 64 K, voce + dati) xdsl = x- digital subscriber line (x=a bande diverse nelle 2 direzioni) CATV = cable TV (infrastruttura TV via cavo)