6: Strato fisico: alterazioni in trasmissione e legge di Shannon

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1 1 1 6: Strato fisico: alterazioni in trasmissione e legge di Shannon Alterazioni dovute alla trasmissione dei segnali 2 La trasmissione dei segnali è sempre accompagnata da alterazioni, che essenzialmente si distinguono in attenuazione (riduzione della intensità e distorsione) distorsione di ritardo rumore Queste alterazioni comportano la possibilità di commettere errori in ricezione, ed in generale stabiliscono un limite alla distanza che può percorrere un segnale ed alla velocità di trasmissione che possiamo ottenere sul canale con larghezza di banda limitata

2 2 Attenuazione 3 Qualunque segnale viene attenuato per effetto del suo trasferimento su un mezzo trasmissivo, tanto più quanto più è grande la distanza che deve attraversare nei mezzi guidati in genere l attenuazione ha un andamento logaritmico con la distanza nei mezzi non guidati è il risultato di molti fattori la cui analisi è piuttosto complessa (distanza, umidità dell aria, pioggia, dispersione, ) Attenuazione (cont.) 4 Vanno considerati alcuni aspetti nella trattazione della attenuazione: un segnale deve essere ricevuto con una intensità tale da essere rilevato dai circuiti in ricezione, e deve essere distinguibile dal rumore (vedi oltre) l effetto della attenuazione è una funzione che dipende dalla frequenza del segnale (da cui la distorsione in ricezione) Per ovviare al primo problema non è possibile semplicemente aumentare la potenza del segnale, per motivi di costi e perchè al crescere della potenza compaiono effetti non lineari nel comportamento dei circuiti (in trasmissione o in ricezione) adibiti alla generazione o elaborazione del segnale

3 3 Attenuazione (amplificatori e ripetitori) 5 Poichè oltre una certa distanza il segnale si attenua troppo, si ovvia a questo in due modi, a seconda del tipo di trasmissione nella trasmissione analogica vengono introdotti nel canale degli amplificatori, che aumentano la potenza del segnale il problema a cui si va incontro in questo caso è che un amplificatore amplifica anche il rumore, quindi oltre un certo limite amplificare diventa inutile nella trasmissione digitale vengono introdotti nel canale dei ripetitori, che ricostruiscono il segnale digitale e lo rigenerano ex-novo la rigenerazione ripulisce il segnale da tutti gli effetti distorsivi che lo hanno modificato fino a quel punto della trasmissione Attenuazione (equalizzatori) 6 La dipendenza della attenuazione dalla frequenza comporta una distorsione legata al fatto che le diverse frequenze che costituiscono il segnale originato vengono alterate in modo differente La somma delle armoniche ricevute non sarà solo un segnale uguale attenuato, bensì un segnale differente (distorto) questo problema spesso viene limitato utilizzando delle tecniche di equalizzazione, che in base alla conoscenza delle caratteristiche del canale, possono amplificare in modo differenziato le diverse frequenze, correggendo l effetto di distorsione (tipico nelle applicazioni foniche)

4 4 Effetto della equalizzazione 7 Distorsione di ritardo 8 La distorsione di ritardo è conseguente al fatto che i segnali a diversa frequenza viaggiano nel mezzo trasmissivo a velocità diversa Questo comporta che in ricezione le diverse componenti arrivano in tempi diversi, cioè sfasate tra loro, quindi si ha una distorsione del segnale è un fenomeno tipico dei mezzi guidati Nel caso di trasmissioni digitali, alcune componenti del segnale relative ad un certo bit possono ritardare (o anticipare) ed interferire con le componenti relative a bit diversi (interferenza intersimbolica) anche in questo caso si adottano spesso tecniche di equalizzazione per correggere il comportamento del canale

5 5 Effetto della equalizzazione 9 Rumore 10 Per rumore si intende un segnale presente sul canale (in ricezione) che non fa parte del segnale trasmesso Il rumore si divide in rumore termico (o rumore bianco) rumore di intermodulazione diafonia rumore impulsivo

6 6 Rumore termico 11 Il rumore termico è provocato dalla agitazione degli elettroni dovuta alla temperatura Il rumore termico è presente sia nei circuiti dedicati alla generazione o ricezione del segnale, sia nel mezzo trasmissivo è caratterizzato da avere una intensità indipendente dalla frequenza (da qui il nome di rumore bianco) Non può essere eliminato (nell elettronica dei circuiti può essere limitato aumentando il livello qualitativo della realizzazione dell elettronica) si combatte aumentando il livello del segnale per quanto possibile Rumore di intermodulazione 12 Spesso si utilizza lo stesso mezzo trasmissivo per trasmettere segnali indipendenti che occupano diverse bande di frequenza disponibile su quel mezzo (multiplexing in frequenza, lo vedremo più avanti) In questa circostanza sul canale ci saranno contemporaneamente, ad esempio, due segnali indipendenti a frequenza f1 ed f2 Effetti di non linearità possono generare segnali a frequenze multiple di (f1+f2) o (f1-f2), e questi potrebbero andare ad interferire con un terzo segnale contemporaneo trasmesso intorno a quelle frequenze Questi effetti possono essere conseguenza di malfunzionamenti o invecchiamento dell elettronica, eccesso di potenza nel segnale trasmesso

7 7 Diafonia 13 La diafonia è un fenomeno di accoppiamento elettrico tra mezzi trasmissivi vicini non isolati adeguatamente Il segnale trasmesso su un cavo genera per induttanza un segnale corrispondente nel cavo vicino, che si sovrappone al segnale trasmesso in quest ultimo Le tecniche per contrastare questi effetti sono essenzialmente due: migliorare l isolamento del mezzo trasmissivo, in modo da proteggerlo degli effetti della trasmissione trasportata da mezzi vicini disaccoppiare i mezzi trasmissivi adiacenti tramite avvolgimenti dei conduttori che trasportano il segnale avvolgimenti con passi differenti ostacolano il fenomeno di induttanza tra diverse coppie di conduttori Rumore impulsivo 14 Questa categoria di rumore è conseguenza di fenomeni sporadici che possono generare segnali indesiderati di breve durata nell elettronica o nel mezzo trasmissivo Esempi possono essere l accensione di dispositivi elettrico-magnetici (monitor, forni a microonde, motori trifase) o sbalzi di tensione della alimentazione elettrica, in vicinanza dei circuiti o del mezzo trasmissivo A differenza degli altri, l effetto del rumore impulsivo non è prevedibile a priori, ed è spesso molto più elevato in intensità Ha un effetto limitato nelle trasmissioni analogiche, ma grave in quelle digitali (un picco di energia di 0.01 secondi su una linea telefonica non ha effetti sulla comprensione della comunicazione vocale, ma fa perdere 560 bit in una comunicazione dati a 56 kbps)

8 8 Effetto del rumore nella trasmissione dati 15 Capacità del canale 16 Quello che interessa nella trasmissione dati è: dato un canale con determinate caratteristiche, e definito un tasso di errore accettabile, quale velocità di trasferimento dati posso ottenere? La legge di Nyquist (per un canale esente da rumore) dice che la capacita trasmissiva di un canale a banda B con livello di modulazione M è data da C 2B log 2 Tuttavia non si può aumentare la banda a piacere (per motivi di costi, di impossibilità pratica o di scelta deliberata) M bps Non si può nemmeno aumentare a piacere il tasso di modulazione (M): aumentare il tasso di modulazione significa rendere più complesso in ricezione distinguere il valore trasmesso, e fenomeni di distorsione o di rumore farebbero aumentare gli errori in ricezione

9 9 Legge di Shannon 17 Shannon ha sviluppato e dimostrato una relazione relativa alla capacità trasmissiva massima di un canale in presenza di solo rumore bianco Detto SNR (Signal to Noise Ratio) il rapporto di potenza tra il segnale ed il rumore, la massima capacità in assenza di errori su un canale di banda B è data da: C B log 2 1 SNR bps Questo è un limite massimo teorico, in pratica irraggiungibile (ad esempio perchè non tiene conto di altri fattori distorsivi) Commenti alla legge di Shannon 18 Secondo la relazione vista, sembrerebbe possibile aumentare il tasso di trasferimento dati aumentando il livello del segnale Questo è vero, ma come già osservato l aumento del livello del segnale comporta l insorgere di effetti come la non linearità che vanno ad accrescere il tasso di errore in ricezione Quindi effettivamente la limitazione di banda costituisce un limite alla velocità di trasferimento dei bit

10 10 Esempio 19 Supponiamo di avere un canale trasmissivo la cui banda sia da 3 a 4 MHz, ed il cui rapporto segnale su rumore sia 24 db: 24dB 10log 2. 4 SNR SNR La legge di Shannon dice che la capacità trasmissiva massima in assenza di errori è C B log 1 SNR 1MHz log 252 8Mb/s Con quale livello di modulazione posso ottenere questo tasso? Ce lo dice la legge di Nyquist: C 8Mbps 2B log 2 2 MHz M M 2 16 Tipizzazione di dati e segnali 20 Dati analogici: assumono valori continui in un determinato intervallo voce video dati raccolti da sensori quali temperatura, pressione, tensione o corrente elettrica, Dati digitali: dati che assumono valori discreti in un certo intervallo testo (caratteri, rappresentati da codifiche opportune, come codice Morse, ASCII) numeri interi Segnali analogici: segnale elettromagnetico che varia le sue caratteristiche con continuità Segnali numerici: segnale elettromagnetico costituito da una sequenza di impulsi

11 11 Relazione tra dati e segnali 21 Un dato analogico può essere rappresentato con un segnale analogico che occupa lo stesso spettro. il segnale elettromagnetico che rappresenta la voce nel sistema telefonico tradizionale è analogico con frequenza compresa tra 300 Hz e 3400 Hz, che riproduce lo spettro del suono emesso Un dato digitale può essere rappresentato con un segnale digitale che identifichi i numeri con diversi livelli di ampiezza degli impulsi è possibile rappresentare dati digitali con segnali analogici (modem) e dati analogici con segnali digitali (codec) la comunicazione tra calcolatori attraverso una linea telefonica: il dato numerico viene trasformato dal modem in segnale analogico, e ricostruito in ricezione nuovamente come dato numerico da un altro modem Relazione tra dati e segnali 22 la comunicazione telefonica attraverso una linea ISDN: la voce viene digitalizzata mediante campionamenti da un codec, trasmessa come insieme di dati numerici, rigenerata come segnale analogico in ricezione

12 12 Trasmissione dei segnali 23 La trasmissione dei segnali è detta analogica se il segnale viene trasmesso senza curarsi del suo significato in questo caso la trasmissione si limita a recapitare il segnale, eventualmente amplificandolo in intensità quando necessario la trasmissione digitale tiene conto del contenuto dei dati se si deve intervenire per contrastare l attenuazione il segnale non viene semplicemente amplificato, ma viene interpretato, si estrae il contenuto informativo e si rigenera il segnale tramite apparati detti ripetitori questo può essere fatto a prescindere dal tipo di segnale (numerico o analogico), che a sua volta può rappresentare dati analogici o numerici Trasmissione dei segnali 24 vantaggi della trasmissione digitale: immunità maggiore alla alterazione dei dati verso lunghe distanze omogeneizzazione della trasmissione per diverse tipologie di dato dati digitali (numeri) ed analogici (video/voce) trasmessi con la stessa tecnica sicurezza e riservatezza svantaggi della trasmissione digitale costi superiori maggiore complessità dell elettronica richiede rinnovo di infrastrutture già esistenti

13 13 Trasmissione in banda base e modulata 25 Una volta generato il segnale da trasmettere, questo può essere immesso direttamente sul canale; in questo caso si parla di trasmissione in banda base: il segnale che trasporta le informazioni ed il segnale sulla linea sono identici Vi sono diverse circostanze che rendono opportuno trasmettere il segnale in modo che occupi una banda differente di frequenze; questo tipo di trasmissione si realizza tramite un processo di modulazione