Perché Codificare i Dati? Tecniche di Codifica dei Segnali. Tecniche di Codifica dei Segnale. Cooperazione Trasmettitore- Ricevitore

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1 Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica I semestre 04/05 Tecniche di Codifica dei Segnali Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it 1 Perché Codificare i Dati? Il livello fisico consente la trasmissione su un canale di dati sia analogici che digitali I dati sono codificati in segnali elettromagnetici la forma dei segnali è scelta per ottimizzare la trasmissione le forme di x(t) e s(t) sono scelte per ottimizzare la trasmissione 2 Cooperazione Trasmettitore- Ricevitore Il livello fisico deve stabilire le regole della comunicazione come il trasmettitore trasforma i dati in segnali elettromagnetici come il ricevitore estrae da un segnale elettromagnetico i dati le regole dipendono dal mezzo di trasmissione e dalle prestazioni che si vogliono ottenere Tasso di trasmissione, tasso di errore, distanza Trasmettitore e ricevitore devono accordarsi e cooperare per garantire alcune proprietà tipo e livello del segnale tipo di codifica/decodifica dei dati temporizzazione del segnale 3 Tecniche di Codifica dei Segnale Lo schema di codifica definisce la corrispondenza tra dati e segnali tecniche di codifica differenti per ciascuna delle combinazioni di dati e segnali Dati digitali e segnali digitali Semplice ed economico Dati digitali e segnali analogici Mezzi trasmissivi adatti a trasportare solo segnali analogici Dati analogici e segnali digitali Consente utilizzo di trasmissione digitale e commutazione Dati analogici e segnali analogici Spostare la larghezza di banda nello spettro per consentire condivisione del mezzo

2 4 Codifica di Dati Digitali con Segnali Digitali un segnale digitale è una sequenza di impulsi di tensione, discontinui e discreti, di ampiezza costante ogni impulso è un elemento di segnale I dati binari possono essere codificati in impulsi di tensione es. impulso positivo = 1 impulso negativo = 0 in realtà si usano codifiche più complesse per ottimizzare l'uso del mezzo trasmissivo 5 Parametri Caratteristici Elemento di dati misurato in bit Tasso dei dati tasso di trasmissione dei dati (bps) Elemento di segnale parte di segnale costante Durata o lunghezza di un bit tempo impiegato dal trasmettitore per emettere l elemento di segnale che codifica il bit Tasso di segnalazione dati numero di bit spediti in un secondo Tasso di modulazione tasso a cui i segnali sono trasmessi misurato in baud (baud = numero di elementi di segnale al secondo) Tipi di Codifica Proprietà di uno Schema di Codifica 6 Unipolare tutti gli elementi di segnale hanno lo stesso segno Bipolare uno stato logico rappresentato da una tensione positiva e l'altro stato logico rappresentato da una tensione negativa 7 Spettro del segnale se mancano alte frequenze serve minor larghezza di banda concentrare la potenza del segnale al centro della banda diminuisce la distorsione se mancano componenti continue si possono usare traformatori per collegare il dispositivo al sistema di trasmissione Sincronizzazione permette al ricevitore di determinare l inizio e la fine di ogni elemento di dati può utilizzare un clock esterno oppure un meccanismo di sincronizzazione basato sul segnale

3 8 Proprietà di uno Schema di Codifica Rilevazione degli errori la codifica può favorire l'individuazione di alcuni errori di trasmissione Immunità dei segnali da interferenze e rumore alcuni codici offrono prestazioni migliori di altri in presenza di rumore (prestazioni espresse in BER) Costo e complessità costo dipendente dal tasso di segnalazione alcuni codici richiedono un tasso di modulazione superiore al tasso dei dati 9 Schemi di Codifica Nonreturn to Zero Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) Binari Multilivello Bipolar -AMI Pseudoternary Bifase Manchester Differential Manchester Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) Due diversi livelli di tensione tensione costante durante l'intero intervallo di trasmissione del bit es. tensione positiva denota 0 e assenza di tensione denota 1 tra un intervallo e il successivo il segnale non ritorna a livello zero utilizzato per codificare/interpretare dati digitali da/per terminali Nonreturn to Zero Inverted Dati codificati con presenza o assenza di transizione del segnale all'inizio dell'intervallo del bit una transizione denota un 1 nessuna transizione denota uno 0 detta "codifica differenziale" meno soggetta a rumore perchè non effettua nessun confronto con valori di riferimento 10 11

4 Pro e Contro di NRZ Pro facile da progettare usa tutta la larghezza di banda disponibile Contro contiene una componente continua manca di capacità di sincronizzazione una sequenza di 0 codificati con un segnale costante in genere non utilizzata per trasmissione Codici Binari Multilivello Utilizzano più di due livelli di segnale Bipolar-AMI livello 0 rappresenta uno 0 livelli positivo e negativo rappresentano un 1 polarità utilizzata alternativamente Usata in ISDN Pseudoternary invertito rispetto a Bipolar-AMI 14 Pro e Contro dei Codici Binari Multilivello Pro l alternanza delle polarità semplifica l'individuazione di errori di trasmissione consente sincronizzazione per sequenze di 1 (Bipolar-AMI) bisogna evitare di trasmettere lunghe sequenze di 0 nessuna componente continua Richiede minore larghezza di banda rispetto a NRZ Contro non sono efficienti come NRZ ogni elemento di segnale rappresenta un bit mentre ne potrebbe rappresentare log 2 3 = 1.58 a parità di SNR ottiene un BER peggiore di NRZ 15 Codici Bifase almeno una transizione di segnale per ogni intervallo di bit a volte due transizioni Pro migliori proprietà di sincronizzazione assenza di transizione implica un errore di trasmissione non ci sono componenti dc Contro tasso di modulazione doppio rispetto a NRZ richiede più larghezza di banda non utilizzabile per comunicazioni ad alta velocità su lunghe distanze

5 Manchester Una transizione al centro di ogni intervallo di bit transizione dal basso verso l'alto codifica un 1 transizione dall'alto verso il basso codifica uno 0 la transizione codifica sia l'informazione che il clock utilizzata in Ethernet Manchester Differenziale Una transizione all'inizio ed al centro di ogni intervallo di bit transizione centrale codifica solo il clock transizione iniziale codifica l'informazione presenza di una transizione iniziale codifica uno 0 assenza di una transizione iniziale codifica un 1 codifica differenziale utilizzata in token ring Tecniche di Scrambling Tecniche di Scrambling 18 tecniche utilizzate per eliminare lunghe sequenze di bit codificate con livelli di segnale costante sostituisce le sequenze con altre sequenze necessarie perchè ad alti tassi di trasmissione non si possono utilizzare codici bifase La sequenza introdotta deve avere abbastanza transizioni di segnale essere riconoscibile dal ricevitore che la deve sostituire con la sequenza originale avere la stessa lunghezza della sequenza originale 19 utilizzate da bipolar-ami per spezzare le sequenze troppo lunghe di 0 consecutivi B8ZS (bipolare con sostituzione dell ottavo zero) se l'ultimo segnale (prima degli otto zeri consecutivi) era positivo codifica gli zeri con se l'ultimo segnale (prima degli otto zeri consecutivi era negativo) codifica gli zeri con usato negli USA e in Canada HDB3 (bipolare ad alta densità con 3 zeri) sostituisce il quarto zero con una violazione di codice garantisce che le violazioni successive abbiano segno differente per eliminare componenti continue usato in Europa e Giappone

6 Esempio di Scrambling con B8ZS e HDB3 Decodifica di B8ZS le sequenze introdotte violano il codice bipolar- AMI due coppie di impulsi nello stesso verso consecutivi non si possono confondere con codifiche di dati la presenza di due violazioni consecutive di segno opposto rende improbabile che le violazioni siano provocate da rumore il ricevitore individua la sequenza con violazioni e la decodifica come otto zeri Codifica di Dati Digitali con Segnali Analogici Utilizzata per trasmettere dati digitali sulla rete telefonica pubblica rete progettata per gestire segnali analogici nella banda da 300Hz a 3400Hz Conversione eseguita da un modem stesse tecniche utilizzate anche per conversioni su altre bande di frequenza (es. microonde) Tecniche di Modulazione La codifica è effettuata modulando un segnale analogico base che è costante e continuo (portante) alla portante viene sommato un secondo segnale (modulante) che codifica i dati digitali La modulazione opera su uno dei parametri caratteristici del segnale analogico ampiezza (ASK) frequenza (FSK) fase (PSK) 22 23

7 Amplitude Shift Keying Valori rappresentati da diverse ampiezze della portante in genere una ampiezza è 0 (assenza della portante) inefficiente utilizzata su linee voice-grade per tassi di dati fino a 1200bps utilizzata su fibre ottiche quando il trasmettitore è un LED Frequency Shift Keying Valori rappresentati da due frequenze diverse (vicine alla frequenza della portante) più affidabile di ASK Utilizzata per tramissioni fino a 1200bps su linee voice grade onde radio ad alta frequenza (3-30 MHz) LAN su cavo coassiale Binary FSK su linee Voice Grade per ottenere trasmissioni full duplex la banda viene spezzata in due la sovrapposizione tra le due bande creerebbe interferenze In trasmissione si usano le frequenze 1070 e 1270 MHz per rappresentare 0 e 1 In ricezione si usano le frequenze 2025 e 2225 MHz 27 Phase Shift Keying valori rappresentati modificando la fase del segnale della portante Differential PSK fase spostata in funzione del bit precedente invece che del segnale 0 non cambia fase, 1 cambia fase di 180 uso più efficiente della banda distinguendo più fasi QPSK distingue quattro fasi differenziate di 90 ogni elemento di segnale rappresenta due bit I modem moderni usano una combinazione di MPFK e AFK

8 28 Codifica di Dati Analogici con Segnali Digitali per trasmettere dati analogici con segnali digitali bisogna convertire i dati analogici in dati digitali trasmettere i dati digitali digitalizzazione processo di conversione di dati analogici in dati digitali eseguito da un codec (codificatore/decodificatore) tecniche di digitalizzazione Pulse Code Modulation Delta Modulation 29 Teorema del Campionamento Se campioniamo un segnale f(t) a intervalli regolari ad un tasso maggiore di due volte la sua frequenza massima il segnale può essere completamente ricostruito a partire dai campioni utilizzando un filtro passabasso Pulse Code Modulation Esempio di modulazione PCM 30 Modulazione a Impulsi Codificati Considera un dato analogico con frequenza massima B bastano 2B campioni al secondo ogni campione è un segnale analogico (Pulse Amplitude Modulation, PAM) ad ogni campione viene assegnato un valore digitale (quantizzazione) Il ricevitore riproduce per ogni campione un segnale di intensità costante per la durata dell intervallo di campionamento Intensità uguale al livello di quantizzazione 31 La curva viene campionata e quantizzata rispetto a 16 livelli Ad ogni campione è associato un segnale digitale che rappresenta 4 bit

9 32 Errore di quantizzazione la quantizzazione introduce approssimazione nella ricostruzione del segnale più sono i livelli di quantizzazione e migliore è l'approssimazione del segnale SNR dovuto all errore di quantizzazione è 20 log 2 n db = 6.02 n db Ogni bit aggiuntivo nel campione aumenta SNR di 6 db per ridurre la distorsione si usano intervalli di quantizzazione di diverse dimensioni 33 Prestazioni Riproduzione della voce PCM levels (7 bit) larghezza di banda della voce 4khz tasso di trasmissione 8000 x 8 = 64 kbps per PCM larghezza di banda necessaria 32 KHz I vantaggi della trasmissione digitale fanno accettare l'aumento di banda del segnale la compressione dati può migliorare il rapporto tra larghezza di banda del messaggio originale e del messaggio codificato Modulazione Delta Esempio di modulazione Delta 34 Fornisce prestazioni migliori di PCM ed è molto più semplice da implementare Approssima una funzione analogica con una funzione a gradini che si sposta in alto o in basso di un solo livello di quantizzazione per ogni intervallo di campionamento Per ogni campione basta un solo bit La qualità del processo di modulazione dipende dalla frequenza di campionamento e dalla dimensione dell intervallo di quantizzazione 35

10 Codifica di Dati Analogici con Segnali Analogici perchè modulare segnali analogici? permette di aumentare la frequenza ed ottenere una trasmissione più efficiente permette di dividere il canale in sottocanali indipendenti (FDM) tipi di modulazione ampiezza frequenza fase 36