Capitolo 5 1 /2 - parte 1. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

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1 Capitolo 5 1 /2 - parte 1 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

2 Strato Fisico Servizio offerto: - trasferire informazione digitale tra sistemi direttamente connessi da un mezzo fisico Interfaccia: - specifica come inviare un bit Protocolli: - schemi di codifica usati per rappresentare un bit, livelli di voltaggio, durata del singolo bit Due tipi principali di mezzi fisici: - mezzi guida per le onde elettromagnetiche quali i cavi - mezzi non guida per esempio l aria per il Wireless M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 2

3 Informazione Analogica A funzione continua f (t) del tempo, anch esso continuo : segnali audio e video; temperatura, pressione, accellerazione, etc. f(t) t M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 3

4 Informazione Digitale Una funzione discreta g(n) del tempo discreto n, cioè una sequenza di valori discreti. L informazione digitale g(n) per ogni n è rappresentabile da un numero finito di simboli discreti. Nel caso di valori binari, g(n) {0, 1} 1 0 g(n) n M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 4

5 Dal dato analogico al segnale digitale L informazione analogica può essere convertita in informazione digitale in modo tale che il contenuto dell informazione sia mantenuto ad un livello accettabile per il suo uso. I dati digitali possono essere trasmessi con codici particolari di linea I dati digitali possono quindi essere riconvertiti in analogici Pulse Code Modulation (PCM), nelle sue molte varianti, è il metodo principale per digitalizzare informazione analogica M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 5

6 Campionamento e quantizzazione 7D/2 5D/2 3D/2 D/ 2 -D/2-3D/2-5D/2-7D/2 (a) Campionamento della forma analogica del segnale 7D/2 5D/2 3D/2 D/ 2 -D/2-3D/2-5D/2-7D/2 (b) Quantizzazione dei campioni Figure 3.2 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 6

7 Teorema di Nyquist del campionamento Se un segnale f(t) è campionato con una frequenza maggiore del doppio della più alta frequenza del segnale, allora i campioni contengono tutta l informazione del segnale originale. Esempio: La voce umana è limitata a 4000 Hz. Campionando a 8000 campioni/secondo si è sicuri di catturare ogni dettaglio. 1 campione corrisponde a 125 microsecondi. Se ad ogni campione viene assegnato un valore da 1 a 255 (8 bit), si ottiene un flusso di dati di bit/s. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 7

8 Immagini digitali Un immagine digitale = matrice di L x H elementi base (pixel) ad ogni pixel è associata una quantità che rappresenta il colore di quel pixel (tipicamente un byte per ognuno dei tre colori base rosso, verde e blu) Il numero totale dei byte (prima della compressione) : 3 x H x L byte H L Immagine a Colori L L Componente Componente = H Rossa + H Verde Immagine Immagine + H L Componente Blu Immagine M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 8

9 Video non compresso (a) QCIF 30 frame/sec = (b) Broadcast 30 frame/sec = ,000 pixel/sec 10.4 x 10 6 pixel/sec (c) HDTV frame/sec = 67 x 10 6 pixel/sec M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 9

10 Trasmissioni analogiche: Usano segnali analogici (forme d onda in tensione/corrente) per trasferire informazione. Tutti i dettagli del segnale devono essere riprodotti accuratamente dal ricevente, pena perdita di parte dell informazione. Inviato Propagazione del segnale Ricevuto Trasmissioni digitali: l informazione è codificata in forme d onda digitali, che implicano un numero finito di livelli discreti che devono essere riconosciuti dal ricevente. Inviato Ricevuto M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 10

11 Trasmissioni Analogiche a lunga distanza Su lunga distanza il segnale analogico richiede amplificazione, ma il rumore si accumula lungo tutto il percorso: sorgente Repeater Repeater Destinazione Segnale + rumore attenuato e distorto Amp. Repeater Analogico Equalizz. Segnale amplificato + rumore residuo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 11

12 Trasmissione Digitale a lunga distanza Nei sistemi digitali, non c è rumore, ma errori di bit. Il problema principale è la sincronizzazione dei bit. Il segnale rigenerato è pulito sorgente Repeater Repeater Destinazione Amplific. Equalizz. Circuito di analisi e rigenerazione del segnale Timing Recovery Repeater Regeneratore (RR) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 12

13 Vantaggi della trasmissione digitale Bassi costi della tecnologia su silicio VLSI. Conservazione dell integrità del dato anche su lunghe distanze e linee di bassa qualità. Alta capacità disponibile: alta banda a costi bassi alto livello di multiplexing Possibile fornire sicurezza e privacy attraverso la criptazione. Integrazione di tipi molto diversi di informazione: trattamento dati analogici e digitali in modo identico ogni informazione in formato digitale può essere trasmessa ovunque. Distribuzione a livello mondiale e capillare. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 13

14 Canale digitale d metri canale di comunicazione Caratterizzazione di un sistema di trasmissione digitale: C Capacità del Canale, in bit/sec, tale che P e < valore accettabile P e Bit Error Rate (BER) = Probabilità (o percentuale) che un bit sia ricevuto errato. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 14

15 Canale digitale: Capacità e P e Velocità dei dati (rate, capacity) in bit (o baud) per secondo (b/s) frequenza a cui i dati possono essere comunicati Banda a livello 1 (bandwidth) in cicli al secondo (Hertz) limitati dal mezzo fisico o dalle specifiche La velocità di trasmissione ed il BER P e dipendono da: quantità di energia del segnale che rappresenta il valore digitale quantità di rumore che il ricevente può sopportare distanza di propagazione banda del mezzo trasmissivo M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 15

16 Limiti Fondamentali alla capacità di un canale La frequenza di trasmissione [H. Nyquist 1924, Hartley 1928] La massima frequenza di trasmissione dati R in bit/sec che può essere ottenuta su un canale senza rumore è data da R max = 2 W log 2 M [bit / secondo] dove M è il numero di livelli di ampiezza di segnale permessi in una trasmissione multi-livello, W (in Hz) la massima frequenza di banda del canale trasmissivo. Cioè, in canali digitali ideali senza rumore, la massima velocità in bit è R max = 2 W * m quando l input può avere tipicamente sino a M = 2 m livelli differenti di ampiezza. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 16

17 La realtà I segnali ricevuti differiscono sempre da qualli trasmessi a volte essendo irriconoscibili (bit error): Analogici degradazione della qualità Digitali errori di bit Le cause principali sono dovute a : Attenuazione distorsione e dispersione (nei mezzi guida ) de-sincronizzazione Rumore (bianco e non) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 17

18 Alto SNR (buono) Rapporto Segnale/Rumore (SNR) segnale rumore segnale + rumore t t t segnale rumore segnale + rumore Basso SNR (non buono) t t t SNR = Potenza media segnale Potenza media rumore SNR (db) = 10 log 10 SNR Signal to Noise Ratio misurato in Decibel M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 18

19 Limiti Fondamentali sulla Capacità di un canale Capacità di un canale in presenza di rumore (casuale) [Teorema di C. Shannon, 1948] C max = W log 2 ( 1 + S/N) [bit/secondo] dove C max Capacità massima del canale (bit/sec), W bandwidth (Hz), S potenza media del segnale (Watt), N potenza media del rumore (Watt), S, N sono misurati al ricevente. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 19

20 Rumore Per un canale (telefonico) con una banda di Hz ed un SNR = 30 db di rumore termico C max = log 2 (1001) = b/s M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 20

21 Limiti Fondamentali sulla Capacità di un canale Nel caso di presenza di rumore bianco cioè casuale, a tutte le frequenze e con distribuzione gaussiana, la codifica dell informazione si può avvicinare al limite di Shannon, mentre il BER rimane limitato. Può essere dimostrato che, se la potenza di trasmissione è limitata, allora al crescere del numero di simboli M, lo spazio fra i livelli decresce, aumentando la probabilità di errore. In pratica i sistemi usano delle tecniche di controllo dell errore per fornire una trasmissione il più possibile libera da errori. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 21

22 Bit e Baud, simboli e capacità baud = numero di simboli inviati in un secondo ( bit) Per esempio supponiamo che una linea modem possa trasmettere a 2400 baud/sec (linee a qualche migliaio di Hz/s). Nel caso che vi siano solo due livelli di tensione {0,5 Volt} a ciascuno si assegna un simbolo {0} ed {1} e quindi corrisponde a 2400 bit/s. Se la trasmissione avviene utilizzando quattro livelli di tensione, {0-1, Volt} ad ogni livello si può associare un simbolo che rappresenta due bit {00, 01, 10, 11} e quindi la velocità raggiungibile è di 4800 b/s. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 22

23 Tecniche di modulazione segnale digitale ampiezza frequenza fase M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 23

24 Modem a 9600 b/s Si utilizza la tecnica QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation) Dato che 4 bit corrispondono a 16 combinazioni, servono 4 bit/elemento su linea a 2400 baud Si usa una modulazione a 12 fasi con 4 simboli con stessa fase di altri, ma ampiezza di segnale diversa M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 24

25 Modem I modem a b/s usano QAM-128 perché trasmettono 6 bit dati ed uno di parità a 2400 baud (V32bis). V34 V34.bis funziona a b/s con 12 bit/simbolo a bit/s con 14 bit/simbolo. V.90: trasmissione dal lato utente a b/s ed in ricezione a 56 o 64Kb/s. Dipende dalle centrali telefoniche, se digitali o no e se l utente ha un canale digitale con la centrale (non si utilizza il canale voce ). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 25

26 Modem Per velocità superiori si utilizzano tecniche di compressione dati, unite a tecniche di correzione errori. MNP - (Microcom Networking Protocol) MNP 1-4: correzione errori MNP 5: correzione e compressione 2:1 (massima) V.42-V.42bis controllo degli errori utilizzo protocollo LAPM e MNP1-4 compressione media 4:1 (V.42bis) Per una linea telefonica classica infatti, il limite è di circa 35 Kb/s, soprattutto a causa della lunghezza del doppino, del rumore corrispondente (circa 30 db) e della banda telefonica di circa 3000 Hz. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 26

27 EIA-TIA RS-232-C Standard emanato più di 30 anni fa da Electronic Industries Association (e quello che ora è conosciuto come ITU-T) per trasferire caratteri in modo seriale ed asincrono su fili di rame tra due dispositivi distanti al più 40 metri a velocità massima di un centinaio di bit al secondo Lo standard successivo, RS-422 è più completo, ma RS-232 rimane il più diffuso mezzo di cominicazione seriale a bassa velocità M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 27

28 EIA-TIA RS-232 Le specifiche implicano un segnale che varia fra -15 e +15 volt, usando spesso una codifica a 7 bit per il byte. Le specifiche implicano anche che vi sia un bit di inizio (start) pari a zero ed un bit di fine (stop) pari ad 1, per ogni byte trasmesso. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 28

29 Connettori RS-232 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 29

30 Fili fondamentali Pin# Pin# 2 Transmit (TX) Transmit (TX) 2 3 Receive (RX) Receive (RX) 3 7 Massa segnale Massa segnale 7 Per la comunicazione fra due nodi sono sufficenti tre fili, receive e transmit, incrociandoli, ed il filo di massa del segnale. Il filo di massa è necessario per avere lo stesso valore di base di riferimento dei segnali in tensione. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 30

31 Collegamento con controllo RTS/CTS M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 31

32 Cavo Incrociato RS-232 TX (2) RX (3) RTS (4) CTS (5) DCD (8) DSR (6) DTR (20) GND (7) (2) TX (3) RX (4) RTS (5) CTS (8) DCD (6) DSR (20) DTR (7) GND M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap pag. 32

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