Capitolo 5 1/2 - parte 1

Corso Reti ed ApplicazioniMauro Campanella

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Strato Fisico

Servizio offerto:- trasferire informazione digitale tra sistemi direttamente

connessi da un mezzo fisicoInterfaccia:

- 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

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Informazione Analogica

A funzione continua f (t) del tempo, anch’esso “continuo”:

– segnali audio e video;– temperatura,– pressione,– accellerazione,– etc.

t

f(t)

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Informazione Digitale

Una funzione discreta g(n) del tempo “discreto” n, cioè unasequenza di valori discreti.L’informazione digitale g(n) per ogni n è rappresentabile daun numero finito di simboli “discreti”.Nel caso di valori binari, g(n) ∈∈∈∈ {0, 1}

1

0

g(n)

0 0 1 1 0 1 ... n

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Dal dato analogico al segnale digitale

L’informazione analogica può essere convertita ininformazione digitale in modo tale che il contenutodell’informazione sia mantenuto ad un livello accettabileper il suo uso.

– I dati digitali possono essere trasmessi con codiciparticolari di linea

– I dati digitali possono quindi essere riconvertiti inanalogici

– Pulse Code Modulation (PCM), nelle sue moltevarianti, è il metodo principale per digitalizzareinformazione analogica

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D/23D/25D/27D/2

- D/2- 3D/2- 5D/2- 7D/2

(a) Campionamento della forma analogica del segnale

D/23D/25D/27D/2

- D/2- 3D/2- 5D/2- 7D/2

(b) Quantizzazione dei campioniFigure 3.2

Campionamento e quantizzazione

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Teorema di Nyquist del campionamento

“ Se un segnale f(t) è campionato con una frequenzamaggiore del doppio della più alta frequenza del segnale,

allora i campioni contengono tutta l’informazionedel segnale originale.”

Esempio:La voce umana è limitata a 4000 Hz.Campionando a 8000 campioni/secondo si è sicuri dicatturare 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 64000 bit/s.

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H

L

= + +Componente

RossaImmagine

H

LComponente

VerdeImmagine

H

LComponente

BluImmagine

H

L

Immaginea Colori

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 trecolori base rosso, verde e blu)

Il numero totale dei byte (prima della compressione) :3 x H x L byte

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(b) Broadcast TV @ 30 frame/sec =

10.4 x 106 pixel/sec

720

480

(c) HDTV@ 30 frame/sec =

67 x 106 pixel/sec1080

1920

(a) QCIF Videoconferenza @ 30 frame/sec =

760,000 pixel/sec144

Video non compresso

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Trasmissioni analogiche: Usano segnali analogici (forme d’onda intensione/corrente) per trasferire informazione.Tutti i dettagli del segnale devono essere riprodotti accuratamentedal ricevente, pena perdita di parte dell’informazione.

Inviato Ricevuto

Trasmissioni digitali: l’informazione è codificata in forme d’ondadigitali, che implicano un numero finito di livelli discreti chedevono essere riconosciuti dal ricevente.

Propagazione del segnale

Inviato Ricevuto

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sorgente Repeater Destinazione Repeater

Trasmissioni Analogiche a lunga distanzaSu lunga distanza il segnale analogico richiede amplificazione,ma il rumore si accumula lungo tutto il percorso:

Segnale + rumoreattenuato e distorto Equalizz.

Segnaleamplificato

+rumore residuo

RepeaterAnalogico

Amp.

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Il segnale rigenerato è “pulito”

Trasmissione Digitale a lunga distanzaNei sistemi digitali, non c’è rumore, ma “errori di bit”. Il problemaprincipale è la sincronizzazione dei bit.

Amplific.Equalizz.

TimingRecovery

Circuito di analisi erigenerazione delsegnale

Repeater Regeneratore (RR)

sorgente Repeater Destinazione Repeater

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Vantaggi della trasmissione digitale

Bassi costi della tecnologia su silicio VLSI.Conservazione dell’integrità del dato anche su lunghedistanze 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.

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canale di comunicazione

d metri

0110101... 0110101...

Canale digitale

Caratterizzazione di un sistema di trasmissione digitale:

– C Capacità del Canale , in bit/sec, tale chePe < valore accettabile

– Pe Bit Error Rate (BER) = Probabilità (opercentuale) che un bit sia ricevuto errato.

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Canale digitale: Capacità e Pe

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 Pe 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

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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 puòessere ottenuta su un canale senza rumore è data da

Rmax = 2 W log2 M [bit / secondo]

dove M è il numero di livelli di ampiezza di segnale permessi inuna trasmissione multi-livello, W (in Hz) la massima frequenzadi banda del canale trasmissivo.Cioè, in canali digitali ideali senza rumore, la massima velocitàin bit è Rmax= 2 W * m quando l’input può avere tipicamentesino a M = 2m livelli differenti di ampiezza.

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La realtà

I segnali ricevuti differiscono sempre da qualli trasmessi avolte 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)

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Potenza media segnale

Potenza media rumore

SNR (dB) = 10 log10 SNRSignal to Noise Ratio misurato in Decibel

SNR =

segnale rumore segnale + rumore

segnale rumore segnale + rumore

AltoSNR

(buono)

BassoSNR

(non buono)

t t t

t t t

Rapporto Segnale/Rumore (SNR)

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Limiti Fondamentali sulla Capacità di un canale

Capacità di un canale in presenza di rumore (casuale)[Teorema di C. Shannon, 1948]

Cmax = W log2 ( 1 + S/N) [bit/secondo]

dove Cmax 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.

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Rumore

Per un canale (telefonico)con una banda di 3.000 Hzed un SNR = 30 db dirumore termico

Cmax = 3.000 · log2(1001)= 30.000 b/s

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Limiti Fondamentali sulla Capacità di un canale

Nel caso di presenza di rumore “bianco” cioè casuale, a tuttele frequenze e con distribuzione gaussiana, la codificadell’informazione si può avvicinare al limite di Shannon,mentre il BER rimane limitato.

Può essere dimostrato che, se la potenza di trasmissione èlimitata, allora al crescere del numero di simboli M, lo spaziofra i livelli decresce, aumentando la probabilità di errore.

In pratica i sistemi usano delle tecniche di controllo dell’erroreper fornire una trasmissione il più possibile libera da errori.

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Bit e Baud, simboli e capacità

baud = numero di simboli inviati in un secondo (≠ bit)

Per esempio supponiamo che una linea modem possatrasmettere a 2400 baud/sec (linee a qualche migliaio di Hz/s).Nel caso che vi siano solo due livelli di tensione {0,5 Volt} aciascuno si assegna un simbolo {0} ed {1} e quindi corrispondea 2400 bit/s.Se la trasmissione avviene utilizzando quattro livelli di tensione,{0 - 1,5 - 3 - 5 Volt} ad ogni livello si può associare un simboloche rappresenta due bit {00, 01, 10, 11} e quindi la velocitàraggiungibile è di 4800 b/s.

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Tecniche di modulazione

segnaledigitale

ampiezza

frequenza

fase

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Modem a 9600 b/s

Si utilizza la tecnica QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation)

0000

0001

0011

001001100111

01010100

1100

1101

1111

1110 1010 1011

1001 1000

Dato che 4 bit corrispondonoa 16 combinazioni, servono4 bit/elemento su linea a2400 baud.

Si usa una modulazione a 12fasi con 4 simboli con stessafase di altri, ma ampiezza disegnale diversa.

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Modem

I modem a 14.400 b/s usano QAM-128 perché trasmettono6 bit dati ed uno di parità a 2400 baud (V32bis).

V34 funziona a 28.800 b/s con 12 bit/simboloV34.bis a 33.600 bit/s con 14 bit/simbolo.

V.90: trasmissione dal lato utente a 33.600 b/s edin ricezione a 56 o 64Kb/s. Dipende dalle centralitelefoniche, se digitali o no e se l’utente ha un canaledigitale con la centrale (non si utilizza il canale “voce”).

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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 rumorecorrispondente (circa 30 dB) e della banda telefonica di circa3000 Hz.

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EIA-TIA RS-232-C

Standard emanato più di 30 anni fa da Electronic IndustriesAssociation (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-232rimane il più diffuso mezzo di cominicazione seriale a bassavelocità

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EIA-TIA RS-232

Le specifiche implicano un segnale che varia fra -15 e +15volt, 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 ognibyte trasmesso.

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Connettori RS-232

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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 delsegnale. Il filo di massa è necessario per avere lo stessovalore di base di riferimento dei segnali in tensione.

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Collegamento con controllo RTS/CTS

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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