Sistemi e Tecnologie della Comunicazione

1

Sistemi e Tecnologie della Comunicazione

Lezione 6: strato fisico: trasmissione digitale in banda base e modulazione

Tipizzazione di dati e segnali

n Dati analogici: assumono valori continui in un determinato intervallo

n voce

n video

n dati raccolti da sensoriquali temperatura, pressione, tensione o corrente elettrica,…

n Dati digitali: dati che assumono valori discreti in un certo intervallo

n testo (caratteri, rappresentati da codifiche opportune, come codice Morse, ASCII)

n numeri interi

n Segnali analogici: segnale elettromagnetico che varia le sue caratteristiche con continuita’

n Segnali numerici: segnale elettromagnetico costituito da una sequenza di impulsi

3

Relazione tra dati e segnali

n Un dato analogico puo’essere rappresentato con un segnale analogicoche occupa lo stesso spettro.

n il segnale che rappresenta la vocenel sistema telefonico tradizionale e’

un segnale analogico con frequenza compresa tra 300 Hz e 3400 Hz, che riproduce lo spettro del suono emesso

n Un dato digitale puo’ essere rappresentato con un segnale digitale che identifichi i numeri con livelli di ampiezzadegli impulsi

n E’ possibile rappresentare dati digitali con segnali analogici(modem) e dati analogici con segnali digitali(codec)

n la comunicazione tra calcolatori attraverso una linea telefonica: il dato numerico viene trasformatodal modem in segnale analogico, e ricostruito in ricezione nuovamente come dato numerico da un alt ro modem

n la comunicazione telefonica attraverso una linea ISDN: la voce viene digitalizzatamediante campionamentida un codec, trasmessa come insieme di dati numerici, rigenerata come segnale analogico in ricezione

Trasmissione dei segnali

n La trasmissione dei segnali e’ detta analogicase il segnale viene trasmesso senza curarsi del suo significato

n in questo caso la trasmissione si limita a recapitare il segnale, eventualmente amplificandolo in intensita’quando necessario

n la trasmissione digitale tiene conto del contenutodei dati se si deve intervenire per amplificare il segnale

n il segnale non viene semplicemente amplificato, ma viene interpretato, si estrae il contenuto informativo e si rigenera il segnale tramite apparati detti ripetitori

n questo puo’ essere fatto a prescindere dal tipo di segnale (numerico o analogico), che a sua volta puo’ rappresentaredati analogici o numerici

n vantaggi della trasmissione digitale:

n immunita’ maggiorealla alterazione dei dati verso lunghe distanze

n omogeneizzazionedella trasmissione per diverse tipologiedi dato

n sicurezzae riservatezza

n svantaggi della trasmissione digitale

n costi superiori

maggiore complessita’ dell’elettronica

5

Trasmissione in banda base e modulata

n

Una volta generato il segnale da trasmettere, questo puo’ 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

n

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

Codifica dei dati numerici

n La rappresentazione di dati numerici con segnali numerici e’ normalmente fatta tramite sequenze di impulsi discreti di tensione di una certa durata temporale.

n Il dato binario e’ codificato in modo da far corrispondere al valore di un bitun determinato livello del segnale

n Il ricevitore deve sapere quando inizia e finisce il bit, leggere il valore del segnale al momento giusto,

determinare il valore del bit in base alla codifica utilizzata

n La migliore valutazione si ottiene campionando il segnale al tempo corrispondente a meta’ bit

7

Caratteristiche delle codifiche

n

Sono possibili diverse scelte di codifica, con caratteristiche differenti che possono

migliorare le prestazioni della trasmissione

n

Le caratteristiche determinanti sono:

n spettro del segnale:

n componenti ad alta frequenzarichiedono una banda maggiore

n l’assenza di componente continua e’ preferibile

n spettro concentrato nel centro della banda

Caratteristiche delle codifiche

n

Altre caratteristiche determinanti sono:

n sincronizzazione temporale: il ricevitore deve essere sincronizzato con il trasmettitore per identificare i bit;

alcune codifiche facilitano questa funzione

n rilevazione di errore: funzione caratteristica dei livelli superiori, ma puo’ essere utile anche a livello fisico

n solidita’ del segnale rispetto ad interferenza o rumore

n costo e complessita’ di realizzazione

9

Codifica unipolare RZ ed NRZ

n La codifica unipolare RZ(Return to Zero) prevede la trasmissione di un segnale di lunghezza Tper ogni bit. Il segnale e’ nullo in corrispondenza del bit 0, mentre e’ un impulso di tensione di durata T/2 per il bit 1

n La codifica unipolare NRZ (Non Return to Zero) differisce dalla RZ perche’ il livello di tensione per il bit 1 rimane alto per tutta la durata del bit

Caratteristiche della codifica NRZ

n

La codifica NRZ ha i pregi:

n facile da progettare e realizzare

n utilizzo efficiente della larghezza di banda (la potenza e’ concentrata tra 0 ed R/2, dove R e’ la capacita’

trasmissiva in bit/s (transmission rate)

n

Difetti:

n esiste una componente continua

n lunghe sequenze di bit di uguale valore producono un segnale continuo senza transizioni: il ricevitore puo’

perdere la sincronia

11

Codifica NRZ-L ed NRZI

n Per migliorare le caratteristiche si fa utilizzo di una codifica (NRZ-L: Non Return to Zero Level) che prevede un segnale a +V per il bit 1, ed a –V per il bit 0

n questo riducel’impatto della componente continua, ma non la annulla

n Altra tecnica: codifica differenziale (NRZI: NRZ Invert on ones): il segnale cambia in occasione di un bit 1

Codifica multilivello binario

n

Le codifiche a multilivello binario utilizzano tre livelli: lo zero indica il bit 0, mentre il bit 1 e’

identificato con segnali a +V e –V alternati (AMI bipolare: Alternate Mark Inversion)

n

La codifica pseudoternaria e’ la stessa, con 1 e 0

invertiti

13

Caratteristiche della codifica AMI

n La codifica AMI ha i seguenti vantaggi rispetto alla NRZ:

n risolve il problema della sequenza di bit 1, che presentano sempre una transizione utilizzabile in ricezione per sincronizzare (ma resta il problema per sequenze di 0)

n La componente continua e’ di fatto azzerata

n utilizza a parita’ di transmission rate una larghezza di banda inferiore

n errori isolati possono essere evidenziati come violazionedel codice

n Vi sono anche svantaggi:

n utilizza 3 livelli, quindi ogni simbolo potrebbe trasportare piu’

informazione(log2(3) = 1.58)

n a parita’ di bit rate richiede circa 3 dB in piu’rispetto alla NRZ

n Utilizzata in diversi casi su linee punto-punto (ISDN)

Codifica Manchester

n La codifica Manchesterutilizza due livelli di tensione; il bit 1 e’ rappresentato da un segnale -V per mezzo periodo, +V per il seguente mezzo periodo; il bit 0 e’

rappresentato in modo opposto (+V per il primo mezzo periodo, -V per il restante mezzo periodo)

n La codifica Manchester differenziale utilizza lo stesso tipo di rappresentazione, ma rappresenta il bit 1 come

variazione rispetto alla codifica del bit precedente

15

Caratteristiche della codifica Manchester

n Vantaggi:

n sincronizzazione: ogni bit ha una transizione in mezzo, che puo’

essere utilizzata per la sincronizzazione dal ricevitore

n totale assenza di componente continua

n rivelazione di errore (in assenza della transizione prevista)

n Svantaggi:

n richiede un segnale a frequenza doppiarispetto al bit rate: 1 bit richiede 2 baud, quindi richiede una banda doppia

n L’utilizzo piu’ diffuso della codifica Manchester e’ negli standard 802.3 (ethernet) e 802.5 (token ring) sia su coassialeche su doppino

Codifica B8ZS

n

Una modifica della AMI per risolvere il problema della sequenza di zeri e’ la B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution):

n

ogni sequenza di 8 zeri viene codificata come

n 000+-0-+ se l’ultimo impulso e’ stato positivo

n 000-+0+- se l’ultimo impulso e’ stato negativo

n

in questo modo scompaiono lunghe sequenze di zeri, e la sequenza e’ identificata da due violazioni del codice AMI

n

Utilizzata nel Nord America

17

Codifica HDB3

n

Stessa logica per la HDB3 (High Density Bipolar 3 zeros):

n ogni sequenza di 4 zeri viene codificata come

n se la polarita’ dell’ultimo impulso e’ stata negativa:

n 000-se c’e’ stato numero dispari di 1 dall’ultima sostituzione

n +00+se c’e’ stato un numero pari di 1 dall’ultima sostituzione

n se la polarita’ dell’ultimo impulso e’ stata positiva:

n 000+per un numero dispari di 1 dall’ultima sostituzione

n -00-per un numero pari di 1 dall’ultima sostituzione

n anche in questo caso scompaiono lunghe sequenze di zeri, e la sequenza e’ identificata da violazioni

opportune del codice AMI

n

Utilizzata in Europa e Giappone

Caratteristiche di B8ZS ed HDB3

n Le due codifiche hanno sempre componente continua nulla(le violazioni sono alternate)

n Hanno un efficiente utilizzo della banda, con la potenza concentrata a meta’ della banda

n come con AMI, e’ possibile riconoscere gli errori singoli

n Generalmente utilizzate nella trasmissione dati ad elevata distanza

19

Spettro delle codifiche numeriche in banda base

Modulazione

n La modulazione e’ un processo con il quale il segnale da trasmettere (segnale modulante) viene utilizzato per modificare nel tempo le caratteristiche di un segnale ausiliario sinusoidale (portante)

n Questa operazione ha la caratteristica di generare un segnale che ha una occupazione di banda dell’ordine di grandezza di quella del segnale modulante, centrata pero’

intorno alla frequenza del segnale portante

n Utilizzando una portante ad alta frequenzasi puo’ quindi spostare la banda necessaria alla trasmissione delle informazioni in un intervallo piu’ opportuno per la trasmissione stessa

21

Vantaggi della modulazione

n Spesso per la trasmissione sono preferibili determinati intervalli di frequenza

n ad esempio, la trasmissione via ponte radio(a vista) richiede una antenna; la dimensione della antenna deve essere dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda; per trasmissioni a 1 KHz l = 300 Km, per trasmissioni a 1 GHz l = 30 cm

n per trasmettere i segnali radio si puo’ sfruttare la riflessione multipla dalla ionosfera, che riflette bene frequenze di 5-30 MHz

n Un altro vantaggio e’ legato alla possibilita’ di trasmettere piu’ comunicazioni differentie contemporanee sullo

stesso mezzo, trasferendo le bande relative alle diverse comunicazioni in zone differenti della banda utile per la trasmissione (multiplexing a divisione di frequenza)

Tecniche di modulazione

n

Il segnale modulante viene utilizzato per modulare le caratteristiche della portante:

n

ampiezza: il segnale viene utilizzato per modificare il valore della ampiezza della portante (modulazione di ampiezza)

n

frequenza: il segnale modulante modifica istante per istante la frequenza della portante (modulazione di frequenza)

n

fase: il segnale modulante cambia la fase della

portante (modulazione di fase)

23

Esempi di modulazione

Modulazione analogica di ampiezza (AM)

n

Il segnale modulante e’ un segnale analogico (es.: voce, o meglio il segnale elettromagnetico corrispondente alla voce in banda base)

n

Il segnale modulato si genera in questo modo:

L’ampiezza del segnale modulato e’ funzione del segnale modulante; n e’ detto indice di

modulazione, e viene scelto in modo che

[ ^{1 ( )} ] ^{cos( )}

)

( t n x t t

s = + ⋅ ω

0

)

(

1 + n ⋅ x t >

25

Esempio: modulante sinusoidale

n

Consideriamo come esempio il segnale modulante sinusoidale a frequenza ? :

Esempio (cont)

n

Il segnale modulato ha la forma:

n

Il suo spettro sara’ costituito da una riga in corrispondenza della frequenza della portante, piu’ due righe simmetriche rispetto alla prima a distanza pari alla frequenza della modulante

[ ]

(

)

(

)

t n t

s

t t

n t

s

c c

c

c

) (

2cos )

( 2 cos ) cos(

) (

) cos(

) cos(

1 ) (

ω ω ω

ω ω

ω ω

+ +

− +

= +

=

27

Spettro del segnale modulato

n In generale un segnale modulato in ampiezza ha uno spettro

costituito dallo spettro del segnale modulanteraddoppiato e collocato simmetricamenteattorno alla frequenza portante (bande laterali)

Ne segue che l’occupazione di banda del segnale modulato e’ doppia rispettoa quella del segnale modulante

n Si possono adottare tecniche per sopprimerela banda laterale inferiore, ed anche la frequenza portantemediante filtri passa banda (Single Sided Band)

n la frequenza della portante generalmente si potra’ eliminare quando il segnale in banda base non ha componente continuao comunque vicine alla frequenza nulla

Modulazione analogica angolare (PM)

n

Il segnale modulante puo’ essere utilizzato per modificare la fase della portante (modulazione di fase)

n

In questo caso il segnale modulato sara’ descritto da

dove n

e’ l’indice di modulazione

( )

) ( )

(

) ( cos

) (

t x n t

t t A

t s

p

c

= c +

φ = ω φ

29

Modulazione analogica angolare (FM)

n Il segnale modulante puo’ essere utilizzato per modificare la frequenza della portante (modulazione di frequenza)

n In questo caso il segnale modulato sara’ descritto da

dove n^f e’ l’indice di modulazione

n La frequenza istantanea e’ di fatto la velocita’ con cui varia la fase, quindi

( )

) ( )

(

) ( cos

) (

' t n x t

t t A

t s

f c

= c +

=

φ ω φ

( ^{( )} ) ^{( )}

)

( t t n x t

dt

t = d ω

+ φ = ω

+

ω

Spettro del segnale modulato in frequenza

n Per la modulazione di frequenza si puo’ vedere come la banda occupataper effetto della ampiezza del segnale modulantesia

Si vede come per la modulazione di frequenza, un aumento della ampiezza del segnale modulante comporti un aumento della banda occupata, mentre nel caso della AM l’ampiezza del segnale

modulante influenza la ampiezza del segnale modulato

n La modulazione angolare non e’ lineare, e genera uno spettro generalmente costituito da banda infinita. Si puo’ approssimare alla seguente relazione:

( )

f

x t n A

n

F = ( ω

− ω

) = max ( ) =

∆

( ¹ ) ^{per PM}

2

FM per 2 2

2 2

B A

n B

B A

n B

F B

m p T

m f

T

= +

+

= +

= ∆