Trasmissione Dati - Dipartimento di Informatica

Trasmissione Dati
I semestre 03/04
Š Ogni
tipo di informazione può essere
rappresentata come insieme di segnali
elettromagnetici
Trasmissione Dati
„
Prof. Vincenzo Auletta
[email protected]
http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/
„
Š Segnali analogici o digitali
„
Università degli studi di Salerno
Laurea in Informatica
„
a seconda del mezzo
il mezzo oppone resistenza e altera il segnale
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Sistema di Trasmissione Dati
Prestazioni del Sistema
Š Trasmettitore
Š La qualità della trasmissione dipende da
„
genera dei segnali per rappresentare informazioni
„
Š Ricevitore
„
„
„
riceve ed interpreta i segnali
„
Š Mezzo di trasmissione
„
„
trasporta il segnale
tipo di mezzo di trasmissione
qualità del segnale
velocità di trasmissione
distanza
percentuale di bit errati tollerata
Š bisogna trovare un compromesso tra questi
aspetti per consentire al sistema di operare
correttamente
OBIETTIVO:
trasportare il segnale in modo che il ricevitore possa
ricostruire le informazioni codificate dal trasmettitore
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modulazione di una grandezza fisica (tensione,
corrente)
formato utile per trasmissione attraverso un mezzo
„
4
Es. per trasmettere a velocità V su un filo di rame
con al più un errore ogni 10000 bit non si può
trasmettere ad una distanza superiore a D
Tipi di Collegamento
Tipi di Comunicazione
Š Trasmissione diretta
nessun
dispositivo
ripetitori/amplificatori
„
intermedio,
Š Simplex
tranne
„
Š es. Televisione
Š Trasmissione indiretta
utilizza
router)
„
dispositivi
intermedi
(bridge,
Š Half duplex
switch,
„
Š Full duplex
diretto
solo due dispositivi utilizzano il collegamento
„
„
bidirezionale
Š es. telefono
Š Mezzo di trasmissione multi-point
più dispositivi utilizzano lo stesso collegamento
„
5
6
Tipi di Segnali
Tipi di Segnali
Š Un segnale è esprimibile come una funzione del
Š Periodico
tempo
„
varia gradualmente
nel tempo
Š Discreto
„
„
pattern ripetuto nel tempo
„
pattern non ripetuto nel tempo
Š Aperiodico
Š Continuo
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bidirezionale ma una direzione per volta
Š es. ricetrasmittenti
Š Mezzo di trasmissione point-to-point
„
unidirezionale
costante per un certo
tempo e poi varia
istantaneamente
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Caratteristiche del Segnale
Esempi di Segnali
Š Ampiezza (di picco) (A)
„
„
s(t) = A sin(2 ft + φ) (onda sinusoidale)
massima forza del segnale
misurata in Volts
Š Frequenza (f)
„
„
tasso al quale il segnale si ripete
misurata in Hertz (Hz) o cicli al secondo
Š Periodo (T)
„
„
A=1 f=1 φ=0
A=0,5 f=1 φ=0
A=1 f=2 φ=0
A=1 f=1 φ=π/4
durata del pattern periodico
T = 1/f
Š Fase (φ)
„
posizione relativa rispetto al tempo
„
misurata in radianti (T = 2π)
Š Calcolata rispetto al segnale che ha intensità 0 al tempo 0
9
10
Rappresentazione dei Segnali
nel Dominio dello Spazio
Frequenze dei Segnali
Š un segnale può essere anche rappresentato
Š I segnali elettromagnetici sono composti da
come una funzione dello spazio
„
varie frequenze
definisce l’ampiezza del segnale in un fissato istante
di tempo in funzione della posizione
„
„
Š Lunghezza d’onda (λ )
„
Š Analisi di Fourier prova che per segnali periodici
minima distanza tra due punti di uguale fase in
periodi distinti
„
Š Se il segnale si propaga con velocità v
„
„
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le componenti sono dette armoniche
ogni armonica è un’onda sinusoidale
λ = vT
λf = v
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la frequenza di ogni armonica è un multiplo intero di
una armonica fondamentale
Somma di Componenti in
Frequenza
Rappresentazione dei Segnali
nel Dominio delle Frequenze
Š I segnali possono essere rappresentati anche
in funzione delle frequenze
Š spesso sono discrete
Š molti segnali reali sono continui nel dominio delle
frequenze
13
14
Tasso di Trasmissione (r)
Tasso di Trasmissione e
Periodo del Segnale
Š numero di bit trasmessi nell'unità di tempo
Š Ogni segnale di durata finita può essere visto
„
come un segnale periodico
misurato in bit al secondo (bps)
Š segnali non binari trasportano più bit
Š tasso di segnalazione
„
„
„
Š Tasso
di
trasmissione
inversamente
proporzionale al Periodo del segnale
Numero di volte che il segnale varia nell'unità di
tempo
misurato in baud
„
r = tasso segn. * log2 (livelli segnale)
15
consideriamo solo segnali periodici
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direttamente proporzionale alla frequenza
Tasso di Trasmissione e
Larghezza di Banda
Spettro e Larghezza di Banda
Š Spettro del segnale
„
Š all'aumentare
del tasso di trasmissione
aumenta la larghezza di banda del segnale
Š ogni mezzo trasmissivo (canale) ha una
larghezza di banda limitata
intervallo di frequenze contenute nel segnale
Š larghezza di banda assoluta
„
larghezza dello spettro
Š larghezza di banda effettiva
„
larghezza dello spettro contenente la maggior parte
della potenza del segnale
„
Š componente dc
„
„
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componente con frequenza 0
l’ampiezza media del segnale è diversa da 0 se e solo
se esiste una componente dc
lascia passare
frequenze
solo
componenti
con
certe
Š Le armoniche ad alta frequenza vanno perse
„
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Relazione tra Tasso di
Trasmissione e Frequenza
bisogna adattare il tasso di trasmissione in modo
che la larghezza di banda effettiva del segnale sia
inferiore alla larghezza di banda del canale
Effetti della Limitazione di
Banda
Š Numero di armoniche trasmesse su un canale
con una larghezza di banda di 3000 Hz (linea
telefonica) in funzione del tasso di
trasmissione
Š trasmissione di caratteri (8 bit)
larghezza di banda 500 Hz
larghezza di banda 1700 Hz
larghezza di banda 900 Hz
larghezza di banda 2500 Hz
larghezza di banda 1300 Hz
larghezza di banda 4000 Hz
r = tasso trasm.
P = r/8
f = 1/P
#arm = 3000 / f
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20
Limitazione di Banda
Capacità del Canale
Š massimo tasso a cui si può tramettere su un
alto tasso di
trasmissione
mezzo di trasmissione
„
lasciando passare almeno l’armonica fondamentale
Š la capacità del canale dipende da
grande larghezza
di banda
„
maggior numero di
armoniche ricevute
„
„
„
maggiore costo
buona approssimazione
del segnale
21
22
Formula di Nyquist
Alterazioni del Segnale
Š Il mezzo trasmissivo si oppone al segnale che
Š Calcola la capacità del canale in funzione
lo attraversa
Š La resistenza e le interferenze esterne si
manifestano sotto forma di distorsione del
segnale
della larghezza di banda
C = 2W log2 M
„
–C = tasso trasmissivo
–W = larghezza di banda del canale
–M = numero di livelli del segnale
„
„
„
„
23
tasso
larghezza di banda
rumore
tasso di errore
24
attenuazione
limitazione di banda
distorsione intersimbolo
distorsione da ritardo
rumore
Alterazioni del Segnale ed
Errori di Trasmissione
Errori di Trasmissione
Š Il segnale (distorto) ricevuto può essere
decodificato in un dato diverso da quella
trasmesso
Š il tipo di distorsione subito dal segnale
dipende da
-
mezzo trasmissivo
frequenza di trasmissione
distanza del collegamento
Š Si devono limitare questi parametri per
ridurre la probabilità di avere un errore di
trasmissione
25
26
Attenuazione
Distorsione
Š diminuzione dell’ampiezza del segnale
„
Š Distorsione da attenuazione
misurata in decibel (attenuazioni in cascata si
sommano)
„
Š l’attenuazione dipende sia dalla velocità di
Š Distorsione da ritardo
trasmissione che dalla distanza
Š l'ampiezza del segnale ricevuto deve essere
grande abbastanza per essere riconosciuto
„
„
„
distinguibile dal rumore di fondo
Š Per rigenerare il segnale attenuato si usano
degli amplificatori
„
27
catturano il segnale, lo decodificano
rispediscono con l’ampiezza originaria
e
Le armoniche a frequenza maggiore sono attenuate
di più rispetto a quelle a frequenza minore
„
La velocità di propagazione varia con la frequenza
del segnale
il ritardo di trasmissione non è uniforme per tutte le
armoniche del segnale
alcune armoniche si sovrappongono alle armoniche
del segnale successivo
Š Per ricostruire il segnale serve un equalizzatore
lo
28
„
interviene separatamente su ogni armonica
Rumore
Tipi di Rumore
Š E’ un fattore esterno non controllabile
Š Ogni canale ha un livello di rumore
Š rumore impulsivo
„
„
„
Perturbazioni presenti sul canale anche in assenza
di trasmissione e non eliminabili
Il segnale da trasmettere non deve mai attenuarsi
al punto tale da confondersi con il livello di rumore
della linea
„
„
Š rumore termico (rumore bianco)
„
„
29
30
Tipi di Rumore
„
Š Calcola la capacità del canale in funzione del
rapporto segnale/rumore e della larghezza di
banda
il segnale su una linea interferisce sul segnale di
una linea vicina (es. interferenze durante
telefonate)
l’autodiafonia è provocata da un segnale troppo
alto in uscita da un circuito che si sovrappone ad
un segnale debole in ingresso allo stesso circuito
„
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limite teorico che considera solo il rumore di fondo
C=W log2 (1 + SNR)
–C = tasso trasmissivo
–W = larghezza di banda del canale
–SNR = 10 log10 (potenza segnale/ potenza rumore)
rapporto segnale/rumore
Š rumore di intermodulazione
„
„
causato dall'eccitazione degli elettroni presenti nel
mezzo trasmissivo
distribuito uniformemente su tutte le frequenze
dipende dalla temperatura
Legge di Shannon-Hartley
Š diafonia
„
scariche elettriche, fulmini
critico per dati digitali (perdita totale di un blocco
di migliaia di bit d’informazione)
Non controllabile ma raro
provocato da segnali con frequenze diverse
trasmessi sullo stesso mezzo
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Trasmissione Dati Analogica e
Digitale
Dati
Š Dati
Š Analogici
„
entità che trasportano informazioni
Š Segnali
„
„
Š Digitali
rappresentazione elettrica o elettromagnetica dei dati
Š Trasmissione
„
valori che cambiano con continuità in un intervallo
es. voce, suono, video
„
valori discreti
es. testo, numeri interi
„
comunicazione dei dati attraverso la propagazione di
segnali attraverso un mezzo
„
Š In ognuno di questi tre ambiti si si distingue tra
analogico e digitale
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34
Segnali
Dati e Segnali
Š Analogici
Š in genere si usano segnali digitali per dati
„
„
„
„
variabili continue
larghezza di banda del parlato 100Hz - 7kHz
larghezza di banda della rete telefonica 300Hz 3400Hz
larghezza di banda del video 4MHz
digitali e segnali analogici per dati analogici
„
„
Š Digitali
„
segnali analogici che variano nello stesso spettro
dei corrispondenti dati analogici
segnali digitali che assegnano un livello diverso a
ciascuno dei valori ammissibili dei corrispondenti
dati digitali
Š segnali analogici per dati digitali
due sole componenti con frequenza zero
„
modem
Š segnali digitali per dati analogici
35
36
„
Compact Disc musicali
Trasmissione Dati con Segnali
Analogici
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Trasmissione Dati con Segnali
digitali
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Trasmissione Analogica
Trasmissione Digitale
Š Sia i segnali analogici che quelli digitali sono
Š Trasmissione dipendente dal contenuto (assume
trasmessi attraverso un mezzo di trasmissione
„
che i dati siano digitali)
il modo in cui sono trattati dipende dal sistema
„
Š segnali analogici trasmessi indipendentemente
Š Utilizza ripetitori
dal contenuto
„
„
„
„
39
„
sia dati analogici che digitali
segnale attenuato in funzione della distanza
utilizza amplificatori per ricostruire il segnale
amplifica anche il rumore
Š segnali digitali non utilizzati
la distorsione del segnale può alterare il contenuto
„
„
riceve il segnale
estrae i dati
Ritrasmette i dati
Š non c'è attenuazione (per segnale digitale)
Š il rumore non è amplificato (per segnale
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analogico)
Vantaggi della Trasmissione
Digitale
Š circuitii digitali costruiti a basso costo con
tecnologia LSI/VLSI
Š integrità dei dati
„
si possono coprire maggiori distanze utilizzando mezzi
di trasmissione di qualità inferiore
Š utilizzo efficiente della larghezza di banda del
canale
„
„
41
collegamenti ad alta banda a basso costo
facilita condivisione del canale tra più flussi di dati
Š maggiore sicurezza
Š gestisce dati analogici e digitali allo stesso modo