P1-01: Trasmissione dati - Dipartimento di Informatica

Sommario: parleremo di …
Dati e segnali
Autunno 2002
Prof. Roberto De Prisco
P1-01: Trasmissione dati
Università degli studi di Salerno
Laurea e Diploma in Informatica
Trasmissione dati
Dati
Trasmettitore
Ricevitore
Mezzo di trasmissione
genera dei segnali per rappresentare informazioni
riceve ed interpreta i segnali
trasporta il segnale
Simplex
Segnali e frequenze
Larghezza di banda
Collegamento diretto e trasmissione dati
Alterazioni nella trasmissione
Capacità del canale
Mezzi trasmissivi
Doppino, cavo coassiale, fibra ottica
Tipi di collegamento
Mezzo di trasmissione
Tipi di comunicazione
Rappresentazione dei dati con segnali
elettromagnetici
Analogico e digitale
P1
01.3
Rappresentati da segnali elettromagnetici
P1
01.5
P1
01.2
P1
01.4
Trasmissione: diretta
nessun dispositivo intermedio
tranne ripetitore/amplificatore
Mezzi trasmissivi
Guidati
Mezzi non guidati
(cavi)
Onde
Mezzi guidati:
Point-to-point
Multipoint
solo due dispositivi utilizzano il collegamento
più dispositivi utilizzano lo stesso collegamento
Dati e segnali: analogici e digitali
P1
01.6
Analogici: valori continui nel tempo (Audio, video)
unidirezionale
es. Televisione
Half duplex
bidirezionale ma una direzione per volta
es. Ricetrasmittenti
Full duplex
Digitali (numerici): valori discreti (testi, dati numerici)
bidirezionale
es. Telefono
1
Periodo e frequenza
Segnali periodici
P1
01.8
P1
01.9
Ampiezza di picco e fase
P1
01.10
Segnali aperiodici
Segnali periodici
P1
01.7
si ripetono nel tempo con regolarità
s(t) = s(t+T)
T è il periodo, misurato in secondi
Frequenza f
è la velocità con cui il segnale si
ripete
misurata in Hertz (Hz), cicli o ripetizioni al secondo
T = 1/f
Periodo e frequenza
L’ampiezza di picco è il valore massimo (di
Periodo T = 0.5 secondi
picco) dell’intensità del segnale
Frequenza f = 1/T = 2 cicli al secondi
Fase si misura in radianti
Periodo T = 2 secondi
Frequenza f = 1/T = 0.5 cicli al secondo
1 periodo = 360° = 2 radianti
Periodo T = 0.1 secondi
Frequenza f = 10 Hz
La fase è la posizione all’interno di un
singolo intervallo
Fase = 0
Fase = π/4
Fase = π
Frequenza f = 1MHz
Periodo T = 1/f = 1ms
Esempi
all’inizio del periodo
ad 1/8 del periodo
alla metà del periodo
Onda sinusoidale generica
P1
01.11
P1
01.12
s(t) = A sen (2πft+φ)
A
ampiezza di picco
f
frequenza
φ
fase
2
Frequenze e segnali
Larghezza di banda
P1
01.13
Un segnale è la somma di più frequenze
s1(t)
= sen(2πft)
Spettro: insieme delle frequenze componenti
Nell’esempio precedente:
Maggiore è la banda, più veloce è la trasmissione
Es. banda = 4 MHz può generare una velocità = 2Mbps
banda = 8 MHz può generare una velocità = 4Mbps
NOTA: La velocità non dipende solo dalla banda
Dati e segnali
P1
01.15
Analogici
variabili continue
larghezza di banda del parlato
2f
Larghezza di banda e velocità di trasmissione
s3(t) =4/π [s1(t) + s2(t)]
Segnali
Nell’esempio precedente: f e 3f
Larghezza di banda: differenza fra la frequenza
più alta e quella più bassa
s2(t) =1/3 sen(2π(3f )t)
P1
01.14
in genere si usano segnali digitali per dati
digitali e segnali analogici per dati analogici
segnali analogici per dati digitali
segnali digitali per dati analogici
P1
01.16
100Hz - 7000Hz
larghezza di banda della rete telefonica
300Hz - 3400Hz
larghezza di banda del video
4MHz
Digitali
Modem
Compact Disc musicali
due sole componenti con frequenza zero
Trasmissione
P1
01.17
Trasmissione
P1
01.18
3
Alterazioni del segnale
Attenuazioni
Capacità del canale
P1
01.19
Riduzione dell’intensità dovuta alla distanza
Distorsione se l’intensità si riduce in funzione della
frequenza
Si altera la somma finale
Distorsione di ritardo (o di fase)
La velocità può dipendere dalla frequenza
Alcune frequenze arrivano prima ed altre dopo alterando la
somma finale
Termico, dovuto all’agitazione termica degli elettroni
Intermodulazione, interferenze fra frequenze
Diafonia, segnali vanno a finire su un mezzo sbagliato
Accoppiamento di doppini telefonici
Impulsivo, picchi di rumore imprevedibili (es. guasti,
interferenze esterne)
Rumore ed errori
Rumore
Interpretazione sbagliata del segnale
Si trasmette 0, ma si riceve 1
frequenza con cui si verificano gli errori
Capacità
Velocità massima di trasmissione senza errori (o
entro un certo limite di errore)
Dipende dalla larghezza di banda
Larghezza di banda di Nyquist
P1
01.21
Non considera il rumore, cioè assume un
canale senza rumore
Dato un segnale con banda B la velocità
massima di trasmissione è 2B
Se i segnali sono binari allora con B Hz
possiamo trasmettere 2B bps
Con segnali con M livelli la velocità massima di
trasmissione è 2B log2 M bps
Formula di Shannon
Altera il segnale
Può generare degli errori
Tasso di errore
Rumore
Mezzi trasmissivi
Considera il rumore
Guidati
La capacità diminuisce
Non guidati
Rumore (Signal-to-Noise Ratio):
caratteristiche e qualità determinate da mezzo e
segnale
dB
10
Formula di Shannon
C = B log2 (1 + SNR)
P1
01.22
Ricevitore più complesso perché deve distinguere
fra M livelli di segnale
P1
01.23
SNR = 10 log (potenza segnale/ potenza rumore)
P1
01.20
P1
01.24
per mezzi guidati il mezzo è preponderante
per mezzi non guidati il segnale è preponderante
elementi chiave
tasso di trasmissione e distanza da coprire
4
Fattori di progetto
Larghezza di banda
Alterazioni del segnale
Interferenze
Numero di ricevitori
attenuazione, distorsione, rumore
importante per mezzi guidati e canali multi-point
ogni ricevitore introduce attenuazione
Antenne trasmettono e ricevono
Onde elettromagnetiche si propagano nell’aria
banda più larga consente tassi di trasmissione più alti
Mezzi trasmissivi non guidati
Mezzi trasmissivi guidati
P1
01.25
P1
01.26
Doppino
Non schermati
Schermati
Categorie 3 e 5
Cavo coassiale
Fibra ottica
usa la luce anzichè segnali elettromagnetici
P1
01.27
Spettro elettromagnetico
P1
01.28
P1
01.29
Utilizzi del doppino
P1
01.30
Direzionale
Fascio elettromagnetico direzionato
Antenna trasmittente e antenna ricevente devono
essere allineate
Omnidirezionale
Segnale si propaga in tutte le direzioni
Può essere ricevuto da molte antenne
Punti radio terrestri, satelliti
Doppino
Due fili di rame isolati ed intrecciati
Mezzo di comunicazione più diffuso ed
economico
Una coppia funge da linea di comunicazione
singola
Rete telefonica
Più coppie inserite in un unico cavo
Cablaggio di edifici
Reti locali
Intreccio riduce diafonia tra linee vicine
Su un filo c’è il segnale vero e proprio
Sull’altro c’è un segnale di riferimento
Telefono: 2 coppie
Lunga distanza: centinaia di coppie
collegamento da casa a centrale
collegamento di ogni dispositivo a centralino
∼10Mbps su brevi distanze (100m)
da 100Mbps a 1Gbps su distanze più brevi e con
pochi dispositivi collegati
5
Caratteristiche di trasmissione
Vantaggi del doppino
P1
01.31
Usato sia per trasmissione analogica che digitale
Economico
Forte attenuazione
Semplice da installare e utilizzare
cresce rapidamente con la frequenza
necessario ricostruire il segnale
Trasmissione analogica
Trasmissione digitale
Edifici già cablati con doppino
nessuna spesa di cablaggio
Amplificatori ogni 5km o 6km
repeater ogni 2km o 3km
Svantaggi del doppino
Basso tasso di trasmissione dati
Brevi distanze, larghezza di banda limitata
Sensibile a interferenze e rumore
UTP e STP
P1
01.33
P1
01.32
Unshielded Twisted Pair (UTP)
Shielded Twisted Pair (STP)
Effetto pelle
all'aumentare della frequenza il segnale si sposta
sulla superficie del filo.
aumento della resistenza
perdita di potenza
Diafonia
P1
01.34
Normale filo del telefono
economico e semplice da installare
soggetto a interferenze
rivestimento metallico riduce interferenze
costoso e difficile da lavorarci
poco diffuso
il segnale trasmesso su una linea viene raccolto dalla
linea in ricezione adiacente
Comune nella rete telefonica
Cavi UTP Cat. 3 e 5
Quattro coppie di fili intrecciati
Conosciuti come
Cat 3: “voice grade”
Cat 5: “data grade”
Lunghezza dell'intrecciatura e rivestimento
Tassi di trasmissione
Presenti in edifici per la rete telefonica
Cat. 3 : da 7.5 cm a 10 cm
Cat. 5 : da 0.6 cm a 0.85 cm, miglior rivestimento
Cat. 3: fino a 16 MHz
Cat. 5: fino a 100 MHz
Cat. 5 nei nuovi edifici
Cavo coassiale
P1
01.35
Nucleo formato da fili di rame ricoperto da un
dielettrico (isolante)
Intorno c’è un conduttore magliato
Poi un altro strato isolante
Questi strati sono coassiali
P1
01.36
Considerando la sezione sono concentrici
6
Utilizzi del cavo coassiale
Caratteristiche di trasmissione
P1
01.37
Molto versatile
Maggiore protezione da diafonia e effetto pelle
Segnale TV
Trasmissione con segnali analogici e digitali
Analogico
Digitale
Collegmento antenna/televisore
TV via cavo
Rete telefonica a lunga distanza
Collegamenti di periferiche a breve distanza
Reti locali
può trasportare fino a 100.000 canali vocali
in via di sostituzione con fibre ottiche
Cavo coassiale
Buona protezione da diafonia e interferenze
Minore attenuazione
Versatile
Velocità di 10 Mbps a distanze di 100 mt.
riduce le perdite dovute all’irraggiamento ed all’effetto pelle.
amplificatori ogni 4-5 km
più vicini per alti tassi
larghezza di banda fino a 500MHz
repeater ogni km
più vicini per alti tassi
Fibra ottica
Informazione sotto forma di fascio di luce.
È un mezzo sottile capace di condurre un raggio
luminoso
collegamenti punto-punto e multipunto
trasmissioni analogiche e digitali
Svantaggi
P1
01.39
Vantaggi
P1
01.38
P1
01.40
Svariati tipi di vetro
Plastica
Silicio fuso (migliore)
Fibre inserite in un rivestimento protettivo che
protegge da sorgenti luminose esterne.
Difficile installazione
Soggetto a rumore termico
Struttura del cavo
Esempio di trasmissione
P1
01.41
P1
01.42
Core = fibra che trasporta il
segnale
Cladding = fibra con proprietà
ottiche differenti dal core
Jacket = rivestimento protettivo
di plastica
L'interfaccia tra core e cladding funziona da
riflettore
la luce che incide sull'interfaccia con un angolo
piccolo viene riflessa nel core
Il trasmettitore usa un LED o un diodo laser (LD)
Il ricevitore usa un fotodiodo o un fototransistor
converte i segnali elettrici in segnali luminosi
emette un segnale elettrico quando colpito da un fascio di luce
7
Utilizzi della fibra ottica
Telecomunicazioni a lunga distanza
Cablaggio aree metropolitane
Collegamenti con aree isolate
Collegamento telefonico casa-centrale a larga
banda
Reti locali
da 20.000 a 60.000 canali vocali per 1500 km
Wavelength Division Multiplexing
P1
01.43
Più segnali possono viaggiare
contemporaneamente sulla stessa fibra
fino a 100.000 canali vocali senza repeater
Tecnica di trasmissione
ottica
in funzione del materiale e della larghezza
Sistema costruito ai Bell Lab. nel '97
Tecnologia del futuro per telecomunicazioni
100 lunghezze d'onda a 10 Gbps
tasso di trasmissione 1 Tbps
Fibra multimodo a ind. discreto
L’indice di rifrazione è costante su tutta la fibra
I raggi luminosi hanno la stessa velocità ma
seguono cammini diversi
della fibra.
Multimodo a indice discreto
ogni segnale viaggia ad una differente frequenza
(lunghezza d'onda)
P1
01.45
Tre diversi tipi di trasmissione su fibra
Multimodo a indice graduato
P1
01.44
P1
01.46
giungono a destinazione in tempi diversi
bisogna inserire pause tra trasmissioni successive
usate per collegamenti brevi
Monomodo
Fibra multimodo a ind. graduato
L’indice di rifrazione assume valori massimi al
centro e poi diminuisce verso le zone
periferiche.
meno differenze tra i tempi di attraversamento
della fibra dei vari segnali
aumenta il tasso di trasmissione
Fibra monomodo
P1
01.47
Il diametro del nucleo uguale alle dimensioni
della lunghezza d’onda
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01.48
Tutta la luce emessa si propaga lungo un singolo
cammino senza dispersione
Più costose ma coprono distanze maggiori
8
Vantaggi della fibra ottica
Elevata larghezza di banda
Ridotte dimensioni e piccolo peso
tassi di centinaia di Gbps
più cavi nella stessa canalina
Attenuazione bassissima
Immune al rumore elettromagnetico
Economica e resistente alle alte temperature
Svantaggi della fibra ottica
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01.49
maggiore distanza tra i repeater (100 km)
Costi elevati per ricablaggio
Costi elevati per interfacce tra il nodo
(computer) ed il mezzo trasmissivo (fibra ottica)
Giunzioni tra fibre introducono attenuazione
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01.50
sostituzione di tutti i doppini della rete telefonica
necessità di personale specializzato
nessuna diafonia
difficile intercettazione
Riepilogo
Rappresentare i dati con segnali
Dati analogici o digitali
Segnali, somma di frequenze
Banda, velocità di trasmissione
Rumori ed errori, capacità
Mezzi trasmissivi (doppino, cavo coassiale,
fibra ottica)
Riferimento: Stallings, Capitoli 3 e 4
P1
01.51
9