Autunno 2004 Codifica dati, interfacce Dati: analogici, digitali

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Autunno 2004 Codifica dati, interfacce Dati: analogici, digitali
Trasmissione digitale
Autunno 2004
4
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Telecomunicazioni: ultimamente si sta
orientando verso la trasmissione digitale
ƒ Tecnologia digitale ha fatto grossi progressi mentre
quella analogica no
ƒ Integrità dei dati: con l’uso di ripetitori al posto di
Prof. Roberto De Prisco
ƒ
Autunno 2004
TEORIA - Lezione 2
ƒ
Codifica dati, interfacce
ƒ
Università degli studi di Salerno
Laurea e Diploma in Informatica
Codifica
amplificatori, gli effetti del rumore non sono più
cumulativi
Utilizzo delle risorse: disponibili larghezze di banda
molto grandi (satelliti, fibre ottiche). Occorre un
alto gradi di multiplexing, che è più facile con i dati
digitali
Sicurezza: i dati numerici possono essere
crittografati
Integrazione: rappresentando tutto in digitale
(voce, video, dati) è più facile integrare il tutto
Autunno 2004
Codifica: 4 possibili casi
2
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Dati: analogici, digitali
ƒ Canale (segnale): analogico, digitale
1. Dati digitali (numerici), canale digitale
ƒ Codifica è una “trasformazione” dei dati in un
2. Dati analogici, canale digitale
0101
formato che può essere trasmesso
ƒ Dati=digitali, canale=analogico
ƒ Dati=analogici, canale=digitale
0101
ƒ Dati=analogici, canale=analogico
Canale non utilizza le stesse frequenze dei dati
ƒ
Rappresentazione degli 0,1 diverse
Autunno 2004
Anche se le nuove tecnologie rimpiazzeranno i doppini
telefonici, prima di avere fibre ottiche in tutte le case
passerà un pò di tempo
ƒ Radio
ƒ TV (non satellitare)
[DA]
Modulatore
Demodulatore 0101
Modulatore
ƒ Diffusissima
ƒ Linee telefoniche, modem
[AD]
Decodificatore
4. Dati analogici, canale analogico
ƒ Dati=digitali, canale=digitale
Trasmissione analogica
[DD]
3. Dati digitali, canale analogico
ƒ Ma anche
ƒ
5
TEORIA (Lez. 1)
Decodificatore 0101
Codificatore
ƒ Perchè serve?
ƒ
Codificatore
Autunno 2004
[AA]
Demodulatore
Autunno 2004
[DD] Dati digitali e segnali digitali
3
TEORIA (Lez. 1)
0101 Codificatore
Canale
6
TEORIA (Lez. 1)
Decodificatore 0101
ƒ Dati numerici
ƒ bit
ƒ Segnale numerico
ƒ Tuttavia …
ƒ Sequenza di impulsi discreti e discontinui
ƒ Ogni impulso è un elemento del segnale
ƒ Codifica semplice
ƒ Corrispondenza 1:1 fra i bit e gli elementi del
segnale
ƒ Bit 1 rappresentato da un livello alto di tensione
ƒ Bit 0 rappresentato da un livello basso di tensione
1
[DD] Velocità
Autunno 2004
Autunno 2004
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[DD] Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
TEORIA (Lez. 1)
7
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Due diversi livelli di voltaggio
ƒ Tasso di trasmissione
ƒ Voltaggio costante durante l'intero intervallo di
ƒ Numero di bit al secondo (bps) che si riesce a
trasmissione del bit
trasmettere
ƒ Es. voltaggio positivo denota un 0 e voltaggio
negativo denota un 1
ƒ Elemento del segnale
ƒ Tra un intervallo e il successivo il segnale non ritorna
ƒ Impulso di tensione
ƒ È l’elemento minimo del segnale
a livello 0
ƒ Tasso di modulazione
0
ƒ Numero di elementi di segnale al secondo (baud)
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
ƒ Se un bit è codificato con n elementi di segnale
allora
tasso di trasmissione = tasso di modulazione / n
[DD] Aspetti della codifica
Autunno 2004
Autunno 2004
ƒ Dati codificati con presenza o assenza di
ƒ Sincronizzazione
transizione del segnale all'inizio
dell'intervallo del bit
ƒ Il decodificatore deve ritrasformare il segnale
ƒ
11
[DD] Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
TEORIA (Lez. 1)
8
TEORIA (Lez. 1)
digitale in bit
Deve essere sincronizzato sulla durata di ogni
singolo bit
ƒ una transizione denota un 1
ƒ nessuna transizione denota uno 0
ƒ Rilevazione di errori
ƒ La codifica permette la rilevazione di errori
0
ƒ Resistenza al rumore
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
ƒ Alcuni codici si comportano meglio di altri in
presenza di rumore
ƒ Costo e complessità
[DD] Schemi di codifica
Autunno 2004
Autunno 2004
[DD] Vantaggi e svantaggi di NRZ
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TEORIA (Lez. 1)
12
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Vantaggi
ƒ Codifiche
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
Bipolar –AMI
Pseudoternary
Manchester
Differential Manchester
ƒ Tecniche di scrambling
ƒ B8ZS
ƒ HDB3
ƒ Facili da usare
ƒ Sfruttano tutta la larghezza di banda
ƒ NRZI vs NRZ-L
ƒ
Se accidentalmente viene invertito il connettore NRZ-L
inverte tutti i bit NRZI continua a funzionare
ƒ Svantaggi
ƒ Sincronizzazione difficile
ƒ
Una lunga sequenza di 0 o 1 in NRZ-L o di 0 in NRZI
risulta in una tensione costante per lungo tempo; è facile
che il trasmettitore ed il ricevitore perdano la
sincronizzazione
ƒ Generano componente continua
ƒ Vengono spesso usati per la registrazione su
supporto magnetico non per la trasmissione
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Autunno 2004
[DD] Codici multilivello Bipolar-AMI
[DD] Codici bifase
13
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Utilizzano più di due livelli di segnale
ƒ livello 0 rappresenta uno 0
ƒ livello positivo o negativo rappresenta un 1
ƒ polarità utilizzata alternativamente
1
0
0
1
1
0
0
0
1
16
TEORIA (Lez. 1)
ƒ almeno una transizione di
ƒ Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)
0
Autunno 2004
ƒ
ƒ
1
ƒ
segnale per ogni intervallo
di bit
ƒ a volte due transizioni
migliori proprietà di
sincronizzazione
l'assenza della transizione
individua un errore di
trasmissione
il massimo tasso di
modulazione è doppio di
quello di NRZ
ƒ richiede più larghezza di
banda
Autunno 2004
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[DD] Codici multilivello Pseudoternary
TEORIA (Lez. 1)
[DD] Codici Manchester
di bit
ƒ invertito rispetto a bipolar-AMI
ƒ transizione dal basso verso l'alto codifica un 1
ƒ transizione dall'alto verso il basso codifica
ƒ Bit 1 rappresentato con assenza di corrente
ƒ Bit 0 con segnale positivo e negativo alternato
uno 0
ƒ Equivalente alla precedente
1
0
0
1
1
0
0
0
1
[DD] Codici multilivello
1
0
1
0
0
Autunno 2004
ƒ Vantaggi
ƒ nessuna componente continua
ƒ bisogna evitare lunghe sequenze di 0 (scrambling,
inserimento forzato di 1)
ƒ semplifica l'individuazione di errori di trasmissione
ƒ se l'alternanza delle polarità non è rispettata
ƒ consente sincronizzazione per sequenze di 1
ƒ Per sequenze di 0, scrambling
ƒ Svantaggi
ƒ non sono efficienti come NRZ
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Una transizione al centro di ogni intervallo
ƒ Pseudoternary
0
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1
1
0
0
0
1
1
Autunno 2004
[DD] Manchester differenziale
15
TEORIA (Lez. 1)
18
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Una transizione all'inizio ed al centro di ogni
intervallo di bit
ƒ transizione centrale solo per sincronizzazione
ƒ transizione iniziale codifica l'informazione
ƒ presenza di una transizione iniziale codifica uno 0
ƒ assenza di una transizione iniziale codifica un 1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
ƒ ogni elemento di segnale rappresenta un bit
ƒ Con un segnale a tre livelli si potrebbero rappresentare
log23 = 1.58 bits
3
[DD] Vantaggi codici bifase
Autunno 2004
Autunno 2004
[DD] Tecniche di scrambling
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TEORIA (Lez. 1)
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Sincronizzazione
ƒ La presenza di una transazione all’interno di ogni
ƒ B8ZS
bit rende facile la sincronizzazione
ƒ bipolare con sostituzione dell'ottavo 0
ƒ usato negli USA e in Canada
ƒ Assenza di componente continua
ƒ Poiché c’è almeno una transazione per bit la
corrente è sempre alternata
ƒ HDB3
ƒ bipolare ad alta densità con 3 zeri
ƒ usato in Europa e Giappone
ƒ Rilevazione di errore
ƒ L’assenza di una transazione all’interno di un bit
indica un errore
Autunno 2004
[DD] Riepilogo codici
0
1
0
0
1
1
0
0
[DD] Codice B8ZS
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TEORIA (Lez. 1)
0
1
1
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Basato su bipolar-AMI
NRZ-I
ƒ Sostituisce 8 zeri consecutivi con la
sequenza
NRZL
000VB0VB
AMI
ƒ se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi)
era positivo codifica gli otto zeri con
Pseudo
ternary
000+-0-+
ƒ se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi
Manchester
era negativo) codifica gli otto zeri con
000-+0+-
Manchester
Diff.
[DD] Scrambling
Autunno 2004
[DD] Codice B8ZS
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ tecniche utilizzate per eliminare le sequenze
di bit codificate con livelli di segnale costante
ƒ sostituisce le sequenze con altre sequenze
ƒ necessarie perchè per ottenere alti tassi di
trasmissione non si possono utilizzare codifiche
bifase
ƒ La sequenza introdotta deve
ƒ avere abbastanza transizioni di segnale
ƒ essere riconoscibile dal ricevitore che la deve
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Violano il codice bipolar-AMI
ƒ Due impulsi nello stesso verso consecutivi
ƒ Non si possono confondere con codifiche di dati
ƒ Improbabile che le violazioni siano provocate da
rumore
ƒ Il ricevitore individua la sequenza con violazioni
e la decodifica come otto zeri
sostituire con la sequenza originale
ƒ avere la stessa lunghezza della sequenza originale
4
[DD] Codice HDB3
Autunno 2004
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Basato su bipolar-AMI
oppure
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ La codifica è effettuata modulando un segnale
analogico base (portante)
ƒ alla portante viene sommato un secondo segnale che
ƒ Sostituisce 4 zeri consecutivi con la
sequenza
[DA] Tecniche di modulazione
codifica i dati digitali
000V
B00V
ƒ La modulazione opera su uno dei parametri
ƒ La scelta viene fatta per fare in modo che la
caratteristici del segnale analogico
ƒ ampiezza
(ASK, amplitude-shift keying)
ƒ frequenza
(FSK, Frequency-shift keying)
ƒ fase
(PSK, phase-shift keying)
polarità della violazione finale sia “invertita” ad
ogni utilizzo:
ƒ Se l’ultima violazione era una tensione positiva la
successiva sarà con tensione negativa
ƒ Se l’ultima violazione era una tensione negativa la
successiva sarà con tensione positiva
[DD] B8ZS and HDB3
Autunno 2004
[DA] Amplitude Shift Keying
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TEORIA (Lez. 1)
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Valori rappresentati da ampiezze diverse
ƒ Ampiezza nulla per lo 0
ƒ Ampiezza massima per l’1
Autunno 2004
[DA] Dati digitali e segnali analogici
0101
Modulatore
Canale
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
Demodulatore 0101
[DA] Frequency Shift Keying
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Valori rappresentati da due frequenze diverse
ƒ Più affidabile di ASK
ƒ LAN su cavo coassiale
ƒ Utilizzato per trasmettere dati digitali sulla rete
telefonica pubblica
ƒ Progettata per gestire segnali analogici nella banda
da 300Hz a 3400Hz
ƒ Conversione eseguita da un modem
ƒ Producono segnali all’interno dell’intervallo di
frequenze che possono essere trasmesse
ƒ Le tecniche di codifica valgono in generale (cioè per
qualsiasi intervallo di frequenze)
5
FSK su linee Voice Grade
Autunno 2004
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
[AD] Teorema del campionamento
34
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Per ricostruire completamente un segnale è
sufficiente campionarlo ad un tasso pari ad
almeno due volte la frequenza massima
ƒ Se un segnale ha frequenza f = 10 Hz, basta
campionarlo 20 volte al secondo per poter
ricostruire il segnale dai campioni
ƒ La voce umana occupa le frequenze al di
ƒ Per ottenere trasmissioni full-duplex la banda viene
sotto di 4000Hz
ƒ bastano 8000 campioni al secondo
spezzata in due
ƒ La sovrapposizione tra le due bande crea interferenze
[DA] Phase Shift Keying
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
[AD] Pulse Code Modulation
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ ogni campione è un segnale analogico (Pulse
Code Modulation, PCM)
ƒ ad ogni campione viene assegnato un valore
digitale (quantizzazione)
ƒ la quantizzazione introduce approssimazione nella
ricostruzione del segnale
ƒ più sono i livelli di quantizzazione e migliore è
l'approssimazione del segnale
ƒ Valori rappresentati modificando la fase del segnale
ƒ PSK differenziale
ƒ Fase cambia in funzione del bit precedente
Autunno 2004
[AD] Dati analogici e segnali digitali
Codificatore
Canale
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TEORIA (Lez. 1)
[AD] Pulse Code Modulation
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
Decodificatore
ƒ Per trasmettere dati analogici con segnali
digitali
ƒ Convertire i dati analogici in dati digitali
ƒ Trasmettere i dati digitali
ƒ Digitalizzazione
ƒ Processo di conversione di dati analogici in dati
digitali
ƒ Eseguito da un codec (codificatore/decodificatore)
ƒ Tecniche di digitalizzazione
ƒ Pulse code modulation
ƒ Delta modulation
ƒ In questo caso potremmo usare 15 livelli di
quantizzazione per rappresentare valori da 0 a 1.5
6
[AD] Codifica non lineare
Autunno 2004
Autunno 2004
40
[AA] Dati analogici e segnali analogici
TEORIA (Lez. 1)
37
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Livelli di quantizzazione non equamente spaziati
Modulatore
ƒ Più livelli di quantizzazione per segnali a bassa ampiezza
ƒ Riduce la distorsione complessiva
Canale
Demodulatore
ƒ Perchè modulare segnali analogici?
ƒ Permette di aumentare la frequenza ed ottenere una
trasmissione più efficiente
ƒ Permette di dividere il canale in sottocanali
indipendenti (FDM)
ƒ Tipi di modulazione
ƒ Ampiezza
ƒ Frequenza
ƒ Fase
[AD] Delta Modulation
(AM, Amplitude Modulation)
(FM, Frequency Modulation)
(PM, Phase Modulation)
Autunno 2004
38
TEORIA (Lez. 1)
[AA] Esempi
Autunno 2004
Interfacce
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Il segnale analogico è approssimato da una
funzione a scalini
ƒ ad ogni intervallo di campionamento la
funzione si sposta di δ in su o in giù
[AD] Prestazioni
Autunno 2004
ƒ Riproduzione della voce con PCM
ƒ Assumiamo 128 levelli (7 bit)
ƒ Larghezza di banda della voce 4kHz, quindi
ƒ
ƒ
ƒ
servono 8000 campioni al secondo
Tasso di trasmissione 8000 x 7 = 56kbps
Usando Nyquest, serve una larghezza di banda di
28kHz
Da 4kHz ce ne servono 28kHz
ƒ I vantaggi della trasmissione digitale fanno
accettare l'aumento di banda del segnale
ƒ La compressione dati può migliorare il
rapporto tra larghezza di banda del
messaggio originale e del messaggio
codificato
39
TEORIA (Lez. 1)
42
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Finora ci siamo occupati della trasmissione dei
dati
ƒ Segnali, mezzi trasmissivi, codifica
ƒ Un aspetto importante non ancora trattato è
l’interfacciamento fra il mezzo trasmissivo ed i
dispositivi ad esso collegati
ƒ Per poter scambiare dati tramite un mezzo
trasmissivo occorre un alto livello di
collaborazione
ƒ Bit trasmessi uno alla volta
ƒ Bisogna sapere e sincronizzarsi su
ƒ
ƒ
ƒ
Velocità di trasmissione
Durata dei singoli bit
Spaziatura fra i bit
7
Autunno 2004
Interfacce
ƒ Tali problemi sono risolti da un’interfaccia
altro al cavo di rete Ethernet
ƒ Quando non c’è nulla da trasmettere il
trasmettitore emette il bit 1: stato inattivo
ƒ Quindi un segnale con tensione costante pari al bit
ƒ Due tecniche
ƒ Asincrona
ƒ Sincrona
1 indica assenza di trasmissione
La scelta dei nomi è poco felice perché il problema
fondamentale è la sincronizzazione, quindi entrambe le
tecniche creano sincronia fra trasmittente e ricevente
ƒ Per iniziare a trasmettere un carattere si
trasmette prima uno 0
ƒ Lo 0 da la possibilità al ricevitore di “sincronizzarsi”
ƒ Il ricevitore sa che i il gruppo di 8 bit successivo fa
ƒ L’interfaccia legge il segnale sul mezzo
trasmissivo e interpreta tale segnale come una
sequenza di bit
parte del carattere trasmesso
Autunno 2004
Segnali e bit
ƒ Bit di stop: si ritorna nello stato inattivo, trasmettendo
ƒ
un bit 1 la cui durata è almeno pari ad una soglia
minima
ƒ Tipicamente due volte la durata di un normale bit
ƒ Poiché il bit di stop è lo stesso dello stato inattivo, il
Più elementi unitari del segnale
Es. codifica Manchester
Es. codifiche NRZ
ƒ
Es. segnali multilivello, codificano più bit
47
TEORIA (Lez. 1)
viene trasmesso un bit di parità
ƒ In generale un bit può corrispondere
ƒ
Autunno 2004
ƒ Vengono trasmessi gli 8 bit, ed alla fine degli 8 bit
ƒ Ricevente riceve il segnale
ƒ
Trasmissione asincrona
44
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Trasmittente genera un segnale
ƒ
46
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Ogni gruppo rappresenta un “carattere”
ƒ Es. codice EBCDIC, 8 bit
trasmissivo
ƒ Es. Interfaccia di rete Ethernet, connette un PC o
ƒ
Autunno 2004
ƒ Trasmette i bit in gruppi di 5-8 bit
ƒ Dispositivo fisico che connette il nodo al mezzo
ƒ
Trasmissione asincrona
43
TEORIA (Lez. 1)
Ad un elemento del segnale
trasmettitore continuerà a trasmetterlo fino al prossimo
carattere
Una frazione di elemento del segnale
ƒ Per semplicità assumiamo 1 elemento = 1 bit
ƒ
Non cambia molto per quanto riguarda la sincronizzazione
Trasmittente
I
I
Ricevente
(slide animata)
Ricezione del segnale
Autunno 2004
Clock skew
45
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Quando il ricevente riceve il segnale deve
interpretarlo
ƒ Vengono fatti dei campionamenti
Autunno 2004
48
TEORIA (Lez. 1)
ƒ Se i due clock non sono sincronizzati ci possono essere
errori
ƒ La sorgente ha un clock che governa la
temporizzazione dei bit trasmessi
ƒ 1 Mbps ⇒ 1 bit per ogni microsecondo
ƒ Ogni microsecondo è un slot temporale per la
trasmissione di un singolo bit
ƒ Il ricevitore campiona alla stessa velocità
ƒ Il tutto funziona se trasmittente e ricevente
sono sincronizzati
ƒ Il vantaggio di questo metodo è che il clock del
ricevitore si può sincronizzare ad ogni carattere
ƒ Svantaggio: si introduce molta ridondanza
ƒ
ƒ
2 bit ogni 10 non rappresentano dati, servono solo per la
sincronizzazione
Ridondanza del 20%
8
Trasmissione sincrona
Autunno 2004
Esempio d’uso
49
TEORIA (Lez. 1)
52
TEORIA (Lez. 1)
03: Received data
06: DCE Ready
08: Rec’d line signal
detector
ƒ I dati vengono spediti in blocchi di grandezza arbitraria
ƒ
Autunno 2004
Riduce la ridondanza
ƒ Ovviamente occorre sincronizzare in qualche altro
modo
ƒ Si usano dei bit, tipicamente 8, di sincronizzazione all’inizio
ƒ
(preambolo) ed alla fine del blocco (postambolo)
Inoltre ci sono dei bit di controllo
ƒ
HDLC: 48 bit fra controllo, preambolo e postambolo
ƒ Ridondanza
ƒ
Per un blocco dati di 1000 byte la ridondanza è di 48/8000=
0.6%
Esempio di interfaccia
Autunno 2004
Esempio d’uso
50
TEORIA (Lez. 1)
ƒ V.24/EIA-232-F (nota anche come RS-232)
segnale elettrico
ƒ Voltaggi +3V: bit di valore 0
ƒ
-3V: bit di valore 1 (quindi un NRZ-L)
02:
06:
20:
22:
Autunno 2004
Trasmitted data
DCE Ready
DTE Ready
Ring indicator
53
TEORIA (Lez. 1)
02: Trasmitted data
03: Received data
04: Request to send /
Ready to receive
05: Clear to Send
ƒ Usa un cavo con 25 pin, ognuno dei quali porta un
Esempio d’uso
Autunno 2004
Riepilogo
51
TEORIA (Lez. 1)
Autunno 2004
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TEORIA (Lez. 1)
ƒ Dati e segnali: Trasformazione analogicodigitale
ƒ Digitale-digitale
ƒ Codici e codifiche
ƒ Digitale-analogico
ƒ Tecniche di modulazione
ƒ Analogico-digitale
ƒ Compinamento
ƒ Analogico-analogico
ƒ Trasformazione
ƒ Interfacce
ƒ Riferimento: Stallings, Capitoli 5 e 6
9