Codifica dei Dati Perché Codificare i Dati?

Perché Codificare i Dati?
I se m estre 02/03
Š Il livello fisico consente la trasmissione su un
Codifica dei Dati
canale di una sequenza non strutturata di bit
„
„
Prof. Vincenzo Auletta
[email protected]
http://www.dia.unisa.it/~auletta/
Università degli studi di Salerno
Laurea e Diploma in Informatica
la forma di x(t) è
scelta
per
ottimizzare
la
trasmissione
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Tecniche di Codifica del
Segnale
Cooperazione TrasmettitoreRicevitore
Š Sono state sviluppate tecniche di codifica
Š Il livello fisico deve stabilire le regole della
differenti per ciascuna delle combinazioni di dati
e segnali
comunicazione
„
„
come il trasmettitore trasforma i dati in segnali
elettromagnetici
come il ricevitore estrae da un segnale elettromagnetico i
dati
„
„
Š le regole dipendono dal mezzo di trasmissione
Š Trasmettitore e ricevitore devono accordarsi e
„
„
cooperare per garantire alcune proprietà
„
„
3
„
tipo e livello del segnale
tipo di codifica/decodifica dei dati
temporizzazione del segnale
sequenza
di
bit
codificata
in
segnali
elettromagnetici
la forma dei segnali è scelta per ottimizzare la
trasmissione
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Dati
Dati
Dati
Dati
digitali e segnali digitali
digitali e segnali analogici
analogici e segnali digitali
analogici e segnali analogici
Dati Digitali e Segnali Digitali
Parametri Caratteristici
Š un segnale digitale è una sequenza di impulsi
Š Tasso dei dati
di voltaggio, discontinui
ampiezza costante
„
e
discreti,
di
„
Š Durata o lunghezza di un bit
ogni impulso è un elemento di segnale
„
Š I dati binari sono codificati in impulsi di
tempo impiegato dal trasmettitore per emettere l’elemento
di segnale che codifica il bit
Š Tasso di modulazione
voltaggio
„
tasso di trasmissione dei dati (bps)
„
es. impulso positivo = 1
impulso negativo = 0
tasso a cui i segnali sono trasmessi
(baud = elementi di segnale al secondo)
Š in realtà si usano codifiche più complesse per
5
ottimizzare l'uso del mezzo trasmissivo
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Proprietà di uno Schema
di Codifica
Tipi di Codifica
Š Unipolare
„
Š Spettro del segnale
tutti gli elementi di segnale hanno lo stesso segno
„
Š Bipolare
„
uno stato logico rappresentato da una tensione positiva e l'altro
stato logico rappresentato da una tensione negativa
„
se mancano alte frequenze serve minor larghezza
di banda
concentrare la potenza del segnale al centro della
banda diminuisce la distorsione
Š Temporizzazione
„
„
7
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permette la sincronizzazione di trasmettitore e
ricevitore
può utilizzare un clock esterno oppure un
meccanismo di sincronizzazione basato sul segnale
Proprietà di uno Schema
di Codifica
Schemi di Codifica
Š Individuazione degli errori
Š Nonreturn to Zero
la codifica può favorire l'individuazione di alcuni errori
di trasmissione
„
„
„
Š Costo e complessità
Š Binari Multilivello
costo dipendente dal tasso di segnalazione
alcuni codici richiedono un tasso di modulazione
superiore al tasso dei dati
„
„
„
„
„
Manchester
Differential Manchester
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Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
Nonreturn to Zero Inverted
Š Due diversi livelli di voltaggio
Š Dati codificati con presenza o assenza di
„
„
„
voltaggio costante durante l'intero intervallo di trasmissione
del bit
es. voltaggio positivo denota 0 e assenza di voltaggio denota
1
tra un intervallo e il successivo il segnale non ritorna a livello
zero
transizione del segnale all'inizio dell'intervallo
del bit
„
„
una transizione denota un 1
nessuna transizione denota uno 0
Š detta "codifica differenziale"
Š utilizzato per codificare/interpretare dati digitali
da/per terminali
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Bipolar -AMI
Pseudoternary
Š Bifase
„
9
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
„
12
meno soggetta a rumore perchè non effettua nessun
confronto con valori di riferimento
Pro e Contro di NRZ
Codici Binari Multilivello
Š Pro
Š Utilizzano più di due livelli di segnale
Š Bipolar-AMI
„
„
facile da progettare
usa tutta la larghezza di banda disponibile
Š Contro
„
„
livello 0 rappresenta uno 0
livelli positivo e negativo rappresentano un 1
polarità utilizzata alternativamente
„
„
contiene una componente dc
manca di capacità di sincronizzazione
„
Š una sequenza di 0 codificati con un segnale costante
Š in genere non utilizzata per trasmissione
Š Pseudoternary
13
14
invertito rispetto a Bipolar-AMI
Pro e Contro dei Codici Binari
Multilivello
Codici Bifase
Š Pro
Š almeno una transizione di segnale per ogni intervallo
„
„
„
di bit
nessuna componente dc
l’alternanza
delle
polarità
semplifica
l'individuazione di errori di trasmissione
consente sincronizzazione per sequenze di 1
„
„
„
„
„
non sono efficienti come NRZ
ogni elemento di segnale rappresenta un bit
mentre ne potrebbe rappresentare log23 = 1.58
a parità di BER richiede maggiore potenza di
trasmissione
migliori proprietà di sincronizzazione
l'assenza della transizione individua un errore di trasmissione
Š Contro
Š Contro
„
a volte due transizioni
Š Pro
Š bisogna evitare di trasmettere lunghe sequenze di 0
15
„
„
„
il massimo tasso di modulazione è doppio di quello di NRZ
richiede più larghezza di banda
Š non utilizzabile per comunicazioni ad alta velocità su lunghe
distanze
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Manchester
Manchester Differenziale
Š Una transizione al centro di ogni intervallo di
Š Una transizione all'inizio ed al centro di ogni intervallo
di bit
bit
„
„
„
transizione dal basso verso l'alto codifica un 1
transizione dall'alto verso il basso codifica uno 0
„
„
Š la transizione codifica sia l'informazione che il
„
Š codifica differenziale
Š utilizzata in token ring
clock
Š utilizzata in Ethernet
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transizione centrale codifica solo il clock
transizione iniziale codifica l'informazione
presenza di una transizione iniziale codifica uno 0
assenza di una transizione iniziale codifica un 1
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Tasso di Modulazione
Scrambling
Š tecniche utilizzate
per eliminare lunghe
sequenze di bit codificate con livelli di segnale
costante
„
„
sostituisce le sequenze con altre sequenze
necessarie perchè ad alti tassi di trasmissione non
si possono utilizzare codifiche bifase
Š La sequenza introdotta deve
„
„
„
19
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avere abbastanza transizioni di segnale
essere riconoscibile dal ricevitore che la deve
sostituire con la sequenza originale
avere la stessa lunghezza della sequenza originale
Esempio di Scrambling con
B8ZS e HDB3
Tecniche di Scrambling
Š B8ZS (bipolare con sostituzione dell’ottavo
zero)
„
„
„
„
Basato su bipolar-AMI ma spezza le sequenze
troppo lunghe di 0 consecutivi
se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi)
era positivo codifica gli zeri con 000+-0-+
se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi
era negativo) codifica gli zeri con 000-+0+usato negli USA e in Canada
Š HDB3 (bipolare ad alta densità con 3 zeri)
„
simile a B8ZS ma usato in Europa e Giappone
21
22
Decodifica di B8ZS
Dati Digitali e Segnali Analogici
Š le sequenze introdotte violano il codice bipolar-
Š Utilizzato per trasmettere dati digitali sulla rete
telefonica pubblica
AMI
„
„
„
due coppie di impulsi nello stesso verso consecutivi
non si possono confondere con codifiche di dati
Š Conversione eseguita da un modem
Š la presenza di due violazioni consecutive di
„
segno opposto rende improbabile che le
violazioni siano provocate da rumore
Š il ricevitore individua la sequenza con violazioni
e la decodifica come otto zeri
23
rete progettata per gestire segnali analogici nella banda da
300Hz a 3400Hz
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stesse tecniche utilizzate anche per conversioni su altre bande
di frequenza (es. microonde)
Tecniche di Modulazione
Amplitude Shift Keying
Š La codifica è effettuata modulando un segnale
Š Valori rappresentati da diverse ampiezze della
portante
analogico base (portante)
„
alla portante viene sommato un secondo segnale che
codifica i dati digitali
„
in genere una ampiezza è 0 (assenza della portante)
Š inefficiente
„
Š La modulazione opera su uno dei parametri
„
caratteristici del segnale analogico
utilizzata su linee voice-grade per tassi di dati fino a 1200bps
utilizzata su fibre ottiche quando il trasmettitore è un LED
ampiezza (ASK)
frequenza (FSK)
fase (PK)
„
„
„
25
26
Frequency Shift Keying
FSK su linee Voice Grade
Š Valori rappresentati da due frequenze diverse
(vicine alla frequenza della portante)
„
più affidabile di ASK
Š Utilizzata per
„
„
„
tramissioni fino a 1200bps su linee voice grade
onde radio ad alta frequenza (3-30 MHz)
LAN su cavo coassiale
• per ottenere trasmissioni full duplex la banda
viene spezzata in due
•la sovrapposizione tra le due bande crea interferenze
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28
Phase Shift Keying
Dati Analogici e Segnali Digitali
Š valori rappresentati modificando la fase del segnale
Š per trasmettere dati analogici con segnali digitali
della portante
Š Differential PSK
„
bisogna
„
fase spostata in funzione del precedente bit trasmesso invece
che del segnale
„
Š digitalizzazione
Š uso più efficiente della banda distinguendo più fasi
„
convertire i dati analogici in dati digitali
trasmettere i dati digitali
„
QPSK distingue quattro fasi
„
processo di conversione di dati analogici in dati digitali
eseguito da un codec (codificatore/decodificatore)
Š tecniche di digitalizzazione
„
„
29
Pulse Code Modulation
Delta Modulation
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Teorema del Campionamento
Pulse Code Modulation
Š La voce umana occupa le frequenze al di sotto di
Campionare un segnale a intervalli regolari
ad un tasso maggiore di due volte la
frequenza massima
4000Hz
„
bastano 8000 campioni al secondo
Š ogni campione è un segnale analogico (Pulse
Amplitude Modulation, PAM)
„
„
il segnale può essere completamente
ricostruito dal campionamento
31
„
„
32
ad ogni campione viene assegnato un valore digitale
(quantizzazione)
la
quantizzazione
introduce
approssimazione
nella
ricostruzione del segnale
più sono i livelli di quantizzazione e migliore è
l'approssimazione del segnale
per ridurre la distorsione si usano intervalli di quantizzazione
di diverse dimensioni
Prestazioni
Dati Analogici e Segnali
Analogici
Š Riproduzione della voce
Š perchè modulare segnali analogici?
„
„
„
„
PCM - 128 levels (7 bit)
larghezza di banda della voce 4khz
tasso di trasmissione 8000 x 7 = 56kbps for PCM
larghezza di banda 28KH
„
„
Š tipi di modulazione
Š I vantaggi della trasmissione digitale fanno accettare
„
l'aumento di banda del segnale
Š la compressione dati può migliorare il rapporto tra
larghezza di banda del messaggio originale e del
messaggio codificato
33
„
„
ampiezza
frequenza
fase
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Spread Spectrum
Š modula
il segnale
casualmente
„
„
con
Tecniche di Dispersione
un
segnale
generato
Š Salto di frequenza
„
distribuisce il segnale su una banda più ampia
non è possibile prevedere la larghezza di banda del segnale
trasmesso
„
Š Utilizzata per trasmettere dati di ogni tipo con segnali
analogici
„
„
„
segnale diffuso su un insieme apparentemente
casuale di frequenze radio
il segnale salta da una frequenza all'altra a
determinati istanti
il decodificatore deve conoscere la sequenza dei salti
Š Sequenza diretta
rende difficile le intercettazioni
utilizzato nelle trasmissioni senza fili
„
„
35
permette di aumentare la frequenza ed ottenere una
trasmissione più efficiente
permette di dividere il canale in sottocanali indipendenti (FDM)
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ogni bit di dati rappresentato da N bit nel segnale
trasmesso (chipping code)
allarga la banda del segnale di un fattore N
Esempio di Trasmissione con
Spread Spectrum
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