Capitolo 3 Sistemi di comunicazione

Capitolo 3
Sistemi di comunicazione
In generale un sistema di comunicazione ha lo scopo di trasferire informazione
da un punto, detto sorgente, in una certa posizione e ad un certo istante, ad
un altro punto, detto utente. Restringeremo la descrizione dei sistemi di
comunicazione a quelli di tipo elettrico, ossia ai sistemi che fanno uso di un
segnale elettrico per trasferire l’informazione.
A seconda del numero e della disposizione degli utenti, i sistemi di comunicazione possono essere suddivisi in
• sistemi broadcast: sistemi che trasferiscono la medesima informazione
a piú utenti;
• sistemi punto–punto: sistemi che collegano due punti fissi nello spazio;
• sistemi portatili: sistemi di comunicazione trasportabili, ma che devono
essere fissi al momento dell’utilizzo;
• sistemi mobili: sistemi in cui l’utente puó essere in movimento durante
la comunicazione.
Mantenendo un alto livello di generalitá, possiamo scindere un sistema di
comunicazione nei blocchi fondamentali rappresentati in Fig. 3.1. In generale il messaggio informativo prodotto dalla sorgente puó essere non elettrico.
In ingresso dovremo avere perció un trasduttore (ad esempio un microfono)
che converta il messaggio in un segnale elettrico, detto segnale informativo. Analogamente, alla fine della catena, puó essere presente un opportuno
trasduttore (il trasduttore di uscita) per convertire il segnale elettrico ricevuto in una forma appropriata alla particolare applicazione (ad esempio un
altoparlante).
Una suddivisone fondamentale dei sistemi di comunicazione si ha in base
al tipo di informazione che deve essere trasferita. In particolare distinguiamo
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CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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Trasmettitore
Sorgente
Trasduttore
di ingresso
Elaborazione
Modulatore
Canale di
trasmissione
Ricevitore
Utente
Trasduttore
di uscita
Elaborazione
Demodulatore
Figura 3.1: Blocchi fondamentali costituenti un sistema di comunicazione.
• sorgenti di informazione analogiche: producono un segnale informativo
definito su un insieme continuo, ossia un segnale che puó assumere
un qualsiasi valore tra un valore minimo ed un valore massimo. Un
esempio di sorgente analogica é il microfono;
• sorgenti di informazione discreta: producono un segnale informativo
definito su un insieme con un numero finito di elementi, ossia un segnale
che in ogni istante puó essere uguale ad uno tra un certo numero di
simboli o valori. Un esempio di sorgente discreta é la macchina da
scrivere, ad ogni istante puó generare un simbolo tra quelli compresi
tra i caratteri alfanumerici.
In base a tale distinzione si ha la classificazione seguente
• sistemi di comunicazione analogici: sistemi che trasferiscono informazione tra una sorgente analogica e l’utente;
• sistemi di comunicazione discreti o digitali: sistemi che trasferiscono
informazione tra una sorgente discreta e l’utente;
• sistemi di comunicazione ibridi: sistemi che trasferiscono informazione
tra una sorgente analogica e l’utente utilizzando tecniche proprie dei
sistemi di comunicazione digitali.
Usualmente la sorgente e l’utente sono in punti diversi dello spazio, spesso
molto distanti tra loro. Il canale di trasmissione é quell’oggetto che fornisce
la connessione elettrica tra di essi. Il canale puó essere di differente natura.
In particolare possiamo distinguere
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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• canali hardwire: linee telefoniche, cavi coassiali, fibre ottiche, ecc.;
• canali softwire: atmosfera, spazio esterno, acqua, ecc.
Il canale é una parte del sistema di comunicazione che puó non essere progettabile, ma imposta dalla particolare applicazione. Ad esempio, per il
collegamento con un aereo, l’unica possibilitá é l’utilizzo dell’atmosfera come
canale di trasmissione. Il canale é generalmente sorgente di degradazione, attenuazione e interferenza per il segnale trasmesso, in modo dipendente dalle
caratteristiche del canale stesso e del particolare segnale inviato attraverso
di esso.
Stabilito il canale di trasmissione, un sistema di comunicazione dovrá
far transitare l’informazione attraverso di esso in modo da fargli subire la
minore distorsione possibile. Questo é lo scopo del tramettitore. Dalla parte
dell’utente, il ricevitore si occuperá di determinare il segnale informativo
originario dal segnale in uscita dal canale nel modo piú fedele possibile.
Un particolare canale puó richiedere che il segnale trasmesso abbia particolari caratteristiche per transitarvi con la minore distorsione possibile. In
linea di principio se abbiamo a disposizione un certo canale e conosciamo un
particolare segnale che puó transitarvi, possiamo pensare di “sovrapporre”
ad esso il segnale informativo. Questa operazione prende il nome di modulazione, ed é realizzata dal blocco modulatore di Fig. 3.1. Come esempio
pratico possiamo considerare il caso (realistico) di un canale che richiede che
il segnale da trasmettere abbia uno spettro contenuto in una certa banda
attorno ad una frequenza centrale f0 . Questo é il caso dell’atmosfera o dello
spazio libero come canale. Non siamo in grado di trasmettere segnali con
frequenza troppo bassa attraverso di esso.
Per il caso considerato, un segnale con le caratteristiche cercate é una
sinusoide a frequenza f0 . Possiamo quindi pensare di sovrapporre il nostro
segnale informativo su quest’onda per ottenerene una contenente l’informazione da trasmettere ed in grado di attraversare il canale. In tal caso il
processo di modulazione consiste nella variazione sistematica di un attributo
della sinusoide, che prende il nome di onda portante, in funzione del segnale
informativo m(t) da trasmettere, detto segnale modulante. A seconda del
parametro dell’onda portante Asin(2πf0 t + φ) variato in funzione del segnale
informativo m(t) si hanno i tipi di modulazioni seguenti.
1. Modulazione di ampiezza (AM: Amplitude Modulation). L’ampiezza
dell’onda portante viene variata in funzione del segnale informativo
m(t). Ad esempio secondo la legge
A(t) = V0 [1 + αm(t)]
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con α valore costante. L’informazione é cosı́ contenuta nell’ampiezza
del segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig. 3.2.
2. Modulazione di frequenza (FM: Frequency Modulation). La frequenza istantanea dell’onda portante viene variata in funzione del segnale
informativo m(t)
d(2πf0 t + φ(t))
= 2πf0 + αm(t)
dt
con α valore costante. L’informazione é cosı́ contenuta nella frequenza
del segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig. 3.3.
3. Modulazione di fase (PM: Phase Modulation). La fase istantanea
dell’onda portante viene variata in funzione del segnale informativo
m(t)
φ(t) = αm(t)
con α valore costante. L’informazione é cosı́ contenuta nella frequenza
del segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig. 3.4.
Nel caso di un segnale informativo digitale, il segnale modulante potrá assumere ad ogni istante solo uno tra un certo numero di simboli. Ad esempio,
nel caso si debba trasmettere una sequenza di bit, il segnale informativo sará
costituito da una successione di 1 e 0. Se il sistema deve trasmettere N bit
al secondo, il tempo di durata di un bit sará di 1/N secondi. Corrispondentemente al segnale modulante, anche anche i parametri dell’onda portante
potranno assumere solo un numero discreto di valori (due nel caso di trasmissione di un bit alla volta). Considerando, ad esempio, una modulazione
di frequenza, ció si traduce nell’associazione di una certa frequenza (f0 ) alla
trasmissione di un bit 0 e di un’altra frequenza (f1 ) alla trasmissione di un bit
1, come evidenziato in Fig. 3.5. Tale sistema di modulazione, utilizzato nei
modem telefonici, prende il nome di FSK (Frequency Shift Keying). L’ampiezza di banda di un tale segnale é inversamente proporzionale alla durata
di un bit, evidenziando il fatto che una maggiore velocitá di trasmissione
richiede una maggiore larghezza banda.
É da notare che con lo stesso principio si possono trasmettere piú bit alla
volta, associando una frequenza diversa alle varie combinazioni di bit. Ad
esempio, considerando 2 bit alla volta, avremo 4 combinazioni e il sistema
(detto 4-FSK) associerá una frequenza diversa ad una delle 4 combinazioni
di due bit.
Fino adesso abbiamo fatto riferimento ad un’onda sinusoidale come onda
portante. Le onde portanti di questo tipo sono dette continue. In contrapposizione ad esse troviamo le modulazioni impulsive, in cui l’onda portante
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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Figura 3.2: Segnali nella modulazione AM: segnale modulante (in alto),
portante (al centro), modulato (in basso).
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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Figura 3.3: Segnali nella modulazione FM: segnale modulante (in alto),
portante (al centro), modulato (in basso).
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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Figura 3.4: Segnali nella modulazione PM: segnale modulante (in alto),
portante (al centro), modulato (in basso).
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Figura 3.5: Segnali per una modulazione FSK. Segnali corrispondenti ai bit
0 e 1 (in alto), segnale corrispondente alla sequenza 10011.
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Figura 3.6: Segnali per una modulazione PAM. In alto: segnali corrispondenti
ai bit 1 e 0 per una modulazione di tipo NRZ e RZ. In basso: segnale NRZ
corrispondente alla sequenza 10011.
é di tipo impulsivo, spesso un’onda quadra. Analogamente a quanto visto,
il modulatore varierá, in base al segnale informativo, un parametro di quest’onda. Ad esempio, in Fig. 3.6 l’ampiezza dell’onda portante é variata in
base al bit da trasmettere. In tal caso si parla di modulazione PAM (Pulse
Amplitude Modulation).
Tramite un processo duale, la demodulazione, il ricevitore estrae il segnale
informativo a partire dal segnale ricevuto, degradato dagli effetti indesiderati
introdotti dal canale (attenuazione, rumore, interferenza, ecc.). Tale degradazione puó ripercuotersi sul segnale informativo estratto e inviato all’utente.
Per un dato tipo di modulazione ci possono essere diverse tecniche di demodulazione, che comportano complessitá, accuratezza nel ricostruire il segnale
informativo inviato e costi diversi.
3.1
Sistemi di comunicazione digitale
Nel caso di un sistema di comunicazione digitale la sorgente informativa é
di tipo discreto e due esempi di possibili segnali trasmessi sono riportati
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
Sorgente
digitale
Codifica
di sorgente
Codifica
di canale
Sequenza di
simboli
Utente
Decodifica
di sorgente
Flusso
binario
Decodifica
di canale
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Modulatore
Segnale
analogico
Canale di
trasmissione
Demodulatore
Figura 3.7: Blocchi fondamentali di un sistema di comunicazione digitale.
nelle Figg. 3.5, 3.6. I blocchi funzionali di un sistema di comunicazione
digitale sono rappresentati in Fig. 3.7. In particolare notiamo la presenza
di due nuovi blocchi: il codificatore di sorgente ed il codificatore di canale,
a cui corrispondono i blocchi duali di decodifica di sorgente e di canale al
ricevitore. Il codificatore di sorgente provvede a rappresentare in un alfabeto
binario i simboli in uscita dalla sorgente informativa. Nota la statistica con
cui si presentano tali simboli, é possibile progettare la codifica di sorgente
per minimizzare il numero di bit al secondo da trasmettere.
Al contrario, il codificatore di canale introduce ridondanza (bit aggiuntivi
non informativi) in maniera controllata per consentire la rilevazione e la
correzione di un certo numero di eventuali errori di trasmissione provocati
dalla degradazione del segnale introdotta dal canale. Ció avviene a spese di
una complicazione del sistema e di una riduzione del flusso informativo, ci
sono piú bit da trasmettere e quindi meno bit informativi al secondo.
Rispetto ai sistemi di comunicazione analogici, i sistemi di comunicazione
digitali presentano una serie di vantaggi. Tra i maggiori troviamo
• l’utilizzo di circuiti digitali di costo relativamente contenuto;
• possibilitá di criptare i dati per la privacy;
• l’integrazione di dati di differente natura (voce, video, dati, ecc.) sul
medesimo sistema e canale;
• gli errori di trasmissione possono essere rilevati e/o corretti mediante
l’impiego di codificatori di canale.
Gli svantaggi possono consistere in
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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• una maggiore larghezza di banda richiesta;
• necessitá di sincronizzazione.
Con l’ultimo punto si intende la necessitá, da parte del ricevitore, di ricostruire il riferimento temporale utilizzato dal trasmettitore, ad esempio per
determinare, nel segnale ricevuto, gli istanti iniziali relativi ai singoli bit, o
per individuare il primo di una serie di bit trasmessi.
3.1.1
Codifica di canale
Come detto, prima della modulazione, in un sistema di comunicazione digitale, al flusso di bit informativi puó essre applicata una codifica di canale per
proteggere le informazioni dagli errori di trasmissione dovuti, ad esempio, alla
degradazione del segnale nell’attraversamento del canale. Ció avviene tramite l’introduzione di ridondanza controllata, ossia tramite l’introduzione di
alcuni bit di controllo (non informativi), a spese della velocitá di trasmissione
di bit informativi.
Non ci addentreremo nella teoria dei codici, ma riporteremo solo due
semplici esempi per far comprendere come sia possibile la protezione dei dati
tramite il loro utilizzo. Come primo esempio possiamo considerare la pura
ripetizione dei bit informativi per un numero dispari di volte. Con ció intendiamo che il codice forma la sequenza di bit da trasmettere semplicemente
ripetendo un numero dispari di volte i bit al suo ingresso. In ricezione sceglieremo il bit che si presenta per un numero maggiore di volte in ogni pacchetto
di bit ripetuti. Ció é chiarito dall’esempio seguente (si ripete un bit 3 volte):
flusso informativo
flusso trasmesso (codificato)
errori di canale (×)
flusso ricevuto
flusso decodificato (informativo)
0
000
−−−
000
0
1
111
×−−
011
1
1
111
−×−
101
1
0
000
×−×
101
1
1
111
−−−
111
1
Le caratteristiche di questo codice sono le seguenti
• é un codice blocco, ossia opera su blocchi di bit informativi (1) in modo
indipendente;
• rivela 2 errori (vedi il flusso ricevuto relativo ai bit 2, 3 e 4);
• corregge un errore (i bit 2 e 3 sono corretti, il bit 4 é decodificato in
modo errato);
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
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• ha velocitá 13 , ossia si trasmette un bit informativo su 3.
Come secondo esempio considereremo i codici di paritá. Questi sono un
altro esempio di codici blocco, in grado solamente di rilevare 1 errore. É
quindi utilizzato nelle situazioni in cui un errore é un evento relativamente
poco frequente. Ad esempio un controllo di paritá é implementato in alcuni
tipi di memorie. Un codice di paritá consiste nell’introduzione di un bit di
ridondanza in ogni blocco di un certo nuemro di bit informativi. Tale bit di
ridondanza (detto di paritá) viene posto a 1 o 0 per avere rispettivamente
un numero totale di bit 1 pari (codice a paritá pari) o dispari (codice a
paritá dispari). Se si verifica un errore il numero di 1 da pari diventa dispari
e viceversa rivelando l’errore. Una coppia di errori sul medesimo blocco é
invece non rivelabile.
Per chiarire il funzionamento consideriamo l’esempio seguente, in cui si
supponde di lavorare su blocchi di 7 bit informativi, applicando un codice di
paritá pari.
bit informativi 0 1 1
bit di paritá
errore di canale - - bit ricevuti 0 1 1
0
1
0
× - 1 1 0
0
0
1
1
Il decodificatore, verificando che la paritá pari non é piú rispettata in
quanto si ha un numero dispari di 1, rivela l’errore.
3.2
Codice ASCII
Come esempio di codifica di una sorgente di simboli alfanumerici (ad esempio
una tastiera), citiamo la codifica ASCII (American national Standard Code
for Information Interchange), che risale al 1967. Utilizza 8 bit per carattere,
dei quali 7 sono utilizzati per il simbolo ed 1 per un controllo di paritá. Con 7
bit si hanno 27 = 128 combianzioni. Oltre ai dati alfanumerici trovano posto
anche caratteri speciali (line feed, form feed, ecc.) e sequenze di controllo (ad
esempio end of transmission), ossia con un particolare significato, stabilito a
priori, che riguarda le modalitá di scambio di informazione (Fig. 3.8).
Oggi, nei computer, viene utilizzato il cosiddetto extended–ASCII, in cui
anche l’ottavo bit é utilizzato per rappresentare un carattere. Si rende cosı́
piú ampia la gamma dei caratteri disponibili, comprendendo simboli, ecc..
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
Figura 3.8: Codici ASCII
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CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
DTE
Data
Terminal
Equipment
dati
controllo
Modem
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dati
controllo
Canale
DTE
Data
Terminal
Equipment
controllo
controllo
Modem
dati
dati
Figura 3.9: Sistema di comunicazione dati.
3.3
Segnali di controllo
Parlando della codifica ASCII, abbiamo evidenziato come, oltre a sequenze
di bit che rappresentano informazione, possono essere presenti (ossia definite
in fase di progetto) sequenze di bit che rappresentano delle informazioni di
controllo. In generale, lo scambio di informazioni di controllo, che servono
a regolare, ad esempio, il flusso di informazione, comprendendo segnali di
errore, indicazione di terminale occupato, ecc., é sempre previsto in un sistema di comunicazione digitale. Questi possono essere trasmessi su una linea
separata, oppure sulla solita linea in cui viene trasmessa l’informazione. In
quest’ultimo caso, particolari sequenze di simboli, stabilite a priori, saranno
associate ai vari segnali di controllo.
Dal punto di vista di un utente, un sistema di comunicazione dati puó
quindi essere schematizzato nel modo rappresentato in Fig. 3.9, in cui é
ipotizzato che i due utenti possano scambiare informazione nei due sensi. I
due terminali si scambiano dati, e segnali di controllo, tramite i modem. Un
modem (generico, non solo quello telefonico), nome nato dalla contrazione di
MOdulator/DEModulator, si occupa di far transitare i segnali nel canale di
trasmissione.
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
27
Simplex
Terminale 1
Terminale 2
Half-duplex
Terminale 1
Terminale 2
Full-duplex
Terminale 1
Terminale 2
Figura 3.10: Modalitá simplex (in alto), half–duplex (al centro), full–duplex
(in basso).
Per concludere, la trasmissione tra i due utenti del sistema di comunicazione dati puó avvenire con tre diverse modalitá, che dipendono dalla
particolare realizzazione. In particolare, possiamo avere (Fig. 3.10)
• modalitá simplex: la trasmissione puó avvenire in una sola direzione;
• modalitá half–duplex: la trasmissione puó avvenire in entrambe le
direzioni, ma per una direzione alla volta;
• modalitá full–duplex: la trasmissione puó avvenire in entrambe le direzioni, anche contemporaneamente.
CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE
28
Campionamento
Quantizzazione
m(t)
3 bit = 8 livelli
Livello 7: 111
Livello 4: 100
t
Ts=1/fs
t
Figura 3.11: Digitalizzazione di un segnale. Campionamento (a sinistra) e
quantizzazione (a destra).
3.4
Trasmissione di segnali analogici con sistemi digitali
Utilizzando sistemi di comunicazione digitale é possibile trasferire anche segnali analogici (sistemi di comunicazione ibridi), ad esempio la voce. Per far
ció dobbiamo “digitalizzare” il segnale analogico in ingresso, ossia trasformarlo in una sequenza di simboli (binari). Questo viene fatto in due passi:
campionamento e quantizzazione.
L’operazione di campionamento consiste nella selezione di una successione dei valori del segnale presi in istanti temporali equispaziati di Ts = 1/fs ,
come schematizzato in Fig. 3.11. Ts e fs prendono il nome, rispettivamente,
di passo e frequenza di campionamento. É possibile mostrare che, secondo
il teorema del campionamento (o di Shannon), un segnale puó essere ricostruito senza errori a partire da un suo campionamento se la frequenza di
campionamento fs é maggiore dedl doppio della sua banda.
Una volta campionato, si provvede alla quantizzazione del segnale. Con
ció si intende la rapresentazione dei valori del segnale campionato con un
numero discreto di elementi. In pratica si suddivide l’intervallo tra il minimo
ed il massimo valore che i campioni del segnale puó assumere in un certo
numero di livelli, e associamo ai campioni del segnale un simbolo corrispondente al livello in cui cadono (Fig. 3.11). Tale operazione introduce sempre
un errore, tanto minore quanto piú sono i livelli (o i bit) utilizzati (2b livelli
per b bit).
Alla fine del processo di campionamento e quantizzazione avremo un flusso informativo binario di fs b bit al secondo, che potremo trasmettere con un
sistema di comunicazione digitale. In ricezione il segnale analogico puó essere
ricostruito a partire dalla sua versione digitale tramite l’operazione inversa
alla quantizzazione per riottenere una sequenza di campioni del segnale, e
un’operazione di filtraggio.