trasmissione dei segnali

Reti di
calcolatori:
Physical Layer
Appunti di Sistemi
A cura del prof. ing. Mario Catalano
Trasmissione dati
Sorgente
Trasmettitore
Destinatario
Canale
Ricevitore
Tipo di messaggio e tipo di canale
possono essere differenti (analogici o
digitali)
Problema fondamentale: efficienza e
affidabilità
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 Unicast
 Broadcast
 Multicast
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Unicast
 In una trasmissione Unicast i dati vengono inviati
dal computer di origine direttamente a quello di
destinazione. Quando più PC devono ricevere
gli stessi dati questo tipo di trasmissione non
risulta efficiente perché vengono inviate sulla
rete copie multiple ognuna diretta a uno
specifico destinatario.
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Broadcast
 In una trasmissione di tipo Broadcast una
singola copia dei dati viene inviata a tutti i PC
che appartengono alla stessa sottorete del
computer di origine. Questo tipo di trasmissione
non fornisce buone prestazioni perché ogni
pacchetto inviato sulla rete deve essere
processato su tutti i calcolatori presenti
indipendentemente dai reali destinatari delle
informazioni.
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Multicast
 In una trasmissione di tipo Multicast una unica
copia dei dati viene inviata a tutti i PC che ne
fanno richiesta. Poiché non vengono inviate
copie multiple dello stesso dato, questo tipo di
trasmissione risulta particolarmente efficace
quando le informazioni devono essere inviate a
più destinatari.
 Molti servizi internet usano il Multicasting per
videoconferenze, streaming audio e video,
ecc…
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Trasferimento Parallelo
Ogni word (8, 16, 32 o
64 bit) è trasferita in un
singolo ciclo di clock
Trasferimento Seriale
Ogni word è trasferita
in n (8, 16, 32 o 64)
cicli di clock
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Canale di comunicazione
Tipo di mezzo
guidato
non guidato
Velocità di trasmissione (bit/sec)
Attenuazione  necessità di ripetitori
Problemi di interferenza maggiori nei mezzi non
guidati
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Principali mezzi e relative
velocità
Doppino telefonico (fino a 100Mbit/sec)
reti locali
Cavo coassiale (fino a 500Mbit/sec)
TV via cavo
Fibra ottica (oltre 2 Gbit/sec)
reti locali e geografiche
telecomunicazioni (TV e telefono)
Onde elettromagnetiche (ordine Tbit/sec)
comunicazioni viawww.itimedi.it
satellite
Caratteristiche della
comunicazione
Tecnica di trasmissione
sincrona o asincrona
Tipo di collegamento
half duplex o full duplex
Multiplexing
a divisione di tempo o di frequenze
modulazione di frequenza
Tipo delle linee
dedicate o commutate
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Funzioni del livello fisico
• Operazioni
di codifica e decodifica dei dati.
• Funzioni di modulazione e demodulazione (per
la Larga Banda).
• Interfacciamento col mezzo fisico.
• Reiezione dei disturbi attraverso filtri.
• Fornire un canale con la larghezza di banda
desiderata e bassa frequenza di errore .
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Codifica dei dati
Rappresentazione dei bit come segnali elettrici per la
loro trasmissione su un mezzo fisico.
• Capacità di contenere informazioni di temporizzazione.
• Efficienza come immunità ai disturbi.
• Capacità di rivelare errori o correggerli.
• Densità spettrale favorevole.
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CODIFICA ON-OFF
• Return to Zero (RZ): un 1 è codificato come mezzo impulso rettangolare
p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
0
1
1
0
0
1
0
1
0
T0
• Non Return to Zero (NRZ): un 1 è codificato come un impulso rettangolare
p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
1
0
1
1
0
0
T0
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0
1
0
Hanno lo stesso spettro in frequenza.
Sy(f)
0
f0
2f0
3f0
4f0
5f0
• La larghezza di banda richiesta è 2f0
• Presenta una componente continua.
• Non ha capacità di rivelazione o correzione d’errore.
• Non è trasparente.
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f
CODIFICA MANCHESTER
• Un 1 è codificato come un impulso p(t); uno 0 è codificato come -p(t).
p(t)
1
T0/2
-T0/2
0
t
-1
Forma dell’impulso p(t)
0
1
0
0
0
1
1
0
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0
1
0
1
1
Sy(f)
0
f0/2
f0
3f0/2
2f0
f
• Assenza di componente continua.
• Self clocking.
• Permette la creazione di delimitatori basati sulla presenza di violazioni
del codice.
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Effetto dei mezzi trasmissivi
Poiché i segnali sono attenuati e distorti dai mezzi trasmissivi, un
ricevitore può essere incapace di distinguere correttamente i bit 1
dagli 0.
L’attenuazione e la distorsione sono fortemente influenzati da :
• tipo di mezzo trasmissivo
• bit rate del dato trasmesso
• distanza fra i dispositivi comunicanti.
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Cause di Attenuazione e Distorsione
• Attenuazione : limita la lunghezza massima del mezzo
fisico (uso di amplificatori). Inoltre varia con la
frequenza e distorce il segnale digitale.
• Larghezza di Banda limitata : attenua le armoniche
più elevate del segnale.
• Propagation
Delay : varia con la frequenza e
introduce distorsione.
• Noise : Crosstalk noise, thermal noise.
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•
INTERSIMBOL INTERFERENCE (ISI)
Pulse
response
Input
pulse
• Il graduale decadimento degli impulsi rettangolari crea problemi (ISI
fra
(a)
(b)
impulsi adiacenti).
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COMUNICAZIONE “BASEBAND”
• La trasmissione è ottenuta senza ricorrere alla modulazione.
• Economica.
• Le prestazioni sono limitate dalle presenza di rumore additivo.
Noise
Received
signal
Transmitted
signal
Transmitter
Si
Channel
+
+
+
Sr
Receiver
So
Output
signal
L
• L’uso di ripetitori limita la degradazione del rapporto S/N con la
distanza.
Channel segments
Source
Repeater 1
L2
L1
Destination
Repeater 2
Ln
S1
S0
N1
N0
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COMUNICAZIONE BROADBAND
• Nei sistemi Baseband la maggior parte della potenza è concentrata alle basse frequenze.
• I sistemi Broadband permettono di spostare la potenza, in una regione opportuna dello
spettro.
• Miglioramento dell’efficienza di radiazione (la dimensione di un’antenna dovrebbe essere
l/10).
• Riduzione dei disturbi e delle interferenze.
• Possibilità di assegnare frequenze opportune.
• Capacità di multiplexing.
Time Division Multiplexing (TDM)
Frequency Division Multiplexing (FDM)
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TIME DIVISION MULTIPLEXING (TDM)
• Il mezzo fisico è condiviso fra un certo numero di segnali.
• Il tempo è diviso in “time slots”.
• Se gli slots sono preassegnati il multiplexing è sincrono.
• Se gli slots non sono preassegnati il multiplexing è asincrono.
• Bit interleaving.
• Word interleaving.
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FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING
• Diversi segnali condividono la larghezza di banda del mezzo.
• Ciascun segnale ha una differente frequenza di portante.
• Le portanti sono adeguatamente separate per evitare sovrapposizioni.
• Ogni portante può essere modulata in modo diverso.
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Banda nella modulazione di frequenza
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BANDA BASE / LARGA BANDA
Banda base
• Semplice ed economica da installare.
• Richiede interfacce economiche.
• Offre un singolo canale digitale fino a 10 Mps per una distanza di 1Km.
Larga banda
• La progettazione e la manutenzione richiede esperti in tecniche in radiofrequenza.
• Gli amplificatori devono essere tarati periodicamente.
• Gli Headend richiedono una manutenzione accurata (hanno un ruolo critico).
• Le interfacce sono più costose di quelle in banda base.
• Offre canali multipli per dati, voce, video su lunghezze di decine di Km.
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Mezzi di trasmissione
 conduttori in rame: si usa corrente elettrica per trasferire dati lungo un
mezzo di comunicazione
 fibre ottiche: i dati vengono trasportati per mezzo di onde luminose
immesse in fibre di vetro miniaturizzate incapsulate in un involucro di
plastica
 onde radio: i dati vengono trasmessi per mezzo di onde radio
elettromagnetiche. Non è necessario un collegamento fisico diretto fra
calcolatori, bensì un’antenna in grado di ricevere e trasmettere frequenze
radio
 microonde: si usano radiazioni elettromagnetiche di frequenza più alta delle
onde radio. Le microonde si propagano in una sola direzione; necessitano di
un percorso privo di ostacoli fra sorgente e ricevente
 raggi infrarossi: i dati sono trasmessi da raggi infrarossi. La comunicazione
è limitata a un’area circoscritta (es. un solo locale). Necessitano un
hardware poco costoso (no antenne)
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Comunicazione a breve distanza e a lunga
distanza
 Comunicazione a breve distanza
Modalità di comunicazione utilizzata per i dispositivi
fisici interconnessi direttamente con cavi della
lunghezza di pochi metri: comunicazione locale
asincrona
 Comunicazione a lunga distanza
Modalità di comunicazione utilizzata per l’invio di
segnali lungo dispositivi fisici della lunghezza di
parecchi chilometri: portanti,
www.itimedi.it modulazione e modem
Larghezza di banda e trasmissione
 Larghezza di banda: è pari alla più alta frequenza con la
quale un dispositivo può passare da un segnale all’altro
Si misura in cicli al secondo o Hertz
Dipende dalle proprietà fondamentali della materia e
dell’energia
 Ogni dispositivo di trasmissione ha una larghezza di banda
finita, indipendentemente dal fatto che usi onde radio,
suono, corrente elettrica o luce
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Trasmettere corrente elettrica a lunga
distanza
 La corrente elettrica non è in grado di coprire distanze
arbitrarie; la resistenza del rame trasforma in calore una piccola
parte dell’energia. Questo provoca una perdita di segnale.
È così impossibile usare una semplice variazione di tensione
per trasmissioni su lunghe distanze
 Un segnale elettrico oscillante è in grado di propagarsi per
distanze maggiori rispetto ad altri segnali
Si utilizzano segnali oscillanti (sinusoidali) per trasmettere
segnali elettrici a lunga distanza (portante o carrier)
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Ripetitori
Nelle Reti possono essere usati vari
mezzi trasmissivi, ognuno con precisi
limiti nella lunghezza massima dei
cavi
Se intendiamo estendere la rete oltre questi limiti è necessario
aggiungere alla rete dei Repeater (ripetitori).
La loro funzione è quella di rigenerare e risincronizzare il
segnale a livello dei bit per permettergli di viaggiare per
distanze maggiori di quelle consentite dai cavi.
Essi sono usualmente dispositivi con un’unica porta di
ingresso ed un’unica porta di uscita.
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La modulazione
 Per trasmettere e codificare i dati, il mittente
modifica leggermente la portante. L’insieme di
tali modifiche viene detto modulazione
 Il dispositivo di trasmissione genera un segnale
portante modulato in funzione dei dati da
trasmettere
 Il dispositivo ricevente riconosce la portante,
rivela la modulazione e restituisce i dati originari
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Modulazione d’ampiezza
Modulare in ampiezza vuol dire far
variare l'ampiezza di una portante a
radiofrequenza secondo l'ampiezza di una
modulante a bassa frequenza.
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Dispositivi per la modulazione e demodulazione
 Modulatore: circuito che modula un’onda portante in
funzione di una sequenza di bit
 Demodulatore: circuito che estrae una sequenza di bit
da una portante modulata
 La trasmissione di dati su lunghe distanze richiede
quindi l’uso di un modulatore e di un demodulatore ai
due capi della linea
 I due apparati vengono incorporati in un unico
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dispositivo, il modem (modulatore
e demodulatore)
Modem: tipologie
Modem a frequenza radio (RF): trasmette
informazioni per mezzo di onde radio.
Stanno crescendo di importanza a seguito
dell’interesse verso la comunicazione
senza fili
Modem telefonici: utilizza la rete telefonica
per trasmettere dati tra calcolatori
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 Cavo coassiale
 Cavo a doppini
intrecciati
 Fibra ottica
 Connessioni wireless
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Cavo coassiale
 Il cavo coassiale è stato per molti anni il sistema di
cablaggio più utilizzato per l’implementazione di una
rete perché combina costi relativamente molto limitati
a caratteristiche di leggerezza e flessibilità che ne
rendono agevole l’istallazione.
 La struttura base di un cavo coassiale è costituita da
un conduttore interno in rame rivestito da uno strato di
materiale isolante avvolto in una calza metallica
flessibile in rame o alluminio il tutto circondato da una
guaina isolante esterna.
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Cavo coassiale
 La schermatura, costituita da una calza metallica
intrecciata, serve per isolare i dati che viaggiano
all’interno del cavo dalle interferenze elettromagnetiche
esterne, i disturbi, ed impedire la conseguente
distorsione del segnale che porta le informazioni.
L’anima del conduttore centrale può essere costituita da
un filo pieno o da conduttori intrecciati.
 Rispetto al cavo a doppini intrecciati il cavo coassiale
offre una migliore protezione ai disturbi e una minore
attenuazione
del
segnale
in
propagazione.
L’attenuazione consiste nella diminuzione della potenza
del segnale che viaggia lungo il supporto fisico.
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Struttura base
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Cavi coassiali sottili
 I cavi coassiali di tipo Thinnet risultano flessibile e facile da
istallare; per questo è stato largamente utilizzato in passato in
moltissime implementazioni di rete.
 Quando la lunghezza del cavo eccede il limite massimo
l’attenuazione e le interferenze elettromagnetiche rendono il
segnale trasmesso inutilizzabile.
 Il cavo Thinnet può essere collegato direttamente alla scheda di
rete del PC per mezzo di un apposito connettore: il BNC.
 Esistono diversi tipi di connettori BNC:
- Connettori semplici
- Connettori a T
- Connettori cilindrici
- Connettori terminatori Struttura degli attacchi BNC
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Struttura degli attacchi BNC
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I Cavi Coassiali
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I connettori BNC per cavi Coax
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Cavo a doppini intrecciati
 La struttura base di un cavo a doppini intrecciati
è composta da due fili di rame isolati intrecciati.
 Spesso in un unico cavo sono raggruppati più
doppini intrecciati il cui numero può variare in
base al tipo specifico di cavo protetti da una
guaina isolante. Il cavo a doppini intrecciati è
disponibile in 2 versioni principali:
- Cavo a doppini intrecciati non schermato UTP
- Cavo a doppini intrecciati schermato STP
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Cavo a doppini intrecciati non schermato
UTP
 Il cavo UTP rappresenta il cavo più utilizzato
nell’implementazione delle LAN per le seguenti
caratteristiche:
- Leggerezza e flessibilità
- Semplicità di installazione
- Costi relativamente contenuti
 Un cavo UTP consiste di varie coppie di fili di rame
intrecciati e isolati. Il numero delle coppie, nonché il
numero degli intrecci necessari per ogni metro di cavo,
varia in base all’uso specifico.
 Le specifiche
prevedono 5 categorie base di cavi UTP.
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Cavo a doppini intrecciati schermato STP
 La struttura di un cavo STP è costituito da una
serie di doppini intrecciati con una guaina isolante
protettiva che racchiude le singole coppie e le
mantiene opportunamente separate dalle altre.
 Il tutto racchiuso da una calza metallica in rame
che garantisce la schermatura verso le
interferenze esterne.
 Grazie a questo tipo di struttura, i cavi schermati,
consentono una sostanziale riduzione dei disturbi
di tipo elettromagnetico e supportano velocità di
trasmissione più elevate e su distanze superiori
rispetto ai cavi UTP
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Doppini intrecciati
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isolante
campo magnetico
cavo di rame
Flussi di corrente
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Doppini telefonici
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Il connettore RJ45
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Doppini schermati
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Fibra ottica
 Le fibre ottiche sono composte da
un nucleo in vetro ricoperto da un
rivestimento anche esso in vetro, il
tutto protetto da una guaina esterna
isolante.
 Le
fibre
ottiche
permettono
la propagazione del segnale sotto
forma di impulsi luminosi.
 Poiché non utilizza segnali elettrici
la fibra risulta particolarmente
resistente alle interferenze
elettromagnetiche.
 sicurezza del mezzo,
 velocità di trasmissione (Gb/s)
 l’attenuazione ridotta.
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Tipi di connettori
Connettore ST,
largamente utilizzato e
tollerato dagli standard
Milano 2 e 3 dicembre
Magna Pars - via Tortona 15
Connettore SC, il
connettore standard.
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Flashnet S.p.A. Telecomunicazioni
Reti locali: l’importanza di un buon cablaggio
Schema a blocchi di una trasmissione
a fibre ottiche
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Vantaggi e svantaggi
 Vantaggi delle fibre ottiche rispetto ai fili di rame:
 trasportando onde luminose, non sono soggette al fenomeno
dell’interferenza elettromagnetica
 riescono a trasmettere dati su distanze maggiori
 riescono a trasportare più informazioni oppure più velocemente
(banda passante molto elevata)
 Svantaggi:
 necessitano speciali apparati per rifinire le terminazioni del cavo
(alti costi)
 Tempi d’installazione più lunghi e personale più qualificato
 difficoltà nella manutenzione e nella riparazione
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Connessioni Wireless
In particolari situazioni non è possibile collegare tra loro i PC di una LAN
utilizzando i sistemi di cablaggio standard. Per ovviare a questo tipo di
inconvenienti sono state sviluppate tecnologie alternative basate su
dispositivi a raggi infrarossi, radio e laser.
La
comunicazione
avviene
tramite
per
mezzo
di
radiotrasmettitori e ricevitori che
possono essere mobili o fissi.
La portata di una rete Wireless può variare da qualche centinaio di metri a
diversi Km quando la tecnologia senza fili viene utilizzata per collegare reti
LAN fisicamente distanti attraverso un ponte radio.
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Connessioni Wireless
Ogni calcolatore è dotato di un apparecchio
trasmettitore-ricevitore che gli
permette di
comunicare con gli altri dispositivo della rete. A
volte la rete W-LAN deve fisicamente collegarsi
ad una rete cablata esistente: In ambienti di
questo tipo l’accesso alla rete avviene per
mezzo di radiotrasmettitori fissi collegati
direttamente con la rete cablata chiamati
“punti di accesso”.
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Fine
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