Sistemi di Telecomunicazione - Codici di Linea e Sincronizzazione

Sistemi di Telecomunicazione
Codici di Linea e Sincronizzazione
Universita’ Politecnica delle Marche
A.A. 2014-2015
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
1/36
Codici di linea - I
I I segnali in logica TTL usati all’interno delle macchine numeriche non sono
idonei per essere inviati direttamente sui canali trasmissivi.
I E’ necessaria una codifica di linea che ha il compito di produrre un codice idoneo
alla trasmissione. Un codice di linea binario e’ un formato di segnalazione
seriale per rappresentare i livelli 0 e 1 generati da sorgenti binarie, o da
convertitori A/D come il PCM
I Tale codifica viene realizzata da opportuni dispositivi noti come terminali di
linea. L’apparato ricevente sara’ fornito di analogo terminale di linea in grado di
ricostruire il codice binario trasmesso.
I I codici di linea devono possedere determinate proprieta’, in base alle quali
vengono scelti per le diverse applicazioni.
I Alcuni esempi:
I Codice unipolare o polare o omopolare. Il simbolo 1 logico e’ rappresentato
dal livello alto +A, mentre lo 0 logico e’ rappresentato dal livello 0.
I Codice bipolare o antipodale. I simboli 1 e 0 sono rappresentati da due
livelli simmetrici, positivo e negativo, +A e -A.
I Codice pseudo-ternario. Il simbolo 0 e’ rappresentato da un livello 0,
mentre il simbolo 1 e’ rappresentato da un livello che alterna di volta in
volta tra +A e -A (tipico e’ il codice AMI: Alternate Mark Inversion).
I Codice Manchester (chiamato anche split-phase o bifase). Il simbolo 1 e’
rappresentato dalla transizione alto basso al centro del bit, mentre il
simbolo 0 e’ rappresentato dalla transizione basso altro, sempre al centro
del bit. (Attenzione che alcuni considerano invece le transizioni opposte)
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
2/36
Codici di linea - II
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
3/36
Codici di linea - III
I codici di linea binari piu’ diffusi sono quelli senza ritorno a zero (NRZ No Return to Zero), come la codifica unipolare NRZ, la codifica polare
NRZ e la codifica Manchester, e quelli con ritorno a zero (RZ - Return
to Zero), come la codifica polare RZ e la codifica bipolare RZ (AMI)
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
4/36
Scelta di un codice di linea - I
I
componente DC: eliminare la componente in continua dallo spettro
di potenza del segnale consente di accoppiare il sistema in AC
(alternata). Sistemi di registrazione magnetici, o sistemi che usano
accoppiamenti tramite trasformatori, hanno una sensibilita’
estremamente ridotta alle componenti a bassa frequenza del segnale,
che rischierebbero di andare perdute
I
auto-temporizzazione (self clocking): qualunque sistema di
comunicazione digitale richiede la sincronizzazione di simbolo o di
bit. Alcuni schemi di codifica PCM hanno delle caratteristiche di
sincronizzazione o temporizzazione intrinseca, che agevolano il
recupero del segnale di clock (temporizzazione). Ad esempio, la
codifica Manchester presenta una transizione a meta’ tempo di bit,
sia che venga inviato uno zero oppure un uno, che fornisce un
segnale di clock
I
rivelazione di errore (error detection): alcuni schemi, come i
duobinari, forniscono una capacita’ intrinseca di rilevazione di errore,
senza richiedere l’uso di bit aggiuntivi di ridondanza
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
5/36
Scelta di un codice di linea - II
I
compressione della banda: alcuni schemi, come le codifiche
multilivello, aumentano l’efficienza d’uso della banda consentendo
cioe’ una riduzione della banda necessaria a supportare una certa
data rate. Si ha maggiore informazione trasmessa per banda unitaria
I
codifica differenziale: tecnica utile perche’ consente di invertire la
polarita’ della forma d’onda codificata, senza alterare la rilevazione
dei dati trasmessi. In sistemi di comunicazione in cui puo’ accadere
che le forme d’onda vengano invertite, questo puo’ essere
vantaggioso
I
immunita’ ai disturbi: le varie tipologie di codifica possono essere
ulteriormente caratterizzate dalla probabilita’ di errore sul bit
rispetto al rapporto segnale-rumore. Alcuni schemi di codifica sono
maggiormente immuni al rumore di altri. Ad esempio, le forme
d’onda NRZ hanno prestazioni migliori della RZ unipolare, rispetto
alla probabilita’ di errore sul bit
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
6/36
Codici Non Ritorno a Zero (NRZ), unipolare e polare
Nella segnalazione NRZ unipolare, il livello logico 1 e’ rappresentato dal
livello alto +V, il livello logico 0 e’ rappresentato dal livello 0
(segnalazione tutto o niente, on-off keying ). Nella segnalazione NRZ
polare, i simboli 1 e 0 sono rappresentati da due livelli simmetrici positivo
e negativo, +V e -V (segnalazione antipodale).
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
7/36
Codici Non Ritorno a Zero (NRZ) - I
I
I
All’interno degli apparati, le informazioni si presentano quasi sempre
sotto forma di codice binario di tipo unipolare NRZ (Non ritorno a
Zero). Il codice NRZ presenta per il bit di valore 1 un impulso
elettrico di durata pari a tutto il tempo di bit
Tale codice, pur essendo utile per tutte le funzioni interne
dell’apparato, non e’ adatto ad essere inviato ai mezzi trasmissivi per
i seguenti motivi:
I
I
I
A.A. 2014-2015
impossibilita’ di estrarre la temporizzazione (deve essere
accompagnato dal Clock)
presenza di una componente continua che e’ spesso indesiderata sulle
linee di trasmissione, perche’ non consente accoppiamento a
trasformatore (richiede accoppiamento in continua)
presenza di lunghe sequenze di zeri consecutivi che pongono in
difficolta’, nei rigeneratori di linea, i circuiti di estrazione del Clock
Sistemi di Telecomunicazione
8/36
Codici Non Ritorno a Zero (NRZ) - II
I
Per questi motivi, quindi, il segnale binario NRZ viene
opportunamente trasformato tramite un trasduttore di codice. Nel
gergo tecnico il trasduttore di codice prende anche il nome di
Codificatore di linea
I
Poiche’ nello spettro del segnale non compare una componente a
f=R, necessaria per l’estrazione della temporizzazione nei
rigeneratori, la durata dell’impulso 1 viene ridotta del 50%, passando
cosi’ da una segnalazione NRZ ad una segnalazione di tipo RZ
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
9/36
Codici Non Ritorno a Zero (NRZ) e Ritorno a Zero (RZ)
La durata dell’impulso al 50% del tempo di bit permette di ottenere nello
spettro del segnale RZ una componente non nulla alla frequenza di bit,
utile per l’estrazione del sincronismo
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
10/36
Codici Alternate Mark Inversion (AMI) - I
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
11/36
Codici Alternate Mark Inversion (AMI) - II
I
Nella trasmissione dati, per eliminare la presenza di componente
continua, il trasduttore di codice opera una conversione del codice
binario in un particolare codice ternario, cioe’ a tre livelli, detto AMI
(Alternate Mark Inversion)
I
Il segnale cosi’ codificato viene quindi reso disponibile per essere
inviato sul mezzo trasmissivo con precise caratteristiche di
interfaccia (durata e ampiezza degli impulsi, impedenza interna del
generatore equivalente, ecc.)
I
Il codice AMI consta di tre simboli: lo 0 binario viene codificato
come assenza di impulso cosi’ come nel codice binario, mentre l’1
binario e’ codificato alternativamente come +1 o -1,
indipendentemente dal numero di zeri frapposti a due 1 binari
consecutivi
I
Come si vede intuitivamente dalla figura, con il codice AMI si elimina
la componente continua che invece e’ presente nel codice binario
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
12/36
High Density Bipolarity 3 zeroes - I
Codice a 3 livelli con ritorno a zero. Usa impulsi positivi e negativi
alternati in corrispondenza di ogni valore logico alto (1) e di una
sequenza di 3 zeri consecutivi, come l’AMI. Tuttavia, qualora si dovessero
presentare quattro bit consecutivi tutti a livello logico zero, il quarto bit
viene trasformato in un livello di tensione +V oppure -V, uguale al
precedente valore logico 1; questo evento viene interpretato come una
violazione di codice e quindi viene riconosciuto non come 1 ma come zero
logico
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
13/36
High Density Bipolarity 3 zeroes - II
Come per la codifica AMI, non si ha piu’ la componente continua.
Inoltre, vengono eliminate le lunghe sequenze di bit 0, che rendono
difficile l’estrazione del clock nel ricevitore
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
14/36
Spettro delle codifiche numeriche in banda base
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
15/36
Codice interfaccia codirezionale (DM0) - I
Questa interfaccia costituisce il livello base della gerarchia numerica. E’
caratterizzata da una particolare codifica di linea che, oltre a permettere
la trasmissione del segnale di temporizzazione (240 KHz) e ad annullare
la componente continua, permette anche di individuare l’ottetto mediante
opportune violazioni di bipolarita’ degli impulsi. In figura e’ riportato un
esempio della codifica di linea dell’interfaccia DM0
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
16/36
Codice interfaccia codirezionale (DM0) - II
I
I
L’interfaccia DM0 e’ denominata anche, secondo la dicitura CCITT,
interfaccia codirezionale in quanto, in entrambi i sensi di
trasmissione, i dati ed il CK hanno sempre la stessa direzione
essendo la temporizzazione contenuta nei dati stessi
Regole della codifica di linea:
1 Il segnale binario 1 relativo al segnale dati a 64 Kb/s e’ codificato
con il pacchetto di 4 segnali elementari 1100
2 Il segnale binario 0 relativo al segnale dati a 64 Kb/s e’ codificato il
pacchetto di 4 segnali elementari 1010
3 Il segnale binario e’ convertito in un segnale a 3 livelli alternando la
polarita’ dei pacchetti consecutivi
4 L’alternanza della polarita’ di cui al punto precedente, e’ violata ogni
otto pacchetti in corrispondenza dell’ultimo bit di ottetto
5 Viene evidenziato il tempo di ottetto (8 KHz)
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
17/36
Sincronizzazione
I
Il problema del sincronismo e’ molto importante. Un cattivo
sincronismo pregiudica infatti le prestazioni di un sistema di
telecomunicazioni digitale
I
Se a destinazione vogliamo ricostruire il messaggio originale,
dobbiamo essere in grado di riconoscere in quale punto della
sequenza ricevuta inizia la forma d’onda associata ad un bit
(sincronismo di bit), oppure inizia il frame relativo ad una parola di
codice (sincronismo di frame)
I
Nel caso di trasmissione in banda traslata esiste un ulteriore
problema di sincronismo legato al recupero della frequenza e della
fase della portante nei demodulatori coerenti
I
La complessita’ dei circuiti per la sincronizzazione di bit dipende
dalle proprieta’ di sincronizzazione del codice di linea
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
18/36
Sincronizzazione di bit e di trama: schema ricevitore
I
Il sincronismo di bit viene ottenuto analizzando il segnale ricevuto
I
I
I
I
A.A. 2014-2015
Tecniche basate su sincronizzatore di bit a legge quadratica per NRZ
bipolare
Tecniche basate su Early-Late Synchronizer
Tecniche basate su Zero-Crossing Detection
Il sincronismo di frame viene ricavato dal messaggio rigenerato e dal
clock
Sistemi di Telecomunicazione
19/36
Sincronizzatore di bit a legge quadratica per NRZ bipolare
-I
I
Idea di base: sfruttare gli impulsi presenti nello spettro di densita’ di
potenza a multipli di rb per ricavare un segnale di sincronismo per il
il clock che governa il rigeneratore
I
In un codice RZ unipolare con un numero sufficiente di transizioni
tra i livelli 1 e 0, lo spettro del codice ha una componente discreta a
frequenza di bit. Un filtraggio passa-banda selettivo a frequenza
f0 = rb = 1/Tb ed un aggiustamento di fase consentono di ottenere
il segnale di temporizzazione
I
Un segnale NRZ polare deve essere prima convertito in RZ polare,
poi si applica il filtro passa-banda a banda stretta centrato in
f0 = rb = 1/Tb
I
La conversione in RZ polare avviene mediante un dispositivo a
non-linearita’ quadratica
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
20/36
Sincronizzatore di bit a legge quadratica per NRZ bipolare
- II
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
21/36
Sincronizzatore di bit early-late (anticipo e ritardo) per
NRZ polare - I
I
La tecnica sfrutta il fatto che un segnale opportunamente filtrato
presenta un massimo in corrispondenza dell’istante ottimo di
campionamento topt , e presenta una certa simmetria rispetto tale
punto, purche’ i dati si alternino frequentemente tra 0 e 1
I
Il segnale w1 (t) viene campionato all’istante tk ; si fissa una
quantita’ positiva δ < Tb /2 e si considerano i campioni w1 (tk − δ) e
w1 (tk + δ)
I
Se si sta campionando correttamente, cioe’ TX e RX sono
sincronizzati, |w1 (tk − δ)| ∼
= |w1 (tk + δ)| per tk ∼
= topt
Se si sta campionando in ritardo (late sync):
|w1 (tk − δ)| > |w1 (tk + δ)|
I
I
Se si sta campionando in anticipo (early sync):
|w1 (tk − δ)| < |w1 (tk + δ)|
I
Si puo’ usare la tensione γ(t) = |w1 (tk − δ)| − |w1 (tk + δ)| per
controllare un VCO
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
22/36
Sincronizzatore di bit early-late (anticipo e ritardo) per
NRZ polare - errore di sincronizzazione
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
23/36
Sincronizzatore di bit early-late (anticipo e ritardo) per
NRZ polare - I
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
24/36
Sincronizzatore di bit con Zero Crossing Detector per NRZ
bipolare - I
I
La tecnica ZCD utilizza una configurazione ad anello chiuso (quindi
permette una sincronizzazione robusta)
I
Idea di base: il sincronismo di bit viene recuperato sfruttando le
transizioni per zero del segnale nel dominio del tempo
I
Questa tecnica puo’ essere applicata anche a formati di linea di tipo
NRZ
I
Nei sistemi basati su ZCD, il clock viene fornito da un generatore di
onda quadra la cui frequenza e’ funzione della tensione in ingresso.
Questo dispositivo viene chiamato Voltage Controlled Oscillator
(VCO). Il VCO e’ controllato da un segnale (tensione) derivato da
un’opportuna analisi delle transizioni per zero del segnale ricevuto
I
Eventuali scostamenti dalla condizione di sincronismo ideale vengono
recuperati dal meccanismo ad anello chiuso aumentando (o
diminuendo) opportunamente la tensione di controllo del VCO
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
25/36
Sincronizzatore di bit con Zero Crossing Detector per NRZ
bipolare - II
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
26/36
Sincronizzatore di trama - I
I
La sincronizzazione di frame e’ necessaria principalmente per due
motivi principali: 1) se si sbaglia l’identificazione dell’inizio del frame
il ricevitore ricostruisce una sequenza sbagliata; 2) se non si identifica
la presenza di un messaggio, si rischia di interpretare il segnale in un
momento in cui non vi e’ trasmissione ed e’ presente solo rumore
I
L’informazione relativa al frame e’ in genere ricavata per mezzo dei
bit rigenerati e del clock del ricevitore (gia’ sincronizzato con il clock
del trasmettitore grazie al sincronismo di bit)
I
La sincronizzazione di frame e’ facilitata includendo nella sequenza
da trasmettere la ripetizione di una parola speciale di sincronismo
(sync word) costituita da N bit
I
Il prefisso del frame e’ costituito da diverse ripetizioni della sync
word che demarcano l’inizio della trasmissione. Il prefisso e’ seguito
da un’altra parola di codice che indica l’inizio del messaggio vero e
proprio
I
Il sincronizzatore di frame deve rilevare la sync word non appena
essa appare nella sequenza di bit che vengono rigenerati
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
27/36
Sincronizzatore di trama - II
Il sincronizzatore di frame e’ sostanzialmente costituito da uno shift
register e da un comparatore. Il suo funzionamento si basa su un calcolo
di cross-correlazione tra la sequenza di bit rigenerati e la sync word. I
guadagni delle celle contengono l’informazione sulla sync word. Quando
nello shift register e’ presente la sync word, il valore in ingresso al
comparatore e’ pari a N (se non ci sono errori in ricezione). In realta’,
per tener conto di eventuali errori nella parola di codice ricevuta,
l’indicatore di frame viene attivato se il valore in ingresso al comparatore
e’ maggiore di una soglia V inferiore a N
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
28/36
Autocorrelazione di una sequenza PN
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
29/36
Tapped Shift Register (scrambler)
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
30/36
Caratteristiche dell’interfaccia ITU-T G.703
La raccomandazione G.703 definisce le caratteristiche fisiche ed elettriche
per le interfacce ai vari livelli gerarchici, necessarie per consentire
l’interconnessione di elementi di reti digitali (digital section, multiplex
equipment, exchanges) che formano un collegamento internazionale
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
31/36
Codici di trasmissione definiti nella Raccomandazione
ITU-T G.703
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
32/36
Banda di un segnale
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
33/36
Banda di un segnale - definizioni
I
I
I
A.A. 2014-2015
half power bandwidth: intervallo tra i valori di frequenza in
corrispondenza dei quali Gx (f ) si riduce a meta’ potenza, ovvero
diminuisce di 3 dB al di sotto del valore di picco
equivalent rectangular o noise equivalent bandwidth: la banda
equivalente di rumore fu inizialmente definita per poter calcolare in
modo rapido la potenza di rumore in uscita da un amplificatore
avente in ingresso un rumore a banda larga. Il concetto si puo’
applicare anche alla banda di un segnale: la banda equivalente di
rumore di un segnale, WN , e’ definita dalla relazione:
WN = Px /Gx (fc ), dove Px e’ la potenza totale del segnale calcolata
su tutte le frequenze, e Gx (fc ) e’ il valore di Gx (f ) a centro banda
(assumendo che esso sia il valore massimo su tutte le frequenze)
null-to-null bandwidth: la misura piu’ comune per la banda nelle
comunicazioni digitali e’ l’estensione del lobo principale dello
spettro, in cui e’ contenuta la maggior parte della potenza del
segnale. Questo criterio, tuttavia, non e’ del tutto generale, perche’
alcuni formati di modulazione non hanno una definizione ben precisa
dei lobi dello spettro
Sistemi di Telecomunicazione
34/36
Banda di un segnale - definizioni
I
fractional power containment bandwidth: questa definizione della
banda e’ stata assunta dalla FCC (Rules and Regulations Section
2.202), e stabilisce che la banda occupata e’ definita come la banda
che lascia esattamente lo 0.5% della potenza del segnale a frequenze
superiori al limite superiore della banda stessa, ed esattamente lo
0.5% della potenza del segnale a frequenze inferiori al limite inferiore
della banda. Ovvero, il 99% della potenza del segnale e’ contenuta
all’interno della banda da esso occupata
I
bounded power spectral density : un metodo comune di specificare la
banda di un segnale e’ di dire che ovunque, al di fuori della banda,
l’ampiezza di Gx (f ) deve essere scesa almeno ad un certo livello al di
sotto del valore di centro banda. Valori tipici di attenuazione sono
35 o 50 dB
I
absolute bandwidth: e’ l’intervallo di frequenze al di fuori del quale
lo spettro e’ nullo. Si tratta di una astrazione utile, tuttavia, per
tutte le forme d’onda realizzabili, la banda assoluta e’ infinita
A.A. 2014-2015
Sistemi di Telecomunicazione
35/36
Riferimenti
I
A.A. 2014-2015
Leon W. Couch II, Fondamenti di Telecomunicazioni, Cap. 1 e 3.
APOGEO Ed., 2002.
Sistemi di Telecomunicazione
36/36