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Codifica - Dipartimento di Informatica
Perché Codificare i Dati? I semestre 03/04 Il livello fisico consente la trasmissione su un Codifica dei Dati canale di dati sia analogici che digitali I dati sono codificati in segnali elettromagnetici la forma dei segnali è scelta per ottimizzare la trasmissione Prof. Vincenzo Auletta [email protected] http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/ Università degli studi di Salerno Laurea in Informatica la forma di x(t) è scelta per ottimizzare la trasmissione 2 Tecniche di Codifica del Segnale Cooperazione TrasmettitoreRicevitore Lo schema di codifica definisce la corrispondenza tra dati e segnali Sono state sviluppate tecniche di codifica differenti per ciascuna delle combinazioni di dati e segnali Il livello fisico deve stabilire le regole della comunicazione come il trasmettitore trasforma i dati in segnali elettromagnetici come il ricevitore estrae da un segnale elettromagnetico i dati le regole dipendono dal mezzo di trasmissione e dalle prestazioni che si vogliono ottenere Tasso di trasmissione, tasso di errore, distanza 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 4 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 un segnale digitale è una sequenza di impulsi Elemento di dati di tensione, discontinui e discreti, di ampiezza costante Tasso dei dati ogni impulso è un elemento di segnale impulsi di tensione tempo impiegato dal trasmettitore per emettere l’elemento di segnale che codifica il bit Tasso di modulazione in realtà si usano codifiche più complesse per 5 parte di segnale costante Durata o lunghezza di un bit es. impulso positivo = 1 impulso negativo = 0 ottimizzare l'uso del mezzo trasmissivo tasso di trasmissione dei dati (bps) Elemento di segnale I dati binari possono essere codificati in misurato in bit 6 tasso a cui i segnali sono trasmessi misurato in baud (baud = numero di elementi di segnale al secondo) Tipi di Codifica Proprietà di uno Schema di Codifica Unipolare Spettro del segnale tutti gli elementi di segnale hanno lo stesso segno 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 Se mancano componenti continue si possono usare traformatori per collegare il dispositivo al sistema di trasmissione Sincronizzazione 7 8 permette al ricevitore di determinare l’inizio e la fine di ogni elemento di dati può utilizzare un clock esterno oppure un meccanismo di sincronizzazione basato sul segnale Proprietà di uno Schema di Codifica Schemi di Codifica Rilevazione degli errori Nonreturn to Zero la codifica può favorire l'individuazione di alcuni errori di trasmissione Costo e complessità Binari Multilivello costo dipendente dal tasso di segnalazione alcuni codici richiedono un tasso di modulazione superiore al tasso dei dati Manchester Differential Manchester 10 Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) Nonreturn to Zero Inverted Due diversi livelli di tensione Dati codificati con presenza o assenza di tensione costante durante l'intero intervallo di trasmissione del bit es. tensione positiva denota 0 e assenza di tensione 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 detta "codifica differenziale" utilizzato per codificare/interpretare dati digitali da/per terminali 11 Bipolar -AMI Pseudoternary 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 Pro Utilizzano più di due livelli di segnale Bipolar-AMI facile da progettare usa tutta la larghezza di banda disponibile Contro livello 0 rappresenta uno 0 livelli positivo e negativo rappresentano un 1 polarità utilizzata alternativamente Usata in ISDN contiene una componente continua manca di capacità di sincronizzazione una sequenza di 0 codificati con un segnale costante in genere non utilizzata per trasmissione Pseudoternary 13 14 Pro e Contro dei Codici Binari Multilivello almeno una transizione di segnale per ogni l’alternanza delle polarità semplifica l'individuazione di errori di trasmissione consente sincronizzazione per sequenze di 1 (Bipolar-AMI) intervallo di bit nessuna componente continua Richiede minore larghezza di banda rispetto a NRZ Contro 15 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 a volte due transizioni Pro bisogna evitare di trasmettere lunghe sequenze di 0 invertito rispetto a Bipolar-AMI Codici Bifase Pro migliori proprietà di sincronizzazione l'assenza della transizione individua un errore di trasmissione Contro 16 tasso di modulazione doppio rispetto a NRZ richiede più larghezza di banda non utilizzabile per comunicazioni ad alta velocità su lunghe distanze Manchester Manchester Differenziale Una transizione al centro di ogni intervallo di 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 la transizione codifica sia l'informazione che il clock utilizzata in Ethernet 17 codifica differenziale utilizzata in token ring 18 Tecniche di Scrambling Tecniche di Scrambling tecniche B8ZS (bipolare con sostituzione dell’ottavo zero) 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 La sequenza introdotta deve 19 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 avere abbastanza transizioni di segnale essere riconoscibile dal ricevitore che la deve sostituire con la sequenza originale avere la stessa lunghezza della sequenza originale 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 HDB3 (bipolare ad alta densità con 3 zeri) 20 sostituisce il quarto zero con una violazione di codifica garantisce che le violazioni successive abbiano segno differente per eliminare componenti continue usato in Europa e Giappone Esempio di Scrambling con B8ZS e HDB3 Decodifica di B8ZS le sequenze introdotte violano il codice bipolarAMI due coppie di impulsi nello stesso verso consecutivi non si possono confondere con codifiche di dati la presenza di due violazioni consecutive di segno opposto rende improbabile che le violazioni siano provocate da rumore il ricevitore individua la sequenza con violazioni e la decodifica come otto zeri 21 22 Dati Digitali e Segnali Analogici Tecniche di Modulazione Utilizzato per trasmettere dati digitali sulla rete La codifica è effettuata modulando un segnale telefonica pubblica analogico base (portante) rete progettata per gestire segnali analogici nella banda da 300Hz a 3400Hz Conversione eseguita da un modem La modulazione opera su uno dei parametri caratteristici del segnale analogico stesse tecniche utilizzate anche per conversioni su altre bande di frequenza (es. microonde) 23 alla portante viene sommato un secondo segnale che codifica i dati digitali 24 ampiezza (ASK) frequenza (FSK) fase (PSK) Amplitude Shift Keying Frequency Shift Keying Valori rappresentati da diverse ampiezze della Valori rappresentati da due frequenze diverse portante (vicine alla frequenza della portante) in genere una ampiezza è 0 (assenza della portante) Utilizzata per inefficiente utilizzata su linee voice-grade per tassi di dati fino a 1200bps utilizzata su fibre ottiche quando il trasmettitore è un LED 25 più affidabile di ASK tramissioni fino a 1200bps su linee voice grade onde radio ad alta frequenza (3-30 MHz) LAN su cavo coassiale 26 FSK su linee Voice Grade Phase Shift Keying valori rappresentati modificando la fase del segnale della portante Differential PSK uso più efficiente della banda distinguendo più per ottenere trasmissioni full duplex la banda viene fasi spezzata in due la sovrapposizione tra le due bande crea interferenze In trasmissione si usano le frequenze 1070 e 1270 MHz per rappresentare 0 e 1 27 In ricezione si usano le frequenze 2025 e 2225 MHz fase spostata in funzione del bit precedente invece che del segnale 0 non cambia fase, 1 cambia fase di 180° QPSK distingue quattro fasi differenziate di 90° ogni elemento di segnale rappresenta due bit 28 Dati Analogici e Segnali Digitali Teorema del Campionamento Se campioniamo un segnale a intervalli regolari ad un tasso maggiore di due volte la frequenza massima per trasmettere dati analogici con segnali digitali bisogna convertire i dati analogici in dati digitali trasmettere i dati digitali digitalizzazione processo di conversione di dati analogici in dati digitali eseguito da un codec (codificatore/decodificatore) il segnale può essere completamente ricostruito dal campionamento tecniche di digitalizzazione 29 Pulse Code Modulation Delta Modulation 30 Pulse Code Modulation Esempio di modulazione PCM Modulazione a Impulsi Codificati La voce umana occupa le frequenze al di sotto di 4000Hz bastano 8000 campioni al secondo ogni campione è un segnale analogico (Pulse Amplitude Modulation, PAM) 31 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 La curva viene campionata e quantizzata rispetto a 16 livelli 32 Ad ogni campione è associato un segnale digitale che rappresenta 4 bit Prestazioni Modulazione Delta Riproduzione della voce Fornisce prestazioni migliori di PCM ed è molto più semplice da implementare Approssima una funzione analogica con una funzione a gradini che si sposta in alto o in basso di un solo livello di quantizzazione per ogni intervallo di campionamento PCM - 128 levels (7 bit) larghezza di banda della voce 4khz tasso di trasmissione 8000 x 7 = 56kbps per PCM larghezza di banda 28KHz I vantaggi della trasmissione digitale fanno accettare l'aumento di banda del segnale la compressione dati può migliorare il rapporto tra larghezza di banda del messaggio originale e del messaggio 33 codificato Per ogni campione basta un solo bit La qualità del processo di modulazione dipende dalla frequenza di campionamento e dalla dimensione dell’intervallo di quantizzazione 34 Dati Analogici e Segnali Analogici Esempio di modulazione Delta perchè modulare segnali analogici? permette di aumentare la frequenza ed ottenere una trasmissione più efficiente permette di dividere il canale in sottocanali indipendenti (FDM) tipi di modulazione 35 36 ampiezza frequenza fase Spread Spectrum Diffusione dello spettro modula il segnale con casualmente Tecniche di Dispersione un segnale Frequency hopping (salto di frequenza) generato distribuisce il segnale su una banda più ampia non è possibile prevedere la larghezza di banda del segnale trasmesso Utilizzata per trasmettere dati di ogni tipo con segnali analogici Direct sequence (sequenza diretta) rende difficile le intercettazioni utilizzato nelle trasmissioni senza fili 37 38 Esempio di Diffuzione dello Spettro con sequenza diretta 39 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 ogni bit di dati rappresentato da N bit nel segnale trasmesso (chipping code) allarga la banda del segnale di un fattore N
