TRASMISSIONE DATI - SEGNALI E TRASFORMAZIONE DI SEGNALI, LA TRASMISSIONE DATI

TRASMISSIONE DATI

INDICE

Introduzione

Segnali e trasformazioni di segnali

Trasmissione dati

INTRODUZIONE

Per TD (Trasmissione Dati) si intende quell'insieme di teorie e tecniche che si interessano della trasmissione di informazioni di tipo numerico tra apparati di elaborazione per mezzo di linee di comunicazione.

Un PC collegato in Internet, un terminale di cassa di una banca, il terminale Bancomat, il terminale POS presente in alcuni supermercati sono tutti esempi di applicazioni di TD.

Non sono considerati esempi validi di TD il collegamento analogico tra un sensore e la stazione ricevente, il collegamento telefonico tra due interlocutori, ecc. in quanto pur trasmettendo informazioni queste non sono in forma numerica.

Come per ogni sistema di comunicazione, anche per la TD occorrono almeno tre elementi: un trasmettitore, un canale, un ricevitore.

Se analizziamo le entita' che intervengono possiamo individuare: l'informazione, il dato ed il segnale.

L'informazione, e' un qualcosa di astratto, possiamo definire con questo termine "tutto cio' che riduce la nostra incertezza".

Per poterla trasmettere dobbiamo associare ogni informazione ad un simbolo o ad un gruppo ordinato di simboli chiamato dato.

Ma a sua volta il dato deve essere associato ad una grandezza fisica (portante) che dipende dal tipo di sistema utilizzato per comunicare. Il segnale e' l'andamento nel tempo di questa grandezza fisica.

Esempio.

Nel caso di accesso ad Internet per ricercare la vita e le opere di un autore, l'informazione e' rappresentata dalla vita e le opere dell' autore, i dati sono il documento che riporta queste informazioni o in forma analoga la codifica binaria del testo, il segnale e' l'andamento nel tempo della tensione o della corrente della linea telefonica.

Informazione, dato e segnale non rappresentano la stessa entita', ma sono correlati tra loro.

Nel tempo si sono sviluppate 2 teorie che affrontano i problemi connessi con la TD, esse sono:

la teoria dell'informazione: che si concentra principalmente sulla relazione tra informazione e dato;

la teoria dei segnali: che si preoccupa principalmente delle grandezze fisiche e della relazione tra dato e segnale.

SEGNALI E TRASFORMAZIONE DI SEGNALI

Tipi Segnali.

Un segnale e' una funzione che rappresenta l'andamento nel tempo di una grandezza fisica, solitamente di tensione, corrente o potenza luminosa.

Esempi:

- segnale vocale, segnale televisivo, segnale acustico, segnale luminoso

- y(t)=3t ; y(t)= 2sen (2pFt); y(t)= rect (t)

Analizzando i valori che tale grandezza puo' assumere si possono individuare i 4 casi rappresentati nelle ure seguenti:

Altre classificazioni dei segnali sono :

segnali determinati: quelli che in ogni istante sono perfettamente conosciuti, in quanto rappresentati da una funzione matematica deterministica;

segnali aleatori: in ogni istanteun segnale aleatorio, assume un determinato valore non con certezza, ma solo con una certa probabilita'; la loro definizione avviene tramite funzioni di tipo statistico (media, varianza, ecc.).

Nota.

I segnali che portano l' informazione appartengono a questa seconda categoria. Infatti non essendo noto a priori il loro andamento nel tempo, al loro arrivo, il valore assunto costituisce una informazione. Si pensi, ad esempio, all'arrivo presso un ricevitore di un segnale che decodificato mi rappresenti la sequenza 10001 . . In tal caso proprio questa sequenza mi fornisce una precisa informazione, mentre altre sequenze mi avrebbero fornito altre informazioni.

Rappresentazione dei segnali.

I segnali si possono rappresentare sia nel dominio del tempo sia nel dominio delle frequenze.

Mentre la prima risulta comprensibile anche ai profani, la seconda richiede qualche considerazione.

Se rappresentiamo due segnali cosinusoidali con frequenze f1 ed f2 in un grafo sectiunesiano con le frequenze in ascisse e l'ampiezza in ordinate otteremo 2 righe (frecce) corrispondenti alle frequenze f1 ed f2. Possiamo concludere che il segnale somma dei due segnali avra'la stessa rappresentazione in frequenza. Se ora consideriamo un segnale somma di piu' segnali cosinusoidali, intuitivamente, possiamo immaginare di avere in frequenza un insieme di righe.

La rappresentazione nel tempo di un segnale somma di piu' segnali cosinusoidali sara' sempre piu'complessa, quella nel dominio delle frequenze sara' sepre piu' ricca di righe.

Portando al limite questo ragionamento, qualsiasi segnale puo' essere pensato come somma di un numero finito o infinito di segnali cosinusoidali e la sua rappresentazione nel dominio della frequenza e' un insieme di righe, nel caso di numero finito, o ha un andamento continuo, nel caso di numero infinito.

Per un segnale si danno le seguenti definizioni:

forma: e' il suo andamento temporale;

durata: l' intervallo di tempo, al di fuori del quale il segnale e'sepre nullo;

spettro: il suo andamento in frequenza;

banda: l' intervallo di frequenze, al di fuori del quale lo spettro e' nullo.

Esempio 1:

Esempio 2:

Si studiano i segnali nel dominio della frequenza perche' risaltano alcune caratteristiche non direttamente evidenti nel dominio del tempo. In particolare diventa piu'facile lo studio delle trasformazioni subite da un segnale.

Esistono vari modi per passare da una rappresentazione nel dominio del tempo ad una nel dominio delle frequenze. Uno di questi e' la FT (Trasformata di Fourier).

Definizione

Esempi

FT di segnali canonici

Trasformazione di segnali.

Un segnale che attraversa un dispositivo si puo' presumere che subisca o non subisca trasformazioni a seconda delle caratteristiche del segnale e di quelle del dispositivo.

Per poter rappresentare in modo sintetico cio' che avviene nella realta' si utilizza un modello chiamato diagramma a blocchi.

Esempio.

Il segnale presente in uscita sulla porta seriale di un PC, non puo' essere trasmesso direttamente sulla linea telefonica a causa della bassa potenza e di altre caratteristiche, pertanto e' necessario combinarlo con un segnale sinusoidale (portante) dotato di maggior potenza. Il segnale risultante (modulato) viene cosi' trasmesso.

Tra le varie classificazioni possiamo distinguere le trasformazioni in: desiderate, cioe' quelle che richiediamo volutamente per dare al segnale le caratteristiche volute, e indesiderate, cioe' quelle che non vorremmo il segnale subisse.

Al primo gruppo appartegono le seguenti:

modulazione e la demodulazione;

amplificazione e attenuazione (voluta);

equalizzazione;

conversione analogico-digitale e inversa;

quantizzazione.

Tra le seconde ci sono:

i disturbi;

le attenuazioni indesiderate e le distorsioni.

I primi, in genere riducibili ma non eliminabili, sono dovuti sia a cause esterne alla trasmissione (rumori atmosferici, presenza di campi elettromagnetici, ecc) sia a cause interne (rumore termico o rumore dovuto alle imperfezioni dei materiali), le altre sono in genere recuperabili con operazioni di amplificazione ed equalizzazione.

LA TRASMISSIONE DATI

Tipi di trasmissione

Esistono vari modi di trasferire dati con un PC, usando ad esempio la porta seriale o quella parallela.

La porta seriale viene usata per un collegamento breve (max 15 m) tra due computer oppure per un collegamento remoto utilizzando un modem.

La porta parallela viene utilizzata principalmente per collegamenti con le periferiche come la stampante o lo scanner ma è anche possibile usarla per il trasferimento di dati tra due computer purche' posti a breve distanza.

Le trasmissioni si dividono in due tipologie:

Sincrona, cioè con l'utilizzo di protocolli che trasmettono blocchi di dati e asincrona, cioè senza l'utilizzo di un specifico protocollo, ma con l' invio di un carattere alla volta

Esempio 1

Esempio 2

Componenti di un sistema di comunicazione

Un qualsiasi sistema di comunicazione e' formato da 3 elementi fondamentali: un trasmettitore, un ricevitore ed un canale.

Nella trasmissione tra 2 calcolatori spesso ogni elaboratore funge da trasmettitore e da ricevitore ed il canale puo' essere realizzato da un collegamento diretto tra i due sistemi o da una rete di trasmissione. In questo ultimo caso e' necessario interporre tra un sistema ed il mezzo trasmissivo un adattatore.

Nel campo della telefonia e' in uso indicare il sistema con il termine DTE (data terminal Equipement ) e l' adattatore con il termine DCE (data circuit terminating equipement).

Nel caso di linee telefoniche usuali il DCE corrisponde al modem.

Esempio 1:

Esempio 2:

Il modem

Il modem combina il segnale proveniente dal sistema con un segnale generato internamente. Questa operazione e' chiamata modulazione.

Esistono vari tipi di modem dipendenti dal tipo di canale che si utilizza, dalle prestazioni desiderate, dal tipo di modulazione che effettua.

L' evoluzione storica ha portato ad un incremento notevole in termini di velocita' e qualita' della trasmissione. Tutto cio' e'stato ottenuto adottando modulazioni miste di ampiezza e fase e realizzando compressioni nei dati da trasmettere. Ad esempio, mentre con una modulazione di frequenza si puo ottenere una velocita'di 1200 bit/s, con una di fase si raggiunge 4800 bit/s e con una mista 14400 b/s o superiore.

Funzioni, struttura e collegamento di un modem

I compiti che attualmente sono a suo carico sono l'attivazione e l'abbattimento del collegamento, le funzioni di controllo, la correzione di errori di trasmissione e di compressione dei dati.

-INSERIRE IMMAGINE A PAGINA 117 (. 5.5)

Le parti principali che compongono un modem sono:

il convertitore asincrono/sincrono inserisce o elimina quei bit che hanno lo scopo di    regolare il flusso dei dati che saranno modulati;

lo scrambler 'mescolatore di dati' ha il compito di distribuire equamente i dati all'interno della intera banda del segnale ( in modo da renderli più riconoscibili in caso arrivi una lunga sequenza di bit identici);

il modulatore costituisce dei gruppi di bit secondo le caratteristiche del protocollo utilizzato dal modem e effettua la modulazione;

l'equalizzatore bilancia le distorsioni introdotte dalla linea;

il filtro elimina ricostruisce il segnale in modo da eliminare le componenti indesiderate;

il filtro passabanda provvede ad una prima ricostruzione del segnale;

il demodulatore applica il principio inverso della modulazione;

il descrambler espande la sequenza di bit completandolo se occorre con le sequenze ripetute soppresse.

Il collegamento tra modem (DCE) e calcolatore (DTE) avviene attraverso una interfaccia standard chiamata CCITT V24/V28 o anche EIA-RS232.

Di seguito si riporta il significato dei segnali piu'comuni.

Esistono, oltre a quelli indicati, anche altri segnali che servono per il clock, per l'indicatore di chiamata, per il canale supervisore, ecc.

Classificazione dei modem.

Una distinzione fondamentale e'la seguente:

- Modem fonici: chiamati cosi' poiché lavorano all'interno della banda fonica (300-3400 Hz) .

- Modem in banda base: per collegamenti a breve distanza con codifica Manchester. Essi lavorano a velocità tra i 300 e 19200 in genere con l'interfaccia V.24. Il loro funzionamento può essere sincrono o asincrono e la modulazione è solitamente di tipo bifase differenziale.

Nota

Il codice Manchester si ottiene come funzione OR tra il segnale binario e il clock di riferimento.

Una ulteriore versione ricavata dal Manchester, il bifase differenziale, prevede che in presenza del segnale di clock a livello logico basso si effettui un traslazione di 180°

Standard

Il CCITT ha fissato degli standard per i modem, cosi' da identificarne le caratteristiche: tipo di modulazione, velocita', tipo di colloquio (half-full duplex), ecc..

Esempi di standard.

V.21 (modem fonico) di velocità pari a 300 bit/s, e' di tipo full-duplex visto che lavora in una banda di frequenze molto ristretta e che quindi è possibile avere due canali, un canale dedicato all'utente chiamante e uno all'utente chiamato;

V.22 full-duplex , modulazione fase differenziale e può trasmettere a 600 ,1200 bit/s in modalità sincrona mentre fino a 300 in modalità asincrona. I dati vengono trasmessi a gruppi di due bit a 1200 mentre a singolo bit a 600;

V.22 bis evoluzione del V.22 che opera su 1200 o 2400 bit/s con la possibilità di gestire gruppi di 4 bit;

V.23 half-duplex, modulazione di frequenza con velocità 600,1200 bit/s. In questi modem è previsto un canale supervisore a bassa velocità 75 bit/s che può essere utilizzato per realizzare una comunicazione full-duplex a due velocità;

V.27 modo sincrono full-duplex o half duplex, su rete dedicata 4800 bit/s. La frequenza della portante è fissa a 1800 hz e lo spettro è compreso tra 1000 e 2600 hz. Organizzato su dati a gruppi di 3 bit codificati in 8 cambiamenti di livello di fase;

V.29 lavora a 9600 bit/s su collegamenti punto punto, funziona in modalità full-duplex e i bit sono organizzati a gruppi di 4 dei quali il primo definisce l'ampiezza del segnali e gli altri tre seguono le norme del v.27 portando quindi ad una modulazione di fase mista ad ampiezza;

V.33 modo sincrono, full-duplex, su collegamenti punto punto a velocità di 14400 b/s a 14400 bit/s i dati vengono suddivisi in gruppi di 6 bit a quali viene aggiunto un settimo bit di ridondanza;

V35 trasmissioni sincrone alla velocità di 48000 o 40800 bit/s.

Lo standard Hayes o AT

E'uno standard che permette l'inizializzazione e la gestione del modem attraverso delle stringhe che iniziano con la coppia di caratteri "AT".

Il controllo e l'impostazione può avvenire tramite dei comandi o tramite un insieme di microinterruttori posti all' interno del dispositivo.

Sono definite due modalità di lavoro : modo comando e modo comunicazione

Il modem entra nel modo comando al momento dell'accensione e i comandi forniti al modem dal DTE servono a impostare le seguenti caratteristiche:

modifica /visualizzazione conurazione esistente;

attivazione chiamata automatica;

attivazione di funzioni di diagnostica;

lettura /memorizzazione di numeri telefonici;

attivazione di funzioni di teleprogrammazione;

Nel modo comunicazione i dati vengono spediti dal DTE al modem e poi da questi verso la destinazione.

Per ritornare in modo comando esiste una sequenza di caratteri particolare.

E' anche possibile passare dallo stato di comunicazione a quello di comando senza abbattere la connessione utilizzando uno dei comandi AT.

I comandi AT devono essere forniti in formato ASCII e devono essere preceduti dal prefisso AT.

La sequenza dei comandi viene memorizzato in un buffer interno al modem (capienza 40 caratteri).

I comandi AT sono di tre categorie :

chiamata del numero telefonico;

conurazione/gestione del modem;

gestione dei registri interni del modem.

Esempi di comandi

La sintassi del comando di selezione del numero telefonico è:

ATD stringa di selezione (numero telefonico)

Comandi di conurazione:

ATA = meccanismo di risposta manuale

ATO = passaggio da modo comando a modo comunicazione

ecc

Comandi di gestione:

ATSn?   lettura del registro che varia tra 0 e 18

ATSn= xxx scrittura registro

ATX1, ATX2, ATX3, ATX4 eseguono le funzioni di controllo delle fasi di attivazione della chiamata.

Protocolli.

Per protocollo si intende l'insieme di regole che permette il colloquio tra due stazioni.

Di protocolli ne esistono moltissimi, sia per ragioni storiche, sia per ragioni tecniche.

Infatti inizialmente ogni casa costruttrice di apparecchiature per TD forniva spesso anche il suo protocollo. Poi si e'visto che per problemi di compatibilita'conveniva fissare degli standard.

Ci sono principalmente 2 tipi di standard: quelli di fatto, cioe'quelli standard che risultano tali per la loro larga diffusione, e quelli di diritto, in quanto emanati da enti preposti (CCITT, ISO,ecc)

Un protocollo deve risolvere diversi problemi, tra i quali:

iniziare la trasmissione;

terminare la trasmissione;

spedire i dati;

assicurarsi che il dato trasmesso sia ricevuto correttamente ;

ritrasmettere dati non ricevuti o ricevuti non correttamente;

controllare la correttezza dei dati ricevuti;

controllare il flusso di dati;

evitare le congestioni;

rendere efficiente e veloce la trasmissione.

Realizzare via software un protocollo che risolva tutti questi problemi sarebbe cosa piuttosto ardua.

La via scelta e' stata quindi quella di demandare parte dei problemi all'hardware e parte al software.

Ed inoltre di suddividere i problemi e di assegnarli a diversi protocollo interagenti tra di loro (pila di protocolli).

Esempio.

Il caso piu'semplice di trasmissione e'quello tra 2 stazioni che si devono inviare dati collegate direttamente o tramite linea telefonica. E'necessario che tra le due stazioni si attivi un canale di comunicazione, che la stazione trasmittente invii un primo dato e stia in attesa di una conferma di ricezione e conseguentemente invii il secondo dato oppure quello precedente.

Oltre alle regole in un protocollo troviamo definite anche delle strutture dati scambiate tra le due o piu'stazioni comunicanti. Tali strutture sono chiamate trame o frame.

Mezzi trasmissivi

I mezzi trasmissivi del passato hanno sfruttato la proprietà dei metalli di condurre l'energia elettrica. Sono stati prodotti molti tipi di cavi elettrici per trasmissione dati, ma i due tipi che hanno avuto maggior successo sono il doppino e il cavo coassiale.

A questi si sono affiancati in un primo momento mezzi trasmissivi 'wireless', utilizzanti cioè le onde radio, quali i ponti radio e i satelliti e, successivamente, i mezzi trasmissivi ottici, che con la fibra ottica hanno rivoluzionato il settore delle telcomunicazioni.

Il più vecchio e più comune mezzo di trasmissione utilizzato per realizzare una sottorete di comunicazione è sicuramente il doppino, costituito da una coppia di fili di rame isolati e intrecciati (per ridurre l'interferenza tra fili adiacenti) dello spessore di circa 1 mm e utilizzato nella rete telefonica.

Le caratteristiche che hanno inciso maggiormente sulla diffusione del doppino sono la facilità di posa in opera e la compatibilità con la telefonia. Il doppino può infatti essere usato per le trasmissioni di tipo sia analogico che digitale, la larghezza di banda dipende dalla sezione del filo e dalla distanza da attraversare: nel caso di una distanza tale da mettere in dubbio la correttezza del messaggio ci saranno dei ripetitori in grado di riportare il segnale alle caratteristiche originali.

I doppini vengono classificati secondo 5 categorie ( ogni categoria è idonea a fornire tutti i servizi offerti dalle categorie inferiori):

categoria 1 (Telecommunication) comprende i cavi adatti unicamente a telefonia analigica.

categoria 2 (Low speed data) comprende i cavi per per telefonia analogica e digitale(ISDN) e trasmissione dati a bassa velocità

categoria 3 (High speed data) è la prima categoria di cavi adatti a realizzare LAN fino a 10Mb/s , in particolare per soddisfare gli standard 802.3 10BaseT e Token-Ring a 4Mb/s

categoria 4 ( Low loss,High performance data) comprende i cavi per LAN con tecnologia Token Ring fino a 16 Mb/s

categoria 5 (Low loss,Extended frequency,High performance data) comprende i migliori cavi disponibili , per applicazioni fino a 100Mb/s , su distanze di 100m.

Un altro mezzo comune è il cavo coassiale utilizzato in reti locali e in molti collegamenti tra centrali telefoniche. Esso può essere usato per le trasmissioni analogiche e digitali, ma con due tipi differenti di cavo (rispettivamente da 75 e 50 Ohm).

Il cavo coassiale è formato da un conduttore centrale circondato da materiale isolante; un'ulteriore protezione è fornita da un involucro più esterno, costituito generalmente da un conduttore intrecciato, e infine da un ultimo rivestimento protettivo di plastica. Questa struttura del cavo fornisce un'alta larghezza di banda e un'ottima resistenza al rumore: per cavi di 1 Km si può raggiungere una velocità di trasmissione di circa 1 Mbps, mentre per velocità superiori si consigliano dei cavi più corti.

La connessione dei computer a un cavo coassiale può avvenire in due modi: mediante una giunzione a T o mediante una 'presa vampiro' (in un foro che raggiunge il nucleo viene inserito un connettore simile alla giunzione a T, col vantaggio di non dover recidere il cavo per effettuare l'installazione).

Il cavo coax è stato soppiantato dal doppinoer diverse ragioni:

maggior costo, sia per i materiali , sia per la posa

maggior ingombro: un coax trasporta un singolo segnale ed occupa lo stesso spazio di un doppino a quattro coppie che può trasportare quattro segnali

minor flessibilità: il coax è adatto soltanto ad alcuni servizi, LAN Tv via cavo, mentre per tanti altri, telefonia etc, è previsto l'utilizzo del doppino.

Lo sviluppo della tecnologia ottica ha aperto la strada alla trasmissione dei dati mediante impulsi luminosi con frequenze di circa 10⁸ MHz, per cui la larghezza di banda è decisamente rilevante.

Il mezzo trasmissivo è una fibra ultrasottile di silicio (la fibra ottica); la sorgente luminosa, invece, può essere un LED o un LASER in grado, comunque, di generare onde elettromagnetiche nello spettro dell'infrarosso; il rilevatore del segnale, infine, è un fotodiodo che emette un impulso elettrico quando viene attraversato da radiazione elettromagnetica.

La fibra ottica e' uno dei mezzi più recenti, e sta rivoluzionando il mondo delle telecomunicazioni. E' fatta di un sottilissimo cilindro centrale in vetro, (core) circondato da uno strato esterno (cladding) di vetro avente un diverso indice di rifrazione e da una guaina protettiva. Piu' fibre sono quindi raggruppate insieme in una guaina contenitrice esterna.

Le fibre ottiche sfruttano il principio della deviazione che un raggio di luce subisce quando attraversa il confine fra due materiali diversi (core e cladding nel caso delle fibre). La deviazione dipende dagli indici di rifrazione dei due materiali. Oltre un certo angolo, il raggio rimane intrappolato all'interno del materiale

Le fibre ottiche si dividono in due categorie:

multimodali: raggi diversi possono colpire la superficie con diversi angoli (detti mode), proseguendo quindi con diversi cammini. Il diametro del core è di 50 micron, come quello di un un capello;

monomodali: sono così sottili (il diametro del core è 8-l0 micron) che si comportano come una guida d'onda: la luce avanza in modo rettilineo, senza rimbalzare. Sono più costose ma reggono distanze più lunghe (fino a 30 km).

Rispetto al cavo coassiale, possiamo dire che la fibra ottica offre una larghezza di banda molto piu' alta con una bassa perdita di potenza, per cui è in grado di coprire anche distanze molto lunghe con una quantità ridotta di ripetitori; le fibre, inoltre, sono molto sottili, con grande vantaggio per il cablaggio in condutture esistenti attualmente. Attualmente, in Italia, i collegamenti telefonici tra centrali sono effettuati per la maggior parte in fibra ottica.

Ma la trasmissione dei dati non richiede necessariamente l'esistenza di un cavo o di una fibra: l'etere può essere un utile ed economico canale attraverso il quale far viaggiare i dati. La trasmissione avviene con uso di raggi infrarossi, onde radio o segnali radio a seconda delle applicazioni, dei costi e delle distanze.

Anche i satelliti vengono usati nella trasmissione dati. Ogni satellite contiene dei trasponditori che recepiscono i segnali provenienti da una porzione dello spettro e provvedono ad amplificarli e a rispedirli su un'altra frequenza (per evitare interferenze). Per regolamentare il traffico nel cielo sono stati definiti degli accordi internazionali sulle assegnazioni dei posti orbitali e delle frequenze da utilizzare.

I satelliti hanno anche due vantaggi interessanti: il primo è che il costo della trasmissione è indipendente dalla distanza tra trasmettitore e ricevitore; il secondo è che trovandosi al di sopra della superficie terrestre non sono soggetti alle normali barriere naturali o architettoniche.

Le applicazioni della tecnologia satellitare alla telefonia sono così interessanti che alcuni paesi in via di sviluppo o che presentano delle gravi asperità geografiche o di isolamento naturale (come le isole) stanno organizzando la loro rete telefonica, anche per il traffico interno, utilizzando i satelliti.

Per questi motivi, strettamente pratici, ci si aspetta che la diffusione dei satelliti divenga sempre più frequente.