Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 6: strato fisico: alterazioni in trasmissione e legge di Shannon
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Alterazioni dovute alla trasmissione dei segnali
La trasmissione dei segnali e’ sempre
accompagnata da alterazioni, che essenzialmente
si distinguono in
attenuazione (riduzione della intensita’ e distorsione)
distorsione di ritardo
rumore
Queste alterazioni comportano la possibilita’ di
commettere errori in ricezione, ed in generale
stabiliscono un limite alla distanza che puo’
percorrere un segnale ed alla velocita’ di
trasmissione che possiamo ottenere sul canale
con larghezza di banda limitata
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Attenuazione
Qualunque segnale viene attenuato per
effetto del suo trasferimento su un mezzo
trasmissivo, tanto piu’ quanto piu’ e’
grande la distanza che deve attraversare
nei mezzi guidati in genere l’attenuazione ha
un andamento logaritmico con la distanza
nei mezzi non guidati e’ il risultato di molti
fattori la cui analisi e’ piuttosto complessa
(distanza, umidita’ dell’aria, pioggia,
dispersione, …)
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Attenuazione (cont.)
Vanno considerati alcuni aspetti nella trattazione della
attenuazione:
un segnale deve essere ricevuto con una intensita’ tale da essere
rilevato dai circuiti in ricezione, e deve essere distinguibile dal
rumore (vedi oltre)
l’effetto della attenuazione e’ una funzione che dipende dalla
frequenza del segnale (da cui la distorsione in ricezione)
Per ovviare al primo problema non e’ possibile
semplicemente aumentare la potenza del segnale, per
motivi di costi e perche’ al crescere della potenza
compaiono effetti non lineari nel comportamento dei
circuiti (in trasmissione o in ricezione) adibiti alla
generazione o elaborazione del segnale
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Attenuazione (amplificatori e ripetitori)
Poiche’ oltre una certa distanza il segnale si
attenua troppo, si ovvia a questo in due modi, a
seconda del tipo di trasmissione
nella trasmissione analogica vengono introdotti nel
canale degli amplificatori, che aumentano la potenza
del segnale
il problema a cui si va incontro in questo caso e’ che un
amplificatore amplifica anche il rumore, quindi oltre un certo
limite amplificare diventa inutile
nella trasmissione digitale vengono introdotti nel
canale dei ripetitori, che ricostruiscono il segnale
digitale e lo rigenerano ex-novo
la rigenerazione ripulisce il segnale da tutti gli effetti distorsivi
che lo hanno modificato fino a quel punto della trasmissione
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Attenuazione (equalizzatori)
La dipendenza della attenuazione dalla frequenza
comporta una distorsione legata al fatto che le
diverse frequenze che costituiscono il segnale
originato vengono alterate in modo differente
La somma delle armoniche ricevute non sara’
solo un segnale uguale attenuato, bensi’ un
segnale differente (distorto)
questo problema spesso viene limitato utilizzando delle
tecniche di equalizzazione, che in base alla conoscenza
delle caratteristiche del canale, possono amplificare in
modo differenziato le diverse frequenze, correggendo
l’effetto di distorsione (tipico nelle applicazioni foniche)
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Effetto della equalizzazione
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Distorsione di ritardo
La distorsione di ritardo e’ conseguente al fatto che i
segnali a diversa frequenza viaggiano nel mezzo
trasmissivo a velocita’ diversa
Questo comporta che in ricezione le diverse componenti
arrivano in tempi diversi, cioe’ sfasate tra loro, quindi si
ha una distorsione del segnale
E’ un fenomeno tipico dei mezzi guidati
Nel caso di trasmissioni digitali, alcune componenti del
segnale relative ad un certo bit possono ritardare (o
anticipare) ed interferire con le componenti relative a bit
diversi (interferenza intersimbolica)
anche in questo caso si adottano spesso tecniche di
equalizzazione per correggere il comportamento del canale
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Effetto della equalizzazione
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Rumore
Per rumore si intende un segnale presente
sul canale (in ricezione) che non fa parte
del segnale trasmesso
Il rumore si divide in
rumore termico (o rumore bianco)
rumore di intermodulazione
diafonia
rumore impulsivo
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Rumore termico
Il rumore termico e’ provocato dalla agitazione
degli elettroni dovuta alla temperatura
Il rumore termico e’ presente sia nei circuiti
dedicati alla generazione o ricezione del segnale,
sia nel mezzo trasmissivo
E’ caratterizzato da avere una intensita’
indipendente dalla frequenza (da qui il nome di
rumore bianco)
Non puo’ essere eliminato (nell’elettronica dei
circuiti puo’ essere limitato aumentando il livello
qualitativo della realizzazione dell’elettronica)
si combatte aumentando il livello del segnale per
quanto possibile
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Rumore di intermodulazione
Spesso si utilizza lo stesso mezzo trasmissivo per
trasmettere segnali indipendenti che occupano diverse
bande di frequenza disponibile su quel mezzo
(multiplexing in frequenza, lo vedremo piu’ avanti)
In questa circostanza sul canale ci saranno
contemporaneamente, ad esempio, due segnali
indipendenti a frequenza f1 ed f2
Effetti di non linearita’ possono generare segnali a
frequenze multiple di (f1+f2) o (f1-f2), e questi potrebbero
andare ad interferire con un terzo segnale
contemporaneo trasmesso intorno a quelle frequenze
Questi effetti possono essere conseguenza di
malfunzionamenti o invecchiamento dell’elettronica,
eccesso di potenza nel segnale trasmesso
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Diafonia
La diafonia e’ un fenomeno di accoppiamento elettrico tra
mezzi trasmissivi vicini non isolati adeguatamente
Il segnale trasmesso su un cavo genera per induttanza un
segnale corrispondente nel cavo vicino, che si sovrappone
al segnale trasmesso in quest’ultimo
Le tecniche per contrastare questi effetti sono
essenzialmente due:
migliorare l’isolamento del mezzo trasmissivo, in modo da
proteggerlo degli effetti della trasmissione trasportata da mezzi
vicini
disaccoppiare i mezzi trasmissivi adiacenti tramite avvolgimenti
dei conduttori che trasportano il segnale
avvolgimenti con passi differenti ostacolano il fenomeno di
induttanza tra diverse coppie di conduttori
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Rumore impulsivo
Questa categoria di rumore e’ conseguenza di fenomeni
sporadici che possono generare segnali indesiderati di
breve durata nell’elettronica o nel mezzo trasmissivo
Esempi possono essere l’accensione di dispositivi
elettrico-magnetici (monitor, forni a microonde, motori
trifase) o sbalzi di tensione della alimentazione elettrica,
in vicinanza dei circuiti o del mezzo trasmissivo
A differenza degli altri, l’effetto del rumore impulsivo non
e’ prevedibile a priori, ed e’ spesso molto piu’ elevato in
intensita’
Ha un effetto limitato nelle trasmissioni analogiche, ma
grave in quelle digitali (un picco di energia di 0.01
secondi su una linea telefonica non ha effetti sulla
comprensione della comunicazione vocale, ma fa perdere
560 bit in una comunicazione dati a 56 kbps)
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Effetto del rumore nella trasmissione dati
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Capacita’ del canale
Quello che interessa nella trasmissione dati e’: dato un canale con
determinate caratteristiche, e definito un tasso di errore accettabile,
quale velocita’ di trasferimento dati posso ottenere?
La legge di Nyquist (per un canale esente da rumore) dice che la
capacita trasmissiva di un canale a banda B con livello di
modulazione M e’ data da
C 2 B log 2 M
bps
Tuttavia non si puo’ aumentare la banda a piacere (per motivi di
costi, di impossibilita’ pratica o di scelta deliberata)
Non si puo’ nemmeno aumentare a piacere il tasso di modulazione
(M): aumentare il tasso di modulazione significa rendere piu’
complesso in ricezione distinguere il valore trasmesso, e fenomeni di
distorsione o di rumore farebbero aumentare gli errori in ricezione
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Legge di Shannon
Shannon ha sviluppato e dimostrato una relazione relativa
alla capacita’ trasmissiva massima di un canale in
presenza di solo rumore bianco
Detto SNR (Signal to Noise Ratio) il rapporto di potenza
tra il segnale ed il rumore, la massima capacita’ in
assenza di errori su un canale di banda B e’ data da:
C B log 2 1 SNR
bps
Questo e’ un limite massimo teorico, in pratica
irraggiungibile (ad esempio perche’ non tiene conto di
altri fattori distorsivi)
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Commenti alla legge di Shannon
Secondo la relazione vista, sembrerebbe possibile
aumentare il tasso di trasferimento dati
aumentando il livello del segnale
Questo e’ vero, ma come gia’ osservato
l’aumento del livello del segnale comporta
l’insorgere di effetti come la non linearita’ che
vanno ad accrescere il tasso di errore in ricezione
Quindi effettivamente la limitazione di banda
costituisce un limite alla velocita’ di trasferimento
dei bit
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Esempio
Supponiamo di avere un canale trasmissivo la cui
banda sia da 3 a 4 MHz, ed il cui rapporto
segnale su rumore sia 24 dB:
24dB 10 log SNR SNR 102.4 251
La legge di Shannon dice che la capacita’
trasmissiva massima in assenza di errori e’
C B log1 SNR 1MHz log252 8 Mb/s
Con quale livello di modulazione posso ottenere
questo tasso? Ce lo dice la legge di Nyquist:
C 2 B log 2 M M 2
8 Mbps
2 MHz
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Tipizzazione di dati e segnali
Dati analogici: assumono valori continui in un
determinato intervallo
Dati digitali: dati che assumono valori discreti in un certo
intervallo
voce
video
dati raccolti da sensori quali temperatura, pressione, tensione o
corrente elettrica,…
testo (caratteri, rappresentati da codifiche opportune, come
codice Morse, ASCII)
numeri interi
Segnali analogici: segnale elettromagnetico che varia le
sue caratteristiche con continuita’
Segnali numerici: segnale elettromagnetico costituito da
una sequenza di impulsi
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Relazione tra dati e segnali
Un dato analogico puo’ essere rappresentato con un segnale
analogico che occupa lo stesso spettro.
il segnale elettromagnetico che rappresenta la voce nel sistema
telefonico tradizionale e’ un segnale analogico con frequenza compresa
tra 300 Hz e 3400 Hz, che riproduce lo spettro del suono emesso
Un dato digitale puo’ essere rappresentato con un segnale digitale
che identifichi i numeri con diversi livelli di ampiezza degli impulsi
E’ possibile rappresentare dati digitali con segnali analogici (modem)
e dati analogici con segnali digitali (codec)
la comunicazione tra calcolatori attraverso una linea telefonica: il dato
numerico viene trasformato dal modem in segnale analogico, e
ricostruito in ricezione nuovamente come dato numerico da un altro
modem
la comunicazione telefonica attraverso una linea ISDN: la voce viene
digitalizzata mediante campionamenti da un codec, trasmessa come
insieme di dati numerici, rigenerata come segnale analogico in ricezione
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Trasmissione dei segnali
La trasmissione dei segnali e’ detta analogica se il segnale viene trasmesso
senza curarsi del suo significato
la trasmissione digitale tiene conto del contenuto dei dati se si deve
intervenire per contrastare l’attenuazione
in questo caso la trasmissione si limita a recapitare il segnale, eventualmente
amplificandolo in intensita’ quando necessario
il segnale non viene semplicemente amplificato, ma viene interpretato, si estrae il
contenuto informativo e si rigenera il segnale tramite apparati detti ripetitori
questo puo’ essere fatto a prescindere dal tipo di segnale (numerico o analogico),
che a sua volta puo’ rappresentare dati analogici o numerici
vantaggi della trasmissione digitale:
immunita’ maggiore alla alterazione dei dati verso lunghe distanze
omogeneizzazione della trasmissione per diverse tipologie di dato
dati digitali (numeri) ed analogici (video/voce) trasmessi con la stessa tecnica
sicurezza e riservatezza
svantaggi della trasmissione digitale
costi superiori
maggiore complessita’ dell’elettronica
richiede rinnovo di infrastrutture gia’ esistenti
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Trasmissione in banda base e modulata
Una volta generato il segnale da trasmettere,
questo puo’ essere immesso direttamente sul
canale; in questo caso si parla di trasmissione in
banda base: il segnale che trasporta le
informazioni ed il segnale sulla linea sono identici
Vi sono diverse circostanze che rendono
opportuno trasmettere il segnale in modo che
occupi una banda differente di frequenze; questo
tipo di trasmissione si realizza tramite un
processo di modulazione
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