1 Sistemi di comunicazione La teoria della comunicazione è

Sistemi di comunicazione
La teoria della comunicazione è sintetizzata nelle parole di Shannon:
“il problema fondamentale della comunicazione consiste nel riprodurre in un punto esattamente (o
con buona approssimazione) un messaggio preparato in un altro punto”.
Un modello di sistema di comunicazione è costituito da 5 elementi:
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la sorgente che genera il messaggio che deve essere comunicato;
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il trasmettitore che opera sul messaggio in modo da renderlo idoneo alla trasmissione su un
canale;
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il canale che è il mezzo impiegato per trasferire il messaggio dal trasmettitore al ricevitore;
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il ricevitore che ricostruisce il messaggio a partire dal segnale effettuando l’operazione
inversa del trasmettitore;
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la destinazione del messaggio che è la persona o cosa a cui esso è stato inviato.
Il messaggio deve avere un codice di rappresentazione e il processo che codifica il messaggio si
chiama codificazione di sorgente. Dalla parte del destinatario ci deve essere di conseguenza un
decodificatore di sorgente che esegue la funzione inversa.
I segnali contenenti l’informazione, durante il passaggio dalla sorgente alla destinazione, sono
sovrapposti da elementi perturbanti (distorsione e rumore) che possono modificarne il contenuto
informativo generando errori nella trasmissione. La distorsione è un’alterazione del segnale che
dipende dalla banda limitata dei mezzi trasmissivi e dei vari apparati. Il rumore è un disturbo,
sempre presente, che opera sul segnale in modo non prevedibile e casuale proveniente dall’esterno
del canale (disturbi atmosferici, da campi elettrici o elettromagnetici esterni, interferenze di altri
apparati, diafonie e intermodulazioni) o dall’interno (rumore termico, disturbi prodotti dalle
variazioni delle caratteristiche degli apparati per effetto della temperatura, dell’invecchiamento,
ecc.).
Per permettere al destinatario di riconoscere o correggere eventuali errori di trasmissione, il
messaggio viene codificato in modo ridondante. Questa ulteriore codifica è detta codifica di canale
dalla parte del sorgente e decodifica di canale dalla parte del destinatario.
Il processo di trasformazione del messaggio in segnale si chiama codifica di linea dalla parte del
sorgente e decodifica di linea dalla parte del destinatario.
Un canale di comunicazione è la linea di trasmissione dell’informazione che collega un
trasmettitore ad un ricevitore.
Per canale ideale discreto si intende una linea di trasmissione a banda limitata, privo di rumore e di
disturbi, in cui viene inviata informazione numerica.
Si definisce velocità di segnalazione il numero di simboli dell’alfabeto (livelli di tensione distinti)
trasmessi su un canale nell’unità di tempo e si misura in baud (simboli/sec).
Mentre nelle trasmissioni digitali:
la velocità di trasmissione è la quantità di informazione binaria trasmessa su un canale nell’unità di
tempo e si misura in bps (bit per secondo).
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Nel caso di alfabeti binari la velocità di segnalazione coincide con la velocità di trasmissione
mentre per alfabeti costituiti di più di due simboli la velocità di trasmissione è maggiore della
velocità di segnalazione.
La banda di frequenza per le comunicazioni analogiche è data dall'intervallo di tutte le frequenze
significative per definire il segnale ed è misurata in Hz (Hertz).
Per esempio, una comunicazione telefonica analogica occupa le frequenze che vanno da 300 a 3400
Hz quindi ha una banda di frequenza di 3100 Hz (cioè 3400 - 300).
L’ampiezza di banda o banda passante di un canale di comunicazione è la differenza tra la
frequenza massima e minima permessa dal mezzo di trasmissione.
La capacità di canale è la quantità massima di dati che può essere trasportata dal mezzo di
trasmissione nell’unità di tempo e si misura in bps.
A causa della banda passante limitata del canale, il segnale digitale emesso dalla sorgente subisce
distorsione di ampiezza e di fase. Per non perdere informazione durante la trasmissione:
la banda passante del canale deve essere uguale o più ampia della banda di frequenza del segnale.
Poichè la banda di frequenza significativa di un segnale impulsivo aumenta al diminuire della
durata dell’impulso, il segnale impulsivo trasmesso non può avere una durata troppo breve. Ciò
determina una limitazione nella capacità del canale.
Secondo la dimostrazione di Nyquist, nel caso di messaggi trasmessi con segnali binari:
la capacità del canale ideale è il doppio della banda passante del canale: Cb = 2B bps.
Più in generale il criterio di Nyquist afferma che se si usano alfabeti con n simboli, la capacità del
canale ideale vale :
Cn = 2B log2n bps
Di conseguenza, in un canale ideale, si può aumentare “indefinitamente” la capacità del canale,
aumentando il numero dei simboli dell’alfabeto. Con le attuali tecnologie è possibile, in particolari
condizioni, trasmettere a velocità prossime alla capacità di canale. In molti casi però la velocità con
cui è possibile trasmettere in un canale è notevolmente inferiore al valore teorico fissato dal criterio
di Nyquist.
Un canale reale è un mezzo trasmissivo in cui è presente il rumore, cioè un “disturbo di fondo”
casuale e distribuito su tutte le frequenze. Nei canali reali, a causa del rumore, l’incremento dei
livelli distinti di tensione (simboli dell’alfabeto) riduce il margine di sicurezza tra due livelli
adiacenti. Per questo motivo la capacità dei canali reali va calcolata tenendo conto dell’effetto del
rumore.
Per il teorema di Shannon, nei canali reali, la capacità di canale vale :
Cn = B log2 (1 + S/N)
dove S è la potenza trasferita dal segnale ed N la potenza del rumore.
Per esprimere la quantità di rumore del canale di solito non si usa il rapporto S/N ma la misura in
decibel (dB) che è data da 10 log10 S/N.
Per esempio una linea telefonica analogica ha come valori tipici ampiezza di banda di 3000 Hz e
rumore di 30 dB e quindi la capacità può arrivare al massimo a 30000 bps.
I valori ottenibili con la formula di Shannon sono solo teorici e non sono in pratica raggiungibili, a
causa di altre cause di disturbo e di distorsione, di cui la formula non tiene conto.
Il criterio di Nyquist ed il teorema di Shannon fissano i limiti teorici della capacità di un canale
trasmissivo. Nella realtà la velocità di trasmissione dell’informazione risulta sensibilmente inferiore
rispetto ai valori teorici. In conclusione si può dire che la capacità di un canale risulta proporzionale
alla sua banda passante ed aumenta utilizzando segnali multilivello (ad es. con un segnale a quattro
livelli la capacità di canale raddoppia rispetto ad un segnale binario); inoltre è limitata dalla
presenza del rumore.
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Trasmissione dei dati
Si definisce trasmissione dati l'insieme delle tecniche hardware e software utilizzate per l’invio di
informazioni digitali tra due o più sistemi d'elaborazione DTE (Data Terminal Equipement).
La trasmissione su un mezzo di trasmissione può essere effettuata in banda base o in banda larga.
Nelle trasmissioni in banda base tutta l’ampiezza di banda del mezzo di trasmissione viene usata
come un canale unico; un solo segnale occupa tutta la banda.
Le trasmissioni in banda larga (broadband) dividono l’ampiezza di banda in più canali di
dimensioni più piccole; possono essere trasportati contemporaneamente più segnali ognuno dei
quali occupa uno dei sottocanali.
I metodi di trasmissione, in base al tipo di segnale inviato, si classificano in: trasmissione in banda
base e banda traslata.
Nella trasmissione in banda base il segnale viene inviato “direttamente” sul canale trasmissivo.
Nella trasmissione in banda traslata (o in banda passante) il segnale, prima di essere inviato, viene
“traslato” nel dominio delle frequenze (mediante modulazione), ottenendo un segnale trasmesso con
una banda di frequenza molto diverso dall’originale.
Trasmissione in banda base
Questo tipo di trasmissione avviene per collegamenti a breve distanza (poche centinaia di metri)
utilizzando un segnale tipo onda quadra e viene detta anche modulazione in banda base.
Si chiamano codici di linea i codici utilizzati per associare la forma dell’onda quadra al valore del
bit da trasmettere.
I codici di linea più diffusi per la segnalazione in banda base sono: NRZ, RZ, NRZI, Manchester e
MLT-3.
NRZ (Not Return to Zero)
Lo stato digitale “1” è rappresentato con un segnale alto. Lo stato digitale “0” è rappresentato con
un segnale basso. Ciascun bit mantiene il livello elettrico associato per tutto il bit time.
Per bit time si intende la durata del segnale elettrico associata al singolo bit; esso è l’inverso del
della velocità di trasmissione.
L’impulso di temporizzazione utilizzato in ricezione per la decodifica di linea è sincronizzato a
metà del bit time. Si ha una alta robustezza agli errori, anche se lunghe stringhe di “0” o di “1” con
lo stesso valore logico potrebbero far perdere la sincronizzazione fra trasmettitore e ricevitore.
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RZ (Return to Zero)
Lo stato digitale “1” è rappresentato con un segnale alto. Lo stato digitale “0” è rappresentato con
un segnale basso. Ad ogni semiperiodo il segnale torna sempre a zero: n questo modo si ha una
netta separazione dei bit di valore uguale a 1.
Il ricevitore deve però distinguere tra 3 livelli, anziché tra 2; quindi la probabilità di errore è più
grande rispetto a quella che si ha nell’NRZ. Il vantaggio è che lunghe stringhe di “0” o di “1” non
causano la perdita del sincronismo.
NRZI (Not Return to Zero Inverted)
In questa codifica se il bit da trasmettere è 0 si lascia la linea al livello precedente, se è 1 si fa
cambiare la linea di livello.
È una codifica abbastanza diffusa nelle reti Wan. Per evitare lo sfasamento dei clock del ricevitore e
del trasmettitore si usa la tecnica del bit stuffing che consiste nell’aggiungere in trasmissione un
valore diverso ogni cinque bit di valore uguale.
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