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7.Codifica Numerica, Modulazione Analogica e Numerica

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7.Codifica Numerica, Modulazione Analogica e Numerica
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7: Strato fisico: codifica dei segnali numerici,
modulazione di segnali analogici e numerici
R. Cusani, F. Cuomo: Telecomunicazioni – Strato Fisico: Codifica e Modulazione, Marzo 2010
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Codifica dei dati numerici
 La rappresentazione di dati numerici con segnali numerici è normalmente
fatta tramite sequenze di impulsi discreti di tensione di una certa durata
temporale.
 Il dato binario è codificato in modo da far corrispondere al valore di un bit un
determinato livello del segnale
 Il ricevitore deve sapere quando inizia e finisce il bit, leggere il valore del
segnale al momento giusto, determinare il valore del bit in base alla codifica
utilizzata
 questa funzione si chiama sincronizzazione
 la migliore valutazione si ottiene leggendo il valore del segnale
nell’istante corrispondente a metà bit
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Caratteristiche delle codifiche
 Sono possibili diverse scelte di codifica, con caratteristiche differenti che
possono migliorare le prestazioni della trasmissione
 Le caratteristiche determinanti sono:
 spettro del segnale:
• componenti ad alta frequenza richiedono una banda maggiore
• l’assenza di componente continua è preferibile
– possono essere utilizzate tecniche trasmissive più resistenti al
rumore dell’elettronica
• spettro concentrato nel centro della banda
– caratteristica importante per il multiplexing (vedi oltre)
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Caratteristiche delle codifiche
 Altre caratteristiche determinanti sono:
 sincronizzazione temporale: il ricevitore deve essere sincronizzato con il
trasmettitore per identificare i bit; alcune codifiche facilitano questa funzione
 rilevazione di errore: funzione caratteristica dei livelli superiori, ma può essere
utile anche a livello fisico
 solidità del segnale rispetto ad interferenza o rumore
 costo e complessità di realizzazione
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Codifiche unipolari (RZ ed NRZ)
 La codifica unipolare RZ (Return to Zero) prevede la trasmissione di un
segnale di lunghezza T per ogni bit. Il segnale è nullo per il bit 0, mentre è un
impulso di tensione di durata T/2 per il bit 1
 La codifica unipolare NRZ-L (Non Return to Zero Level) differisce dalla RZ
perché il livello di tensione per il bit 1 rimane alto per tutta la durata del bit
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Codifiche unipolari (RZ ed NRZ)
 Una versione simile è la NRZI (Non Return to Zero Invert on ones), che è
simile alla NRZ-L, ma differenziale (cambia simbolo in occasione di un bit 1, lo
lascia inalterato in occasione di bit 0)
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Caratteristiche delle codifiche unipolari
 Le codifiche NRZ ed NRZI hanno i pregi:
 facili da progettare e realizzare (utilizzate frequentemente su linee molto
brevi)
 utilizzo efficiente della larghezza di banda (la potenza è concentrata tra 0
ed R/2, dove R è la capacità trasmissiva in bit/s (transmission rate)
 Difetti:
 esiste una componente continua
 lunghe sequenze di bit di valore 0 (e sequenze di 1 nel caso della NRZ-L)
producono un segnale costante, privo di transizioni: il ricevitore può
perdere la sincronia
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Codifiche polari
 Per migliorare le caratteristiche dei segnali si fa utilizzo di codifiche polari: i valori di
tensione sono +V e -V
 questo riduce l’impatto della componente continua, ma non la annulla
 resta il problema della sincronizzazione
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Codifiche multilivello binario
 Le codifiche a multilivello binario utilizzano tre livelli: lo zero indica il bit 0,
mentre il bit 1 è identificato con segnali a +V e –V alternati (AMI bipolare:
Alternate Mark Inversion)
 La codifica pseudoternaria è la stessa, con 1 e 0 invertiti
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Caratteristiche della codifica AMI
 La codifica AMI ha i seguenti vantaggi rispetto alla NRZ:
 risolve il problema della sequenza di bit 1, che presentano sempre una
transizione utilizzabile in ricezione per sincronizzare (ma resta il problema
per sequenze di 0)
 La componente continua è di fatto azzerata
 utilizza, a parità di tasso trasmissivo, una minore larghezza di banda
 errori isolati possono essere evidenziati come violazione del codice
 Vi sono anche svantaggi:
 utilizza simboli a 3 livelli, quindi ogni simbolo potrebbe trasportare più
informazione (log2(3) = 1.58)
 a parità di bit error rate richiede circa 3 dB in più rispetto alla NRZ (è più
difficile discriminare)
 Utilizzata in diversi casi su linee punto-punto (ISDN)
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Codifiche bifase: Manchester
 La codifica Manchester utilizza due livelli di tensione; il bit 1 è rappresentato
da un segnale -V per mezzo periodo, +V per il seguente mezzo periodo; il bit
0 è rappresentato in modo opposto (+V per il primo mezzo periodo, -V per il
restante mezzo periodo)
 La codifica Manchester differenziale utilizza lo stesso tipo di
rappresentazione, ma rappresenta il bit 1 come variazione rispetto alla
codifica del bit precedente
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Caratteristiche della codifica Manchester
 Vantaggi:
 sincronizzazione: ogni bit ha una transizione in mezzo, che può essere
utilizzata per la sincronizzazione dal ricevitore
 totale assenza di componente continua
 rivelazione di errore (in assenza della transizione prevista)
 Svantaggi:
 richiede un segnale a frequenza doppia rispetto al bit rate: 1 bit richiede 2
simboli, quindi richiede una banda doppia
 L’utilizzo più diffuso della codifica Manchester è negli standard 802.3 (Ethernet)
e 802.5 (Token Ring) sia su coassiale che su doppino
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Codifica B8ZS
 Una modifica della AMI per risolvere il problema della sequenza di zeri è la
B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), dove ogni sequenza di 8 zeri viene
codificata come:
 000+-0-+ se l’ultimo impulso è stato positivo
 000-+0+- se l’ultimo impulso è stato negativo
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Codifica B8ZS
 In questo modo scompaiono lunghe sequenze di segnale inalterato, e la
sequenza è identificata da due violazioni del codice AMI
 Utilizzata nel Nord America
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Codifica HDB3
 Stessa logica per la HDB3 (High Density Bipolar 3 zeros):
 ogni sequenza di 4 zeri viene codificata come
• se la polarità dell’ultimo impulso è stata negativa:
– 000- se c’è stato numero dispari di 1 dall’ultima sostituzione
– +00+ se c’è stato un numero pari di 1 dall’ultima sostituzione
• se la polarità dell’ultimo impulso è stata positiva:
– 000+ per un numero dispari di 1 dall’ultima sostituzione
– -00- per un numero pari di 1 dall’ultima sostituzione
 anche in questo caso scompaiono lunghe sequenze di zeri, e la
sequenza è identificata da violazioni opportune del codice AMI
 Utilizzata in Europa e Giappone
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Caratteristiche di B8ZS ed HDB3
 Hanno sempre componente continua nulla (le violazioni sono alternate)
 efficiente utilizzo della banda, la potenza è concentrata a metà banda
 come con AMI, è possibile riconoscere gli errori singoli
 Generalmente utilizzate nella trasmissione dati ad elevata distanza
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Spettro delle codifiche numeriche in banda base
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Dati analogici-segnali analogici
 La rappresentazione di dati analogici tramite segnali analogici può essere:
 in banda base: il segnale trasmesso è identico al dato analogico da
trasmettere, ed occupa la stessa banda di frequenza del dato analogico
 attraverso la modulazione di una portante sinusoidale operata utilizzando
il dato (analogico) come segnale modulante
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Modulazione
 La modulazione è un processo con il quale il segnale da trasmettere (segnale
modulante) viene utilizzato per modificare nel tempo le caratteristiche di un
segnale ausiliario sinusoidale (portante)
 Questa operazione ha la caratteristica di generare un segnale che ha una
occupazione di banda dell’ordine di grandezza di quella del segnale
modulante, centrata però intorno alla frequenza del segnale portante
 Utilizzando una portante ad alta frequenza si può quindi spostare la banda
necessaria alla trasmissione delle informazioni in un intervallo più opportuno
per la trasmissione stessa
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Vantaggi della modulazione
 Spesso per la trasmissione sono preferibili determinati intervalli di frequenza
 ad esempio, la trasmissione via ponte radio (a vista) richiede una antenna
direzionale; la dimensione della antenna deve essere dello stesso ordine di
grandezza della lunghezza d’onda; per trasmissioni a 1 KHz λ = 300 Km, per
trasmissioni a 1 GHz λ = 30 cm
 per trasmettere i segnali radio si può sfruttare la riflessione multipla dalla
ionosfera, che riflette bene frequenze di 5-30 MHz
 Un altro vantaggio è legato alla possibilità di trasmettere più comunicazioni differenti
e contemporanee sullo stesso mezzo, traslando le bande relative alle diverse
comunicazioni in zone differenti della banda utile per la trasmissione (multiplexing a
divisione di frequenza)
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Tecniche di modulazione
 Il segnale modulante viene utilizzato per modulare le caratteristiche della
portante:
 ampiezza: il segnale viene utilizzato per modificare il valore della
ampiezza della portante (modulazione di ampiezza)
 frequenza: il segnale modulante modifica istante per istante la frequenza
della portante (modulazione di frequenza)
 fase: il segnale modulante cambia la fase della portante (modulazione di
fase)
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Esempi di modulazione
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Modulazione analogica di ampiezza (AM)
 Il segnale modulante è un segnale analogico (es.: voce, o meglio il segnale
elettromagnetico corrispondente alla voce in banda base)
 Il segnale modulato si genera in questo modo:
s( t )  1  n  x( t )cos( ct )
L’ampiezza del segnale modulato è funzione del segnale modulante; n è detto
indice di modulazione, e viene scelto in modo che
1  n  x( t )  0
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Esempio: modulante sinusoidale
 Consideriamo come esempio il segnale modulante sinusoidale a frequenza ω
(singola nota di violino):
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Esempio (cont)
 Il segnale modulato ha la forma:
s( t )  1  n cos( t )cos( c t )
s( t )  cos( c t ) 
n
n
cos ( c   )t   cos ( c   )t 
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 Il suo spettro sarà costituito da una riga in corrispondenza della frequenza
della portante, più due righe simmetriche rispetto alla prima a distanza pari
alla frequenza della modulante
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Spettro del segnale modulato
 In generale un segnale modulato in ampiezza ha uno spettro costituito dallo spettro
del segnale modulante raddoppiato e collocato simmetricamente attorno alla
frequenza portante (bande laterali)
Ne segue che l’occupazione di banda del segnale modulato è doppia rispetto a
quella del segnale modulante
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Spettro del segnale modulato
 Si possono adottare tecniche per sopprimere la banda laterale inferiore, ed
anche la frequenza portante mediante filtri passa banda (Single Sided Band)
 la frequenza della portante generalmente si potrà eliminare quando il
segnale in banda base non ha componente continua o comunque vicine
alla frequenza nulla
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Modulazione analogica angolare (PM)
 Il segnale modulante può essere utilizzato per modificare la fase della
portante (modulazione di fase)
 In questo caso il segnale modulato sarà descritto da
s( t )  Ac cos c t   ( t )
 ( t )  n p x( t )
dove np è l’indice di modulazione
 Di fatto si introduce un ritardo temporale proporzionale al segnale modulante
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Modulazione analogica angolare (FM)
 Il segnale modulante può essere utilizzato per modificare la frequenza della
portante (modulazione di frequenza)
 In questo caso il segnale modulato sarà descritto da

s( t )  Ac cos c  n f x( t )t

dove nf è l’indice di modulazione
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Spettro del segnale modulato in frequenza
 Per la modulazione di frequenza si può vedere come la banda occupata per
effetto della ampiezza del segnale modulante sia
F  ( max  min )  n f maxx( t )  n f Am
Un aumento della ampiezza del segnale modulante comporta un aumento
della banda occupata, mentre nella AM aumenta l’ampiezza del segnale
modulato
 La modulazione angolare non è lineare e genera uno spettro generalmente
costituito da banda infinita approssimata dalle relazioni:
BT  2F  2 B  2n f Am  2 B
BT  2n p Am  1B
per FM
per PM
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Modulazione di segnali numerici
 La tecnica della modulazione viene utilizzata in questo caso per trasformare
un dato numerico in un segnale analogico
 Si ottiene ciò modulando una portante sinusoidale utilizzando il dato numerico
(o il segnale numerico in banda base che codifica il dato numerico)
 In ricezione il segnale viene demodulato ricostruendo il segnale numerico
modulante
 L’oggetto che realizza la conversione si chiama modem (modulatoredemodulatore)
 Un esempio comune è la trasmissione dati via rete commutata
 Un altro esempio è la trasmissione digitale su fibra ottica
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Tecniche di modulazione: ASK
 Partendo da un segnale numerico (ad esempio un segnale NRZ) si può
modulare in ampiezza una portante sinusoidale moltiplicando la sua ampiezza
per il segnale numerico (ASK: Amplitude Shift Keying)
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Tecniche di modulazione: FSK
 Il segnale numerico può essere utilizzato per modulare in frequenza una
portante sinusoidale, modificando la sua frequenza in funzione del segnale
modulante (FSK: Frequency Shift Keying), cioè facendo corrispondere due
frequenze ai due valori del bit
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Tecniche di modulazione: PSK
 Il segnale numerico può modulare in fase una portante sinusoidale associano
un certo valore di fase ad un certo valore di bit (PSK: Phase Shift Keying).
Nell’esempio in figura al bit 1 si associa un cambio di fase, al bit 0 nessun
cambio di fase
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Forma del segnale trasmesso
 I segnali trasmessi con le diverse tecniche di modulazione hanno la seguente
forma
 A cos(t )
ASK : s (t )  
0
bit 1
bit 0
 A cos(1t )
FSK : s (t )  
 A cos(2t )
 A cos(t  1 )
PSK : s (t )  
 A cos(t   2 )
bit 1
bit 0
bit 1
bit 0
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Spettro del segnale trasmesso
 Le considerazioni viste per la modulazione analogica valgono anche in questo
caso
 Il segnale generato è costituito dallo spettro del segnale modulante (quello
numerico) spostato sulla frequenza della portante
 Ad esempio, i modem possono utilizzare una modulazione FSK a due valori
per trasmettere dati fino a 1200 bps su un canale telefonico (limitato in banda
tra 0.3 e 3.4 KHz)
 per la trasmissione in un verso, si utilizza una portante a 1170 Hz, con
una traslazione di 100 Hz su ciascun lato in funzione del valore dei bit
 per la trasmissione nell’altro verso, si usa la stessa tecnica con la
portante a 2125 Hz
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Esempio di spettro
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Modulazioni più complesse: QPSK
 Si ottiene una migliore efficienza del canale modulando in modo che ogni simbolo
trasporti più bit
 Nella modulazione QPSK (Quadrature PSK) si utilizzano quattro angoli di fase per
trasmettere due bit per simbolo; ad esempio:
 00 per fase = 0
 01 per fase = 90 gradi
 11 per fase = 180 gradi
 10 per fase a 270 gradi
 Si possono utilizzare modulazioni più complesse utilizzando più angoli di fase
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QAM
 La modulazione QAM (Quadrature AM) consiste nel separare il segnale
portante in due segnali uguali ma sfasati di 90 gradi
 Successivamente si applica una modulazione di ampiezza a più valori
indipendentemente su entrambe, quindi si ricombinano le portanti sfasate
(quadratura).
 Si possono applicare modulazioni combinate in fase ed ampiezza sulle due
componenti
 In funzione delle modulazioni delle due portanti si possono avere 4QAM,
16QAM, 64QAM ed oltre
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Schema della QAM
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Applicazioni
 Queste tecniche vengono utilizzate per la trasmissione digitale di segnale
analogico (modem, ponti radio digitali, fibre ottiche)
 Per i modem l’ITU ha definito degli standard per le trasmissioni modem a
2400 baud:
 V32 (32 livelli, 5 bit/baud di cui 1 bit di parità e 4 bit di dati, 9600 bps)
 V32 bis (128 livelli, 7 bit/baud di cui 1 bit di parità e 6 bit di dati, 14400
bps)
…
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