Calcolatori Elettronici a.a. 2001-2002Omero TuzziSeriali-Modem 1 Trasmissione e ricezione...

Calcolatori Elettronici a.a. 2001-2002

Omero Tuzzi Seriali-Modem 1

Trasmissione e ricezione dell’informazione

Sorgente Codifica di canale Modem

Utente Demodem

Canalefisico

Decodifica di canale

Data streamCode stream

Canale digitale

La codifica/decodifica di canale permette di diminuire (con un certo grado di libertà) il tasso di errore del canale, aggiungendo informazioni, oltre a quelle trasmesse, che permettono di rilevare e/o ricostruire simboli errati.

Università di Trieste



Serie di Fourier

All’inizio del XIX secolo Jean-Baptiste Fourier ha dimostrato che:




Serie di FourierUniversità di Trieste



Capacità del mezzo

Nel 1924 H. Nyquist dimostrò che un segnale a larghezza di banda B può essere ricostruito a partire dai 2B campioni del segnale stesso.Con l’ausilio di questa relazione riuscì a stabilire che la massima quantità di informazione trasmessa in un canale non rumoroso, dato un segnale costituito da V livelli, è di:

VBI 2log2bit/s




Capacità del mezzo

Nel 1948 C. Shannon estese il lavoro di Nyquist a canali soggetti a rumore casuale (termico).Se indichiamo con S la potenza del segnale e con N la potenza del rumore, la massima informazione trasmessa è:

N

SBI 1logbit/s 2

quindi, in un canale telefonico la banda è di circa 3 Khz, il rapporto S/N è di circa 30 dB (cioè 10 log101000=30 dB), allora la quantità massima di bit trasmessi è di circa 33.000 bps.




Mezzi di trasmissione

• Mezzi magnetici: Nastri magnetici e floppy disk che hannouna banda passante molto varia (dipende dalla destinazione)• Il doppino: Consiste in due fili di rame isolati, dello spessoredi un 1mm

La larghezza di banda dipende dallo spessore e dalla distanzapercorsa, ma molte volte può raggiungere diversi megabit/sper distanze di chilometri. Esistono vari tipi di doppino:

• Categoria 3: Rappresentato da 4 coppie raggruppate in una guaina• Categoria 5: Come Cat. 3 ma con più intrecciamenti per cm edisolamento di qualità superiore





•Cavo coassiale a banda base: Consiste in un filo di rame rigido circondato da una garza metallica che funge da schermo:

L’impedenza tipica dei cavi coassiali (coax) è di 50.

La larghezza di banda dipende dalla lunghezza del cavo: per lunghezzedi 1 km sono possibili velocità che variano da 1 a 2 Gbps.Si possono avere anche cavi più lunghi, ma occorre ridurre la velocità di trasmissione e frammezzare ai tratti di cavo degli amplificatori di segnale.





• Cavo coassiale a larga banda: Consiste in un cavo identico a quello in banda base, ma con un sistema di trasmissione diverso.Su coassiale in banda larga, la trasmissione avviene in analogico, cioè in maniera del tutto simile alla trasmissione televisiva.

La larghezza di banda in questo caso è di 300 Mhz, con lunghezze anche di 100 km.

I sistemi a banda larga suddividono il canale totale in canali da 6 Mhz, che possono essere utilizzati per la trasmissione di emittenti TV, audio ad alta qualità (1,4 Mbps) o un flusso digitale a 3 Mbps.





• Fibra ottica: Consiste in un cavo composto da un anima trasparente di silicio avvolto in un rivestimento di vetro con indice di rifrazione diverso. Tutta la parte in vetro è ricoperta da una guaina di plasticanera. Le fibre sono normalmente raggruppate insieme intorno ad un filo di metallo che facilita la posa del cavo.La larghezza di banda in questo caso è di oltre 30.000 GHz.

L’attuale limite di trasmissione è dovuto semplicemente al fatto che un sistema a fibra ottica necessita di due conversioni: la prima da elettrico a luce, e la seconda luce ad elettrico.





La trasmissione all’interno dell’anima di vetro può avvenire con modalità diverse:

Fibra multimodale: È una fibra il cui nucleo è abbastanza ampio da permettere diversi angoli di rimbalzo della luce trasmessa

Fibra monomodale: È una fibra il cui nucleo permette il passaggio di poche lunghezze d’onda. Questo fa comportare la fibra come una semplice guida d’onda





• L’aria: L’aria è un buon mezzo di trasmissione, in particolare le onderadio sono facili da generare, possono viaggiare per lunghe distanze epenetrano facilmente negli edifici. Inoltre sono omnidirezionali, quindiil trasmettitore e il ricevitore non devono essere allineati.

Radio Microonde Infrarosso Raggi XUV Raggi Gamma

104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016

TV

Doppino

CoaxFibreSatellite

Radio FMMicroonde

Radio AM

Marittima

LF MF HF VHF UHF SHF EHFTHF




Canale digitale

È costituito dall’insieme modulatore, canale fisico di comunicazione e demodulatore.Viene chiamato così perché sia in ingresso che in uscita del canale si hanno simboli digitali.

Discrete q-aty input, Q-ary output channel

0

1

0

1

q

q = 1 - p

p

p

BSC (Binary Symmetric Channel)

x0 y0

x1 y1

x2 y2

xj yk

…… ……




1876: Inizio della nuova era

•1876: Alexander Graham Bell brevetta il telefono

•1878: Fonda la Bell Telephone Company

•Apre il primo ufficio di commutazione a New Haven nel Connecticut




Il sistema telefonico moderno

DIGITAL PSTNDIGITAL PSTNLinea Analogica Linea Analogica

Nella trasmissione PCM, in corrispondenza di ciascun campione vengono emessi n impulsi binari rappresentanti in codice il valore quantizzato dell’ampiezza istantanea del segnale campionato.

3 4 5 6 5 4 0 0 2 4 5 3




Evoluzione della topologia di rete

End office Toll officeSwitching office

...

1876 1878 1890

Local Loop Toll connecting

trunkVHB interc.

trunk...

... Local Loop





Il canale telefonico vocale ha banda in 300Hz - 3.4KHz

• I circuiti localicircuiti locali sono doppini in rame

• Tra gli uffici di commutazioneuffici di commutazione si usano cavi coassiali, microonde e fibre ottiche

• Si sta passando dal sistema analogico al digitaledigitale (è più facile rigenerare il segnale; permette trasmissione di voce, dati, video; la frma d’onda non deve essere accurata; manutenzione più semplice).




Componenti del sistema

• Circuiti locali - analogici I dati devono essere convertiti in forma analogica con un modem

• Dorsali

• Centralini

Ufficioterminale

Ufficioterminale

Ufficiodi pedaggio




Distorsione d’ampiezza

La Distorsione d’ampiezza deriva dalla diversa attenuazione che subiscono nella propagazione le varie componenti spettrali del segnale, il quale risulta così deformato rendendo più difficile la sua ricezione.Ad ogni distorsione dello spettro provoca un cambiamento sull’andamento del segnale nel dominio del tempo. Questo provoca effetti coda con conseguente interferenza intersimbolica.

1 0 1

Soglia di decisione

L’attenuazioneattenuazione è la perdita di energia del segnale durante la sua propagazione. La perdita è espressa in dB per Km.




Distorsioni della fase

La Distorsione di fase è provocata dalla differente velocità con la quale si propagano le diverse componenti del segnale trasmesso. In genere sono costanti per un mezzo trasmissivo e si riflettono nel dominio del tempo provocando una traslazione in ritardo del segnale.

Il Jitter di fase è un fenomeno molto simile alla distorsione di fase, con l’unica differenza che questo disturbo non è costante nel tempo, ma varia in maniera casuale.




Il rumore di linea

È importante distinguere tra rumore di fondo e rumore impulsivo:

• Rumore di fondo (Rumore bianco): È un rumore la cui potenza è uniformemente distribuita nella banda di frequenze utilizzata.

• Rumore impulsivo: È un rumore costituito da picchi che superano una determinata soglia, in genere non raggiungibile dal rumore di fondo. Ha origine dai transitori delle centrali, da correnti parassite industriali e atmosferiche e da qualunque altra causa che possa indurre disturbi di breve durata ma di forte intensità.




Le modulazioni

La modulazione dei dati sulla linea di trasmissione può essere:

• Pulse Code Modulation (PCM)

• Modulazione a Frequency Shift Keying (FSK)

• Modulazione a Phase Shift Keying (PSK)

•Modulazione a Quadrature Amplitude Modulation (QAM)




La codifica PAM/PCM

Per trasformare una sequenza di bit in un segnale analogico è necessario associare ad ogni valore binario una curva chiamata kernel.

)()( tFbtsk

k

Il problema è che non è possibile avvicinare troppo due simboli consecutivi, perché questi potrebbero interferire tra loro.Inoltre non è possibile ridurre troppo l’ occupazione in tempo della curva kernel a causa del conseguente allargamento della banda di canale nel dominio della frequenza.

kernelfunzionelaè)(dove tF

1 0 1 1 1 0




Frequency Shift Keying

Nella modulazione FSK a ciascuna delle due cifre binarie è associato un valore diverso di frequenza. Precisamente:

a

z

ffrequenza

ffrequenza

0 livello

1 livello

Requisito importante nella FSK è la continuità di fase negli istanti di transizione da una frequenza all’altra. Il mancato rispetto di questa condizione comporta un allargamento della banda del segnale modulato. Per ottenere questo generalmente si scelgono le frequenze di livello in modo che la loro frequenza risulti pari ad un multiplo della frequenza fondamentale di modulazione.




Phase Shift Keying

Nella modulazione PSK bifase, a ciascuna delle due cifre binarie è associato un valore diverso di fase. Precisamente:

a

z

fase

fase

0 livello

1 livello

La modulazione polifase si realizza effettuando una codifica preliminare dei bit provenienti dal terminale, raggruppandoli in parole di n bit e facendo corrispondere a ciascuna delle 2n parole possibili una determinata fase della frequenza portante.




Esempio di PSK

00 45 10 13511 22501 315

001 0000 45010 90011 135111 180110 225100 270101 315

2 bit = 2400 bit/s

3 bit = 4800 bit/s

Non si può aumentare indefinitamente il numero di bit per campione perché entrano in gioco fattori di distorsione o rotazione del segnale, detto anche phase jitter.




Quadrature Amplitude Modulation

Nella QAM si utilizzano congiuntamente le modulazioni di ampiezza e fase. Quindi la codifica dei bit non viene solo affidata alla variazione di fase, ma anche a quella di ampiezza.

Schemi di costellazione

1111 0000

1010

1101

0010

4 bit/baud3 bit/baud

001

000

101




Esempio di costellazione QAM

0001

0100 0101 0011 0000

001001100111

1100 1111 1001 1000

1101 1110 1010 1011

4 bit/baud = 9600 bps




Esempio di costellazione QAM

Velocità di trasmissione: 14400 bpsCostellazione a 64 punti




I Modem

I modem vengono classificati in base alle loro principali caratteristiche di funzionamento:

• Banda di frequenza dei segnali trasmessi (banda base o traslata)

• Tipo di collegamento consentito (half duplex o full duplex)

• Procedura di trasmissione (sincrona o asincrona)




Caratteristiche dei Modem

Modem in banda traslata: Se la via di trasmissione del collegamento dati è un canale telefonico con banda 300-3400 Hz, è necessario effettuare, mediante il modem, una traslazione di frequenza di adattamento.

Modem in banda base: Se il collegamento è una rete dedicata in ambito urbano con supporto trasmissivo costituito da coppie di cavo senza limitazioni (o quasi) di banda, è possibile trasmettere dati in banda base. In questo modo il modem risulta semplificato.





Modem in half-duplex: In questo tipo di funzionamento, per consentire il flusso dei dati in entrambe le direzioni di trasmissione, i modem devono passare alternativamente dallo stato di trasmissione a quello di ricezione e viceversa. Questa commutazione richiede un certo tempo dell’ordine di qualche millisecondo (turn around time). Modem in full-duplex: In questo tipo di funzionamento il flusso dei dati può avvenire contemporaneamente nei due sensi di trasmissione: non è richesta quindi la commutazione trasmissione-ricezione da parte del modem, e ciò consente di eliminare i tempi morti relativi a questa operazione. Questa modalità pone dei problemi nel caso di circuiti a 2 fili, perché la banda passante telefonica deve essere divisa in due canali che limitano di fatto la velocità di trasmissione.





Modem sincroni: Nel modo sincrono la temporizzazione dei dati è eseguita dal modem. Questo preleva i dati, lato trasmissione, dal terminale secondo una cadenza scandita da un proprio clock. In ricezione, il clock viene estratto dai segnali in arrivo. In questo caso la velocità di trasmissione è rigidamente stabilita dal clock del modem.Modem asincroni: Nel modo asincrono il modem non ha componenti di temporizzazione, ed accetta dalla sorgente i dati con qualsiasi cadenza, purché non superiori ad un massimo consentito. Questi vengono poi restituiti al terminale ricevente senza alterazioni temporali; si dice che i modem asincroni sono trasparenti ai dati.





Altri elementi di classificazione:

• Intelligenza

• Equalizzazione automatica o manuale

• Modem a multiporta

• Sicurezza

• Capacità Voice/Data




Circuito di trasmissione

Data Encoder Scrambler Modulatore

Circuitodi

controllo

Filtro

Clock

Driver

Request To Send

Transmit Data

Transmit Clock

Clear To Send

Canale fisico




Circuito di ricezione

Data Decoder Descrambler Demodulatore Equalizzatore

Clock

DriverData Carrier Detect

Received Data

Receive Clock

Canale fisico

Filtroe

Amplificatore

Circuito di Carrier Detect




Elementi del

Modem Data Encoder: Viene impiegato in sinergia con schemi di modulazione, per aumentare il rapporto bit/baud.Scrambler/Descrambler: Quando il flusso di bit che arrivano dal DTE non è sufficiente all’estrazione del clock di trasmissione, è necessario aggiungere uno scrambler che modifica le sequenze di bit in modo da aggiungere le transizioni necessarie.Equalizzatore: Gli equalizzatori vengono utilizzati per adattare le singole componenti del segnale ricevuto, in modo da minimizzare interferenze, attenuazioni, ecc.

Filtro: È un dispositivo che accoppia la banda del segnale emesso dal modem alla banda del canale fisico.




Elementi del Modem

Driver: Il driver è un dispositivo che adatta il livello del segnale al canale fisico.

Modulatore/Demodulatore: Questi circuiti trasformano le sequenze di bit digitali in segnali analogici aventi particolari caratteristiche che dipendono dal tipo di modulazione impiegata.

Clock:Il generatore di clock interno è necessario nei modem sincroni.




Baud/sec e Bps

• I Bps (Bits Per Second) di un modem rappresentano la capacità di trasmissione in bit di sorgente.

• Il Baud rate o Baud/sec rappresentano il numero di campioni analogici trasmessi dal modem.




Codifica/Decodifica di canale

In generale una codifica di canale si indica con (n, k): dove k rappresenta il numero di simboli di sorgente utilizzati per la formazione di un blocco, mentre n (n > k) indica il numero di simboli utilizzati dal codificatore per rappresentare il blocco codificato.

Il numero n viene detto anche lunghezza della parola di codice, mentre gli n - k simboli si dicono simboli di ridondanza.




Classificazione dei Codici

Possiamo dividere i codici in due classi distinte:

• Codici a rilevazione d’errore: che permettono di rilevare la presenza di un errore all’interno di una parola di codice ma che non permettono la sua correzione.

• Codici a correzione d’errore: che permettono, oltre ad una rilevazione dell’errore in un parola di codice, anche la sua l’individuazione e correzione.

Un codice (n, k) viene detto in forma sistematica se la parola di codice è formata dai k simboli di sorgente (rimasti invariati), uniti agli n - k simboli di ridondanza.




Vantaggi e svantaggi

Codici a rilevazione d’errore

Vantaggi• Sono codici molto semplici e quindi molto veloci. In questo modo possono lavorare ad alte velocità• Hanno probabilità di errore più piccole rispetto ai codici a correzione

Svantaggi• Presentano più basse prestazioni in trasmissione perché è necessario ritrasmettere la parola di codice sbagliata




Vantaggi e svantaggi

Codici a correzione d’errore

Vantaggi• Hanno prestazioni elevate in trasmissione perché possono correggere le parole di codice sbagliate

Svantaggi• I decodificatori sono sempre molto complessi• Quando sono presenti più errori di quelli che il codice può correggere, in genere il decodificatore introduce nuovi errori.




La Codifica Trellis

Quindi è stata introdotta una codifica di canale, chiamata Codifica Trellis (TCM) che tende a massimizzare la rilevazione degli errori.

Nei modem a modulazione QAM, il limite imposto alla velocità è dovuto principalmente alle distorsioni introdotte dal canale fisico.

S to PData Signal

Point Mapper

C.E.

4 bit

2 bit 3 bit

Trasmettitore QAM

Fase

Livello




ModalitàModulazioneTrasmissioneVelocità max.Modem

Half, FullTCMAsincrona56000V. 90

Half, FullTCMAsincrona28800V. 34

Half, FullTCMAsincrona19200V. 32 terbo

Half, FullTCMSincrona14400V. 33

Half, FullTCM/QAMAsincrona14400V. 32 bis

Half, FullTCM/QAMAsincrona9600V. 32

Half, FullQAMSincrona9600V. 29

Half, FullPSKSincrona4800V. 27

Half, FullHalf

PSKPSK

SincronaSincrona

24001200

V. 26

Half, FullHalf, Full

FSKFSK

Asincrona/SincronaAsincrona/Sincrona

6001200

V. 23

Half, FullQAMAsincrona2400V. 22 bis

Half, FullHalf, Full

PSKPSK

AsincronaAsincrona/Sincrona

6001200

V. 22

Half, FullFSKAsincrona300V. 21

Standard dei modemUniversità di

Trieste



Non-linear encoding

La Non Linear-Encoding è una tecnica utilizzata per distribuire i punti della costellazione in maniera non uniforme.

Questo sistema rende il modem immune agli effetti della PCM su linee analogiche normali

S to PData

Signal Point

Mapper

C.E.

4 bit

2 bit 3 bit

Trasm. QAM

Fase

Livello

),(),( 00 LfL




Modem a 300 bit/s (V. 21)

Caratteristiche generali di un modem a 300 bit/s:

Velocità di trasmissione: 300 bit/sModulazione: FSKTipo di trasmissione: asincronaMezzo trasmissivo: rete commutataServizio: full-duplex

Frequenze di trasmissione:

Bit Canale inferiore Canale superiore Canale inf. (Bell) Canale sup. (Bell)1 980 1650 1270 22250 1180 1860 1070 2025




Costellazione V. 32

9600 bps




Costellazione V. 32 bis

14400 bps




Costellazione V. 32 terbo

19200 bps




Modem V. 34

• I modem basati sullo standard V. 34 sono di gran lunga i modem più complessi realizzati perché incorporano una vasta gamma di possibili configurazioni

• I baud di trasmissione fissati dallo standard sono: 2400, 3000, 3200

• La massima velocità di trasmissione è: 3200 × 9 bits/baud = 28800 bps




Modem V. 34

• Alla massima velocità, la costellazione è formata da 960 punti

• Per discriminare tra tutti i punti della costellazione, vengono utilizzati tutti i sistemi di codifica già introdotti (Codifica non lineare, Trellis)

• Sono stati aggiunti baud rate sotto i 3000 (2743, 2800) per consentire anche la trasmissione su reti ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) normalmente utilizzate per comunicazioni via satellite




Modem V. 34

• Capacità di aggiornamento del firmware

• È stato aggiunto un concetto di canale di trasmissione/ricezione asimmetrico

• Viene utilizzato un canale ausiliare per la trasmissione a bassissima velocità di informazioni sulla qualità della linea e su informazioni di servizio

Successivamente alla sua standardizzazione, il V. 34 viene modificato dalla Rockwell Semiconductor Systems per raggiungere 33600 bps




Il V. 90 a 56kbps

Lo standard V. 90 utilizza il V. 34 nei collegamenti modem-modem

Per poter utilizzare queste velocità è stato necessario eliminare una conversione D/A: questo ha ridotto il rumore di quantizzazione che limitava il V. 34:

DIGITAL PSTNDIGITAL PSTN

ADC

DAC

Linea Analogica

Modem




Trasmissione digitale su linea analogica: problemi

Il soppressore di eco

Parla A

Parla B




Trasmissione digitale su linea analogica: problemi

Il cancellatore di eco

Predittore eco

+

-1




Interfaccie DTE/DCE

Data Terminal Equipment (DTE)Data Communication Equipment (DCE)

RS-232




Breve storia

• La RS-232-C nasce nel 1969 e si diffonde rapidamente.

• Negli anni 70 vengono fatte varie revisioni, tra cui la RS-449 (parte elettrica), la RS-423 (a collegamento sbilanciato) e la RS-422 a collegamento bilanciato che raggiunge i 2Mbps con cavi fino a 60m

• Nel 1987 viene revisionata e viene pubblicata la RS-232-D che aggiunge funzionalità di test locali e una schermatura del cavo

• Nel 1991 viene pubblicata la RS-232-E che aggiunge un cavo più piccolo




Caratteristiche

• Ufficialmente può trasmettere 20kbps su linee lunghe fino a 15m

• Con le attuali lunghezze dei cavi si può trasmettere anche fino a 56kbps, ma raramente si può arrivare a 115.2kbps a causa della degradazione del segnale

• La RS-232-C utilizza un connettore a 25 (o a 9) pin largo 47,0413mm con i pin disposti su due file numerate da 1-13 (superiore) e 14-25 (inferiore)

• I livelli elettrici sono:

+15

+3

-3

-15

Livello 0

Livello 1




I segnali della RS-232-C

Powersupply

Transmitcircuits

Receive circuits

Test and controlcircuits

Protective gnd

Transmitted data

Signal gnd

RTS

CTS

Carrier detect

Received data

Dataset ready

Ring indicator

Data terminal ready

Modem Terminal





• protective GrouND (GND, 1): Questo segnale viene utilizzato per delle masse tra i due circuiti DTE e DCE. Nella RS-232-D questo segnale è stato modificato per fornire una schermatura al cavo in ambienti altamente rumorosi

• Signal Ground (SG, 7): Questa linea è stata inclusa per fornire un potenziale di riferimento a tutti gli altri segnali dell’interfaccia

• Trasmitted Data (TD, 2): Quando nessun dato viene trasmesso dal DTE al DCE, questo segnale viene forzato ad 1. Altrimenti il flusso di bit in uscita viene incanalato su questa linea





• Receive Data (RD, 3): Questo segnale viene utilizzato per trasferire dati dal DCE al DTE

• Request To Send (RTS, 4): Questo segnale viene mandato al DCE dal DTE per preparare il modem alla trasmissione

• Clear To Send (CTS, 5): Questo segnale viene utilizzato dal DCE per comunicare al DTE che è pronto alla trasmissione





• Carrier Detect (CD, 8): Questo segnale viene utilizzato dal DCE per indicare che sta ricevendo un segnale portante da un modem remoto

• Data Set Ready (DSR, 6): Questa linea indica al DTE che il modem è collegato alla line atelefonica ed è pronto a trasmettere dati

• Data Terminal Ready (DTR, 20): Questo segnale è utilizzato dal DTE per preparare il modem alla connessione alla linea telefonica

• Ring Indicator (RI, 22): Questo segnale viene utilizzato per “svegliare” il DTE in caso di chiamata in arrivo




RS 232CUniversità di Trieste

Protective Ground

Transmit

Request to send

Clear to send

Data set ready

Signal Ground

Carrier detect

Data Terminal Ready

DTE DCE

Receive

1

2

3

4

5

6

7

8

20



Il NULL-Modem

2

3

4

5

6

8

20

2

3

4

5

6

8

20

Transmit Data

Receive Data

Request To Send

Clear To Send

Data Set Ready

Carrier detect

Data Terminal Ready

Transmit Data

Receive Data

Request To Send

Clear To Send

Data Set Ready

Carrier detect

Data Terminal Ready

1. DTR abilita DSR sul computer remoto. In questo modo il computer trasmittente riconosce che il termnale remoto è attivo

2. RTS abilita CD sul computer remoto e il proprio CTS. In questo modo il terminale è convinto che il modem virtuale è stato attivato ed è pronto alla trasmissione

3. I dati vengono trasmessi TD e ricevuti dal terminale remoto da RD.




Fibra nel circuito locale

Doppino di rame

Dorsali in fibraFibra

Scatola di giunzione

Centrale




Fibra nel circuito locale

Dorsali in fibra

Filo di rame per TV via cavo

Fibra

Scatola di giunzione

Commutatore




Traffico sulle dorsali

Multiplexing a divisione di tempodivisione di tempo (TDM)

•Linee digitali (audio PCM)•Campionamento voce a 8KHz (125

s/campione)•Quantizzazione 7/8 bit campione

Multiplexing a divisione di lunghezzadivisione di lunghezza d’onda d’onda (WDM)

Multiplexing a divisione di frequenzadivisione di frequenza (FDM)

•4KHz/Canale (3Khz segnale + 2 x 500Hz guardia)

C1 C2 C3

Frequenza (kHz)

C1

C2

Lunghezza d’onda

C1 C2

Tempo

C1C3T T




Portante T1

24 canali vocali multiplexati

193 bit / frame (125 s)

1

0

canale canale canale canale canale1 2 3 4 24

Codice dipacchetto

7 bitcampione bit disegnalazione

bit 24 x 8 + 1

Velocità = 193 x 8000 = 1,544 Mbps

Il bit aggiuntivo è usato per la sincronizzazione (010101010….)Per uso dati: 23 canali + 1 per la sincronizzazione




T1 T2 T3 …..

Si possono multiplexare più portanti T1 in un canale T2

4:1

0

1

2

3

4

5

6

7

01234567 6:1

1,544 MbpsT1

6,312 MbpsT2

44,736 MbpsT3

4 flussi T1 6 flussi T2

4 canali T1 corrispondono a 6,176 MbpsI bit in più sono per suddividere i frame e per il controllo




Commutazione

Commutazione di messaggioCommutazione di messaggio

Connessione fisica stabilita su richiesta

Commutazione di circuitoCommutazione di circuito

Pacchetti accodati ed instradati

Commutazione di pacchettoCommutazione di pacchetto

Ufficio di commutazionedi portante

Richiede l’inizializzazione del camminoSpreco di banda

Spedizione di un messaggio intero

Suddivisione del messaggio in pacchettipacchettiMaggiore efficienza nella correzione di errori




Commutatori crossbar

crescita elevata della complessità con l’aumento delle linee

0

0 1

12

2

3

3

4

4 5

56

6

7

7

Input

Output

n linee di input e output

n2 punti di incrocio

n (n-1)/2 se full-duplex




Divisione di spazio

n × k

n × k

n × k

n × k

{n

N/n × N/n

N/n × N/n

n × k

n × k

n × k

n × k

N/n crossbar N/n crossbark crossbar

N = 16, n = 4, k= 2

•k percorsi per ogni ingresso verso un’uscita•numero di punti di incrocio = 2kN+(N/n)2

•sono possibili solo kN/n connessioni contemporanee




Divisione di tempo

contatore

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1234 567

Scambiatore deglislot temporalin linee

di inputn linee

di output

Buffer di RAMn parole da k bit7

6543210

12503674

Tabella di commutazione degli slot




Universal Serial Bus (USB)

• Standard per la connessione di periferiche al personal computer (proposto verso la metà degli anni ‘90 da un pool di società tra cui Intel, IBM,Microsoft,..)

• Obiettivi principali:

– connessione al pc dall’esterno del case

– unico tipo di cavo, in grado di distribuire anche l’alimentazione

– connessione di fino a 127 dispositivi ad un unico computer

– supporto per dispositivi real-time (audio, video)




Universal Serial Bus (USB)

• Banda passante di 1.5 MB/s (12 Mb/s)

• Cavo a 4 fili: D+, D- per il segnale (differenziale), VBUS (alimentazione a +5 V), ground.

• Encoding: NRZI (Non Return to Zero Invert):

– 1: conserva il valore logico precedente

– 0: commuta rispetto al valore logico precedente

• Clock estratto dalla linea dati; per evitare perdita di sincronismo, è inserito uno 0 ogni sei 1 consecutivi (bit stuffing)




Un USB device è un dispositivo in grado di connettersi al bus USB

• Un USB hub è un ripetitore con un ingresso e N (tipicamente 4, 7, 8) uscite; a ciascuna delle uscite può essere connesso un USB device o un altro USB hub




USB

• Ciascun device ha un identificatore Î 1-127; a un device appena connesso è associato di default l’identificatore 0, in modo che possa essere indirizzabile dalla root che gli invia il suo identificatore definitivo (non c’è ambiguità se non sono connessi contemporaneamente più dispositivi)

• Da un punto di vista logico il bus USB è un insieme di bit pipe (pipe di larghezza 1 bit) tra la root e I device. NB: Nessuna connessione tra i device!, tutto centralizzato attraverso la root.




• In realtà, su ciascun device possono essere presenti fino a 16 endpoint (sorgenti o destinazioni della connessione). Endpoint 0: sempre disponibile a default all’atto della connessione.

• Root: ogni 1.00 ± 0.0005 ms si ha un nuovo frame.

Il frame può contenere più trasferimenti. Ogni trasferimento è indirizzato a un device.

• Il frame è composto di pacchetti, che possono andare da root a device o viceversa.




USB transfer types

• 4 tipi di trasferimenti:– controllo– isocroni– bulk– interrupt• controllo: per configurare i dispositivi, inviare

comandi e richiedere lo stato: se fallisce, viene reinviato (non è detto nello stesso frame).




• isocroni: per dispositivi real-time quali microfoni e telecamere; hanno un ritardo massimo altamente predicibile e non prevedono ritrasmissione in caso di errori

• bulk: per dati non real-time quali file per le stampanti

• interrupt: per dati con feedback di utente, tipo digitazione da tastiera o coordinate del mouse; sono in realtà inviati a polling perché non esistono linee fisiche di interrupt nel bus




USB packet

• I trasferimenti consistono di pacchetti (packets); si hanno 4 tipi di pacchetti:

– token– data– handshake– special

• ogni pacchetto è formato da campi:– SYNC: sincronizzazione– PID: tipo del pacchetto (SOF, IN, OUT, DATA...)– parte variabile– CRC: Cyclic Redundancy Code




• token: dalla root al device per controllo

– SOF: Start of Frame (“clock del frame”); se non c’è nulla da fare al momento, questo è l’unico pacchetto del frame; la parte variabile è il frame number

– IN: chiede dati al dispositivo (lettura) e OUT: avvisa il dispositivo che stanno per arrivargli dati (scrittura); la parte variabile è device identifier + endpoint

– SETUP: per configurazione

• data: la parte variabile (PAYLOAD) sono i dati veri e propri (fino a 1023 byte per trasferimenti tipo isocrono e 64 per gli altri)

• handshake: ACK, NACK, STALL (“wait, i’m busy”)




Esempi di trasferimentiUniversità di Trieste



USB bandwidth

• Non è possibile raggiungere la banda passante limite del bus di 1.5 MB/s per le informazioni, a causa dell’overhead del protocollo: pacchetti token, ACK e NACK nei casi non isocroni, SYNC, PID, CRC nei pacchetti dati, ...

• maggiore è la lunghezza del payload nel pacchetto dati, migliore è lo sfruttamento della banda passante (che dipende ovviamente dall’overhead introdotto dal protocollo)

• In una situazione tipica è possibile eseguire circa 13-20 trasferimenti con payload da 64 byte per frame, per una banda utile di circa 0.8-1.3 MB/s; per payload più piccoli, questa si riduce a poche decine di KB/s.


Calcolatori Elettronici a.a. 2001-2002Omero TuzziSeriali-Modem 1 Trasmissione e ricezione...

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