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Capitolo 3

Sistemi di comunicazione

In generale un sistema di comunicazione ha lo scopo di trasferire informazioneda un punto, detto sorgente, in una certa posizione e ad un certo istante, adun altro punto, detto utente. Restringeremo la descrizione dei sistemi dicomunicazione a quelli di tipo elettrico, ossia ai sistemi che fanno uso di unsegnale elettrico per trasferire l’informazione.

A seconda del numero e della disposizione degli utenti, i sistemi di comu-nicazione possono essere suddivisi in

• sistemi broadcast: sistemi che trasferiscono la medesima informazionea piu utenti;

• sistemi punto–punto: sistemi che collegano due punti fissi nello spazio;

• sistemi portatili: sistemi di comunicazione trasportabili, ma che devonoessere fissi al momento dell’utilizzo;

• sistemi mobili: sistemi in cui l’utente puo essere in movimento durantela comunicazione.

Mantenendo un alto livello di generalita, possiamo scindere un sistema dicomunicazione nei blocchi fondamentali rappresentati in Fig. 3.1. In genera-le il messaggio informativo prodotto dalla sorgente puo essere non elettrico.In ingresso dovremo avere percio un trasduttore (ad esempio un microfono)che converta il messaggio in un segnale elettrico, detto segnale informati-vo. Analogamente, alla fine della catena, puo essere presente un opportunotrasduttore (il trasduttore di uscita) per convertire il segnale elettrico rice-vuto in una forma appropriata alla particolare applicazione (ad esempio unaltoparlante).

Una suddivisone fondamentale dei sistemi di comunicazione si ha in baseal tipo di informazione che deve essere trasferita. In particolare distinguiamo

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CAPITOLO 3. SISTEMI DI COMUNICAZIONE 14

SorgenteTrasduttoredi ingresso

Trasmettitore

Elaborazione Modulatore

Canale ditrasmissione

UtenteTrasduttore

di uscita

Ricevitore

Elaborazione Demodulatore

Figura 3.1: Blocchi fondamentali costituenti un sistema di comunicazione.

• sorgenti di informazione analogiche: producono un segnale informativodefinito su un insieme continuo, ossia un segnale che puo assumereun qualsiasi valore tra un valore minimo ed un valore massimo. Unesempio di sorgente analogica e il microfono;

• sorgenti di informazione discreta: producono un segnale informativodefinito su un insieme con un numero finito di elementi, ossia un segnaleche in ogni istante puo essere uguale ad uno tra un certo numero disimboli o valori. Un esempio di sorgente discreta e la macchina dascrivere, ad ogni istante puo generare un simbolo tra quelli compresitra i caratteri alfanumerici.

In base a tale distinzione si ha la classificazione seguente

• sistemi di comunicazione analogici: sistemi che trasferiscono informa-zione tra una sorgente analogica e l’utente;

• sistemi di comunicazione discreti o digitali: sistemi che trasferisconoinformazione tra una sorgente discreta e l’utente;

• sistemi di comunicazione ibridi: sistemi che trasferiscono informazionetra una sorgente analogica e l’utente utilizzando tecniche proprie deisistemi di comunicazione digitali.

Usualmente la sorgente e l’utente sono in punti diversi dello spazio, spessomolto distanti tra loro. Il canale di trasmissione e quell’oggetto che forniscela connessione elettrica tra di essi. Il canale puo essere di differente natura.In particolare possiamo distinguere


• canali hardwire: linee telefoniche, cavi coassiali, fibre ottiche, ecc.;

• canali softwire: atmosfera, spazio esterno, acqua, ecc.

Il canale e una parte del sistema di comunicazione che puo non essere pro-gettabile, ma imposta dalla particolare applicazione. Ad esempio, per ilcollegamento con un aereo, l’unica possibilita e l’utilizzo dell’atmosfera comecanale di trasmissione. Il canale e generalmente sorgente di degradazione, at-tenuazione e interferenza per il segnale trasmesso, in modo dipendente dallecaratteristiche del canale stesso e del particolare segnale inviato attraversodi esso.

Stabilito il canale di trasmissione, un sistema di comunicazione dovrafar transitare l’informazione attraverso di esso in modo da fargli subire laminore distorsione possibile. Questo e lo scopo del tramettitore. Dalla partedell’utente, il ricevitore si occupera di determinare il segnale informativooriginario dal segnale in uscita dal canale nel modo piu fedele possibile.

Un particolare canale puo richiedere che il segnale trasmesso abbia par-ticolari caratteristiche per transitarvi con la minore distorsione possibile. Inlinea di principio se abbiamo a disposizione un certo canale e conosciamo unparticolare segnale che puo transitarvi, possiamo pensare di “sovrapporre”ad esso il segnale informativo. Questa operazione prende il nome di modu-lazione, ed e realizzata dal blocco modulatore di Fig. 3.1. Come esempiopratico possiamo considerare il caso (realistico) di un canale che richiede cheil segnale da trasmettere abbia uno spettro contenuto in una certa bandaattorno ad una frequenza centrale f0. Questo e il caso dell’atmosfera o dellospazio libero come canale. Non siamo in grado di trasmettere segnali confrequenza troppo bassa attraverso di esso.

Per il caso considerato, un segnale con le caratteristiche cercate e unasinusoide a frequenza f0. Possiamo quindi pensare di sovrapporre il nostrosegnale informativo su quest’onda per ottenerene una contenente l’informa-zione da trasmettere ed in grado di attraversare il canale. In tal caso ilprocesso di modulazione consiste nella variazione sistematica di un attributodella sinusoide, che prende il nome di onda portante, in funzione del segnaleinformativo m(t) da trasmettere, detto segnale modulante. A seconda delparametro dell’onda portante Asin(2πf0t+φ) variato in funzione del segnaleinformativo m(t) si hanno i tipi di modulazioni seguenti.

1. Modulazione di ampiezza (AM: Amplitude Modulation). L’ampiezzadell’onda portante viene variata in funzione del segnale informativom(t). Ad esempio secondo la legge

A(t) = V0 [1 + αm(t)]


con α valore costante. L’informazione e cosı contenuta nell’ampiezzadel segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig. 3.2.

2. Modulazione di frequenza (FM: Frequency Modulation). La frequen-za istantanea dell’onda portante viene variata in funzione del segnaleinformativo m(t)

d(2πf0t + φ(t))

dt= 2πf0 + αm(t)

con α valore costante. L’informazione e cosı contenuta nella frequenzadel segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig. 3.3.

3. Modulazione di fase (PM: Phase Modulation). La fase istantaneadell’onda portante viene variata in funzione del segnale informativom(t)

φ(t) = αm(t)

con α valore costante. L’informazione e cosı contenuta nella frequenzadel segnale trasmesso, come evidenziato dalla Fig. 3.4.

Nel caso di un segnale informativo digitale, il segnale modulante potra assu-mere ad ogni istante solo uno tra un certo numero di simboli. Ad esempio,nel caso si debba trasmettere una sequenza di bit, il segnale informativo saracostituito da una successione di 1 e 0. Se il sistema deve trasmettere N bital secondo, il tempo di durata di un bit sara di 1/N secondi. Corrisponden-temente al segnale modulante, anche anche i parametri dell’onda portantepotranno assumere solo un numero discreto di valori (due nel caso di tra-smissione di un bit alla volta). Considerando, ad esempio, una modulazionedi frequenza, cio si traduce nell’associazione di una certa frequenza (f0) allatrasmissione di un bit 0 e di un’altra frequenza (f1) alla trasmissione di un bit1, come evidenziato in Fig. 3.5. Tale sistema di modulazione, utilizzato neimodem telefonici, prende il nome di FSK (Frequency Shift Keying). L’am-piezza di banda di un tale segnale e inversamente proporzionale alla duratadi un bit, evidenziando il fatto che una maggiore velocita di trasmissionerichiede una maggiore larghezza banda.

E da notare che con lo stesso principio si possono trasmettere piu bit allavolta, associando una frequenza diversa alle varie combinazioni di bit. Adesempio, considerando 2 bit alla volta, avremo 4 combinazioni e il sistema(detto 4-FSK) associera una frequenza diversa ad una delle 4 combinazionidi due bit.

Fino adesso abbiamo fatto riferimento ad un’onda sinusoidale come ondaportante. Le onde portanti di questo tipo sono dette continue. In contrap-posizione ad esse troviamo le modulazioni impulsive, in cui l’onda portante


Figura 3.2: Segnali nella modulazione AM: segnale modulante (in alto),portante (al centro), modulato (in basso).


Figura 3.3: Segnali nella modulazione FM: segnale modulante (in alto),portante (al centro), modulato (in basso).


Figura 3.4: Segnali nella modulazione PM: segnale modulante (in alto),portante (al centro), modulato (in basso).


Figura 3.5: Segnali per una modulazione FSK. Segnali corrispondenti ai bit0 e 1 (in alto), segnale corrispondente alla sequenza 10011.


Figura 3.6: Segnali per una modulazione PAM. In alto: segnali corrispondentiai bit 1 e 0 per una modulazione di tipo NRZ e RZ. In basso: segnale NRZcorrispondente alla sequenza 10011.

e di tipo impulsivo, spesso un’onda quadra. Analogamente a quanto visto,il modulatore variera, in base al segnale informativo, un parametro di que-st’onda. Ad esempio, in Fig. 3.6 l’ampiezza dell’onda portante e variata inbase al bit da trasmettere. In tal caso si parla di modulazione PAM (PulseAmplitude Modulation).

Tramite un processo duale, la demodulazione, il ricevitore estrae il segnaleinformativo a partire dal segnale ricevuto, degradato dagli effetti indesideratiintrodotti dal canale (attenuazione, rumore, interferenza, ecc.). Tale degra-dazione puo ripercuotersi sul segnale informativo estratto e inviato all’utente.Per un dato tipo di modulazione ci possono essere diverse tecniche di demo-dulazione, che comportano complessita, accuratezza nel ricostruire il segnaleinformativo inviato e costi diversi.

3.1 Sistemi di comunicazione digitale

Nel caso di un sistema di comunicazione digitale la sorgente informativa edi tipo discreto e due esempi di possibili segnali trasmessi sono riportati


Sorgentedigitale

Codificadi sorgente

Codificadi canale

Modulatore

Canale ditrasmissione

UtenteDecodificadi sorgente

Decodificadi canale

Demodulatore

Sequenza disimboli

Flussobinario

Segnaleanalogico

Figura 3.7: Blocchi fondamentali di un sistema di comunicazione digitale.

nelle Figg. 3.5, 3.6. I blocchi funzionali di un sistema di comunicazionedigitale sono rappresentati in Fig. 3.7. In particolare notiamo la presenzadi due nuovi blocchi: il codificatore di sorgente ed il codificatore di canale,a cui corrispondono i blocchi duali di decodifica di sorgente e di canale alricevitore. Il codificatore di sorgente provvede a rappresentare in un alfabetobinario i simboli in uscita dalla sorgente informativa. Nota la statistica concui si presentano tali simboli, e possibile progettare la codifica di sorgenteper minimizzare il numero di bit al secondo da trasmettere.

Al contrario, il codificatore di canale introduce ridondanza (bit aggiuntivinon informativi) in maniera controllata per consentire la rilevazione e lacorrezione di un certo numero di eventuali errori di trasmissione provocatidalla degradazione del segnale introdotta dal canale. Cio avviene a spese diuna complicazione del sistema e di una riduzione del flusso informativo, cisono piu bit da trasmettere e quindi meno bit informativi al secondo.

Rispetto ai sistemi di comunicazione analogici, i sistemi di comunicazionedigitali presentano una serie di vantaggi. Tra i maggiori troviamo

• l’utilizzo di circuiti digitali di costo relativamente contenuto;

• possibilita di criptare i dati per la privacy;

• l’integrazione di dati di differente natura (voce, video, dati, ecc.) sulmedesimo sistema e canale;

• gli errori di trasmissione possono essere rilevati e/o corretti mediantel’impiego di codificatori di canale.

Gli svantaggi possono consistere in


• una maggiore larghezza di banda richiesta;

• necessita di sincronizzazione.

Con l’ultimo punto si intende la necessita, da parte del ricevitore, di rico-struire il riferimento temporale utilizzato dal trasmettitore, ad esempio perdeterminare, nel segnale ricevuto, gli istanti iniziali relativi ai singoli bit, oper individuare il primo di una serie di bit trasmessi.

3.1.1 Codifica di canale

Come detto, prima della modulazione, in un sistema di comunicazione digi-tale, al flusso di bit informativi puo essre applicata una codifica di canale perproteggere le informazioni dagli errori di trasmissione dovuti, ad esempio, alladegradazione del segnale nell’attraversamento del canale. Cio avviene tra-mite l’introduzione di ridondanza controllata, ossia tramite l’introduzione dialcuni bit di controllo (non informativi), a spese della velocita di trasmissionedi bit informativi.

Non ci addentreremo nella teoria dei codici, ma riporteremo solo duesemplici esempi per far comprendere come sia possibile la protezione dei datitramite il loro utilizzo. Come primo esempio possiamo considerare la puraripetizione dei bit informativi per un numero dispari di volte. Con cio inten-diamo che il codice forma la sequenza di bit da trasmettere semplicementeripetendo un numero dispari di volte i bit al suo ingresso. In ricezione sceglie-remo il bit che si presenta per un numero maggiore di volte in ogni pacchettodi bit ripetuti. Cio e chiarito dall’esempio seguente (si ripete un bit 3 volte):

flusso informativo 0 1 1 0 1flusso trasmesso (codificato) 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1

errori di canale (×) −−− ×−− −×− ×−× −−−flusso ricevuto 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1

flusso decodificato (informativo) 0 1 1 1 1

Le caratteristiche di questo codice sono le seguenti

• e un codice blocco, ossia opera su blocchi di bit informativi (1) in modoindipendente;

• rivela 2 errori (vedi il flusso ricevuto relativo ai bit 2, 3 e 4);

• corregge un errore (i bit 2 e 3 sono corretti, il bit 4 e decodificato inmodo errato);


• ha velocita 13, ossia si trasmette un bit informativo su 3.

Come secondo esempio considereremo i codici di parita. Questi sono unaltro esempio di codici blocco, in grado solamente di rilevare 1 errore. Equindi utilizzato nelle situazioni in cui un errore e un evento relativamentepoco frequente. Ad esempio un controllo di parita e implementato in alcunitipi di memorie. Un codice di parita consiste nell’introduzione di un bit diridondanza in ogni blocco di un certo nuemro di bit informativi. Tale bit diridondanza (detto di parita) viene posto a 1 o 0 per avere rispettivamenteun numero totale di bit 1 pari (codice a parita pari) o dispari (codice aparita dispari). Se si verifica un errore il numero di 1 da pari diventa disparie viceversa rivelando l’errore. Una coppia di errori sul medesimo blocco einvece non rivelabile.

Per chiarire il funzionamento consideriamo l’esempio seguente, in cui sisupponde di lavorare su blocchi di 7 bit informativi, applicando un codice diparita pari.

bit informativi 0 1 1 0 1 0 0bit di parita 1

errore di canale - - - × - - - -bit ricevuti 0 1 1 1 1 0 0 1

Il decodificatore, verificando che la parita pari non e piu rispettata inquanto si ha un numero dispari di 1, rivela l’errore.

3.2 Codice ASCII

Come esempio di codifica di una sorgente di simboli alfanumerici (ad esempiouna tastiera), citiamo la codifica ASCII (American national Standard Codefor Information Interchange), che risale al 1967. Utilizza 8 bit per carattere,dei quali 7 sono utilizzati per il simbolo ed 1 per un controllo di parita. Con 7bit si hanno 27 = 128 combianzioni. Oltre ai dati alfanumerici trovano postoanche caratteri speciali (line feed, form feed, ecc.) e sequenze di controllo (adesempio end of transmission), ossia con un particolare significato, stabilito apriori, che riguarda le modalita di scambio di informazione (Fig. 3.8).

Oggi, nei computer, viene utilizzato il cosiddetto extended–ASCII, in cuianche l’ottavo bit e utilizzato per rappresentare un carattere. Si rende cosıpiu ampia la gamma dei caratteri disponibili, comprendendo simboli, ecc..


Figura 3.8: Codici ASCII


DTEData

TerminalEquipment

Modem

Canale

DTEData

TerminalEquipment

Modem

dati

controllo

dati

dati dati

controllo

controllo controllo

Figura 3.9: Sistema di comunicazione dati.

3.3 Segnali di controllo

Parlando della codifica ASCII, abbiamo evidenziato come, oltre a sequenzedi bit che rappresentano informazione, possono essere presenti (ossia definitein fase di progetto) sequenze di bit che rappresentano delle informazioni dicontrollo. In generale, lo scambio di informazioni di controllo, che servonoa regolare, ad esempio, il flusso di informazione, comprendendo segnali dierrore, indicazione di terminale occupato, ecc., e sempre previsto in un siste-ma di comunicazione digitale. Questi possono essere trasmessi su una lineaseparata, oppure sulla solita linea in cui viene trasmessa l’informazione. Inquest’ultimo caso, particolari sequenze di simboli, stabilite a priori, sarannoassociate ai vari segnali di controllo.

Dal punto di vista di un utente, un sistema di comunicazione dati puoquindi essere schematizzato nel modo rappresentato in Fig. 3.9, in cui eipotizzato che i due utenti possano scambiare informazione nei due sensi. Idue terminali si scambiano dati, e segnali di controllo, tramite i modem. Unmodem (generico, non solo quello telefonico), nome nato dalla contrazione diMOdulator/DEModulator, si occupa di far transitare i segnali nel canale ditrasmissione.


Terminale 1 Terminale 2



Simplex

Half-duplex

Full-duplex

Figura 3.10: Modalita simplex (in alto), half–duplex (al centro), full–duplex(in basso).

Per concludere, la trasmissione tra i due utenti del sistema di comu-nicazione dati puo avvenire con tre diverse modalita, che dipendono dallaparticolare realizzazione. In particolare, possiamo avere (Fig. 3.10)

• modalita simplex: la trasmissione puo avvenire in una sola direzione;

• modalita half–duplex: la trasmissione puo avvenire in entrambe ledirezioni, ma per una direzione alla volta;

• modalita full–duplex: la trasmissione puo avvenire in entrambe le di-rezioni, anche contemporaneamente.


t

m(t)

t

Campionamento

T =1/fs s

Quantizzazione

3 bit = 8 livelli

Livello 7: 111

Livello 4: 100

Figura 3.11: Digitalizzazione di un segnale. Campionamento (a sinistra) equantizzazione (a destra).

3.4 Trasmissione di segnali analogici con si-

stemi digitali

Utilizzando sistemi di comunicazione digitale e possibile trasferire anche se-gnali analogici (sistemi di comunicazione ibridi), ad esempio la voce. Per farcio dobbiamo “digitalizzare” il segnale analogico in ingresso, ossia trasfor-marlo in una sequenza di simboli (binari). Questo viene fatto in due passi:campionamento e quantizzazione.

L’operazione di campionamento consiste nella selezione di una successio-ne dei valori del segnale presi in istanti temporali equispaziati di Ts = 1/fs,come schematizzato in Fig. 3.11. Ts e fs prendono il nome, rispettivamente,di passo e frequenza di campionamento. E possibile mostrare che, secondoil teorema del campionamento (o di Shannon), un segnale puo essere rico-struito senza errori a partire da un suo campionamento se la frequenza dicampionamento fs e maggiore dedl doppio della sua banda.

Una volta campionato, si provvede alla quantizzazione del segnale. Concio si intende la rapresentazione dei valori del segnale campionato con unnumero discreto di elementi. In pratica si suddivide l’intervallo tra il minimoed il massimo valore che i campioni del segnale puo assumere in un certonumero di livelli, e associamo ai campioni del segnale un simbolo corrispon-dente al livello in cui cadono (Fig. 3.11). Tale operazione introduce sempreun errore, tanto minore quanto piu sono i livelli (o i bit) utilizzati (2b livelliper b bit).

Alla fine del processo di campionamento e quantizzazione avremo un flus-so informativo binario di fsb bit al secondo, che potremo trasmettere con unsistema di comunicazione digitale. In ricezione il segnale analogico puo esserericostruito a partire dalla sua versione digitale tramite l’operazione inversaalla quantizzazione per riottenere una sequenza di campioni del segnale, eun’operazione di filtraggio.

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