1

Autunno 2002

Prof. Roberto De Prisco

Università degli studi di SalernoLaurea e Diploma in Informatica

P1-01: Trasmissione dati

201.P1Sommario: parleremo di …

� Dati e segnali� Rappresentazione dei dati con segnali

elettromagnetici� Analogico e digitale

� Segnali e frequenze� Larghezza di banda

� Collegamento diretto e trasmissione dati� Alterazioni nella trasmissione� Capacità del canale

� Mezzi trasmissivi� Doppino, cavo coassiale, fibra ottica

2

301.P1

Mezzo di trasmissione

Trasmissione dati

� Dati � Rappresentati da segnali elettromagnetici

� Trasmettitore� genera dei segnali per rappresentare informazioni

� Ricevitore� riceve ed interpreta i segnali

� Mezzo di trasmissione� trasporta il segnale

401.P1Tipi di collegamento

� Trasmissione: diretta� nessun dispositivo intermedio

� tranne ripetitore/amplificatore

� Mezzi trasmissivi

� Guidati � (cavi)

� Mezzi non guidati� Onde

� Mezzi guidati: � Point-to-point

� solo due dispositivi utilizzano il collegamento

� Multipoint� più dispositivi utilizzano lo stesso collegamento

3

501.P1Tipi di comunicazione

� Simplex� unidirezionale

� es. Televisione

� Half duplex� bidirezionale ma una direzione per volta

� es. Ricetrasmittenti

� Full duplex� bidirezionale

� es. Telefono

601.P1Dati e segnali: analogici e digitali

Analogici: valori continui nel tempo (Audio, video)

Digitali (numerici): valori discreti (testi, dati numerici)

4

701.P1Periodo e frequenza

� Segnali aperiodici

� Segnali periodici� si ripetono nel tempo con regolarità

s(t) = s(t+T)

� T è il periodo, misurato in secondi

� Frequenza f è la velocità con cui il segnale si ripete� misurata in Hertz (Hz), cicli o ripetizioni al secondo

� T = 1/f

801.P1Segnali periodici

5

901.P1Periodo e frequenza

� Periodo T = 0.5 secondi� Frequenza f = 1/T = 2 cicli al secondi

� Periodo T = 2 secondi� Frequenza f = 1/T = 0.5 cicli al secondo

� Periodo T = 0.1 secondi� Frequenza f = 10 Hz

� Frequenza f = 1MHz� Periodo T = 1/f = 1ms

1001.P1Ampiezza di picco e fase

� L’ampiezza di picco è il valore massimo (di picco) dell’intensità del segnale

� Fase si misura in radianti� 1 periodo = 360° = 2 radianti

� La fase è la posizione all’interno di un singolo intervallo� Fase = 0 all’inizio del periodo� Fase = π/4 ad 1/8 del periodo� Fase = π alla metà del periodo

6

1101.P1Esempi

1201.P1Onda sinusoidale generica

s(t) = A sen (2πft+φ)

� A ampiezza di picco

� f frequenza

� φ fase

7

1301.P1Frequenze e segnali

Un segnale è la somma di più frequenze

s1(t) = sen(2πft)

s2(t) =1/3 sen(2π(3f )t)

s3(t) =4/π [s1(t) + s2(t)]

1401.P1Larghezza di banda

� Spettro: insieme delle frequenze componenti� Nell’esempio precedente: f e 3f

� Larghezza di banda: differenza fra la frequenza più alta e quella più bassa� Nell’esempio precedente: 2f

� Larghezza di banda e velocità di trasmissione� Maggiore è la banda, più veloce è la trasmissione

� Es. banda = 4 MHz può generare una velocità = 2Mbps� banda = 8 MHz può generare una velocità = 4Mbps� NOTA: La velocità non dipende solo dalla banda

8

1501.P1Segnali

� Analogici� variabili continue� larghezza di banda del parlato

� 100Hz - 7000Hz

� larghezza di banda della rete telefonica� 300Hz - 3400Hz

� larghezza di banda del video � 4MHz

� Digitali� due sole componenti con frequenza zero

1601.P1Dati e segnali

� in genere si usano segnali digitali per datidigitali e segnali analogici per dati analogici

� segnali analogici per dati digitali� Modem

� segnali digitali per dati analogici� Compact Disc musicali

9

1701.P1Trasmissione

1801.P1Trasmissione

10

1901.P1Alterazioni del segnale

� Attenuazioni� Riduzione dell’intensità dovuta alla distanza� Distorsione se l’intensità si riduce in funzione della

frequenza� Si altera la somma finale

� Distorsione di ritardo (o di fase)� La velocità può dipendere dalla frequenza

� Alcune frequenze arrivano prima ed altre dopo alterando la somma finale

� Rumore� Termico, dovuto all’agitazione termica degli elettroni� Intermodulazione, interferenze fra frequenze� Diafonia, segnali vanno a finire su un mezzo sbagliato

� Accoppiamento di doppini telefonici

� Impulsivo, picchi di rumore imprevedibili (es. guasti, interferenze esterne)

2001.P1Capacità del canale

� Rumore� Altera il segnale� Può generare degli errori

� Tasso di errore� Interpretazione sbagliata del segnale

� Si trasmette 0, ma si riceve 1

� frequenza con cui si verificano gli errori

� Capacità� Velocità massima di trasmissione senza errori (o

entro un certo limite di errore)� Dipende dalla larghezza di banda

11

2101.P1Rumore ed errori

2201.P1Larghezza di banda di Nyquist

� Non considera il rumore, cioè assume un canale senza rumore

� Dato un segnale con banda B la velocità massima di trasmissione è 2B

� Se i segnali sono binari allora con B Hzpossiamo trasmettere 2B bps

� Con segnali con M livelli la velocità massima di trasmissione è 2B log2 M bps� Ricevitore più complesso perché deve distinguere

fra M livelli di segnale

12

2301.P1Formula di Shannon

� Considera il rumore

� La capacità diminuisce

� Rumore (Signal-to-Noise Ratio):

SNRdB = 10 log10 (potenza segnale/ potenza rumore)

� Formula di Shannon

C = B log2 (1 + SNR)

2401.P1Mezzi trasmissivi

� Guidati

� Non guidati

� caratteristiche e qualità determinate da mezzo e segnale� per mezzi guidati il mezzo è preponderante� per mezzi non guidati il segnale è preponderante

� elementi chiave� tasso di trasmissione e distanza da coprire

13

2501.P1Fattori di progetto

� Larghezza di banda� banda più larga consente tassi di trasmissione più alti

� Alterazioni del segnale� attenuazione, distorsione, rumore

� Interferenze

� Numero di ricevitori� importante per mezzi guidati e canali multi-point� ogni ricevitore introduce attenuazione

2601.P1Mezzi trasmissivi guidati

� Doppino� Non schermati

� Categorie 3 e 5

� Schermati

� Cavo coassiale

� Fibra ottica � usa la luce anzichè segnali elettromagnetici

14

2701.P1Mezzi trasmissivi non guidati

� Antenne trasmettono e ricevono

� Onde elettromagnetiche si propagano nell’aria

� Direzionale� Fascio elettromagnetico direzionato� Antenna trasmittente e antenna ricevente devono

essere allineate

� Omnidirezionale� Segnale si propaga in tutte le direzioni� Può essere ricevuto da molte antenne

� Punti radio terrestri, satelliti

2801.P1Spettro elettromagnetico

15

2901.P1Doppino

� Due fili di rame isolati ed intrecciati� Intreccio riduce diafonia tra linee vicine� Su un filo c’è il segnale vero e proprio� Sull’altro c’è un segnale di riferimento

� Una coppia funge da linea di comunicazione singola

� Più coppie inserite in un unico cavo� Telefono: 2 coppie� Lunga distanza: centinaia di coppie

3001.P1Utilizzi del doppino

� Mezzo di comunicazione più diffuso ed economico

� Rete telefonica� collegamento da casa a centrale

� Cablaggio di edifici� collegamento di ogni dispositivo a centralino

� Reti locali� ∼10Mbps su brevi distanze (100m)� da 100Mbps a 1Gbps su distanze più brevi e con

pochi dispositivi collegati

16

3101.P1Caratteristiche di trasmissione

� Usato sia per trasmissione analogica che digitale

� Forte attenuazione� cresce rapidamente con la frequenza� necessario ricostruire il segnale

� Trasmissione analogica� Amplificatori ogni 5km o 6km

� Trasmissione digitale� repeater ogni 2km o 3km

3201.P1Vantaggi del doppino

� Economico

� Semplice da installare e utilizzare

� Edifici già cablati con doppino� nessuna spesa di cablaggio

17

3301.P1Svantaggi del doppino

� Basso tasso di trasmissione dati

� Brevi distanze, larghezza di banda limitata

� Sensibile a interferenze e rumore

� Effetto pelle� all'aumentare della frequenza il segnale si sposta

sulla superficie del filo.� aumento della resistenza� perdita di potenza

� Diafonia� il segnale trasmesso su una linea viene raccolto dalla

linea in ricezione adiacente� Comune nella rete telefonica

3401.P1UTP e STP

� Unshielded Twisted Pair (UTP)� Normale filo del telefono� economico e semplice da installare� soggetto a interferenze

� Shielded Twisted Pair (STP)� rivestimento metallico riduce interferenze� costoso e difficile da lavorarci� poco diffuso

18

3501.P1Cavi UTP Cat. 3 e 5

� Quattro coppie di fili intrecciati

� Conosciuti come� Cat 3: “voice grade”

� Cat 5: “data grade”

� Lunghezza dell'intrecciatura e rivestimento� Cat. 3 : da 7.5 cm a 10 cm

� Cat. 5 : da 0.6 cm a 0.85 cm, miglior rivestimento

� Tassi di trasmissione� Cat. 3: fino a 16 MHz

� Cat. 5: fino a 100 MHz

� Presenti in edifici per la rete telefonica� Cat. 5 nei nuovi edifici

3601.P1Cavo coassiale

� Nucleo formato da fili di rame ricoperto da un dielettrico (isolante)

� Intorno c’è un conduttore magliato

� Poi un altro strato isolante

� Questi strati sono coassiali� Considerando la sezione sono concentrici

19

3701.P1Utilizzi del cavo coassiale

� Molto versatile

� Segnale TV� Collegmento antenna/televisore� TV via cavo

� Rete telefonica a lunga distanza� può trasportare fino a 100.000 canali vocali� in via di sostituzione con fibre ottiche

� Collegamenti di periferiche a breve distanza

� Reti locali

3801.P1Caratteristiche di trasmissione

� Maggiore protezione da diafonia e effetto pelle

� Trasmissione con segnali analogici e digitali

� Analogico� amplificatori ogni 4-5 km� più vicini per alti tassi� larghezza di banda fino a 500MHz

� Digitale� repeater ogni km� più vicini per alti tassi

20

3901.P1Cavo coassiale

� Vantaggi� Buona protezione da diafonia e interferenze� Minore attenuazione

� riduce le perdite dovute all’irraggiamento ed all’effetto pelle.

� Versatile� collegamenti punto-punto e multipunto

� trasmissioni analogiche e digitali

� Velocità di 10 Mbps a distanze di 100 mt.

� Svantaggi� Difficile installazione� Soggetto a rumore termico

4001.P1Fibra ottica

� Informazione sotto forma di fascio di luce.

� È un mezzo sottile capace di condurre un raggio luminoso� Svariati tipi di vetro� Plastica� Silicio fuso (migliore)

� Fibre inserite in un rivestimento protettivo che protegge da sorgenti luminose esterne.

21

4101.P1Struttura del cavo

Core = fibra che trasporta il segnaleCladding = fibra con proprietà ottiche differenti dal coreJacket = rivestimento protettivo di plastica

� L'interfaccia tra core e cladding funziona da riflettore� la luce che incide sull'interfaccia con un angolo

piccolo viene riflessa nel core

4201.P1Esempio di trasmissione

� Il trasmettitore usa un LED o un diodo laser (LD) � converte i segnali elettrici in segnali luminosi

� Il ricevitore usa un fotodiodo o un fototransistor� emette un segnale elettrico quando colpito da un fascio di luce

22

4301.P1Utilizzi della fibra ottica

� Telecomunicazioni a lunga distanza� da 20.000 a 60.000 canali vocali per 1500 km

� Cablaggio aree metropolitane� fino a 100.000 canali vocali senza repeater

� Collegamenti con aree isolate

� Collegamento telefonico casa-centrale a largabanda

� Reti locali

4401.P1Wavelength Division Multiplexing

� Più segnali possono viaggiarecontemporaneamente sulla stessa fibra� ogni segnale viaggia ad una differente frequenza

(lunghezza d'onda)

� Sistema costruito ai Bell Lab. nel '97� 100 lunghezze d'onda a 10 Gbps� tasso di trasmissione 1 Tbps

� Tecnologia del futuro per telecomunicazioni

23

4501.P1Tecnica di trasmissione

� Tre diversi tipi di trasmissione su fibra ottica � in funzione del materiale e della larghezza

della fibra.

� Multimodo a indice discreto

� Multimodo a indice graduato

� Monomodo

4601.P1Fibra multimodo a ind. discreto

� L’indice di rifrazione è costante su tutta la fibra

� I raggi luminosi hanno la stessa velocità ma seguono cammini diversi� giungono a destinazione in tempi diversi� bisogna inserire pause tra trasmissioni successive

� usate per collegamenti brevi

24

4701.P1Fibra multimodo a ind. graduato

� L’indice di rifrazione assume valori massimi al centro e poi diminuisce verso le zone periferiche.� meno differenze tra i tempi di attraversamento

della fibra dei vari segnali� aumenta il tasso di trasmissione

4801.P1Fibra monomodo

� Il diametro del nucleo uguale alle dimensioni della lunghezza d’onda� Tutta la luce emessa si propaga lungo un singolo

cammino senza dispersione

� Più costose ma coprono distanze maggiori

25

4901.P1Vantaggi della fibra ottica

� Elevata larghezza di banda� tassi di centinaia di Gbps

� Ridotte dimensioni e piccolo peso� più cavi nella stessa canalina

� Attenuazione bassissima� maggiore distanza tra i repeater (100 km)

� Immune al rumore elettromagnetico� nessuna diafonia� difficile intercettazione

� Economica e resistente alle alte temperature

5001.P1Svantaggi della fibra ottica

� Costi elevati per ricablaggio� sostituzione di tutti i doppini della rete telefonica� necessità di personale specializzato

� Costi elevati per interfacce tra il nodo(computer) ed il mezzo trasmissivo (fibra ottica)

� Giunzioni tra fibre introducono attenuazione

26

5101.P1Riepilogo

� Rappresentare i dati con segnali

� Dati analogici o digitali

� Segnali, somma di frequenze

� Banda, velocità di trasmissione

� Rumori ed errori, capacità

� Mezzi trasmissivi (doppino, cavo coassiale, fibra ottica)

� Riferimento: Stallings, Capitoli 3 e 4