Transcript trasmissione dei segnali - Istituto Tecnico Industriale E. Medi

Reti di
calcolatori:
Physical Layer
Appunti di Sistemi
A cura del prof. ing. Mario Catalano
Trasmissione dati
Sorgente
Trasmettitore
Destinatario
Canale
Ricevitore
Tipo di messaggio e tipo di canale
possono essere differenti (analogici o
digitali)
Problema fondamentale: efficienza e
affidabilità
www.itimedi.it
 Unicast
 Broadcast
 Multicast
www.itimedi.it
Unicast
 In una trasmissione Unicast i dati vengono inviati
dal computer di origine direttamente a quello di
destinazione. Quando più PC devono ricevere
gli stessi dati questo tipo di trasmissione non
risulta efficiente perché vengono inviate sulla
rete copie multiple ognuna diretta a uno
specifico destinatario.
www.itimedi.it
Broadcast
 In una trasmissione di tipo Broadcast una
singola copia dei dati viene inviata a tutti i PC
che appartengono alla stessa sottorete del
computer di origine. Questo tipo di trasmissione
non fornisce buone prestazioni perché ogni
pacchetto inviato sulla rete deve essere
processato su tutti i calcolatori presenti
indipendentemente dai reali destinatari delle
informazioni.
www.itimedi.it
Multicast
 In una trasmissione di tipo Multicast una unica
copia dei dati viene inviata a tutti i PC che ne
fanno richiesta. Poiché non vengono inviate
copie multiple dello stesso dato, questo tipo di
trasmissione risulta particolarmente efficace
quando le informazioni devono essere inviate a
più destinatari.
 Molti servizi internet usano il Multicasting per
videoconferenze, streaming audio e video,
ecc…
www.itimedi.it
Trasferimento Parallelo
Ogni word (8, 16, 32 o
64 bit) è trasferita in un
singolo ciclo di clock
Trasferimento Seriale
Ogni word è trasferita
in n (8, 16, 32 o 64)
cicli di clock
www.itimedi.it
Canale di comunicazione
Tipo di mezzo
guidato
non guidato
Velocità di trasmissione (bit/sec)
Attenuazione  necessità di ripetitori
Problemi di interferenza maggiori nei mezzi non
guidati
www.itimedi.it
Principali mezzi e relative
velocità
Doppino telefonico (fino a 100Mbit/sec)
reti locali
Cavo coassiale (fino a 500Mbit/sec)
TV via cavo
Fibra ottica (oltre 2 Gbit/sec)
reti locali e geografiche
telecomunicazioni (TV e telefono)
Onde elettromagnetiche (ordine Tbit/sec)
comunicazioni viawww.itimedi.it
satellite
Caratteristiche della
comunicazione
Tecnica di trasmissione
sincrona o asincrona
Tipo di collegamento
half duplex o full duplex
Multiplexing
a divisione di tempo o di frequenze
modulazione di frequenza
Tipo delle linee
dedicate o commutate
www.itimedi.it
Funzioni del livello fisico
• Operazioni
di codifica e decodifica dei dati.
• Funzioni di modulazione e demodulazione (per
la Larga Banda).
• Interfacciamento col mezzo fisico.
• Reiezione dei disturbi attraverso filtri.
• Fornire un canale con la larghezza di banda
desiderata e bassa frequenza di errore .
www.itimedi.it
Codifica dei dati
Rappresentazione dei bit come segnali elettrici per la
loro trasmissione su un mezzo fisico.
• Capacità di contenere informazioni di temporizzazione.
• Efficienza come immunità ai disturbi.
• Capacità di rivelare errori o correggerli.
• Densità spettrale favorevole.
www.itimedi.it
CODIFICA ON-OFF
• Return to Zero (RZ): un 1 è codificato come mezzo impulso rettangolare
p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
0
1
1
0
0
1
0
1
0
T0
• Non Return to Zero (NRZ): un 1 è codificato come un impulso rettangolare
p(t). Lo 0 è codificato come assenza di impulso.
1
0
1
1
0
0
T0
www.itimedi.it
0
1
0
Hanno lo stesso spettro in frequenza.
Sy(f)
0
f0
2f0
3f0
4f0
5f0
• La larghezza di banda richiesta è 2f0
• Presenta una componente continua.
• Non ha capacità di rivelazione o correzione d’errore.
• Non è trasparente.
www.itimedi.it
f
CODIFICA MANCHESTER
• Un 1 è codificato come un impulso p(t); uno 0 è codificato come -p(t).
p(t)
1
T0/2
-T0/2
0
t
-1
Forma dell’impulso p(t)
0
1
0
0
0
1
1
0
www.itimedi.it
0
1
0
1
1
Sy(f)
0
f0/2
f0
3f0/2
2f0
f
• Assenza di componente continua.
• Self clocking.
• Permette la creazione di delimitatori basati sulla presenza di violazioni
del codice.
www.itimedi.it
Effetto dei mezzi trasmissivi
Poiché i segnali sono attenuati e distorti dai mezzi trasmissivi, un
ricevitore può essere incapace di distinguere correttamente i bit 1
dagli 0.
L’attenuazione e la distorsione sono fortemente influenzati da :
• tipo di mezzo trasmissivo
• bit rate del dato trasmesso
• distanza fra i dispositivi comunicanti.
www.itimedi.it
Cause di Attenuazione e Distorsione
• Attenuazione : limita la lunghezza massima del mezzo
fisico (uso di amplificatori). Inoltre varia con la
frequenza e distorce il segnale digitale.
• Larghezza di Banda limitata : attenua le armoniche
più elevate del segnale.
• Propagation
Delay : varia con la frequenza e
introduce distorsione.
• Noise : Crosstalk noise, thermal noise.
www.itimedi.it
•
INTERSIMBOL INTERFERENCE (ISI)
Pulse
response
Input
pulse
• Il graduale decadimento degli impulsi rettangolari crea problemi (ISI
fra
(a)
(b)
impulsi adiacenti).
www.itimedi.it
COMUNICAZIONE “BASEBAND”
• La trasmissione è ottenuta senza ricorrere alla modulazione.
• Economica.
• Le prestazioni sono limitate dalle presenza di rumore additivo.
Noise
Received
signal
Transmitted
signal
Transmitter
Si
Channel
+
+
+
Sr
Receiver
So
Output
signal
L
• L’uso di ripetitori limita la degradazione del rapporto S/N con la
distanza.
Channel segments
Source
Repeater 1
L2
L1
Destination
Repeater 2
Ln
S1
S0
N1
N0
www.itimedi.it
COMUNICAZIONE BROADBAND
• Nei sistemi Baseband la maggior parte della potenza è concentrata alle basse frequenze.
• I sistemi Broadband permettono di spostare la potenza, in una regione opportuna dello
spettro.
• Miglioramento dell’efficienza di radiazione (la dimensione di un’antenna dovrebbe essere
l/10).
• Riduzione dei disturbi e delle interferenze.
• Possibilità di assegnare frequenze opportune.
• Capacità di multiplexing.
Time Division Multiplexing (TDM)
Frequency Division Multiplexing (FDM)
www.itimedi.it
TIME DIVISION MULTIPLEXING (TDM)
• Il mezzo fisico è condiviso fra un certo numero di segnali.
• Il tempo è diviso in “time slots”.
• Se gli slots sono preassegnati il multiplexing è sincrono.
• Se gli slots non sono preassegnati il multiplexing è asincrono.
• Bit interleaving.
• Word interleaving.
www.itimedi.it
FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING
• Diversi segnali condividono la larghezza di banda del mezzo.
• Ciascun segnale ha una differente frequenza di portante.
• Le portanti sono adeguatamente separate per evitare sovrapposizioni.
• Ogni portante può essere modulata in modo diverso.
www.itimedi.it
Banda nella modulazione di frequenza
www.itimedi.it
BANDA BASE / LARGA BANDA
Banda base
• Semplice ed economica da installare.
• Richiede interfacce economiche.
• Offre un singolo canale digitale fino a 10 Mps per una distanza di 1Km.
Larga banda
• La progettazione e la manutenzione richiede esperti in tecniche in radiofrequenza.
• Gli amplificatori devono essere tarati periodicamente.
• Gli Headend richiedono una manutenzione accurata (hanno un ruolo critico).
• Le interfacce sono più costose di quelle in banda base.
• Offre canali multipli per dati, voce, video su lunghezze di decine di Km.
www.itimedi.it
Mezzi di trasmissione
 conduttori in rame: si usa corrente elettrica per trasferire dati lungo un
mezzo di comunicazione
 fibre ottiche: i dati vengono trasportati per mezzo di onde luminose
immesse in fibre di vetro miniaturizzate incapsulate in un involucro di
plastica
 onde radio: i dati vengono trasmessi per mezzo di onde radio
elettromagnetiche. Non è necessario un collegamento fisico diretto fra
calcolatori, bensì un’antenna in grado di ricevere e trasmettere frequenze
radio
 microonde: si usano radiazioni elettromagnetiche di frequenza più alta delle
onde radio. Le microonde si propagano in una sola direzione; necessitano di
un percorso privo di ostacoli fra sorgente e ricevente
 raggi infrarossi: i dati sono trasmessi da raggi infrarossi. La comunicazione
è limitata a un’area circoscritta (es. un solo locale). Necessitano un
hardware poco costoso (no antenne)
www.itimedi.it
Comunicazione a breve distanza e a lunga
distanza
 Comunicazione a breve distanza
Modalità di comunicazione utilizzata per i dispositivi
fisici interconnessi direttamente con cavi della
lunghezza di pochi metri: comunicazione locale
asincrona
 Comunicazione a lunga distanza
Modalità di comunicazione utilizzata per l’invio di
segnali lungo dispositivi fisici della lunghezza di
parecchi chilometri: portanti,
www.itimedi.it modulazione e modem
Larghezza di banda e trasmissione
 Larghezza di banda: è pari alla più alta frequenza con la
quale un dispositivo può passare da un segnale all’altro
Si misura in cicli al secondo o Hertz
Dipende dalle proprietà fondamentali della materia e
dell’energia
 Ogni dispositivo di trasmissione ha una larghezza di banda
finita, indipendentemente dal fatto che usi onde radio,
suono, corrente elettrica o luce
www.itimedi.it
Trasmettere corrente elettrica a lunga
distanza
 La corrente elettrica non è in grado di coprire distanze
arbitrarie; la resistenza del rame trasforma in calore una piccola
parte dell’energia. Questo provoca una perdita di segnale.
È così impossibile usare una semplice variazione di tensione
per trasmissioni su lunghe distanze
 Un segnale elettrico oscillante è in grado di propagarsi per
distanze maggiori rispetto ad altri segnali
Si utilizzano segnali oscillanti (sinusoidali) per trasmettere
segnali elettrici a lunga distanza (portante o carrier)
www.itimedi.it
Ripetitori
Nelle Reti possono essere usati vari
mezzi trasmissivi, ognuno con precisi
limiti nella lunghezza massima dei
cavi
Se intendiamo estendere la rete oltre questi limiti è necessario
aggiungere alla rete dei Repeater (ripetitori).
La loro funzione è quella di rigenerare e risincronizzare il
segnale a livello dei bit per permettergli di viaggiare per
distanze maggiori di quelle consentite dai cavi.
Essi sono usualmente dispositivi con un’unica porta di
ingresso ed un’unica porta di uscita.
www.itimedi.it
La modulazione
 Per trasmettere e codificare i dati, il mittente
modifica leggermente la portante. L’insieme di
tali modifiche viene detto modulazione
 Il dispositivo di trasmissione genera un segnale
portante modulato in funzione dei dati da
trasmettere
 Il dispositivo ricevente riconosce la portante,
rivela la modulazione e restituisce i dati originari
www.itimedi.it
Modulazione d’ampiezza
Modulare in ampiezza vuol dire far
variare l'ampiezza di una portante a
radiofrequenza secondo l'ampiezza di una
modulante a bassa frequenza.
www.itimedi.it
Dispositivi per la modulazione e demodulazione
 Modulatore: circuito che modula un’onda portante in
funzione di una sequenza di bit
 Demodulatore: circuito che estrae una sequenza di bit
da una portante modulata
 La trasmissione di dati su lunghe distanze richiede
quindi l’uso di un modulatore e di un demodulatore ai
due capi della linea
 I due apparati vengono incorporati in un unico
www.itimedi.it
dispositivo, il modem (modulatore
e demodulatore)
Modem: tipologie
Modem a frequenza radio (RF): trasmette
informazioni per mezzo di onde radio.
Stanno crescendo di importanza a seguito
dell’interesse verso la comunicazione
senza fili
Modem telefonici: utilizza la rete telefonica
per trasmettere dati tra calcolatori
www.itimedi.it
 Cavo coassiale
 Cavo a doppini
intrecciati
 Fibra ottica
 Connessioni wireless
www.itimedi.it
Cavo coassiale
 Il cavo coassiale è stato per molti anni il sistema di
cablaggio più utilizzato per l’implementazione di una
rete perché combina costi relativamente molto limitati
a caratteristiche di leggerezza e flessibilità che ne
rendono agevole l’istallazione.
 La struttura base di un cavo coassiale è costituita da
un conduttore interno in rame rivestito da uno strato di
materiale isolante avvolto in una calza metallica
flessibile in rame o alluminio il tutto circondato da una
guaina isolante esterna.
www.itimedi.it
Cavo coassiale
 La schermatura, costituita da una calza metallica
intrecciata, serve per isolare i dati che viaggiano
all’interno del cavo dalle interferenze elettromagnetiche
esterne, i disturbi, ed impedire la conseguente
distorsione del segnale che porta le informazioni.
L’anima del conduttore centrale può essere costituita da
un filo pieno o da conduttori intrecciati.
 Rispetto al cavo a doppini intrecciati il cavo coassiale
offre una migliore protezione ai disturbi e una minore
attenuazione
del
segnale
in
propagazione.
L’attenuazione consiste nella diminuzione della potenza
del segnale che viaggia lungo il supporto fisico.
www.itimedi.it
Struttura base
www.itimedi.it
Cavi coassiali sottili
 I cavi coassiali di tipo Thinnet risultano flessibile e facile da
istallare; per questo è stato largamente utilizzato in passato in
moltissime implementazioni di rete.
 Quando la lunghezza del cavo eccede il limite massimo
l’attenuazione e le interferenze elettromagnetiche rendono il
segnale trasmesso inutilizzabile.
 Il cavo Thinnet può essere collegato direttamente alla scheda di
rete del PC per mezzo di un apposito connettore: il BNC.
 Esistono diversi tipi di connettori BNC:
- Connettori semplici
- Connettori a T
- Connettori cilindrici
- Connettori terminatori Struttura degli attacchi BNC
www.itimedi.it
Struttura degli attacchi BNC
www.itimedi.it
I Cavi Coassiali
www.itimedi.it
I connettori BNC per cavi Coax
www.itimedi.it
Cavo a doppini intrecciati
 La struttura base di un cavo a doppini intrecciati
è composta da due fili di rame isolati intrecciati.
 Spesso in un unico cavo sono raggruppati più
doppini intrecciati il cui numero può variare in
base al tipo specifico di cavo protetti da una
guaina isolante. Il cavo a doppini intrecciati è
disponibile in 2 versioni principali:
- Cavo a doppini intrecciati non schermato UTP
- Cavo a doppini intrecciati schermato STP
www.itimedi.it
Cavo a doppini intrecciati non schermato
UTP
 Il cavo UTP rappresenta il cavo più utilizzato
nell’implementazione delle LAN per le seguenti
caratteristiche:
- Leggerezza e flessibilità
- Semplicità di installazione
- Costi relativamente contenuti
 Un cavo UTP consiste di varie coppie di fili di rame
intrecciati e isolati. Il numero delle coppie, nonché il
numero degli intrecci necessari per ogni metro di cavo,
varia in base all’uso specifico.
 Le specifiche
prevedono 5 categorie base di cavi UTP.
www.itimedi.it
Cavo a doppini intrecciati schermato STP
 La struttura di un cavo STP è costituito da una
serie di doppini intrecciati con una guaina isolante
protettiva che racchiude le singole coppie e le
mantiene opportunamente separate dalle altre.
 Il tutto racchiuso da una calza metallica in rame
che garantisce la schermatura verso le
interferenze esterne.
 Grazie a questo tipo di struttura, i cavi schermati,
consentono una sostanziale riduzione dei disturbi
di tipo elettromagnetico e supportano velocità di
trasmissione più elevate e su distanze superiori
rispetto ai cavi UTP
www.itimedi.it
Doppini intrecciati
www.itimedi.it
isolante
campo magnetico
cavo di rame
Flussi di corrente
www.itimedi.it
Doppini telefonici
www.itimedi.it
Il connettore RJ45
www.itimedi.it
Doppini schermati
www.itimedi.it
Fibra ottica
 Le fibre ottiche sono composte da
un nucleo in vetro ricoperto da un
rivestimento anche esso in vetro, il
tutto protetto da una guaina esterna
isolante.
 Le
fibre
ottiche
permettono
la propagazione del segnale sotto
forma di impulsi luminosi.
 Poiché non utilizza segnali elettrici
la fibra risulta particolarmente
resistente alle interferenze
elettromagnetiche.
 sicurezza del mezzo,
 velocità di trasmissione (Gb/s)
 l’attenuazione ridotta.
www.itimedi.it
Tipi di connettori
Connettore ST,
largamente utilizzato e
tollerato dagli standard
Milano 2 e 3 dicembre
Magna Pars - via Tortona 15
Connettore SC, il
connettore standard.
www.itimedi.it
Flashnet S.p.A. Telecomunicazioni
Reti locali: l’importanza di un buon cablaggio
Schema a blocchi di una trasmissione
a fibre ottiche
www.itimedi.it
Vantaggi e svantaggi
 Vantaggi delle fibre ottiche rispetto ai fili di rame:
 trasportando onde luminose, non sono soggette al fenomeno
dell’interferenza elettromagnetica
 riescono a trasmettere dati su distanze maggiori
 riescono a trasportare più informazioni oppure più velocemente
(banda passante molto elevata)
 Svantaggi:
 necessitano speciali apparati per rifinire le terminazioni del cavo
(alti costi)
 Tempi d’installazione più lunghi e personale più qualificato
 difficoltà nella manutenzione e nella riparazione
www.itimedi.it
Connessioni Wireless
In particolari situazioni non è possibile collegare tra loro i PC di una LAN
utilizzando i sistemi di cablaggio standard. Per ovviare a questo tipo di
inconvenienti sono state sviluppate tecnologie alternative basate su
dispositivi a raggi infrarossi, radio e laser.
La
comunicazione
avviene
tramite
per
mezzo
di
radiotrasmettitori e ricevitori che
possono essere mobili o fissi.
La portata di una rete Wireless può variare da qualche centinaio di metri a
diversi Km quando la tecnologia senza fili viene utilizzata per collegare reti
LAN fisicamente distanti attraverso un ponte radio.
www.itimedi.it
Connessioni Wireless
Ogni calcolatore è dotato di un apparecchio
trasmettitore-ricevitore che gli
permette di
comunicare con gli altri dispositivo della rete. A
volte la rete W-LAN deve fisicamente collegarsi
ad una rete cablata esistente: In ambienti di
questo tipo l’accesso alla rete avviene per
mezzo di radiotrasmettitori fissi collegati
direttamente con la rete cablata chiamati
“punti di accesso”.
www.itimedi.it
Fine
www.itimedi.it