Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 7: strato fisico: codifica dei segnali numerici, modulazione di segnali analogici e numerici
1
Codifica dei dati numerici



La rappresentazione di dati numerici con segnali numerici
e’ normalmente fatta tramite sequenze di impulsi discreti
di tensione di una certa durata temporale.
Il dato binario e’ 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 meta’ bit
2
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 e’ preferibile


possono essere utilizzate tecniche trasmissive piu’ resistenti al
rumore dell’elettronica
spettro concentrato nel centro della banda

caratteristica importante per il multiplexing (vedi oltre)
3
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 puo’ essere utile anche a livello fisico
solidita’ del segnale rispetto ad interferenza o rumore
costo e complessita’ di realizzazione
4
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 e’ nullo in corrispondenza del
bit 0, mentre e’ 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
perche’ il livello di tensione per il bit 1 rimane alto per tutta la durata del bit
Una versione simile e’ la NRZI (Non Return to Zero Invert on ones), che e’
simile alla NRZ-L, ma differenziale (cambia simbolo in occasione di un bit 1,
lo lascia inalterato in occasione di bit 0)
5
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
e’ concentrata tra 0 ed R/2, dove R e’ la capacita’
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 puo’ perdere la
sincronia
6
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
7
Codifiche multilivello binario


Le codifiche a multilivello binario utilizzano tre
livelli: lo zero indica il bit 0, mentre il bit 1 e’
identificato con segnali a +V e –V alternati (AMI
bipolare: Alternate Mark Inversion)
La codifica pseudoternaria e’ la stessa, con 1 e 0
invertiti
8
Caratteristiche della codifica AMI

La codifica AMI ha i seguenti vantaggi rispetto alla NRZ:





Vi sono anche svantaggi:



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 e’ di fatto azzerata
utilizza, a parita’ di tasso trasmissivo, una larghezza di banda
inferiore
errori isolati possono essere evidenziati come violazione del
codice
utilizza simboli a 3 livelli, quindi ogni simbolo potrebbe trasportare
piu’ informazione (log2(3) = 1.58)
a parita’ di bit error rate richiede circa 3 dB in piu’ rispetto alla
NRZ (e’ piu’ difficile discriminare)
Utilizzata in diversi casi su linee punto-punto (ISDN)
9
Codifiche bifase: Manchester


La codifica Manchester utilizza due livelli di tensione; il bit
1 e’ rappresentato da un segnale -V per mezzo periodo,
+V per il seguente mezzo periodo; il bit 0 e’
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
10
Caratteristiche della codifica Manchester

Vantaggi:




Svantaggi:


sincronizzazione: ogni bit ha una transizione in mezzo, che puo’
essere utilizzata per la sincronizzazione dal ricevitore
totale assenza di componente continua
rivelazione di errore (in assenza della transizione prevista)
richiede un segnale a frequenza doppia rispetto al bit rate: 1 bit
richiede 2 simboli, quindi richiede una banda doppia
L’utilizzo piu’ diffuso della codifica Manchester e’ negli
standard 802.3 (Ethernet) e 802.5 (Token Ring) sia su
coassiale che su doppino
11
Codifica B8ZS

Una modifica della AMI per risolvere il
problema della sequenza di zeri e’ la B8ZS
(Bipolar with 8 Zeros Substitution):

ogni sequenza di 8 zeri viene codificata come




000+-0-+ se l’ultimo impulso e’ stato positivo
000-+0+- se l’ultimo impulso e’ stato negativo
in questo modo scompaiono lunghe sequenze
di segnale inalterato, e la sequenza e’
identificata da due violazioni del codice AMI
Utilizzata nel Nord America
12
Codifica HDB3

Stessa logica per la HDB3 (High Density Bipolar 3
zeros):

ogni sequenza di 4 zeri viene codificata come

se la polarita’ dell’ultimo impulso e’ stata negativa:



se la polarita’ dell’ultimo impulso e’ stata positiva:




000- se c’e’ stato numero dispari di 1 dall’ultima sostituzione
+00+ se c’e’ stato un numero pari di 1 dall’ultima sostituzione
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 e’ identificata da violazioni
opportune del codice AMI
Utilizzata in Europa e Giappone
13
Caratteristiche di B8ZS ed HDB3




Le due codifiche hanno sempre componente continua
nulla (le violazioni sono alternate)
Hanno un efficiente utilizzo della banda, con la potenza
concentrata a meta’ della banda
come con AMI, e’ possibile riconoscere gli errori singoli
Generalmente utilizzate nella trasmissione dati ad elevata
distanza
14
Spettro delle codifiche numeriche in banda base
15
Modulazione



La modulazione e’ 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 pero’
intorno alla frequenza del segnale portante
Utilizzando una portante ad alta frequenza si puo’ quindi
spostare la banda necessaria alla trasmissione delle
informazioni in un intervallo piu’ opportuno per la
trasmissione stessa
16
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 puo’ sfruttare la riflessione
multipla dalla ionosfera, che riflette bene frequenze di 5-30 MHz
Un altro vantaggio e’ legato alla possibilita’ di trasmettere
piu’ 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)
17
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)
18
Esempi di modulazione
19
Modulazione analogica di ampiezza (AM)


Il segnale modulante e’ 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(c t )
L’ampiezza del segnale modulato e’ funzione del
segnale modulante; n e’ detto indice di
modulazione, e viene scelto in modo che
1  n  x( t )  0
20
Dati analogici-segnali analogici

La rappresentazione di dati analogici
tramite segnali analogici puo’ essere:


in banda base: il segnale trasmesso occupa la
stessa banda di frequenza del dato analogico
attraverso la modulazione di una portante
sinusoidale operata utilizzando il dato
(analogico) come segnale modulante
21
Esempio: modulante sinusoidale

Consideriamo come esempio il segnale
modulante sinusoidale a frequenza ω (singola
nota di violino):
22
Esempio (cont)

Il segnale modulato ha la forma:
s( t )  1  n cos(t ) cos(c t )
n
n
s( t )  cos(c t )  cos(c   ) t   cos(c   ) t 
2
2

Il suo spettro sara’ costituito da una riga in
corrispondenza della frequenza della portante,
piu’ due righe simmetriche rispetto alla prima a
distanza pari alla frequenza della modulante
23
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 e’ doppia
rispetto a quella del segnale modulante
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 potra’ eliminare quando il
segnale in banda base non ha componente continua o comunque vicine
alla frequenza nulla
24
Modulazione analogica angolare (PM)


Il segnale modulante puo’ essere utilizzato per modificare
la fase della portante (modulazione di fase)
In questo caso il segnale modulato sara’ descritto da
s( t )  Ac cosc t   ( t ) 
 ( t )  np x ( t )
dove np e’ l’indice di modulazione

Di fatto si introduce un ritardo temporale proporzionale al
segnale modulante
25
Modulazione analogica angolare (FM)


Il segnale modulante puo’ essere utilizzato per
modificare la frequenza della portante
(modulazione di frequenza)
In questo caso il segnale modulato sara’ descritto
da
s ( t )  A c cos   c  n f x ( t )  t 
dove nf e’ l’indice di modulazione
26
Spettro del segnale modulato in frequenza

Per la modulazione di frequenza si puo’ vedere come la banda
occupata per effetto della ampiezza del segnale modulante sia
F  (max  min )  n f max  x ( t )   n f Am

Si vede come per la modulazione di frequenza, un aumento della
ampiezza del segnale modulante comporti un aumento della banda
occupata, mentre nel caso della AM l’ampiezza del segnale
modulante influenza la ampiezza del segnale modulato
La modulazione angolare non e’ lineare, e genera uno spettro
generalmente costituito da banda infinita. Si puo’ approssimare alla
seguente relazione:
BT  2F  2 B  2n f Am  2 B
BT  2np Am  1B
per FM
per PM
27
Modulazione di segnali numerici






La tecnica della modulazione viene utilizzata in questo
caso per trasformare un dato numerico in un segnale
analogico
Si ottiene cio’ 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
(modulatore-demodulatore)
Un esempio comune e’ la trasmissione dati via rete
commutata
Un altro esempio e’ la trasmissione digitale su fibra ottica
28
Tecniche di modulazione: ASK

Partendo da un segnale numerico (ad esempio
un segnale NRZ) si puo’ modulare in ampiezza
una portante sinusoidale moltiplicando la sua
ampiezza per il segnale numerico (ASK:
Amplitude Shift Keying)
29
Tecniche di modulazione: FSK

Il segnale numerico puo’ essere utilizzato per
modulare in frequenza una portante sinusoidale,
modificando la sua frequenza in funzione del
segnale modulante (FSK: Frequency Shift
Keying), cioe’ facendo corrispondere due
frequenze ai due valori del bit
30
Tecniche di modulazione: PSK

Il segnale numerico puo’ 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
31
Forma del segnale trasmesso

I segnali trasmessi con le diverse tecniche
di modulazione hanno la seguente forma
A cos(t )
ASK : s( t )  
0
 A cos(1t )
FSK : s( t )  
 A cos(2 t )
 A cos(t   1 )
PSK : s( t )  
 A cos(t   2 )
bit 1
bit 0
bit 1
bit 0
bit 1
bit 0
32
Spettro del segnale trasmesso



Le considerazioni viste per la modulazione analogica
valgono anche in questo caso
Il segnale generato e’ 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
33
Esempio di spettro
34
Modulazioni piu’ complesse: QPSK


Si ottiene una migliore efficienza del canale modulando in
modo che ogni simbolo trasporti piu’ bit
Nella modulazione QPSK (Quadrature PSK) si utilizzano
quattro angoli di fase per trasmettere due bit per
simbolo; ad esempio:





00
01
11
10
per
per
per
per
fase
fase
fase
fase
=0
= 90 gradi
= 180 gradi
a 270 gradi
Si possono utilizzare modulazioni piu’ complesse
utilizzando piu’ angoli di fase
35
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 piu’ 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
36
Schema della QAM
37
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 parita’ e 4 bit
di dati, 9600 bps)
V32 bis (128 livelli, 7 bit/baud di cui 1 bit di parita’ e 6
bit di dati, 14400 bps)
…
38