Università di Trieste
Trasmissione e ricezione dell’informazione
Sorgente
Codifica di canale
Code stream
Data stream
Utente
Decodifica di canale
Modem
Canale
fisico
Demodem
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.
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Seriali-Modem 1
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Serie di Fourier
All’inizio del XIX secolo Jean-Baptiste Fourier ha dimostrato che:
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Seriali-Modem 2
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Serie di Fourier
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Seriali-Modem 3
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Serie di Fourier
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Seriali-Modem 4
Capacità del mezzo
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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:
I bit/s   2B log 2 V
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Seriali-Modem 5
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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:
S

I bit/s   B log 2 1  
 N
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.
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Seriali-Modem 6
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Mezzi di trasmissione
• Mezzi magnetici: Nastri magnetici e floppy disk che hanno
una banda passante molto varia (dipende dalla destinazione)
• Il doppino: Consiste in due fili di rame isolati, dello spessore
di un 1mm
La larghezza di banda dipende dallo spessore e dalla distanza
percorsa, ma molte volte può raggiungere diversi megabit/s
per 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 ed
isolamento di qualità superiore
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Seriali-Modem 7
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Mezzi di trasmissione
•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
lunghezze
di 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.
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Seriali-Modem 8
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Mezzi di trasmissione
• 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.
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Seriali-Modem 9
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Mezzi di trasmissione
• 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 plastica
nera. 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.
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Seriali-Modem 10
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Mezzi di trasmissione
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
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Seriali-Modem 11
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Mezzi di trasmissione
• L’aria: L’aria è un buon mezzo di trasmissione, in particolare le onde
radio sono facili da generare, possono viaggiare per lunghe distanze e
penetrano facilmente negli edifici. Inoltre sono omnidirezionali, quindi
il trasmettitore e il ricevitore non devono essere allineati.
Radio
Microonde
Infrarosso
UV
Raggi X
Raggi Gamma
104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
Doppino
Satellite
Fibre
Coax
Microonde
Radio FM
Radio AM
TV
Marittima
LF
MF
HF VHF UHF SHF
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EHF THF
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Seriali-Modem 12
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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
x0
y0
x1
y1
x2
0
1
q
p
p
q=1-p
0
1
y2
……
……
xj
BSC (Binary Symmetric Channel)
yk
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Seriali-Modem 13
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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
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Seriali-Modem 14
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Il sistema telefonico moderno
3 4 5 6 5 4 0 0 2 4 5 3
Linea Analogica
DIGITAL PSTN
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.
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Seriali-Modem 15
Evoluzione della topologia di rete
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1876
1878
End office
Local Loop
Toll office
Toll connecting
trunk
1890
Switching office
...
...
VHB interc.
trunk
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Local Loop
...
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Seriali-Modem 16
Mezzi di trasmissione
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Il canale telefonico vocale ha banda in 300Hz 3.4KHz
• I circuiti locali sono doppini in rame
• Tra gli uffici di commutazione si usano cavi
coassiali, microonde e fibre ottiche
• Si sta passando dal sistema analogico al
digitale (è più facile rigenerare il segnale;
permette trasmissione di voce, dati, video; la
frma d’onda non deve essere accurata;
manutenzione più semplice).
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Seriali-Modem 17
Componenti del sistema
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• Circuiti locali - analogici
I dati devono essere convertiti in forma analogica
con un modem
Ufficio
di pedaggio
Ufficio
terminale
Ufficio
terminale
• Dorsali
• Centralini
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Seriali-Modem 18
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Distorsione d’ampiezza
L’attenuazione è la perdita di energia del segnale
durante la sua propagazione. La perdita è espressa in
dB per Km.
La Distorsione d’ampiezza
attenuazione che subiscono
varie componenti spettrali del
così deformato rendendo
ricezione.
deriva dalla diversa
nella propagazione le
segnale, il quale risulta
più difficile la sua
Ad ogni distorsione dello spettro provoca un cambiamento sull’andamento del
segnale nel dominio del tempo. Questo provoca effetti coda con conseguente
interferenza intersimbolica.
Soglia di decisione
1
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0
1
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Seriali-Modem 19
Distorsioni della fase
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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.
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Seriali-Modem 20
Il rumore di linea
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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.
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Seriali-Modem 21
Le modulazioni
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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)
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Seriali-Modem 22
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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.
s(t )   bk F (t )
dove F (t ) è la funzione kernel
k
1
0
1
1
1
0
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.
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Seriali-Modem 23
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Frequency Shift Keying
Nella modulazione FSK a ciascuna delle due cifre binarie è
associato un valore diverso di frequenza. Precisamente:
livello 1  frequenza f z
livello 0  frequenza f a
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.
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Seriali-Modem 24
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Phase Shift Keying
Nella modulazione PSK bifase, a ciascuna delle due cifre binarie
è associato un valore diverso di fase. Precisamente:
livello 1  fase  z
livello 0  fase  a
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.
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Seriali-Modem 25
Esempio di PSK
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3 bit = 4800 bit/s
2 bit = 2400 bit/s
00
10
11
01
45
135
225
315
001
000
010
011
111
110
100
101
0
45
90
135
180
225
270
315
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.
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Seriali-Modem 26
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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.
1111
Schemi di costellazione
0000
001
1101
101
000
1010
0010
3 bit/baud
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4 bit/baud
Seriali-Modem 27
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Esempio di costellazione QAM
0111
0110
0010
0001
0100
0101
0011
0000
4 bit/baud = 9600 bps
1100
1111
1001
1000
1101
1110
1010
1011
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Seriali-Modem 28
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Esempio di costellazione QAM
Velocità di trasmissione: 14400 bps
Costellazione a 64 punti
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Seriali-Modem 29
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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)
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Seriali-Modem 30
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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.
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Seriali-Modem 31
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Caratteristiche dei Modem
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.
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Seriali-Modem 32
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Caratteristiche dei Modem
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.
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Seriali-Modem 33
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Caratteristiche dei Modem
Altri elementi di classificazione:
• Intelligenza
• Equalizzazione automatica o manuale
• Modem a multiporta
• Sicurezza
• Capacità Voice/Data
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Seriali-Modem 34
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Circuito di trasmissione
Transmit Data
Data Encoder
Transmit Clock
Scrambler
Clock
Modulatore
Filtro
Driver
Canale fisico
Circuito
di
controllo
Clear To Send
Request To Send
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Seriali-Modem 35
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Circuito di ricezione
Received Data
Receive Clock
Data Decoder
Data Carrier Detect
Descrambler
Demodulatore
Equalizzatore
Clock
Filtro
e
Amplificatore
Driver
Circuito di
Carrier Detect
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Canale fisico
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Seriali-Modem 36
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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.
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Seriali-Modem 37
Elementi del Modem
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Clock:Il generatore di clock interno è necessario nei
modem sincroni.
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.
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Seriali-Modem 38
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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.
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Seriali-Modem 39
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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.
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Seriali-Modem 40
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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.
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Seriali-Modem 41
Vantaggi e svantaggi
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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
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Seriali-Modem 42
Vantaggi e svantaggi
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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.
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Seriali-Modem 43
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La Codifica Trellis
Nei modem a modulazione QAM, il limite imposto alla
velocità è dovuto principalmente alle distorsioni
introdotte dal canale fisico.
Quindi è stata introdotta una codifica di canale, chiamata Codifica
Trellis (TCM) che tende a massimizzare la rilevazione degli errori.
4 bit
Data
S to P
2 bit
3 bit
Signal
Point
Mapper
Fase
Trasmettitore QAM
Livello
C.E.
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Seriali-Modem 44
Standard dei modem
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Modem
Velocità max.
Trasmissione
Modulazione
Modalità
V. 21
300
Asincrona
FSK
Half, Full
V. 22
600
1200
Asincrona
Asincrona/Sincrona
PSK
PSK
Half, Full
Half, Full
V. 22 bis
2400
Asincrona
QAM
Half, Full
V. 23
600
1200
Asincrona/Sincrona
Asincrona/Sincrona
FSK
FSK
Half, Full
Half, Full
V. 26
2400
1200
Sincrona
Sincrona
PSK
PSK
Half, Full
Half
V. 27
4800
Sincrona
PSK
Half, Full
V. 29
9600
Sincrona
QAM
Half, Full
V. 32
9600
Asincrona
TCM/QAM
Half, Full
V. 32 bis
14400
Asincrona
TCM/QAM
Half, Full
V. 33
14400
Sincrona
TCM
Half, Full
V. 32 terbo
19200
Asincrona
TCM
Half, Full
V. 34
28800
Asincrona
TCM
Half, Full
V. 90
56000
Asincrona
TCM
Half, Full
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Seriali-Modem 45
Non-linear encoding
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La Non Linear-Encoding è una tecnica utilizzata per distribuire i
punti della costellazione in maniera non uniforme.
4 bit
Data
S to P
2 bit
3 bit
Signal
Point
Mapper
Fase
( L, )  f ( L0 ,  0 )
Trasm. QAM
Livello
C.E.
Questo sistema rende il modem immune agli effetti della PCM su linee
analogiche normali
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Seriali-Modem 46
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Modem a 300 bit/s (V. 21)
Caratteristiche generali di un modem a 300 bit/s:
Velocità di trasmissione:
Modulazione:
Tipo di trasmissione:
Mezzo trasmissivo:
Servizio:
300 bit/s
FSK
asincrona
rete commutata
full-duplex
Frequenze di trasmissione:
Bit
1
0
Canale inferiore Canale superiore
980
1650
1180
1860
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Canale inf. (Bell)
1270
1070
Omero Tuzzi
Canale sup. (Bell)
2225
2025
Seriali-Modem 47
Costellazione V. 32
Università di Trieste
9600 bps
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Seriali-Modem 48
Costellazione V. 32 bis
Università di Trieste
14400 bps
Calcolatori Elettronici a.a. 2001-2002
Omero Tuzzi
Seriali-Modem 49
Costellazione V. 32 terbo
Università di Trieste
19200 bps
Calcolatori Elettronici a.a. 2001-2002
Omero Tuzzi
Seriali-Modem 50
Università di Trieste
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
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Seriali-Modem 51
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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
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Modem V. 34
• 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
• Capacità di aggiornamento del firmware
Successivamente alla sua standardizzazione, il V.
34 viene modificato dalla Rockwell Semiconductor
Systems per raggiungere 33600 bps
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Il V. 90 a 56kbps
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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:
Modem
DAC
Linea Analogica
DIGITAL PSTN
ADC
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Seriali-Modem 54
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Trasmissione digitale su linea analogica: problemi
Il soppressore di eco
Parla A
Parla B
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Trasmissione digitale su linea analogica: problemi
Il cancellatore di eco
Predittore eco
-1
+
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Interfaccie DTE/DCE
RS-232
Data Terminal Equipment (DTE)
Data Communication Equipment (DCE)
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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
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Caratteristiche
• La RS-232-C utilizza un connettore a 25 (o a 9) pin largo
47,0413mm con i pin disposti su due file numerate da 1-13
(superiore) e 14-25 (inferiore)
+15
Livello 0
+3
• I livelli elettrici sono:
-3
Livello 1
-15
• 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
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I segnali della RS-232-C
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Terminal
Modem
Protective gnd
Power
supply
Signal gnd
Transmitted data
Transmit
circuits
RTS
CTS
Receive
circuits
Carrier detect
Test and control
circuits
Dataset ready
Received data
Data terminal ready
Ring indicator
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I segnali della RS-232-C
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• 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
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I segnali della RS-232-C
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• Receive Data (RD, 3): Questo segnale
utilizzato per trasferire dati dal DCE al DTE
viene
• 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
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I segnali della RS-232-C
• 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
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RS 232C
Protective Ground
DTE
1
Transmit
2
Receive
3
Request to send
4
Clear to send
5
Data set ready
6
Signal Ground
7
Carrier detect
8
Data Terminal Ready
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DCE
20
Seriali-Modem 64
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1.
Il NULL-Modem
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.
Transmit Data 2
Receive Data 3
2
Transmit Data
3
Receive Data
Request To Send 4
4
Request To Send
Clear To Send 5
5
Clear To Send
Data Set Ready 6
Carrier detect 8
6
Data Set Ready
Carrier detect
8
Data Terminal Ready 20
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20 Data Terminal Ready
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Seriali-Modem 65
Fibra nel circuito locale
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Dorsali in fibra
Fibra
Doppino di rame
Scatola di giunzione
Centrale
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Fibra
Fibra nel circuito locale
Scatola di giunzione
Dorsali in fibra
Commutatore
Filo di rame per TV via cavo
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Traffico sulle dorsali
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Multiplexing a divisione di frequenza (FDM)
• 4KHz/Canale (3Khz segnale + 2 x 500Hz
guardia)
Multiplexing a divisione di lunghezza d’onda
(WDM)
C1
C2
C3
Frequenza (kHz)
C2
C1
Lunghezza
d’onda
Multiplexing a divisione di tempo (TDM)
• Linee digitali (audio PCM)
• Campionamento voce a 8KHz (125 s/campione)
• Quantizzazione 7/8 bit campione
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T C1 C2 C3 T C1
Tempo
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Portante T1
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24 canali vocali multiplexati
193 bit / frame (125 s)
canale
1
1
canale
3
canale
2
canale
4
canale
24
bit
24 x 8 + 1
0
Codice di
pacchetto
7 bit
campione
bit disegnalazione
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
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T1 T2 T3 …..
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Si possono multiplexare più portanti T1 in un canale T2
4 flussi T1
6 flussi T2
4 0
5 1
6 2
4:1
76 5 43 2 1 0
6:1
7 3
1,544 Mbps
T1
6,312 Mbps
T2
44,736 Mbps
T3
4 canali T1 corrispondono a 6,176 Mbps
I bit in più sono per suddividere i frame e per il controllo
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Commutazione
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Commutazione di circuito
Richiede l’inizializzazione del cammino
Spreco di banda
Ufficio di commutazione
di portante
Commutazione di messaggio
Connessione
fisica
stabilita su
richiesta
Spedizione di un messaggio intero
Commutazione di pacchetto
Suddivisione del messaggio in pacchetti
Maggiore efficienza nella correzione di errori
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Pacchetti
accodati ed
instradati
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Commutatori crossbar
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Input
0
1
2
3
4
5
6
7
n linee di input e output
n2 punti di incrocio
n (n-1)/2 se full-duplex
0 1 2 3 4 5 6 7
Output
crescita elevata della complessità con l’aumento delle
linee
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Divisione di spazio
N/n crossbar
n {
k crossbar
n×k
N/n crossbar
n×k
N/n × N/n
n×k
n×k
n×k
n×k
N/n × N/n
n×k
n×k
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
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Seriali-Modem 73
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Divisione di tempo
Scambiatore degli
slot temporali
n linee
di input
4 7 6 3 0 5 2 1
0 1 2 3 4 5 6 7
contatore
7
6
5
4
3
2
1
0
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n linee
di output
1
2
5
0
3
6
7
4
Buffer di RAM
n parole da k bit
Tabella di commutazione degli slot
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Seriali-Modem 74
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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)
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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)
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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
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Seriali-Modem 77
USB
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• 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.
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Seriali-Modem 78
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• 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.
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Seriali-Modem 79
USB transfer types
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• 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).
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• 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
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Seriali-Modem 81
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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
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Seriali-Modem 82
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• 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”)
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Esempi di trasferimenti
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Seriali-Modem 84
USB bandwidth
Università di Trieste
• 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.
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Seriali-Modem 85