Fondamenti di Ingegneria delle comunicazioni

Telecomunicazioni

Il termine telecomunicazioni indica tradizionalmente l'insieme delle tecniche e dei procedimenti per la trasmissione a distanza di suoni (voce, musica), immagini, testi ecc. ai quali oggi ci si riferisce come segnali, ovvero quantità variabili nel tempo e di natura elettromagnetica, acustica, elettrica o luminosa, ormai quasi sempre rappresentati in forma numerica (o digitale).

Esempi di sistemi moderni di telecomunicazioni: Radio, televisione, Rete telefonica, Internet, Radar, Satelliti, mentre tra i primordiali ricordiamo i segnali di fumo o i tamburi.

Storia e sistemi di telecomunicazioni

• 1. Il Telegrafo ottico è un sistema meccanico, ideato nel 1790, formato da un braccio rotante che assume configurazioni standard. Il sistema è costituito da torri intervallate poche decine di km (contatto visivo). Necessità però operatori ad elevata competenza.
• 2. Il Telegrafo elettrico, invece, è il primo passo verso il telefono. È stato perfezionato nel 1844 da Samuel Morse. I segnali elettrici, trasmessi su cavo, sostituiscono i segnali ottici. Il codice morse è formato da caratteri rappresentati mediante i simboli (. e -), che si distinguono come lunghezza dell'impulso di corrente trasmesso.
• 3. Il telefono è stato inventato da Meucci nel 1849 e brevettato da Bell nel 1876 permette di effettuare conversazioni vocali in tempo reale senza necessità di telegrafisti. Componendo il numero, avviene la Commutazione, (Primo manuale, poi elettromeccanica) ovvero l'identificazione di una persona con il numero di telefono; dopodiché, il microfono traduce la voce in un segnale elettrico da inviare, mediante un cavo elettrico, per essere introdotti in segnale vocale.
• 4. Radio: Nel 1897 Guglielmo Marconi (usufruendo delle ricerche di Hertz ed altri ingegneri) realizzò il primo telegrafo senza fili, utilizzando le onde radio per la trasmissione di suoni a distanza. Nel 1901 Marconi stabilì una comunicazione senza fili attraverso l'Oceano Atlantico (tra Canada e Inghilterra). Lo sviluppo di questa tecnologia portò nel 1920 all'inizio delle trasmissioni radiofoniche.
• 5. Televisione: John Logie Baird dimostra nel 1925 la trasmissione a distanza di immagini in movimento con una vasta gamma di grigi, mentre nel 1927 trasmise la televisione da Londra a Glasgow (700 km di distanza) attraverso la linea telefonica. Nel 1936 la BBC inaugura in Inghilterra il primo servizio di trasmissioni televisive pubbliche. (Televisione e radio sono sistemi di broadcast, ovvero da 1 a tanti).
• 6. Radar: nel 1903 Hulsmeyer fece esperimenti sulla rivelazione di onde elettromagnetiche riflesse da navi. Alla base di questi studi, Guglielmo Marconi nel 1922 evidenziò la possibilità di rivelare dei corpi mediante la riflessione delle onde elettromagnetiche. Breit e Tuve, invece, misurano l’altezza della ionosfera con una tecnica anticipatoria del radar ad impulsi.
• 7. Comunicazioni satellitari: il 12 agosto 1960, gli USA lanciano in orbita il primo satellite per telecomunicazioni, Echo 1A, che permise la trasmissione intercontinentale di segnali radio mediante la riflessione satellitare, mentre due anni dopo viene messo in orbita Telstar 1, primo satellite per telecomunicazioni commerciali, in grado di trasmettere 600 conversazioni telefoniche o un canale televisivo.
• 8. Internet: nel 1969 viene realizzata la rete ARPANET, formata da 4 nodi (Università della California Santa Barbara, Università di Stanford di Santa Clara, Università di Los Angeles, Università dello Utah), basata sulla commutazione di pacchetto. 3 anni dopo (1972) contava 37 nodi. Negli anni ’70 vengono messi a punto i principali protocolli di rete IP (identificativo utente —> attuale a 128 bit = 128² Possibili identificativi), TCP. Negli anni ’80 vengono realizzate numerose reti private.

Elementi principali della comunicazione

Alla base della comunicazione vi è un’informazione da trasmettere (audio, video, dati etc.). I tre elementi principali di una comunicazione sono:

• 1. Il trasmettitore deve modificare il segnale generato dalla sorgente per rendere possibile la sua trasmissione sul canale (Campionamento, quantizzazione, modulazione e frequenza portante).
• 2. Il canale di comunicazione è un mezzo fisico (conduttore elettrico, aria, luce come fibra ottica). È costituito da una sequenza di mezzi trasmissivi e dispositivi intermedi (hanno il compito di controllo della rete, ovvero elaborare i segnali ricevuti per fornire un opportuno servizio). Il canale introduce rumore, interferenza o distorsione. La trasmissione attraverso un canale può essere:
  • A. Broadcast: unidirezionale, ovvero un trasmettitore e tanti ricevitori;
  • B. Point to Point: bidirezionale, due nodi che svolgono sia la funzione di trasmettitore, che quella di ricevitore. Si parla di Half-Duplex quando la trasmissione è alternata, mentre Full-Duplex quando la trasmissione è simultanea.
• 3. Il ricevitore deve recuperare il segnale trasmesso così com’era.

Segnali e forme d’onda

Un Segnale s(t) è una grandezza fisica che varia nel tempo (segnale acustico, luminoso, elettrico ed elettromagnetico), nonché uno strumento attraverso cui trasmettiamo informazioni, e può essere di due tipi: analogico (voce) o digitale.

La Forma d’onda è l’andamento del segnale nel tempo e la rappresentazione nel dominio del tempo, mentre l’Ampiezza rappresenta il valore assunto dal segnale (asse ordinate) in uno specifico istante di tempo (asse ascisse). È facilmente identificabile facendo riferimento alla forma d’onda del segnale.

Prendendo come esempio il segnale acustico, la grandezza fisica è la pressione sonora (p), definita come l’ampiezza dell’onda di pressione. La pressione sonora si misura tramite un microfono e l’unità di misura è il Pascal (N/m²), ma più spesso si fa riferimento al decibel (20Log 10 (p/p0)).

La frequenza rappresenta la velocità con la quale varia il valore di un segnale (a destra abbiamo lo spettro del segnale, ovvero la rappresentazione nel dominio delle frequenze). La banda di un segnale è la misura dell’intervallo di frequenza utilizzato per inviare messaggi: abbiamo i segnali a banda infinita e i segnali limitati in banda con frequenza minima, massima, banda del segnale.

Segnale sinusoidale e Fourier

Il segnale sinusoidale è di fondamentale importanza nelle telecomunicazioni, poiché è periodico (Ovvero si ripete uguale a se stesso in un certo intervallo di tempo) e il più semplice. Ogni sinusoide si chiama Componente Armonica. Il segnale sinusoidale è caratterizzato da tre parametri: Ampiezza (A0), Periodo (T0) o Frequenza (f0), e Fase ( ), legati dalla formula S(t) = A0 sin(2πf0t + ).

I segnali sinusoidali sono importanti nelle telecomunicazioni perché esiste la proprietà di rappresentare un segnale tramite “composizione” di sinusoidi (lo Sviluppo in serie di Fourier) e la possibilità di essere usati come segnali portanti (Modulazione).

Un Segnale Periodico di periodo T ripete periodicamente il suo andamento temporale in un periodo di tempo T e può essere espresso come la somma di infiniti segnali sinusoidali:

• 1. La frequenza fondamentale è f0 = 1/T;
• 2. Le altre frequenze sono multiple della frequenza fondamentale (componenti armoniche);
• 3. Ciascuna componente armonica ha una propria fase e una propria ampiezza.

Anche per i Segnali non periodici è possibile una rappresentazione sotto forma di componenti armoniche, dove troviamo frequenze continue (e non discrete, ovvero abbiamo un insieme di frequenze vicine tra loro) e la trasformata di Fourier. Devono essere segnali limitati in banda o, nel caso, lo limitiamo noi. Maggiore è la banda e maggiore è il costo, però bisogna riprodurre il segnale in maniera comprensibile.

Un segnale non periodico è il segnale acustico. Il segnale vocale udibile da un essere umano ha una banda compresa tra 20 Hz a circa 22 kHz (a valori inferiori troviamo gli infrasuoni, mentre a valore superiori gli ultrasuoni). Ai fini della trasmissione di un segnale vocale, è possibile trascurare le frequenze superiori ad un certo valori:

• Segnale telefonico (telefonia fissa) —> banda di circa 4 kHz ([1300 Hz – 3,4 kHz]);
• Segnale radiofonico —> banda di circa 15 kHz.

Onde elettromagnetiche e modulazione

L’onda elettromagnetica è un fenomeno fisico generato dall’oscillazione di un elettrone. Qui il campo elettrico e magnetico si propagano come coppia di sinusoidi perpendicolari tra di loro. I parametri dell’onda elettromagnetica è la frequenza (ƒ) e la lunghezza d’onda ( ).

Lunghezza d’onda e frequenza sono legate da una costante: la velocità di propagazione nel mezzo (v) = v/ƒ. Nel vuoto, tale costante è la velocità di propagazione della luce c (3*10⁸ m/s).

La Modulazione consente di inserire un segnale, generato da una sorgente, in una sinusoide (portante) da trasmettere. Si modifica quindi uno dei parametri della sinusoide in funzione dell’informazione da trasferire (in ordine avremo il segnale modulante, il segnale portante e il segnale modulato): Modulazione di Ampiezza Modulazione di Frequenza Modulazione di Fase.

L’ampiezza è la massima variazione di una grandezza in un’oscillazione periodica. La frequenza è il numero di cicli al secondo di un’onda sinusoidale. La fase di una funzione periodica ad un certo istante temporale è la frazione di periodo trascorsa rispetto ad un tempo fissato.

Un segnale modulato ha uno spettro in frequenza che dipende: dalla portante (ƒp) e dalla banda del segnale modulante (bw).

Trasmissioni a radiofrequenza

Trasmissioni a radiofrequenza: si tratta di una trasmissione “senza fili” con un range di frequenze tra 20 kHz e 300 GHz. Il segnale trasmesso è un’onda elettromagnetica. Qui troviamo:

• 1. La trasmissione radio, tra cui la Radio FM (modulazione di frequenza) e AM (modulazione di Ampiezza);
• 2. La Televisione: analogica fino al 2012 e poi digitale terrestre, ovvero la trasmissione digitale.
  • A. DVB-T: lo standard di riferimento (modulazione, codifica, etc…);
  • B. DVB-T2:
    • I. Modulazione e codifica più efficienti;
    • II. Trasmissione a frequenze più elevate (con bande più estese) —> Ultra HD;
    • III. Si liberano le frequenze nella banda 700 MHz per le reti cellulari 4G e 5G (operatori telefonici).
• 3. La telefonia mobile (da 1G a 5G):
  • A. 1G Servizio voce analogico (2,4 kbps);
  • B. 2G Digitale, Voce (2,5G per dati), copertura e GSM (64 kbps);
  • C. 3G Voce e dati, UMTS (2000 kbps);
  • D. 4G Dati, alta velocità, IP-based (100.000 kbps).
  • E. 5G: numerose evoluzioni tecnologiche (ancora in fase di sviluppo), tra cui la trasmissione a frequenze elevate (Millimeter-Wave fino a 60GHz) e Mobile Edge Computing (MEC). I requisiti sono: l’incremento del numero di dispositivi (Internet of Things) e miglioramento delle prestazioni (Latenza inferiore a 1 millisecondo: Tactile Internet; Data Rate di 1 Gbit/s);
• 4. Le comunicazioni satellitari.

Digitalizzazione, campionamento e quantizzazione

La Digitalizzazione nasce dal passaggio dal mondo analogico a quello digitale.

Segnale analogico: assume un valore per ogni istante di tempo. Tutti i segnali generati naturalmente sono analogici.

Segnale discreto: (numerico): assume valore solo in specifici istanti di tempo.

Teorema del campionamento: dato un segnale analogico, se la sua banda è limitata, è possibile rappresentarlo in formato discreto (numerico), senza perdere informazioni, inviando solo un sottoinsieme dei suoi valori.

Per ricostruire il segnale partendo dai suoi campioni, tali campioni devono essere scelti in maniera opportuna. Il periodo di campionamento (Ts = (1/2ƒM)) è strettamente collegato alla banda del segnale (fM = frequenza più elevata del segnale): banda diversa da zero in [0, fM]. Più è elevata la frequenza e più campioni vicini tra loro dovrò prendere, quindi il periodo di campionamento sarà minore. Il periodo di campionamento ci dice ogni quanto prendere il segnale.

La scelta di un periodo di campionamento superiore a quello indicato dal teorema del campionamento porta ad una non corretta ricostruzione del segnale (Aliasing).

Esempio: la banda di un segnale telefonico è di circa 4 kHz, il periodo di campionamento necessario ad individuare i campioni di un segnale telefonico è: Ts = (1/2*4*10³ = 125 s).

La Quantizzazione è il processo di individuazione di un numero intero da associare ad ogni campione del segnale (approssimazione del valore del campione). Siccome il valore del segnale in corrispondenza di un istante di campionamento (campione) è un numero reale, con la quantizzazione non vi è la necessità di individuare l’esatto valore del segnale (la trasmissione comunque introdurrà errori) e un numero intero può essere scritto tramite una sequenza binaria.

Dato un segnale s(t) che assume un range di valori compreso tra smin e smax, si stabilisce il numero di livello di quantizzazione N. Ad ogni campione s(kTs) si associa il livello di quantizzazione x tale che sx ≤ s(kTs) ≤ sx+1.

Ogni campione del segnale è rappresentato tramite un valore che rappresenta il livello di quantizzazione. Gli N livelli di quantizzazione vengono invece rappresentati come una stringa di bit, dati dalla formula NQ = Log2 N.

Il segnale digitale risultante è caratterizzato invece da un bit rate (bit/s) R = NQ * 2ƒM = NQ / Ts.

Modulazione digitale

La Modulazione digitale è un processo analogo a quello analogico: codifica di un segnale da inviare su una sinusoide. L’unica differenza è che il segnale modulante è in formato digitale. Abbiamo tre tipi fondamentali di modulazione:

• 1. ASK (Amplitude Shift Keying) – (On Off Keying)
• 2. FSK (Frequency Shift Keying)
• 3. PSK (Phase Shift Keying), dove la fase del segnale modulato può assumere due valori: 0 e 180 gradi.

Esistono anche sistemi più complessi ed efficienti di modulazione numerica:

• 1. QAM (modulazione di ampiezza in quadratura);
• 2. PCM (modulazione impulsiva);
• 3. OFDM (modulazione simultanea di numerose portanti).

Modulazione ad alto bit rate: l’idea è di codificare gruppi di bit (simboli) contemporaneamente. Il numero dei simboli si calcola facendo 2ⁿ dove n è il numero di bit.

Modulazione 4PSK (o QPSK):

• A. La fase può assumere 4 diversi valori: 0, 90, 180, 270 gradi e ad ogni coppia di bit (4 diversi simboli) viene assegnato un diverso valore della fase:
  • A. 00 —> 0°
  • B. 01 —> 90°
  • C. 10 —> 180°
  • D. 11 —> 270°

Modulazione 8PSK (o QPSK): La fase può assumere 8 livelli (8 simboli) —> 3 bit (001 010 100 011 100 101 110 111). Al crescere del numero di livelli di fase aumentano le problematiche relative al rumore e all’errore di ricezione.

Modulazione QAM: Modulazione di fase e ampiezza. Un simbolo è costituito da 4 bit:

• A. Il primo bit modula l’ampiezza (ASK);
• B. Gli ultimi 3 bit modulano la fase (8PSK).

Reti di telecomunicazioni

Una Rete è un’infrastruttura (costituita da tanti elementi fisici) intelligente distribuita che consente la comunicazione a distanza tra utenti senza una comunicazione diretta fra loro. Vi è la necessità di dispositivi di rete. Esempi di reti di telecomunicazioni sono Internet e la rete telefonia mobile. L’infrastruttura è costituita da:

• 1. Dispositivi terminali (host)
  • A. PC
  • B. Smartphone
  • C. Server, Pc ad alte prestazioni dove risiedono le applicazioni a cui un utente chiede informazioni
  • D. Things (Internet of Things), un qualsiasi dispositivo con collegamento internet (domotica).
• 2. Dispositivi di rete (la parte che non vediamo)
  • A. Router, un apparato di rete il cui scopo è di far parlare i dispositivi terminali con il resto della rete Internet. Dal router esce un cavo che si collega alla linea telefonica e da qui ci saranno altri router
  • B. Switch, svolgono funzioni meno intelligenti dei router, e li troviamo nelle reti aziendali (collega insieme altri dispositivi in locale).
  • C. Firewall
  • D. IDS (Intrusion Detection System)
  • E. Load Balancer
  • F. Etc.
• 3. Link (collegamenti fisici), sono caratterizzati da capacità trasmissiva (bit/s) e Ritardo di propagazione (s).
  • A. Cavi in fibra ottica, sono i cavi più usati, che hanno una capacità trasmissiva superiore dei cavi in rame
  • B. Cavi in rame
  • C. Collegamenti satellitari
  • D. Collegamenti Wi-fi.
• 4. Rete:
  • A. Di accesso, formata dai terminali e dai dispositivi di rete
  • B. Di backbone, fatta da migliaia di router e link in fibra ottica

Protocolli di rete e pila TCP/IP

Per dotare la rete internet di intelligenza abbiamo bisogno dei protocolli di rete, che garantiscono numerose funzioni per la comunicazione tra due dispositivi terminali:

• 1. Trasformazione di bit in “dati” adeguati alla trasmissione
• 2. Identificazione dei dispositivi terminali
• 3. Calcolo del percorso dalla corrente alla destinazione
• 4. Verifica di corretta consegna dei dati

Le funzioni sono organizzate in un modello a strati: la pila protocollare TCP/IP, che garantisce la divisione delle funzioni in strati, una certa gerarchia tra stati, le funzioni svolte in maniera distribuita e la modularità (ciascuno strato è indipendente dagli altri). Gli strati vanno dal più basso al più alto, ovvero dal fisico all’applicazione:

• 1. Applicazione (o Processo): Programma in esecuzione su un dispositivo terminale che richiede la comunicazione con lo stesso programma in esecuzione su un altro dispositivo terminale tramite Internet (FTP, SMTP, HTTP)
• 2. Trasporto: responsabile della comunicazione tra processi (TCP, UDP)
• 3. Rete: Identificazione dispositivi e calcolo percorsi di rete (IP, Protocolli di Routing)
• 4. Collegamento: Comunicazione tra dispositivi vicini (Ethernet)
• 5. Fisico: trasmissione dei bit sul mezzo trasmissivo

Gli strati della Pila protocollare sono distribuiti, sono tutti presenti solo nei dispositivi terminali, interagiscono direttamente solo con gli