Fondamenti di Ingegneria delle comunicazioni

Processo di campionamento e quantizzazione del segnale

Collegato alla banda del segnale (f = frequenza più elevata del segnale): banda diversa da zero in [0, f ]. 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*10 = 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 sarà una corrispondenza perfetta tra il segnale originale e il segnale ricostruito.

è lanecessità di individuare l’esatto valore del segnale (la trasmissione comunque introdurrà errori) e unnumero intero può essere scritto tramite una sequenza binaria.

Dato un segnale s(t) che assume un range di valori compresotra s e s , si stabilisce il numero di livello dimin maxquantizzazione N. Ad ogni campione s(kT ) si associa il livellosdi quantizzazione x tale che s ≤ s(kT ) ≤ sx s x+1

Ogni campione del segnale è rappresentato tramite unvalore che rappresenta il livello di quantizzazione. Gli N livelli di quantizzazione vengono invecerappresentati come una stringa di bit, dati dalla formula N = Log N.Q 2

Il segnale digitale risultate è caratterizzato invece da un bit rate (bit/s) R = N * 2ƒ = N / T .Q M Q s

La Modulazione digitale è un processo analogo a quello analogico: codifica di un segnale da inviare suuna sinusoide. L’unica differenza è che il segnale modulante è in formato digitale.

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.

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

• 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:
• 00 -> 0°
• 01 -> 90°
• 10 -> 180°
• 11 -> 270°

simboli) —> 3 bit (001 010 100 011 100 101110 111). Al crescere del numero di livelli di fase aumentano le problematiche relative al rumore eall’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).

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

1. Dispositivi terminali (host)
   1. PC
   2. Smartphone
   3. Server, Pc ad alte prestazioni dove risiedono le applicazioni a cui un utente chiedeinformazionid
   4. Things (Internet of Things), un qualsiasi dispositivo con collegamento internet (domotica).
2. Dispositivi di rete

(la parte che non vediamo)

1. Router, un apparato di rete il cui scopo è di far parlare i dispositivi terminali con il resto dellarete Internet. Dal router esce un cavo che si collega alla linea telefonica e da qui ci saranno altri router

2. Switch, svolgono funzioni meno intelligenti dei router, e li troviamo nelle reti aziendali (collega insieme altri dispositivi in locale).

3. Firewall

4. IDS (Instrusion Detection System)

5. Load Balancer

6. Etc.

3. Link (collegamenti fisici), sono caratterizzati da capacità trasmissiva (bit/s) e Ritardo di propagazione (s).

1. Cavi in fibra ottica, sono i cavi più usati, che hanno una capacità trasmissiva superiore dei cavi in rame

2. Cavi in rame

3. Collegamenti satellitari

4. Collegamenti Wi-fi

4. Rete:

1. Di accesso, formata dai terminali e dai dispositivi di rete

2. Di backbone, fatta da migliaia di router e link in fibra ottica

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 strati adiacenti, scambiano messaggi solo con lo stesso strato di un altro dispositivo. Nei terminali sono implementate tutte le funzionalità, mentre nel router abbiamo solo i primi 3 (fisico, collegamento e rete).

Ad esempio lo strato di trasporto riceve i dati dall'applicazione, esegue le funzioni dello strato di trasporto e invia il messaggio allo strato di trasporto della destinazione. Dopodiché aspetta di ricevere il riscontro (ack) dalla destinazione. Ogni strato della pila protocollare (in fase di trasmissione) riceve i dati dallo strato protocollare superiore: Aggiunge una intestazione (H=header), bit di controllo, e crea una nuova unità dati; consegna la

nuova unità dati allo strato sottostante. In base all'intestazione che riceverà, lo strato effettuerà una certa funzione.

La rete Internet è una rete a pacchetto (la rete a circuito prevede un canale fisico su cui inviare dati senza inserire intestazioni e suddividerli in pacchetti):

• I dati generati dalle applicazioni vengono incapsulati in pacchetti aventi una intestazione che rende possibile l'attraversamento della rete
• I nodi della rete (router, nel quale sono integrati solo i primi 3 strati della pila protocollare) devono leggere l'intestazione per determinare le funzioni da svolgere, decidendo una parte del percorso (commutazione)
• I link devono essere "condivisi" tra i pacchetti in transito (multiplazione: un link più pacchetti)
• Il servizio della rete Internet è definito best effort (miglior servizio senza nessuna garanzia che i pacchetti arrivino o arrivino in orario)
• Il tempo di

Capacità del Link (C), ovvero quanti bit/s riesce a inviare

Ritardo di propagazione (τ = d/v), ovvero il tempo richiesto per la propagazione di un bit da un router al successivo che dipende da:

• Velocità di propagazione nel mezzo (v)
• Lunghezza del link (d), ovvero la distanza tra i due router

Ogni bit generato deve attraversare il primo link e impiegherà un tempo di propagazione L/C (del primo link), dopodiché arriveranno anche gli altri. Per trasmettere ciascun bit ci impiegherò il tempo di propagazione.

Ogni bit trasmesso verrà immediatamente propagato. Il pacchetto me lo ritroverò da H1 a I con un tempo che è il tempo di propagazione del mezzo (tempo di propagazione di un bit e arancione tempo di trasmissione.)

Pila Protocollare (Applicazione, Trasporto, Rete, Collegamento, Fisico)

Strato di Applicazione:

User Agent: è un'interfaccia tra l'utente e l'applicazione di rete (web: browser; E-mail: ...)