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.

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 covo 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 =

128

2 Possibili identificativi), TCP. Negli anni ’80 vengono realizzate numerose reti private.

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.

Un Segnale s(t) è una grandezza fisica che varia nel tempo (segnale acustico, luminoso, elettrico ed

elettromagnetico), nonché uno 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

2 (p/p )).

di misura è il Pascal (N/m ), ma più spesso si fa riferimento al decibel (20Log 10 0

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.

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 (A ), Periodo (T )

0 0

o Frequenza (f ), e Fase ( ), legati dalla formula S(t) = A sin(2πf t + ).

0 0 0

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 f = 1/T;

0

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 4kHz ([1300 Hz – 3,4 kHz]);

• Segnale radiofonico —> banda di circa 15kHz.

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.

8

Nel vuoto, tale costante è la velocità di propagazione della luce c (3*10 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 (ƒ ) e dalla banda del segnale modulante (bw).

p

Trasmissioni a radiofrequenza: si tratta di una trasmissione “senza fili” con un range di frequenze tra 20

kHz e 300 GHz. Il segnale trasmetto 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 foto Things) e miglioramento

delle prestazioni (Latenza inferiore a 1 millisecondo: Tactile Internet; Data Rate di 1 Gbit/s);

4. Le comunicazioni satellitari.

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 = (1/2ƒ )) è strettamente

M

collegato alla banda del segnale (f = frequenza più elevata

M

del segnale): banda diversa da zero in [0, f ]. Più è elevata

M

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

3

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 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 s e s , si stabilisce il numero di livello di

min max

quantizzazione N. Ad ogni campione s(kT ) si associa il livello

s

di quantizzazione x tale che s ≤ s(kT ) ≤ s

x s x+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 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 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

n

dei simboli si calcola facendo 2 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).

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 (Instrusion Detection System)

e. Load Balancer

f. Etc.

3. Link (collegamenti fisici), sono caratterizzati da capacità trasmissiva (bit/s) è 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

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