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Vantaggi offerti dalle trasmissioni di tipo digitale - TELECOMUNICAZIONI

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Vantaggi offerti dalle trasmissioni

di tipo digitale

TELECOMUNICAZIONI



Ultimamente le tecniche digitali sono entrate di forza in tutti i settori, partendo da quello delle telecomunicazioni per arrivare a quello musicale e persino nel mondo dell'elettronica di consumo. Il settore principale per cui si sono sviluppate queste tecniche, è ovviamente quello delle telecomunicazioni, infatti, grazie ad esse oggi sono possibili non solo elevate capacità di trasporto delle informazioni, ma è possibile anche offrire vari servizi, dal più semplice al più complesso. Tutto questo, fino a pochi anni fa, non era possibile, poiché si lavorava con segnali di tipo analogico; quindi vediamo i principali vantaggi delle comunicazioni effettuate in via digitale:

  • IMMUNITA' AL RUMORE

L'informazione, è trattata in bit ovvero solo con due livelli ( 0 e 1) quindi se in ambiente analogico il ricevitore doveva riconoscere istante per instante la forma del segnale avuto in ricezione, ora la situazione è notevolmente cambiata e migliorata, infatti, il ricevitore dovrà riconoscere solo due livelli (0 o 1; livello alto o livello basso). Inoltre durante il viaggio, il segnale analogico è attaccato continuamente dal rumore il quale degrada la forma del segnale, e diviene difficile se non impossibile, ricostruire in ricezione il segnale di partenza. È vero anche che in ambiente digitale il rumore è ancora presente e ancora continua ad attaccare il segnale ma il ricevitore anche se il segnale si è un po' attenuato, non avrà comunque esitazione a scegliere con quale livello il segnale arriva.

  • INTELLIGENZA

Ai giorni nostri, abbiamo a disposizione elaboratori sempre più potenti composti da µP. Le parti che compongono un sistema di telecomunicazioni digitale sono dotate di un'intelligenza e colloquiano tra di loro al fine di controllare l'andamento della trasmissione. Queste parti intelligenti, possono soprattutto adottare tecniche di rivelazione e correzio 222i82c ni di errori e pertanto di ottenere qualità di trasmissioni molto elevate.

  • FLESSIBILITÀ, EFFICIENZA E SICUREZZA

Ormai tutti i sistemi digitali, operano sotto controllo del software perciò è possibile ottenere una elevata flessibilità ed efficienza del servizio offerto agli utenti. Inoltre il livello di sicurezza, può essere molto elevato, adottando opportune forme di crittografia per rendere il segnale incomprensibile a utenti o persone comunque non autorizzate.

  • COMUNICAZIONE DIGITALE

Per un sistema digitale, tutte le informazioni che vengono trattate sono digitalizzate (voce, musica, immagini ecc.) pertanto per un sistema digitale, non vi è alcuna differenza tra di esse quindi è possibile integrare i più svariati servizi offerti ai giorni nostri quindi viene consentito all'utente di parlare, scambiare dati e testi durante uno stesso collegamento.

  • ARCHIVIAZIONE E GESTIONE DEI DATI

L'operazione che ha consentito e che consente tutto quanto detto, è la capacità di memorizzare il segnale cosa che in precedenza in ambiente analogico, era difficile fare; infatti lavorando con segnali analogici si, si poteva conservare il segnale ma lo si faceva in maniere seriale per esempio su di un nastro e per ripescare una parte del segnale, bisognava svolgere il nastro fino al punto desiderato e questo svolgimento, richiedeva tempi che se per noi sono brevi (alcuni secondi), confrontandoli con i tempi con i quali si lavora in digitale, sono dei tempi infiniti. Salvando l'informazione in maniera digitale, su memorie a semiconduttore, vi accediamo in un tempo immediato scrivendo semplicemente la posizione del bit  da prelevare e in seguito, lo manipoliamo come meglio crediamo e lo salviamo nuovamente nella sua posizione originaria.

 

                            

In un sistema di telecomunicazioni digitale tutte le apparecchiature interposte tra sorgente e utilizzatore, è quello di estrarre dal segnale emesso dalla sorgente i parametri tramite i quali possono essere trasmesse le informazioni, mettendoli in grado che possono efficacemente inviati sul canale e ponendo il segnale ricevuto nella forma desiderata dall'utilizzatore, il tutto minimizzando l'effetto del rumore e delle distorsioni..   

  • CODIFICA DI SORGENTE

Nella trasmissione di segnali digitalizzati, la codifica di sorgente ha il compito di ridurre il bit - rate necessario loro trasferimento riducendo la ridondanza del segnale.

  • CODIFICA DI CANALE

Sono altre forme di codifica che permettono di aumentare la capacità di canale e il compito più importante della codifica di canale, è quello di rivelare e correggere gli errori avvenuti durante la trasmissione perché nelle trasmissioni reali, il segnale anche se digitale come abbiamo già detto è comunque attaccato dal rumore che sommandosi al segnale utile, può causare errori nei bit ricevuti e talvolta ne può modificare notevolmente la forma che il ricevitore effettua un'errata interpretazione cioè può riconoscere un livello alto anziché un livello basso e viceversa.

·        MODULATORE



Ha il compito di compiere la modulazione ovvero generare un segnale elettrico avente le caratteristiche adatte per la trasmissione su un canale di comunicazione.

Il parametro che determina la qualità della trasmissione digitale è il BER (Bit Error Rate)

          La presenza di errori ha diversi effetti a secondo del tipo di  sistema di telecomunicazioni per esempio:

ü      Nei sistemi che trasmettono segnali digitalizzati (vove,immagini.) gli errori comportano un degrado dell'informazione, ma se il numero di bit errati è piccolo la qualità finale può comunque essere accettabile.

ü      Nei sistemi che trasmettono dati, la presenza di errori è intollerabile in quanto modifica il contenuto informativo dei messaggi in maniera imprevedibile pensiamo alle transazioni bancarie per esempio, un errore non è assolutamente permesso.

Ci rendiamo conto che proteggere le informazioni dagli errori, diventa una priorità. Per questo scopo possiamo introdurre nella trasmissione una opportuna codifica di canale la quale consiste nel codificare i bit di informazione inserendo una ridondanza sistematica; la ridondanza indica la presenza nei messaggi emessi da una sorgente di informazioni in qualche modo ripetute o non essenziali  o comunque deducibili da altre informazioni contenute nei messaggi stessi.

Capiamo bene che la codifica di canale se da un lato protegge le informazioni durante il viaggio, dall'altro appesantisce la trasmissione in quanto si aumenta il numero di bit da trasmettere per esempio un metodo contro gli errori potrebbe essere quello di inviare più volte lo stesso messaggio e in ricezione compararli.

Per ovviare al problema dell'appesantimento della trasmissione, sono stati studiati altri metodi di rivelazione e correzione degli errori. Generalmente esistono codifiche di canale che consentono di:

  • Rivelare la presenza d'errori senza procedere alla correzione.
  • Rivelare e correggere gli errori tramite la ritrasmissione dei dati errati.
  • Rivelare e correggere direttamente gli errori senza la ritrasmissione del messaggio.

I metodi di controllo si suddividono in due tipi:

    1. A.R.Q (Automatic repeat reQuest) 
    2. F.E.C (Forward Error Correction)

Il metodo ARQ si utilizza nella trasmissione di dati tra calcolatori; con questo metodo il ricevitore rivela gli errori nei blocchi di dati e colloquiando con il trasmettitore, richiede la ritrasmissione del blocco di bit errati. Elemento fondamentale per questo controllo è quello di disporre di un canale di comunicazione bidirezionale tra trasmettitore e ricevitore. In questo sistema, la rivelazione di errori è resa possibile da codici a blocco cioè il contenuto informativo del messaggio viene suddiviso in blocchi di una certa lunghezza; ogni singolo blocco viene inviato a un codificatore che lo analizza e effettua su di esso delle opportune operazioni il cui risultato è rappresentato da un certo numero di bit di controllo inserito nel blocco del messaggio. Ovviamente il ricevitore conosce le regole con le quali sono stati determinati i bit di controllo dal trasmettitore ed effettua le stesse operazioni quindi di conseguenza se il risultato ottenuto dal ricevitore è uguale a quello ottenuto dal trasmettitore, la trasmissione è avvenuta senza errori. Tra i metodi utilizzati per il controllo con il sistema ARQ, il più utilizzato  è il CRC ( Cyclic Redundancy Check) che è un metodo per determinare i bit di controllo da inserire in coda a un blocco di bit informativi.

Se il numero di bit totali generati da codificatore a blocco è "n" e i bit originari del blocco sono "k", allora il numero dei bit di controllo sono:

r = n - k

La determinazione del CRC cioè l'insieme dei bit di controllo generati dal codificatore, si basa su operazioni aritmetiche in binario le quali possono essere realizzate facilmente in hardware. Descriviamo in linea di principio la determinazione del CRC:

·        TRASMISSIONE

La sequenza di bit informativi presenti in un blocco di k bit viene considerata come un polinomio P(x) di grado k - 1. i bit di controllo rappresentano i coefficienti del polinomio e in corrispondenza di un bit zero si ha l'assenza del relativo termine del polinomio.

Per esempio al blocco di 6 bit 111011 è possibile associare il polinomio P(x) in questo modo:

1110111x5 + 1x4 + 1x3 + 0x2 + 1x1 + 1x0

P(x)= x5 + x4 + x3 + x +1




Si fissa il numero di bit "r" che costituiscono il CRC e si scegli un polinomio di grado "r", G(x) chiamato polinomio generatore. Per esempio imponendo r = 4 si deve scegliere un polinomio G(x) di quarto grado per esempio:

G(x)= x4 + x2 + 1  10101

Il polinomio G(x) è noto sia al trasmettitore che al ricevitore e non dipende dal codice informativo prodotto dalla sorgente. Si effettua a questo punto la divisione di P(x) per G(x). Dire divisione, significa anche dire effettuare un Exclusive Or tra i due polinomi quindi:

Si scarta il quoziente e si utilizzano come CRC i bit che costituiscono il resto R(x), i quali vengono accodati ai "k" di bit informativi.

·        RICEZIONE

Il ricevitore come abbiamo già detto conosce G(x) e quindi può dividere per esso il polinomio P(x) associato a blocco di bit ricevuto e confrontare se il resto che si ottiene è uguale a quello calcolato dal trasmettitore e inviato come CRC o meno. Naturalmente se il CRC calcolato dal ricevitore è uguale a quello inviato dal trasmettitore, possiamo dire che la trasmissione è avvenuta senza errori.

In definitiva un sistema che utilizza l'ARQ

·        IL TRASMETTITORE:

*      Suddivide il messaggio che riceve dalla sorgente in blocchi di "k" bit e memorizza ogni blocco prima della trasmissione

*      Calcola il CRC e lo accoda ai bit informativi del blocco e invia tutto sul canale

*      Attende la risposta del ricevitore.

·        IL RICEVITORE

*      Controlla la sequenza di bit ricevuti, verificandone la presenza di errori tramite il CRC

*      Se il controllo CRC dà esito positivo (non ci sono errori) inoltra i dati all'utilizzatore e invia al trasmettitore un riscontro positivo noto come ACK. Il trasmettitore una volta ricevuto il riscontro positivo dei blocchi giunti correttamente al ricevitore, provvede a cancellarli dalla sua memoria.

*      Se il controllo dà esito negativo (sono presenti degli errori) scarta il blocco contenente degli errori e invia al trasmettitore un riscontro negativo NACK. Il trasmettitore ricevendo il NACK provvede alla ritrasmissione dei blocchi giunti al ricevitore presentando degli errori.

Per quanto riguarda il problema dello scambio del riscontro e la ritrasmissione dei blocchi errati, possiamo trovare tre principali soluzioni ovvero:

¬     Stop and wait

È il metodo più semplice; il trasmettitore invia un blocco e prima di passare alla trasmissione di quello successivo, attende l'arrivo del riscontro del ricevitore. Se il risconto è un ACK passa alla trasmissione del blocco successivo eliminando dalla sua memoria quello precedente; mentre se il riscontro è NACK, ritrasmette lo stesso blocco. Il principale svantaggio di questo metodo è dato dalla sua lentezza.



¬     Go-back-N

Con questa tecnica il trasmettitore ha la possibilità di trasmettere in modo continuo un numero di bit massimo predefinito di blocchi consecutivi, senza attendere il riscontro. Un riscontro positivo, notifica la corretta ricezione di tutti i blocchi precedentemente inviati i quali possono essere cancellati dalla memoria del trasmettitore. Se invece giunge un riscontro negativo, relativo ad un certo blocco, il trasmettitore provvede a ritrasmettere i tutti i blocchi a partire da quello che ha causato l'errore. Questo metodo è più veloce del precedente ma richiede una quantità maggiore di memoria al trasmettitore in quanto deve memorizzare tutti i blocchi di cui non ha avuto ancora un riscontro.

¬     SELECTIVE RETRANSMISSION

Anche in questo ultimo caso si trasmettono blocchi continuamente, ma quando giunge un riscontro negativo, il trasmettitore provvede solo a ritrasmettere il blocco che presenta errori. Questo metodo è il più veloce di tutti però è anche il più complesso in quanto il ricevitore deve memorizzare e riordinare nella sequenza corretta i blocchi prima di fornirli all'utilizzatore. Infatti un blocco ritrasmesso, si troverà fuori sequenza rispetto agli altri e quindi va posizionato della giusta posizione per ricostruire il messaggio in modo  corretto.

Ma il metodo più utilizzato per effettuare la correzione degli errori è di tipo FEC(Forward Error Correction). Esso consiste essenzialmente in:

¬     Lato trasmissione si utilizza una particolare codifica di canale nota come codifica convoluzionale in cui i bit che vengono generati dal codificatore, dipendono non solo dal numero di bit presenti al suo ingresso in quell'istante, ma anche da un certo numero di bit precedenti.

¬     Lato ricezione si adotta un opportuno algoritmo di decodifica per permettere di effettuare la correzione degli errori; possiamo dire che in ricezione viene effettuata la decodifica guardando non solo al valore dei bit, ma anche al "contesto" in cui si inseriscono.

Un valido esempio potrebbe essere questo: una persona legge un testo e mentre lo legge, esaminando anche il contesto, riesce a correggere anche degli eventuali errori.

In un sistema che adotta la FEC vi è una sorgente digitale che genera bit informativi con una certa velocità Rs[bit/s], essi vengono codificati con una velocità di codifica R e in uscita dal codificatore si ottiene una sequenza binaria Rc[simboli/sec]. La velocità di codifica è data dal rapporto tra il numero di bit informativi e il numero di simboli codificati emessi dal codificatore, quindi:

Per esempio se la sorgente genera un flusso di bit a 4200 bit/s e il codificatore opera a una velocita di codifica R=1:2, allora il flusso di simboli emessi dal codificatore è pari a 8400 simboli/s.

Un codice convoluzionale può essere rappresentato tramite una struttura a  traliccio che può essere scandita secondo una convenzione, la quale determina la sequenza di bit codificati che si emette. Per esempio in figura è stata adottata la convenzione: ad ogni nodo del traliccio, un bit "0" in ingresso scegli il ramo indicato con la linea continua e un bit "1" sceglie il ramo rappresentato dalla linea tratteggiata ed in uscita si emettono le coppie di bit relative alle varie scelte.

Nella decodifica in line di principio si sfrutta la conoscenza della struttura a traliccio, ripetitiva, con la quale in trasmissione si ricava la sequenza da trasmettere. In pratica l'algoritmo di decodifica sceglie sul traliccio il percorso a cui corrisponde una sequenza di codice che minimizza la distanza dalla sequenza ricevuta cioè che differisce da quest'ultima per il numero di bit.

           

Notiamo che data la ripetitività della struttura non è necessario esaminare l'intera sequenza ricevuta per decidere la sequenza che con maggiore probabilità è stata trasmessa. Per esempio dalla figura è possibile notare che dopo il terzo ramo, si è già in grado di determinare quale tra le sequenze che portano al nodo A è stata inviata con maggiore probabilità.

Se la combinazione di bit che si valuta in un certo istante, non fa proseguire la scansione in modo corretto, significa che si è in presenza di errori; a questo punto si ricerca  la combinazione di bit che con maggiore probabilità è stata trasmessa adottando il criterio della minima distanza ( per distanza si intende il numero di simboli per cui le due sequenze differiscono). Si sceglie a questo punto la sequenza che rende minimo il numero di bit diversi tra la sequenza ricevuta e la sequenza derivante dalla scansione dei singoli percorsi.

In conclusione i vantaggi che offre la protezione di tipo FEC sono:

·        Non si deve inviare alcun riscontro al trasmettitore e quindi si possono usare canali unidirezionali.

·        Mantiene i ritardi costanti in quanto non deve ritrasmettere informazioni giunte con errori.







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