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Giulio Brusasco

Mio programma in #4 lezioni – UNI3 2025-26�Introduzione ( light ☺ !) «alle reti» e «alla rete»

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#1) Generalità: le reti (primordiali, poi analogiche, poi digitali):

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• Cos’è una rete? Introduzione a trasmissione e commutazione (la rete? = 1 nuvola)
• Cosa c’è nella nuvola ?🡪 utenti, terminali, ‘fili’, commutatori, applicazioni
• Brevi richiami concettuali su segnali e bit
• La ‘vecchia’ rete telefonica in tecnologia sincrona «TDM»
• Servizi ? 🡪 1 solo 🡪 la Telefonia -> ‘la voce a distanza’ (e un pizzico di «dati» coi modem)
• Commutatori e multiplatori TDM

- Necessità di ‘segnalazione’ («protocolli») nelle reti (specie se digitali, tutte)

• Alcuni approfondimenti su aspetti trasmissivi su rame e fibre (rumore, capacità)

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#2 Internet, « la rete »: coi suoi ∞ servizi (incluso telefonare 🡪 VoIP )

• l’Architettura Internet (di solito indicata come TCP/IP, una semplificazione )
• Protocollo IP e Routers IP, DNS, Protocolli ‘di Trasporto’ e le loro ‘Porte’)
• Protocolli ‘Applicativi (SIP/SDP, RTP, HTML, HTTP, … ….) e relativi servizi offerti’

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• Sicurezza: Crittografia e Certificati
• SPID e CEI
• Due servizi ‘sicuri’ : FD e PEC

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a) Cos’è una rete? (la rete? = 1 nuvola)�

Rappresentazione a nuvola di una generica rete moderna: Telefonica, Radiomobile, Internet, …(non incluse le reti broadcast, TV ecc.) .

Sono basate su sistemi trasmissivi vari (es. reti broadcast, fili in rame, fibre, collegamenti wireless,…), terminali (fissi o mobili), commutatori (TDM o IP), nodi di servizio.

Maaa .. andiamo con ordine …

Cos’è una Rete ? – Gli inizi …

• Le più antiche reti usate dell’umanità per trasmettere informazioni erano fatte:

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• da Segnali di Fumo
• da Tam-Tam
• …

Ok!

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Le Telecomunicazioni (TLC) e l’informazione da scambiare

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Inizio delle telecomunicazioni “elettriche” ( 1856 ) :�col ‘telefono’ di Meucci, … “la voce scorre su 2 fili”

1856: invenzione del “telefono” dovuta ad Antonio Meucci (Firenze 13.4.1808 - Long Island 18.10.1889). 81 anni

"......queste alterazioni di corrente, trasmettendosi all'altro capo del filo, imprimono analoghe vibrazioni al diaframma ricevente, riproducendo la parola ".�(A. Meucci, 1857)

​

​

Nascono però i fili del telefono… (twisted-pairs, una coppia di 2 fili ritorti)

Il nome ‘tele-fono’ era appropriato🡪 un apparato trasmissivo, portava la fonia a distanza. Ma collegava un solo altro utente, gli mancava la commutazione.

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Talvolta i fili sorreggono i pali - ☹ -

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Post Meucci: inizia la commutazione

(si inizia con quella ‘manuale’) (poi si aggiungerà quella ‘automatica’ 🡪 ‘Autocommutatori’)

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Centralino manuale

Sandro

Giuliano

Paolo

Italo

Commutazione manuale: noi e il banco della centralinista

Pietro

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Se il “telefono” di Meucci era solo …“trasmissione”, con Strowger(1884 !) e poi Bell nasce dunque la “commutazione”.

E con questa (manuale e poi automatica) nascono le prime vere ‘reti’ (telefoniche).

commutazione

L’avvio della commutazione automatica non determinò la fine rapida di quella manuale.

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Giusto per ricordare: in Italia negli anni ‘50 – ’60 per chiamare ‘lontano’ bisognava parlare con un operatore nazionale ( centralino ) e dire chi si voleva chiamare. Questo chiamava manualmente un collega del posto remoto, che a suo volta chiamava l’utente.

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Per chiamare il centralino o si teneva la ‘cornetta’ alzata per un po’ senza selezionare o bisognava avere un telefono a manovella (o essere in una cabina telefonica pubblica e la si girava. Il centralinista vedeva una lucetta acendersi). Dopo aver parlato si chiudeva e si veniva da lui/lei richiamati se l’utente era stato trovato. Anche un’ora dopo.

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Poi si poté parlare anche all’estero e sempre ancora solo tramite operatori, chiamando il 15 o il 170. Fino a circa gli anni ‘80-90.

Dettagli sugli autocom. in slide successive

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Il selettore Strowger è azionato dagli impulsi elettrici inviati durante la rotazione del disco combinatore

Il selettore strowger

Nodo

Commutazione

urbano

1923: primo servizio interurbano automatico elettromeccanico in Europa (Siemens – Baviera)

Nodo

Commutazione

urbano

Nodo

Commutazione

urbano

Circuiti (canali)

di fonia e di

segnalazione

Il primo servizio interurbano automatico

Le centrali telefoniche (Nodi) di transito

Questa figura vale dal punto di vista concettuale per illustrare il concetto di «transito di commutazione», realizzato sia per le vecchie centrali analogiche e addirittura già anche in quelle elettromeccaniche, sia per le «odierne» reti telefoniche digitali TDM - PCM al momento ancora in funzione in Italia ma oramai poche e anche quelle ancora per poco, sostituite dalla tecnologia VoIP - Internet).

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Le centrali di transito non hanno utenti (che stanno solo sulle «locali»), possiamo dire che le transito abbiano come «utenti» proprio le centrali locali, permettendo così i collegamenti tra utenti telefonici attestati a nodi locali diversi (p.es., Paolo e Sandro)

Segnlazione di utente

​

e

​

Comandi (da Elaboratore)

Segnlazione di rete

​

e

​

Comandi (da Elaboratore)

comandi

fonia

fonia

Schema a blocchi di un autocommutatore TDM-PCM

If di utente

If di giunzione

S_ut

S_rete

giunzioni

«E1» verso altre centrali

1965: AT&T (Bell Labs) introduce la prima centrale di commutazione con controllo elettronico a programma registrato (SPC), denominata 1ESS (Succasunna, NJ – USA)

1976: sempre AT&T realizza la prima centrale completamente elettronica e digitale denominata 4ESS (Chicago, IL – USA )

Classificazione

Verso la commutazione “silente” finale : SPC e PCM

(quelle ancora oggi in servizio, sia pure in via di estinzione in Italia )

Legenda:

EM = elettromeccanico

EL = elettronico

SE = semielettronico

SPC = Storage Program Control (x elaboratore di comando)

​

D = digitale

«Oggi»: Autocommutatore Digitale (D), a divisione di tempo TDM, con modulazione digitale TDM-PCM, controllato tramite elaboratori elettronici e loro apposito software (SPC)

Senza relè, erano assai rumorosi

Giunzioni da e verso altri

Nodi di

commutazione

Le braccia e la mente di un autocommutatore SPC - PCM

S_ut

S_rete

Rossi

Bianchi

Riassumendo … ~ 120 anni di? -> commutazione di circuito

• Brevi richiami concettuali su segnali e bit

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Richiami - rappresentazione grafica di segnali (ad es. elettrici) che variano nel tempo …

Questa slide è un esercizio per leggerli, esercitiamoci a ‘leggerli’, ‘a vederli’

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Es.: vogliamo ‘vedere’ , leggere la nostra voce in viaggio nei fili di Meucci,

nel doppino telefonico …

La nostra voce nei fili di Meucci è diventata un segnale elettrico la cui ‘ampiezza’ è misurabile in Volt in qualunque punto a nostra scelta lungo il doppino.

Terminologia informatico-trasmissiva di base - Richiami

Un gruppo di 8 bit consecutivi forma «un Byte». ( I bit hanno un ordine: >>>>>>>> )

• Un Byte viene trasmesso trasmettendo ad uno ad uno, in ordine, i suoi 8 bit.

Vari Bytes in sequenza formano un «Pacchetto».

• Un pacchetto viene trasmesso trasmettendo ad uno ad uno, in ordine, i suoi vari Bytes.

Vari Pacchetti in sequenza (anche di lunghezze diverse) formano un «File».

• Un File viene trasmesso trasmettendo ad uno ad uno, in ordine, i Pacchetti in cui in cui è stato suddiviso (comunque sia stato spezzettato, a gusto di chi trasmette)
• Alla fine si trasmettono bit senza pause.

Quando «qualcosa» si trasmette, è importante la velocità.

• La “velocità” è “quanti bit riesco a trasmettere in 1 secondo”.
• Si parla di (Kilo bit, Kilo Byte, ... Mega Byte, … Giga Byte, Tera Byte, …) al secondo.
• Abbreviazioni (in Bytes) : KB/s, MB/s, GB/s, TB/s, …

(in bit) : Kbit/s, Mbit/s, Gbit/s, …

(16 Kbit/s = 2 KB/s ; 24.000 Kbit/s = 24 Mbit/s = 3 MB/s ; 2.000 MB/s = 2 GB/s, … )

I bit (Bytes) possono poi pure venir «memorizzati», su un disco, su una RAM, ecc., od elaborati da una CPU (un «processore»)

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1 Byte (8 bits)

​

​

​

​

1 Pacchetto

(6 Byte, 48 bit)

​

​

1 File

(3 Pacchetti)

​

(12 byte, 96 bit)

0/1

primo bit del Byte ad essere trasmesso

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BIT di cosa? Cosa raccontano?

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La fonia raccontata da bit PCM - come funziona «il PCM»?

Il termine PCM significa «Pulse Code Modulation», «modulazione digitale ad impulsi» ed è la modulazione digitale utilizzata per la telefonia negli autocommutatori digitali TDM PCM i cui «schemi a blocchi» sono in alcune slide precedenti.

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Questo standard fu inventato e specificato a inizio anni ‘70 dall’allora CCITT (poi diventato ITU-T, un organismo tecnico dell’ONU) e fu subito adottato a livello mondiale dai vari operatori di telefonia e costruttori di centrali funzionanti «a Divisione di Tempo» (TDM = Time Division Multiplex).

​

​

Così da metà anni ‘70 si poté telefonare con qualità digitale a livello mondiale.

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• Per esempio, due centrali TDM PCM poste una a Sidney e l’altra a Palermo collegate da uno o più circuiti «E1» si capiscono benissimo o come si suol dire «interoperano» senza problemi.

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• Separando perfettamente le loro successive fettine temporali (ciascuna dura 125 µsecondi !).

In particolare, queste centrali telefoniche digitali devono saper «affettare» = dividere il tempo in ‘fettine’ 8.000 volte al secondo: questo, deve essere fatto nelle interfacce (i/f) d’utente e giunzione e nelle reti di connessione.

La fonia raccontata da bit PCM - come funziona «il PCM»?

Il principio di realizzazione del PCM telefonico è quello del campionamento (v. la lezione di Maurizio Ardito). Applicato al caso della telefonia, si decise che i segnali fonici di interesse fossero limitabili e quindi venissero limitati ad una banda B = 4 KHz. B non è grandissima ma dà discreta qualità (per la telefonia).

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Nel PCM telefonico le fonie dei vari utenti sono campionate 8.000 volte al secondo (per il teorema di Shannon, B=4 KHz) e gli 8.000 campioni così ottenuti al secondo vengono «quantizzati» su 8 bit (1 Byte ) ciascuno.

​

Così in totale ogni fonia diventa un flusso continuo di 64.000 bit/s, ovvero 8.000 Byte/s, e questo per ciascun verso della fonia (A>B e A<B). In totale 2 *64kb/s per ogni telefonata.

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Nota: le centrali però non sono collegate con fili specifici (giunzioni) per ogni singola chiamata, ma il «filo/giunzione» che viene usato trasporta un «Flusso E1», dove 32 segnali a 64kb/s sono «multiplati» digitalmente da apparati detti «Multiplatori» (v. 1 slide successiva).

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Un E1 trasporta 2.048.000 bit/s ( = 32 fonie * 8.000 Byte/s * 8 bit)

Altro racconto: i Protocolli di Segnalazione

• I bit sono potenti. Abbiamo però anticipato che chi li riceve deve sapere che tipo di bit ( di pacchetti di bites ) sta per ricevere. Ad esempio:

​

• che si sta per ricevere un suono; e che tipo di codec è stato usato per codificare quel suono (MP3? G.711? AMR?, … ) ;

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• che si riceverà un testo; ma che alfabeto è stato usato ? (italiano, cinese, ASCII, …?);

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• che si sta per ricevere un video; con che codifica? (MPEG4, MPEG2, … ?).

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• Deve esistere dunque, prima di avviare qualsivoglia scambio di bytes utili per i vari servizi, una fase in cui due entità di rete devono scambiarsi dei pacchetti di segnalazione,

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• per informare (segnalare) che cosa di utile sarà trasmesso dopo, a forza di algidi “0/1” .

​

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I Protocolli di Segnalazione

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• Le regole per questo genere di scambi iniziali ( e finali ) di messaggi informativi tra macchine, segnalazioni, si chiamano “protocolli” di segnalazione.

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• Un protocollo di segnalazione specifica che messaggi si possono scambiare, e in che ordine e come sono fatti.

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• Il numero di distinti protocolli di segnalazione oggi usati nelle reti digitali (p.es., la rete telefonica) si misura a centinaia (per non dire a migliaia) !

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• Il protocollo di segnalazione più famoso per la gestione della telefonia digitale TDM si chiama ”ISUP”.

​

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28

Trattamento della «chiamata» a circuito. Segnalazione

CIC = circuito ‘fonico’ a 64 kbps. E1 un insieme di 32 CIC multiplati (in totale «.. è un 2 Megabit»).

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In realtà uno dei CIC non porta ‘fonia’ ma trasporta i byte di segnalazione. Di solito è il CIC numero 16.

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L1 L2 T1 T2 = Centrali Locali o di Transito che sono anche dei Signaling Point (SP ISUP)

I CIC di fonia ? 🡪 ciascuno trasporta una singola fonia digitale bidirezionale, tramite un flusso continuo di bit (64 kbit/s per ogni senso trasmissivo)

Un esempio di segnalazione: ISUP telefonica, usata nelle centrali SPC TDM

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un po’ di spiegazioni … Se osserviamo i nomi dei protocolli di segnalazione funzionanti in ogni centrale TDM vediamo che il software del mondo TDM PCM opera su 4 livelli : MTP 1-2-3 e ISUP.

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Il livello MTP 1 è quello che fisicamente trasmette e riceve e riconosce i bit dei messaggi di segnalazione (SS7) ,

ma non elabora niente. Trasmette o riceve 010101011 ….

Vediamo la ricezione: quando una sequenza di bit (trama) è ricevuta correttamente, per esempio 80 Bytes, questi sono passati al software MTP2.

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MTP2 controlla che la trama sia esente da errori trasmissivi e se è ok la passa al livello MTP3 (ma continua a non capirci niente).

Un esempio di segnalazione: ISUP telefonica, usata nelle centrali SPC TDM

il livello MTP3 capisce già un po’ più di telefonia. Capisce gli indirizzi ed i nomi delle centrali (OPC, DPC).

Se il messaggio è effettivamente quello relativo ad una chiamata (non è un messaggio di gestione della rete, o per segnalare guasti, ecc.), la passa al vero protocollo telefonico, l’ISUP, che è quello fondamentale, di livello 4, che gestisce il servizio telefonico ogni singola telefonata.

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NOTA: questi 4 livelli li troviamo anche nelle reti IP, ma in IP se ne contano sei o sette. Ogni livello ha il suo protocollo.

Esempio di chiamata con messaggi ISUP in rete fissa. Utenti A e B: ISDN

DSS1

ISUP

ISUP

DSS1

CL

CL

CT

A

B

Brevi richiami concettuali - Fine

b) La ‘vecchia’ rete telefonica in tecnologia sincrona «TDM»�- Servizi ? 🡪 1 solo 🡪 la Telefonia ->

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Da: Mondo Digitale, trimestrale di AICA. N. 2 giugno 2003

I fili vicino a casa nostra: in figura, la vecchia rete di accesso (rete di distribuzione) in rame.

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E’ ancora in servizio verso gli SGU, telefonia tradizionale, ma gli SGU destinati a sparire. Ma oggi servono ancona circa 1 milione o poco meno di utenti (TIM) per il solo servizio telefonico.

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I doppini resisteranno però ancora e non poco, usati infatti per le modulazioni xDSL (si usano le QAM)

Ma questo è tutto un altro mondo, quello IP, cioè quello dell’ accesso a Internet.

Casa

del cliente

Armadio

di distribuzione

Distributore

Rete secondaria

in trincea

(cavi bassa potenzialità)

Camerette

Giunto

Centrale Telecom

Sala muffole

Sala AF

Ripartitore

​

Rete primaria

in tubazione

(cavi alta potenzialità)

Cunicolo

Permutatore

Orizzontale

Verticale

muffole

Borchia

Altri sistemi

di linea

SGU/SL

Cavetto di

raccordo

​

Foto di un commutatore automatico, e digitale (SPC -TDM -PCM).

SGU - Stadio di Gruppo Urbano – Un commutatore automatico TDM

• Raccoglie l’utenza (tanti, 10.000 –100.000)
• Tassa/documenta
• Instrada automaticamente ogni chiamata verso la sua giusta destinazione
• Collegato ad altri SGU vicini e a 2 Centrali di transito (SGT) di sua competenza

Queste centrali nono automatiche ( e digitali ) sono state la base del servizio telefonico per 30 anni.

​

​

TDM , Time Division Multiplex , è il nome della loro tecnologia, digitale ma completamente diversa da quella delle macchine Internet.

L’autocommutatore TDM : «File, Armadi, Rack, schede»

Ad oggi ci sono ancora quasi 1 milione di utenti così serviti, ne sono ancora attivi alcuni (una cinquantina).

Analog Line Card – SGU Italtel UT100 – 16 utenti

Miracolo trasmissivo! ���Come si mandano tanti segnali digitali (PCM a 64 kbps) su un unico ‘filo’ ?����I Multiplatori sincroni TDM - PCM

Principio di funzionamento della multiplazione TDM sincrona per la telefonia digitalizzata

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In realtà i multiplex veri nel mercato europeo comprimono 32 ( e non 3 soli ) segnali digitali a 64 Kb/s (8.000 byte al secondo) e arriva ciascuno sul suo «filo» (p.es, un doppino ritorto); il Multiplatore genera in uscita, ma su un unico filo, gli stessi bit. Ma ciascuno però con durata = solo 1/32 del tempo originario. I bit di ogni byte sono stati «compressi» temporalmente. E quindi anche ogni gruppo di 8,ooo bytes.

​

Ma sono sempre quei 0 e 1. Il multiplatore ha dunque in input 32 segnali digitali a 64 kb/s, in uscita ne ha 1 solo, ma a 2,048 Mb/s. Si dice, nel gergo dei tecnici, «un 2 MByte» (altro nome: «un E1»).

​

Lo scherzetto si può ripetere con vari altri 2 Mb (E1) e così si arrivava magari agli E3 E4 (oltre 100 Mbit/s.)

Ma non all’infinito, perché il problema diventa saper «leggere» bit che durano meno di 1 miliardesimo di secondo, e inoltre per un fenomeno trasmissivo noto come «interferenza inter-simbolica», i bit si accavallano.

Sincronizzazione TDM

Sincronizzazione ( … gli orologi elettronici danno … il ritmo alla rete)

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• Un requisito fondamentale per il funzionamento delle reti digitali TDM è la loro perfetta sincronizzazione. Reti sincrone.
• Tutte le centrali digitali TDM del mondo devono saper dividere ogni loro secondo in 8.000 parti uguali
• (ciascuna delle quali dunque dura solo 125 milionesimi di secondo).
• Questo tempo di 125 μSecondi (Trama PCM) è ulteriormente suddiviso in ciascuna centrale in 32 fettine di poco meno di 4 μSec ciascuna (4 milionesimi di secondo).

Sistemi trasmissivi su rame e fibra

c) Alcuni approfondimenti su aspetti trasmissivi su rame e fibre (rumore, capacità)

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Tx

Rx

cavo

UI

M

u

x

D

e

m

10100101

10100101

Cavi a Coppie Simmetriche Ritorte,

Cavi a Coppie Coassiali,

Cavi a Fibre Ottiche,

Collegamenti Radio

I vari tipi di sistemi trasmissivi fisici (fili e non fili)

Conduttori in rame Ø 0,4-0,6-0,9 mm

Cavo con fibre

Ponte Radio

Schema (ultra)semplificato di un sistema trasmissivo

Canale

fisico

Terminale

di

ricezione

+

Rumore che degrada il segnale

Terminale

di

trasmissione

Attenuazione ( ) della potenza del segnale

Domanda: come trasmettere i “bit” sui doppini ?

Es. … nei doppini in rame

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Soluzioni concrete: alcuni esempi di modi di trasmissione di bit

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Modulazioni digitali

​

​

Sono codificazioni.

Servono a trasmettere fisicamente l’informazione digitale,

cioè i 2 simboli logici «0» e «1» (i bit)

​

Ogni bit «0» o «1» da trasmettere viene inviato trasmettendo un segnale elettrico predeterminato con una forma d’onda stabilita. In ricezione si fa il contrario, osservando la forma di quello che si sta ricevendo si può memorizzare in memoria che bit si sta ricevendo, se uno «0» o un «1»

​

Esempio 1 di trasmissione di bit (3 tecniche) : trasmissione bit “in banda traslata”

Modulatore

Numerico

43

Questa figura ci illustra come i bit (0/1), simboli logici, vengono fisicamente trasmessi usando segnali fisici (onde elettriche, o meglio, elettromagnetiche). I bit vengono ‘modulati’.

Una certa frequenza

ASK = Amplitude Keying = Modulazione di Ampiezza

FSK = Frequency Keying = Modulazione di Frequenza

PSK= Phase Keying = Modulazione di Fase

Esempio 2 di trasmissioni, un metodo molto importante: le modulazioni xQAM

Mod.

Num.

Segnale digitale modulante

L’esempio si riferisce ad una modulazione “16QAM”, cioè 16 possibili combinazioni di ampiezza e fase di una data portante di frequenza f_{0 .} Ad ogni colpo si comunicano 4 bit.

​

La QAM è dunque un … misto di ASK e PSK

Con le tecniche QAM ogni opportuno raggruppamento (di 2, 3, 4, 8, 16, … N bit) del segnale utile (modulante) determina una combinazione trasmissiva (di Ampiezza e Fase) del segnale fisico che viene trasmesso alla frequenza portante.

​

Questa frequenza ( f₀ ) rimane sostanzialmente costante durante tutta la trasmissione dei vari raggruppamenti di bit …

frequenza f₀

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Nota: la modulazione PCM è un’altra tecnica ancora, quella usata da tutti gli autocommutatori TDM SPC

Quando trasmettiamo il “rumore” ci guasta la festa?

• Abbiamo visto che per trasmettere dei bit occorre usare “modulazioni digitali”.

​

• Ad esempio, con modulazioni «QAM» e un «canale fisico» con una larghezza di banda ( “B” ) … trasferiremo elettricamente bene i nostri bit 0/1.

​

• Ma quanti bit al secondo? E li riceviamo giusti ?

​

• Per un qualunque sistema trasmissivo digitale la massima capacità informativa trasferibile su quel canale è C_max . Questa è data dalla «formula di Shannon»:

​

C_max = B ∙ log₂(1+SNR)

​

dove B è la «larghezza di banda (in Hz)» del canale fisico - e il termine «SNR» indica il suo Rapporto Segnale / Rumore.

Questa formula ci dice dunque quanti bit al secondo al massimo potremo ricevere esatti, usando una codificazione perfetta.

(La famiglia QAM è ottima ma non è perfetta.

Shannon non ha progettato quella perfetta, ha ipotizzato che una ci sia.

Era un matematico non un fisico o un ingegnere ☺)

Nota: La base «2» del logaritmo (log) serve ad avere la capacità C in bit ( bit/s)

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Il “rumore” ci guasta la festa ? Sì

Se non ci fosse il rumore anche un canalino strettissimo permetterebbe di trasferire infiniti bit al secondo …

​

Per es, un canale «largo 1 solo Hertz» potrebbe trasferire 1.000 Gigabit/s e oltre …

​

​

• E’ facile convincersene, magari con un ragionamento un po’ al limite ☹ :

​

• Usiamo ad es. una «modulazione» dell’ ampiezza di una portante fisica sinusoidale (una certa frequenza, un onda monocromatica).
• Ci trasmettiamo sopra via via innumerevoli specifici segnali (sinusoidali) di ampiezze distinte:

🡪 sarebbero distinguibili, in assenza di rumore (R), perché R=0 e SNR sarebbe 🡪 infinito

e infinito pure il logaritmo (Shannon) Quindi C_max = infinita .

​

Questo - per disgrazia - o per fortuna - non riusciremo mai a farlo, per 2 ragioni distinte ☹ ☺ ;

1) Il limite di Shannon ( C_max ) … è un limite teorico: Il rumore c’è sempre ☹

2) Limite pratico: (forse) non riusciremmo (mai) a «misurare esattamente» quelle innumerevoli differenti ampiezze per memorizzarle , ecc.,

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Sistemi trasmissivi in fibra ottica

Le fibre ottiche hanno bande «B» grandissime e sono sostanzialmente quasi immuni da rumore elettromagnetico (questo è una caratteristica dei sistemi elettrici, dove le onde elettromagnetiche inducono disturbi significativi, alias rumore, cosa che aveva motivato Shannon nei suoi anni a studiare la cosa).

Il suo teorema C_max = B ∙ log₂(1+SNR) vale ovviamente anche per le fibre, ma è poco utile, salvo dirci che col rumore «zero» la fibra «trasporterà infiniti bit/s».

​

Le fibre hanno altri limiti però: l’attenuazione e la distorsione modale e cromatica. Ne accennerò solo a voce.

​

Per concludere questa slide sui sistemi trasmissivi vediamo cos’è una fibra e come lavora.

47

L’utilizzo delle fibre ottiche come ottimo sistema trasmissivo

Fisica di base sulle fibre ottiche

51

Credits: slide originali di Sandro Pileri

La luce … e la fibra

52

Ultravioletto

Infrarosso

1260 nm

400nm

750THz

1500 THz

200 nm

750nm

450THz

1625 nm

Visibile

Att. dB / km

1

2

3

4

850 nm

I finestra

1330 nm

II finestra

1550 nm

III finestra

0,25

Lunghezza

D’onda (nm)

DWDM

Single

wavelength

EDFA

Radio

Picco di assorbimento

Dell’acqua (OH^-)

L’antesignano

“La luce viene convogliata all’interno del rivolo d’acqua grazie al fenomeno della riflessione totale visto che l’indice di rifrazione dell’acqua è maggiore di quello dell’aria”

John Tyndall, 1863

53

http://www.beyonddiscovery.org/Includes/Dialogs/ExternalLink.asp?ID=&URL=http%3A//www.sff.net/people/Jeff.Hecht/chron.html

Il padre delle Fibre Ottiche

Nel 1965, Charles K. Kao e George A. Hockam dimostrarono che l’attenuazione delle fibre di vetro poteva essere ridotta da 1000 dB/km a meno di 20 dB/km. (da 10¹⁰⁰ volte/km a 100 volte/km)

54

Charles A. Kao è stato insignito del Nobel per la fisica nel 2009:

“For groundbreaking achievements concerning the trasmission of light in fibers for optical communications”

Attualmente l’attenuazione è 0.2 dB/km (0.05 volte/km)

54

La fibra ottica - Propagazione

55

55

La fibra ottica - Dimensioni

56

Mantello

Nucleo

Rivestimento

primario

250 μm

125 μm

Diametro del nucleo:

Multimodo 50 μm ÷ 62.5 μm

Monomodo <10 μm

56

Fibre multimodali e monomodali

57

57

Attenuazione delle fibre ottiche

• L’attenuazione delle fibre ottiche è dovuta a due fenomeni fondamentali:
• La diffusione della luce nel materiale vetroso
• L’assorbimento della luce da parte del vetro e delle eventuali impurità

58

• La diffusione della luce nel vetro è analoga a quella della luce solare nell’atmosfera (diffusione di Rayleigh)

58

Dispersione (distorsione) cromatica

59

Le varie lambda (le frequenze) si propagano a velocità diversa

Interferenza intersimbolica 🡪 Limitazione del bit rate

60

END

Buon Natale e Buon Anno Nuovo !

Internet

62

63

Approfondimenti

64

Il diametro di campo modale

65

65

Ma come si trasmettono fisicamente i bits (0… 1…) nei fili elettrici o nelle fibre ?

Esempio: la strana onda elettromagnetica qui «disegnata» trasporta, con ampiezze questi 24 bit ( in 8 successivi cicli trasmissivi : le diverse forme ricevute le associamo a dei bit, questa semplificando un poco è la chiave per capire)

​

Sto ricevendo 🡪 001 010 100 011 101 000 011 110

​

Se la frequenza dei cicli qui ipotizzata fosse ad es. di 1 ciclo ogni μsec il tutto durerebbe 🡪 8μS ( 8 milionesimi di sec.)

Nota: 24 bit in 8 μS ? 🡪 questa modulazione sarebbe «abbastanza buona»: 🡪 consentirebbe una velocità di trasmissione digitale di (24/8) = 3Mb/s

Le «modulazioni digitali» codificano i singoli bit, o gruppi di bit, di nuovo in forma di segnali fisici elettrici, o ottici, che sono i soli che fisicamente possono viaggiare nei «fili», «irradiati», ecc.

Tempo (μS)

cicli: 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | . . .

Volt

(Modulazioni digitali simili a questa, p.es. quelle di tipo “QAM”, sono oggi usate nel xDSL e ~nei nostri telefonini )…

H i ! H o w a r e y o u ?

Le codifiche che usiamo ogni giorno sono molte.� (molte di più di quanto non ci sembri a prima vista; e anche di tipi diversi).

C i a o ! C o m e s t a i ?

Comunichiamo ( = trasferiamo informazione codificata ).

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1. L’informazione è ( ancora ) codificata con dei “segni”
2. Trasmettiamo ( ancora ) questi “segni”. Che segni?

- suoni fisici (onde) in aria, - caratteri testuali in un dato linguaggio (sms, chat, libri), - immagini fissate su pellicola, - segnali elettrici “analogici”, … , … , - segnali elettrici “digitali”.

SMS (caratteri)

Voci/suoni

Immagini in movimento,

Fotogrammi chimici, su pellicola

( Comunicazione,… con problemi di codifica ! ! )

a o e _? …

codifica analogica elettrica

codifica digitale QAM

Attenuazione: andamento teorico

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Attenuazione: evoluzione e confronto con doppino

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Ma sono due scale di frequenza completamente diverse!!!!

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Esempio: 1.5 μm = 200.000 GHz!!!!!

1 km di doppino da 0,4 mm a 80 kHz attenua 8 dB, cioè circa 6,34 volte

1 km di FO a 1,5 μm a 200.000 GHz attenua 0,2 dB, cioè circa 1,02 volte

Doppino

Fibra ottica

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I modi di propagazione

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Periodo, frequenza, lambda, indice

• Frequenza:
• numero di cicli al secondo����

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• Lunghezza d’onda:
• Spazio percorso nel vuoto in un tempo T

​

​

​

• Indice di rifrazione:
• Rapporto tra la velocità nel vuoto e quella nel vetro

​

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-2

-1

0

1

2

tempo

ampiezza

Ampiezza Massima, V_M

Periodo, T

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Il decibel/km e il dBm (tenerla?)

• Decibel/km è l’unità di misura logaritmica dell’attenuazione di 1 km di linea (in rame o in FO)

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• Nel caso delle FO, dette P_i e P_u le potenze ottiche rispettivamente all’inizio e alla fine di 1 km di fibra, si ha:

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Attenuazione in grandezza logaritmica (decibel) = 10 log₁₀ (P_i/P_u) [dB/km]

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Es.: Pi = 10 mW, Pu = 5 mW 🡪 a = 10 log₁₀ (10/5) = 3 dB; si dice anche che ‘la potenza di uscita è 3 dB sotto la potenza di ingresso’

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• Il dBm esprime in unità logaritmiche una potenza riferita al mW; se P è una potenza espressa in mW, in dBm vale:

10log₁₀ (P) [dBm]

Es: P= 100mW 🡪 20 dBm, P=1 W 🡪 30 dBm, P=1 mW 🡪 0 dBm

​

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Ma cos’è l’ “informazione digitale” ?��Cosa sono i “bit”, cosa sono le “reti” digitali.��Come “viaggiano” i “bit” nelle “reti”.��Cosa di utile rappresentano i “bit”

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La digitalizzazione delle sorgenti analogiche

• Meucci e Bell erano … «analogici» (… Marconi, anche).

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• Le reti “di oggi” invece sono «digitali»:

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• si partì dall’idea (~ 1930) che, quando un’ informazione da veicolare è analogica …
• (per esempio, la fonia da un microfono, o la pellicola di un vecchio film),

… si può effettuare una sua digitalizzazione .

• La digitalizzazione trasforma l’informazione analogica originaria, qualunque essa sia (voce, immagine, ecc.) …
• … in sequenze di bit … ad esempio bit (o Bytes) - magari messi in “pacchetti IP”.

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• Dopo questo passaggio … “tutto diventa numero” ( digit ~ cifra ~ numero ):

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• Notare: i “dati”, p.es. un file, sono già digitali in partenza ;
• un testo scritto è facilmente digitalizzabile ;
• …

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• Così, abbiamo un’unica rete, digitale, binaria (0/1), che trasporta tutto.

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La digitalizzazione, come codifica universale.

La tecnica digitale è la più potente e versatile forma di codifica tra quelle finora inventate ! Bit che poi si trasmetteranno, si memorizzeranno, elaboreranno, ecc.

Infatti, con 2 soli ‘segni logici’ ( che chiamiamo convenzionalmente “0” “1” ), possiamo codificare ( e quindi raccontare ) tutto.

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​

Esempio 1 (i testi) ( in qualunque «alfabeto»: in questo esempio, quello « ASCII », 1 byte per carattere )

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“c i a o” 01100011 01101001 01100001 01101111

c i a o

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Esempio 2 (la voce, il suono) ( sarebbe o stesso per il video )

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​

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Esempio 3 (i numeri )

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“13” → …001101 “77” → ...001001101 “4” → …000100 “0” → …0000 ; “1” → ...00001

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​

​

🡪 Trasmetteremo sempre e solo “zeri e uni” sui nostri fili di rame, sulle fibre, ecc.

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… 00110001111000101111011010011100110010000010101001 …

Però, chi riceve deve sapere che tipi di “0/1” sta per ricevere ( cosa è stato codificato ! )

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testo ? numeri ? voce ? video ? foto ? mail ? file ? … … …

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Se non lo sa, non saprebbe cosa quegli 0/1 vogliono rappresentare (e non saprebbe cosa farsene)

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