Problematiche a livello FISICO

I problemi tipici del collegamento intermedio TRASMETTITORE e RICEVITORE (non essendo pensabile, se non in particolari applicazioni, un collegamento riservato tra una sorgente ed ogni destinatario tra quelli ai quali si vorrebbe collegarla) sono quelli del TRASPORTO dell'informazione con CONDIVISIONE delle linee di trasmissione ed il problema della COMMUTAZIONE per creare, a richiesta, un contatto tra linea del chiamante (sorgente) e quella del chiamato (destinatario).

Quindi tre distinti problemi, quelli:

­ dell'associazione dell'OGGETTO SIMBOLICO (informazione) ad una grandezza fisica (SEGNALE) facilmente propagabile e rilevabile con semplici strumemti: si vuole migliorare l'uso del mezzo nel trasporto fisico. Tale problema si risolve con la modulazione; tale operazione di traslazione della frequenza realizza la compatibilita' con la banda del supporto prescelto (doppino telefonico, cavo coassiale, ponte radio, via satellite, fibra ottica) per trasportare a distanza l'informazione originariamente associata ad un segnale in banda base (corrente di un microfono o uscita di un circuito digitale).

­ dell'uso CONDIVISO delle stesse risorse fisiche cioe' il canale di trasmissione da parte di piu' canali logici. Tale problema trovera' soluzioni con una divisione in bande di frequenza (FDM) oppure con divisione del tempo (TDM).

­ della CONNESSIONE TEMPORANEA tra circuito trasmettitore e ricevitore che permette, a richiesta e per il tempo necessario, di mettere in contatto sorgente e destinatario al quale si vuole collegarsi o piu' in generale, tenendo conto anche della diversita' di tecniche, crea un canale di comunicazione attraverso la rete disponibile. Tali problemi di interconnessione tra terminali si risolvono con la tradizionale commutazione di circuito cioe' in divisione di spazio (SDM) attraverso centrali elettroniche, o in divisione di tempo (TDM) attraverso calcolatori che realizzano commutazione di messaggio o di pacchetto.

Il problema piu' attuale, poi, e' l'integrazione tra rete analogica (telefonica) e trasmissioni digitali nella prospettiva di ridurre l'impegno delle linee con facile distinguibilita' e ricostruibilita'(propria dei segnali digitali) e possibile sviluppo di reti di comunicazione tra colcolatori.

TECNICHE di MULTIPLESSAGGIO

Le tecniche di MULTIPLESSAGGIO, insieme a quelle di  modulazione, costituiscono la risposta ai problemi della condivisione di risorse trasmissive e del trasporto fisico dell'informazione.

Il volume di comunicazioni che una rete, come quella telefonica, deve supportare contemporaneamente e la necessita', dal punto di vista economico, di sfruttare appieno le caratteristiche (larghezza di banda) di un canale, portano alla soluzione di inviare simultaneamente piu' comunicazioni attraverso lo stesso canale finche' non se ne satura la capacita' di trasporto.

La condivisione della risorsa trasmissiva si realizza ripartendo opportunamente tra i diversi utenti simultanei una DIMENSIONE FISICA del canale.

 

"Multiplessaggio a divisione di frequenza"

Nel  campo delle comunicazioni analogiche, come quelle  telefoni che tradizionali,  la dimensione che viene ripartita e' la banda passante  del canale.   Questo  "multiplessaggio  a  divisione  di frequenza" (Frequency Division Multiplexing) si realizza dividendo la banda del canale in sottobande e destinando ciascuna di esse ad una diversa coppia sorgente-destinatario, che richieda l'uso del canale per la trasmissione dei propri segnali.

In figura, il multiplessaggio a divisione di frequenza  (FDM)  e' schematizzato come ripartizione della banda passante di un canale fisico in sottobande, ciascuna riservata ad uno dei canali logici da multiplessare e tra loro separate da una stretta banda di  sicurezza.

All'ingresso  del  canale,  il  sistema  di  multiplessaggio   e' costituito  da  una  batteria di "traslatori  di  frequenza"  (in pratica dei modulatori) che trasportano le frequenze della "banda base" del segnale nella sottobanda del canale ad esso riservata.

Tutti  i segnali cosi' ottenuti vengono sovrapposti  e  viaggiano insieme nel canale.

In uscita, il sistema di DEMULTIPLESSAGGIO, cioe' di  smistamento dei segnali appartenenti a diverse comunicazioni, e'  costituito da  filtri passabanda (uno per ogni sottobanda del canale)  e  da "traslatori di frequenza" con compiti opposti a quelli d'ingresso (in pratica dei demodulatori).

In  figura, il sistema di trasmissione multiplessato a  divisione di  frequenza prevede due fondamentali tipi di  dispositivi:  dei traslatori  di  frequenza  (Frequency  Shifter)  sia  in   salita (ingresso  al canale) che in discesa (uscita) e dei filtri  passa banda (FPB) per l'estrazione dal canale dei segnali delle rispettive sottobande.

In  un  sistema di multiplessaggio a divisione  di  frequenza  il filtraggio e' l'operazione piu' critica. I filtri devono  infatti lasciar  passare  la sottobanda desiderata  con  una  distorsione minima  e devono fornire un'elevata attenuazione  alle  frequenze adiacenti per eliminare le interferenze da esse provocate. In  pratica ci si aiuta separando le sottobande di frequenza  con bande di guardia che rendono meno difficile il progetto dei  filtri,  anche se cio' comporta una diminuzione della capacita'  del canale.

"Multiplessaggio a divisione di tempo"

L'altra  dimensione fisica del canale, che puo' essere  ripartita tra piu' utenze simultanee e' il TEMPO, che  puo' essere suddiviso in intervalli, ciascuno assegnabile ad un diverso collegamento tra quelli da multiplessare.

Nel "multiplessaggio a divisione di tempo" (Time Division  Multiplexing), la connessione al canale delle linee di trasmettitore e ricevitore avviene quindi periodicamente e per brevi intervalli.

In  figura,  il  multiplessaggio a divisione di  tempo  (TDM)  e' schematizzato  come ripartizione del tempo del canale fisico  per l'invio,  a  turno, dei campioni relativi a  tre  diversi  canali logici, intercalati da segnali di sincronismo (di quadro) per il rifasamento del demultiplexer d'uscita.

Il  multiplexer  che costituisce lo stadio d'ingresso  al  canale svolge,  nei  confronti  del singolo  segnale,  la  funzione  del "campionatore" e il segnale viaggiante nel canale risulta formato dalla  successione  dei campioni estratti a intervalli  dai  vari segnali  multiplessati. Dopo ogni "quadro" (o frame)  di  impulsi viene  intercalato  un  impulso di sincronismo  che  permette  al demultiplexer  d'uscita  di  funzionare  al  tempo  con  il   mux d'ingresso,  scandendo  le uscite alla stessa velocita'  con  cui vengono  scanditi gli ingressi. D'altra parte, per  diminuire  la criticita'  del sincronismo, evitando comunque  interferenze  tra campioni  contigui,  si  inviano  impulsi  di  durata   inferiore rispetto  all'intervallo di tempo disponibile, per  lasciare  tra loro un certo intervallo di separazione.

La  possibilita'  di  ricostruire fedelmente il  segnale  con  le informazioni originarie e' garantita dal teorema di campionamento (frequenza dei campioni almeno doppia rispetto a quella del segnale da campionare) ed  il filtro passa basso in uscita svolge la funzione di  pulire il segnale campionato dalle frequenze spurie introdotte dal  multiplexer-campionatore  (che  estraendo  campioni  da  un  segnale analogico  somma  componenti di frequenza  maggiore  della  banda originaria corrispondenti alla netta squadratura dell'impulso che viene  inviato nel canale) restituendogli lo spettro e quindi  la forma  originaria.  Un  sistema di comunicazione  TDM  ha  quindi l'architettura riportata in figura dove il sistema  multiplessato a divisione di tempo trasporta i segnali campionati dal multiplexer  e prevede quindi dei filtri in uscita per  la  ricostruzione dei segnali originali; il sincronismo tra mux e demux puo' essere realizzato con apposita linea o con opportuni segnali intercalati ai campioni trasmessi. Il teorema del campionamento e la possibilita' di multiplessaggio TDM si applicano anche a segnali di tipo digitale ed in questo caso la ricostruzione e' facilitata   dalla preconoscenza  dei limitati livelli con cui il segnale puo'  presentarsi. In fase di campionamento (sempre che non interessino le forme  dei  fronti  d'onda  cioe'  le  transizioni  alto-basso  e viceversa), la frequenza di campionamento non andra'  commisurata allo  spettro  (molto  ampio) del segnale  ad  onda  quadra  (che corrisponde  al caso peggiore dell'alternanza continua di 1 e  0) ma  alla sua frequenza fondamentale. La trasmissione  di  segnali digitali   in   forma  campionata  richiede   una  frequenza   di campionamento pari a quella di segnalazione (1) ed un dispositivo ricostruttore  in  grado di memorizzare l'ultimo impulso  per  la durata di un intervallo di segnalazione. E' facile intuire che il multiplessaggio TDM presenta dei vantaggi rispetto a  quello FDM, sia dal punto di vista economico che della flessibilita'.

I circuiti richiesti per il TDM sono piu'semplici e le loro  prestazioni  meno  critiche; inoltre l'inserimento o  l'eliminazione di una tra le linee multiplessate  richiede  solo  di  modificare la sequenza di conteggio con cui si indirizzano mux e demux.
(1)
Tempo di segnalazione: proprio di una sorgente che produce messaggi e cambia stato ad un ritmo costante; tempo di segnalazione sul canale: periodo di trasmissione di un livello logico.