Codifica di linea

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Stesura preliminare

La codifica di linea ha il compito di generare un segnale digitale con un formato adatto alla trasmissione con uno specifico mezzo trasmissivo.

In questa pagina sarà trattato il caso di trasmissione su una singola linea metallica. spesso chiamata trasmissione in banda base; le codifiche per l'uso in banda traslata sono trattate nella pagina Modulazioni.

Il termine codifica non ha, in questo contesto, nulla a che fare con l'immagine di apertura.

Scenario ed obbiettivi

Al fine di usare una singola linea di trasmissione, è necessario che i bit che costituiscono l'informazione vengano trasmessi in modo seriale, cioè uno alla volta. Alcuni protocolli iniziano la trasmissione dal MSB (Most Significant Bit, bit di sinistra), altri dal LSB (Least Significant Bit, bit di destra).

In genere nelle comunicazioni a distanza è assente una linea dedicata alla trasmissione del clock e quindi occorre individuare altre procedure per sincronizzare trasmettitore e ricevitore. Un sistema di comunicazione privo di segnale di clock "dedicato" è spesso indicato come asincrono.

In genere per le trasmissioni a distanza il segnale è differenziale e la linea di trasmissione è costituita da una coppia bilanciata (doppino, coppia ritorta o twisted pair). Uno dei due conduttori trasmette una tensione, l'altro una tensione cambiata di segno e l'aspetto significativo è la differenza di potenziale tra i due conduttori; non è presente un riferimento a massa. Qui la motivazione e un circuito esemplificativo reale e relative forme d'onda

Tre i requisiti che, in molti casi sono, sono richiesti:

Una qualunque sequenza di bit dovrebbe avere valor medio nullo o perlomeno costante. Questa caratteristica permette al segnale di attraversare componenti funzionanti solo con tensioni alternate, quali i trasformatori e gli accoppiamenti capacitivi
Il ricevitore dovrebbe facilmente sincronizzarsi con il trasmettitore, permettendo il riconoscimento dell'inizio e della fine di ciascun bit
Dovrebbe essere agevole il riconoscimento della presenza o meno di segnali trasmessi

Definizioni

La comunicazione può avvenire secondo tre modalità:

Simplex: un dispositivo trasmette (TX), un altro riceve (RX). Si tratta quindi di una comunicazione unidirezionale
Full-duplex: due dispositivi si scambiano informazione nei due versi contemporaneamente. La soluzione più semplice è quella di usare due linee, una per trasmettere ed una per ricevere, ma quando possibile si usano tecniche meno dispendiose quale la cancellazione d'eco
Half-duplex: due dispositivi si scambiano informazione nei due versi non contemporaneamente

I codici fanno uso di almeno due simboli e possono essere:

Binari: ciascun simbolo trasmesso rappresenta un singolo bit, codifica tipicamente usate nei sistemi digitali ordinati dove 0 e 1 sono rappresentati da una tensione bassa ed una alta
Multilivello: un simbolo rappresenta più di un bit. Per esempio ciascuno dei 128 simboli del codice ASCII rappresenta 7 bit
Preudo-ternari (o, in genere, pseudo-multilivello): un simbolo rappresenta un singolo bit, ma esistono più di due simboli

Codifiche NRZ

La codifica NRZ (Non Return to Zero) è quella forse più intuitiva: i due bit zero e uno sono codificati rispettivamente come una tensione bassa ed una tensione alta (o viceversa). Questi bit hanno tutti la stessa durata, indicata come tempo di bit o tempo di simbolo.

L'inverso del tempo di bit indica quanti bit sono trasmessi in un secondo ed è indicato come bit rate; si misura in bit/s (o anche bps).

L'inverso del tempo di simbolo indica quanti simboli sono trasmessi in un secondo ed è indicato come symbol rate; si misura in baud (o anche simboli al secondo). Nel caso di segnali NRZ bit rate e symbol rate coincidono numericamente.

NRZ

Questa codifica ha diversi problemi, evidenti in una trasmissione a lunga distanza:

Impossibile distinguere una lunga sequenza di 0 o di 1 dall'assenza di segnali
Impossibile estrarre il clock in quanto non presente nello spettro. Per questo la durata del bit deve essere costante e nota sia al trasmettitore che al ricevitore
Il valor medio della tensione dipende dalla sequenza dei bit; non è quindi possibile riconoscere il valore di un bit confrontando la tensione istantanea con la tensione media

Esistono numerose varianti di NRZ che cercano di risolvere parzialmente questi problemi:

NRZI (NRZ inverted): un bit uno è codificato come cambiamento del livello, un bit zero come mantenimento del livello

NRZI

RZ (Return to Zero): ciascun bit è codificato per metà tempo come livello alto o basso e per metà tempo sempre come livello basso

Manchester: zero ed uno vengono codificati rispettivamente come fronte di discesa e fronte di salita al centro del bit (nota 1).

Manchester

Codifiche mB-nB

Questa codifica è relativa non al singolo bit, ma ad un gruppo m di bit (nota 2); essi vengono codificati un un gruppo di n bit (n > m).

La seguente tabella mostra un esempio, non reale, di una ipotetica codifica 3B-4B

Bit non codificati	Codifica 3B-4B
0 0 0	0 0 1 1
0 0 1	0 1 1 0
0 1 0	1 1 0 0
0 1 1	1 0 0 1
1 0 0	0 1 0 1
1 0 1	1 0 1 0
1 1 0	1 0 0 0
1 1 1	0 1 1 1

Le codifiche mancanti nella seconda colonna possono essere usate:

come caratteri di controllo: per esempio per identificare l'inizio del frame
per il controllo degli errori, per esempio nelle codifiche FEC
per bilanciare il numeri di 0 ed 1 al fine di mantenere costante il valor medio (non in questo esempio)
per avere un numero minimo di transizioni tra 0 e 1 in un certo intervallo di tempo e quindi identificare l'assenza di trasmissione
come tecnica di scrambling

Esempi reali sono 4B-5B, 8B-10B e 4B-6B

Codifiche multilivello

Le codifiche multilivello associano a ciascun gruppo di bit una diversa tensione. Per esempio una ipotetica codifica a quattro livelli (PAM-4) permette di codificare 2 bit con un solo livello di tensione, secondo la seguente tabella:

Bit	Simbolo
0 0	-3 V
0 1	-1 V
1 0	1 V
1 1	3 V

PAM-4

Lo scopo delle codifiche multilivello è quello di trasmettere più bit con un solo simbolo e quindi aumentare il bit rate senza trasmettere i simboli più velocemente.

Per i segnali multilivello la velocità di trasmissione è numericamente diversa se misurata in bps o baud. Per esempio, in riferimento al precedente esempio, se vengono trasmessi 1 000 simboli in un secondo, la velocità è di:

1 000 baud (1 000 simboli al secondo)
2 000 bps (2 000 b/s), cioè il doppio del valore precedente. Infatti ciascun simbolo codifica due bit

Esempi reali sono PAM-5 usato nella 1000BASE-T e PAM-16, usato nella 10GBASE-T, rispettivamente a 5 e 16 livelli di tensione (nota 3).

Il numero di livelli non può crescere all'infinito in quanto, a causa del rumore livelli troppo vicini possono essere confusi, causando errori di trasmissione. In particolare non è ovviamente possibile andare oltre la capacità di canale.

Note

Tale tecnica fu adottata nell'ultimo decennio del secolo scorso come codifica di linea per le reti locali Ethernet a 10 Mbit/s, oggi decisamente obsoleta.
Per questo motivo a volte è indicata come pre-codifica mB-nB
PAM 5 e PAM 15 codificano rispettivamente 2 e 3.125 bit per simbolo. I rimanenti simboli sono usati per la correzione degli errori

Pagina creata nel novembre 2021
Ultima modifica: 25 novembre 2021