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18. Appendice A: Come funzionano i Modem (tecnica) (non finita)

18.1 La modulazione nei dettagli

Introduzione alla modulazione

La modulazione è la conversione di un segnale digitale rappresentato da bit binari (0 o 1) in un segnale analogico che potrebbe assomigliare ad un onda sinusoidale. Il segnale modulato consiste in un segnale di un onda sinusoidale pura "portante" che è modificata per veicolare informazioni. Un'onda portante sinusoidale pura, non cambiando in frequenza e voltaggio, non genera un flusso di informazioni (ad eccezione del fatto che sia presente una portante). Per fare convogliare le informazioni modifichiamo (o moduliamo) questa portante. Ci sono 3 tipi principali di modulazione: frequenza, ampiezza e fase. Verranno di seguito spiegate.

Modulazione di frequenza

Il più semplice metodo di modulazione è la modulazione di frequenza. La frequenza è misurata in cicli per secondo (di un'onda sinusoidale). È il conto del numero di volte in cui la forma dell'onda sinusoidale ripete se stessa in un secondo. È la stessa cosa del numero di volte che raggiunge il valore più alto in un secondo. La parola "Hertz" (abbreviato Hz) viene usato per intendere "cicli per secondo".

Un semplice esempio di modulazione di frequenza è dove una frequenza significa uno 0 binario ed un'altra significa 1. Ad esempio, per alcuni modem obsoleti da 300 baud, 1070 Hz significa uno 0 binario mentre 1270 Hz significa un 1 binario. Questo viene chiamato "Frequency shift keying". Invece di solo due possibili frequenze, se ne potrebbero usare di più per consentire la trasmissione di più informazioni. Se abbiamo 4 differenti frequenze (che chiameremo A, B, C, e D), allora ognuna di queste potrebbe supportare un paio di bit. Ad esempio per inviare 00 si dovrebbe usare la frequenza A. Per inviare un 01, usiamo la frequenza B, per 10 usiamo C, per 11 usiamo D. In questo modo, usando 8 frequenze differenti potremo inviare 3 bit per ogni cambiamento di frequenza. Ogni volta che raddoppiamo il numero delle frequenze possibili, incrementiamo il numero di bit che possiamo rappresentare di 1.

Modulazione di ampiezza

Una volta capito l'esempio della modulazione di frequenza sopra indicato, incluso le possibilità di rappresentare alcuni bit tramite un singolo spostamento nella frequenza, è facile capire sia la modulazione di ampiezza e la modulazione di fase. Per modulazione di ampiezza basta cambiare l'altezza (voltaggio) dell'onda sinusoidale equivalente per cambiare la frequenza dell'onda sinusoidale. Per un caso semplice ci potrebbero essere solo 2 livelli di ampiezza consentiti, una rappresentato da un bit 0 e l'altro rappresentato da un bit 1. Come spiegato per il caso della modulazione di frequenza, l'avere diverse possibili ampiezze risulterà in maggiori informazioni che si trasmettono per cambiamento in ampiezza.

Modulazione di fase

Per cambiare la modulazione di fase di un onda sinusoidale in un certo perido di tempo, dobbiamo smettere di inviare questa vecchia onda sinusoidale ed immediatamente iniziare ad inviare una nuova onda sinusoidale della stessa frequenza ed ampiezza. Se iniziamo ad inviare la nuova onda sinusoidale allo stesso livello di voltaggio (e con la stessa pendenza) presente quando abbiamo interrotto l'invio della vecchia onda sinusoidale, non ci sarà nessun cambio di fase (e nessun cambio identificabile in assoluto). Ma supponiamo di avere iniziato la nuova onda sinusoidale ad un differente punto della curva dell'onda sinusoidale. Si dovrebbe probabilmente verificare un improvviso sbalzo di voltaggio al punto temporale dove la vecchia onda sinusoidale si è fermata ed è iniziata la nuova. Questo è uno spostamento di fase ed è misurato in gradi (deg.) Uno spostamento di fase di deg 0 (o di deg 360) significa nessun cambiamento in assoluto, mentre uno spostamento di fase di 180 inverte il voltaggio (e pendenza) dell'onda sinusoidale. Rendendolo in altri termini, uno spostamento di fase di 180 deg semplicemente salta in avanti di un mezzo periodo (180 deg) al punto di transizione. Naturalmente si potrebbe saltare di, diciamo, 90 deg o 135 deg. Così come nell'esempio della modulazione di frequenza, maggiori sono i possibili spostamenti di fase, maggiori bit possono essere rappresentati da un singolo spostamento di fase.

Modulazione combinata

Invece di selezionare semplicemente sia la frequenza, l'ampiezza o la modulazione di fase, possiamo scegliere di combinare i metodi di modulazione. Supponiamo di avere 256 frequenze possibili, quindi possiamo trasmettere un byte (8 bit) per ogni spostamento di frequenza (visto che 2 elevato alla 8 equivale a 256). Supponiamo anche di avere altre 256 differenti ampiezze così che ogni spostamento in ampiezza rappresenti un byte. Supponiamo anche che ci siano 256 spostamenti di fase possibili. Poi in un certo momento vogliamo fare uno spostamento in tutte e 3: frequenza, ampiezza e fase. Questo significherebbe spedire 3 byte per ognuna di queste transazioni.

Nessun metodo di modulazione in uso oggi fa veramente questo. Non è pratico a causa del tempo relativamente lungo che occorrerebbe per rilevare tutti i 3 tipi di cambiamento. Il problema principale è che frequenti cambi di fase possono far sembrare che sia accaduto un cambio in frequenza laddove in realtà non è successo.

Per evitare questi problemi si potrebbe cambiare simultaneamente solo la fase e l'ampiezza (senza nessun cambio di frequenza). Questa viene chiamata modulazione di fase-ampiezza (qualche volta chiamata anche "quadrature amplitude modulation" = QAM). Questo metodo è usato per le comuni velocità dei modem di 14,4k, 28.8k, e 33.6k. Il solo caso significativo dove questo metodo di modulazione non viene oggi usato è per i modem a 56k. Ma anche i modem a 56k usano esclusivamente QAM (modulazione di fase-ampiezza) nella direzione dal vostro PC in uscita verso la linea telefonica. Qualche volta anche nell'altra direzione si ritorna alla modulazione QAM quando le condizioni della linea non sono sufficientemente buone. Quindi QAM (modulazione di fase-ampiezza ) rimane ancora il metodo più largamente usato nelle ordinarie linee telefoniche.

Modem 56k (v.90)

Il metodo di modulazione usato sopra i 33.6k è completamente diverso dalla comune modulazione fase-ampiezza. Visto che le chiamate telefoniche ordinarie sono convertite in segnali digitali nelle centraline locali della compagnia telefonica, la velocità più elevata con la quale si possono spedire dati digitali tramite una ordinaria chiamata telefonica è la stessa di quella che la compagnia telefonica usa lungo la sua porzione digitale della trasmissione della chiamata telefonica. Qual'è questa velocità? Beh, è vicina ai 64Kbps. Dovrebbe essere 64k ma talvolta alcuni bit sono "rubati" per scopi di segnalazione. Ma se la compagnia telefonica sa che il collegamento è digitale, i bit potrebbero non essere rubati. Verrà presentato il caso dei 64k, quindi verrà spiegato perché la velocità reale è più bassa (56k o meno -- in genere significativamente meno).

Quindi 64k è la maggiore velocità possibile per una chiamata telefonica ordinaria usando la porzione digitale del circuito che era stata concepita per inviare le codifiche digitali della voce umana. Per potere usare 64k, il modem deve sapere esattamente come la compagnia telefonica faccia la sua codifica digitale del segnale analogico. Questo compito è troppo complicato se entrambi gli estremi di una chiamata telefonica hanno un'interfaccia analogica alla compagnia telefonica. Ma se da una parte si ha una interfaccia digitale, allora è possibile (almeno in una direzione). Quindi se il vostro ISP ha una interfaccia digitale con la compagnia telefonica, l'ISP può inviare un certo segnale digitale attraverso la linea telefonica verso il vostro PC. Il segnale digitale dall'ISP viene convertito in analogico alla centralina telefonica vicina alla locazione fisica del vostro PC (forse vicino a casa vostra). Poi è compito del vostro modem cercare di capire esattamente che cos'era quel segnale digitale. Se può fare questo, allora la trasmissione a 64k (la velocità del segnale digitale della compagnia telefonica) è possibile in questa direzione.

Che metodo usa la compagnia telefonica per decodificare in digitale i segnali analogici? Usa il metodo di campionare l'ampiezza del segnale analogico alla velocità di 8000 campioni per secondo. Ogni ampiezza campione è codificata come un byte a 8 bit (tipo ASCII). (Notare: 8 x 8000 = 56k). Questa viene chiamata "Pulse Code Modulation" = PCM. Questi byte sono poi inviati digitalmente sui circuiti digitali della compagnia telefonica dove diverse chiamate condividono un singolo circuito, usando uno schema di time-sharing chiamato "time division multiplexing". Poi finalmente nella locale centralina telefonica vicina a casa vostra, il segnale digitale viene demultiplexato risultando nello stesso segnale digitale così come originariamente creato da PCM. Questo segnale viene poi riconvertito in analogico ed inviato a casa vostra. Ogni byte da 8-bit crea una certa ampiezza del segnale analogico. Il vostro modem deve determinare cosa era quel byte PCM a 8 bit basandosi sulla ampiezza che rileva.

Questa è (in un certo senso) una "demodulazione di ampiezza" ma non realmente. Non si tratta di "demodulazione di ampiezza" perché non vi è portante. In verità, viene chiamata "conversione di modulo" ("modulus conversion") che è l'inverso di PCM. Per determinare il segnale digitale che la compagnia telefonica ha usato per creare il segnale analogico, il modem deve campionare questo segnale di ampiezza analogica esattamente agli stessi punti temporali che la compagnia telefonica ha usato quando ha creato il segnale analogico. Per fare questo viene un generato un segnale temporizzato dal segnale residuo di 4k Hz sulla linea telefonica. I campioni di ampiezza che escono dalla vostra casa/ufficio ad 8k campioni/sec circa creano un segnale di 4k. Supponete che ogni altra ampiezza era di polarità opposta. Allora dovrebbe essere stata creata un'onda simile al seno di 4k Hz. Ogni ampiezza è in un certo senso un simbolo ad 8 bit e quando si campionano le ampiezze è conosciuto come "symbol timing".

Ora la codifica di queste ampiezze in PCM non è lineare ed a basse ampiezza le differenze tra le ampiezze adiacenti sono molto piccole. Così per facilitare la distinzione delle ampiezze che sono ravvicinate tra loro, alcune ampiezze non sono usate nello schema di modulazione. Questo dà un delta più ampio tra le possibili ampiezze e fa sì che il modem le riconosca correttamente con più facilità. Se la metà dei livelli di ampiezza non fossero usati dal v.90 e se volesse essere equivalente ad ogni simbolo (livello di ampiezza consentito) che rappresenta 7 bit invece di 8. Ecco da dove proviene il 56k: 7 bit/simboli x 8k simboli/secondo = 56k bps. Naturalmente ogni simbolo genera in realtà 8 bit ma solo 128 byte dei possibili 256 sono effettivamente usati. C'è una tavola di codici che mappa questo 128 byte a 8 bit con quelli a 7 bit.

Ma è un poco più complicato di questo. Se le condizioni della linea non rasentano la perfezione, allora sono usati anche meno livelli (simboli), risultando in velocità sotto i 56k. Anche a causa di regole governative che proibiscono gli alti voltaggi sulle linee telefoniche, certi alti livelli di ampiezza non posssono essere usati, risultando quindi in soli 53.3k circa al massimo per i modem a 56k.

Notate che la parte digitale della rete telefonica è bi-direzionale. Questi due circuiti sono usati per una chiamata telefonica, uno in ciascuna direzione. Nella direzione dalla casa/ufficio verso l'ISP usa lo schema convenzionale di modulazione fase-ampiezza con un massimo di 36.6k (e non 53.3K)


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