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<TITLE>The Linux Modem-HOWTO: Appendice A: Come funzionano i Modem analogici (tecnica) (non finita)</TITLE>
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<HR>
<H2><A NAME="how_modems_work"></A> <A NAME="s19">19. Appendice A: Come funzionano i Modem analogici (tecnica) (non finita)</A></H2>
<H2><A NAME="modulate_"></A> <A NAME="ss19.1">19.1 La modulazione nei dettagli </A>
</H2>
<H3>Introduzione alla modulazione</H3>
<P>Questa parte descrive i metodi di modulazione usati per i modem convenzionali. Non tratta
i metodi di alta velocità (modulus conversion), talvolta usati dai
<A HREF="#56k_modems">I modem a 56k (v.90)</A>. Ma anche i modem a 56k usano i metodi di modulazione qui descritti.
<P>La modulazione è la conversione di un segnale digitale rappresentato da valori binary (0 o 1) in
un segnale analogico che ricorda 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.
<P>
<H3>Modulazione di frequenza</H3>
<P> 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".
<P>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.
<P>
<H3>Modulazione di ampiezza</H3>
<P> 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.
<P>
<P>
<H3>Modulazione di fase</H3>
<P> 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.
<P>
<H3>Modulazione combinata</H3>
<P> 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.
<P>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.
<P>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.
<P>
<H3><A NAME="56k_modems"></A> I Modem a 56k (v.90) </H3>
<P> 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 non è per la voce, 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).
<P>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.
<P>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 analogica che rileva.
<P>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 analogica. La creazione dei
campioni di ampiezza che escono dalla vostra casa/ufficio ad 8k campioni/sec circa creano
un segnale di 4k. Supponete che ogni altra ampiezza fosse di polarità opposta.
Allora dovrebbe essere stata creata un'onda simile alla sinusoidale 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".
<P>Ora la codifica di queste ampiezze in PCM non è lineare. A basse ampiezze un incremento di 1
nel byte PCM rappresenta un incremento molto più piccolo nell'ampiezza del segnale analogico
rispetto a quella che sarebbe se l'ampiezza che viene campionata fosse più alta. Quindi per
basse ampiezze è difficile distinguere tra valori di byte adiacenti.
Per facilitare le cose, alcuni codici PCM rappresentanti ampiezze molto basse non sono usati.
Questo dà un delta più ampio tra le possibili ampiezze e
fa sì che il modem le riconosca correttamente con più facilità. Quindi la metà dei livelli
di ampiezza non sono usati dal v.90. Questo è equivalente ad ogni simbolo
(livello di ampiezza consentito) che rappresenta 7 bit invece di 8. Ecco da dove
proviene il 56k: 7 bit/simbolo x 8k simboli/secondo = 56k bps. Naturalmente ogni
simbolo è in realtà generato da 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.
<P>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. Negli Stati Uniti, 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.
<P>Notate che la parte digitale della rete telefonica è bi-direzionale.
Questi due circuiti sono usati per una chiamata telefonica, uno in ciascuna
direzione. Il segnale a 56k viene usato solamente in una di queste direzioni:
dal vostro ISP al vostro PC. Nell'altra direzione dalla casa/ufficio verso l'ISP
è usato lo schema convenzionale di
modulazione fase-ampiezza con un massimo di 36.6k (e non 53.3K). Inoltre grazie a
sofisticati metodi di cancellazione (non spiegati qui) consente di inviare
simultaneamente in entrambe le direzioni.
<P>
<H2><A NAME="ss19.2">19.2 Full duplex (bidirezionalità) in un circuito</A>
</H2>
<P> I modem moderni sono capaci di ricevere ed inviare segnali contemporaneamente. Si potrebbe
chiamare questa capacità "bidirezionale" o "full duplex". Una volta la cosa era fatta usando una
frequenza per inviare ed un'altra per ricevere. Oggi, la stessa frequenza viene usata sia per
la trasmissione che per la ricezione. Come funzioni la cosa non è facile da capire.
<P>La maggior parte delle linee principali del sistema telefonico sono digitali con due canali in
uso quando si fa una chiamata telefonica. Quello che dite va su un canale digitale e quello che
dice l'altra persona va sull'altro (inverso) canale digitale. Sfortunatamente, la porzione del
sistema telefonico che va alle case (e molti uffici) non è digitale ma è un singolo canale
analogico. Se entrambi i modem fossero direttamente connessi con la parte digitale del sistema
telefonico allora la comunicazione bidirezionale (inviare e ricevere allo stesso tempo) non
sarebbe un problema visto che sarebbe disponibili due canali.
<P>Ma le porzioni finali del percorso del segnale passano su un solo circuito. Come è possibile
che ci sia comunicazione simultanea nei due sensi? Funziona grossomodo così. Supponete che il
vostro modem stia ricevendo un segnale dall'altro modem e non stia trasmettendo. In questo caso
non c'è problema. Ma se si iniziasse a trasmettere (mentre l'altro segnale in ricezione sta ancora
scorrendo nel modem) il segnale in ricezione sarebbe soffocato. Se il segnale in trasmissione fosse
un'onda di voltaggio "solida" applicata alla fine della linea non ci sarebbe alcuna possibilità
che un qualsiasi segnale in ricezione possa essere presente a quel punto.
<P>Ma il trasmettitore ha una "impedenza interna" ed segnale in trasmissione applicato alla fine della
linea non è solido (o abbastanza forte) da eliminare completamente il segnale in ricezione che
arriva dall'altro capo. Quindi mentre il voltaggio alla fine della linea è per la maggior parte
il più forte segnale in trasmissione, una piccola parte di esso è il segnale in ricezione richiesto.
Tutto quello che serve è filtrare il segnale in trasmissione, più forte, e quello che rimane sarà
il segnale dall'altro capo che vogliano. Per fare questo, basta prendere il puro segnale in
trasmissione direttamente dal trasmettitore (prima che sia applicato sulla linea), amplificarlo
per un determinato ammontare, quindi sottrarlo dal segnale totale presente alla fine della linea.
Facendo questo nei circuiti di ricezione rimane un segnale che per la maggior parte proviene
dall'altra parte della linea.
<P>
<H2><A NAME="ss19.3">19.3 Eliminazione dell'eco</A>
</H2>
<P>Un segnale che viaggia attraverso una linea in una direzione potrebbe incontrare cambiamenti
nella linea che farà si che parte del segnale venga riecheggiato all'indietro nella direzione opposta.
Visto che viene usato lo stesso circuito per il flusso bidirezionale di dati detti eco genereranno
ricezioni sporche. Un modo di migliorare le cose è inviare segnali di prova ogni tanto per determinare
le caratteristiche di eco della linea. Questo consentirà di predirre gli eco che potrebbero essere
generati ad ogni segnale. Quindi il metodo di predizione è usato per predirre quali eco il segnale
in tramissione provocherà. Poi questo eco presunto del segnale viene sottratto dal segnale ricevuto.
Questo elimina gli eco.
<P>
<HR>
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