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Perchè digitale


    Questa è la domanda che viene in mente quando si pensa ai moderni segnali digitali paragonandoli al piu' classico segnale analogico usato dai radioamatori, la fonia per intenderci. Ci sono molti motivi per scegliere tecnologie digitali invece di analogiche. I segnali analogici hanno prima di tutto una caratteristca indesiderabile: il rumore. L'uso dei segnali digitali invece permette la rilevazione e la correzione degli errori causati dal rumore. Qualsiasi segnale analogico può essere convertito in digitale e viceversa, per cui è possibile manipolare i segnali analogici sfruttando tutte le caratteristiche dei segnali digitali. Il vantaggio è lampante ed innegabile; è come confrontare un disco al vinile 33 giri ed un compact disk.

    Il principio fondamentale dell'elettronica digitale è che un dispositivo deve avere un numero finito di stati. Nei sistemi digitali binari esistono solo due stati discreti, rappresentati dai numeri 0 e 1 nell'aritmetica binaria.

    L'unità elementare di un segnale binario viene chiamata bit e può assumere soltanto i due valori di 0 e di 1; può anche essere rappresentato dai livelli basso (OFF) e alto (ON) dell'elettronica digitale binaria o dai segnali di mark e di space delle trasmissioni digitali.

    All'interno di un dispositivo elettronico normalmente l'informazione digitale viene maneggiata carattere per carattere, cioè vengono inviati e ricevuti in parallelo più bit alla volta. Si parla normalmentedi byte (8 bit) o di word (16 bit), quindi di 8 o 16 conduttori separati che vengono utilizzati per manipolare l'informazione. Quando invece si richiede l'invio dell'informazione su lunghe distanze, l'utilizzo di 8 conduttori ovvero di 8 canali di comunicazione risulta troppo costoso. Viene allora usata la trasmissione seriale: i bit vengono inviati uno alla volta, in una sequenza prestabilita, utilizzando un solo canale o conduttore. Vengono così ridotti drasticamente i costi dei cablaggi e la complessità circuitale.

    L'interfacciamento tra dispositivi digitali segue ovviamente delle regole per evitare il proliferare di interfaccie non compatibili tra loro: vengono seguiti gli standard internazionali dettati all'uopo da alcuni enti come il CCITT (Comitato Consultivo Internazionale Telegrafico e Telefonico) o l'EIA (Electronic Industries Association), che sono conosciuti rispettivamente per le raccomandazioni V.32, V.24, ecc. e per lo standard RS 232.

    Il primo esempio di informazione digitale serializzata può essere considerato il codice Morse (vedi anche interessanti notizie sulla telegrafia). Il secondo esempio può invece essere considerato il Codice Baudot; è il primo codice effettivamente usato per la comunicazione di dati tra macchine, le telescriventi. Utilizza cinque impulsi (bit) per rappresentare alfabeto, numeri, simboli e funzioni particolari della macchina. Siccome le combinazioni possibili usando 5 bit risultano essere 32 e non sono sufficienti per rappresentare lettere e numeri, si utilizza ogni codice due volte: una volta per i caratteri lettera ed una volta per i caratteri figura; due caratteri speciali vengono poi impiegati per indicare se i caratteri seguenti appartengono alle lettere o alle figure. In questo modo è possibile rappresentare 64 caratteri.

    Il Codice Baudot non rappresenta invero la miglior soluzione per il trasferimento di informazioni digitali tra computer. Si è fatto strada invece un altro codice, il codice ASCII (American National Standard Code for Information Interchange), un insieme di caratteri particolarmente dedicato ai sistemi che elaborano l'informazione e ai sistemi di comunicazione digitale. Il codice ASCII utilizza 7 bit per rappresentare lettere, numeri, simboli e caratteri di controllo, per un totale di 127 caratteri. A differenza del codice Morse e del Baudot permette l'uso delle lettere minuscole e maiuscole.

    Unità di misura della velocità di trasmissione è il Baud (in onore del signor Baudot); 1 Baud = 1 bit al secondo (mentre CPS sta per caratteri al secondo, dove 1 carattere sono 8 bit, ovvero 1 byte; 1 CPS = 8 Baud).

    Di norma ad ogni carattere viene aggiunto anche un bit per i controllo della parità, un artificio per la rilevazione di errori di trasmissione. La trasmissione seriale di un carattere avviene a partire dal bit meno significativo fino a quello più significativo, più il bit della parità. Nella trasmissione seriale asincrona viene aggiunto un bit di start ed uno o due bit di stop (via radio non esiste trasmissione seriale sincrona).

Il sistema di trasmissione numerico
    Come già scriveva Escarpit nell'800 nella sua "Teoria della comunicazione" (anticipando e precorrendo di gran lunga tutte le moderne teorie), un sistema trasmissivo è composto dalle seguenti parti: sorgente, codificatore, modulatore, canale, demodulatore, decodificatore, utilizzatore. La sorgente e l'utilizzatore nel nostro caso sono ogni radioamatore che vuole ricevere od inviare dei messaggi.

    Il codificatore trasforma il messaggio emesso dalla sorgente di informazione in un altro messaggio, sempre di tipo numerico e non necessariamente binario, aventi caratteristiche più confacenti al canale di trasmissione. Si può dire che il codificatore sia contenuto all'interno del TNC (Terminal Node Controller).

    Il modulatore da origine ad un segnale idoneo ad essere trasmesso nel canale trasmissivo che segue. Nel caso della normale trasmissione numerica radioamatoriale il modulatore è in effetti composto da un doppio modulatore: uno interno al TNC ed uno rappresentato dall'apparato ricetrasmittente normalmente utilizzato per la trasmissione vocale.

    Il segnale in uscita al canale trasmissivo dipende dal segnale in ingresso, dal rumore e dalle interferenze che nello stesso canale si possono sovrapporre. Ovviamente il canale utilizzato è quello radio, quello normalmente utilizzato per le trasmissioni in fonia. L'unica modalità di impiego possibile è quella half duplex (comunicazione unica bidirezionale: un unico canale condiviso, a turno, da più operatori; no comunicazioni bidirezionali simultanee).

    Il demodulatore fornisce in uscita un messaggio identico a quello in ingresso al modulatore, ad eccezione di alcuni caratteri che possono essere diversi da quelli originali a causa della distorsione dovuta al canale trasmissvo, del rumore, delle interferenze e da altre cause di deterioramento. Come per il modulatore, questa parte è rappresentata da un doppio demodulatore: l'apparato radio ricetrasmittente ed il demodulatore contenuto all'interno del TNC.

    Il decodificatore opera la trasformazione inversa al codificatore ed offre all'utilizzatore il messaggio in ingresso al codificatore. Il TNC stesso fornisce oltre alla codifica anche la decodifica del segnale. Tramite il computer di stazione ci presenta quindi i messaggi leggibili.

    La modulazione del segnale più comunemente usata e' un caso particolare di modulazione di frequenza, esattamente AFSK (Audio Frequency Shift Keying). Il segnale digitale, trasformato dal TNC in toni audio, modula in frequenza l'onda portante, incrementandola durante una metà del periodo del segnale e diminuendola durante l'altra metà. Il cambiamento della frequenza dell'onda portante, cioè la deviazione di frequenza, è proporzionale istantaneamente all'ampiezza del segnale modulante. In pratica il segnale in uscita dal TNC viene inviato all'ingresso microfonico di un normale ricetrasmettitore radioamatoriale a modulazione di frequenza (FM), se si usano le le VHF o le UHF; in HF il segnale AFSK viene inviato all'ingresso micorofonico di un ricetrasmettitore SSB (Single Side Band, un caso particolare di AM o modulazione di ampiezza).

Modem e Standard


    Il termine modem è formato dalle due parole modulatore e demodulatore, per cui risulta chiaro quale sia il suo compito; nel nostro caso ci riferiamo ad una delle funzioni caratteristiche del TNC, che potremmo pure definire radiomodem. Per quanto riguarda lo standard di comunicazione via modem, due sono le organizzazioni che se lo contendono; sono il CCITT (Comitato Consultivo Internazionale Telegrafico e Telefonico) (che ha emesso raccomandazioni come V.21, ecc.) e la AT&T (conosciuta per aver emesso gli standard Bell). E mentre queste due organizzazioni si accordavano per la scelta di uno standard conume, i costruttori di circuiti intergrati realizzavano una serie di chip dedicati allo scopo, come il noto chip AM 7910, che realizza gli standard Bell 103, V.21, Bell 202 e V.23. Lo standard Bell 202 predomina nel packet radio in VHF ed UHF con velocità di 1200 Baud, mentre lo standard Bell 103 viene utilizzato nelle bande HF con velocità di trasmissione di 300 Baud.

    Lo standard Bell 202 è stato definito per comunicazioni half duplex, asincrone, binarie, con trasmissione seriale alla velocità di 1200 Baud. Utilizza la modulazione AFSK con mark a 1200 Hz e space a 2200 Hz; lo shift, come è facile colcolare, è di 1000 Hz. Utilizza lo standard di interfaccia seriale RS-232.

    Lo standard Bell 103 (che è in effetti una famiglia di standard Bell 103/113) viene utilizzato in packet radio con queste prestazioni: trasmissione asincrona, velocità 300 Baud, mark a 1070 Hz, space a 1270 Hz, shift di 200 Hz.

    Cosa significa in pratica tutto ciò è presto detto: gli stati logici 0 (mark) e 1 (space) per poter entrare nell'ingresso microfonico di un ricetrasmettitore vengono convertiti in segnali audio; in HF lo 0 o mark diventa un segnale sinusoidale , una nota, cioè, di 1070 Hz di frequenza, mentre l'1 o space diventa una nota di 1270 Hz. Così in VHF e UHF il mark, o stato logico 0, viene trasformato dal modem in una nota di 1200 Hz e lo space, o stato logico 1, viene trasformato in una nota di 2200 Hz.

Il modello ISO - OSI


    Il sistema di trasmissione radio digitale a pacchetti o packet-radio è ormai usato comunemente da più della metà dei radioamatori di tutto il mondo, rappresenta un sistema assai efficace per il reperimento e la disseminazione delle informazioni ed essendo tutt'ora a carattere sperimentale è senz'altro un sistema formativo, oltre che informativo, per l'attività del radioamatore (il cui servizio la legge definisce come "servizio di istruzione individuale, di intercomunicazione e di studi tecnico, effettuato da persone debitamente autorizzate, che si interessano della tecnica della radioelettricità a titolo esclusivamente personale e senza interesse pecuniario"). Tale sistema ha bisogno di una efficiente rete dati che gestisca e trasporti le informazioni.

    All'esterno del mondo radioamatoriale esiste da parecchio il concetto di rete dati, ed è stato anche regolamentato da vari organismi internazionali. L'Organizzazione Internazionale per gli Standard (ISO) sviluppò alla fine degli anni '70 il modello di riferimento OSI (Open System Interconnection) per promuovere la compatibilità nelle comunicazioni tra un'ampia varietà di sistemi. La struttura di comunicazione è specificata in 7 distinti livelli, a partire da quello più basso fino ad arrivare al più alto:

    1 livello fisico physical layer
    livello di collegamento link layer
    livello di rete network layer
    livello di trasporto transport layer
    5 livello di sessione session layer
    livello di presentazione presentation layer
    livello di applicazione application layer

    In un collegamento in packet radio non tutti questi livelli vengono utilizzati. Tra stazioni di radioamatore infatti vengono impiegati solo i livelli 1 (fisico), 2 (di collegamento) e 6 (di presentazione). Qualora i collegamenti venissero effettuati per tramite di altre stazioni o digipeater possiamo considerare anche il livello 3 (di rete) ed il livello 4 (di trasporto).

      La funzione del livello fisico è di inviare e di ricevere bit e si occupa delle seguenti operazioni:
    • connessione fisica, permette trasmissioni duplex o half duplex
    • manipolazione dei bit nel caso di trasmissione seriale
    • identificazione del circuito
    • sequenziatore dei bit
    • notifica delle condizioni di errore
    • modulazione e demodulazione
    • trasmissione dei dati e segnali di scambio
    • caratterizzazione del mezzo di comunicazione (è questo l'unico livello in cui si mantiene una connessione elettrica; nei livelli superiori sono utilizzati solo connessioni logiche o virtuali)

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      La funzione del livello di collegamento è quella di raggruppare i bit all'interno di blocchi o frames comunemente con il protocollo HDLC (ISO 3309). Questo livello realizza i seguenti servizi:

    • stabilisce e rilascia una o più connessioni
    • effettua lo scambio dei blocchi
    • ricompone la sequenza corretta dei blocchi ricevuti
    • notifica al livello superiore la comparsa di errori
    • controlla il flusso dei dati
    • identifica i punti collegati

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      La funzione del livello di rete è quella di organizzare i dati all'interno dei pacchetti, ovvero blocchi con aggiunta di informazioni per la rete. I servizi possono essere:

    • indirizzamento ed identificativi
    • realizzazione o rilascio della connessione di rete
    • trasmissione ed inoltro dei pacchetti
    • notifica al livello superiore la comparsa di errori
    • controllo del flusso

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      Il livello di trasporto organizza i dati in messaggi contenenti, oltre ad un pacchetto, tutte le informazioni necessarie al livello stesso. Si assicura che tutti i dati inviati siano ricevuti completamente e nella sequenza corretta. Il livello svolge le seguenti funzioni:

    • trasmissione dei messaggi
    • multiplexing e demultiplexing: per suddividere una connessione di rete tra due o più connessioni di trasporto
    • rilevamento degli errori
    • correzione degli errori
    • realizzazione o rilascio della connessione di trasporto
    • trasferimento dei dati

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      Il livello di sessione organizza i dati in unità di sessione denominate SPDU (Session Protocol Data Units) ed ha i seguenti compiti:

    • gestione del dialogo
    • sincronizzazione del flusso di dati
    • gestione degli indirizzi degli utenti
    • disconnessioni di tipo gentile o brusco
    • memorizzazione dei dati fino al momento della spedizione. I servizi forniti da questo livello si possono riassumere in 3 gruppi: creazione della connessione, trasferimento di dati, rilascio della connessione.

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      Nel livello di presentazione è racchiusa la gestione del terminale, che comprende le seguenti funzioni:

    • trasferimento di sintassi
    • codifica, decodifica e compattazione dei dati
    • interpretazione del set di caratteri (ASCII o altro)
    • conversioni di codice

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      Guardando dal punto di vista di una applicazione qualsiasi, il livello di applicazione può essere considerato una finestra sul mondo delle comunicazioni: è l'ultimo livello del sistema OSI. Le sue funzioni si possono riassumere in questo modo:

    • login: riconoscimento degli utenti
    • controllo della password e/o delle autorizzazioni a utilizzare il sistema di comunicazione
    • stabilisce l'adeguatezza delle risorse e la qualità del servizio
    • sincronizzazione tra programmi applicativi
    • selezione delle procedure di dialogo
    • controlla l'integrità dei dati
    • stabilisce alcune regole sulla correzione degli errori