Perchè la velocità di un modem x banda fonica V.92 è solo 56kbps mentre una chiamata vocale occupa 64kbps?

Come risposto in altre domande1, la larghezza di banda lorda del canale fonia è 4 KHz. La massima frequenza audio analogica, che passa su questa linea è 3400 Hz ed è limitata dalla presenza negli stadi di linea, da filtri detti di canale.

Il segnale audio è convertito in PCM a 64 Kbit/s, negli stadi di linea e viaggia multiplato in un unico flusso, assieme ad altri centinia o migliaia di utenti, in divisione di tempo, TDM, nelle gerarchie PDH o SDH oppure è inviato all’utente in linee dedicate tipo ISDN. Non arriva mai nelle nostre abitazioni il segnale audio in formato numerico ma sempre analogico.

La domanda da porsi ora diventa la seguente:per quale miracolo si riesce a trasmettere un segnale digitale avente una velocità di cifra di ben 56Kb/s all’interno di un canale largo appena 4 KHz?

Non è solo un problema di banda limitata in ampiezza ma, anche la presenza,all’interno del canale di un enorme distorsione di fase,poichè i suddetti strettissimi filtri analogici, per avere pendenze ripidissime ,devono approssimare espressioni polinomiali di grado 12-14.(Solo con i filtri numerici è possibile approssimare in ampiezza mantenendo la fase lineare)

Dalla relazione di Shannon sulla codifica di canale, era noto che teoricamente si potesse trasmettere alte efficienze spettrali a scapito della robustezza del sistema. In pratica per arrivarci ci sono voluti decine d’anni.

Negli anni sessanta i modem per canali telefonici, modulati in FSK, avevano raggiunto bit rate di 1200 bit/s. L’efficienza spettrale era quindi di solo 0,35 bit /s per ogni hertz di banda occupata (1200/3400=0,35 bit/s/Hz).

Grazie agli studi sulla modulazione fino a 1024 QAM, agli studi dei codici di canale in particolare alla brillante idea di Ungerboeck, alla realizzazione di strettissimi filtri a coseno rialzato con fase lineare che hanno permesso di sagomare l’impulso secondo i criteri di Nyquistl, agli algoritimi della equalizzazione adattativa per ridurre la distorsione d’intersimbolo,ai cancellatori d’eco e soprattutto alla tecnologia degli ASIC che ha permesso di scolpire il tutto, su milioni di CMOS, si è potuto realizzare dei modem a 33600 bit/s con efficienze spettrali di ben di 9-10 bit/sec/Hz .

Si rende noto che a questi livelli di modulazione è sufficiente un errore di fase,della portante recuperata in ricezione,di decimi di grado per avere il diagramma d’occhio completamente chiuso.

Questo è il limite attuale d’efficienza spettrale di un segnale modulato,mai raggiunto da nessun altro sistema di comunicazione.

La velocità di 56Kb/s è stata raggiunta con un “trucco”,senza modulare il segnale dati ma, trasmessi con segnali NRZ direttamente in banda base tramite codifica PCM.

Il tutto funziona solo se sono verificate certe condizioni: ottima qualità del doppino telefonico, assenza di disturbi e distanze massime dalla centrale telefonica di alcune centinaia di metri. Altrimenti, nel caso di canale distorto o disturbato come per tutti gli standard, si commuta atomaticamente,modulando come la V34 ed abbassando la bit rate a 33600,31200 ecc.

Ricordiamo poi che sia gli standard V90 che V92, il trucco di trasmettere la bit rate di 56Kb/s direttamente in banda base, è valido solo per una direzione.
Infatti, sono protocolli asimmetrici in quanto permettono di scaricare, forse, i dati alla velocità di 56 Kb/s, mentre per la velocità di caricamento (upload) il segnale è modulato in modo classico con la bit rate massima di 33600 b/s.

1) Risposte dove si segnala che il canale telefonico è largo 4 KHZ.

http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8436
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?numero=8435

http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=5329

http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=2924