Introduzione alle telecomunicazioni cap.4

I mezzi trasmissivi

mezzo trasmissivo = "strada" su cui viaggiano i segnali

È importante analizzare le caratteristiche dei mezzi trasmissivi perchè:

permette di scegliere il tipo d'apparato

indica la scelta del tipo di segnale da trasmettere (la banda occupata)

il tipo di modulazione appropriata

la multiplazione opportuna

la velocità di trasmissione

Classificazione dei mezzi trasmissivi:

mezzi che supportano segnale elettrico

doppino telefonico

cavo coassiale

applicazioni:

reti telefoniche, commutate o dedicate

reti LAN

reti a commutazione di pacchetto

mezzi che supportano segnali luminosi

fibra ottica

applicazione:

reti numetiche su fibra ottica

mezzi che supportano segnali elettromagnetici

l'etere

applicazioni:

sistemi radiotrasmissivi

sistemi TV

ponti radio

comunicazioni satellitarie

Mezzi che supportano il segnale elettrico

il doppino telefonico

Il doppino telefonico viene realizzato da una semplice coppia di fili conduttori inguainati in isolante (PVC) attorcigliati ad elica (cordati) insieme ed è il più semplice mezzo trasmissivo.

L'idea è quella di costituire una via di passaggio per il flusso di elettroni costituenti il segnale trasmesso.

Nella tecnica corrente il diametro dei conduttori viene definito da una opportuna cifra: l'AWG (American Wire Gage) costituita da una serie di 39 valori in ragione geometrica: tanto è minore l'AWG di un cavo tanto maggiore è il suo diametro.

AWG	diametro [mm]	peso [kg/km]	resistività [/km]
22	0.6438	2.894	52.96
23	0.5733	1.820	84.21
24	0.5106	1.746	87.82
25	0.4547	1.414	108.4
26	0.4049	1.145	133.9

la cordatura serve a rendere simmetrici (bilanciati) i due conduttori nei riguardi dei fenomeni parassiti (L, C), e per proteggerli dalle interferenze di campi elettromagnetici esterni

vantaggio del cavetto monocoppia è l'estrema semplicità (basso costo)

svantaggio è che la banda passante concessa al segnale e molto piccola sicchè multiplando più comunicazioni è possibile trasmettere pochi segnali

si realizzano allora cavi multicoppia: 400 2400 monocoppie trecciate insieme contenute in guaine di materiali sintetici e metallici.

La natura fisica dei conduttori, ed il campo elettromagnetico che vi si sviluppa in conseguenza della propagazione del segnale da luogo alla realizzazione di un modello elettrotecnico della linea bifilare: per ogni intervallo di lunghezza dz della linea abbiamo:

le costanti concentrate equivalenti sono tutte differenziali e sono chiamate costanti primarie; esse rappresentano:

Rdz = resistenza del conduttore (dipende dal materiale)

Ldz = induttanza (dipende dal campo magnetico indotto dal segnale)

Cdz = capacità (dipende dal campo elettrico)

Gdz = conduttanza dell'isolante (dipende dall'induzione elettrica)

attraverso questo modello è possibile stabilire le caratteristiche di propagazione dei segnali; in particolare le perdite di potenza del segnale attraverso le costanti Rdz e Gdz (moltiplicate per l'intera lunghezza di tratta) e di sfasamento con la frequenza.

Il CCITT definisce lo standard di misura dei cavi che va effettuata alla frequenza di riferimento di 800 [Hz]

Equazioni dei telefonisti

da cui si ricavano le costanti di propagazione dette costanti secondarie:

con = costante di propagazione ( = costante d'attenuazione; = costante di fase), e Z₀ = impedenza caratteristica della linea

si osserva che sia l'attenuazione che lo sfasamento sono legati alla frequenza il che significa che le distorsioni in ampiezza e fase del segnale in ricezione saranno funzione della frequenza; maggiore è la banda del segnale trasmesso maggiore risulta la distorsione provocata dal mezzo trasmissivo

si dimostra che la linea non produrrà distorsioni di ampiezza e fase se la velocità di propagazione, (inversamente proporzionale a quindi funzione di L,C,R,G), e la costante d'attenuazione risultano costanti con la frequenza. Ciò si verifica quando vale la relazione RC = LG (Heaviside); cosa quasi mai verificata.

Il significato fisico di l è di logaritmo del rapporto tra potenza uscente dalla linea rispetto la potenza entrante; sicchè ha la dimensione di dB/km.

Affinchè vi sia il massimo trasferimento di potenza da generatore a linea e da linea al carico utilizzatore occorre che le impedenze Z_L e Z_g siano uguali all'impedenza caratteristica di linea: Z₀ = Z_g = Z_L si parla di linea adattata

1 [Np] = 8.686 [dB]

in conclusione il doppino telefonico per la forte attenuazione al crescere della frequenza è adatto a trasmissioni:

nella banda di alcune centinaia di kHz per il segnale analogico (multiplazione FDM)

con velocità di 2 Mbit/sec per il digitale (multipla-zione TDM)

Si intuisce allora come per qualsiasi sistema di comunicazioni (quindi anche reti telematiche) siano legati tra loro i parametri Banda, (velocitá di trasmissione), attenuazione , e lunghezza di tratta.

fissata potenza e banda del sistema si ricava la lunghezza di tratta da cui calcolare il numero di tratte e di stazioni di rigenerazione (per il numerico) o amplificazione/equalizzazione (per l'analogico).

L'esigenza di trasmettere dati a maggiori velocitá su un gran numero di canali ha portato alla creazione di cavi multicoppia, inoltre i comuni cavi per reti LAN sono composti da 4 coppie: piú cavi bifilari tra loro interferiscono (telediafonia e paradiafonia) cioé le comunicazioni su una linea bifilare vengono captate dalla linea vicina

Il problema della diafonia si traduce nelle reti LAN nella presenza di un insieme di disturbi che una coppa subisce a causa delle coppie adiacenti. Tale disturbo in pratica é preponderante rispetto al rumore termico e costituisce un limite per il progetto della lunghezza massima di tratta; infatti detto ACR (attenuation to Cross-talk Rateo) il rapporto tra attenuazione (dB/km) e diafonia quando l'ACR diviene minore di circa 15 [dB] la comunicazione non puó piú essere considerata soddisfacente.

Banda; SNR; e lunghezza di tratta sono parametri legati tra loro.

Classificazione dei cavi per LAN:

non plenum

flame retardant

low smoke fume (LSF)

zero halogen(OH)

plenum

si carbonizzano senza bruciare

Tipi di Doppini (Twisted Pair) per trasmissioni dati (TD)

STP (Shielded TP) es. IBM tipo 1

FTP (Foiled TP) es. Belden 1456A

UTP (Unshielded TP) es. AT&T 1061 o 2061

tipiche caratteristiche di cavo UTP: 100[ohm] (+/- 15) da 1 a 16[MHz]; attenuazione = 10 [dB] su 100 [m] da 5 a 10 [MHz].

	Belden 1456A	AT&T 2061	IBM tipo1	IBM tipo2	Unità
AWG	24	24	22	22	-----
Capacità	52.5	52	29	29	nF/km
impedenza	100	100	150	150	ohm
velocità	66%	----	81%	81%	C
diametro ext.	5.6	4.3	9.5	11	mm
peso	39	27	91	138	kg/km
attenuazione	66 (10MHz)	65 (10MHz)	22 (10MHz)	22 (10MHz)	dB/km
attenuazione	83 (16MHz)	81 (16MHz)	45 (16MHz)	45 (16MHz)	dB/km
cross-talk	420 (10MHz)	470 (10MHz)	580 (5MHz)	580 (5MHz)	dB/km
cross-talk	400 (16MHz)	440 (16MHz)	400 (20MHz)	400 (20MHz)	dB/km

Classificazione in categorie di doppini:

cat.1 (telecommunication) telefonia analogica;

cat.2 (low speed data) TD bassa velocità, trasmissioni ISDN;

cat.3 (high speed data) LAN fino 10[Mbit/s];

cat.4 (low loss,high performance data) LAN 16 [Mbit/s];

cat.5 (low loss, extended frequency high performance data) 100 [Mbit/s] fino a 100 mt.

L'introduzione di reti dati più veloci ha imposto ai costruttori di offrire cavi con prestazioni superiori alla cat.5, in particolare è allo studio la definizione di uno standard per le cat.5E (Extended), cat.6 e cat.7 per bande dell'ordine di 100, 250 e 600MHz.

Oggi in pratica nelle realizzazione di LAN vengono forniti solo doppini cat.3 (fonia) e cat.5 (dati).

il cavo coassiale

Anche il cavo coassiale è una linea a due conduttori ma non più simmetrici: il conduttore di ritorno svolge anche la funzione di schermo alle interferenze per segnali ad alta frequenza

isolante: polietilene a dischetti od espanso

Le proprietà di schermatura ed il minor valore di permettono di usare il cavo coassiale il bande di segnale più ampie rispetto al doppino telefonico per alte frequenze (cavo TV)

freq. [MHz]	0.06	0.3	1	4	12	20	40	60	150	300
[dB/km]	0,59	1,27	2,32	4,62	8,01	10,35	14,67	18,0	28,6	40,7

cavo 9,5 [mm]

È possibile realizzari cavi composti da più cavi coassiali affiancati (da 4 a 48): ora non avremo più interferenza.

I cavi sono normalizzati (il rapporto tra diametri dei due conduttori vale circa 3.6 in modo da realizzare il minimo ):

cavo	diametro esterno	diametro interno	banda d'utilizzo	capacità di canali
coassiale	9,5 [mm]	2,6 [mm]	~100 [MHz]	565 [Mbit/s] o 7680 [canali]]
coassialino	4,4 [mm]	1,2 [mm]	~ 10 [MHz]	~ 100 [Mbit/s] o 2700 [canali]
microcoassiale	2,9 [mm]	0,7 [mm]	~ 1 [MHz]	34 [Mbit/s] o 480 [canali]

Nelle attuali LAN il cavo coassiale a causa di alto costo e di difficoltà di installazione viene sostituito da applicazioni su doppino (cavo 4cp.) per bassi ratei di trasmissioni dati, e dalla fibra ottica nella fascia di applicazioni ad alta velocità.

Attualmente si trovano ancora applicazioni di rete LAN Ethernet su cavo coassiale; e sono disponibili due tipi di cavo: i cavi Ethernet:

Thick LAN (RG 213 o cavo giallo) impiegabile per tratte fino a 500 [m].

ThinLan (RG58) utilizzato per tratte fino a 200 [m].

IL cavo coassiale presenta una assimmetria tra i due conduttori per cui realizza una struttura sbilanciata. Per interfacciare tale struttura con una linea bilanciata (doppino) occorre un opportuno adattatore: il Balun (BALanced-UNbalanced).

Le trasmissioni via cavo nelle reti

rete telematica = insieme di nodi collegati da linee

abbiamo differenti tipologie di rete nelle applicazioni telematiche:

reti telefoniche commutate

reti telefoniche dedicate

reti locali (LAN)

reti a commutazione di pacchetto

reti fonia dati (RFD)

Rete telefonica commutata (RC)

Detta anche PSTN (public switched telephone network) è la tradizionale rete telefonica: ogni utente viene messo in contatto con l'interlocutore attraverso una o più centrali di commutazione elettromeccaniche.

Il tipo di segnale trasportato è quello fonico f₁ = 300 [Hz] f₂ = 3400 [Hz] e banda a disposizione 4 [kHz] per ciascun utente. I segnali vengono multiplati FDM. Il segnale viaggia sul doppino telefonico a livello di distribuzione.

L'utente decide il nodo al quale collegarsi e lo indica attraverso un codice (il numero di telefono del destinatario). Sganciare la cornetta dal telefono equivale a richiedere un accesso alla rete. Il collegamento è di tipo temporaneo.

l'aumento del traffico telefonico ha determinato una complessa organizzazione della rete. Parliamo di organizzazione:

monocentrica

policentrica non gerarchica

policentrica gerarchica

la presenza delle centrali di commutazione degrada il segnale (diminuzione banda, incremento dell'attenuazione) ed aumenta il rumore (disturbi di natura impulsiva di commutazione). Si osservano delle limitazioni:

aumento disturbi

diminuzione affidabilità linea (caduta della linea)

larghezza di banda vincolante

impiega di sistemi FDM dunque poca adatta alla trasmissione dati.

reti telefoniche dedicate

Dette anche reti dirette o affittata (leased)

Per utenti con esigenze particolari le compagnie telefoniche mettono a disposizioni tratti di rete "puliti" da centraline di commutazione ed esenti da dispositivi FDM (cosí non è assegnata la banda). Queste reti si dicono dedicate e vengono affittate all'utente. Esse non presentano i problemi visti prima ma non gestiscono un grande traffico anche se sufficiente al singolo utente

oltre alla maggiore affidabilità della rete ora la comunicazione é permanente

reti locali LAN

Le local area network sono reti dedicate che l'utente si costruisce su misura in base alle proprie necessità: queste si svincolano dal doppino telefonico (su coassiale) delle reti telefoniche convenzionali consentendo un traffico maggiore (ed un costo maggiore).

Una definizione per la LAN potrebbe essere: mezzo di trasporto equamente condiviso tra tutte le stazioni che vi si collegano ad alta velocitá e basso tasso d'errore, (BER), limitata ad un ambito locale (non suolo pubblico).

reti a commutazione di pacchetto

Con la necessitá dell'elevato traffico dati le compagnie telefoniche hanno creato le reti a commutazione di pacchetto dove vengono trasmessi gruppi di dati raccolti insieme (i pacchetti) secondo modalitá stabilite. I pacchetti ricevuti vengono smistati ai destinatari; in questo modo é possibile impiegare la rete sempre a pieno regime: si uniscono i vantaggi di una rete a distribuzione capillare con quelli di una rete dedicata ad alta velocitá

NCP = nodi a commutazione di pacchetto (Roma, Mi, To, Fi, Na)

ACP = adattatore concentratore a pacchetto (in quasi tutte le grosse cittá)

reti fonia dati (RFD)

Questa é una rete a commutazione dove le centrali elettromeccaniche sono sostituite con centraline tutto numerico ora si trasmettono segnali PCM con multiplazione TDM

confronto tra le prestazioni delle reti:

caratteristica	rete com-mutata	rete dedicata	rete com-mutazione pacchetto	rete fonia dati
tempo di connesione	Alto	Basso	Basso	Basso
velocità di trasmissione	Medio-bassa	Alta	Alta	Alta
utenza	Sparpagliata	Concentrata	Sparpagliata	Sparpagliata
Qualitá della linea	Bassa	Alta	Alta	Alta

Mezzi che supportano il segnale luminoso:

La fibra ottica

Luce = onda elettromagnetica ad altissima frequenza (100 ~ 1000 [THz])

La lunghezza d'onda é la distanza percorsa dall'onda che si propaga in un periodo T. Siccome f = 1/T e le onde elettromagnetiche nel vuoto viaggiano alla velocità c = 300000 [km/s] si ricava che la lunghezza d'onda è legata alla frequenza dalla relazione:

In un mezzo trasmissivo diverso dal vuoto la velocità di propagazione rallenta (allora la lunghezza d'onda effettiva nel mezzo é minore rispetto alla propagazione nel vuoto). Il termine che dichiara il rallentamento è l'indice di rifrazione n caratteristico del mezzo attraversato:

(n è funzione della frequenza; diminuisce leggermente al crescere della frequenza)

Qualsiasi sia il mezzo trasmissivo la frequenza non varia, invece varia la lunghezza d'onda rispetto al vuoto.

All'interfaccia tra due mezzi trasmissivi con differenti indici di rifrazione si verificano i fenomeni di riflessione e rifrazione:

Riflessione = il raggio rimane contenuto nel mezzo di provenienza

Rifrazione = il raggio penetra nell'altro mezzo

i due fenomeni in generale coesistono ma se l'indice di rifrazione del raggio incidente é superiore all'indice di incidenza dell'altro mezzo allora esiste un angolo (angolo limite) oltre il quale il raggio incidente non può rifrangersi ed è costretto a propagarsi solo per riflessione

Questo modo di propagazione ispira il principio di funzionamento della fibra ottica

Il core ha indice di rifrazione superiore al cladding

Nella fibra ottica un raggio monocromatico della lunghezza d'onda compresa tra 0,8 ed 1,6 [mm] viene iniettato nel core che rimbalzando all'interfaccia con il cladding si propaga per diversi km prima di essere attenuato.

Affinché i raggi possano propagarsi per riflessione e non fuoriuscire provocando una forte attenuazione occorre che l'angolo massimo di incidenza sia minore di quello limite; per evitare ció si deve iniettare un fascio luminoso la cui divergenza sia inferiore ad un angolo caratteristico della fibra detto angolo d’accettazione. Il seno di questo angolo é chiamato apertura numerica (N.A.)

cause d'attenuazione:

fattori di assorbimento fisici e chimici del vetro

fattori costruttivi della fibra

imperfezioni delle superfici d'interfaccia core-cladding

fattori di messa in opera dell'impianto

piccola raggiatura dei tratti non rettilinei

disallineamento o disadattamento tra spezzoni di fibre

dispersione

oltre ai fenomeni di attenuazione dobbiamo considerare quelli di dispersione:

Dispersione modale = allargamento dell'impulso trasmesso dipendente dalla propagazione di più modi contemporanei nella guida: dal punto di vista dell'ottica geometrica si può pensare ai differenti raggi con seno dell'angolo di ingresso minore di N.A. che viaggiano alla stessa velocità (stessa frequenza), ma su cammini differenti.

Questo comporta che l’energia associata a ciascun modo percorre la F.O. in tempi diversi: preso il modo "più veloce" che impiega L_*n₁/c ad attraversare la F.O. e quello “piu’ lento” che impiega L_*n₁²/c_*n₂ si ottiene un allargamento dell’impulso trasmesso pari a

L_*n1(n₁-n₂)/c_*n₂ secondi.

Ciò significa che se la larghezza temporale dei bit trasmessi è confrontabile con l’allargamento dovuto alla dispersione modale il segnale il ricezione sarà incomprensibile.

Il numero di modi permessi dalla F.O. dipendono da N.A., da l e dal diametro: sicche’ esiste un diametro tanto piccolo da permettere la propagazione di un solo modo => Fibre monomodali.

Dispersione cromatica = allargamento temporale dell’impulso a causa delle differenti velocità di propagazione in fibra dell’energia frequenza per frequenza.

Se l’impulso trasmesso ha una banda diversa da zero frequenza per frequenza si propagherà con differenti velocità (c/n(w)) dando luogo ad un allargamento anche se siamo in singolo modo.

Questi fenomeni di dispersione stanno a significare che anche le fibre ottiche hanno una banda finita (anche se grandissima).

Le guide oggi disponibili sono:

A causa della dispersione modale e del conseguente allargamento dell'impulso si hanno bande disponibili dell'ordine di 22[MHz/km] per le fibre step-index, e di circa 1[GHz/km] per le graded-index.

Le fibre ottiche vengono identificate principalmente a due numeri n/m il primo si rifirisce al diametro in m del core ed il secondo a quello del cladding. Tipicamente abbiamo: fibre 50/125, 62.5/125, 100/140, 10/125.

collocazione	I finestra	II finestra	III finestra	unità
banda disponibile	800-900	1250-1350	1500-1550	nm
banda impiegata	0.15	0.5-1*	100	GHz/km
tipo di fibra	multimodale	multi/monomod.	monomodale	---
attenuazione	< 3.5	1-0.5	0.2	dB/km

* Con sorgente Laser.

Anche la connettorizzazione introduce una attenuazione; è necessario che l'attenuazione del connettore sia dell'ordine dell'attenuazione della tratta cioé sia compreso tra 0.3 e 0.7 [dB] circa.

Tra due apparati attivi è richiesta un'attenuazione complessiva di 10-22 [dB] da cui si deducono lunghezze di tratta di 1-2 [km] per F.O. multimodo e 40-400 [km] per F.O. monomodo.

In ogni modo gli spezzoni di fibra non vengono mai giuntati; vanno tagliati su misura e connettorizzati agli estremi.

I cavi sono realizzati a più fibre (6; 8; 12 fibre)

La ricezione viene ottenuta da un fotodiodo tipo PIN che polarizzato inversamente entra in conduzione se colpito da una radiazione di corretta lunghezza d'onda

Attualmente si raggiunge una velocità di trasmissione dell'ordine di 140 ~ 565 [Mbit/s] con 7860 canali PCM multiplessati TDM

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Mezzi che supportano il segnale elettromagnetico

Un'onda elettromagnetica si può propagare nello spazio libero o in una zona di spazio delimitata da conduttori: nel primo caso parliamo di radiodiffusione; mentre nel secondo parliamo di propagazione in guida d'onda.

Le guide d'onda sono "tubi" metallici, (a sezione circolare o rettangolare), nei quali i campi elettromagnetici sono confinati. I segnali sono schermati dai disturbi elettrici esterni, inoltre la banda passante permessa è elevatissima (frequenze di portante dell'ordine di decine di GHz). Le dimensioni trasversali sono legate alle lunghezze d'onda trasmesse.

Con l'avvento delle fibre ottiche, (che sono assimilabili a guide d'onda dielettriche), le guide d'onda hanno perso importanza rimanendo relegate al trasferimento di forti potenze tra trasmettitori ed antenne in applicazioni in microonde.

I fenomeni di radiodiffusione sono legati alla propagazione di un'onda elettromagnetica nello spazio libero: il mezzo trasmissivo é allora costituito dall'aria. Il segnale elettrico è trasformato in segnale elettromagnetico e viceversa dal trasduttore antenna

poichè la propagazione avviene con un'onda sferica la densità di potenza diminuisce con il quadrato della distanza.

L'attenuazione nella propagazione nell'etere, oltre al termine quadratico tipico dell'irraggiamento nello spazio, deve tenere conto dei problemi tipici della propagazione sulla terra:

cammini multipli:

L'atmosfera é composta da diversi strati con diversi indici di rifrazione. Dal punto di vista elettromagnetico possiamo suddividere l'atmosfera in troposfera e ionosfera.

Per determinate frequenze (fino alle HF) la ionosfera riflette verso terra la radiazione incidente con angolo minore dell'angolo limite. Anche la terra è un dielettrico con diverso indice di rifrazione diverso da quello della troposfera sicchè l'onda continua a rimbalzare nella troposfera fino al ricevitore: il segnale arriva direttamente e indirettamente creando un segnale di ritardo interferente.

Diffrazione:

ostecoli frapposti tra trasmettitore e ricevitore diffondono il segnale in tutte le direzioni; una gran parte di questo viene così perduto

Raggio di curvatura terrestre:

la terra non piatta impedisce di coprire grandi distanze in modo diretto

I disturbi meteo:

I lampi di un temporale sono gigantesche scariche elettriche; inoltre la pioggia assorbe i segnali in alta frequenza.

Nel progetto di un impianto dobbiamo tener conto di tutti questi fattori in relazione a:

altezza antenne da terra

distanza massima tra le antenne (lunghezza di tratta)

puntamento tra le antenne per avare il massimo guadagno

forma geometrica delle antenne

potenza del segnale trasmesso

Per poter percorrere grandi distanze con segnali a grande banda in alta frequenza (propagazione ottica) occorre realizzare tratte di qualche decina di Km con ripetitori. Questi sono i ponti radio.

Il "ripetitore" satellite è un caso particolare di ponte radio a due tratte.

In conclusione possiamo parlare di propagazione omnidirezionale per basse frequenze (fino alle onde corte) alle quali è consigliabile abbinare la modulazione AM (per poter trasmettere tanti canali con la poca banda a disposizione); e propagazione ottica per le alte frequenze (alle quali associamo preferibilmente modulazione FM che è più immune al rumore).