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Sistemi a larga banda (Broadband)
Le applicazioni informatiche e i servizi multimediali (musica,
film, manifestazioni sportive) offerti sulla grande rete Internet e attraverso la televisione digitale divenuta interattiva,
si sviluppano in modo tale da richiedere una capacità della
banda di comunicazione sempre più elevata. Per poter accedere ai servizi multimediali e alle applicazioni digitali è necessario quindi utilizzare tecnologie e mezzi trasmissivi caratterizzati da enorme larghezza di banda.
La larghezza di banda di un canale di trasmissione si esprime
[Hz] oppure in [bps].
La tabella 1 riporta esempi di alcune applicazioni multimediali e relative velocità di trasmissione.
Tab. 1.
Tipo di applicazione
Velocità di trasmissione
o bit-rate
Audio qualità telefonica
8 [kbps]
Tx immagini in movimento
8 100 [Mbps]
Video Mpeg
1,5 [Mbps]
Videoconferenza
128 [kbps] 1 [Mbps]
Dalla tabella 1 si nota che per trasmettere un filmato occorrre
una banda di almeno 8 [Mbps], mentre per trasferire un video Mpeg occorrono almeno 128 [kbps]. Comunque la banda
relativa a un’applicazione dipende anche dal metodo di compressione adottato. In ogni caso, la qualità della trasmissione
è migliore se la banda utilizzata è maggiore.
Per larga banda si intende un sistema che consente l'utilizzo
delle nuove tecnologie digitali attraverso lo scambio dei dati
ad altissima velocità da alcune centinaia di [kbps] a qualche
decina di [Mbps].
Le tecnologie più utilizzate per la trasmissione dei dati sono:
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●
●
ADSL
Satellite
Wireless Broadband
Fibra ottica
ADSL
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) è una tecnologia
che utilizza la linea telefonica analogica tradizionale (PSTN)
per la trasmissione dati e per la navigazione su Internet contemporaneamente alla possibilità di telefonare mentre si è
collegati sul web. Inoltre l’ADSL è impiegata nei servizi di telemedicina, telelavoro e videoconferenza.
Visto che l’attenuazione del doppino telefonico è elevata
per frequenze superiori a 1,104 [MHz], la tecnologia ADSL
considera la larghezza di banda del doppino telefonico
uguale a 1,104 [MHz], e consente di realizzare mediante tecnica FDM:
●
●
●
un canale di fonia a 4 [kHz];
un canale unidirezionale di ricezione (downstream);
un canale unidirezionale di trasmissione (upstream).
Lo spettro di frequenza del sistema ADSL è riportato nella figura 1.
Fig. 1.
Il sistema ADSL è un sistema asimmetrico perché la velocità
di ricezione (downstream) è diversa da quella di trasmissione
(upstream).
Il canale upstream occupa la parte bassa dello spettro perché l’attenuazione del segnale nella parte bassa dello spettro è minore, in modo da favorire i trasmettitori del lato
utente che sono alimentati a una potenza inferiore a quella
dei trasmettitori della centrale telefonica.
La connessione ADSL viene offerta a 640 [kbps], 1 [Mbps], 2
[Mbps] e fino a 8 [Mbps].
Nella tabella 2 sono evidenziate le velocità teoriche di ricezione (downstream) e di trasmissione (upstream) relative ad
alcune connessioni.
Tab. 2.
Connessione
Velocità di
downstream
Velocità di
upstream
640 [kbps]
640 [kbps]
128 [kbps]
8 [Mbps]
8 [Mbps]
1 [Mbps]
Comunque la velocità di trasmissione effettiva dipende dalla
lunghezza e dallo stato della linea e della centrale telefonica.
Per una migliore ottimizzazione della banda sono utilizzate
le tecniche di modulazione multilivello come:
●
●
la QAM (Quadrature Amplitude Modulation);
la CAP (Carrier-less Amplitude Phase). La modulazione
CAP è una modulazione QAM con portante soppressa, che
viene ricostruita in ricezione;
●
●
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la DMT (Discrete Multi-Tone) detta modulazione multiportante, come previsto dallo standard ITU-T G.992, divide la banda di 1,104 [MHz] in 256 canali QAM sui cui il
sistema trasmette parte del flusso dei bit. Il sistema permette di controllare il rapporto segnale-rumore su ogni
canale e di segnalare al trasmettitore di diminuire il bitS
rate del canale con minore rapporto ;
N
la banda ADSL, da 0 [Hz] a 1,104 [MHz], è divisa in 256
canali larghi 4,3125 [kHz], di cui solo 4 [kHz] sono riservati alla comunicazione;
i canali da 1 a 6 sono dedicati alla fonia, i canali da 7 a 38
sono riservati alla trasmissione upstream, mentre i canali
da 39 a 256 sono utilizzati per la ricezione downstream.
Pertanto:
●
la larghezza di banda del canale upstream è:
B (upstream) 32 4,3125 103 138 [KHz] ;
●
la larghezza di banda del canale downstream risulta:
B (upstream) 218 4,3125 103 940,125 [KHz] ;
Per ogni canale vengono trasmessi 15 bit/Hz al secondo, pertanto la velocità massima per ogni canale è:
v(canale) 15 4 103 60 103 60 [kbps] ;
mentre i bit-rate teorici per i canali di downstream e di upstream sono:
v (upstream) 218 15 4 103 13080 103 13,080 [Mbps];
v (downstream) 32 15 4 103 1920 103 1,920 [Mbps].
In base al teorema di Shannon, tenendo conto della larghezza
di banda B dei singoli canali e del rapporto segnale-rumore
S
uguale a 30 dB, il bit-rate dei singoli canali diminuisce.
N
Si ottengono i seguenti risultati:
S
S
v (downstream) B log2 a 1 b 3,32 B log a 1 b N
N
3,32 940,125 103 log(1 103 ) 9,364 [Mbps] ;
v (upstream) B log2 a 1 S
S
b 3,32 B log a 1 b N
N
3,32 138 103 log(1 103 ) 1,374 [Mbps] .
In pratica vengono trasmessi circa 10 bit/Hz sulle frequenze
basse e 3 bit/Hz su quelle alte per il fatto che i disturbi sono
più frequenti alle alte frequenze. Lo svantaggio di tale tec-
nica è quella di presentare l’interferenza tra gli spettri di canali adiacenti. Tale problema può essere risolto allargando
gli intervalli di separazione tra i canali, ma con conseguente
riduzione della capacità informativa.
●
la DWMT (Discrete Wavelet Multi-Tone) è una modulazione DMT che, con l’applicazione di algoritmi di codifica,
consente di ottenere una elevata immunità ai disturbi
senza diminuire la capacità informativa.
La connessione alla rete telefonica analogica (fig. 2) avviene
mediante filtri passivi, chiamati POTS Splitters, che separano
la bassa frequenza di fonia dalla parte alta occupata dal segnale ADSL.
Fig. 2.
Satellite
La tecnologia satellitare, ampiamente utilizzata nel settore
telefonico e radiotelevisivo, è impiegata per la connessione
a larga banda e permette di offrire servizi multimediali e la
connessione a Internet a gran parte della superficie terrestre,
ma soprattutto a quelle zone dove è difficile e assai costoso
intervenire con altri tipi di tecnologie come per esempio cavi
e fibre ottiche.
L’uso del satellite per ricevere per esempio dati utilizzando
un pc prevede l’impiego di un’antenna parabolica del diametro di 50 o al massimo 100 [cm] da puntare in direzione
del satellite e un modem sat.
La trasmissione dei dati da parte del satellite può avvenire
nelle modalità Unicast e Multicast:
●
●
Unicast è la trasmissione dei dati a un utente specifico mediante connessione asimmetrica con l’impiego della linea
telefonica;
Multicast è la trasmissione dei dati indirizzata a molti
utenti e senza la richiesta dei dati tramite modem da parte
dell’utente.
Wireless Broadband
La tecnologia wireless (senza filo) impiega le onde radio per
la trasmissione dei dati e pertanto richiede un sistema di trasmettitori e di ricevitori aventi un’antenna dalle dimensioni
molto piccole perché le frequenze di trasmissione sono dell’ordine dei [GHz]. È utilizzata in tutte le applicazioni a larga
banda come Internet, le trasmissioni audio e video, videoconferenza.
Il sistema Wireless Broadband utilizza due tecnologie, la
LMDS e la MMDS.
La tecnologia LMDS (Local Multipoint Distribution Services),
è un sistema di distribuzione dei servizi di tipo punto-multipunto, opera a frequenze intorno ai 25 28 [GHz], con un
bit-rate dai 2 agli 8 [Mbps], ha una copertura radio di 5 [Km]
in assenza di ostacoli tra trasmettitore e ricevitore.
La tecnologia MMDS (Multichannel Multipoint Distribution
System) è un sistema di tipo punto-multipunto, che opera a
frequenze intorno ai 5 [GHz], ha un bit-rate di 20 30 [Mbps]
e una copertura radio superiore ai 5 [km] anche in presenza
di ostacoli.
Fibra ottica
La fibra ottica è un mezzo di trasmissione a elevata capacità
di banda e quindi ad alta velocità di trasmissione dell’ordine
di alcuni [GHz]. Perciò è adatta alla trasmissione delle numerose applicazioni multimediali broadband. La fibra ottica
è utilizzata per la telefonia, per ricevere canali televisivi via
cavo e per navigare contemporaneamente in Internet.
Altre fondamentali caratteristiche della fibra ottica sono:
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ridotto valore di attenuazione, esempio α 0,25 [dB/km]);
assenza di diafonia (interferenza reciproca tra le fibre);
elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche;
elevata resistenza alle alte temperature;
passo di rigenerazione molto lungo, dell’ordine del centinaio di chilometri.
La velocità di trasmissione di una fibra può essere aumentata
utilizzando la tecnologia DWDM (Dense Wavelengh Division
Multiplexer) che associa a ogni colore dello spettro ottico un
diverso canale di trasmissione e siccome ogni lunghezza
d’onda consente di trasmettere 10 miliardi di bit al secondo,
ogni fibra ottica può trasmettere qualche migliaio di miliardi
di bit al secondo.
La tecnologia DWDM di tipo Long Haul consente collegamenti senza amplificazione fino a 400 [km] e supporta i protocolli ATM, SDH e IP.
La tecnologia DWDM Metropolitano permette di raggiungere distanze fino a 80 [km] senza amplificazione ed è adatta
a collegamenti di tipo punto-punto e multipunto.
