Prestazioni di un collegamento

Prestazioni di un collegamento
Concetti generali
Caratteristiche di un canale
–
–
–
–
–
–
–
banda di trasmissione ( in Hz)
Attenuazione ( dB/Km)
velocità di trasmissione ( in bit /sec)
prestazioni ( probabilità di errore o rapporto segnale-rumore)
rumori e interferenze
complessità realizzativa
costo
Canale / mezzi trasmissivi
Convertitore
Convertitore
A/D
A/D
Segnale analogico
Come possiamo trasferire
l’informazione digitalizzata al
destinatario?
Destinatario
Destinatario
0100100011101
I bit fisici
I segnali digitali sono costituiti da sequenze di bit.
Un bit è un’unità di informazione elementare (entità
astratta).
Per rappresentare un bit all’interno di una macchina o per
trasferirlo fra due o più dispositivi occorre associare al bit
un fenomeno fisico che può essere riprodotto a distanza
attraverso il mezzo fisico utilizzato
Alto
0100101010110
Basso
Classificazione dei mezzi trasmissivi
In base al fenomeno fisico utilizzato per trasportare i bit, i mezzi trasmissivi
che costituiscono il canale di comunicazione possono essere classificati
come:
Mezzi elettrici: sono i mezzi trasmissivi classici che si basano sulla
proprietà di certi metalli di condurre energia elettrica. Ad ugni bit è
associato un particolare valore di tensione o corente, oppure
determinate variazioni di tali grandezze.
Onde radio (wireless): il segnale è associato ad un’onda
elettromagnetica che si propaga nello spazio che ha la proprietà di
riprodurre a distanza una corrente elettrica in un dispositivo ricevente
(antenna).
Mezzi ottici: laser e fibre ottiche. Il fenomeno fisico che si utilizza in
questo caso è la luce.
Propagazione dell’informazione
Guidata
Doppino telefonico
Cavi coassiali
Fibre ottiche
Libera
Canale radio
I disturbi introdotti dal canale
Per trasferire l’informazione attraverso un canale costituito
da un mezzo fisico è necessario trasferire una qualche
forma di energia.
Il sistema fisico attraversato (il mezzo fisico) si oppone a
questo trasferimento, determinando una attenuazione
dell’energia trasmessa.
?
Segnale fisico = onde acustiche
Mezzo fisico = aria
100 m
Andamento di un segnale affetto da multipath fading
outage
Multipath intensity profile
Segnale trasmesso
Segnale ricevuto
t = t0
τ
Segnale trasmesso
Segnale ricevuto
δ
t = t0 +δ
τ
La banda passante
L’attenuazione determinata dal canale sul segnale non è la
stessa per tutte le frequenze che compongono il segnale.
Frequenze attenuate in
modo diverso
Freq. non
attenuate
f1
f2
Segnale telefonico
4 kHz
f
La banda passante e
la distorsione
Il fatto che il canale si comporti in modo diverso in
funzione della frequenza (cioè tratta in modo diverso le
varie componenti in frequenza del segnale) genera una
distorsione
La distorsione del segnale altera l’andamento nel tempo del
segnale
CANALE
La banda passante e
la velocità di trasmissione
La banda passante di un canale (mezzo trasmissivo) limita la
velocità con cui si possono trasmettere i bit sul canale stesso.
Banda passante
Velocità di trasmissione
Banda
del segnale
Segnale distorto:
velocità troppo
elevata !
La banda passante
L’insieme delle frequenze che possono essere trasmesse nel
canale senza attenuazione eccessiva
e che subiscono attenuazioni simili, viene detto:
BANDA PASSANTE DEL CANALE
La banda passante è una proprietà del canale.
fa
fb
Banda passante
f
La banda passante - Distorsione
Il fatto che il canale si comporti in modo diverso in
funzione della frequenza (cioè tratta in modo diverso le
varie componenti in frequenza del segnale) genera una
distorsione
La distorsione del segnale altera l’andamento nel tempo del
segnale
CANALE
Un esempio ...
Banda passante e velocità
La banda passante di un canale (mezzo trasmissivo) limita la
velocità con cui si possono trasmettere i bit sul canale stesso.
Banda passante
Velocità di trasmissione
Banda
del segnale
Segnale distorto:
velocità troppo
elevata !
Il rumore
Ad alterare il segnale concorre anche il rumore.
Il rumore è generato dalla sovrapposizione al segnale di
energia proveniente da elementi esterni od interni al sistema
di trasmissione (ad esempio il rumore generato da alcuni
dispositivi elettronici del sistema).
L’attenuazione
Per trasferire l’informazione attraverso un canale costituito
da un mezzo fisico è necessario trasferire una qualche
forma di energia.
Il sistema fisico attraversato (il mezzo fisico) si oppone a
questo trasferimento, determinando una attenuazione
dell’energia trasmessa.
Segnale fisico = onde acustiche
Mezzo fisico = aria
100 m
Il ritardo di propagazione
Per quanto possa essere elevata la velocità di
propagazione della variazione del fenomeno
fisico cui è associata l’informazione da
trasmettere, l’invio dell’informazione non sarà
mai immediato.
messaggio
messaggio
0
10
spazio libero
Km
Le interferenze ed il rumore
Il rumore è generato dalla sovrapposizione al segnale di
energia proveniente da elementi esterni od interni al sistema
di trasmissione (ad esempio il rumore generato da alcuni
dispositivi elettronici del sistema).
Diafonia
Un tipo particolare di rumore, frequente nelle reti di
telecomunicazione, è rappresentato dalla diafonia.
All’energia del segnale sul mezzo trasmissivo, si somma
quella proveniente dalla trasmissione di un altro segnale un
un mezzo trasmissivo analogo che si trova in prossimità del
primo
Mezzi trasmissivi elettrici
Le caratteristiche del mezzo dovrebbero essere tali da
garantire:
• massimo trasferimento di energia da un estremo all’altro
• minima dissipazione (ed esempio tramite calore o
irradiazione elettromagnetica)
• massima banda passante in modo che la forma d’onda
resti il più possibile inalterata
Parametri
Ogni mezzo trasmissivo di tipo elettrico è costituito da
almeno due conduttori in rame e da un rivestimento
isolante.
Sezione dei conduttori: può essere espressa in mm, ma è
più diffusa l’unità di misura detta AWG (American Wire
Gauge):
AWG
mm
Conduttore (rame)
22
23
24
25
26
0.6438
0.5733
0.5106
0.4547
0.4049
Parametri
Per quanto riguarda i materiali isolanti, essi devono essere:
• compatti
• sottili
• emissione di fumi limitata e non tossica in caso di incendio
Conduttore
Isolante
Simmetria dei conduttori
Il segnale è dato da un differenza di tensione fra due conduttori.
Ogni conduttore si comporta come un’antenna nei confronti dei disturbi
elettromagnetici provenienti dall’esterno.
Se non c’è simmetria fra i due conduttori i disturbi visti dall’uno sono
diversi da quelli visti dall’altro.
La conseguenza è che la differenza crea un disturbo sul segnale.
E’ importante che fra i due conduttori via sia la massima simmetria.
La massima simmetria si avrebbe solo se i conduttori coincidessero.
Un modo per avvicinarsi a questa condizione è quello di ritorcere i due
conduttori:
Doppino ritorto
Schermatura
Per proteggere il segnale che viaggia sul cavo dai disturbi
elettromagnetici possono essere usate delle schermature.
Le schermature possono essere costituite da:
• foglio di allumino o di mylar alluminato che avvolge il
cavo.
• calza: si tratta di una trecciola di fili di rame che
avvolgono il cavo in due direzioni opposte.
Cavo coassiale
Il cavo coassiale è un mezzo trasmissivo legato ormai al
passato infatti sebbene sia ancora presente in molte reti
soprattutto LAN, non è più previsto dagli standard
internazionali sul cablaggio
EIA/TIA 568 A ed
ISO/IEC 11801 che prevedono invece l’utilizzo di :
• Fibra Ottica per le alte prestazioni
• Doppino per le prestazioni di fascia medio-bassa
Cavo
Thin Ethernet
Cavo
Thick Ethernet
Cavo coassiale
Vantaggi
• Buona immunità alle interferenze elettromagnetiche e alla
diafonia ottenuta grazie alla struttura schermata del cavo
• Attenuazione contenuta
Svantaggi
• Maggior costo e difficoltà di installazione
• Maggior ingombro
• Minor flessibilità
Il doppino
Il doppino è il mezzo trasmissivo classico della telefonia
e consiste in due fili di rame ricoperti da una guaina
isolante e ritorti o binati
Lo sviluppo tecnologico ha permesso di ottenere doppici
in grado di supportare velocità di trasmissione superiori
ai 100 Mbit/s su distanza inferiori ai 100 metri.
Sono quindi utilizzati per reti locali (LAN)
Il doppino
Normalmente si utilizzano cavi con più coppie.
I più utilizzati sono quelli a 4 coppie.
Una prima classificazione
• STP (Shielded Twisted Pair): è schermato e quindi offre migliori
prestazioni, ma è molto più ingombrante e, di fatto, non viene usato
quasi più.
• UTP (Unshielded Twisted Pair) : è la versione non schermata, che
mantiene comunque un'alta immunità ai disturbi elettromagnetici.
• FTP (Foiled Twisted Pair) o S-UTP anch’esso di tipo schermato, ma
con un’unica schermatura, generalmente in foglio di alluminio, per
tutto il cavo.
Il doppino
I doppini sono inoltre divisi in 5 categorie in funzione delle velocità
di trasmissione che possono supportare. La categoria 1 è quella dei
cavi peggiori, la categoria 5 quella dei cavi migliori. Ogni categoria è
idonea a fornire tutti i servizi offerti dalle categorie inferiori
• Categoria 1: comprende doppini adatti unicamente a telefonia
analogica ed hanno pertanto un utilizzo piuttosto ridotto.
• Categoria 2: comprende i cavi utilizzati per telefonia analogica e
digitale (ISDN) e trasmissione dati a bassa velocità
• Categoria 3: comprende doppini adatti a realizzare reti locali con
velocità di trasmissione fino a 10 Mbps.
• Categoria 4 : è costituita da cavi per reti locali con velocità di
trasmissione fino a 16 Mbps.
• Categoria 5: diffusa a partire da 1988, fisicamente simile alla
categoria 3, ma con un più fitto avvolgimento (più giri per centimetro)
e con isolamento in teflon. Offre migliore qualità del segnale sulle
lunghe distanze, adatto a collegamenti in alta velocità in ambito locale
(100 Mbps).
Doppino
Ecco l'aspetto di un tratto di doppino
ritorto non schermato (UTP) a quattro
coppie (8 fili) in categoria 5.
Nelle reti più diffuse basterebbe che il
doppino avesse due coppie: una per
trasmettere e una per ricevere
Connettore.
Un particolare dello spinotto in plastica (RJ45)
usato come connettore in tutte le reti che
funzionano su doppino. Assomiglia allo spinotto
usato nei telefoni, ma è più grande perché deve
contenere otto fili.
Ritardo di propagazione
Gli elettroni viaggiano a
una velocità
approssimativamente
costante
(≈ 20 cm per ns,
1 ns = 0.000 000 0001 s
NVP * velocità luce)
(max 555 ns
dopo ..)
Ogni cavo (twisted pair) ha almeno 4
autostrade per gli elettroni
Ritardo dovuto agli
avvolgimenti
La lunghezza di ogni via per gli
elettroni nel cavo è leggermente
diversa a causa degli
avvolgimenti
(differenze max
50 ns..)
Attenuazione
Dovuta alle perdite di
elettroni nel percorso
Numero
minore di
elettroni !
calore
calore
Urti e ostacoli possono far ritornare
indietro alcuni elettroni
Urti e ostacoli
Crosstalk
Gli elettroni possono saltare da un livello all’altro e quidi andare su
percorsi diversi. Quando un elettrone salta su una via diversa può
andare nella direzione corretta o tornare indietro.
Near End Crosstalk (NEXT)
NEXT è dovuto al crosstalk. Alcuni elettroni possono saltare su una strada adiacente e tornare indietro.
Il segnale viene attenuato, per cui nel punto di partenza il segnale è attenuato. Gli effetti del crosstalk
si riducono all’aumentare della distanza dall’inizio della comunicazione.
La massima attenuazione si ottiene quando NEXT avviene alla fine del collegamednto ( in questo caso
è il doppio dell’attenuazione del collegamento).
Far end crosstalk (FEXT)
FEXT è determinato dagli elettroni che saltano su una nuova
strada e proseguono nello stesso verso. L’attenuazione è uguale a
quella del segnale diretto.
Electromagnetic Interference (EMI)
•
•
•
Alcuni elettroni possono dispersi nello spazio e quindi essere ricevuti dall’antenna di
una radio o TV ( Electromagnetic Interference).
Gli elettroni presenti nell’ambiente ( trasmissioni radio) possono entrare nei conduttori.
La sensibilità a disturbi radio è chiamata Electromagnetic Susceptibility.
Il termine EMC (Electromagnetic Compatibility) indica l’insieme dei due fenomeni (
interferenza e susceptibility).
FIBRE OTTICHE
•
•
Le fibre ottiche operano nelle bande infrarosso, visibile e ultravioletto.
La lunghezza d’onda di tali bande è: (1 nm = 10-9 m)
ULTRA VIOLETTO
10 nm
•
VISIBILE
390 nm
INFRAROSSO
106 nm
770 nm
Una fibra ottica è costituita da un cilindro interno detto nucleo ( core), con indice di rifrazione
uguale a n1 e da una corona esterna detta mantello ( cladding), con un indice di rifrazione n2.
mantello
nucleo
ESEMPIO :
diametro nucleo : 2,5 μm, n1 =1,527
diametro mantello : 40 μm, n2 =1,517
Fibre ottiche
•
Una fibra ottica è realizzata in vetro o silicio fuso, e purchè il materiale sia un
dielettrico trasparente alla luce, può essere realizzata anche in plastica. Il suo
utilizzo è quello di trasportare energia luminosa in modo guidato. Una
caratteristica che deriva direttamente dalla sua natura, è l'immunità della fibra
ottica ai disturbi di natura elettromagnetica; tale proprietà impedisce fenomeni
di interferenza (diafonia), così come non permette di prelevare segnale
dall'esterno (intercettazione).
Alcuni esempi
Le fibre vengono indicate indicate attraverso il diametro
del nucleo (N) e quello del mantello (M) scritti in questo
modo:
N/M
N ed M sono espressi μm (0.000001 m)
e specificando se sono monomodali o multimodali
Due tipiche fibre multimodali sono 50/125 e 62.5/125
mentre una fibra monomodale è 10/125
Fibra ottica
Le prime fibre ottiche furono realizzate nel 1953. Tuttavia il loro
impiego era limitato dalle grandi attenuazioni.
L’ampiezza del segnale ricevuto da una fibra lunga 1 Km risultava
10100 volte inferiore rispetto all’ampiezza del segnale trasmesso.
I valori di attenuazione ottenuti con le odierne tecnologie sono tali per
cui:
ampiezza segnale ricevuto > 0.96 * ampiezza segnale trasmesso
Una fibra ottica si presenta come un sottile filo di materiale vetroso
costituito da due parti: il nucleo (core) ed il mantello (cladding)
Nucleo
(filo di vetro)
mantello
Fibra ottica: come funziona?
Massimo angolo
di accettazione
Cono di accettazione
Cono di accettazione
L’angolo di accettazione dipende
dall’indice di rifrazione dei materiali
che costituiscono il nucleo ed il
mantello
Fibra ottica
Ci sono poi altri rivestimenti e strati protettivi:
Un cavo in fibra ottica possono contenere più fibre,
addirittura alcune decine o centinaia.
Riflessione e rifrazione
•
La velocità della luce varia sensibilmente a seconda del mezzo attraversato. Nel vuoto
tale velocità si indica con c e vale: c = 3 · 108 m/s
•
Nei materiali a maggior densità, la velocità della luce, indicata con v, è inferiore. Si
definisce indice di rifrazione il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto c rispetto a
quella nel mezzo v e si indica con n=c/v.
•
Un raggio di luce che viaggia in un mezzo 1 con indice di rifrazione n1 e che entra in un
mezzo 2 con indice di rifrazione n2 diverso da n1, si divide in un raggio riflesso nel
mezzo 1 e in un raggio rifratto che si propaga nel mezzo 2.
•
L'angolo di rifrazione
dipende da quello di
incidenza e dagli
indici di rifrazione dei
due mezzi.
•
Se n1 > n2 si ha: β >α . All'aumentare dell'angolo di incidenza, l'angolo di rifrazione
aumenta.
•
Angolo limite: angolo αL per cui β=90°, scompare la rifrazione e tutto ils egnale viene
riflesso.
FIBRE OTTICHE
•
n1 viene scelto leggermente superiore a n2. In questo modo la
propagazione del segnale ottico avviene nel nucleo per successive
riflessioni sulla superficie di separazione tra nucleo e mantello.
MANTELLO
NUCLEO
Effetti della fibra sulla trasmissione di impulsi
•
Nel caso di trasmissioni numeriche l'allargamento degli impulsi luminosi che transitano
lungo la fibra limita la frequenza massima di lavoro.
•
Nelle fibre multimodali si ricevono varie copie ritardate dello stesso segnale. Si parla in
questo caso di dispersione modale.
•
Come conseguenza si può avere la parziale sovrapposizione dei segnali uscita, fenomeno
noto come interferenza intersimbolica, che compromette la corretta rivelazione dei dati.
•
Il fenomeno dell’allargamento degli impulsi e dell’interferenza simbolica è particolarmente
importante nelle fibre multimodali, poiché ogni modo che si propaga nella fibra segue un
percorso diverso e quindi arriva in tempi diversi a destinazione. Altre cause che
determinano la dispersione modale sono la superficie irregolare del mantello che provoca
riflessioni anomale, conicità del nucleo che determina variazione della direzione del raggio
riflesso e la superficie di giunzione tra due fibre che modifica la direzione del raggio.
•
Nelle fibre monomodali si ha un solo modo che si propaga e quindi il fenomeno della
dispersione modale non esiste.
Effetti della fibra sulla trasmissione di impulsi
•
Per ridurre la dispersione modale occorre rendere gli indici di rifrazione n1 e n2
molto vicini tra loro. Al limite, se n1 = n2, si avrebbe α L = 90° e quindi la luce si
può propagare lungo la direzione dell'asse. In questo caso esiste una sola direzione
di propagazione e quest'ultima si dice monomodale.
•
Se n1 è diverso da n2 esistono più modi di propagazione e quest'ultima si dice
multimodale.
•
La propagazione monomodale si può ottenere anche con n1 ≠ n2 ma rendendo il
diametro del core molto piccolo e paragonabile alla lunghezza d'onda della
radiazione usata. Nella propagazione monomodale, però, si penalizza l'apertura
numerica.
Esempio
•
Nel caso in cui n1=1.48 e n2=1.46 si ha:
NA = 0.242; φ Μ = 14° per n0 = 1 e Δt/L = 67.8 ns/Km; αL = 80°
Numero di modi in una fibra
•
Il numero di modi M che si propagano in una fibra è:
1 ⎛ π d NA ⎞
M= ⎜
⎟
2⎝ λ ⎠
2
dove d = diametro del nucleo e NA l’apertura numerica e λ la lunghezza d’onda
FIBRE OTTICHE
segnale disperso
S
O
R
G
E
N
T
E
•
In una fibra ottica si propagano M modi indipendenti con
Modo di ordine
elevato
Modo di ordine
basso
M = 0,5 ( π d Na / λ)2
dove
d= diametro del nucleo, λ = lunghezza d’onda
•
Se M > 1 si ha una FIBRA MULTIMODALE, che presenta un costo minore, ma anche
prestazioni inferiori. Le fibre multimodali operano sostanzialmente nella prima finestra.
•
Se M = 1 si ha una FIBRA MONOMODALE, che presenta costi maggiori, ma prestazioni
migliori. Attualmente le fibre usate nelle telecomunicazioni sono di tipo monomodale.
Classificazione delle fibre
Fibra ottica
multimodale
Fibra ottica
monomodale
Difficoltà
nelle
giunzioni
Perdite nelle fibre ottiche
•
•
•
Nelle fibre sono presenti sostanzialmente due fenomeni che provocano
perdite nel segnale trasmesso:
– l’attenuazione del segnale
– la dispersione.
Nelle fibre si possono verificare tre cause di dispersione:
– dispersione modale
– dispersione del materiale
– dispersione di guida d’onda
Le tre dispersioni precedentemente descritte determinano una limitazione
della banda passante dell'intero collegamento
Attenuazione
Finestre
Finestre ottiche
•
I sistemi di trasmissione utilizzano tre intervalli di lunghezze d'onda dette
finestre ottiche per le quali risultano tecnologicamente ottimizzate sia le
fibre che i dispositivi trasmettitori e ricevitori di luce. Tali finestre sono:
•
1a finestra 0.8 < λ < 0.9 m m (vicino infrarosso);
•
2a finestra 1.3 < λ < 1.35 m m;
•
3a finestra λ ≅ 1.55 m m (lontano infrarosso).
•
Attualmente le finestre più utilizzate sono la 2a e la 3a a causa delle basse
perdite valutabili intorno a 0.2-0.5dB/Km.
•
Per ottenere attenuazioni ancora più ridotte si possono impiegare fibre al
cloruro di potassio (KCl).
Sorgenti ottiche
Le sorgenti del segnale luminoso possono essere LED
(cioè diodi in grado di emettere luce) e laser.
Il laser è più sofisticato e costoso del diodo ma è più
preciso. Per questo viene utilizzato sulle fibre
monomodali
Velocità di trasmissione
Le fibre ottiche permettono di raggiungere velocità
di trasmissione elevatissime. La banda a
disposizione su 1 Km di fibra è di circa:
• 500 MHz se si usa una fibra multimodale e LED
• 1 GHz se si usano laser su fibra multimodale
• da decine a centinaia di GHz su fibra monomodale
e con laser sofisticati.
Questo per ogni singola fibra !!!!
Ma in un cavo ci possono essere decine o centinai di
fibre !!!!!
FIBRE OTTICHE
Schema del sistema di comunicazione
•
Schema generale di un sistema di comunicazione in fibra ottica
1 0 1 0 0 1
0
0
10 1 0 0 1 1 0
10 1 0 0 1 1 0
SORGENTE
OTTICA
RIVELATORE
OTTICO
•
Sorgenti ottiche
• LED ( Light Emittor Diode) : dispositivi con costo ridotto, ma con basse prestazioni
• LASER :srgenti per reti con prestazioni medio-alte
•
Rivelatori ottici
• PIN (Positive-Intrinsic- Negative)
• APD ( Avalanche PhotoDiode)
FIBRE OTTICHE
Sorgenti ottiche
LED
•
I LED hanno scarse prestazioni intermini di larghezza di riga emessa e di potenza emessa,
mentre hanno il vantaggio di un basso costo e alta affidabilità.. Sono utilizzati dove non sono
richieste bande troppo elevate e su distanze piccole. Ad esempio i LED sono molto utilizzati
nell’ambito delle reti locali.
FIBRE OTTICHE
VANTAGGI OFFERTI DALLE FIBRE OTTICHE
•
•
•
•
•
•
•
•
Piccolo ingombro : diametro di una fibra approssimativamente di 0,1 mm, mentre
un cavo coassiale ha un diametro di 10-12 mm.
Flessibilità : le fibre ottiche risultano molto flessibili e possono essere cablate in
qualunque ambiente.
Basse attenuazioni
Grandi larghezze di bande : le fibre ottiche consentono di ottenere bande di decine
o centinaia di GHz / Km
Basse interferenze con altre fibre ( crosstalk)
Bassi disturbi : nelle fibre si può raggiungere facilmente probabilità di errore
inferiori a 10-9.
Sono immuni a disturbi elettromagnetici
Sono molto resistenti alle alte temperature
Cavi ottici
•
Le fibre ottiche sono inserite in una struttura denominata cavo ottico in grado di
resistere alle sollecitazioni esterne di trazione e torsione.
•
Ogni fibra, oltre al rivestimento primario, presenta un rivestimento secondario,
spesso di tipo a doppio strato, di materiale plastico. Il cavo ottico presenta delle
caratteristiche che dipendono dal numero di fibre nel cavo (da quattro ad alcune
centinaia), dal tipo di posa (aerea, sotterranea, sottomarina), ecc. In un cavo
ottico possono prendere posto numerose fibre disposte in particolari
configurazioni in funzione dell'uso che se ne fa.
•
All'interno del cavo ottico è inserito un cavo di tiraggio utilizzato, durante la
posa in opera, per limitare l'allungamento e la torsione che possono provocare la
rottura della fibra. Il cavo è rivestito da una guaina di PVC o polietilene.
Cavi
ottici
Le strutture di un cavo dipendono dalla ditta costruttrice e si dividono in:
•
a) a gruppo;
•
b) a nastro;
•
c) a solchi;
•
d) a strati concentrici.
Nastro
Strati concentrici
Gruppi
Solchi
Sistemi radio
•
Classificazione delle frequenze
Frequenze
Banda
Servizi
3 Hz-30 KHz
ELF,VLF
Comunicazioni sottomarine
30-300 KHz
LF
0.3-3 MHz
MF
3-30 MHz
HF
30-300 MHz
VHF
0.3-3 GHz
UHF
3-30 GHz
SHF
30-300 GHz
EHF
300-107 GHz
IR-ottiche
Comunicazioni navali a lungo
raggio
Comunicazioni marittime,
diffusione radio
Diffusione radio, telefonia,
telegrafo, radio amatoriale,
comunicazioni da aerei a lungo
raggio
Televisione, diffusione radio in
FM, controllo traffico aereo
Televisione, radar, radiomobili,
comunicazioni satellitari
Radar, link a microonde,
comunicazioni satellitari
Radar, comunicazioni militari,
satellite
Comunicazioni ottiche
Frequenza e lunghezza d’onda
I segnali informazione
conterranno
in
prevalenza
frequenze
che non possono essere
trasmesse direttamente.
Per esempio un segnale
audio può includere
frequenze comprese fra
20 Hz e 20 kHz.
Si consideri la lunghezza
d’onda delle frequenze
audio come mostrato a
fianco.
Velocità della luce
Lunghezza d’onda = --------------------Frequenza
300.000 Km/sec
Lunghezza d’onda = --------------------- =
20 Hz
=
15.000 Km
300.000 Km/sec
Lunghezza d’onda = --------------------20.000 Hz
=
15 Km
Alcuni esempi per l’uso delle frequenze
•
•
•
•
•
900 MHz e 1800 MHz
– Sistema cellulare GSM
2GHz to 40GHz
– Sistema cellulare di terza generazione UMTS a 2 GHz
– Trasmissioni in ponte radio punto-punto (alta direttività delle antenne)
– Collegamenti via satellite
30MHz to 1GHz
– Broadcast radio con antenne omnidirezionali
3 x 1011 to 2 x 1014 Hz
( 300 GHz – 200.000 GHz=200 THz)
– Trasmissioni ad infrarosso (breve raggio d’azione)
Per tutti gli esempi riportati in questa pagina, il segnale elettromagnetico si
propaga tra punti in vista ottica (come la luce): Line of Sight (LOS)
Caratteristiche delle bande di frequenza
•
•
L’influenza dell’ambiente naturale sulla propagazione dipende dalla
frequenza
Si possono distinguere orientativamente i seguenti intervalli
– f < 30 KHz: l’onda è riflessa dalla ionosfera e si ha una sorta di guida d’onda
terra-atmosfera.
– 30 KHz < f < 3 MHz: la propagazione è influenzata dalla presenza del terreno.
Comunicazioni a distanza di centinaia di Km si hanno per onda superficiale
(trasmissione radio AM)
– 3 MHz < f < 30 MHz: l’onda è riflessa dalla ionosfera. I segnali possono coprire
grandi distanze con più salti mediante riflessioni successive sulla ionosfera e
sulla terra
– f > 30 MHZ: gli effetti più rilevanti, fino a frequenze dell’ordine del GHz, sono
associati all’interferenza tra raggio diretto e raggio riflesso dal terreno. A
frequenze superiori a 10 GHz, diventano preponderanti attenuazione e
scattering dovuti a idrometeore e gas atmosferici (principalmente vapor
d’acqua)
Spettro della radiazione elettromagnetica
Logaritmo
•
•
Dato un numero x si definisce log10 x quel numero y per cui 10Y=x
Esempi:
– log10 0,001=-3 poiché 10-3=0,001
– log10 0,01=-2 poiché 10-2=0,01
– log10 0,1=-1 poiché 10-1=0,1
– log10 1=0 poiché 100=1
– log10 10=1 poiché 101=10
– log10 100=2 poiché 102=100
– log10 1000=3 poiché 103=1000
•
Proprietà del logaritmo:
– log10 (x y) = log10 x + log10 y
– log10 (x/y) = log10 x - log10 y
I decibel
• Il decibel ( indicato sinteticamente con dB)
viene utilizzato per indicare un valore di
tensione , corrente o potenza relativo
– dB=20 log10 (V2 /V1)
– dB=20 log10 (I2 /I1)
– dB=10 log10 (P2 /P1)
Calcolo dB
•
Dati due segnali di potenza P1e P2
2
V
P1 = I12 R = 1
R
Si ha:
2
V
P2 = I 22 R = 2
R
P1
V12
V1
A = 10 log10
= 10 log10 2 = 20 log
P2
V2
V2
Calcolo dB
•
Dati due segnali di potenza P1e P2 su resistenze diverse
2
V
P1 = I12 R1 = 1
R1
Si ha:
2
V
P2 = I 22 R2 = 2
R2
P1
V12 R2
V1
R2
A = 10 log10
= 10 log10 2
= 20 log + 20 log
P2
V2 R1
V2
R1
Esempi
Esempio 1
• All’uscita di un amplificatore si ha una potenza di 3,5 W
mentre al suo ingresso il segnale ha una potenza di 20
mW.
• Il guadagno è di : G= 3,5 / 0,020= 175 e in dB G è 10
Log10 175 = 10 2,24 = 22.4 dB
Esempio n. 2
• La potenza di un segnale all’ingresso di un canale è 150
W, mentre alla sua uscita si misura una potenza di 112 W.
• L’attenuazione dovuta al canale è: G= 112/150= 0.747 e in
dB si ha 10 Log10 0.747 = 10 (-0.127) = - 1.27 dB
Watt e dBW e dBm
•
•
•
•
•
•
La potenza di un segnale viene espressa in Watt (W). In certi casi si utilizza multipli e
sottomultipli del Watt.
1 mW= 0.001 W
1 KW = 1000 W
Unità di misura dBW: dato un segnale di potenza P, la potenza in dBW è P(dBW)=10
log10 (P/1W)
Unità di misura dBm: dato un segnale di potenza P espressa in mW, la potenza in dBm
è P(dBm)=10 log10 (P/1mW)
Esempio:
– P = 20 W si ha P(dBW)= 13 dBW ; P = 100 W si ha P(dBW) = 20 dBW
– P = 20 W si ha P(dBm)= 43 dBm ; P = 0,0004 W si ha P(dBm) = - 4 dBm
– si ha : 0 dBW = 30 dBm oppure - 30 dBW= 0 dBm
dBm e dBW
dBm
66
63
60
57
50
47
43
40
37
33
30
dBW
36
33
30
27
20
17
13
10
7
3
0
Watt
4000
2000
1000
500
100
50
20
10
5
2
1
dBm
30
27
23
20
17
13
10
7
6
3
0
-3
-6
dBW
0
-3
-7
-10
-13
-17
-20
-23
-24
-27
-30
-33
-36
MilliWatt
1000
500
200
100
50
20
10
5
4
2
1
0,5
0,25
dBmV
•
dBmV: Unità di misura assoluta che indica il valore della tensione relativa a 1
mV su un carico di 75 Ω. Un segnale di tensione di V volt può essere espresso in
dBmV mediante la seguente relazione:
V (espressa in mV )
V (dBmV ) = 20 log10
1 mV
•
Esempio:
–
–
–
–
–
–
–
–
V = 10 V :
V=2 V :
V=1V :
V=10 mV:
V= 1 mV
V= 500 μV
V=100 μV
V = 1 μV
V(dBmV)= 80 dBmV
V(dBmV)= 66 dBmV
V(dBmV)= 60 dBmV
V(dBmV)= 20 dBmV
V(dBmV)= 0 dBmV
V(dBmV)= - 6 dBmV
V(dBmV)= - 20 dBmV
V(dBmV)= -60 dBmV
Decibel o dB
•
Dati due segnali di potenza P1 e P2, si definisce rapporto tra le potenze in dB
il valore
A(dB ) = 10 log10
•
P1
= P1 (dBW ) − P2 (dBW )
P2
Il vantaggio di utilizzare i dB sono vari. In particolare i rapporti tra potenze
in scala lineare diventano differenze in dB; analogamente la moltiplicazione
tra potenze in scala lineare diventano somme in dB.
Rapporto di Potenza
100
101
102
103
104
105
106
dB
0
10
20
30
40
50
60
Rapporto di potenza
dB
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
-10
-20
-30
-40
-50
-60
Livelli relativi di tensione e potenza
• Si definisce livello relativo L di potenza P2 ( misurato in dBr)di
un punto A rispetto a un punto O con potenza Po il rapporto
P2
L(dBr ) = 10 Log10
Po
• Esempio:
• L = 0 dBr significa P2 = Po, cioè le potenze in A e O hanno lo
stesso valore
• L=10 dBr significa P2 =10 Po
• L=20 dBr significa P2 =100 Po
dBr
• Esempio
10dB
-5dB
Attenuatore
O
-5dB
Amplificatore
-5dBr
-5+10=5 dBr
Attenuatore
-5+5=0 dBr
A
• O e A hanno lo stesso livello di potenza ( 0 dBr)
• Se Po= 0 dBm allora P2 = 0 dBm
• Se Po = 3 dBm allora P2 = 3 dBm
dBr
• Esempio
20dB
-5dB
Attenuatore
O
-5dB
Amplificatore
-5dBr
Attenuatore
-5+20=15 dBr
-5+15=10 dBr
• Il segnale in A ha un potenza 10 volte più grande che in O
• Se P0 = 0 dBm ( 1 mW) allora P2 = 10 dBm ( 10 mW)
• Se Po = 3 dBm ( 2 mW) allora P2 = 13 dBm ( 20 mW)
A
Sistemi di trasmissione
• Sistemi radio
• Cavi
• Fibre ottiche
Attenuazione – confronti tra i cavi
Antenne
•
•
Le antenne possono essere divise in due categorie:
– Antenne non direttive;
– Antenne direttive.
Diagramma di radiazione di un’antenna
Antenna isotropa
• Se l’antenna trasmittente irradia nello stesso modo in tutte le
direzioni la potenza PT=WT si distribuisce su una sfera,
Antenna direttiva
• Sono antenne che hanno direzioni privilegiate di emissione.
• Nell’esempio è mostrata un’antenna parabolica che ha un
λ
illuminatore ( o feed), e la superficie della parabola riflette il
segnale emesso dal feed e lo focalizza in certe direzioni.
• In questo caso la potenza WT si distribuisce prevalentemente
lungo certe direzioni.
Guadagno di antenna
•
Un’antenna direttiva presenta un guadagno G rispetto ad un’antenna non
direttiva poiché concentra tutta l’energia in una direzione.
Guadagno G dell’antenna:
dove:
–
–
–
–
G =η
π 2 f 2d 2
c2
η=efficienza dell’antenna (η<1, tipicamente tra 0,4 e 0,9)
f= frequenza utilizzata
d=diametro dell’antenna
c=velocità della luce, cioè 3 108 m/s.
Guadagno dell’antenna in dB
G = 20,4 + 10 log10 η + 20 log10 ( f ) GHz + 20 log10 d
•
Esempi:
– se f=6,175 GHz , η=0,55 , d=30 m si ha : G=63,2 dB
– se f=1, 5 GHz, η=0,6, d=100 cm si ha G=21,7 dB
Antenne direttive
•
•
•
•
Il guadagno misura la capacità dell'antenna di concentrare le onde radio in una
particolare direzione
Con l'aumentare del di antenna, aumenta anche la capacità dell'antenna di
concentrare onde radio in un fascio più stretto.
Un'antenna molto grande produce un guadagno elevato e un "fascio filiforme"
molto stretto. Questo fascio, tuttavia, deve essere con precisione verso la
stazione ricevente per garantire lo sfruttamento completo dell'alto guadagno. Al
contrario, un'antenna piccola produce un fascio più ampio e un guadagno più
basso, ma richiede una precisione minore nel puntamento.
Oltre a fornire un guadagno elevato, la larghezza di fascio più stretta offre
maggiore resistenza alle interferenze.
Antenne direttive
•
•
•
•
•
L'antenna deve essere puntata nel modo più preciso possibile verso la direzione stabilita (
ad esempio, un satellite) per poterne sfruttare al massimo il guadagno in direzione di
questo e quindi la trasmessa e/o ricevuta.
Nelle comunicazioni satellitari, il satellite occupa in linea di principio una posizione fissa
nello spazio e pertanto le antenne di terra non devono essere costantemente orientate per
inseguire i suoi spostamenti. In pratica, il satellite vaga intorno alla propria posizione
orbitale nominale sotto l'influsso gravitazionale di altri corpi, quali la Luna.
Le piccole antenne, come quelle impiegate per la ricezione diretta delle trasmissioni
satellitari nelle abitazioni, possono essere puntate manualmente e e non sono sensibili alle
piccole variazioni di posizione del satellite nello spazio. Ciò è possibile perché la è
relativamente ampia e il guadagno rimane pressappoco costante durante gli spostamenti
del satellite rispetto alla posizione orbitale nominale.
Le antenne di terra di grosse dimensioni presentano una larghezza del fascio ridotta e gli
spostamenti del satellite possono spostarla fuori dalla portata, con una notevole riduzione
nel guadagno dell'antenna e quindi nell'intensità di segnale ricevuta dal satellite o da
terra. La soluzione consiste nell'utilizzare un sistema di inseguimento automatico capace
di riorientare l'antenna verso il satellite. I sistemi di inseguimento sono in genere richiesti
per antenne di diametro superiore ai 3 metri.
Il costo dei sistemi di inseguimento automatico non è giustificato per le antenne più
piccole
EIRP ( Effective Isotropically Radiated Power)
•
•
•
EIRP indica la potenza effettivamente irradiata all’uscita dall’antenna e tiene
perciò conto sia della potenza di trasmissione, sia del guadagno fornito
dall’antenna.
EIRP= PT GT
EIRP (in dBW)= PT ( dBW)+ GT(dB)
GT
PT
Trasmettitore
•
Esempio:
– P=1 W = 0 dBW, G= 35 dB per cui EIRP = 35 dBW
EIRP=PT+ GT
Pi
Attenuazione
•
Rete
Po
Se il segnale di ingresso ha una potenza Pi e un segnale di uscita con potenza
Po si definisce attenuazione della rete A il rapporto
Po
A=
Pi
•
•
Attenuazione in dB: A(dB)= 10 log10( Po / Pi) = Po (dBW)- Pi (dBW)
Esempio:
– Pi=1000 W, Po= 1 W, si ha una perdita o attenuazione A = - 30 dB;
– Pi=1 W, Po= 2 W, si ha una guadagno A = 3 dB;
– Pi= 1 W, Po= 0,5 W, si ha una perdita o attenuazione di A = - 3 dB;
Esempio:
1W
Rete
A=-27 dB
Uscita ?
•
Se l’attenuazione fosse -30dB si avrebbe una
potenza di uscita pari a 1/1000 dell’ingresso e
quindi 1 mW. Poiché si ha A=-27 dB e quindi
di 3 dB inferiore l’ampiezza è doppia cioè
Po=2 mW
Attenuazione nelle linee di trasmissione
•
Cavo coassiale per reti geografiche
– 2,6/9,5 mm attenuazione di 2,3 dB/Km
– 1,2/4,4 mm attenuazione di 5,3 dB/Km
– 0,7/2,9 mm attenuazione di 8,9 db/Km
•
Cavo coassiale Tick per Ethernet 10 Base 5 (cavo giallo)
– I cavi più utilizzati sono RG-213 o RG-8 con le seguenti caratteristiche :
• diametro 10.3 mm e impedenza nominale 50 Ω
• attenuazione ogni 100 m : 1,8 dB a 10 MHz, 6,23 a 100 MHz, 13,5 a 400 MHz
•
Cavo coassiale Thin per Ethernet 10 Base 2
– Cavo RG 58 con le seguenti caratteristiche :
• diametro 5 mm e impedenza nominale 50 Ω
• attenuazione ogni 100 : 3,7 dB m a 10 MHz, 11,3 a 100 MHz, 23,8 a 400 MHz
Attenuazione Fibre ottiche
•
•
Fibra ottica multimodale
– La fibra ottica multimodale (125/62.5 µm) è utilizzata per coprire
distanze di qualche chilometro, come sorgente trasmissiva viene
comunemente impiegato il LED con lunghezze d' onda di 850 ( prima
finestra) e 1300 nm (seconda finestra)
– attenuazioni di -3.5 dB/Km in prima finestra e -0.8 dB/Km in seconda
finestra .
Fibra ottica monomodale
– La fibra ottica monomodale (125/9 µm) viene impiegata per coprire
distanze nell' ordine delle decine di chilometri o superiori. Come
sorgente viene comunemente impiegato il diodo Laser con lunghezze d'
onda di 1300 ( seconda finestra) e 1500 nm (terza finestra)
– attenuazioni di -0.4 dB/Km (seconda finestra) e -0.2dB/Km (terza
finestra.
Cause di attenuazione nelle trasmissioni radio
•
Nelle trasmissioni radio si possono verificare numerose cause di attenuazione,
quali:
–
–
–
–
–
•
attenuazione di spazio libero
attenuazione dovuta a elettroni liberi
attenuazione dovuta a molecole di ossigeno
attenuazione dovuta al vapore acqueo
attenuazione dovuta alle condizioni atmosferiche
Attenuazione dovuta
alla presenza
dell’atmosfera
L’attenuazione introdotta da questi tipi di attenuazione dipende
sostanzialmente dalla frequenza.
Attenuazione di spazio libero
⎛ 4πfd ⎞
Ls = ⎜
⎟
⎝ c ⎠
•
Attenuazione di spazio libero
•
Attenuazione di spazio libero in dB
2
•
dove
– f = frequenza
– d = distanza
– c = velocità luce
Ls (dB) = 32,4 + 20 log10 f + 20 log10 d
con f in MHz e d in km
•
L’attenuazione aumenta con la frequenza e con la distanza. In particolare
l’attenuazione aumenta di 6 dB ogni volta che la frequenza o la distanza
raddoppia.
Esempi:
• Satellite geostazionario: f=6,125 GHz, d=35.800 Km si ha: Ls=198,6 dB
• WaveLAN: f=950 MHz, d= 10 Km si ha : Ls=111,6 dB
Attenuazione di spazio libero
Esempio:
• f=900 MHz
–
–
–
–
d=100m
d=1 Km
d=10 Km
d=100 Km
Esempio:
• f=20 GHz
Ls=71,5 dB
Ls=91,5 dB
Ls=111,5 dB
Ls=131,5 dB
Esempio:
• d=10 Km
–
–
–
–
f=100 MHz Ls=92,4 dB
f=1 GHz
Ls=112,4 dB
f=10 GHz
Ls=132,4 dB
d=100 Km Ls=152,4dB
–
–
–
–
d=100m
d=1 Km
d=10 Km
d=100 Km
Ls=98,5 dB
Ls=118,5 dB
Ls=138,5 dB
Ls=158,5 dB
Attenuazione dovuta all’atmosfera
•
Le cause di attenuazione
sono:
– elettroni liberi presenti
nell’atmosfera
– molecole di ossigeno
– vapore acqueo
Attenuazione dovuta alle condizioni atmosferiche
•
Le condizioni atmosferiche
possono attenuare in modo
significativo il segnale
trasmesso, quando la
frequenza di trasmissione è
elevata ( tipicamente oltre i
10 GHz). In particolare la
pioggia, ma anche altre
fenomeni atmosferici ( neve,
nebbia,…), influenza la
propagazione del segnale.
Attenuazione dovuta alle condizioni atmosferiche
Ipsogramma
•
Diagramma che mostra l’andamento in DB dei livelli di potenza.
•
Esempio: In figura, è mostrata una ipotetica trasmissione terra-satellite-terra, assieme
all'ipsogramma relativo.
I disturbi che alterano il segnale
•
•
•
Il segnale ricevuto può differire da quello trasmesso
– Per un segnale analogico peggiora la qualità del segnale misurata dal
rapporto Potenza del segnale utile / Potenza del rumore o rapporto
segnale/rumore (S/N)
Per un segnale digitale si utilizza la probabilità di errore
I disturbi che alterano il segnale nel passare attraverso il mezzo fisico sono
dovuti a:
– Distorsione (fase del segnale)
– Attenuazione (ampiezza del segnale)
– Ritardo
– Rumore (ampiezza del segnale)
Rumore
•
•
•
•
Rumore termico ( rumore di Johnson)
Rumore di intermodulazione
Crosstalk
Rumore impulsivo
Rumore termico
•
Dato un dispositivo a temperatura T °K con una banda W, questo genera un rumore
termico di potenza Pn data da:
Pn = KTW
dove K = costante di Boltzmann =1,3803 x 10-23 J/°K.
Potenza del rumore termico in dB
P n (in dB
•
K ( in dB ) + T ( in dB ) + W ( in dB )
Essendo K in dB dato da -228,6 dBW si ha:
P n (in dB
•
)=
)=
− 228 , 6 dBW
+ T ( in dB ) + W ( in dB )
Esempio 1:
– Consideriamo un ricevitore con temperatura T=100 °K e W=10 MHz la potenza di
rumore è Pn = -228,6 dBW + 10 log10 102 + 10 log10 107=-228,6+20+70=-138,6
dBW
•
Esempio 2:
– Dato un amplificatore con temperatura di rumore uguale a 10.000 °K e W=10 MHz
la potenza di rumore è Pn = -228,6 dBW + 10 log10 104 + 10 log10 107=228,6+40+70=-118,6 dBW
Densità spettrale del rumore
•
•
Indica come la potenza del rumore è distribuita in frequenza
Si indica generalmente con No e si misura in W/Hz
Rumore bianco
No
frequenza
•
Per il rumore termico si ha No=kT
Rumore selettivo in frequenza
No
frequenza
Rumore dovuto all’atmosfera
Rapporto segnale-rumore (S/N)
•
•
•
Il rapporto segnale rumore è definito come il rapporto tra la potenza S del
segnale e la potenza N del rumore.
In dB si ha : S/N ( in dB) = S(in dB) - N (in dB)
Tabella
Esempi:
S/N
1
2
4
10
Log10 S/N
Log10 1 = 0
Log10 2 = 0,3
Log10 4 = 0,6
Log10 10 = 1
– S/N=0 dB se S=N per cui il segnale e il rumore hanno la stessa
potenza.
– S/N=3 dB se S=2N per cui il segnale ha una potenza doppia del
rumore
– S=N = 10 dB se S=10 N per cui il segnale ha una potenza doppia
del rumore
Figura di rumore (F)
•
•
Si/Ni = rapporto segnale-rumore all’ingresso S /N
i
i
So/No = rapporto segnale-rumore all’uscita
Sistema
So/No
Figura di rumore F ( Noise Figure) di un dispositivo o di un sistema
⎛ Si ⎞
⎜⎜ ⎟⎟
N
F=⎝ i⎠
⎛ So ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ No ⎠
•
•
•
oppure in dB
⎛S ⎞
⎛S ⎞
F (in dB ) = ⎜⎜ i ⎟⎟ − ⎜⎜ o ⎟⎟
⎝ N i ⎠in dB ⎝ N o ⎠ in dB
La figura di rumore è una misura del rumore introdotto dal dispositivo.
Se F = 0 dB ( cioè Si/Ni < So/No) , il dispositivo non cambia il rapporto segnale/rumore.
Se F< 0dB ( cioè Si/Ni < So/No) , il dispositivo ha all’uscita un rapporto segnale-rumore
migliore rispetto all’ingresso.
Se F > 0dB ( cioè Si/Ni > So/No) , il dispositivo ha all’uscita un rapporto segnale-rumore
migliore rispetto all’ingresso.
•
•
Esempio: se Si/Ni = 50 dB e NF=10 dB si ha So/No=40 dB
Figura di rumore e temperatura di rumore
•
La figura di rumore è vicino a 1 per dispositivi con basso rumore. Per questi
motivi conviene spesso utilizzare un altro parametro legato ad esso e indicato
con il termine di temperatura equivalente di rumore.
Ni = kTiW
Dispositivo
Nu =G Ni+G Ne
Ne = kTe W
Temperatura equivalente di rumore Te
Ti + Te
Te
NF
=
+
=
1
Figura di rumore
Ti
Ti
G= guadagno dispositivo
Ti=temperatura rumore
ingresso
Te=temperatura rumore
dispositivo
W=banda
So=GSi
Figura di rumore in dB : F= 10 log 10(1+ Te/Ti)
•Temperatura equivalente di rumore:
•Te=(F-1) Ti in scala lineare
•in dB Te= 10 log 10(F-1)+ 10 log 10 Ti
Esempi:
• Te=400 °K, Ti=300 °K da cui F=10 log (1+400/300) = 3,7 dB
• NF=4 , Ti=290 °K, da cui Te=438,4 °K
Figura di rumore e temperatura di rumore
•
•
•
•
La figura di rumore indica il rumore introdotto da un dispositivo o un’apparato
rispetto al rumore al suo ingresso.
Il confronto tra diversi dispositivi con diverse temperature di ingresso è
alquanto difficile.
Per ovviare a questo inconveniente si utilizza una temperatura di ingresso di
riferimento Ti=290°K
La densità spettrale No=kT=1,38 10-23 290= 400 10-23 W/Hz per cui in dBW si
ha :
No = -204 dBW
Figura di rumore e temperatura di rumore
Esempio:
• Un dispositivo con F=10 dB ( peggiora il rapporto segnale rumore di 10 volte)
• Ti=290 °K
• Si ottiene una temperatura equivalente di rumore Te = 2900 °K - 290 = 2610 °K
Alcuni valori di F e T
F (dB)
15
14
13
12
11
10
9
8
7
Te ( °K)
8950
7000
5500
4300
3350
2610
2015
1540
1165
F (dB)
6
5
4
3
2,5
2
1,5
1
0,5
Te (°K)
865
627
439
289
226
170
120
75
35,4
Dispositivi in cascata
Ni
G1
G2
Nu
•
•
•
•
Gj = guadagno del j-mo dispositivo Dj ;
Nd,j = potenza di rumore introdotta dal jmo dispositivo
Ni = potenza di rumore all’ingresso
Nu = potenza di rumore all’uscita
Potenza del rumore in uscita
T ⎞
⎛
N u = G1G2 N i + G2 N d ,1 + N d , 2 = [G1G2 KTi + G2G1 KTd ,1 + G2 KTd , 2 )]W = G1G2 ⎜⎜ Ti + Td ,1 + d , 2 ⎟⎟W
G1 ⎠
⎝
Temperatura equivalente di rumore Te
Figura di rumore F
F2 − 1
F = F1 +
G1
Te = Td ,1 +
Td , 2
G1
Dispositivi in cascata
Ni
G1
G2
Gn
•
•
•
•
Temperatura equivalente di rumore Te
Figura di rumore F
•
•
F = F1 +
Nu
Gj = guadagno del j-mo dispositivo Dj ;
Nd,j = potenza di rumore introdotta dal jmo dispositivo
Ni = potenza di rumore all’ingresso
Nu = potenza di rumore all’uscita
Tu = T1 +
T2
T
Tn
+ 3 + ...... +
G1 G1G2
G1G2 .....Gn −1
Fn − 1
F2 − 1 F3 − 1
+
+ ........ +
G1
G1G2
G1G2 ...Gn −1
Il primo elemento della catena di ricezione ha una notevole importanza. Infatti se
il primo stadio ha un alto guadagno G1, allora la figura di rumore e la
temperatura di rumore sono sostanzialmente determinate dal primo elemento.
Per questo motivo il primo stadio (front-end) di un ricevitore è generalmente un
preamplificatore con basso rumore e elevato guadagno.
Link Budget o Equazione della tratta
Trasmettitore
Ricevitore
•
•
•
•
PT = potenza di trasmissione
α = attenuazione per Km
PR = potenza di ricezione
L = lunghezza del collegamento
•
•
Equazione della tratta: PR= PT /(α L)
Equazione della tratta ( in dBW): PR= PT - 10 log10α- 10 log10L
Equazione della tratta radio
PR =
PT GT GR
Ls La
e in dB
PR = PT + GT + GR − Ls − La
•
•
•
•
•
•
•
•
PT = potenza di trasmissione
PR = potenza di ricezione
d = lunghezza del collegamento
GT = guadagno antenna trasmissione
GR = guadagno antenna trasmissione
Ls = attenuazione di spazio libero
La = altri tipi di attenuazione
Nel caso di antenne non direttive (omnidirezionale o isotrope), per cui GT = GR =0 dB
si ha:
PR = PT- Ls - La
Esempi:
• Wave LAN: f=950 Mhz, PT =0.25 W ( +24 dBm), GT= GR = 10 dB ( antenna yagi)
d= 10 Km, Ls = 112 dB , La = 0 dB si ottiene
PR = 24 - 112 + 10 +10 dBm= -68 dBm= 10-6,8 W=0,16 μW
• Satellite geostazionario: f=6,125 GHz, d=35.800 Km, PT =40 dBW, GT= 54 dB, GR= 20
dB, Ls = 200 dB , La = 2 dB si ottiene
PR = 40+54+20-200-2= -88 dBW da cui PR = 10-8,8 W=0,002 μW
Rapporto segnale/rumore in una tratta radio
•
La potenza all’ingresso del ricevitore è
S=PR = PT + GT + GR - Ls - La
•
•
La potenza di rumore è N=Pn=kTW
Il rapporto segnale/rumore all’ingresso del ricevitore è S/N.
In dB si ha:
S
(in dB ) = ( EIRP) dBW + (Gr ) dB − ( La ) dB − ( Ls ) dB − (kTW ) dBW
N
= ( EIRP ) dBW + (Gr / T ) dB / ° K − ( La ) dB − ( Ls ) dB − (W ) dBHz + 228,6 dBW
•
•
Il parametro Gr/T è tipico di un ricevitore ed è indicato come cifra di merito.
Esempi:
– Satellite Eutelsat-ECS: Gr/T=-5,3 dB/°K
– Stazione a terra: Gr/T=37,7 dB/°K
Esempio: Supponiamo PT= 2 KW = 33 dBW, f=14 GHz, D=15 m, GT =64,2 dB,
EIRP=97,2 dB, W=80 MHz (e in dB uguale a 79 dB), Ls=206,5 dB, La=2 dB e
Gr/T=-5,3 dB/°K. Si ottiene:
S/N ( in dB) =33 dBW +64.2 -5.3 -206.5 -79 +228.6 = 35 dB
Link Budget per satelliti geostazionari
Esempio
Potenza trasmettitore
(dBW)
Guadagno antenna (dB)
Attenuazione spazio
libero (dB)
Attenuazione
atmosferica (dB)
Tempo buono
Attenuazione
atmosferica (dB)
Forti piogge
Guadagno antenna
ricevente ( dB)
Potenza ricevura (dBW)
Tempo buono
Potenza ricevura (dBW)
Forti piogge
Temperatura rumore
(°K)
Potenza di rumore
(dBW)
Rapporto
segnale-rumore (dB)
Tempo buono
Rapporto
segnale-rumore (dB)
Forti piogge
Tratta in salita
Tratta in
salita
12/14 GHz
25
Tratta in discesa
4/6 GHz
40
Tratta in
discesa
4/6 GHz
18
54
-200
16
-200
60
-208
44
-208
-0,1
-0,1
-0,5
-0,5
-2
-2
-10
-10
20
54
46
60
-86,1
-112,1
-77,5
-84,5
-88,1
-114,1
-87,5
-96,5
1000
1000
1000
1000
-128
-128
-128
-128
41,9
15,9
50,5
41,5
39,9
13,9
40,5
31,5
12/14 GHz
18
Rapporto segnale/rumore totale
•
Rapporto segnale-rumore nella tratta in
salita ( o uplink) : (S/N)u
Rapporto segnale-rumore nella tratta in
discesa ( o downlink) : (S/N)d
Rapporto segnale-rumore totale:(S/N)t
•
•
Rapporto segnale-rumore totale
1
1
1
=
+
( S / N )t ( S / N )u ( S / N ) d
•
Il precedente calcolo va effettuato utilizzando i valori lineari e non i dB.
•
Esempio:
– (S/N))u =28 dB=630,96
da cui
(S/N)d =23,9 dB=245,47
1
1
1
1
1
1
=
+
=
+
=
= 5,66 10 −3
( S / N ) t ( S / N ) u ( S / N ) d 630,96 245,47 176,72
e in dB si ha (S/N))u =22,5 dB
uplink
downlink
Sensibilità del ricevitore
• Esempio di un ricevitore radio nella banda 40
MHz
• Limite di sensibilità Limite di frequenza entro
cui il segnale è ricostruito
– -120 dBm (0,3V) demodulazione instabile anche a
40,675MHz
– -110 dBm (1V) 40,676 – 40,674 MHz
– -90 dBm (10V) 40,676 – 40,672 MHz
– -80 dBm (30V) 40,676 – 40,672 MHz