DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
TELECOMUNICAZIONI
2. Mezzi trasmissivi
Prof. Tozzi Gabriele – ITIS G. Marconi - Verona
giugno 2008
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2. Mezzi trasmissivi
2.1 - Mezzi trasmissivi guidati e non
guidati.
2.2 - Il doppino telefonico.
2.3 - Il cavo coassiale.
2.4 - La fibra ottica.
2.5 – Lo spazio e le comunicazioni wireless
2.6 - Le reti wireless.
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2.1 - Mezzi trasmissivi
guidati e non guidati.
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Mezzi trasmissivi guidati e non guidati
• Dal mezzo trasmissivo (canale
fisico, rappresentabile tramite un
quadripolo passivo) dipendono la
qualità di trasmissione e le
prestazioni dell’intero sistema di
trasmissione.
• La scelta del mezzo deve essere legata
al tipo di trasmissione e al tipo di
informazione da trasmettere.
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Mezzi trasmissivi guidati e non guidati
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2.2 Il doppino telefonico
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Il doppino telefonico
• IL DOPPINO INTRECCIATO, o ritorto, o binato
(Twisted pair). E’ un tipo di cavo molto utilizzato sia nella
telefonia sia nella maggior parte delle reti Ethernet attuali.
In genere un cavetto telefonico comprende 4 doppini.
• E’ formato da una coppia di fili conduttori (uno trasporta
il segnale e l’altro funge da riferimento di terra), in genere
di rame e spessi < 1 mm, intrecciati in modo da limitare il
fenomeno della diafonia.
approfondimento
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Il doppino telefonico
• L’applicazione più comune del doppino è il sistema
telefonico, nel quale può trasportare il segnale
vocale per diversi chilometri prima di dover essere
riamplificato tramite ripetitori.
• I doppini possono essere usati sia per
trasmissioni analogiche che digitali.
• La larghezza di banda disponibile dipende dallo
spessore del filo e dalla distanza percorsa, tuttavia
si può dire che il doppino telefonico ha una banda
lorda BP = 4 kHz, un rapporto S/N di 30 dB e una
capacità di canale C = 40 Kbit/s.
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Il doppino e le reti locali
• Nell’ambito delle LAN (Local Area Network)
si è assistito negli ultimi anni alla diffusione
sempre più vasta di reti Ethernet (10 Mbit/s)
o Fast Ethernet (100 Mbit/s) basate su
cablaggio in doppino UTP e protocolli di
trasmissione TCP/IP.
• Esistono due tipi di cavo per LAN basati su
doppino intrecciato: il cavo a doppino
schermato (STP, Shielded Twisted Pair) e il
cavo a doppino non schermato (UTP,
Unshielded Twisted Pair).
approfondimento
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Il doppino schermato (STP)
• In genere contiene 4 coppie (4 doppini) di sottili
fili di rame, ciascuna delle quali è avvolta da una
schermatura (calza) metallica; le 4 coppie insieme
sono poi avvolte in un ulteriore strato di calza
metallica, a sua volta inguainato con un isolamento
plastico.
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Il doppino schermato (STP)
• Se manca la schermatura delle singole coppie ed è
solo presente la calza metallica intorno al gruppo
delle 4 coppie, si ottiene il doppino screened,
(Screened UTP, ScUTP) o FTP (Foil Twisted Pair).
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Il doppino schermato (STP)
• Vantaggio della schermatura:
riduzione dei disturbi elettromagnetici.
• Svantaggi della schermatura:
1. Aumento di dimensione, peso, e
costo del cavo;
2. Difficoltà di installazione (la calza
metallica deve essere messa a
terra).
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Il doppino non schermato (UTP)
• Mentre inizialmente è stato largamente usato il cavo
coassiale, nelle reti locali più recenti il mezzo elettrico
più diffuso è il doppino ritorto non schermato (UTP),
• Esso comprende tipicamente due o quattro coppie di
fili di rame intrecciati, incamiciate in una guaina di
teflon.
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Il doppino non schermato (UTP)
• Vantaggi dell’UTP:
1)
2)
3)
4)
Diametro ridotto;
Maggior facilità di installazione (assenza di messa a terra);
Basso costo;
Si può utilizzare il connettore RJ-45, facile da realizzare;
• Svantaggio dell’UTP: è più suscettibile ai rumori
elettrici e alle interferenze.
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Classificazione dei doppini per LAN
Nello scegliere il tipo di doppino per Reti Locali, il criterio per valutarne l’idoneità
dipende dai parametri elettrici che il mezzo presenta nelle varie condizioni di
utilizzo. A tal scopo sono state individuate le “categorie” (CAT).
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2.3 Il cavo coassiale
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Cavo coassiale
• Il cavo coassiale è costituito da un conduttore di
rame circondato da uno strato isolante (plastica),
all’esterno del quale è posta una calza metallica che
realizza le funzioni di conduttore di ritorno e di
schermo per il conduttore interno.
• Il tutto è poi avvolto da un isolante esterno (guaina
protettiva in gomma).
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Cavo coassiale
• Il connettore utilizzato sui cavi coassiali
prende il nome di connettore BNC, da
British Naval Connector, oppure Bayonet
Neil Concelman (dal nome dei due inventori)
o Bayonet Navy Connector.
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Prestazioni del cavo coassiale
1) Caratteristiche elettriche e di isolamento
migliori di quelle del cavetto UTP, ma maggior
difficoltà di installazione e maggior costo.
2) Banda passante più larga: fino a circa 60
MHz, oppure frequenze di cifra fino a 140
Mbit/s, per una capacità teorica di circa 4000
canali telefonici.
3) Minor attenuazione per unità di lunghezza
distanze maggiori senza l’uso di ripetitori.
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Impiego del cavo coassiale
1. Vasto campo d’impiego: trasmissioni
TV (per portare il segnale video
dall’antenna al televisore), sonde per
strumentazione elettronica,
alimentazione delle guide d’onda,
collegamento di LAN.
2. In passato è stato utilizzato per la
realizzazione delle tratte a lunga
distanza del sistema telefonico, ma
oggi per tale funzione è stato quasi del
tutto sostituito dalla fibra ottica.
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Cavo thicknet e thinnet
Esistono due tipi di cavo coassiale:
1. Il cavo spesso (thicknet)
2. Il cavo sottile (thinnet)
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Cavo Baseband
•
In funzione delle caratteristiche fisiche ed elettriche, sono
commercializzati due diversi tipi di cavo coassiale:
1. il Baseband
2. il Broadband.
1. Cavo BASEBAND:
Impedenza caratteristica: 50 Ω.
Utilizzato per la trasmissione digitale dei dati (TV via cavo con
servizi di trasmissione dati, LAN).
Banda (digitale) di 1-2 Gbit/s per distanze < 1Km (senza ripetitori).
Ha caratteristiche migliori del cavo broadband, ma quest’ultimo ha il
vantaggio di essere già in opera in grande quantità.
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Cavo Broadband
2. Cavo Broadband:
Impedenza caratteristica: 75 Ω.
Utilizzato per la trasmissione analogica.
Banda (analogica) di 300 MHz, per distanze < qualche decina
di Km.
E’ il cavo standard utilizzato nelle nostre case per il segnale TV.
Utilizzando la tecnica FDM è possibile trasmettere un elevato
numero di canali video a 6 MHz, più eventuali canali dati a 3
Mbit/s.
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2.4 La fibra ottica
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La propagazione ottica
• La propagazione simultanea nello spazio
libero di un campo elettrico e un campo
magnetico, oscillanti in piani perpendicolari
fra loro, è un fenomeno denominato onda
elettromagnetica.
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La propagazione ottica
• Tale onda
elettromagnetica
interagisce col mondo
circostante in modi
diversi a seconda del
suo spettro,
cioè della gamma di
frequenze di cui è
composta;
• In particolare, le
frequenze tra 400 e
800 THz sono rilevate
dall’occhio umano e
costituiscono la luce
visibile.
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La propagazione ottica
• Mentre altri tipi di
radiazione possono
propagarsi nello spazio
libero senza subire
eccessive distorsioni, la
radiazione ottica viene
assorbita dagli ostacoli e
dall’atmosfera, quindi
non può essere
utilizzata per la
propagazione libera.
• Tuttavia la luce può
essere imprigionata in
sottili cavi di vetro,
denominati fibre
ottiche.
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Struttura delle fibre ottiche
• Sono sottilissimi (≈ 200 μm) fili di materiale vetroso
(silice, SiO2), in cui si propaga una radiazione luminosa.
• Il sottilissimo filo cilindrico centrale in vetro, detto nucleo
(core), è immerso in uno strato esterno anch’esso di vetro,
detto mantello (cladding), che presenta un indice di
rifrazione diverso rispetto a quello del nucleo.
approfondimento
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Cavi in fibra ottica
• Il filo così realizzato
è poi ricoperto da
un apposito
rivestimento
protettivo e
raggruppato
insieme ad altre
fibre in una guaina
esterna per formare
un cavo in fibra
ottica.
approfondimento
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Prestazioni delle fibre ottiche
1. Peso ed ingombro ridotti, a parità di
banda passante, rispetto ad altri
mezzi trasmissivi.
due fibre ottiche, ad esempio, hanno una
banda maggiore di quella che si
otterrebbe con 1000 doppini, e hanno un
peso di ca. 100 kg/km contro gli 8000
kg/km dei doppini).
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Prestazioni delle fibre ottiche
2.
Totale immunità dai disturbi e.m., come
interferenze e. m., EMI, e interferenze radio,
RFI, notevolmente presenti in ambito industriale
e che si accoppiano al segnale negli altri mezzi
trasmissivi.
3.
Consentono l’isolamento elettrico tra
Trasmettitore e Ricevitore.
4.
Sono più sicure di altri mezzi (rendono più
difficile l’intrusione nelle comunicazioni poiché ci
si accorge facilmente se un estraneo sta
inserendo una sonda nel cavo).
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Prestazioni delle fibre ottiche
5. Resistenza maggiore ai fattori
ambientali. Possono attraversare ambienti
speciali in cui sono presenti esplosivi o
liquidi (infatti non trasportando energia elettrica non sono
soggette a cortocircuiti o archi elettrici).
6. Durata maggiore degli altri mezzi
(il vetro è
materiale inerte e non subisce corrosione).
7. Basso rapporto prezzo/velocità di
trasmissione e prezzo /lunghezza.
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Attenuazione
8. Consentono distanze di trasmissione
notevolmente maggiori e una
eccellente qualità del segnale, perché
l’attenuazione del segnale è molto
bassa: fino a 0,2 dB/km.
• Con una tale attenuazione una fibra è in
grado di guidare la luce per distanze di 100
km, senza la necessità di rigenerare il
segnale
approfondimento
giugno 2008
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Le finestre di attenuazione
• L’attenuazione presentata da una fibra
dipende dalla lunghezza d’onda della
radiazione che si propaga.
• E’ stato rilevato che vi sono tre zone
(finestre) centrate a 850 nm, 1300
nm e 1550 nm, in cui l’attenuazione
di una fibra è minima.
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Le finestre di attenuazione
• La prima finestra ha attenuazione più alta ma ha il
vantaggio di consentire l’utilizzo dello stesso materiale
per il LASER e i dispositivi elettronici.
• La terza finestra presenta una attenuazione più bassa
(perdita < 5% per km).
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Punti critici delle fibre ottiche
1) Consentono la comunicazione in una
sola direzione (nei due sensi
sarebbero necessarie 2 fibre).
2) Ne è costosa la realizzazione
costruttiva e la connessione tra
fibre.
3) Gli accessori e gli strumenti di prova
sono costosi.
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Propagazione nella fibra
• Le Leggi della riflessione e della rifrazione ci permettono di
stabilire due condizioni da rispettare al fine di ottenere la
propagazione della luce per riflessione totale all’interno del
nucleo:
1) il nucleo deve avere un indice di rifrazione (n1)
maggiore di quello del mantello (n2);
2) l’angolo di incidenza del raggio luminoso all’interno
del nucleo deve essere maggiore di un certo angolo limite
L (che dipende dagli indici di rifrazione n1 e n2) superato il
quale si ha l’assenza del raggio rifratto e si ha solo quello
riflesso, che contiene tutta l’energia del fascio incidente.
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Tre parametri importanti
1. Apertura numerica (NA): è il seno
dell’angolo di accettazione A e permette di
stabilire i limiti angolari rispetto all’asse del
nucleo (cono di accettazione), entro i quali la
propagazione della luce avviene in modo guidato,
cioè per riflessione totale. Valgono le seguenti
relazioni:
NA sin A n12 n22
n12
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n2
1
n
1
2
n1
1 sin2 L
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Dispersione modale
2. Dispersione modale
Se il diametro del nucleo di una fibra è abbastanza ampio
(>10μm), un impulso luminoso che entra nella fibra origina
diversi raggi, con diversi percorsi, detti modi di
propagazione, M).
Se M ≫ 1 si ha:
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M
2d2
22
2
NA
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Dispersione modale
Ciascun modo comporta una diversa lunghezza di
percorso, quindi un tempo di percorrenza diverso
tra ingresso e uscita. Questo produce una
deformazione (= dispersione modale) del segnale
ricostruito al rivelatore finale, a causa della
interferenza intersimbolica (sovrapposizione di
impulsi luminosi).
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Dispersione modale
Per limitare la dispersione modale
occorre:
ridurre al massimo la differenza tra gli indici
di rifrazione n1 ed n2 del nucleo e del
mantello,
oppure rendere graduale (graded) anziché
brusca (step) tale differenza, realizzando
così fibre graded index anziché fibre step
index, al fine di compensare con una
maggiore velocità le maggiori distanze
percorse e rendere così simili i tempi di
percorrenza dei raggi.
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Fibra graded index e step index
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Fibre monomodali
• Il problema della dispersione modale si può
risolvere radicalmente solo realizzando fibre in
cui sia permesso un unico modo di
propagazione (fibre monomodali o single
mode), caratterizzato da un raggio che si
propaga in un solo modo , ossia in linea retta.
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Fibre monomodali
• Per far ciò occorre
rimpicciolire il diametro del
nucleo fino a 8-10 μm.
• Ciò aumenta notevolmente
sia la velocità trasmissiva
sia la distanza a cui si
possono inviare i dati.
• La dimensione del nucleo,
tuttavia, rende problematico
l’accoppiamento della
sorgente luminosa, che in
tal caso deve essere un
LASER all’infrarosso,
concentrato.
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Fibre monomodali e multimodali
Confronto tra fibra monomodale e multimodale:
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Dispersione cromatica
3. Dispersione cromatica.
E’ causata dal diverso comportamento della fibra al variare
della lunghezza d’onda (ossia del colore) della radiazione
che vi si propaga.
Ciò è dovuto al fatto che la sorgente luminosa ha una certa
larghezza spettrale, in quanto la radiazione immessa nella
fibra non ha mai una lunghezza d’onda stabilita con
precisione, bensì ha un Δλ (da qualche nm a qualche decina
di nm).
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Dispersione cromatica
Anche questo tipo di dispersione ha come risultato la
restituzione all’estremità più lontana di un impulso allargato
e più basso rispetto all’impulso di origine, dovuto a
interferenza intersimbolica.
La dispersione cromatica si riduce impiegando sorgenti con
stretta larghezza spettrale (LASER) in cui Δλ ≈ 1-3 nm.
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Sistema di trasmissione ottica
• La propagazione entro una fibra ottica
avviene in formato numerico.
• Infatti, sebbene sia possibile generare e
trasmettere un segnale luminoso che vari in
maniera analogica, la trasmissione su fibra
ne determinerebbe una distorsione tale da
renderlo inutilizzabile.
• In conclusione l’unico tipo di segnale che
viene scambiato in un sistema ottico è
quello digitale binario.
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Sistema di trasmissione ottica
•
Un sistema di trasmissione ottica necessita di tre
componenti fondamentali:
1) La sorgente luminosa, un LED o un LASER, che
trasforma i segnali elettrici digitali in una serie di
impulsi luminosi (convertitore Elettro/Ottico);
2) il mezzo di trasmissione, cioè la fibra ottica vera e
propria;
3) il fotodiodo ricevitore (convertitore Ottico /
Elettrico), che riconverte gli impulsi luminosi nei
segnali elettrici originari. Il tempo di risposta tR di
un fotodiodo è ≈ 1 ns e questo limita la velocità di
trasmissione su una fibra ottica a 1/tR ≅ 1 Gbit/s.
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Sistema di trasmissione ottica
• Lo schema seguente rappresenta
genericamente un collegamento tra
una sorgente ed un ricevente
collegati da un canale di
trasmissione ottico.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Sistema di trasmissione ottica
• La necessità delle conversioni
elettroottica e optoelettronica
rappresenta un "collo di bottiglia" allo
sfruttamento della enorme banda della
fibra.
• Allo stato attuale della tecnologia infatti, é
difficile realizzare trasmissioni numeriche
monocanale a velocità maggiori di
qualche Gbit/s, perché i componenti
optoelettronici interfacciati alla fibra non
consentono di trattare segnali con una
velocità maggiore.
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WDM
• La banda complessiva di qualche THz messa a disposizione
dalla fibra deve quindi essere sfruttata in altra maniera.
• Si può ad esempio realizzare più trasmissioni
contemporanee di più flussi dati su diverse lunghezze
d’onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing,
Multiplazione a divisione di lunghezza d’onda).
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WDM
• A parte l'uso di componenti e tecnologie interamente ottiche,
l'unica maniera per sfruttare la grande capacità della fibra è quella di
ricorrere a sistemi multicanale digitali (DWDM, Digital WDM).
• Con questa struttura, ogni canale di trasmissione viene "aperto"
indipendentemente dagli altri, "modulando una portante" su una
particolare lunghezza d'onda 1, 2, 3,…, n.
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Larghezza di banda e frequenza di cifra
• La larghezza di banda B della fibra è legata alla massima
frequenza di cifra Fc utilizzabile per la trasmissione.
• Infatti si dimostra che:
Fc
1
B
[Hz]
2 t 2
dove:
Δt = indice di dispersione = larghezza dell’impulso elettrico
“allargato” ricevuto,
Fc = frequenza di cifra utilizzabile nella fibra.
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Larghezza di banda e frequenza di cifra
• Dato che la forma dell’impulso ricevuto è di
tipo gaussiano, si ottiene
0, 44
B
t
• Per impedire l’interferenza intersimbolica è
tipico distanziare ciascun bit di un intervallo
4Δt, per cui la frequenza di cifra realistica
risulta:
1
0,25
FC
4 t
t
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Prodotto Banda·Distanza
• La banda, essendo correlata alla dispersione, è di
conseguenza correlata alla distanza d coperta dalla fibra.
• In particolare: all’aumentare di d aumenta la dispersione,
quindi aumenta Δt e diminuisce la banda B.
• Si è così introdotto il parametro prestazionale
Banda·Distanza, definito come la banda per unità di
lunghezza, Bu [MHz·km].
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Banda modale e Banda Cromatica
• La banda passante B della fibra
dipende anche dalla dispersione
modale e dalla dispersione
cromatica.
• Infatti esiste una Banda Modale
(BM) e una Banda Cromatica (BC).
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Banda Modale
• Banda Modale:
BM
BuM
L
1
440
[MHz]
L t[ns / km]
dove:
BuM= Banda modale unitaria [MHz·km]
L = Lunghezza della fibra [km].
γ = fattore di concatenazione dei modi (≅ 0,5÷1; valore
tipico = 0,85). Per fibre molto corte si pone γ =1 (assenza di
concatenazione dei modi).
Δt = indice di dispersione [ns/km]
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Banda Cromatica
• Banda Cromatica:
BC
BuC 1
440
[MHz]
L
L t[ns / km]
dove:
BuC = Banda Cromatica unitaria [MHz·km]
L = Lunghezza della fibra [km]
Δt = indice di dispersione [ns/km]
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Banda Totale
•
Cumulando gli effetti delle due dispersioni
si ottiene la banda complessiva del
sistema ottico, che vale:
B
1
1
2
BM
1
BC
2
Osservazioni:
1. Per fibre multimodali: BC≃ 0 , B ≃ BM.
2. Per fibre monomodali: BM ≃ 0 , B ≃ BC.
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Approfondimenti
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La diafonia-1
• Consiste nell’ assorbimento di rumore
(per induzione elettromagnetica) da parte di
un doppino a causa della presenza di un
doppino vicino.
• Nel doppino ritorto la emissione di campi
e.m. viene limitata in quanto le correnti che
scorrono nei due conduttori sono uguali e
opposte in fase, generando così campi
magnetici opposti che tendono ad elidersi.
• Vi sono due tipi di diafonia: la paradiafonia
(o diafonia vicina) e la telediafonia (o
diafonia lontana).
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
La diafonia-2
• Nella paradiafonia il disturbo interessa i morsetti del
doppino disturbato vicini (lato TX) ai morsetti TX del
doppino disturbante;
• Nella telediafonia il disturbo si fa sentire ai morsetti
del doppino disturbato lontani (lato RX) dai morsetti TX
del doppino disturbante.
• La paradiafonia assume maggiore importanza poiché il
segnale disturbante agisce quando ancora non è
attenuato dalla propagazione.
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Doppini per LAN
• Negli ultimi anni i doppini hanno
migliorato notevolmente le loro
prestazioni.
• La tecnologia consente di supportare
frequenze trasmissive di 500-600
Mbit/s, rendendo il doppino una
valida alternativa alla fibra ottica in
questa gamma di frequenze.
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Costruzione di una fibra ottica
• Le fibre ottiche per telecomunicazioni
vengono realizzate mediante tecniche
basate sulla deposizione chimica in fase
di vapore (CVD, Chemical Vapour
Deposition), le quali permettono di
sintetizzare il materiale vetroso con un
elevato grado di purezza.
• La costruzione implica due distinte fasi
operative:
La realizzazione della preforma.
La realizzazione della fibra vera e propria a
partire dalla preforma.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
I cavi ottici
• I cavi ottici impiegati nelle telecomunicazioni sono
costituiti da:
un insieme di fibre,
da un elemento di tiro (acciaio o filato sintetico) necessario
per limitare l’allungamento e quindi possibili rotture in fase di
posa in opera,
da una guaina esterna in PVC.
• Possono anche essere presenti protezioni
dall’umidità, realizzate con apposite guaine.
• La struttura dei cavi è variabile, ma in genere è di 4
tipi:
giugno 2008
a
a
a
a
strati concentrici
solchi
nastri
gruppi
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Attenuazione di una fibra
•
Le tipologie di attenuazione di una fibra
possono essere suddivise in due grandi
categorie:
1) Attenuazione intrinseca, dovuta a perdite
intrinseche, dipendenti dalle caratteristiche del
processo tecnologico di realizzazione della fibra;
2) Attenuazione estrinseca, dovuta a perdite
estrinseche, originate dalle microcurvature e
irregolarità nella interconnessione dei vari tronchi di
fibra che formano l’intero collegamento.
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