PAOLA REDILI (*)
Guida al cavo
l cavo rappresenta spesso l’‘anello
debole’ di un sistema di trasmissione.
E’ infatti il mezzo che gestisce l’invio e
ricezione di segnali e può risultare
molto vulnerabile alle interferenze.
La progettazione, l’installazione, la scelta
della lunghezza del cavo da impiegare e le
caratteristiche dell’ambiente elettrico circostante determinano la velocità e qualità della
comunicazione. Cenelec ha elaborato uno
standard internazionale per la codifica dei
cavi; secondo le norme vengono riportate sul
cavo da 2 a 5 cifre, ossia E (conduttore), D (isolamento), C
(guaina), K (caratteristiche) e P (altro).
I
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Come il
cavo
telefonico
Il
doppino
twistato è il tipo
di cavo meno
costoso, più semplice da utilizzare e
diffuso. E’ costituito
da un semplice filo in
rame dotato di una copertura
in plastica protettiva, con o senza schermatura. Spesso si trova anche nella tipologia formata da due doppini twistati; esistono comunque diversi tipi di doppino, sviluppati da produttori differenti e con caratteristiche prestazionali variabili, fattori
che devono essere presi in seria considerazione nel
momento in cui si procede all’installazione. Sono diversi
anche gli strati di isolamento disponibili, da scegliere in
base all’ambiente in cui ci si trova a operare. Sono tre i
principali parametri che determinano la qualità del
cavo: resistenza, reattanza e attenuazione.
La resistenza elettrica, fornita come dato tecnico dal
produttore, viene misurata in W/km e varia in funzione
del materiale impiegato e della sezione del cavo. Il diametro dei cavi con conduttori solidi non dovrebbe essere inferiore a 0,5 mm e, nel caso di cavi multi-conduttori,
si raccomanda l’impiego di 0,2 mm2. A bassa velocità di
trasmissione la resistenza costituisce un fattore limitante. La capacità viene determinata dal fatto che nel cavo
Foto: Belden
Per realizzare
un sistema di
trasmissione efficiente
in campo industriale o
civile è opportuno
curare a fondo
il cablaggio
i conduttori sono separati l’uno dall’altro. L’effetto capacitivo si ha anche con doppini twistati tra conduttori e
schermature. A causa di questo fattore i segnali alle
varie frequenze vengono attenuati in modo diverso.
Tipicamente, viene dato un valore di attenuazione a
800 Hz. Un buon cavo, comunque, presenta una capacità di 50-70 pF/m; a velocità di trasmissione elevata la
capacità costituisce un fattore molto limitante.
La capacità viene indicata oltre che con pF/km, con
nF/km, due espressioni della stessa unità di misura
dove nF sta per ‘nano farad’ (10-9 farad), pF per ‘pico
farad’ (10-12 farad).
E’ possibile calcolare la resistenza di un cavo applicando la formula: Q = Rx A/l, dove Q rappresenta la resistività del materiale utilizzato (un cavo in rame avrà una
resistività di 0,017 mWm, o 0,017x10-6); R la resistività
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Tutorial
del cavo; A la sua sezione; l la sua lunghezza. Per i cavi
multipli la sezione del conduttore viene moltiplicata per
il numero di conduttori.
L’attenuazione del segnale su un cavo nel tragitto da
trasmittente a ricevente si misura in dB/km e aumenta
con il crescere della frequenza. Un aumento di attenuazione di 3 dB/km corrisponde a una potenza dimezzata.
La variante coassiale
Composto da un conduttore singolo in rame circondato
da una schermatura, il cavo coassiale è particolarmente adatto a comunicazioni ad alta velocità ed è caratterizzato da alte proprietà elettriche. Per mantenere
costante lo spazio tra schermo e cavo viene inserito
uno strato di plastica isolante di materiale dielettrico. La
schermatura viene impiegata come protezione e per i
segnali di ritorno. Fin dall’inizio per la comunicazione
Ethernet sono stati usati solo cavi coassiali. Ve ne sono
in particolare di due tipi: uno spesso (10Base5) e uno
fine (10Base2); oggi per Ethernet viene impiegato un
cavo speciale a 4 fili, 10BaseT. Un vantaggio offerto da
questa tipologia di cavo è la possibilità di utilizzo per
trasmissioni a banda larga. E’ infatti possibile trasmettere simultaneamente diversi canali.
Occhio alla fibra!
Anziché trasmettere segnali elettrici i cavi in fibra ottica
inviano segnalazioni luminose. Una fibra ottica può avere un’anima in fibra di vetro o di plastica in grado di
condurre la luce, circondata da uno strato più spesso
detto ‘cladding’ (rivestimento) che ne rende la superficie totalmente rifrangente; attorno a questo rivestimento
vi è poi uno strato protettivo che agisce da tampone.
Le fibre ottiche si distinguono in monomodali e multimodali; il primo tipo, dotato di un’anima molto sottile, viene
utilizzato con raggi laser per la trasmissione ad alta
velocità e a lunga distanza; il secondo, invece, leggermente più grosso, necessita maggiori rifrazioni perciò
presenta frequenze di trasmissione più basse e può
raggiungere distanze inferiori; è infatti indicato per la
trasmissione dati in ambito locale. Le fibre multimodali
più comuni sono del tipo 50/125 e 62,5/125 (Ø mm anima/cladding); per lunghe distanze invece sono più usate le monomodali 8/125 e 9/125. La fibra di plastica e il
cavo PCS sono forme più semplici da collegare e installare e sono adatti per brevi distanze e basse velocità di
trasmissione.
Il maggior vantaggio offerto dalla fibra ottica è rappresentato dall’immunità alle interferenze elettriche e
magnetiche per cui viene impiegata in ambienti industriali dove garantisce comunicazioni sicure e un’alta
capacità di trasmissione. Può essere anche impiegata
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per segmenti di rete molto vulnerabili ai disturbi in combinazione con connessioni che impiegano cavi a 4 fili.
L’attenuazione del segnale per la fibra è influenzata da:
diametro, lunghezza e numero di connessioni o collegamenti alla rete. Calcolando la differenza fra potenza in
uscita dal trasmittente e sensibilità del ricevente è possibile determinare la ‘riserva di potenza’ per il collegamento ottico.
Un convertitore per la comunicazione su fibra trasforma, tramite led, la corrente elettrica in segnali luminosi
che vengono ricevuti da un fotodiodo il quale, a sua volta, ricrea il segnale elettrico originale. I segnali inoltre
devono essere modulati per differenti portanti (frequenze), creando canali di trasmissione in entrambe le direzioni. I cavi in fibra possono anche essere impiegati per
la trasmissione a banda larga; in tal modo, vari canali
(bande di frequenza) vengono gestiti in parallelo, con la
possibilità di mischiare i canali dedicati alla trasmissione dei dati a quelli impiegati per telefono, TV e suono.
Per ora i cavi in fibra e la loro posa risultano più costosi
del rame, tuttavia presentano vantaggi non trascurabili
e il loro mercato è in crescita.
Interfacce per l’industria
L’interfaccia standard per la trasmissione dati in applicazioni industriali è V.11/RS-422, nata per la costruzione
di bus dati multipunto, in grado di creare un collegamento tra un PC principale e un certo numero di terminali. Bilanciata e relativamente immune alle interferenze,
utilizza 4 fili e cambia la polarità della coppia di fili in
rapporto alla trasmissione di 1 o 0. L’interfaccia RS-422
è stata originalmente pensata per gestire 10 unità,
anche se attualmente è possibile installarla collegando
fino a 32 moduli; la distanza massima consigliata è
1.200 m a 100 kbps, o 50 m a 10 Mbps. E’ anche possibile l’integrazione con un’interfaccia RS-485 o l’utilizzo,
mediante convertitori, con RS-423-A ed RS-449.
Il sistema RS-422 (4 fili) consente la trasmissione simultanea a due vie; il trasmettitore principale può essere
sempre attivo indipendentemente dallo stato delle stazioni slave. Una versione aggiornata di questa interfaccia è RS-485, impiegata sempre più come standard tra
unità differenti. Progettata per bus dati composti da un
massimo di 32 unità, è adatta a reti multipunto con configurazione master/slave ed è consigliata per una
distanza di 1.200 m. Un notevole vantaggio offerto da
questa soluzione è la possibilità di invertire il flusso dei
dati per realizzare comunicazioni half-duplex su linee a
due fili. Il metodo di trasmissione RS-485 fa da base a
molti standard bus, come Profibus, Bitbus e Interbus-S.
L’interfaccia RS-485 può essere anche utilizzata su
doppino in vari sistemi master/slave dove è possibile
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Foto: Brand-Rex
Tutorial
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indirizzare ciascuno slave; in questo caso occorre controllare la direzione della trasmissione dati o tramite un
segnale di handshaking (RTS/DCD), o tramite lo stesso
flusso di dati. Le unità collegate, poi, devono poter agire in ‘tri-state’, una modalità di trasmissione per cui il
trasmittente inattivo assume uno stato di alta impedenza e non carica la linea.
E’ anche importante terminare la linea con un circuito
dotato di impedenza uguale a quella caratteristica della
linea stessa, in modo da evitare la riflessione dei dati
alle estremità dei cavi: per RS-422 ed RS-485 si consiglia l’uso di una resistenza di 120 W.
Se nella rete non vi è alcun driver attivo, un circuito di
fail-safe può forzare la linea ad assumere uno stato inattivo noto. Senza tale circuito potrebbero verificarsi
disturbi sulla rete tali da causare malfunzionamenti nei
driver receiver con conseguenti
problemi di comunicazione. Se si impiega
un convertitore
per passare da
RS-232 a RS422/485 occorre considerare che
un driver RS485 deve talvolta entrare in
tri-state o receiver. Normalmente,
il segnale RTS del circuito RS-232 viene impiegato per controllare lo stato del convertitore: per funzionare correttamente il segnale del dispositivo deve essere alto per tutto il tempo della trasmissione dati, mentre
deve essere basso in fase di ricezione. Se non si è sicuri del risultato, o non si è in grado di gestire il segnale
RTS occorre impiegare convertitori che possano controllare la direzione in funzione dei soli dati ricevuti. Per
quanto concerne infine l’installazione, con una coppia
di fili twistati occorre chiudere la linea con una resistenza di 120 Ohm. Il cavo RS-232 non deve superare i 15
m di lunghezza, mentre gli spezzoni RS-422/485 devono essere il più possibile corti. Inoltre, RS-422/485
garantisce distanze di trasmissione fino a 1.200 m con
velocità pari a 100 kbps al massimo; con velocità inferiori è possibile raggiungere distanze maggiori. Con
V.24 si raccomanda l’impiego di cavi di lunghezza inferiore ai 15 m; per collegamenti più lunghi occorre impiegare dei modem a corta distanza, anche detti driver di
linea o modem a banda base. Questi trasformano l’interfaccia V.24 in segnali elettrici definiti trasmessi su
doppino twistato o su cavo a fibra ottica per distanze
anche di diversi km. Il modem a corta distanza ricevente trasforma nuovamente il segnale in V.24; chiaramente
occorre che i modem impieghino lo stesso standard e
condividano l’interfaccia per poter comunicare sul
cavo.
Le trasmissioni a lunga distanza su comuni fili di rame
possono essere relativamente inaffidabili dato l’elevata
probabilità d’interferenza. Spesso per aumentare l’affidabilità viene ridotta la velocità di trasmissione, oppure
viene trasmessa della corrente sulla rete. Se si applica il
metodo del ‘loop di corrente’, detto TTY, i segnali V.24
su doppino vengono trasformati in impulsi o mancanza
di corrente. Per far circolare corrente sul doppino il trasmittente viene collegato come attivo, il ricevente come
passivo, o viceversa. Questo migliora l’affidabilità, ma
rende la trasmissione più vulnerabile alle interferenze,
poiché il loop di corrente non è bilanciato.
Soppressione delle interferenze
In tutti i sistemi i segnali elettronici sono soggetti a interferenze; gli analogici tendono a essere maggiormente
esposti dato che tutti i punti di segnale (come ampiezza
e frequenza) possono anche costituire l’informazione.
Se il segnale viene colpito da un disturbo, il sistema
ricevente recepirà valori diversi da quelli inviati. I
segnali digitali sono meno soggetti a interferenze poiché presentano solo due stati: alto e basso. Tuttavia, a
causa dell’interazione fra rumori esterni, capacità, resistenza e induttanza dei cavi impiegati, le informazioni
contenute nei segnali possono venire distorte, rendendo anche irriconoscibili i dati.
Si sono sviluppate diverse tecniche per consentire la
trasmissione sicura dei dati sulle lunghe distanze, ma
anche ricorrendo a bus appositamente realizzati per
trasmissioni su lunga distanza le interferenze rimangono un problema. Isolamento e schermatura rappresentano alcuni accorgimenti atti a ridurre la sensibilità alle
interferenze. E’ essenziale, ad esempio, isolare galvanicamente i dispositivi per prevenire la propagazione dei
transienti ad altre forme d’interferenza. Per assicurare
l’isolamento si possono utilizzare relè, trasformatori,
amplificatori d’isolamento e optoaccoppiatori, che offrono prestazioni maggiori degli amplificatori differenziali. I
transienti in entrata possono essere eliminati con componenti di protezione quali varistori, condensatori, filtri
RC e diodi Zener.
Per aumentare la resistenza alle interferenze esterne,
poi, si può ricorrere a cavi con schermatura semplice o
doppia; generalmente tale schermatura va collegata a
terra a una sola estremità. Per combattere i rumori a
livello analogico, poi, si ricorre al filtraggio e ad algoritmi per il controllo degli errori. Infine, con le fibre ottiche
la trasmissione non risente di interferenze elettriche. ■
(*) Tratto da ‘Manuale Westermo’, realizzato dalla società
svedese Westermo, distribuita in Italia da Piero Bersanini
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