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9: Strato fisico: mezzi trasmissivi9: Strato fisico: mezzi trasmissivi

R. Cusani, F. Cuomo: Telecomunicazioni – Strato Fisico: Mezzi Trasmissivi, Marzo 2010

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Mezzi trasmissiviMezzi trasmissivi

mezzi trasmissivi guidati:

• doppino e sue varianti

• cavo coassiale

• fibra ottica

mezzi trasmissivi non guidati:

• ponti radio

• trasmissioni satellitari

• radiodiffusione

• infrarossi

Ne vedremo le caratteristiche e le applicazioni più diffuse


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Il doppinoIl doppino

Il doppino (o doppino intrecciato) è costituito da una coppia di fili di rame

isolati separatamente

La coppia di fili viene intrecciata, e costituisce una linea di comunicazione

singola

Solitamente si utilizzano fasci di doppini, che possono essere costituiti da

qualche coppia fino a centinaia di coppie

Il doppino è il mezzo più economico e più semplice da maneggiare


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Il doppino: caratteristicheIl doppino: caratteristiche

Utilizzato sia per trasmissioni analogiche che digitali

Tra i mezzi guidati è quello più sensibile a:

⇒ attenuazione del segnale sulla distanza: questo limita la distanza massima

oltre la quale si richiede l’inserimento di amplificatori o ripetitori;

tipicamente è necessario inserire amplificatori ogni 4/5 Km, mentre per le

trasmissioni digitali si deve far uso di ripetitori ogni 2/3 Km

⇒ interferenza: una coppia di fili si comporta come una antenna; si limita il

problema tramite l’avvolgimento della coppia di fili in una specie di spirale;

questo riduce la ricettività della “antenna” a segnali esterni

⇒ diafonia: questo fenomeno viene combattuto utilizzando avvolgimenti di

passo differente tra coppie adiacenti

⇒ rumore impulsivo

Per segnali analogici: larghezza di banda di circa 1 MHz

Per segnali digitali: su brevissime distanze, fino a centinaia di Mbps


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UTP (UTP (UnshieldedUnshielded TwistedTwisted PairPair))

L’ITU-T ha stabilito degli standard per la realizzazione dei doppini finalizzati alla

trasmissione dati

Gli standard prevedono cavi costituiti solitamente da quattro coppie di fili, isolati

singolarmente ed avvolti in spire a due a due; non è prevista schermatura

aggiuntiva (UTP: Unshielded Twisted Pair)

Le differenze delle diverse categorie sono essenzialmente nella realiz-zazione

degli avvolgimenti (più o meno frequenti); le categorie sono definite in base a

capacità di banda entro distanze definite (100 m)

⇒ UTP cat. 3: garantisce fino a 16 MHz di banda

⇒ UTP cat. 4: fino a 20 MHz

⇒ UTP cat. 5: fino a 100 MHz


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UTP (UTP (UnshieldedUnshielded TwistedTwisted PairPair))

Esistono definizioni per standard più performanti (cat. 5e, cat. 6, cat. 7)

I doppini UTP cat. 3 sono detti anche di qualità fonica, e sono utilizzati sia per

la telefonia che per la trasmissione dati fino a 10 Mbps. I doppini UTP cat. 5/5e

sono utilizzati nelle reti locali a velocità superiore (fino a 1 Gbps)


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STP (STP (ShieldedShielded TwistedTwisted PairPair))

L’ITU-T ha anche definito una standard per doppini dotati di schermatura,

ottenuta avvolgendo l’insieme di coppie con una calza conduttrice, in modo da

ridurre la sensibilità a segnali esterni

Questo standard si chiama STP (Shielded Twisted Pair) e viene utilizzato

nella trasmissione dati sulle reti locali, come l’UTP cat. 5.

La migliore schermatura permette all’STP di fornire a parità di attenuazione

una banda più ampia (300 MHz)

Pur avendo migliori prestazioni l’STP è un cavo più rigido dell’UTP, quindi di

minore maneggevolezza, più costoso, ed è utilizzato solamente in ambienti in

cui sono presenti forti sorgenti di disturbi elettromagnetici


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Applicazioni del doppinoApplicazioni del doppino

Il doppino per le sue caratteristiche di maneggevolezza e di basso costo è

molto diffuso

⇒ per la telefonia (quasi tutte le connessioni del sistema telefonico

nell’ultimo tratto sono costituite da doppini)

⇒ per le reti locali (il cablaggio degli edifici è generalmente realizzato

tramite UTP o STP)

Utilizzato sia per trasmissioni analogiche

⇒ canale telefonico a 4 KHz, canali dati via modem o modem ADSL

sia per trasmissioni digitali

⇒ Ethernet (10 Mbps)

⇒ FastEthernet (100 Mbps)

⇒ Gigabit Ethernet (1 Gbps)

⇒ altri protocolli (token ring, …)


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Il cavo coassialeIl cavo coassiale

Il cavo coassiale è costituito da un conduttore interno in rame, avvolto in un

isolante di materiale plastico (dielettrico) attorno al quale è posto il conduttore

esterno, costituito da una calza metallica, il tutto ricoperto da un rivestimento

esterno isolante


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Il cavo coassiale (Il cavo coassiale (contcont.).)

La sua struttura permette un miglior isolamento elettromagnetico, quindi una

minore sensibilità alle interferenze ed alla diafonia, ed una minore

attenuazione del segnale sulla distanza (che pure rimane il maggior problema

di questo mezzo) rispetto al doppino

è capace di una larghezza di banda fino a 500 MHz

Per questi motivi è molto diffuso per le connessioni a lunga distanza, per

trasmissioni a larga banda

Come il doppino necessita di amplificatori o ripetitori ogni qualche Km (più

frequenti in caso di trasmissione digitale, in funzione del tasso trasmissivo)


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Utilizzo del cavo coassialeUtilizzo del cavo coassiale

Esistono due tipi di cavo coassiale in base alle caratteristiche elettriche (che

dipendono dalla geometria del cavo), utilizzati storicamente per scopi

differenti:

⇒ Cavo con impedenza a 75 Ω: usualmente utilizzato per la trasmissione

analogica (distribuzione televisiva, TV via cavo, tratte di back-bone del

sistema telefonico con multiplexing FDM);

in multiplexing FDM può trasportare oltre 10000 canali vocali

contemporanei

⇒ Cavo a 50 Ω: solitamente utilizzato nella trasmissione digitale (per reti

locali, come Ethernet, token bus, e nelle connessioni dati a livello

geografico)


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Utilizzo del cavo coassialeUtilizzo del cavo coassiale

Lo standard Ethernet specifica due cavi differenti a 50 Ω : il cavo “giallo”, o

cavo thick, più grosso e poco maneggevole, la cui lunghezza massima è 500

m, ed il cavo “nero”, o thin, più flessibile e che non può essere più lungo di

circa 180 m.


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Fibra otticaFibra ottica

Il cavo in fibra ottica è costituito da

⇒ nucleo: sottile filo di sostanza vetrosa, generalmente silicio, molto fragile,

attraverso il quale si propaga la luce

⇒ mantello: sostanza che avvolge il nucleo con proprietà ottiche differenti

dal nucleo

⇒ guaina: sostanza plastica protettiva che avvolge il mantello, che protegge

il cavo da umidità e deformazioni


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Fibra otticaFibra ottica

Le proprietà ottiche di nucleo e mantello sono tali che la luce introdotta nel

nucleo con direzione opportuna non possa più uscire dal nucleo, ma venga

riflessa in modo da viaggiare lungo il nucleo fino a destinazione

I cavi per utilizzo breve possono essere a coppie di fibre; cavi per lunghe

tratte possono invece contenere centinaia di fibre distinte


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Trasmissione lungo la fibra: la rifrazioneTrasmissione lungo la fibra: la rifrazione

Quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro, subisce un cambio

di direzione (rifrazione)

L’ampiezza dell’angolo di rifrazione dipende dalle caratteristiche fisiche dei

due mezzi

Esiste un angolo di incidenza (angolo critico) oltre il quale il raggio viene

completamente riflesso entro il mezzo più denso


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Fibre multimodaliFibre multimodali

Nelle fibre multimodali il nucleo ha uno spessore di circa 50 micron

In queste condizioni la luce può avere diversi angoli di incidenza (diversi “modi”

di propagazione) e percorrere traiettorie spezzate di lunghezza diversa; questa

fibra si dice multimodale con indice a gradino

Una categoria simile è la fibra in cui l’indice di rifrazione nel nucleo non è

costante, ma variabile; la luce percorre traiettorie curve, sempre con modi

diversi in funzione dell’angolo di incidenza (multimodale con indice graduato) e

genera un impulso in uscita più stretto

In entrambi i casi l’impulso in ingresso subisce una distorsione temporale

dovuta ai diversi modi di propagazione, e genera un segnale in uscita (nel

dominio tempo) generalemente allargato rispetto al segnale in ingresso


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Fibre multimodaliFibre multimodali

La larghezza dell’impulso limita la velocità di trasmissione dati in quanto gli

impulsi devono essere spaziati e separati temporalmente in ricezione per

essere identificati


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Fibre Fibre monomodalimonomodali

Nelle fibre monomodali il nucleo ha uno spessore di 8-10 micron

Riducendo la dimensione del nucleo si riducono i modi di propagazione della

luce; arrivando alle dimensioni di alcune lunghezza d’onda, la lucesi può propagare solo

lungo il modo principale

cioè quello ad

incidenza longitudinale

In questo caso l’impulso

di luce non subisce

distorsione in uscita, e

la fibra è capace di

tassi trasmissivi e

distanze maggiori


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Led e laserLed e laser

Il segnale luminoso viene generato in due modi differenti:

⇒ tramite LED (Light Emitting Diode): più economico, adatto per

trasmissioni a tratta corta su fibre multimodali ed a basso tasso

trasmissivo

⇒ tramite diodi ad emissione laser: molto più costoso, adatto per

trasmissioni ad alto tasso trasmissivo o per lunghe distanze, più sensibile

al calore


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Lunghezze d’ondaLunghezze d’onda

L’assorbimento del segnale sulla distanza dipende dalla lunghezza d’onda

utilizzata

Ci sono tre bande dove l’assorbimento ha risposta piatta in frequenza e bassa,

utilizzate per la trasmissione: 850 nm, 1300 nm e 1550 nm


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Caratteristiche delle fibre otticheCaratteristiche delle fibre ottiche

La fibra ottica è un ottimo mezzo per la trasmissione dati:

⇒ banda trasmissiva: si aggira intorno ai 30 THz (30000 GHz), sfruttabile

tramite WDM; la tecnologia attuale permette tassi trasmissivi fino a 10

Gbps su singola lambda, ma in laboratorio si raggiungono tassi maggiori

a breve distanza

⇒ dimensione e peso: le fibre sono molto più sottili e leggere dei cavi in

rame (problema non indifferente sia per i cablaggi nelle tubature

cittadine, sia per la stesura di cavi multipli a lunga distanza, anche

transoceanici)

⇒ attenuazione ridotta: la fibra garantisce una attenuazione

significativamente inferiore al rame: questo permette l’utilizzo di ripetitori

solo ogni qualche decina di Km o oltre a seconda della tecnologia

utilizzata (laser e fibre monomodali sono più efficienti)


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Utilizzo della fibra otticaUtilizzo della fibra ottica

La fibra ottica ha soppiantato il cavo coassiale per le connessioni a larga

banda trasmissiva ed a lunga distanza

Già da tempo utilizzata nelle reti locali per le trasmissioni ad elevato tasso

trasmissivo (100-1000-10000 Mbps) a distanze che il rame non riesce a

raggiungere

Ultimamente in incremento il suo utilizzo verso le case dei privati per sostituire

il rame in vista di servizi on demand via cavo (TV, cinema, giochi, musica,

internet, telefonia, videofonia, …) che richiederanno sempre più banda


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Mezzi non guidatiMezzi non guidati

La trasmissione di dati viene spesso realizzata utilizzando la trasmissione di

onde elettromagnetiche nell’aria o nello spazio

Si hanno due diverse regioni dello spettro con differenti a causa delle

differenti proprietà della trasmissione:

⇒ radiodiffusione: trasmissione di onde in una banda compresa tra il KHz

ed il GHz; in questa regione le onde si propagano in modo diffusivo, ed è

utilizzata generalmente in modalità unidirezionale per le trasmissioni

radio o televisive

⇒ microonde: nella regione compresa tra 1 e 40 GHz la propagazione delle

onde elettromagnetiche è abbastanza direzionale (o direzionabile con

antenne paraboliche) , e viene utilizzata per trasmissioni punto-punto in

ponte radio, o trasmissioni satellitari punto-punto o broadcast


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Lo spettro elettromagneticoLo spettro elettromagnetico


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RadiodiffusioneRadiodiffusione

La radiodiffusione viene utilizzata generalmente per la trasmissione analogica

di segnali radio-televisivi in modalità broadcast

Utilizza due tecniche trasmissive differenti in funzione delle frequenze:

⇒ fino al MHz (VLF, LF ed MF) il segnale si propaga seguendo la curvatura

terrestre ed attraversa bene gli ostacoli: una stazione trasmittente può

essere ricevuta fino a 1000 Km di distanza; oltre l’attenuazione

(proporzionale all’inverso del quadrato della distanza) diviene eccessiva


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RadiodiffusioneRadiodiffusione

⇒ nella regione dal MHz al GHz (HF, VHF e UHF) il segnale viene assorbito

dalla superficie della terra, ma viene riflesso molto bene dalla ionosfera; i

segnali vengono quindi inviati verso il cielo raggiungono la stazione

ricevente dopo la riflessione


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Trasmissione via ponte radioTrasmissione via ponte radio

La banda delle microonde (1-40 GHz) permette di utilizzare antenne

paraboliche di dimensioni maneggevoli (fino a qualche metro di diametro) per

poter collimare e dare direzione all’emissione

Si può quindi realizzare una comunicazione punto-punto tra sorgente e

destinazione con allineamento ottico delle antenne: la trasmissione è rettilinea,

ed è indispensabile la visibilità tra le antenne

Questa tecnica di trasmissione va in competizione con le linee in coassiale e

via fibra ottica

⇒ per le lunghe distanze, quando l’alternativa con mezzo guidato risulta

troppo costosa o impossibile per motivi morfologici

⇒ per le brevi distanze (ad esempio per connettere due palazzi vicini di una

stessa compagnia) come alternativa alla stesura di una fibra, per evitare le

complicazioni connesse alle autorizzazioni


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Ponti radio (Ponti radio (contcont.).)

Utilizzando diverse stazioni ripetitrici si riescono a coprire distanze elevate

(svariate centinaia di Km); una singola tratta può coprire in condizioni

favorevoli fino a qualche centinaia di Km

Aspetti caratteristici della trasmissione in questa banda di frequenza:

⇒ l’attenuazione con la distanza, che segue la relazione

ed è superiore a quella del coassiale, che cresce col logaritmo della

distanza, ed è anche funzione crescente con la frequenza

⇒ l’attenuazione dovuta alla interferenza (da altre stazioni, da riflessioni

della stessa trasmissione)

⇒ attenuazione da pioggia o umidità, fortemente crescente con la

frequenza

dB

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10

=λπd

logL


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Ponti radio (Ponti radio (contcont.).)

Data la dipendenza dell’attenuazione dalla distanza, per le tratte lunghe si

utilizzano generalmente due bande di frequenza: 2-6 GHz e 10-14 GHz

Le connessioni a breve distanza possono utilizzare le frequenze più alte (fino

a 40 GHz) per le quali si hanno i vantaggi:

⇒ antenne più piccole

⇒ fascio più collimato (quindi minore necessità di potenza)

⇒ minori problemi di interferenza per lo scarso utilizzo di trasmissioni in

quella regione di frequenza


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Utilizzo dei ponti radioUtilizzo dei ponti radio

Generalmente utilizzati per trasmissioni analogiche (fonia, televisione) o

digitali (per reti private o utilizzate dalle compagnie telefoniche fornitrici di

servizi)

Le diverse bande di frequenza sono suddivise in canali di diversa larghezza

(non uniformi nei diversi paesi), con canali tra i 7 MHz (a 2 GHz) ed i 220 MHz

(a 18 GHz), e tassi trasmissivi che vanno dai 12 ai 274 Mbps (in funzione

della banda disponibile e del livello di modulazione utilizzato, solitamente

QAM-x)


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Trasmissioni satellitariTrasmissioni satellitari

Il satellite si comporta come stazione ripetitrice del segnale

Il segnale viene inviato dalla stazione terrestre al satellite (uplink), che lo

rimanda a terra verso la stazione o le stazioni riceventi (downlink),

generalmente utilizzando frequenze differenti

Un satellite opera su più bande di frequenza, in FDM; i singoli canali si

chiamano transponder (canali tra 15 e 500 MHz di banda)

Sui canali il satellite può fare TDM per gestire diverse comunicazioni

Le bande utilizzate sono quelle tra 1 e 10 GHz

⇒ sopra l’attenuazione atmosferica è troppo grande

⇒ sotto ci sono interferenze ed assorbimento dalla ionosfera

Il sovraffollamento delle frequenze spinge attualmente verso l’utilizzo di bande

a frequenza superiore, nonostante che i problemi di attenuazione atmosferica

divengano sempre più importanti


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SatellitiSatelliti

GEO (Geostationary Earth Orbit): satelliti a 36000 Km di quota in orbita

equatoriale, che appaiono in posizione fissa nel cielo

⇒ questi satelliti sono adatti alla trasmissione dati in quanto il puntamento

delle antenne è fisso

⇒ per motivi di interferenza i satelliti vengono distanziati di due gradi, quindi

si possono avere al massimo 180 satelliti

⇒ la trasmissione dati deve tenere conto del ritardo di propagazione del

segnale, che è pari a 0.25 secondi (inefficienti i protocolli con controllo

degli errori e ritrasmissione dei pacchetti)

MEO (Medium Earth Orbit): satelliti a 18000 Km di quota, con 6 ore di periodo

dell’orbita

⇒ inadatti per la trasmissione dati

⇒ esempio: i satelliti del GPS (Global Positioning System)


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SatellitiSatelliti

LEO (Low Earth Orbit): tra 750 e 1500 Km di quota

⇒ molto veloci nel transito, ma vicini, quindi si ha poco ritardo e si richiede

poca potenza in trasmissione

⇒ esempi: Iridium (per fonia, fax, dati, navigazione), Globalstar.


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