DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 20081 TELECOMUNICAZIONI 2. Mezzi trasmissivi Prof....

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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona

TELECOMUNICAZIONI

2. Mezzi trasmissivi

Prof. Tozzi Gabriele – ITIS G. Marconi - Verona

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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.


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


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.

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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).

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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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• 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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• 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) Diametro ridotto; 2) Maggior facilità di installazione (assenza di messa a terra); 3) Basso costo; 4) 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 LANNello 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).


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.


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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• 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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• 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.

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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.

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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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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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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

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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:

2 2A 1 2

22 22

1 1 L1

NA sin n n

nn 1 n 1 sin

n

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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: 2 2

22

dM NA

2

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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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• 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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• Lo schema seguente rappresenta genericamente un collegamento tra una sorgente ed un ricevente collegati da un canale di trasmissione ottico.

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• 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:

dove: Δt = indice di dispersione = larghezza dell’impulso elettrico “allargato”

ricevuto, Fc = frequenza di cifra utilizzabile nella fibra.

]Hz[2F

t21

B c

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Larghezza di banda e frequenza di cifra

• Dato che la forma dell’impulso ricevuto è di tipo gaussiano, si ottiene

• Per impedire l’interferenza intersimbolica è tipico distanziare ciascun bit di un intervallo 4Δt, per cui la frequenza di cifra realistica risulta:

C1 0,25

F4 t t

0,44B

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:

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]

]MHz[]km/ns[t

440

L

1

L

BB uM

M

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Banda Cromatica

• Banda Cromatica:

dove:

BuC = Banda Cromatica unitaria [MHz·km]

L = Lunghezza della fibra [km] Δt = indice di dispersione [ns/km]

]MHz[]km/ns[t

440L1

LB

B uCC

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Banda Totale

• Cumulando gli effetti delle due dispersioni si ottiene la banda complessiva del sistema ottico, che vale:

Osservazioni:1. Per fibre multimodali: BC≃ 0 , B ≃ BM.

2. Per fibre monomodali: BM ≃ 0 , B ≃ BC.

2C

2M B

1

B

1

1B

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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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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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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:

a strati concentrici a solchi a nastri a 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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