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MEZZI TRASMISSIVI

Grossi / Venturino 1Corso di Telecomunicazioni - AA 2011/2012

Schema di comunicazione di Shannon

Grossi / Venturino Corso di Telecomunicazioni - AA 2011/2012 2

sorgentenumerica

codifica di sorgente

codifica di canale

modulatoredemodulatore

destinatariodecodifica di sorgente

decodifica di canale

canale

Canale di comunicazione

Un canale di trasmissione ideale dovrebbe possedere una banda sufficientemente larga da

contenere lo spettro del segnale da trasmettere ritardare il segnale senza distorcerlo o attenuarlo

troppo In pratica tutti i canali di comunicazioni

presentano delle non-idealità che limitano la massima velocità di segnalazione e la lunghezza del collegamento. Queste sono: Banda finita Attenuazione Rumore Distorsione


Limitatezza in banda

I canali reali hanno tutti un comportamento di tipo passa-banda: le componenti armoniche all’interno della banda passante vengono lasciate passare, le altre vengono fermate

La limitatezza della banda disponibile limita la quantità d’informazione che può essere trasmessa sul canale


R < C = W log 1+ SNR( ) [bit /s]bit rate

capacità del canale

banda a disposizione rapporto segnale-rumore

Attenuazione

Il segnale viene attenuato durante la propagazione in un mezzo

L’attenuazione è proporzionale alla distanza percorsa. Nei mezzi guidati l’attenuazione ha un

andamento pressoché logaritmico Nei mezzi non guidati l’attenuazione è in

genere quadratica, ma spesso intervengono altri fattori aleatori


Attenuazione

Per ovviare a questo problema vengono introdotti dei ripetitori a intervalli regolari sulla linea di trasmissione. Possono essere: Non rigenerativi. In questo caso amplificano il

segnale ricevuto e lo ritrasmettono. Hanno il problema di amplificare tutto il segnale ricevuto (= segnale utile + rumore).

Rigenerativi. Utilizzabili nelle trasmissioni digitali. In questo caso il segnale ricevuto viene demodulato ottenendo così i bit informazionali e rimodulato. Hanno il vantaggio di non aumentare il rumore ma possono introdurre degli errori (nella fase di estrazione dei bit).


Rumore

Per rumore si intende qualsiasi segnale presente in ricezione che non fa parte del segnale trasmesso

Il rumore termico è causato dal movimento casuale degli elettroni negli apparati riceventi dovuto ad agitazione termica (un elettrone che si muove è una corrente)

La diafonia è un fenomeno di accoppiamento elettrico tra mezzi trasmissivi vicini non isolati adeguatamente. Il segnale trasmesso su un cavo genera per induttanza un segnale corrispondente nel cavo vicino, che si sovrappone al segnale trasmesso in quest’ultimo

Ci sono inoltre altri tipi di rumore (di intermodulazione, impulsivo, etc.)


Distorsione

Le armoniche che compongono il segnale trasmesso possono andare incontro a modifiche differenti. Armoniche a frequenze differenti vengono attenuate in maniera differente ritardate in maniera differente

Questo causa distorsione


Classificazione dei mezzi trasmissivi

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Tipologia Mezzo fisico Segnale trasmesso

GuidatiDoppino intrecciato Corrente elettrica

Cavo coassiale Corrente elettricaFibra ottica Onde luminose

Non guidati Etere (wireless) onde radio, microonde, raggi infrarossi

Grossi / Venturino

Lo spettro elettromagnetico


MEZZI GUIDATI:IL DOPPINO INTRECCIATO


Doppino intrecciato


Doppino intrecciato

Il doppino intrecciato (o più semplicemente doppino) è il più anziano e tutt'ora diffuso mezzo di trasmissione.

Consiste di una coppia di conduttori di rame, spessi 1mm e ricoperti ciascuno da una guaina isolante.

Si parla di doppino intrecciato in quanto i due conduttori sono intrecciati l'uno con l'altro in una forma elicoidale.

L'intreccio (o binatura) si rende necessario per prevenire fenomeni di interferenza fra coppie adiacenti (diafonia).


Doppino intrecciato

Applicazioni: Nei tratti delle reti telefoniche pubbliche che

arrivano fino all'utente, il cosiddetto "ultimo miglio“. Nelle reti telematiche (rete Ethernet) per collegare

fra loro computer, stampanti, server di calcolo.


Doppino intrecciato

All’interno del doppino si propaga una corrente elettrica di debole intensità.

Il segnale si attenua rapidamente con la distanza, ed il collegamenti non superano in genere i 5 Km

Per coprire distanze maggiori è necessario far uso di apparati di rigenerazione (amplificazione) del segnale intermedi.

Su distanze di 500-600 metri è possibile ottenere velocità di trasmissione dell’ordine dei 10-20 Mb/s su una singola coppia di fili.


Doppino intrecciato

Si possono utilizzare fasci di doppini, che possono essere costituiti da qualche coppia fino a centinaia di coppie


Doppino per rete Ethernet

Nelle reti Ethernet si utilizzano quattro coppie di cavi affiancate.

I cavi possono essere schermati o non schermati. La schermatura permette di raggiungere distanze

più elevate a parità di velocità di trasmissione. I cavi schermati sono più rigidi e quindi di minore

maneggevolezza. I cavi schermati sono usati solamente in ambienti

in cui sono presenti forti sorgenti di disturbi elettromagnetici.


Doppino per rete Ethernet


Screened Unshielded Twisted Pair (S/UTP o FTP)

Shielded Twisted Pair (STP) Unshielded Twisted Pair (UTP)

Screened Shielded Twisted Pair (S/STP)

MEZZI GUIDATI:IL CAVO COASSIALE


Cavo coassiale


Struttura

D: al centro ha un singolo conduttore di rame (core)

C: il secondo strato è un dielettrico che garantisce l’isolamento con lo strato successivo e la giusta distanza

B: il terzo è una maglia metallica (shield)

A: lo strato più esterno è una calza isolante


Utilizzo

Brevettato dal matematico e ingegnere inglese Olivier Heaviside nel 1880

E’ utilizzato per trasmissioni a radiofrequenza. Connessione di trasmettitori e ricevitori radio

con le proprie antenne (es., televisione e antenna)

Connessioni di reti di computer (ormai quasi completamente rimpiazzato dl doppino telefonico)

Distribuzione del segnale per la TV via cavoGrossi / Venturino Corso di Telecomunicazioni - AA 2011/2012 23

Funzionamento

Se si usassero normali cavi ci sarebbero perdite di potenza nella trasmissione poiché, a queste frequenze, si comporterebbero come antenne.

La presenza dello schermo (shield) confina il campo elettromagnetico nello spazio tra coree shield. Quest’ultimo è connesso a terra per evitare di irradiare.


Caratteristiche

Maggiore robustezza a interferenze esterne e alla diafonia

Maggiore larghezza di banda rispetto al doppino telefonico

Il principale problema è l’attenuazione del segnale sulla distanza (anche se meno del doppino telefonico) e necessita per questo di ripetitori a distanza di qualche km.


MEZZI GUIDATI:LA FIBRA OTTICA


Fibra ottica


La fibra ottica

E’ una guida d’onda dielettrica: un cavo (di materiale vetroso o polimerico) che trasmette luce lungo il suo asse attraverso il processo di riflessione interna totale


Struttura

Core (nucleo interno): sottile filo di una sostanza vetrosa (fibra di vetro) o polimerica, del diametro di 10 – 50 µm

Cladding (mantello): riveste il core, è fatta dello stesso materiale ma ha un indice di rifrazione minore; diametro 125 µm

Jacket (guaina esterna): di materiale plastico, riveste il mantello, protegge il cavo da unmidità e deformazioni


Struttura

Le proprietà ottiche di nucleo e mantello sono tali che la luce introdotta nel nucleo con direzione opportuna non possa più uscire dalnucleo, ma venga riflessa in modo da viaggiare lungo ilnucleo fino a destinazione

I cavi per utilizzo breve possonoessere a coppie di fibre; cavi per lunghe tratte possono invececontenere centinaia di fibre


Il fenomeno della riflessione totale

Quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un’altro, subisce un cambio di direzione(rifrazione)

L’ampiezza dell’angolo di rifrazione dipendedalle caratteristiche fisiche dei due mezzi

Esiste un angolo di incidenza (angolocritico)oltre il quale il raggio vienecompletamente riflesso entro il mezzo piùdenso



In questo modo il raggio rimane confinato nel core e si può propagare per lunghe distanze


Storia


L’idea di guidare la luceattraverso processi di riflessione è di Daniel Colladon e Jaques Babinet, Parigi, 1842. John Tyndall ne dà una dimostrazione nellesue lezioni e ne parla in un suo libro (1870)

Storia


Le prime applicazioni sono in ambito dentistico emedico (endoscopia)

Nel 1952, Narinder Singh Kapany conduce un esperimento che porta all’invenzione della fribra ottica

Nel 1965, Charles K. Kao della STC e George A. Hockham del British Post office proposero per primiun utilizzo nelle comunicazioni. Per questo Kao fu insignito del Nobel per la fisica nel 2009

Negli anni 70 erano ancora decorazioni per la produzione di lampade. Oggi sono un componenteessenziale nei sistemi di telecomunicazione

Fibre multi-modali


Il nucleo ha un diametro di circa 50 µm In queste condizioni la luce può avere diversi angoli di

incidenza e percorrere diverse traiettorie (=diversi“modi” di propagazione)

In ricezione si hanno copie dell’impulso in ingressocon ritardi leggermente differenti dovuti ai diversipercorsi ottici (distorsione) e il segnale in uscita risultapiù allargato

Questo fenomeno limita la velocità di trasmissionedati perché gli impulsi devono esseresufficientemente spaziati per essere identificati

Fibre mono-modali


Il nucleo ha uno spessore di 8-10 micron In questo caso si propaga un solo modo

(quello senza riflessioni) L’impulso di luce non subisce distorsione in

uscita e la fibra è capace di tassi trasmissivimaggiori

Esempi


Trasmettitore


LED (light emitting diode): più economico, adatto per trasmissioni a tratta corta su fibremultimodali ed a basso tasso trasmissivo

Diodi laser: più costoso, adatto per trasmissioni ad alto tasso trasmissivo per lunghe distanze, più sensibile al calore

Ricevitore


Photodetector: converte la luce in elettricitàsfruttando l’effetto fotoelettrico. Tipicamente sistratta di un fotodiodo a semiconduttore

Finestre trasmissive


Nelle comunicazioni ottiche, lo spettrotrasmissivo è descritto in termini di lunghezzad'onda invece che di frequenza

c = λ /T = λν ⇒ λ = c /ν

velocità della luce

lunghezza d’onda

frequenza

periodo



Nelle comunicazioni ottiche, lo spettrotrasmissivo è descritto in termini di lunghezzad'onda invece che di frequenza

Combinando i diversi fenomeni di attenuazione, rifrazione, dispersione, vi sonotre “finestre” (= intervalli di lunghezze d’onda) particolarmente adatte all'uso nelletelecomunicazioni, con prestazioni e costicrescenti: 0.85, 1.3 e 1.55 µm

c = λ /T = λν ⇒ λ = c /ν

Vantaggi della fibra


I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono:

bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza ripetitori

grande capacità di trasporto di informazione grazie all'ampissima capacità di banda

immunità da interferenze elettromagnetiche alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre

vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra sitia potenziale diverso

Vantaggi della fibra


peso e ingombro modesto (vantaggio non indifferentesia per i cablaggi nelle tubature cittadine, sia per la stesura di cavi multipli a lunga distanza, anchetransoceanici)

bassa potenza contenuta nei segnali assenza di diafonia ottima resistenza alle condizioni climatiche avverse bassi valori di probabilità di errore adatto a comunicazioni sicure (in quanto è molto

difficile da intercettare e altrettanto facile damonitorare)

Utilizzo della fibra


Utilizzate in applicazioni su lunga distanza e ad elevate prestazioni per: segnale telefonico, comunicazioniInternet, TV via cavo

MEZZI NON GUIDATI:IL CANALE RADIO


Occupazione spettrale


Definizione


L’informazione di propagaattraverso ondeelettromagnetice in spaziolibero

Si possono individuare 2 regioni dello spettro con diversi utilizzi a causadelle diverse proprietàdella trasmissione

Tipologie di trasmissione


Radiodiffusione: per frequenze comprese tra ilkHz e il GHz. Le onde si propagano in mododiffusivo. Trasmissione in genereunidirezionale. Applicazioni radio e TV

Microoonde: per frequenze tra 1 e 40 GHz. Le onde si propagano in modo direzionale. Utilizzata in trasmissioni punto-punto (ponteradio, satellite) o in broadcast (satellite)

Radiodiffusione


Generalmente utilizzata per la trasmissioneanalogica di segnali radio-televisivi in modalità broadcast (1 tramsettitore – moltiricevitori)

3 tecniche trasmissive differenti a secondadella porzione di spettro occupato

Radiodiffusione: groundwave


Fino a 2 MHz, l’onda si propaga seguendo la curvatura terrestre attraversando bene gli ostacoli earrivando fino a 1000 km (groundwave). Usata per la diffusione del segnale orario, navigazione, radio AM

Radiodiffusione: ionospheric


Opera a frequenze tra i 30 e 85 MHz. Il segnale vienerifratto dalla ionosfera e può raggiungere elevate distanze. La qualità della trasmissione dipende molto dalle condizioni atmosferiche. Usata in ambitomarittimo, aereo e per comunicazioni radio amatoriali

Radiodiffusione: line of sight


Da 3 MHz a 1 GHz. In questo caso il collegamento èin linea di vista e limitato dalla curvatura terrestre a circa 100 km. Esempi: radio FM, televisione.

Microonde: ponti radio


Il range di frequenze è 3 – 30 GHz Si tratta di una comunicazione punto

– punto bidirezionale Utilizzano antenne molto direttive e il

collegamento è in linea di vista Si possono coprire lunghe distanze

mediante una catena di ripetitori Sono capaci di elevati data-rate viste

le frequenze operative

Microonde: ponti radio


Le antenne utilizzate sono in genereparaboliche con piccolo diametro (fino a qualche metro)

Parabolica axial feed HornParabolica Cassegrain

Ponti radio: pro e contro


E’ una tecnica che va in competizione con fibreottiche e cavi coassiali Vantaggi

Possibilità di utilizzo in luoghi isolati e pocoaccessibili o non accessibili del tutto (es., attraversare un suolo pubblico o una proprietàprivata)

Costo inferiore su lunghe tratte

Ponti radio: pro e contro


Svantaggi Attenuazione maggiore e variabile con le

condizioni atmosferiche Interferenza dovuta a cammini multipli (onda in

linea diretta + onda riflessa dal terreno) Interferenza dovuta ad altre stazioni

Ponti radio: applicazioni


Trasmissione a lunga distanza del traffico televisivo telefonico radio

La trasmissione può essere analogica odigitale

Microonde: tramissioni satellitari


Il satellite si comporta come una stazioneripetitrice del segnale di un ponte radio

Il segnale viene inviatodalla stazione terrestre al satellite (uplink), che lo rimanda a terra verso la stazione o le stazioniriceventi (downlink), generalmente utilizzandofrequenze differenti

Microonde: tramissioni satellitari


Opera su più bande di frequenza e i singolicanali si chiamano transponder (canali tra 15 e 500 MHz di banda)

Satelliti GEO


Geostationary Earth Orbit: Operano in orbitageostazionaria (circa 36000 km). Forzagravitazionale e centrifuga si bilanciano e ilsatellite è in orbita;

Satelliti GEO


la velocità per stare in orbita a 36000km è tale per cui il periodo di rivoluzione del satellite èuguale al periodo di rotazione della terra e ilsatellite è visto “fermo”

Satelliti GEO


Adatti alla trasmissione dati in in quanto ilpuntamento delle antenne è fisso

Per motivi di interferenza vengono distanziatidi due gradi, quindi si possono avere al massimo 180 satelliti

La trasmissione dati deve tenere conto del ritardo di propagazione del segnale, che èpari a 0.25 secondi

Satelliti MEO e LEO


MEO (Medium Earth Orbit): a 18000 Km di quota, con 6 ore di periodo dell’orbita Inadatti alla trasmissione dati Esempio: i satelliti del GPS

LEO (Low Earth Orbit): tra 750 e 1500 Km di quota Molto vicini, quindi si ha poco ritardo e si

richiede poca potenza in trasmissione Esempi: Iridium (per fonia, fax, dati,

navigazione), Globalstar

ACCESSO MULTIPLO


Multiplexing


In genere la banda del mezzo di trasmissioneè molto maggiore della banda del segnale

Per usare in maniera efficiente il sistema di trasmissione si portano più segnali sul canale

Questa operazione si chiama Multiplexing e ilcanale è utilizzato in acceso multiplo

Multiplexing

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emul

tiple

xer

Mul

tiple

xer

segnale 2segnale 1

segnale k

segnale 2segnale 1

segnale k

Canale

Multiplexing


Le principali tecniche di accesso multiplo sono:

FDMA (frequency division multiple access) TDMA (time division multiple access) CDMA (code division multiple access)

FDMA


I k segnali da trasmettere vengono modulatisu k portanti differenti in modo che non sianosovrapposti in frequenza e dunque non interferiscano tra loro

In ricezione, tramite filtri passa-banda, èpossibile separare i diversi traffici

Può essere utilizzata sia per segnali analogiciche per segnali digitali

FDMA


frequenza

frequenza

frequenza frequenza

tempo

tempo

tempo tempo

Multiplex inviato sul canale

Segnale 1

Segnale 2

Segnale k

B/k

B/k

B/k

T

T

T

T

B

FDMA: applicazioni


Il multiplexing di canali fonici per la trasmissione delle telefonate attraverso le dorsali a larga banda in coassiale o ponteradio

La trasmissione radiotelevisiva ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), lo

standard per fornire all’abbonato un accessodigitale a banda più elevata di quanto non siapossibile con il modem in banda fonica

FDMA: applicazioni


Comunicazioni satellitari La trasmissione su fibra. In questo caso

l’FDMA è anche chiamata WDMA (wavelength division multiple access) perchési parla in genere di lunghezze d’onda. Il sistema sfrutta la diffrazione delle onde dareticolo, ed utilizza sistemi passivi, quindialtamente affidabili e che non introduconorumore

TDMA


Utilizzata nel caso di segnalazione digitale Ogni utente ha uno slot (intervallo temporale)

ogni T secondi, in cui trasmettere il propriosimbolo informazionale

segn

ale

1

segn

ale

2

segn

ale

3T

segn

ale

1

segn

ale

2

segn

ale

3

segn

ale

1

segn

ale

2

TDMA


frequenza

frequenza

frequenza frequenza

tempo

tempo

tempo tempo

Multiplex inviato sul canale

Segnale 1

Segnale 2

Segnale K

B

T/k

T/k

T/k

B

B

T

B

TDMA: applicazioni


Reti cellulari di seconda generazione (es., GSM)

Comunicazioni satellitari

CDMA


I k segnali: occupano tutta la banda disponibile B occupano tutto l’intervallo T vengono distinti perché ognuno di essi ha

associato un codice differente

Prodotto scalare


Se

Allora il prodotto scalare tra a e b è

( )( )

1

1

n

n

a a

b b

=

=

a

b

1 1 n na b a b⋅ = + +a b

CDMA: esempio


Supponiamo di voler trasmettere 2 segnali, s1e s2, per portare 2 bit, b1 e b2

Diamo ad s1 il codice c1 = (1 1) e ad s2 ilcodice c2 = (-1 1), cioè

s1 = b1c1 e s2 = b2c2

Il segnale ricevuto èr = s1 + s2

per cui i segnali s1 ed s2 sono sovrapposti neltempo e in frequenza

CDMA: esempio


Dunque, utilizzando un codice opportuno, sipossono separare i due segnali

12

r⋅ c1 =12

s1 ⋅ c1 +12

s2 ⋅ c1 =

=12

b1c1 ⋅ c1 +12

b2c2 ⋅ c1 = b1

12

r⋅ c2 =L = b2

=1x1+1x1=2 =-1x1+1x1=0

CDMA: applicazioni


Alcune reti cellulari di seconda generazioneIS-95 (USA)

La rete cellulare di terza generazione (W-CDMA, UMTS, UTRA, IMT-2000)

GPS Comunicazioni satellitari

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