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Istituto Tecnico Industriale Enea Mattei

Indirizzo Informatica “ABACUS”

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1

Tecnologie di trasmissione digitale delle informazioni attraverso

l’uso di fibre ottiche. Studio delle problematiche di

sincronizzazione, di trasmissione e forme

segnale. Esempio pratico di trasmissione dati in digitale tra due

personal computer, attraverso l’uso del microcontrollore

Arduino e di una fibra ottica prodotta artigianalmente

utilizzando una resina poliestere.

ndustriale Enea Mattei

“ABACUS”

Tecnologie di trasmissione digitale delle informazioni attraverso

l’uso di fibre ottiche. Studio delle problematiche di

sincronizzazione, di trasmissione e forme di dispersione del

segnale. Esempio pratico di trasmissione dati in digitale tra due

rso l’uso del microcontrollore

rduino e di una fibra ottica prodotta artigianalmente

Indice

� Premessa............................................................................................................................................ Pag. 1

� 1. Introduzione alle tecnologie di trasmissione dei dati .................................................................. Pag. 2

� 2. Costituzione della fibra ottica ....................................................................................................... Pag. 3

� 3. Principi di funzionamento ............................................................................................................. Pag. 4

� 4. Dispersione e attenuazione del segnale ....................................................................................... Pag. 6

� 4.1 Tipologie ............................................................................................................................ Pag. 6

� 4.2 Soluzioni tecniche .............................................................................................................. Pag. 6

� 5. Uso della fibra nelle telecomunicazioni ....................................................................................... Pag. 7

� 5.1 Finestre di trasmissione ..................................................................................................... Pag. 7

� 5.2 Installazione e problemi di giunzione ................................................................................ Pag. 8

� 6. Cenni storici sull’uso della fibra ottica.......................................................................................... Pag. 9

� 7. Trasmissione dati con Arduino e fibra ottica ............................................................................... Pag. 10

� 7.1 Il microcontrollore Arduino ............................................................................................... Pag. 10

� 7.2 Fibra ottica home-made .................................................................................................... Pag. 10

� 7.3 Schema del progetto ......................................................................................................... Pag. 11

� 7.4 Codifica e sincronizzazione del segnale ............................................................................. Pag. 12

� 7.5 Codice sorgente ................................................................................................................. Pag. 13

� 7.5.1 Programma Arduino ................................................................................................... Pag. 13

� 7.5.2 Software C# ................................................................................................................ Pag. 15

� 7.6 Risultati e conclusioni ........................................................................................................ Pag. 18

� Bibliografia ......................................................................................................................................... Pag. 19

1

PREMESSA

L’argomento di questa tesina è una delle maggiori tecnologie per la trasmissione di informazioni utilizzate oggi.

Abbiamo deciso di trattare questa forma di comunicazione per evidenziare l’evoluzione delle tecnologie di

trasmissione dei dati, che con l’implementazione su fibra ottica hanno raggiunto livelli di velocità ed affidabilità un

tempo impensabili. Per prima cosa abbiamo trattato l’argomento in forma teorica, dal punto di vista elettronico e

matematico parlando dei fenomeni di rifrazione della luce e delle caratteristiche dei materiali utilizzati, dimostrando

le migliori modalità e tecniche di trasmissione da adottare. Inoltre abbiamo brevemente accennato lo sviluppo e

l’evoluzione delle tecnologie di trasmissioni ottiche nel corso della storia, fino ad arrivare a parlare dell’utilizzo della

fibra ottica nello specifico campo delle telecomunicazioni. Abbiamo deciso di concludere la trattazione con un

piccolo progetto a scopo dimostrativo da noi creato, il quale consiste in una semplice dimostrazione di trasmissione

di un file di testo tra due PC, utilizzando la tecnologia di comunicazione sopra descritta, creando un modello in scala

di un cavo in fibra ottica, realizzato artigianalmente con materiali che possiedono caratteristiche simili a quelli

realmente utilizzati nelle telecomunicazioni.

2

1. INTRODUZIONE ALLE TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE DEI DATI

La trasmissione delle informazioni attraverso le reti di fonia/dati comporta una scelta del mezzo trasmissivo più

idoneo, che fornisca buone prestazioni ma che allo stesso tempo sia in grado di contenere i costi. I costi iniziali

devono essere controbilanciati dalla capacità di far fronte alle richieste di prestazioni sempre più elevate, in modo da

fornire un sistema di collegamento flessibile e disponibile a supportare le innovazioni tecnologiche del mercato. Un

parametro fondamentale da prendere in considerazione nella scelta del mezzo trasmissivo è la prestazione che si

intende ottenere, che possono variare da poche centinaia di bps (bit per secondo) a miliardi di bps. Il cavo che

assicura le prestazioni migliori è un mezzo poco dispersivo e poco dissipativo. Sia il trasmettitore che il ricevitore

devono adattarsi alle caratteristiche del mezzo trasmissivo per ottimizzare la trasmissione dei dati, quindi aumentare

il più possibile il rapporto potenza ricevuta/potenza trasmessa.

I mezzi trasmissivi si dividono in tre categorie:

• Elettrici

• Ottici

• Wireless

Nella prima categoria troviamo mezzi come il doppino telefonico o il cavo coassiale, nella seconda troviamo la fibra

ottica e nell’ultima ponti radio, satelliti, dispositivi bluetooth e in generale tutte le trasmissioni via etere.

Date le grandi necessità di banda trasmissiva e di affidabilità della comunicazione, il mezzo più diffuso oggi è la fibra

ottica, che assicura una grande velocità, affidabilità e immunità ai disturbi elettromagnetici. La fibra è usata

principalmente dalle aziende e dagli ISP per la creazioni di dorsali ad alta capacità, tuttavia recentemente l’uso di

questa tecnologia di trasmissione si sta diffondendo anche tra le piccole aziende ed i privati.

TIPOLOGIE DI MEZZI TRASMISSIVI

3

2. COSTITUZIONE DELLA FIBRA OTTICA

La fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro:

• Nucleo cilindrico centrale (core)

• Mantello (cladding), che avvolge il core

Il core ha un diametro molto piccolo (circa 10µm per le fibre Monomodali e 50µm per le Multimodali), il cladding ha

un diametro di circa 125µm. I due strati sono composti da materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il

cladding ha un indice di rifrazione minore rispetto al core, tipicamente gli indici sono rispettivamente 1,475 e 1,5.

Oltre a questi due strati principali, la fibra ottica è rivestita da un terzo strato chiamato buffer, che deve avere uno

spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’ onda evanescente1, in modo da catturare la luce che non

viene riflessa nel core. La fibra ottica funziona come uno specchio tubolare, la luce entra con un certo angolo e viene

continuamente riflessa nel core fino a raggiungere l’estremità opposta. La parte esterna della fibra è rivestita da una

guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a proteggere la fibra ottica dagli stress fisici, dalla corrosione e

evita il contatto tra la fibra e l’ambiente esterno. Le fibre si distinguono in base al diametro del core, agli indici di

rifrazione, alle caratteristiche del materiale e al drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per

modificare le caratteristiche ottiche).

1. Core 10µm

2. Cladding 125µm

3. Buffer 250µm

4. Jacket 400µm

Il core e il cladding possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.

� Silice

La fibra ottica consiste in una sola fibra di vetro. Le fibre vengono costruite partendo da silice purissima, che

viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di Silicio e l’Ossigeno. Il Silicio destinato a formare il core

viene drogato con del Germanio (sottoforma di tetracloruro di Germanio) in modo da aumentare l’indice di

rifrazione senza variare l’attenuazione. Nel Silicio che andrà a formare il cladding viene aggiunto del Boro per

ridurre l’indice di rifrazione. Le fibre realizzate con questo procedimento hanno un diametro estremamente

ridotto, perciò sono molto fragili e hanno un’apertura numerica molto piccola (NA ≈0.16) oltre ad essere

difficili da raccordare.

� Polimeri

La fibra è costituita interamente da una materia plastica. La dimensione del core di questo tipo di fibra è

molto più grande (1 mm) rispetto alla fibra in silice, questo comporta un’apertura numerica più elevata e la

possibilità di realizzare fibre multimodali. Inoltre questo tipo di fibra risulta facile da maneggiare, tuttavia ha

un’attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica.

1 Onda evanescente: particolare tipo di onda elettromagnetica piana non uniforme, fondamentale nello studio di fenomeni quali la riflessione totale

4

3. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

Lo studio della propagazione della luce all’interno delle fibre ottiche si effettua con l’ipotesi di validità delle leggi che

regolano l’ottica geometrica. Le fibre ottiche trasmettono il segnale ottico sfruttando il fenomeno della riflessione

totale interna. Un raggio luminoso che incide su una superficie di interfaccia tra due materiali con indici di rifrazione

diversi viene in parte riflesso e in parte rifratto, secondo la nota legge di Snell:

n1*sen(α) = n2*sen(β)

α è l’angolo di incidenza del raggio rispetto alla normale, cioè alla retta perpendicolare alla superficie di incidenza.

β è l’angolo che il raggio rifratto forma con la stessa normale nel secondo materiale.

In una fibra ottica n1 sarà l’indice di rifrazione del core, e n2 quello del cladding. Poiché n2 < n1, β tende ad

aumentare al crescere di α, fino ad arrivare alla condizione per cui si ha β = π/2, ovvero l’assenza di raggio rifratto. In

questa situazione si ha il fenomeno della riflessione totale, grazie al quale il raggio di luce resta totalmente dentro il

core della fibra e lo percorre fino all’altra estremità. L’angolo di incidenza della luce oltre al quale si ha l’assenza di

rifrazione è αL = arcsin(n2/n1), chiamato angolo limite.

5

Affinché il generico raggio incida sempre, sulla discontinuità tra core e cladding, con angolo superiore ad αL, è

necessario che esso venga introdotto ad una estremità ottica entro un certo angolo di accettazione della fibra

(ricavabile utilizzando sempre la legge di Snell):

фL = arcsin(√(n12 – n2

2))

L’ampiezza del cono di accettazione è uguale a 2* фL.

Un eventuale raggio iniettato nella fibra al di fuori del cono di accettazione, andrà poi ad incidere sulla separazione

core-cladding con angolo inferiore al valore critico e quindi si perderà nel mantello a seguito della rifrazione.

Una grandezza molto importante nello studio delle fibre ottiche è l’apertura numerica (N.A.).

L'apertura numerica, N.A., NA AN o AN in ottica è un parametro, un numero adimensionale che indica il massimo

angolo utile al sistema per ricevere od emettere luce. Nelle fibre ottiche l'apertura numerica indica il numero di modi

in cui la luce si può propagare attraverso la fibra. Esso è anche strettamente legato all'ampiezza del cono di

accettazione.

L’apertura numerica è definita come: N.A. = √(n22 – n1

2)

Il suo valore in genere varia tra 0,1 e 0,3.

6

4. DISPERSIONE E ATTENUAZIONE DEL SEGNALE

Le perdite delle fibre ottiche si possono classificare in quelle che deformano il segnale d’ingresso (dispersione) e in

quelle che ne determinano l’attenuazione. Lo studio delle caratteristiche delle fibre ottiche è importante per

determinare la capacità del canale trasmissivo e la massima distanza copribile tra trasmettitore e ricevitore senza

l’utilizzo di ripetitori.

4.1 Tipologie

Il rapporto tra la potenza trasmessa e quella ricevuta definisce l’attenuazione della fibra, che è funzione della

lunghezza d’onda, del tipo di fibra e delle eventuali sollecitazioni meccaniche che agiscono sulla fibra. Le cause di

attenuazione possono essere intrinseche ed estrinseche. Le prime sono insite nella struttura fondamentale del

materiale e non possono essere eliminate, le seconde possono invece ricondursi alla presenza di impurità ed essere

ridotte affinando il processo produttivo.

Il coefficiente di attenuazione è misurato in decibel: dB = 10*log10(Pin/Pout)

Occorre tener conto dell’attenuazione introdotta da connettori e giunzioni. Un connettore installato correttamente

introduce un’attenuazione compresa tra 0,3 e 0,7 dB. Una giunzione invece presenta solitamente un’attenuazione

che varia da 0,1 a 0,3 dB. Inoltre bisogna considerare l’attenuazione dell’inserzione del diodo trasmettitore nella

fibra, che vale 0dB se si tratta di un diodo laser, mentre statisticamente vale 13dB per un diodo led. Infine è presente

anche un’attenuazione all’inserzione fibra-ricevitore, che diventa trascurabile quando la superficie del ricevitore è

maggiore di quella del core della fibra. In definitiva è possibile calcolare statisticamente l’attenuazione di un tratto di

linea in fibra ottica con questa formula: ATOT = Atx + nnnnconn * Aconn + llll * Afibra + nnnngiunz * Agiunz + Arx

� Dispersione Modale

Tipologia di dispersione dovuta al fatto che il raggio luminoso non percorre sempre lo stesso cammino

all’interno della fibra, ma può seguire diverse strade (derivanti dalla legge di Snell). Ci sono modi attraverso i

quali il raggio arriva più velocemente a destinazione, altri invece che lo fanno arrivare più tardi. Il primo caso

limite è il raggio che percorre la fibra ottica completamente dritto, senza alcuna riflessione sul cladding; il

secondo caso limite è il raggio che entra nella fibra con angolo uguale all’angolo limite di accettazione, e

deve quindi compiere un numero molto alto di riflessioni. Questo fenomeno comporta la dilatazione della

forma del segnale originario, e se la frequenza è troppo alta può arrivare a confondersi con l’impulso

seguente, impedendo di leggere il segnale originario.

� Dispersione Cromatica

Fenomeno dovuto al fatto che la luce che viene trasmessa si compone di fasci di luce di colore diverso, con

lunghezza d’onda e velocità di attraversamento diverse. Quindi ci si riconduce al problema della dispersione

modale, perché può capitare che il fascio di luce di colore rosso (più veloce) si confonda con il fascio di colore

violetto (più lento) dell’impulso inviato in precedenza.

4.2 Soluzioni

Per risolvere i vari problemi di dispersione nelle fibre ottiche si utilizzano diverse tipologie di fibre. Per ovviare al

problema della dispersione modale è possibile utilizzare fibre multimodali graded index, oppure delle fibre

monomodali. Le prime sono costituite da diversi materiali disposti in modo concentrico attorno al core con diversi

indici di rifrazione, più precisamente a decrescere dall’interno della fibra verso l’esterno; in questo modo il raggio

che percorre la fibra subirà delle continue rifrazioni attraverso i diversi materiali, fino a percorrere la fibra in modo

rettilineo. Il vantaggio delle fibre graded index sta nel fatto che i raggi luminosi che percorrono più strada sono più

veloci, perché viaggiando all’esterno attraversano materiali meno densi. La seconda tipologia di fibra ottica (fibre

monomodali) è caratterizzata da un diametro del core molto ridotto (circa 10 µm) allo scopo di ridurre il cono di

accettazione, quindi i raggi interni alla fibra tendono a viaggiare in modo rettilineo.

Il problema della dispersione cromatica è facilmente risolvibile utilizzando led monocromatici per la trasmissione

della luce.

5. USO DELLA FIBRA OTTICA NELLE TELECOMUNICAZIONI

L’uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le

dorsali principali della rete telefonica e di Internet, compresi i collegamen

tempo in fibra ottica e hanno sostituito il cavo coassiale.

Principali vantaggio della fibra ottica rispetto ai cavi:

• Bassa attenuazione, permette la trasmissione su lunghi tr

• Ampia capacità di banda e conseguente velocità di trasmissione elevata

• Immunità del cavo da interferenze elettromagnetiche

• Bassi valori di BER2

• Ottima resistenza a condizioni climatiche avverse

5.1 Finestre di trasmissione

Nelle comunicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda; combinando i

diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre

particolarmente adatte all’uso nelle tele

� Prima finestra: 850 – 900nm (nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale.

Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125.

un’attenuazione di circa 5dB/km.

� Seconda finestra: 1300 – 1350nm

collegamenti di 5-10km su fibre monomodali.

indice graduale, 0,5dB/km per le fibre monomodali.

� Terza finestra: 1550nm, usata con la

maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d’onda una fibra monomodale

raggiunge un’attenuazione nell’ordine degli 0,2

2 BER: Bit Error Ratio, è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit

5. USO DELLA FIBRA OTTICA NELLE TELECOMUNICAZIONI

L’uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le

di Internet, compresi i collegamenti intercontinentali sottomarini, sono già da

tempo in fibra ottica e hanno sostituito il cavo coassiale.

Principali vantaggio della fibra ottica rispetto ai cavi:

Bassa attenuazione, permette la trasmissione su lunghi tratti senza ripetitori

Ampia capacità di banda e conseguente velocità di trasmissione elevata

Immunità del cavo da interferenze elettromagnetiche

Ottima resistenza a condizioni climatiche avverse

unicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda; combinando i

diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre

particolarmente adatte all’uso nelle telecomunicazioni, in quanto forniscono prestazioni elevate.

(nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale.

Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125.

un’attenuazione di circa 5dB/km.

1350nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare

10km su fibre monomodali. L’attenuazione è di circa 1dB/km per le fibre multimodali ad

indice graduale, 0,5dB/km per le fibre monomodali.

, usata con laser monomodali. Questa finestra consente di coprire le distanze

maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d’onda una fibra monomodale

raggiunge un’attenuazione nell’ordine degli 0,2-0,25 dB/km.

Bit Error Ratio, è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit totali trasmessi. BER = n.errori / n.totale.

7

L’uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le

ti intercontinentali sottomarini, sono già da

unicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda; combinando i

diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre finestre trasmissive

comunicazioni, in quanto forniscono prestazioni elevate.

(nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale.

Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125. La fibra raggiunge

sata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare

L’attenuazione è di circa 1dB/km per le fibre multimodali ad

ser monomodali. Questa finestra consente di coprire le distanze

maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d’onda una fibra monomodale

8

5.2 Installazione e problemi di giunzione

Per realizzare un collegamento in fibra ottica è necessario seguire determinate procedure nella messa a terra del

cavo, prestando attenzione alle sue caratteristiche e ai suoi limiti fisici. La recente tecnica di messa in posa tramite

scavo in minitrincea permette una drastica riduzione dei tempi e dei costi di costruzione dei cavi in fibra ottica. Lo

scavo deve essere rettilineo con raggi di curvatura ridotti al minimo, deve essere largo da 5 a 15 cm e profondo da 30

a 45cm. La minitrincea è una tecnica utilizzata per la posa di 4 monotubi su strade periferiche o provinciali, i tempi di

posa e asfaltatura sono limitati ad alcune ore per diversi chilometri di cavo. Il costo per la fornitura e posa di

infrastruttura fino a 3 tubi da 40mm in minitrincea è di circa 20 €/metro, per ogni metro occorrono da 6 a 9 tubi,

mentre un cavidotto tradizionale a un metro di profondità ha un costo di 1000 €/metro.

Una linea in fibra ottica si compone in genere di più pezzi di fibra giuntati tra loro. Due tratti di fibra ottica dello

stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, una giunzione ben eseguita comporta un ottimo

accoppiamento del core. L’operazione di giunzione è effettuata in modo semiautomatico mediante apparecchiature

che allineano i cladding e i core ed eseguono la fusione. Una giunzione eseguita correttamente genera

un’attenuazione inferiore a 0,05 dB. Nell’uso pratico, un collegamento bidirezionale viene realizzato utilizzando una

coppia di fibre, una per ciascuna direzione. Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di comunicazione,

trasmettitore e ricevitore, tramite connettori che allineano il core della fibra con il laser trasmettitore ed il ricevitore.

I cavi in fibra vengono installati all’interno di impianti di cablaggio strutturato, vengono attestati su panneli di

permutazione. Un collegamento comporta quindi l’uso di almeno due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso

al pannello di permutazione), e quindi di 4 connettori.

Cablaggio strutturato

Il cablaggio è un insieme di componenti passivi posati in opera: cavi, connettori, prese, permutatori opportunamente

installati e predisposti per poter interconnettere vari apparati attivi. Un cablaggio si dice strutturato se segue

opportune specifiche che ne definiscono i vari aspetti, quali la tipologia dei componenti, la loro certificazione, la posa

in opera, la certificazione di tutta la rete, la schermatura e la messa a terra.

I sistemi strutturati di cablaggio si dividono in:

• Proprietari, come IBM Cabling System o Digital DEConnect.

• Standard (conformi a standard nazionali o internazionali), come TIA/EIA 568, ISO/IEC IS 11801, prEN 50173.

9

6. CENNI STORICI SULL’USO DELLA FIBRA OTTICA

Lo studio dei fenomeni ottici risale ai tempi di Archimede e del trattato Catottrica3.

In epoca vittoriana il principio della riflessione totale interna venne utilizzato per illuminare le fontane pubbliche. Il

successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di un fascio di fibre volto alla trasmissione

di immagini, il cui primo impiego fu il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu

brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss nel 1956. Nel processo di sviluppo del

gastroscopio4, Curtiss produsse fisicamente la prima fibra ottica. Presto si susseguirono una varietà di altre

applicazioni per la trasmissione di immagini.

Nel 1965 Charles K. Kao e George A. Hockham furono i primi a capire che l’attenuazione delle fibre contemporanee

era causata dalle impurità, che producevano il fenomeno dello scattering5. Queste impurità potevano però essere

rimosse. Essi dimostrarono che le fibre ottiche potevano essere un mezzo pratico per la comunicazione, nel caso in

cui l’attenuazione fosse stata ridotta al di sotto dei 20dB/km. La prima fibra ottica che rispettava queste

caratteristiche fu realizzata nel 1970 dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz e Frank Zimar,

impiegati presso la Corning, azienda statunitense produttrice di vetro situata a Corning (New York). Costruirono una

fibra con 17dB di attenuazione ottica per chilometro, drogando il silicio del vetro con il titanio. L'amplificatore ottico

drogato con erbio, che ridusse il costo per i sistemi a fibra ottica per le lunghe distanze eliminando il bisogno dei

ripetitori ottico-elettronico-ottico, fu inventato da David Payne dell'Università di Southampton, nel 1987.

Il primo cavo telefonico transatlantico ad usare la fibra ottica iniziò ad operare nel 1988.

Negli ultimi vent’anni i progressi relativi allo sviluppo della fibra ottica sono stati enormi, anche se la traduzione del

segnale elettrico al segnale luminoso non permette ancora di sfruttare appieno la larghezza di banda tipica della

fibra ottica. Questo è dunque il punto chiave sul quale l’industria della fibra si sta concentrando.

3 Trattato Catottrica: trattato di Archimede sul quale si hanno informazioni indirette. Alcuni sostengono che si trattava di un’opera voluminosa che studiava

l’ingrandimento ottenuto con specchi curvi e il fenomeno della rifrazione. 4 Gastroscopio: è un endoscopio ad uso medico, utilizzato per esaminare direttamente l’interno del lume delle vie digestive superiori (esofago, stomaco,

duodeno) con l’esame detto gastroscopia. 5 Scattering: in fisica lo scattering si riferisce ad un’ampia classe di fenomeni in cui onde o particelle vengono deflesse (cambiano traiettoria) a causa della

collisione con altre particelle.

10

7. TRASMISSIONE DATI CON ARDUINO E FIBRA OTTICA

Il progetto realizzato comprende l’uso di due microcontrollori Arduino, due tratti di fibra ottica plastica realizzati

artigianalmente e due personal computer. L’obiettivo principale è il trasferimento di un file di testo da un PC

all’altro, utilizzando esclusivamente la fibra ottica come canale di comunicazione, e il microcontrollore come scheda

di interfaccia.

7.1 Il microcontrollore Arduino

Arduino è una piattaforma elettronica open source6 basata su delle

componenti hardware e software flessibili e di facile utilizzo. Il

microcontrollore è stato progettato per artisti, designer, hobbisti e

chiunque sia interessato a creare oggetti o ambienti interattivi. Arduino

può percepire l’ambiente ricevendo input da una varietà di sensori e

può agire pilotando dispositivi come luci, motori e altri. Il

microcontrollore della board è programmato usando il linguaggio di

programmazione Arduino (basato su Wiring7) e l’ambiente di sviluppo

Arduino (basato su Processing8). I progetti realizzati con Arduino

possono essere stand-alone, oppure possono comunicare con i software

in esecuzione su un computer.

7.2 Fibra ottica home-made

La fibra ottica utilizzata per il progetto è stata Realizzata usando una resina polimerica poliestere, che è stata fatta

colare all’interno di un tubo in PVC; naturalmente il tratto di fibra realizzato è in scala ingrandita rispetto ad una fibra

ottica commerciale, in quanto è stata realizzata a mano senza l’ausilio di particolari apparecchiature. La resina è più

densa del materiale plastico, quindi funge da core, mentre le pareti del tubo costituiscono il cladding; in questo caso

pratico la fibra non è stata rivestita con nessun tipo di jacket, allo scopo di lasciar intravedere i raggi luminosi del

diodo LED. Siccome si intende trasmettere nel campo del visibile, più precisamente usando una luce rossa, il

ricevitore sarà una foto-resistenza. Le uniche altre parti aggiunte sono dei semplici pezzi di un tubo di plastica di

diametro più grosso, allo scopo di facilitare l’inserzione della fibra con il diodo ed il ricevitore.

6 Open source: In informatica, open source (termine inglese che significa sorgente aperto) indica un software i cui autori (più precisamente i detentori dei diritti)

ne permettono, anzi ne favoriscono il libero studio e l'apporto di modifiche da parte di altri programmatori indipendenti. Questo è realizzato mediante

l'applicazione di apposite licenze d'uso. 7 Wiring: è un programma open source per programmazione elettronica I/O.

8 Processing: è un linguaggio di programmazione basato su Java, che consente di sviluppare diverse applicazioni come giochi, animazioni e contenuti interattivi.

11

7.3 Schema del progetto

12

7.4 Codifica e sincronizzazione del segnale

Quando si vuole trasmettere delle informazioni da una macchina all’altra è necessario seguire un protocollo, ovvero

un insieme di regole che determina il corretto trasferimento delle informazioni, ad esempio nelle reti di computer si

usa TCP/IP, nel caso di comunicazioni seriali a bassa velocità è molto diffuso rs232, ecc. Per trasmettere un segnale è

essenziale innanzitutto codificarlo, ovvero rendere l’informazione trasportabile sul canale che si sta utilizzando. Un

segnale si può codificare in modo analogico oppure digitale, nel caso della fibra ottica il segnale è costituito da

impulsi luminosi e il ricevitore ne avverte la presenza o meno, quindi è necessaria una codifica di tipo digitale. Il

modo con cui si rappresenta l’informazione nel segnale è chiamato codifica di linea. Alcuni esempi sono il codice

NRZ, RZ, AMI, HDB3 e il codice MANCHESTER, quest’ultimo è particolare in quanto si definisce auto sincronizzante,

ovvero integra un sistema di clock al suo interno, indispensabile per la sincronizzazione col ricevitore. Nel caso in cui

si vogliano trasmettere esclusivamente dei file di testo (*.txt) il miglior modo per codificare l’informazione è

prenderla carattere per carattere, e convertirla in codice ASCII su 7 bit. Si stabilisce che la presenza di luce captata

dal ricevitore ha valore logico 1, mentre l’assenza 0, in questo modo è possibile ricostruire al ricevitore un byte che

rappresenta il carattere inviato sulla fibra. Questo tipo di codifica assomiglia molto a NRZ, viene inviato un pacchetto

per volta, il quale è composto da i bit della codifica ASCII più altri due bit, uno definito di start (valore logico 0)

all’inizio del frame, e uno di stop (valore logico 1) posto in coda. Questi due elementi aggiuntivi servono a

sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore, e permettere quindi la corretta lettura degli impulsi da parte della

foto-resistenza. Nei momenti in cui non viene trasmesso alcun segnale, il led viene lasciato a valore logico 1, quindi

acceso, in modo da permettere al ricevitore un immediato riconoscimento del bit di start (valore logico 0).

13

7.5 Codice Sorgente

Il nostro progetto necessita di due programmi distinti, il primo serve a controllare le funzioni del microcontrollore

Arduino, che fa da interfaccia tra l’hardware ed il software e si trova quindi ad un livello più basso, è possibile

paragonarlo ad un device driver9 in quanto svolge le funzioni più elementari di gestione dei singoli bit. La seconda

parte consiste in un software scritto in C# appositamente per la gestione dei file, quindi anche dei flussi di lettura e

di scrittura delle informazioni, esso opera ad un livello più alto del precedente, in quanto non si preoccupa di

verificare i singoli bit ed i livelli di tensione, ma opera su dei dati che gli vengono già forniti.

7.5.1 Programma Arduino

9 Device driver: in informatica è detto driver l’insieme di procedure, spesso scritte in assembly, che permette ad un sistema operativo di pilotare un sistema

hardware. Il driver permette al sistema operativo di utilizzare l’hardware senza sapere come esso funzioni, ma dialogandoci attraverso un’interfaccia standard.

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Il compito principale del microcontrollore Arduino è controllare trasmissione e ricezione su fibra ottica, e riconoscere

quindi gli impulsi ricevuti. Il microcontrollore scompone l’informazione di partenza e procede all’invio dei singoli bit

tramite segali luminosi. In questa parte di codice viene gestita la sincronizzazione della trasmissione e la

memorizzazione dei pacchetti di informazioni ricevuti. Il tutto viene poi inviato al PC in ricezione, ed il software in C#

provvede alla ricostruzione delle informazioni, in questo caso alla ricostruzione del file di testo. Per gestire la

ricezione e la trasmissione, il programma simula il multithreading su Arduino, separando i processi di ricezione e

trasmissione con la tecnica del time-sharing.

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Analizzando il codice dell’applicativo scritto in C# si può notare che svolge funzioni diverse rispetto al

microcontrollore, infatti in questa parte del programma non vi è più il problema della sincronizzazione, in quanto i

dati arrivano all’applicazione tramite una comunicazione seriale con l’Arduino, gestita in modo automatico con delle

semplici istruzione predefinite in C#. Questo livello di applicazione si occupa di gestire il flusso di dati in lettura e in

scrittura su file di testo, tuttavia anche qui è necessario distinguere i processi di trasmissione e ricezione, ovvero

bisogna capire se l’utente intende trasmettere o ricevere un file e quindi i due processi vanno separati. La distinzione

delle due operazioni è necessaria per via della natura della porta seriale, infatti essa può gestire solo una

comunicazione per volta e non è pertanto possibile trasmettere e ricevere nello stesso tempo. Si procede quindi

usando il multithreading, dal programma principale si crea un sottoprocesso (Thread rx; riga 15) che si occupa di

stare in ascolto sulla porta seriale, attendendo una comunicazione da parte dell’Arduino. Il processo viene eseguito

in background e interagisce con la Form solo nel caso in cui si sta realmente ricevendo un file dall’altro interlocutore,

altrimenti è del tutto trasparente all’utente. Il programma principale invece si occupa della gestione dell’invio di un

file; attraverso il pulsante “Invia” l’utente apre il flusso in lettura del file specificato, isola i caratteri del file di testo e

invia la loro codifica ASCII al microcontrollore, il quale a sua volta isola i singoli bit e li trasmette sulla fibra ottica.

Tutte queste operazioni avvengono in pochi millisecondi, un tempo rapido agli occhi dell’utente, tuttavia non è

sufficiente per avere una comunicazione ad alta velocità come una linea ADSL, ma è più adatto a scopo dimostrativo.

Un’altra parte importante dell’applicazione è la gestione delle eccezioni, che possono essere dovute alla

comunicazione seriale, al flusso di lettura/scrittura dei file e al processo in background. Alcune di queste eccezioni

possono essere evitate semplicemente usando il costrutto try catch (ad esempio nelle procedure di ricezione file),

altre invece vanno gestite più nello specifico, ad esempio è necessario disabilitare il controllo

CheckForIllegalCrossThreadCalls che impedisce la modifica della Form da parte del sottoprocesso, oppure il controllo

sull’apertura o meno della porta seriale e la chiusura di tutti i flussi di lettura/scrittura al termine del loro utilizzo.

Come ulteriore misura di sicurezza all’evento di chiusura della Form da parte dell’utente vengono chiusi il Thread rx

di ricezione e la porta seriale in utilizzo, il flusso di lettura/scrittura file si chiude automaticamente con la Form, in

questo modo l’utente è sicuro di essere completamente disconnesso e non ci saranno problemi ad una prossima

esecuzione dell’applicazione. Per quanto riguarda l’interfaccia grafica l’applicazione fa parte delle

WindowsFormApplications e consiste in una finestra con i classici tre bottoni in alto a destra di riduzione a icona,

ingrandimento e chiusura, mentre all’interno ci sono tutti i comandi necessari come la selezione della porta COM, il

Pulsante “Invia” e le TextBox dove è possibile inserire i percorsi sorgente e destinazione del file da trasmettere.

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Alcune schermate di esempio dell’interfaccia grafica dell’applicazione

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7.6 Risultati e conclusioni

Il progetto a questo punto è in grado di trasmettere in modo efficiente un file di testo tra due PC. Il file viene per

prima cosa letto dall’applicativo in C#, convertito in ASCII e passato al microcontrollore Arduino, il quale a sua volta

procede ad estrarre i singoli bit dalla codifica e li traduce in segnali luminosi. Il ricevente effettua le operazioni

inverse e ricostruisce il messaggio originale. Il sistema funziona efficacemente e con una quasi totale assenza di

errori di trasmissione, che si presentano raramente e comunque non danneggiano la comprensibilità dell’intero

messaggio, si tratta perlopiù di alcuni caratteri che vengono ricevuti in modo errato e vengono tradotti come “?”.

Nelle comunicazioni digitali si considera la velocità di trasmissione espressa in bit/sec; dalle misurazioni effettuate si

ricava una velocità di trasmissione di circa 17 bit/sec, che è notevolmente inferiore rispetto a quella di una linea in

fibra ottica di uso comune, questo a causa di diversi fattori. In primo luogo la struttura della fibra, la qualità dei

materiali utilizzati per la costruzione e anche il processo di produzione di tipo artigianale e quindi non molto preciso.

Inoltre sono determinanti anche i componenti utilizzati per la trasmissione e la ricezione del segnale luminoso, in

questo caso il trasmettitore è un semplice diodo LED rosso ad alta luminosità (molto impreciso rispetto ad un diodo

laser) mentre il ricevitore è una semplice resistenza variabile a seconda dell’intensità luminosa (possiede quindi una

velocità di commutazione molto bassa, nemmeno paragonabile a quella di un fotodiodo ad infrarossi). Nonostante

queste difficoltà tecniche siamo riusciti ad ottenere una trasmissione sufficientemente affidabile seppur lenta, quindi

non è utilizzabile per scopi commerciali o professionali, ma è molto adatta come dimostrazione di funzionamento di

quello che potrebbe essere un sistema di telecomunicazioni molto più complesso.

Una foto del progetto finale durante la trasmissione di un breve file di testo.

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Bibliografia

02-10_FogliElettrici.pdf http://www.qubix.it/pdf/pubblicazioni/02-10_FOGliElettrici.pdf

Cavi_fibra_ottica.pdf http://www.intercond.it/utility_catalogo/cavi_fibra_ottica.pdf

Dispensafibra1.pdf www.loreti.it/Download/PDF/Ottica/Dispensafibra1.pdf

Esercitazione5.pdf www.uniroma1.it/cattedra_michelotti/Esercitazione5.pdf

Fibra Ottica http://it.wikipedia.org/wiki/Fibra_ottica

07-fibre ott.pdf www.funsci.com/fun3_it/sini/eo/o7-fibre%20ott.pdf

Corso di telecomunicazioni 1 Ettore Panella, Giuseppe Spalierno Edizioni CUPIDO

Sistemi di Elaborazione e trasmissione delle informazioni 3 Pasquale Levi HOEPLI