Sistemi di Telecomunicazione - Caratteristiche dei cavi a ... · reti dati (come Internet) per...

Sistemi di TelecomunicazioneCaratteristiche dei cavi a coppie simmetriche

(seconda parte)

Universita’ Politecnica delle Marche

A.A. 2014-2015

A.A. 2014-2015 Sistemi di Telecomunicazione 1/32

Il doppino in rame

I E’ costituito da una coppia (pair) di conduttori di rameopportunamente ritorti (twisted)

I E’ impiegato per comunicazioni foniche e trasmissione dati

I Presenta una banda passante inferiore al cavo coassiale

I Basso costo e semplice installazione


Rumore sul doppino telefonico

I La presenza di rumore sul doppino telefonico e’ dovuta a diversi fattori didisturbo, che si possono suddividere in intrinseci (se sono propri della linea) edestrinseci (se provengono dall’esterno)

I Fattori di disturbo intrinseci alla linea sono:I Rumore termico dovuto alla linea (puo’ essere assimilato in qualche

maniera al rumore Gaussiano bianco)I Echi e riflessioniI AttenuazioniI Cross-Talk (o co-channel interference)

I Fattori di disturbo estrinseci alla linea sono dovuti a rumori di tipo impulsivo,causati da scariche elettriche, linee di potenza, apparati elettromeccanici, ecc.

I Le fonti di rumore precedentemente elencate, possono essere classificate anchecome limitanti la capacita’ e limitanti le prestazioni del sistema di trasmissionedigitale su doppino. Le fonti di rumore limitanti la capacita’ sono essenzialmenteil rumore termico ed il crosstalk. Sono disturbi caratterizzati da lente variazionitemporali e quindi i loro effetti possono essere facilmente modellati e predetti.Le fonti di rumore di tipo impulsivo e man-made, invece, sono classificate comelimitanti le prestazioni. Sono difficilmente modellabili e fortementetempo-varianti. Occorrono soluzioni di elaborazione del segnale ad hoc, perfronteggiarne gli effetti (ad es. robusta codifica FEC, interleaving).


Immunita’ ai disturbi - trasmissione bilanciata e conduttori“twistati”

I Campi elettromagnetici esterni agiscono in ugual modo sui dueconduttori “twisted”

I Quanto sopra, unitamente alla trasmissione bilanciata, presenta unaprotezione ai disturbi


Riduzione delle emissioni

Grazie alla tecnica di trasmissione bilanciata, i campi elettromagneticigenerati separatamente dai due conduttori sono uguali ma in opposizionedi fase, e quindi tendono ad elidersi


Introduzione della schermatura

Perche’ la schermatura dei cavi

La presenza di schermi puo’ portare i seguenti benefici:

I immunita’ ai disturbi elettromagnetici

I riduzione dell’emissione di radiofrequenza

I uniformita’ del valore dell’impedenza

I riduzione della diafonia (se applicata a singole coppie)

Importanza della corretta messa a terra degli schermi: EMC

Differenti tecniche di schermatura

I FOIL - foglio sottile di alluminato che avvolge il cavo sotto la guaina diprotezione esterna

I CALZA - trecciola di fili di rame che avvolge il cavo, presentando una miglioreconducibilita’ del foglio di alluminio a fronte di una copertura non completa

I FOGLIO + CALZA - il risultato di schermatura e’ sicuramente migliore, maaumentano il costo e le dimensioni del cavo


Tipi di doppino

I UTP (Unshielded Twisted Pair): Doppino non schermato - Z = 100Ω

I FTP (Foiled Twisted Pair): Doppino con schermo globale in fogliodi alluminio - Z = 100 Ω

I S-UTP o S-FTP: Doppino con schermo globale in foglio di alluminioe calza in rame - Z = 100 Ω

I STP (Shielded Twisted Pair): Doppino con singole coppie schermatepiu’ schermo globale - Z = 150 Ω


Cavo FTP


Cavi multicoppia


Cenni alle reti telefoniche

I Reti telefoniche: reti che storicamente sono state dedicate altrasporto del segnale vocale. Sono state le prime ad averediffusione mondiale e si sono sviluppate sempre con riferimento alservizio vocale da trasportare.

I Con la diffusione delle reti dati, prima di tipo locale poi di tipogeografico, vi e’ stata una sempre maggiore spinta versol’integrazione delle reti e dei servizi. Tale integrazione puo’ essereconsiderata sotto due aspetti: quello delle reti trasmissive, e quellodelle reti integrate.

I Per il primo aspetto: i collegamenti geografici sviluppati per le retitelefoniche spesso costituiscono, oggi, la rete trasmissiva usata dallereti dati (come Internet) per interconnettere le reti locali.

I Per il secondo aspetto: la definizione di reti che possano supportareservizi voce e dati in modo integrato ed efficiente e’ stato ed e’ancora un obiettivo non completamente raggiunto.


Conversione digitale del segnale vocale

I Il trasporto del segnale vocale nella rete telefonica avveniva in passato informa analogica.

I I moderni sistemi di telefonia sono basati su tecniche numeriche cherichiedono che il segnale vocale venga trasformato in forma digitale.

I La conversione digitale del segnale avviene, per le reti con accessoanalogico, nella prima centrale; nelle reti ISDN (Integrated Service DigitalNetwork) con accesso numerico, essa avviene direttamente nell’apparatod’utente.

I La conversione classica del segnale vocale, standardizzata nellaraccomandazione ITU G.711 PCM (Pulse Code Modulation), considerauna banda nominale di 4 kHz per il segnale vocale, e una quantizzazione(anche non uniforme) ad 8 bit, da cui si ottiene un flusso risultante a 64kbit/s.

I Naturalmente questo tipo di conversione si adotta solo per il segnalevocale e puo’ non andare bene per altri tipi di segnale.


Multiplazione PCMI In base alle raccomandazioni ITU G.704 e G.705, oltre alla conversione PCM,

avviene anche una prima multiplazione dei segnali a gruppi di 30 (sistemaeuropeo) all’interno di un apparato di centrale detto multiplatore PCM:

I La multiplazione e’ di tipo TDM e la trama ha una durata pari a 125 µs,esattamente pari al periodo di campionamento del segnale telefonico. In ognitrama, dunque, ciascun canale inserisce gli 8 bit relativi ad un campione.

I Il segnale multiplo PCM europeo (detto multiplex PCM europeo, o E1) ha unavelocita’ di 2.048 Mbit/s, superiore alla velocita’ aggregata dei 30 canali(30 × 64kbit/s = 1.920Mbit/s) in quanto nella trama sono inseriti altri due byteper segnalazione e controllo:


Sistemi di trasmissione - I

I I sistemi di trasmissione della rete telefonica servono a trasferire insiemi di canalitelefonici, ed in particolare gruppi di segnali multiplex E1, su i piu’ diversi mezzifisici che possono disporre di elevata capacita’. Si tratta dunque di unaoperazione di multiplazione effettuata in modo opportuno in base allecaratteristiche dei segnali telefonici.

I Tuttavia, gli stessi sistemi trasmissivi sono anche usati per il trasporto di altrainformazione, in quanto, di fatto, forniscono solo degli schemi di suddivisionedella capacita’ in canali; su tali canali puo’ viaggiare anche traffico nontelefonico, come di fatto avviene in molti casi, ad esempio per le grosse reti degliInternet Service Provider (ISP).

I La struttura e le caratteristiche dei sistemi trasmissivi, pero’, sono fortementeinfluenzate dal fatto di essere stati pensati primariamente per la rete telefonica.

I I sistemi trasmissivi della rete telefonica moderna fanno uso di tecniche dimultiplazione numeriche a divisione di tempo (TDM).

I I bit degli N segnali in ingresso, detti tributari, vengono scritti in un bufferd’ingresso con una frequenza di bit istantanea pari alla frequenza del tributario ft(si indica con ft,i la frequenza del tributario i-esimo). In uscita i bit vengono lettiprelevando gruppi di bit dal buffer di ogni tributario in modo ciclico, ad unafrequenza fm opportuna, determinata dal clock locale dell’apparato.


Sistemi di trasmissione - III Ai bit prelevati dai tributari sono poi aggiunti bit di controllo e segnalazione, ad

esempio dei bit di allineamento di trama.

I Si distinguono due tipi di multiplazione numerica:I multiplazione numerica sincrona (SDH): tutti gli N tributari hanno la

stessa frequenza istantanea ft , in rapporto fisso con la frequenza delsegnale multiplo fm = N · ft · (1 + r), dove r serve per tener conto dei bit disegnalzione e controllo aggiunti;

I multiplazione numerica plesiocrona (PDH): ogni tributario ha unafrequenza nominale ft , ma una frequenza effettiva ft,i diversa eindipendente sia da quella degli altri tributari sia da quella del segnalemultiplo.

I Il primo caso e’ relativo a situazioni nelle quali una opportuna rete disincronizzazione tiene perfettamente allineati gli orologi di tutti i dispositivi ditrasmissione, mentre il secondo e’ relativo al caso in cui gli orologi degli apparatisono indipendenti e solo tarati sui valori delle frequenze nominali.


La commutazioneI La commutazione telefonica e’ quella funzione tramite la quale nei nodi della

rete si instaurano dei cammini fisici (in genere bidirezionali) fra ingressi e uscitedel nodo.

I Questa funzione e’ eseguita da autocommutatori, apparati costituiti da elementibase chiamati matrici di commutazione. Una matrice di commutazione n ×mpuo’ essere logicamente rappresentata da una griglia di contatti fra le n linee iningresso e le m linee in uscita, che possono essere aperti o chiusi.

I Normalmente, si ha la chiusura di al piu’ un contatto per ciascuna linead’ingresso e ciascuna linea d’uscita.

I In generale, un autocommutatore per rete pubblica, che possiede un elevatonumero N di linee entranti ed uscenti, non viene costituito da un’unica matriceN × N perche’ cio’ porterebbe ad avere un numero di contatti N2 enorme. Siutilizzano allora piu’ matrici di commutazione connesse fra loro a formare unarete di connessione, che in generale e’ di complessita’ molto minore rispetto a N2.

I La struttura delle reti di connessione e’ normalmente organizzata a piu’ stadicomposti ognuno da gruppi di matrici di commutazione e le cui uscitecostituiscono ingressi per lo stadio successivo. Gli ingressi del primo stadio sonogli ingressi della rete, mentre le uscite dell’ultimo sono le uscite della rete.


Centrali telefonicheI Le matrici di commutazione potrebbero essere costruite effettivamente con linee

e punti di contatto (in questo caso si parla di matrici crossbar), tuttavia lematrici che si costruiscono oggi sono a divisione di tempo, ossia sono fatte percommutare dei flussi numerici multiplati TDM, anziche’ delle linee monocanale.

I Facendo riferimento alle reti di commutazione, possiamo accennare alla strutturadi una centrale telefonica.

I In generale dobbiamo distinguere fra le centrali terminali, che fungono dainterfacce di rete verso gli utenti, in grado di fare commutazione locale e diinstradare verso la rete telefonica, e le centrali di transito, nodi della rete vera epropria, che non servono nessun utente.

I Nel primo caso la rete di commutazione deve servire gli utenti stessi e legiunzioni di rete. Tuttavia, dato il basso carico diretto delle linee di utente, e’conveniente anteporre alla rete di commutazione vera e propria (stadio didistribuzione) uno stadio di concentrazione n ×m, con n > m, in modo da farlavorare gli apparati a valle su linee maggiormente cariche.

I Simmetricamente, in uscita verso gli utenti, lo stadio di distribuzione e’ seguitoda uno stadio di espansione.

I Nelle reti attuali tutti questi stadi sono numerici. Se la linea d’utente non e’ gia’numerica (ovvero ISDN), all’arrivo in centrale si opera una conversione in PCM elo stadio di concentrazione costruisce direttamente flussi a 2.048 Mb/s. Taliflussi vengono poi commutati direttamente dallo stadio di distribuzione.

I Le centrali di transito ricevono gia’ flussi TDM multiplati e operano direttamentesu questi, tramite matrici quadrate.


Architettura e Instradamento - I

I L’architettura della rete e’ definita dalla dislocazione geografica delle centralitelefoniche, dai fasci che le connettono e dalla loro molteplicita’ (numero dicircuiti). L’architettura della rete telefonica e’ comunemente distinta nella parted’accesso e nella parte di transito.

I La parte d’accesso e’ costituita dalle connessioni d’utente che collegano i puntid’accesso alla rete, dove sono connessi i terminali d’utente (telefoni, fax, ecc.),alla prima centrale (centrale terminale). I punti d’accesso distribuiti sul territoriosono divisi in aree, servite dalle centrali terminali della rete telefonica.

I La parte di transito e’ costituita dalla rete di centrali di transito che ha ilcompito di fornire la connettivita’ alle centrali terminali.


Architettura e Instradamento - II

I Definire un’architettura ottima di una rete telefonica, noto il traffico che deveservire, e’ un compito possibile anche se molto complesso.

I Nella pratica i vincoli tecnici sono solo una parte dei vincoli di cui il progettistadeve tenere in conto e quindi l’architettura che ne risulta e’ il frutto di sceltedettate spesso da criteri euristici.

I Quando tra due nodi esiste un forte traffico risulta conveniente un collegamentomediante un fascio diretto di circuiti; se cio’ fosse vero per tutti i collegamenti,l’architettura che ne risulterebbe sarebbe una maglia completa.

I Se invece il traffico non e’ molto elevato, puo’ essere conveniente collegare piu’nodi mediante un unico nodo che funga da transito per tutti; in questo casol’architettura risultante e’ una stella.

I Nel caso di collegamento mediante un nodo di transito, il centro stella assume ilsignificato di nodo di livello gerarchico superiore. La rete complessiva potrebbeessere formata da piu’ livelli gerarchici.

I Attualmente la struttura della rete telefonica e’ in evoluzione e la tendenza e’l’abbandono della struttura rigidamente gerarchica per l’adozione di strutturepiu’ varie e complesse in grado di adattarsi in modo piu’ flessibile alle esigenzedel traffico.


Architettura e Instradamento - II

I Tutte le volte che la richiesta di una nuova chiamata viene rivolta alla rete,mediante opportune tecniche di segnalazione, occorre determinare se esiste uncammino sul quale la chiamata potrebbe essere inoltrata verso la destinazione.

I Il problema della ricerca del cammino e’ relativo alla funzione di instradamentoche puo’ essere svolta dalla rete utilizzando procedure ed algoritmi diversi.

I La procedura di instradamento ottima e’ definibile come quella in grado dibloccare una chiamata se e soltanto se non vi e’ alcun cammino in rete concircuiti disponibili, in grado di connettere gli utenti interessati, e in grado didistribuire il traffico in rete in modo da minimizzare la probabilita’ che unaeventuale altra chiamata debba essere bloccata.


Cenni sulla segnalazioneI La segnalazione e’ una componente importante della rete telefonica in quanto da

essa dipende la funzionalita’ di gestione automatica della rete, e su richiesta, deicircuiti disponibili.

I Scopo primario della segnalazione e’ quello consentire la comunicazione tra glielementi della rete in modo da trovare un circuito disponibile da assegnare per lachiamata richiesta da un utente. Questa funzione della segnalazione e’ detta dichiamata di base e fa uso di due componenti della segnalazione: quella per ilcolloquio tra utente e rete, che ha il compito di passare le informazioni suldestinatario e sullo stato della chiamata e che avviene tipicamente sulla stessainterfaccia analogica d’utente, e quella di rete, che ha il compito di farcolloquiare le centrali per la scelta del cammino e del circuito, e che puo’avvenire in banda, o su canali dedicati.

I Nelle reti telefoniche moderne la segnalazione ha anche altri compiti, oltre aquello del supporto della chiamata base. In particolare, viene fornito il supportoa servizi supplementari e di rete intelligente che consentono di gestire servizicomplessi come ad esempio il trasferimento di chiamata, i numeri verdi,indicazione del chiamante, ecc.

I Nella segnalazione di rete, sono state introdotte tecniche di segnalazione acanale comune (CCS - Common Channel Signaling). Tali tecniche consentono loscambio di informazioni tra le centrali, con tecnica a commutazione di pacchettodi tipo datagram e permettono di utilizzare una vera e propria rete segnalazioneseparata, con i propri nodi e i propri canali, per il controllo di tutta la retetelefonica.


Rete di distribuzione in rame

Per rete di distribuzione in rame si intende l’insieme dei portanti fisici,delle loro attestazioni/terminazioni, delle infrastrutture, degli apparatitrasmissivi, degli accessori e degli apparecchi che consentono nel loroinsieme la manipolazione ed il trasporto del segnale trasmissivo dallacentrale terminale al cliente, e viceversa.


La rete di distribuzione in rame, cosiddetta elastica, si suddivide in rete primaria, retesecondaria e raccordo


I cavi nella rete di distribuzione

I I cavi sono definiti in funzione del numero di coppie (potenzialita’), del diametrodei conduttori e del tipo di rivestimento impiegato per la protezione.

I I cavi attualmente impiegati hanno una potenzialita’, in funzione del diametrodei singoli conduttori (0,4 o 0,6 mm), che varia da 10 a 2400 coppie.

I L’idoneita’ alla posa sotterranea o aerea e’ definita dal tipo di protezione delrivestimento esterno (guaine).

I I cavi per la posa in trincea hanno guaine in polietilene e armatura di nastri inalluminio ed acciaio, quelli per la posa in canalizzazione hanno, di norma, guainain polietilene ed armatura in alluminio, quelli per la posa aerea hanno guaina inpolivinilcloruro, mentre quelli per la posa interna hanno guaine in alluminio emateriale non propagante la fiamma ed a bassa emissione di fumi.

I L’interno di un cavo puo’ essere riempito con aria (Secco) o con gel(Tamponato).

I Per terminazioni dei cavi s’intende il complesso di materiali di vario tipo necessaria terminare, proteggere, permutare, sezionare e numerare le coppie dei cavi.


Struttura della rete di accesso


Accesso analogico e accesso digitale - II La parte d’accesso della rete telefonica classica, quella maggiormente utilizzata

per uso domestico, e’ originariamente di tipo analogico. Cio’ vuol dire, come gia’accennato, che il terminale d’utente emette un segnale analogico che vieneconvertito in numerico nella prima centrale, mediante un multiplatore PCM.

I La conversione numerica PCM e’ pensata per trattare segnali analogici generatidalla voce umana, quindi la conversione viene fatta considerando una banda lordadel segnale di 4 kHz ed applicando le regole del teorema del campionamento.

I Dato che la conversione sfrutta, di fatto, come unico parametro del segnale, lasua ampiezza di banda, e’ possibile pensare di trasportare sulla parte d’accesso, epoi in rete, segnali diversi da quello vocale, ma comunque caratterizzati da unabanda massima di 4 kHz.

I Si puo’ affermare che, in sostanza, la rete telefonica mette a disposizione circuitianalogici con banda 4 kHz, dato che il segnale analogico di banda 4 kHz iningresso ad un estremo del circuito viene ricostruito in uscita dall’altra parte,anche se con l’aggiunta di rumore (termico e di quantizzazione).

I Proprio questa possibilita’ e’ stata sfruttata per la trasmissione di dati da unestremo ad un altro della rete telefonica mediante dispositivi detti modem. Ilmodem e’ un dispositivo in grado di inviare un flusso di bit, in uscita ad esempioda un computer, sulla rete telefonica, mediante delle tecniche classiche dimodulazione digitale, tenendo conto del vincolo che il segnale generato deveavere al piu’ una banda di 4 kHz.

I Il modem all’estremo opposto del circuito riceve il segnale (che nel frattempoavra’ subito le procedure di codifica PCM e decodifica PCM) e lo riconverte inun flusso di bit da consegnare al computer destinatario.


Accesso analogico e accesso digitale - III Con i modem, si implementa un metodo per scambiarsi dati tramite segnali che

possano viaggiare sulla rete telefonica, cioe’ che abbiano caratteristiche simili aquelle di una comunicazione telefonica, o per lo meno che siano compatibili con ivincoli di tale rete.

I Il canale che il modem deve usare ha una funzione di trasferimento H(f ) che e’data dalla cascata di un doppino, con funzione di trasferimento del tipo

Ae−α√

f , e di un filtro anti-aliasing con frequenza di taglio fc = 3.5 kHz. Inoltre,risulta H(0) = 0, ovvero non vi e’ componente continua.

I Il segnale vocale sta perfettamente dentro la H(f ). Un segnale numerico comepuo’ essere fatto? Potrebbe essere un passa-banda con f0 ∼= 1700 Hz, B ≤ 3.5kHz).


Accesso analogico e accesso digitale - IIII Vengono introdotti sul mercato dei modem (come la serie V.32) che lavorano

con modulazione QAM e filtro a fattore di roll-off α, per cui si puo’ affermareche la banda occupata dal segnale e’ data da: B = Rs(1 + α).

I Al migliorare del SNR sulla linea, aumenta il numero di livelli della costellazione.Inoltre, si sfrutta al massimo la banda disponibile con tecniche piu’ raffinate diequalizzazione, per combattere la distorsione.

I I modem si scambiano una serie di toni per stimare la risposta del canale e perdecidere f0 e Rs , quindi si ottiene una velocita’ di trasmissione variabile aseconda delle condizioni del canale.

I Le procedure e le tecniche usate dai modem per effettuare la modulazione delsegnale sono spesso molto sofisticate per sfruttare al meglio la piccola bandadisponibile. Naturalmente esistono degli standard internazionali che descrivono idiversi tipi di modem, e per questo i modem di diversi costruttori possonocomunicare senza problemi. Anche le interfacce di connessione tra il terminaled’utente (il computer) e il modem sono standard, come ad esempio l’interfacciaRS-232 (seriale), o USB.


Accesso analogico e accesso digitale - IVI In ricezione, il convertitore D/A in centrale converte il segnale numerico in un

segnale a gradini (256 livelli non uniformi, durata 125 µs). Questo segnale vienefiltrato (proprio allo scopo di tagliare gli spigoli, quando si tratta di un segnalevocale) e riconvertito A/D al modem.

I Ma perche’ prendere un segnale digitale, modularlo su un segnale analogico, perpoi riconvertirlo in digitale? Non sarebbe piu’ semplice interfacciarsidirettamente con la rete digitale?

I Se l’ISP trasmettesse direttamente un segnale numerico, il convertitore loconvertirebbe con la stessa legge: se potessi leggere l’uscita non filtrata mibasterebbe un demodulatore d’ampiezza a 256 livelli (a parte la piccolacomplicazione che i livelli d’ampiezza sono non uniformi per la G.711), perricevere un simbolo 256-PAM ogni 125 µs.

I Il problema e’ dato dal fatto che l’utente non puo’ by-passare il filtro, inricezione; in trasmissione, il convertitore A/D e’ posto in centrale, per cuil’utente deve inviare un segnale analogico.


Accesso analogico e accesso digitale - VI L’uso del modem ha consentito l’utilizzo della rete telefonica con accesso

analogico per il trasporto di segnali diverso da quello vocale. Una evoluzionedelle rete telefonica classica e’ rappresentata dalla rete ISDN (IntegratedServices Digital Network) la cui principale differenza rispetto alla rete telefonicaclassica e’ costituita dall’utilizzo di una parte d’accesso di tipo digitale.

I Cio’ vuol dire che la conversione dei segnali avviene direttamente nei dispositividell’utente e non nella rete, che invece tratta direttamente flussi informatividigitali.

I Con l’ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), e’ lo stesso gestore della retetelefonica che mette a disposizione il servizio, modificando le centrali el’accesso dell’utente.

I In pratica viene sdoppiata la linea locale: la parte LP (LowPass) per la fonia, laparte BP (BandPass) per i dati.

I Le due parti vengono multiplate in centrale dopo la conversione in numerico deltraffico voce (la linea telefonica rimane sempre libera).

I Ora il segnale dati non deve piu’ passare attraverso il filtro anti aliasing.I Il modello del canale con cui bisogna fare i conti per il trasferimento dati torna

ad essere la funzione di trasferimento del doppino telefonico.


Diagramma a blocchi dell’accesso ADSL


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