ELETTRONICA
Telecomunicazione : i mezzi trasmissivi
La seconda Rivoluzione Industriale
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Per codificare e trasportare i dati possono essere usati diversi mezzi di trasmissione, che servono a guidare e a proteggere la loro propagazione; i mezzi di trasmissione classici, come quelli “elettrici”, sfruttano la proprietà dei metalli di condurre energia elettrica; altri mezzi di trasmissione sono quelli “ottici”, che trasportano onde luminose e i mezzi di trasmissione “wireless” che utilizzano onde radio o raggi infrarossi.
Alcuni mezzi permettono la comunicazione in un solo senso, altri in entrambi i sensi. Le linee di comunicazione si distinguono in : linee simplex, half-duplex e full-duplex:le linee simplex permettono la comunicazione in un solo senso; una delle sue stazioni collegate in questo modo funziona sempre da trasmettitore, l’altra sempre da ricevitore;le linee half-duplex permettono la comunicazione nei due sensi ma soltanto alternativamente; le linee full-duplex, infine, permettono la comunicazione nei due sensi anche contemporaneamente.
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I mezzi elettrici si differenziano per le loro proprietà elettriche: resistenza, capacità e induttanza. I cavi ottimali sono caratterizzati da bassa resistenza, bassa capacità e bassa induttanza, cioè sono poco dispersivi e dissipativi; in altre parole, tutta la potenza inviata sul canale arriva al ricevitore e il segnale non viene distorto.
Il parametro più importante di un cavo è l’impedenza, espressa in Ohm, che sintetizza in un solo valore resistenze, capacità e induttanze presenti sul cavo, e il cavo risulta migliore quanto più l’impedenza è stabile al variare della frequenza. Altri parametri che caratterizzano un cavo sono: “velocità di propagazione”, espressa come percentuale della velocità della luce nel vuoto; “attenuazione”, espressa in decibel, cioè in scala logaritmica, che è il rapporto tra il valore del segnale si ingresso e il valore misurato all’uscita; “diafonia”, o “cross-talk”, è una misura sempre in decibel del disturbo che si verifica tra due cavi vicini.
I parametri elettrici e le caratteristiche dei cavi dipendono dalla loro struttura, dal numero e dalla distanza dei conduttori e dal diametro, dal tipo di isolante e così via. Una struttura regolare è importante, perché offre parametri elettrici costanti lungo il cavo.
Il diametro dei cavi viene espresso in mm o pollici, o con l’unità di misura AWG (American wire gauge = Misura Americana dei cavi), che è una scala con valori compresi tra 0 Gauge (0.460 pollici di diametro) e 36 Gauge (0.005 pollici di diametro); più bassa è la misura del AWG più grosso è il cavo.
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Per molto tempo il cavo coassiale è stata la sola scelta economica da usare nella cablatura di reti locali ad alta velocità perché rispetto al doppino garantisce una capacità di banda superiore. Gli svantaggi di installare e mantenere un sistema in cavo coassiale includono il fatto che il cavo è complesso e costoso da fabbricare, è difficile da utilizzare in spazi piccoli, in quanto non può essere piegato troppo intorno ad angoli stretti, ed è soggetto a frequenti rotture meccaniche ai connettori. Va però segnalato che è altamente resistente all'interferenza del segnale.
I cavi coassiali vengono prodotti in diverse tipologie, in funzione della frequenza e della potenza del segnale trasportato; i valori di impedenza sono due: 50 Ohm, utilizzato per le trasmissioni digitali, come ad esempio le prime versioni di Ethernet, e 75 Ohm, utilizzato per le trasmissioni analogiche per la televisione e le connessioni Internet via cavo.
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Il doppino telefonico è nato per il trasporto della voce umana che ha una banda di frequenza molto ridotta. Compresa tra i 300 e i 3300 Hz. Con la diffusione delle reti di computer, il requisito principale richiesto al mezzo trasmissivo è stato quello di una banda passante sempre maggiore, per permettere il passaggio di segnali di frequenza più elevata. Per questo motivo, tramite gli studi e le modifiche apportate, oggi il doppino è in grado di supportare frequenze molto elevate, tali da permettere velocità trasmissive superiori a 100 Mbps.
Le due principali categorie di doppino telefonico sono: la prima, “UTP” (Unshielded Twisted Pair), ovvero il doppino ritorto non schermato, più flessibile e resistente ed usato maggiormente nelle reti ethernet; la seconda, “STP” (Shielded Twisted Pair), cioè il doppino ritorto schermato, che include una schermatura metallica per ogni coppia di cavi. I parametri elettrici di qualsiasi cavo variano con la frequenza; proprio per questo, i cavi sono classificati in varie categorie, che vanno da quelli adatti solo alla telefonia analogica, a quelli per alte frequenze.
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Nel campo delle telecomunicazioni sono usate come canali di comunicazione privilegiati ad alta velocità, in quanto consentono velocità di trasmissione dei dati dell’ordine del Gbps, molto maggiori rispetto alle velocità dei cavi coassiali. Oltre agli evidenti vantaggi, come l’insensibilità alle interferenze ed alla diafonia, hanno un volume ridottissimo e una bassa attenuazione, per cui il segnale può viaggiare per più di 100 km senza la necessità di essere amplificato.
Le fibre ottiche usate nelle telecomunicazioni sono attraversate, da un’estremità all’altra, da impulsi luminosi nel campo di frequenza simile a quello degli infrarossi, e quindi invisibili all’occhio umano. Sono di certo ottimi canali di comunicazione; basta pensare al fatto che in una sola fibra ottica possono viaggiare contemporaneamente 12000 telefonate.
La fibra ottica è costituita da una parte interna, detta “core”, coperta da una guaina chiamata “cladding”. L’unità di misura di questi due rivestimenti è dell’ordine dei micron (un milionesimo di metro); ad esempio se si considera una fibra ottica con due numeri, per esempio 50/125, significa che i diametri del core e quello del cladding misurano rispettivamente 50 e 125 micron. All’esterno vi sono poi ulteriori guaine di rivestimento e protezione; quella più esterna è una robusta guaina in mylar.
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Un sistema di trasmissione ottico necessita di tre componenti, che sono: la sorgente luminosa, che può essere un LED o un laser e che converte i segnali elettrici in impulsi luminosi; il canale sulla quale viaggia il segnale, che è appunto la fibra ottica; il fotodiodo ricevitore che converte gli impulsi ottici in impulsi elettrici.
Il comportamento della luce all'interno di una fibra ottica può essere spiegato attraverso la “legge di Snell”; un raggio luminoso che si propaga in un mezzo trasparente, come ad esempio il vetro, con un indice di rifrazione (cioè il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel mezzo considerato) n1, quando incontra un altro mezzo sempre trasparente, con indice di rifrazione n2 diverso, per esempio minore come quello dell’acqua, viene in parte riflesso e in parte rifratto. La prima legge di Snell afferma che l’angolo incidente è uguale all’angolo riflesso, cioè il raggio luminoso riflesso ha un angolo uguale a quello del raggio luminoso incidente. La seconda legge di Snell, invece, afferma che il rapporto tra i seni degli angoli è inversamente proporzionale agli indici di rifrazione dei due mezzi, ovvero (sin a1/sin a2) = (n2/n1).Si deduce, di conseguenza, che al crescere dell’angolo di incidenza, anche l’angolo di rifrazione cresce, ma più velocemente, fino a che, quando il primo raggiunge il valore detto “angolo limite”, il secondo raggiunge il valore 90°, eliminando così la rifrazione.
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La conseguenza della legge di Snell nelle fibre ottiche è l’esistenza di un angolo, detto “cono di accettazione”, ovvero l'angolo massimo entro cui deve essere immesso il raggio ottico all'interno della fibra in modo che sia garantita la propagazione per riflessioni interne senza rifrazione esterna verso il cladding.
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Vi sono poi due fenomeni di dispersione che limitano la banda passante delle fibre ottiche: la “dispersione modale” e la “dispersione cromatica”. La dispersione modale è il fenomeno per cui impulsi luminosi differenti, con diverso angolo incidente, seguono percorsi di lunghezza differente e quindi anche partendo contemporaneamente arrivano all’altra estremità della fibra ottica in istanti differenti: il segnale in uscita non riproduce, quindi, quello di ingresso in modo fedele. La dispersione cromatica, invece, venne studiato da Newton mediante il prisma; il prisma, raggiunto da un raggio di luce bianca, rifrange le componenti cromatiche con angoli crescenti con la lunghezza d’onda; questo fenomeno, per le fibre ottiche, indica cammini di differente lunghezza per raggi luminosi di frequenze differenti.
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Alla dispersione cromatica è stato posto rimedio utilizzando una sorgente di luce proveniente da un laser, che ha uno spettro di frequenze molto piccolo: le fibre che utilizzano questa sorgente luminosa sono dette “monomodali”, che hanno la particolarità di avere il diametro del core fortemente ridotto per consentire la propagazione dei raggi in un solo modo. Le fibre “multimodali”, invece, trasportano i raggi luminosi di un LED, aventi uno spettro di frequenza allargato e quindi soggette al fenomeno della dispersione cromatica.
Le reti wireless sono e, ci si aspetta che saranno, sempre più una importante forma di connessione per molte attività, soprattutto per le imprese. Il mercato per i dispositivi wireless è stimato in crescita ed essi vengono installati soprattutto negli aeroporti, nelle università, nei parchi pubblici delle grandi città.
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Ogni sistema di comunicazione wireless è composto da un trasmettitore, un ricevitore e dagli elementi incaricati all'irradiazione elettromagnetica, ovvero le antenne, i laser, i fotorivelatori. La comunicazione può essere monodirezionale (simplex), bidirezionale half-duplex o bidirezionale full-duplex.
Le onde radio utilizzate nei dispositivi wireless sono in grado di coprire ambienti diversi dove le postazioni da collegare non sono necessariamente visibili, ed infatti possono essere separate da muri o stanze; si parla quindi di “persistenza”. Ma questo può essere anche il problema principale per una rete senza fili: la sicurezza. I segnali radio, infatti, essendo diffusi nell'etere, possono essere intercettati senza difficoltà; di conseguenza è necessario prendere contromisure di tipo crittografico per garantirne la riservatezza, e ciò può avvenire tramite l’utilizzo di chiavi WEP, accertate poco sicure e successivamente sostituite con le chiavi WPA.
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Le reti basate su infrarossi vengono utilizzate per collegare dispositivi visibili direttamente; sono lente e spesso utilizzano dispositivi dedicati. Esse sono infatti considerate in disuso e sostituite quasi totalmente dai dispositivi Bluetooth. Esistono in oltre due modalità di infrarossi: la modalità a infrarossi diretti, dove trasmettitore e ricevitore devono essere perfettamente allineati per potersi illuminare reciprocamente con un fascio di luce, ed è quindi una trasmissione punto a punto; la modalità a diffusione, dove la radiazione luminosa emessa da una stazione viene diffusa in tutte le direzioni e rimbalza su soffitto e pavimenti, venendo riflessa verso tutte le altre stazioni, ed è quindi una trasmissione di tipo broadcast.
Le reti basate su laser, infine, vengono utilizzate di solito per collegare sottoreti costruite utilizzando altre tecnologie. Il laser viene utilizzato per la sua elevata velocità di trasmissione. Un tipico esempio è il collegamento delle reti di due edifici vicini. Il laser ha il problema di essere sensibile alle condizioni esterne e alle vibrazioni e proprio per questo motivo anche queste tipologie di dispositivi sono considerati in disuso e quasi sempre sostituiti da collegamenti via onde radio.
Un tempo, a causa del prezzo degli apparecchi wireless, questa tecnologia veniva utilizzata solo in caso di condizioni in cui l'uso di cavi era difficile o impossibile. Man mano che i prezzi diminuiscono, però, le WLAN stanno entrando anche nelle case, permettendo la condivisione di dati e della connessione Internet, tramite i router, tra i computer di un gruppo. Con il termine WAN (Wireless Local Area Network) si fa riferimento ad una rete locale dove non esiste l’installazione di un cablaggio fisso e i dispositivi sono dotati di sistemi ricetrasmittenti; questo standard,cioè l’IEEE 802.11, offre il vantaggio di una semplice installazione e viene spesso usato in casi in cui il cablaggio fisso avrebbe costi elevati.
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Le onde radio sono facili da generare e possono viaggiare per lunghe distanze, ma sono soggette ad interferenze da parte di motori e apparecchiature elettriche.
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Alle frequenze più basse (VLF, LF e MF), le onde radio attraversano facilmente gli ostacoli e si propagano in tutte le direzioni. Ad alte frequenze (HF e VHF), invece, esse viaggiano in linea retta e rimbalzano sugli ostacoli e tendendo ad essere assorbite dal suolo, ma rimbalzano sulla ionosfera e quindi possono arrivare anche a grandi distanze.
Le onde radio sono ripetutamente rifratte e, quindi, alla fine in pratica "riflesse" dallo strato della ionosfera, consentendo la trasmissione tra due zone lontane del globo, nonostante la curvatura terrestre.
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Le microonde, invece, sono radioonde ad alta frequenza ed il loro uso è regolamentato da appositi meccanismi. Esse risultano poco costose, ma un problema che le penalizza è che la radio non consente comunicazioni full-duplex su un’unica frequenza, per cui si devono usare due frequenze distinte per ottenere una comunicazione full-duplex: una per la trasmissione e una per la ricezione.
Gli utilizzi delle microonde sono svariati e ormai divenuti di uso comune. Il loro utilizzo, infatti, va dal comunicare via ponte radio, utilizzando una trasmissione tra antenne paraboliche terrestri a distanze fino a centinaia di km all’utilizzo della tecnologia GSM dei cellulari; vengono poi utilizzate nei forni detti appunto a microonde per il riscaldamento degli alimenti, oppure sono utilizzate per le comunicazioni con i satelliti poiché attraversano l'atmosfera terrestre senza subire interferenze, cosa che accade invece per le onde radio. Anche i radar utilizzano le microonde per rilevare a distanza la presenza o il movimento di oggetti; alcuni servizi di diffusione televisiva, accesso ad Internet e telefonia su cavo coassiale utilizzano microonde di bassa frequenza e recentemente si sono sviluppate tecnologie a microonde anche nel campo delle armi. Come abbiamo visto, le microonde oggi sono presenti ovunque e sempre, e agiscono in qualsiasi momento anche se non ce ne accorgiamo.