Caratteristiche, parametri e applicazioni dei Mezzi trasmissivi
Parametri dei mezzi trasmissivi
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Misura dell'attenuazione. |
Banda passante. |
Diafonia |
Attenuazione
L'attenuazione si misura in decibel e rappresenta il rapporto tra la potenza del segnale ricevuto e la potenza del segnale trasmesso.
Il trasporto dell'informazione da un capo all'altro di un canale viene affidato a un fenomeno fisico che ha la proprietà di propagarsi lungo il canale. Il canale però dissipa una parte dell'energia.
Banda passante
L'attenuazione cambia al variare della frequenza del segnale trasmesso. L'intervallo di frequenze in cui l'attenuazione si mantiene superiore a un livello standard è detto banda passante.
Il livello standard utilizzato corrisponde alla frequenza in cui la potenza del segnale ricevuto è la metà della potenza del segnale trasmesso.
Quando si prende il logaritmo del rapporto tra potenze la misura risulta espressa in Bel:
Il decibel è un sottomultiplo del Bel (la decima parte), quindi per esprimere la misura in decibel bisogna moltiplicare il risultato per 10, ottenendo che, in corrispondenza di un dimezzamento della potenza del segnale, l'attenuazione è -3dB.
Quindi un modo alternativo, e più comune, di esprimere la banda passante è: l'intervallo di frequenze in cui l'attenuazione è maggiore di -3 dB.
la Diafonia
il segnale sul mezzo subisce l'interferenza dall'energia trasportata su un mezzo adiacente.
Il segnale ricevuto differisce dall'originale perchè questo è stato alterato dal rumore generato da un conduttore vicino
La causa del rumore è la corrente variabile che circola in un conduttore. Questa, infatti, irradia nello spazio circostante delle onde elettromagnetiche, le quali, colpendo un altro conduttore, provocano in questo la circolazione di una corrente variabile.
Il fenomeno della diafonia si manifesta quando i canali di comunicazione sono adiacenti. In particolare, i cavi utilizzari per le telecomunicazioni contengono al loro interno più coppie, che quindi si disturbano a vicenda.
Tecniche di trasmissione
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Trasmissione sbilanciata | Trasmissione Bilanciata |
Trasmissione Sbilanciata:
un filo porta il segnale e un altro porta il riferimento.
Il conduttore che porta il segnale può diventare, involontariamente, antenna di campi elettromagnetici generati da apparecchiature circostanti e quindi l'informazione potrebbe essere ricevuta con errori.
Trasmissione Bilanciata:
Il segnale da trasmettere viene diviso in due parti uguali in opposizione di fase tra loro.
Le due metà del segnale vengono trasportate da due conduttori. I conduttori devono avere un'elevata simmetria spaziale.
Nella trasmissione bilanciata non è più necessario fornire una tensione di riferimento per il ricevitore e per il trasmettitore
Mezzi Trasmissivi
HFC utilizza una combinazione di cavi in fibra e cavi coassiali. DSL e Ethernet usano il cavo di rame. Le reti di accesso mobile utilizzano lo spettro radio.
I bit vengono inviati propagando segnali elettrici, onde elettromagnetiche o impulsi ottici attraverso un supporto fisico. Il supporto fisico può assumere molte forme e potrebbe non essere dello stesso tipo tra ogni coppia trasmettitore-ricevitore lungo il percorso da un sistema terminale ad un altro. Esempi di supporti fisici includono il cavo in rame twisted-pair, il cavo coassiale, il cavo in fibra ottica multimodale, lo spettro radio terrestre, e lo spettro radio satellitare. I supporti fisici si dividono in due categorie: guidati e non guidati. Con i mezzi guidati, i segnali attraversano un mezzo solido, come un cavo in fibra ottica, un filo di rame twisted-pair, o un cavo coassiale. Con i mezzi non guidati, le onde si propagano nell'atmosfera e nello spazio, come in una LAN senza fili o un canale satellitare digitale.
Il costo effettivo del collegamento fisico (filo di rame, cavi in fibra ottica, ecc.) è spesso relativamente minore rispetto ad altri costi di networking. In particolare, il costo del lavoro associato all'installazione del collegamento fisico può essere di alcuni ordini di grandezza superiore al costo del materiale. Per questo motivo, conviene installare doppino, fibra ottica e cavo coassiale in ogni camera in fase di costruzione di un edificio. Anche se è inizialmente utilizzato un solo mezzo, c'è una buona probabilità che un altro supporto potrebbe essere utilizzato in un prossimo futuro, e così si risparmia denaro per non dover posare cavi aggiuntivi in futuro.
Cavo in rame Twisted-Pair
Il mezzo di trasmissione meno costoso e più comunemente utilizzato è il filo di rame twisted-pair. Per oltre cento anni è stato utilizzato nelle reti telefoniche. Infatti, oltre il 99 per cento delle connessioni cablate dalla cornetta del telefono alla centrale telefonica locale usano il filo di rame twisted-pair. La coppia di fili attorcigliati è composta da due fili di rame isolati, ciascuno di circa 1 mm di spessore, disposti in uno schema a solenoide regolare. I fili sono intrecciati insieme per ridurre l'interferenza elettrica da coppie simili adiacenti. Tipicamente, un certo numero di coppie vengono raggruppate in un cavo avvolgendo le coppie in uno schermo protettivo. Una coppia di cavi costituisce un unico collegamento di comunicazione. Il doppino non schermato (UTP) viene comunemente utilizzato per reti di computer all'interno di un edificio, cioè per le LAN. La velocità di trasmissione dei dati per le reti LAN che utilizzano il doppino oggi varia da 10 Mbps a 10 Gbps. La velocità di trasmissione dipende dallo spessore del filo e dalla distanza tra trasmettitore e ricevitore.
Quando nel 1980 è nata la tecnologia in fibra ottica, molte persone denigravano il doppino a causa della sua bassa velocità di trasmissione. Alcuni avrebbero sostituito completamente il doppino con la fibra. Ma il doppino non si arrese così facilmente. La tecnologia twisted-pair moderna, come il cavo di Categoria 6A, può raggiungere velocità di trasferimento dati di 10 Gbps per distanze fino a un centinaio di metri. Alla fine, il doppino è emerso come la soluzione dominante per le reti LAN ad alta velocità.
Il doppino è anche ampiamente usato per l'accesso a Internet residenziale. Il modem dial-up consente l'accesso a velocità fino a 56 kbps su doppino. La tecnologia DSL (Digital Subscriber Line), ha permesso agli utenti residenziali di accedere a Internet a velocità di decine di Mbps su doppino (quando gli utenti abitano vicino al modem dell'ISP).
Unshielded Twisted Pair
Il cavo UTP è una coppia di conduttori attorcigliati.
Il requisito essenziale è che le spire abbiano un'elevata simmetria spaziale e la conservino anche nella messa in opera (le curvature e gli stiramenti per trazione non devono alterare la geometria dei conduttori attorcigliati).
Nei cavi STP (Shielded Twisted Pair) le coppie sono rivestite da un foglio di alluminio con funzione di schermo.
Riduzione della diafonia
Con la trasmissione bilanciata le correnti circolano in senso opposto nei due conduttori e quindi generano campi magnetici di direzioni opposte che nello spazio circostante si annullano.
Il cavo UTP emette poco rumore. La riduzione dell'emissione di rumore è tanto migliore quanto più gli avvolgimenti dei due conduttori risultano simmetrici. L'azzeramento totale del rumore si raggiungerebbe solo se i due conduttori coincidessero.
Immunità al rumore
Entrambi i conduttori possono essere colpiti da un disturbo esterno di natura elettromagnetica, ma grazie alla simmetria spaziale dei conduttori, il disturbo è della stessa entità su entrambi i conduttori quindi si somma nella stessa quantità a entrambi i segnali.
Il ricevitore esegue la differenza tra i segnali ricevuti e ottiene il segnale originario V, privo del disturbo.
L'avvolgimento riduce l'emissione del rumore, la trasmissione bilanciata permette di eliminare il rumore esterno.
Misura della diafonia
Un cavo UTP trasporta 4 coppie. Una stazione ne usa due, una coppia per la trasmissione e una coppia per la ricezione, per cui la misura della diafonia è immediata: si immette un segnale sulla coppia di trasmissione e si misura l'ampiezza del segnale sulla coppia di ricezione. Questa misura rappresenta la diafonia, cioè il rumore indotto dalla coppia adiacente.
La misura della diafonia, effettuata in questo modo, si chiama NEXT: Near End Cross Talk.
Ci si aspetta che la diafonia aumenti con l'aumentare della lunghezza in cui i cavi sono adiacenti.
ACR: Attenuation to Cross Talk
L'attenuazione si riferisce alla riduzione della potenza del segnale che giunge al ricevitore e anch'essa aumenta all'aumentare della lunghezza del cavo.
Il grafico mostra che per lunghezze del cavo prossime allo 0, l'Attenuazione è prossima a 0 dB mentre la diafonia è minima. Via via che la lunghezza del cavo aumenta l'attenuazione raggiunge valori sempre più piccoli, cioè il livello del segnale diventa più basso, la diafonia, invece aumenta. Quando la diafonia taglia l'attenuazione e la supera, vuol dire che si riceve più rumore che informazione.
La distanza sul grafico tra attenuazione e diafonia si chiama ACR. La lunghezza per cui risulta ancora possibile distinguere tra informazione e rumore risulta di 90 m per l'UTP.
Cavo coassiale.
Come il doppino, il cavo coassiale è costituito da due conduttori in rame, ma i due conduttori sono concentrici anzichè paralleli. Con questa costruzione e uno speciale isolamento e schermatura, il cavo coassiale può raggiungere elevate velocità di trasmissione dei dati. Il cavo coassiale è abbastanza comune nei sistemi televisivi via cavo. I sistemi di televisione via cavo sono stati recentemente accoppiati con modem via cavo per fornire agli utenti residenziali l'accesso a Internet a velocità di decine di Mbps. Nella trasmissione televisiva via cavo con accesso a Internet, il trasmettitore sposta il segnale digitale in una banda di frequenza specifica, e il segnale analogico risultante viene inviato dal trasmettitore a uno o più ricevitori. Il cavo coassiale può essere utilizzato come un mezzo condiviso guidato. In particolare, una serie di sistemi terminali possono essere collegati direttamente al cavo, e ciascuno di essi riceve ciò che viene inviato dagli altri sistemi terminali.
Il cavo coassiale
Il cavo coassiale contiene un filo di rame avvolto da un protezione in plastica. Questa, a sua volta, è coperta da una calza metallica.
La calza funge da gabbia di Faraday. Cioè è uno schermo per un rumore elettromagnetico esterno. La calza impedisce al rumore di raggiungere il filo centrale che trasporta l'informazione.
Con il cavo coassiale si impiega la trasmissione sbilanciata.
Il filo centrale porta il segnale, la calza esterna (o un foglio di alluminio) porta il livello della tensione di riferimento per il segnale.
Quando un'onda elettromagnetica investe il cavo, sullo schermo si registra una differenza di potenziale. Di conseguenza, la tensione di riferimento del trasmettitore assume un valore diverso dalla tensione di riferimento del ricevitore, in modo tale che la misura del segnale ricevuto è errata.
Fibre ottiche
Una fibra ottica è un sottile tubicino di vetro che conduce impulsi di luce, ogni impulso rappresenta un bit. Una singola fibra ottica consente di raggiungere elevate velocità di trasmissione, fino a decine o addirittura centinaia di gigabit al secondo. Esse sono immuni alle interferenze elettromagnetiche, hanno attenuazione molto bassa del segnale (pochi dB ogni 20 chilometri), ma sono molto difficili da giuntare. Queste caratteristiche hanno reso la fibra ottica a lungo raggio il mezzo di trasmissione preferito. Molte reti telefoniche utilizzano solo le fibre ottiche. La fibra ottica è usata anche nelle dorsali di Internet. Tuttavia, l'alto costo dei dispositivi, quali trasmettitori, ricevitori ottici e switch, ha ostacolato la loro diffusione per il trasporto a breve raggio, come ad esempio in una LAN, in un'abitazione, o in una rete residenziale. Le velocità di collegamento standard vanno da 51,8 Mbps a 39,8 Gbps; queste specifiche sono spesso indicate come OCn, dove la velocità di collegamento è pari a n·51,8 Mbps.
Fibra ottica
Il vetro stirato a un diametro dell'ordine del micron diventa flessibile e robusto.
La fibra ottica è costituita da un tubicino di vetro (core o nucleo) avvolto da un altro tubicino (cladding o mantello).
La luce emessa da un diodo laser resta catturata nel core per riflessione totale e si propaga fino ad essere acquisita da un fototransistor all'altro estremo della fibra.
L'informazione è trasportata dalla lunghezza d'onda (colore) della luce
Proprietà delle fibre ottiche
Sono totalmente insensibili al rumore elettromagnetico.
Sono flessibili, sopportano le condizioni atmosferiche più estreme, e sono poco sensibili alle variazioni di temperatura.
Offrono un'elevata velocità di trasmissione e presentano una bassa attenuazione.
Da una fibra ottica non si può diramare il segnale come avviene per i cavi in rame.
Canali radio terrestri.
I Canali radio trasportano segnali nello spettro elettromagnetico. Essi sono un mezzo interessante perchè non richiedono un cavo fisico da installare, può penetrare i muri, fornire connettività ad un utente mobile, e può potenzialmente trasportare un segnale per lunghe distanze. Le caratteristiche di un canale radio dipendono in misura significativa dall'ambiente di propagazione e dalla distanza a cui il segnale deve arrivare. Le condizioni ambientali determinano: la diminuzione della potenza del segnale durante il viaggio, l'assorbimento di energia nell'attraversamento di ostacoli, la riflessione del segnale e l'interferenza con altre trasmissioni di segnali elettromagnetici.
I canali radio terrestri possono essere classificati in tre gruppi: quelli che operano su breve distanza (uno o due metri); quelli che operano in aree locali (in genere da dieci a poche centinaia di metri), e quelli che operano in una zona ampia, che si estende per decine di chilometri. Dispositivi personali come auricolari wireless, tastiere e dispositivi medici operano su brevi distanze; le tecnologie wireless LAN utilizzano canali radio locali; le tecnologie di accesso cellulare utilizzano canali radio wide-area.
Canali Radio Satellitari
Un satellite di comunicazione collega due o più trasmettitori e ricevitori a microonde terrestri, noti come stazioni di terra. Il satellite riceve trasmissioni su una banda di frequenza, rigenera il segnale utilizzando un ripetitore, e trasmette il segnale su un'altra frequenza. Due tipi di satelliti vengono utilizzati nelle comunicazioni: geostazionari e ad orbita terrestre bassa (LEO).
I satelliti geostazionari rimangono sempre sopra lo stesso punto sulla Terra. Questa presenza stazionaria si ottiene posizionando il satellite in orbita a 36 mila chilometri sopra la superficie terrestre. Questa enorme distanza dalla stazione di terra tramite satellite e di nuovo alla stazione a terra introduce un notevole ritardo di propagazione del segnale: 280 millisecondi. I collegamenti satellitari, che possono operare a velocità di centinaia di Mbps, sono spesso utilizzati in aree prive di accesso a Internet basato su DSL o via cavo.
I satelliti LEO sono posti molto più vicini alla Terra e non rimangono permanentemente sopra un punto sulla Terra. Essi ruotano attorno alla Terra (proprio come fa la Luna) e possono comunicare tra loro, nonchè con stazioni di terra. Per fornire una copertura continua ad un'area, devono essere posti in orbita molti satelliti. Ci sono attualmente molti sistemi di comunicazione a bassa quota in fase di sviluppo. La tecnologia satellitare LEO può essere utilizzata per l'accesso a Internet in futuro.
Sincronizzazione: Codifica di Manchester
Un dispositivo trasmettitore deposita livelli binari sul canale ogni T secondi. Il ricevitore deve leggere il canale ogni T secondi.
Se tra gli orologi dei due dispositivi esiste una differenza, allora il ricevitore può perdere dei bit o può leggere due volte lo stesso bit, a seconda se avanza più lentamente o se avanza più velocemente.
La codifica di Manchester trasporta sia il bit di informazione sia il clock allo scopo di mantenere il sincronismo tra il trasmettitore ed il ricevitore. Il dispositivo ricevitore, per mantenersi in fase con il trasmettitore ha bisogno di osservare le variazioni del segnale.
La tecnica di Manchester divide a metà la durata di bit. Nella prima metà si trasmette il livello, nella seconda metà si trasmette il livello opposto per introdurre una variazione.
La conseguenza di questa tecnica è che si richiede una occupazione di banda doppia. Infatti, dalla figura si vede che quando si trasmettono livelli alternati (es: 1010) il periodo dell'onda quadra è uguale al periodo del dato da trasmettere, ma quando si trasmettono sequenze di bit uguali (11 .. 1 oppure 00 .. 0) il periodo dell'onda quadra si dimezza.