Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 9: strato fisico: mezzi trasmissivi
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Mezzi trasmissivi
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Vedremo una panoramica sui diversi mezzi
trasmissivi utilizzati tipicamente nelle reti di
computer, sia guidati:
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doppino e sue varianti
cavo coassiale
fibra ottica
che non guidati:
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ponti radio
trasmissioni satellitari
radiodiffusione
infrarossi
Ne vedremo le caratteristiche e le applicazioni
piu’ diffuse
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Il doppino
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Il doppino (o doppino intrecciato) e’ costituito da una
coppia di fili di rame isolati separatamente
La coppia di fili viene intrecciata, e costituisce una linea di
comunicazione singola
Solitamente si utilizzano fasci di doppini, che possono
essere costituiti da qualche coppia fino a centinaia di
coppie
Il doppino e’ il mezzo piu’ economico e piu’ semplice da
maneggiare
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Il doppino: caratteristiche
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Utilizzato sia per trasmissioni analogiche che digitali
Tra i mezzi guidati e’ quello piu’ sensibile a:
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attenuazione del segnale sulla distanza: questo limita la distanza
massima oltre la quale si richiede l’inserimento di amplificatori o
ripetitori; tipicamente e’ necessario inserire amplificatori ogni 4/5 Km,
mentre per le trasmissioni digitali si deve far uso di ripetitori ogni 2/3 Km
interferenza: una coppia di fili si comporta come una antenna; si limita il
problema tramite l’avvolgimento della coppia di fili in una specie di
spirale; questo riduce la ricettivita’ della “antenna” a segnali esterni
diafonia: questo fenomeno viene combattuto utilizzando avvolgimenti di
passo differente tra coppie adiacenti
rumore impulsivo
Per segnali analogici, il doppino fornisce una larghezza di banda di
circa 1 MHz
Per segnali digitali si ottengono su brevissime distanze tassi
trasmissivi fino a centinaia di Mbps
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UTP (Unshielded Twisted Pair)
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L’ITU-T ha stabilito degli standard per la realizzazione dei doppini finalizzati
alla trasmissione dati
Gli standard prevedono cavi costituiti solitamente da quattro coppie di fili,
isolati singolarmente ed avvolti in spire a due a due; non e’ prevista
schermatura aggiuntiva (UTP: Unshielded Twisted Pair)
Le differenze delle diverse categorie sono essenzialmente nella realizzazione
degli avvolgimenti (piu’ o meno frequenti); le categorie sono definite in base
a capacita’ di banda entro distanze definite (100 m)
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UTP cat. 3: garantisce fino a 16 MHz di banda
UTP cat. 4: fino a 20 MHz
UTP cat. 5: fino a 100 MHz
Esistono definizioni per standard piu’ performanti (cat. 5e, cat. 6, cat. 7)
I doppini UTP cat. 3 sono detti anche di qualita’ fonica, e sono utilizzati sia
per la telefonia che per la trasmissione dati fino a 10 Mbps. I doppini UTP
cat. 5/5e sono utilizzati nelle reti locali a velocita’ superiore (fino a 1 Gbps)
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STP (Shielded Twisted Pair)
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L’ITU-T ha anche definito una standard per doppini dotati
di schermatura, ottenuta avvolgendo l’insieme di coppie
con una calza conduttrice, in modo da ridurre la
sensibilita’ a segnali esterni
Questo standard si chiama STP (Shielded Twisted Pair) e
viene utilizzato nella trasmissione dati sulle reti locali,
come l’UTP cat. 5.
La migliore schermatura permette all’STP di fornire a
parita’ di attenuazione una banda piu’ ampia (300 MHz)
Pur avendo migliori prestazioni l’STP e’ un cavo piu’ rigido
dell’UTP, quindi di minore maneggevolezza, ed e’
utilizzato solamente in ambienti in cui sono presenti forti
sorgenti di disturbi elettromagnetici
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Applicazioni del doppino
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Il doppino per le sue caratteristiche di maneggevolezza e
di basso costo e’ molto diffuso
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per la telefonia (quasi tutte le connessioni del sistema telefonico
nell’ultimo tratto sono costituite da doppini)
per le reti locali (il cablaggio degli edifici e’ generalmente
realizzato tramite UTP o STP)
Utilizzato sia per trasmissioni analogiche
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canale telefonico a 4 KHz, canali dati via modem o modem ADSL
sia per trasmissioni digitali
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Ethernet (10 Mbps)
FastEthernet (100 Mbps)
Gigabit Ethernet (1 Gbps)
altri protocolli (token ring, …)
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Il cavo coassiale
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Il cavo coassiale e’ costituito da un conduttore
interno in rame, avvolto in un isolante di
materiale plastico (dielettrico) attorno al quale e’
posto il conduttore esterno, costituito da una
calza metallica, il tutto ricoperto da un
rivestimento esterno isolante
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Il cavo coassiale (cont.)
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La sua struttura permette un miglior isolamento
elettromagnetico, quindi una minore sensibilita’ alle
interferenze ed alla diafonia, ed una minore attenuazione
del segnale sulla distanza (che pure rimane il maggior
problema di questo mezzo) rispetto al doppino
E’ capace di una larghezza di banda fino a 500 MHz
Per questi motivi e’ molto diffuso per le connessioni a
lunga distanza, per trasmissioni a larga banda
Come il doppino necessita di amplificatori o ripetitori ogni
qualche Km (piu’ frequenti in caso di trasmissione
digitale, in funzione del tasso trasmissivo)
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Utilizzo del cavo coassiale

Esistono due tipi di cavo coassiale in base alle
caratteristiche elettriche (che dipendono dalla geometria
del cavo), utilizzati storicamente per scopi differenti:


Cavo con impedenza a 75 Ω: usualmente utilizzato per la
trasmissione analogica (distribuzione televisiva, TV via cavo,
tratte di back-bone del sistema telefonico con multiplexing FDM);
in multiplexing FDM puo’ trasportare oltre 10000 canali vocali
contemporanei
Cavo a 50 Ω: solitamente utilizzato nella trasmissione digitale (per
reti locali, come Ethernet, token bus, e nelle connessioni dati a
livello geografico)

Lo standard Ethernet specifica due cavi differenti a 50 Ω : il cavo
“giallo”, o cavo thick, piu’ grosso e poco maneggevole, la cui
lunghezza massima e’ 500 m, ed il cavo “nero”, o thin, piu’ flessibile
e che non puo’ essere piu’ lungo di circa 180 m.
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Fibra ottica
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Il cavo in fibra ottica e’ costituito da
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nucleo: sottile filo di sostanza vetrosa, generalmente silicio, molto fragile,
attraverso il quale si propaga la luce
mantello: sostanza che avvolge il nucleo con proprieta’ ottiche differenti dal nucleo
guaina: sostanza plastica protettiva che avvolge il mantello, che protegge il cavo
da umidita’ e deformazioni
Le proprieta’ ottiche di nucleo e mantello sono tali che la luce introdotta nel
nucleo con direzione opportuna non possa piu’ uscire dal nucleo, ma venga
riflessa in modo da viaggiare lungo il nucleo fino a destinazione
I cavi per utilizzo breve possono essere a coppie di fibre; cavi per lunghe
tratte possono invece contenere centinaia di fibre distinte
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Trasmissione lungo la fibra: la rifrazione
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Quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro,
subisce un cambio di direzione (rifrazione)
L’ampiezza dell’angolo di rifrazione dipende dalle
caratteristiche fisiche dei due mezzi
Esiste un angolo di incidenza (angolo critico) oltre il quale
il raggio viene completamente riflesso entro il mezzo piu’
denso
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Fibre multimodali
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Nelle fibre multimodali il nucleo ha uno spessore di circa 50 micron
In queste condizioni la luce puo’ avere diversi angoli di incidenza
(diversi “modi” di propagazione) e percorrere traiettorie spezzate di
lunghezza diversa; questa fibra si dice multimodale con indice a
gradino
Una categoria simile e’ la fibra in cui l’indice di rifrazione nel nucleo
non e’ costante, ma variabile; la luce percorre traiettorie curve,
sempre con modi diversi in funzione dell’angolo di incidenza
(multimodale con indice graduato) e genera un impulso in uscita piu’
stretto
In entrambi i casi l’impulso in ingresso subisce una distorsione
temporale dovuta ai diversi modi di propagazione, e genera un
segnale in uscita (nel dominio tempo) generalemente allargato
rispetto al segnale in ingresso
La larghezza dell’impulso limita la velocita’ di trasmissione dati in
quanto gli impulsi devono essere spaziati e separati temporalmente in
ricezione per essere identificati
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Fibre monomodali
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

Nelle fibre monomodali il
nucleo ha uno spessore di
8-10 micron
Riducendo la dimensione
del nucleo si riducono i
modi di propagazione della
luce; arrivando alle
dimensioni di alcune
lunghezza d’onda, la luce
si puo’ propagare solo
lungo il modo principale,
cioe’ quello ad incidenza
longitudinale
In questo caso l’impulso di
luce non subisce
distorsione in uscita, e la
fibra e’ capace di tassi
trasmissivi e distanze
maggiori
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Led e laser
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Il segnale luminoso viene generato in due
modi differenti:
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tramite LED (Light Emitting Diode): piu’
economico, adatto per trasmissioni a tratta
corta su fibre multimodali ed a basso tasso
trasmissivo
tramite diodi ad emissione laser: molto piu’
costoso, adatto per trasmissioni ad alto tasso
trasmissivo o per lunghe distanze, piu’
sensibile al calore
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Lunghezze d’onda
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
L’assorbimento del segnale sulla distanza dipende dalla
lunghezza d’onda utilizzata
Ci sono tre bande in cui l’assorbimento ha una risposta
piatta in frequenza, e bassa: queste sono le bande
utilizzate per la trasmissione su fibra: 850 nm, 1300 nm e
1550 nm
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Caratteristiche delle fibre ottiche
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La fibra ottica e’ un ottimo mezzo per la trasmissione dati,
per diversi fattori:
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banda trasmissiva: abbiamo gia’ visto come la banda disponibile
sulla fibra si aggiri intorno ai 30 THz (30000 GHz), sfruttabile
tramite WDM; la tecnologia attuale permette tassi trasmissivi fino
a 10 Gbps su singola lambda, ma in laboratorio si raggiungono
tassi maggiori a breve distanza
dimensione e peso: le fibre sono molto piu’ sottili e leggere dei
cavi in rame (problema non indifferente sia per i cablaggi nelle
tubature cittadine, sia per la stesura di cavi multipli a lunga
distanza, anche transoceanici)
attenuazione ridotta: la fibra garantisce una attenuazione
significativamente inferiore al rame: questo permette l’utilizzo di
ripetitori solo ogni qualche decina di Km o oltre a seconda della
tecnologia utilizzata (laser e fibre monomodali sono piu’ efficienti)
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Utilizzo della fibra ottica
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
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La fibra ottica sta’ soppiantando il cavo coassiale
per le connessioni a larga banda trasmissiva ed a
lunga distanza
Gia’ da tempo utilizzata nelle reti locali per le
trasmissioni ad elevato tasso trasmissivo (1001000-10000 Mbps) a distanze che il rame non
riesce a raggiungere
Ultimamente in incremento il suo utilizzo verso le
case dei privati per sostituire il rame in vista di
servizi on demand via cavo (TV, cinema, giochi,
musica, internet, telefonia, videofonia, …) che
richiederanno sempre piu’ banda
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Riferimenti

Gli argomenti sviluppati nell’ambito del livello fisico possono essere
approfonditi sullo Stallings:

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
Utili approfondimenti anche sul Tanenbaum:

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
cap. 3: concetti generali, caratterizzazione di segnale e canale in
frequenza, alterazioni della trasmissione, leggi di Nyquist e Shannon
cap. 4: mezzi trasmissivi
cap. 5: codifica dei dati analogici e digitali (fino al § 5.4 compreso)
cap. 8: multiplexing (escluso ISDN, prestazioni TDM asincrono, xDSL)
cap. 2: (solo gli argomenti trattati a lezione)
In entrambi i testi si possono trovare utili riferimenti bibliografici per
chi desidera approfondire gli argomenti (non richiesto all’esame)
Per le parti trattate a lezione e non presenti sui testi, fare riferimento
ai lucidi ed agli appunti delle lezioni
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