Sistemi e Tecnologie della
Comunicazione
Lezione 9: strato fisico: mezzi trasmissivi
1
Mezzi trasmissivi

Vedremo una panoramica sui diversi mezzi
trasmissivi utilizzati tipicamente nelle reti di
computer, sia guidati:



doppino e sue varianti
cavo coassiale
fibra ottica
che non guidati:





ponti radio
trasmissioni satellitari
radiodiffusione
infrarossi
Ne vedremo le caratteristiche e le applicazioni
piu’ diffuse
2
Il doppino




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 (per lunghe distanze)
Il doppino e’ il mezzo piu’ economico e piu’ semplice da
maneggiare
3
Il doppino: caratteristiche


Utilizzato sia per trasmissioni analogiche che digitali
Tra i mezzi guidati e’ quello piu’ sensibile a:






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 brevi distanze tassi trasmissivi fino
a centinaia di Mbps
4
UTP (Unshielded Twisted Pair)



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)





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)
5
STP (Shielded Twisted Pair)




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
6
Applicazioni del doppino

Il doppino per le sue caratteristiche di maneggevolezza e
di basso costo e’ molto diffuso



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

canale telefonico a 4 KHz, canali dati via modem o modem ADSL
sia per trasmissioni digitali




Ethernet (10 Mbps)
FastEthernet (100 Mbps)
Gigabit Ethernet (1 Gbps)
altri protocolli (token ring, …)
7
Il cavo coassiale

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
8
Il cavo coassiale (cont.)




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)
9
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 arriva intorno a 500 m, ed il cavo “nero”, o thin,
piu’ flessibile e che non puo’ essere piu’ lungo di circa 180 m.
10
Fibra ottica

Il cavo in fibra ottica e’ costituito da





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
11
Trasmissione lungo la fibra: la rifrazione



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
12
Fibre multimodali





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
13
Fibre monomodali



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 simili alla
llunghezza d’onda, la
luce si puo’ propagare
solo lungo il modo
principale, cioe’ quello
che non ha riflessioni
In questo caso l’impulso
di luce non subisce
distorsione in uscita, e
la fibra e’ capace di
tassi trasmissivi
maggiori
14
Led e laser

Il segnale luminoso viene generato in due
modi differenti:


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 per lunghe distanze, piu’ sensibile
al calore
15
Lunghezze d’onda


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
16
Caratteristiche delle fibre ottiche

La fibra ottica e’ un ottimo mezzo per la trasmissione dati,
per diversi fattori:



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)
17
Utilizzo della fibra ottica



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 soppiantare il rame in vista di
servizi on demand via cavo (TV, cinema, giochi,
musica, internet, telefonia, videofonia, …) che
richiederanno sempre piu’ banda
18
Mezzi non guidati


La trasmissione di dati viene spesso realizzata utilizzando
la trasmissione di onde elettromagnetiche nell’aria o nello
spazio
Si possono considerare essenzialmente due diverse
regioni dello spettro che hanno utilizzi differenti a causa
delle differenti proprieta’ della trasmissione nelle tre
regioni:


radiodiffusione: trasmissione di onde in una banda compresa tra il
KHz ed il GHz; in questa regione le onde si propagano in modo
diffusivo, ed e’ utilizzata generalmente in modalita’ unidirezionale
per le trasmissioni radio o televisive
microonde: nella regione compresa tra 1 e 40 GHz la
propagazione delle onde elettromagnetiche e’ abbastanza
direzionale (o direzionabile con antenne paraboliche) , e viene
utilizzata per trasmissioni punto-punto in ponte radio, o
trasmissioni satellitari punto-punto o broadcast
19
Lo spettro elettromagnetico
20
Radiodiffusione


La radiodiffusione viene utilizzata generalmente per la trasmissione
analogica di segnali radio-televisivi in modalita’ broadcast
Utilizza due tecniche trasmissive differenti in funzione della regione di
frequenze:


nella regione fino al MHz (VLF, LF ed MF) il segnale si propaga seguendo
la curvatura terrestre ed attraversa bene gli ostacoli: una stazione
trasmittente puo’ essere ricevuta fino a 1000 Km di distanza; oltre
l’attenuazione (proporzionale all’inverso del quadrato della distanza)
diviene eccessiva
nella regione dal MHz al GHz (HF, VHF e UHF) il segnale viene assorbito
dalla superficie della terra, ma viene riflesso molto bene dalla ionosfera; i
segnali vengono quindi inviati verso il cielo raggiungono la stazione
ricevente dopo la riflessione
21
Trasmissione via ponte radio



La banda di frequenza delle microonde (1-40 GHz) ha la caratteristiche di
poter utilizzare antenne paraboliche di dimensioni maneggevoli (fino a
qualche metro di diametro) per poter collimare e dare direzione all’emissione
Si puo’ quindi realizzare una comunicazione punto-punto tra sorgente e
destinazione con allineamento ottico delle antenne: la trasmissione e’
rettilinea, ed e’ indispensabile la visibilita’ tra le antenne delle stazioni
comunicanti
Questa tecnica di trasmissione va in competizione con le linee in coassiale e
via fibra ottica



per le lunghe distanze, quando l’alternativa con mezzo guidato risulta troppo
costosa o impossibile per motivi morfologici
per le brevi distanze (ad esempio per connettere due palazzi vicini di una stessa
compagnia) come alternativa alla stesura di una fibra qualora si dovesse
attraversare suolo pubblico o di altra proprieta’, per evitare le complicazioni
connesse alle autorizzazioni
Utilizzando diverse stazioni ripetitrici si riescono a coprire distanze elevate
(svariate centinaia di Km); una singola tratta puo’ coprire in condizioni
favorevoli fino a qualche centinaia di Km
22
Ponti radio (cont.)

Gli aspetti caratteristici della trasmissione in questa banda
di frequenza sono

l’attenuazione con la distanza, che segue la relazione
 4d 
L  10 log 
 dB
  
2


ed e’ superiore a quella del coassiale, che cresce col logaritmo
della distanza, ed e’ anche funzione crescente con la frequenza
l’attenuazione dovuta alla interferenza (da altre stazioni, da
riflessioni della stessa trasmissione)
attenuazione da pioggia o umidita’, fortemente crescente con la
frequenza
23
Ponti radio (cont.)


Data la dipendenza dell’attenuazione dalla
distanza, per le tratte lunghe si utilizzano
generalmente due bande di frequenza: 2-6 GHz e
10-14 GHz
Le connessioni a breve distanza possono
utilizzare le frequenze piu’ alte (fino a 40 GHz)
per le quali si hanno i vantaggi:



antenne piu’ piccole
fascio piu’ collimato (quindi minore necessita’ di
potenza)
minori problemi di interferenza per lo scarso utilizzo di
trasmissioni in quella regione di frequenza
24
Utilizzo dei ponti radio


Generalmente utilizzati per trasmissioni
analogiche (fonia, televisione) o digitali (per reti
private o utilizzate dalle compagnie telefoniche
fornitrici di servizi)
Le diverse bande di frequenza sono suddivise in
canali di diversa larghezza (non uniformi nei
diversi paesi), con canali tra i 7 MHz (a 2 GHz) ed
i 220 MHz (a 18 GHz), e tassi trasmissivi che
vanno dai 12 ai 274 Mbps (in funzione della
banda disponibile e del livello di modulazione
utilizzato, solitamente QAM-x)
25
Trasmissioni satellitari





Il satellite si comporta come una stazione ripetitrice del segnale di un
ponte radio
Il segnale viene inviato dalla stazione terrestre al satellite (uplink),
che lo rimanda a terra verso la stazione o le stazioni riceventi
(downlink), generalmente utilizzando frequenze differenti
Un satellite opera su piu’ bande di frequenza, con la tecnologia FDM;
i singoli canali si chiamano transponder (canali tra 15 e 500 MHz di
banda)
Sui canali il satellite puo’ fare TDM per gestire diverse comunicazioni
Le bande utilizzate sono quelle tra 1 e 10 GHz



sopra l’attenuazione atmosferica e’ troppo grande
sotto ci sono interferenze ed assorbimento dalla ionosfera
Il sovraffollamento delle frequenze spinge attualmente verso l’utilizzo
di bande a frequenza superiore, nonostante che i problemi di
attenuazione atmosferica divengano sempre piu’ importanti
26
Satelliti

GEO (Geostationary Earth Orbit): satelliti a 36000 Km di quota in
orbita equatoriale, che appaiono in posizione fissa nel cielo




MEO (Medium Earth Orbit): satelliti a 18000 Km di quota, con 6 ore
di periodo dell’orbita



questi satelliti sono adatti alla trasmissione dati in quanto il puntamento
delle antenne e’ fisso
per motivi di interferenza i satelliti vengono distanziati di due gradi,
quindi si possono avere al massimo 180 satelliti
la trasmissione dati deve tenere conto del ritardo di propagazione del
segnale, che e’ pari a 0.25 secondi (inefficienti i protocolli con controllo
degli errori e ritrasmissione dei pacchetti)
inadatti per la trasmissione dati
esempio: i satelliti del GPS (Global Positioning System)
LEO (Low Earth Orbit): tra 750 e 1500 Km di quota


molto veloci nel transito, ma vicini, quindi si ha poco ritardo e si richiede
poca potenza in trasmissione
esempi: Iridium (per fonia, fax, dati, navigazione), Globalstar.
27
Riferimenti

Gli argomenti sviluppati nell’ambito del livello fisico possono essere
approfonditi sullo Stallings:





Utili approfondimenti anche sul Tanenbaum:



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
28