Onde elettromagnetiche e mezzi trasmissivi

Mezzi di trasmissione e segnali

1. Introduzione

Nell’era dell’Informazione e Comunicazione, affinché due generici oggetti possano comunicare, è necessario effettuare tutta una serie di operazioni sull’informazione, che deve ad esempio essere generata, manipolata, protetta, trasmessa, ricevuta e decodificata in modo veloce ed affidabile.

Modello ISO/OSI, tutte queste operazioni vengono definite dal che è costituito da una pila di 7 livelli in cui sono strutturati i protocolli attraverso i quali viene gestito un sistema di comunicazione.

Il livello inferiore, detto livello fisico, include anche il mezzo di trasmissione che costituisce il supporto fisico su cui l’informazione è trasportata dalla sorgente alla destinazione; è questo il livello che definisce i limiti ultimi, le cui prestazioni sono legate alle leggi della fisica.

Per selezionare il mezzo di trasmissione più opportuno bisogna individuare il miglior compromesso tra capacità di trasmissione, massima distanza raggiungibile, consumo energetico e tutti gli aspetti legati al costo, installazione, manutenzione, vita media e facilità di utilizzo.

I principali mezzi utilizzati nella trasmissione dell’informazione sono lo spazio libero, i cavi metallici (cavo coassiale e linea bifilare) e le fibre ottiche. Sebbene le caratteristiche fisiche, i materiali impiegati e la geometria siano molto diverse, questi mezzi sono caratterizzati dal fatto che l’informazione si trasmette attraverso onde elettromagnetiche.

2. Il livello fisico

Il livello fisico ha l’obiettivo di trasmettere i singoli segnali e riguarda direttamente l’hardware del sistema di trasmissione.

In generale, un segnale è una qualsiasi grandezza fisica, variabile nel tempo, a cui è associato un contenuto informativo: l’informazione sta proprio nella variazione temporale di tale grandezza che non è nota a priori a chi riceve il segnale.

Prima di essere trasmessi, i segnali provenienti da una generica sorgente devono essere messi nella forma più adatta al mezzo di trasmissione. Di questo si occupano i trasduttori, che trasformano il contenuto informativo generato dalla sorgente in un formato elettrico.

Il processo di modulazione invece, permette di allocare l’informazione nella banda di frequenze più opportuna e idonea al mezzo di trasmissione considerato.

3. Mezzi di trasmissione

3.1. Mezzi guidanti

I mezzi guidanti sono mezzi in cui la trasmissione dell’informazione può avvenire unicamente lungo una direzione, intrinsecamente individuata dalla struttura fisica del mezzo.

Sono anche indicati con il termine generico di linee di trasmissione: una linea è costituita da un sistema di conduttori metallici e/o dielettrici in grado di guidare il campo elettromagnetico, trasferendo l’energia ad esso associata attraverso un fenomeno propagativo di tipo unidimensionale.

Le caratteristiche del mezzo di trasmissione rimangono relativamente costanti nel tempo, permettendo così un approccio deterministico. Nelle strutture guidanti l’onda in transito si attenua solo per effetto delle non idealità del mezzo di trasmissione che introducono delle perdite di potenza dell’onda.

• Twisted pair: composto da una coppia di conduttori metallici isolati, tipicamente in rame, ricoperti di un rivestimento isolante e tra loro intrecciati. Sono storicamente utilizzati per le comunicazioni telefoniche, ma sono oggi molto diffusi per i sistemi ADSL e nelle reti locali LAN. Si possono realizzare connessioni fino a 100m che consentono la trasmissione dati con protocollo Ethernet fino al Gbit/s.
• Cavo coassiale: composto da un singolo conduttore di rame posto al centro del cavo e da un dielettrico che separa il conduttore interno da un conduttore esterno costituito da fili metallici intrecciati. Vengono impiegati oggi per collegamenti a breve/media distanza per interconnettere sistemi televisivi A/D.
• Fibra ottica: è una struttura dielettrica a simmetria cilindrica, composta da due strati concentrici di materiale dielettrico. È alla base delle telecomunicazioni a lunga distanza (migliaia di km) e offre elevatissima capacità di trasmissione (diversi Tbit/s). Si sta diffondendo rapidamente sulle connessioni a larga banda su aree metropolitane e interconnessioni all’interno di data centres.

3.2. Spazio libero

Nello spazio libero, la propagazione non è guidata, ovvero può avvenire in direzioni arbitrarie.

Un elemento chiave della trasmissione in spazio libero è l’antenna, il trasduttore che trasforma il segnale elettrico in un’onda che si irradia.

Rispetto ai mezzi guidanti le principali differenze sono:

• Non-direzionalità: la propagazione può avvenire in qualunque direzione.
• Variabilità nel tempo: lo spazio libero può essere soggetto a variazioni molto significative (es. ostacoli fisici, precipitazioni atmosferiche ecc.). Questo fatto implica l’utilizzo di un modello statistico.
• Attenuazione di spazio libero: anche in assenza di ostacoli, esiste un fattore di attenuazione intrinseco che dipende dalla non direzionalità del mezzo.

4. Parametri caratteristici

Ogni mezzo di trasmissione ha caratteristiche ben definite che impattano sul modo in cui l’informazione deve essere preparate prima di essere inviata al mezzo, sul degrado che il segnale subisce durante la propagazione e sulla quantità di informazione che il mezzo è in grado di trasportare.

4.1. Attenuazione

La trasmissione dell’informazione implica il trasferimento dell’energia di un’onda elettromagnetica da una sorgente (trasmettitore) ad una destinazione (ricevitore) attraverso un mezzo di trasmissione.

Non tutta l’energia che viene lanciata nel mezzo di trasmissione giunge a destinazione; di conseguenza, il segnale che si propaga diventa sempre più debole, con il rischio che il ricevitore non sia in grado di riconoscerlo correttamente.

Il coefficiente di attenuazione del mezzo dipende dalla frequenza; ciò implica che il mezzo di Otrasmissione sia più adatto alla trasmissione di segnali aventi certe frequenze e meno adatto per altre.

L’ampiezza di un’onda elettromagnetica in un mezzo guidato ha una dipendenza dalla distanza di Zoztipo esponenziale. e è d8,680dB Z20 e10 d 2Z log log.

Si trova che l’attenuazione è legata alla costante di attenuazione attraverso un fattore di 4dB proporzionalità. Tm Nrm4dB 8,68 O.

4.2. Frequenza e banda

Con il termine frequenza (unità di misura ) si indica il numero di cicli che un segnale, o Hz un’onda, compie nell’unità di tempo. 1 Un segnale sinusoidale compie un’oscillazione completa quando siti ftA zitticos.

Il tempo impiegato per compiere un’oscillazione completa prende il nome di periodo e vale Te s.

Poiché in molte espressioni la frequenza è moltiplicata per il termine , spesso viene utilizzata la 2T pulsazione, frequenza angolare, detta definita come f ragszittoci at.

Un generico segnale con andamento temporale arbitrario può essere descritto come una collezione, eventualmente infinita, di sinusoidi; queste componenti, ciascuna delle quali oscilla ad una singola frequenza, sono chiamate armoniche del segnale.

L’insieme delle frequenze contenute nel segnale prende il nome di banda del segnale; il segnale Bs trasmesso occupa una banda di frequenze tanto maggiore quanto maggiore è la quantità di informazione trasmessa per unità di tempo.

Analogamente è possibile definire una banda passante del mezzo di trasmissione come l’insieme Bn delle frequenze alle quali la trasmissione soddisfa determinati requisiti di qualità; maggiore è la banda del mezzo, maggiore è la quantità di informazione che si può trasmettere.

I segnali trasmessi nei vari mezzi di trasmissione sono veicolati da onde elettromagnetiche, cioè da oscillazioni di campo elettromagnetico ad una certa frequenza temporale. Questa frequenza viene chiamata portante, perché è la frequenza centrale dell’onda che trasporta il segnale.

4.3. Velocità e ritardo

La velocità di propagazione costante di un’onda in un mezzo di trasmissione è strettamente legata alla dielettrica relativa .Er.

La velocità è esprimibile come FàNf di rifrazione del mezzo. dove è la velocità della luce nel vuoto, e è l’indice ios Erma na3.

Il fatto che la velocità di propagazione sia finita, significa che il segnale portato dall’onda accumula un certo ritardo per percorrere il mezzo di trasmissione.

Detta la lunghezza fisica del mezzo, il ritardo 1.

4.4. Lunghezza d’onda

Si consideri il segnale sinusoidale e si immagini che il segnale si propaghi nello spazio siti A zitticos con una velocità ; un segnale di questo tipo può essere scritto come if SHI rtf tA cosed ha il significato fisico di un’onda che si propaga nella direzione .Z.

Fissando un istante di tempo ( ), si trova l’espressione dell’andamento spaziale dell’onda, che vale t Ositi A ZIFcos.

L’onda presenta quindi un andamento sinusoidale anche nello spazio. Il periodo spaziale prende il nome di lunghezza d’onda e vale Èa t.ms.

La lunghezza d’onda indica la distanza tra due punti nello spazio in cui l’onda assume valore massimo.

4.5. Selettività in frequenza e dispersione cromatica

I parametri sono in generale dipendenti dalla frequenza. Poiché i segnali hanno una certa O n banda, cioè sono formati da varie armoniche a frequenze diverse, questa caratteristica può indurre distorsione. un’alterazione della forma temporale del segnale trasmesso; viene chiamato selettività in frequenza.

La distorsione indotta dalla dipendenza dell’attenuazione dalla frequenza prende il nome di frequenza; un mezzo selettivo in frequenza è un mezzo che attenua in modo diverso frequenze diverse.

La forma temporale del segnale ricevuto dipende anche dal ritardo relativo con cui le armoniche si propagano; la velocità con cui si sposta l’energia del segnale (cioè la velocità del pacchetto di armoniche del segnale) prende il nome di velocità di gruppo e il ritardo del segnale si chiama ritardo di gruppo.

Se la velocità di gruppo dipende dalla frequenza, il segnale subisce una distorsione che prende il nome di dispersione cromatica.

5. Rappresentazione logaritmica: i decibel dB

Data una generica grandezza dimensionale (es. attenuazione), la sua misura logaritmica espressa in decibel è definita come 10XdadB Xlogo.

Nota una grandezza espressa in dB si risale al valore in scala lineare con la relazione inversa X 10.

Per la misura della potenza, il valore di riferimento con cui rapportarsi è tipicamente 1[mW].

Si definisce “dBm” il rapporto di potenza (in dB) della potenza misurata rispetto a un milliwatt.

Detta la potenza misurata in mW, la potenza vale Pdbm Pdbm 10 1logico.

6. Segnali nel dominio delle frequenze

Un segnale è una grandezza fisica che varia nel tempo; il contenuto informativo sta nelle sue variazioni, che vengono impresse dal trasmettitore e devono essere rivelate e interpretate senza errori dal ricevitore.

6.1. Segnali e bit simboli

Nel dominio del tempo, un segnale è costituito dalla successione di forme d’onda, dette (o impulsi), ai quali possono essere associati uno o più bit di informazione; con un segnale a due livelli è possibile trasmettere un bit per simbolo.

Nei casi pratici per aumentare la quantità di informazione trasmessa vengono tipicamente utilizzati segnali i cui simboli possono assumere più di due livelli di ampiezza (e/o di fase) in modo tale che ogni simbolo trasporti simultaneamente più bit di informazione.

In generale, se i simboli di un segnale assumono valori di ampiezza/fase, ciascun simbolo trasporta N bit di informazione, quindi è possibile aumentare in modo significativo il bit-rate di un segnale, Nlog cioè il numero di bit trasmessi per unità di tempo, senza aumentare la banda di frequenze.

Le tecniche che vengono utilizzate per mappare i bit di informazione sull’ampiezza e la fase di un segnale prendono il nome di formati di modulazione. 10 0100 1011 01annienta11 1O 10 t.

Segnale a 2 livelli Segnale a N livelli.

1 impulso = 1 bit 1 impulso = bitlogan.

6.2. Segnali periodici (Serie di Fourier)

Consideriamo inizialmente un segnale periodico con periodo ; il segnale ha durata temporale infinita e T si ripete identico ad intervalli , cioè sit sitT T.

Dall’analisi matematica è possibile dimostrare che una funzione periodica può essere espressa come sit componenti armoniche, combinazione lineare di funzioni esponenziali complesse , dette tataree Serie di Fourier. attraverso la elitreEsit se coefficienti di Fourier frequenza.

I termini complessi sono denominati e è detta Fse fondamentale, o prima armonica.

• Un segnale periodico è costituito dalla somma di un numero (eventualmente infinito) di funzioni esponenziali complesse.
• Ogni componente armonica ha la sua frequenza , multipla della frequenza fondamentale, e una KFsua ampiezza Sa.
• La fase dei coefficienti indica il ritardo con cui le armoniche si sommano.Se.
• Noto il segnale è possibile trovare i coefficienti di Fourier attraverso la relazione SAI t.atste sit e.

6.3. Segnali non periodici

Nel caso di segnali periodici è ancora possibile dare una descrizione nel dominio delle frequenze. Da un punto di vista concettuale, l’unica differenza rispetto al caso dei segnali periodici è che in questo caso le frequenze necessarie per descrivere il segnale non sono più individuate da un sistema discreto di armoniche, ma da un continuo di frequenze.

Pertanto, la sommatoria discreta diventa un integrale fte'tSH f df trasformata di Fourier. dove la funzione complessa prende il nome di SIF.

L’operazione di trasformazione viene anche indicata con la simbologia ed è definita come s'f FISHYIN fate.atf e7.

• Linearità: ZIF A XIA BY fZIA AHH Hi tByF fattiSlf.
• Ritardo: sit Y eUn termine di fase lineare (con derivata negativa) nel dominio delle frequenze, corrisponde a un ritardo nel dominio del tempo. Affinché un segnale mantenga inalterata la sua forma temporale, l’unica modifica possibile nel suo spettro è un termine lineare nella fase.atFtreat 74 S faf.
• Modulazione: sit2falti sitiMoltiplicando il segnale per una funzione esponenziale complessa efarfatsiti l’effetto che si ottiene è una traslazione dello spettro lungo l’asse delle frequenze di Fo. Lo spettro viene quindi portato nell’intorno di un’altra frequenza, senza modificarne la forma. Questa operazione viene utilizzata per collocare lo spettro dei segnali alle frequenze in cui i mezzi di trasmissione presentano le migliori prestazioni.

6.4. Sistemi lineari tempo-invarianti

I mezzi di trasmissione che considereremo sono sistemi lineari tempo-invarianti.

• Linearità: è caratterizzato dal fatto che il suo comportamento non dipende dall’intensità del segnale in transito. Quindi è possibile definire una risposta del sistema, nel dominio del tempo o delle frequenze, che prescinde dall’ampiezza e dalla forma del segnale in ingresso.
• Tempo invarianza: in un sistema lineare tempo-invariante il comportamento non cambia nel tempo. Per i collegamenti in spazio libero, il mezzo di trasmissione può cambiare drasticamente nel tempo; se le variazioni del mezzo sono molto lente rispetto al tempo di transito del segnale all’interno di esso, allora si può approssimare il comportamento del mezzo come la successione temporale di mezzi invarianti.