Comunicare con le fibre ottiche

Le fibre ottiche

Negro Davide

Tesina di maturità

ITI “E. Alessandrini” – anno scolastico 2010/11

Classe 5°A/ele

Indice dei contenuti

1. Introduzione ............................................................ pag. 3

• Mappa concettuale fibre ottiche

2. Elettronica & Sistemi .................................................... pag. 5

• Esercizio sul processo produttivo e di monitoraggio di una fibra ottica

3. Inglese .................................................................... pag. 9

• The nature of optical fibre

4. Telecomunicazioni .......................................................... pag. 10

• Uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni
• Mezzi trasmissivi

5. Matematica ................................................................. pag. 17

• Leggi della rifrazione
• Indice di rifrazione (equazioni di Maxwell)

6. Diritto ...................................................................... pag. 19

• Il sistema informativo e le sue caratteristiche

7. Storia & Italiano .......................................................... pag. 21

• Mappa concettuale
• L’unificazione nazionale italiana
• Novella
• Giovanni Verga e Libertà
• Il Gattopardo
• Giuseppe Tomasi di Lampedusa e 21

Introduzione

L’argomento principale, dal quale ho sviluppato la mia tesina di maturità, sono le fibre ottiche.

Per tale argomento ho trovato vari collegamenti con la maggior parte delle materie. Per storia ed Italiano ho scelto di seguire un percorso a parte: l’unificazione nazionale italiana. Tale scelta sia per la ricorrenza del 150° anniversario dell’unità d’Italia (1861-2011), sia perché questo argomento è stato molto approfondito attraverso letture critiche e documenti, poiché abbiamo partecipato ad un concorso di scrittura sull’unità d’Italia.

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.

Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Hanno un diametro di 125 micrometri (circa le dimensioni di un capello) e pesano molto poco: una singola fibra pesa infatti circa 60 g/km, compresa la guaina che la ricopre.

Le fibre ottiche sono classificate come guide d’onda dielettriche. Esse, in altre parole, permettono di convogliare e guidare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità dell’infrarosso) con perdite estremamente limitate. Vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni anche su grandi distanze e nella fornitura di accessi di rete a larga banda cablata (dai 10 Mbit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie WDM).

Il costo dei cavi in fibra ottica varia dai 4000 euro/km di fibra nei piccoli centri (con cavi di spessore molto più contenuto) ai 10000 euro/km di fibra nelle città, cui sono da aggiungere i costi dello scavo per l’interramento e le licenze comunali per aprire i cantieri (dove richieste anche se per opere di pubblica utilità). Varie municipalizzate e operatori di telecomunicazioni stanno costruendo reti proprietarie in fibra ottica con ampiezza di banda che arriva a 10 Mbit/s in accesso, indispensabili per la TV via Internet e servizi di videoconferenza.

Varie società sono dotate di una rete capillare e proprietaria in fibra ottica. La legge impone l’interoperabilità delle reti su doppino, non su altro mezzo trasmissivo; per cui, anche in assenza di copertura ADSL e per pubblica utilità, il privato decide autonomamente se e quando entrare nel mercato con un’offerta commerciale. 21

21

Elettronica & sistemi

Esercizio sul processo produttivo e monitoraggio di una fibra ottica

-

Un’azienda vuole monitorare, con cadenza di acquisizione pari a 10 secondi, la temperatura durante il processo di produzione di una fibra ottica, avendo le seguenti informazioni:

• La temperatura è compresa tra 0°C e 100°C e ad ogni variazione di 1°C corrisponde una variazione di 10 mV.
• I sensori utilizzati nell’impianto sono 8.
• In uscita oltre alla temperatura dei singoli sensori, dobbiamo fornire anche la temperatura media.
• Le specifiche a cui lo strumento deve soddisfare sono:

• Il rapporto segnale/rumore del convertitore A/D non deve essere inferiore a 72 dB.
• La tensione di riferimento del convertitore A/D sia pari a Vref = +5 V.

Svolgo la progettazione seguendo questi punti:

1. Disegno dello schema a blocchi utilizzando un microprocessore che conosco.
2. Sviluppo del circuito di condizionamento tra un sensore di temperatura ed un canale del convertitore A/D.
3. Diagramma di flusso dell’algoritmo per calcolare la temperatura media.
4. Codice dell’algoritmo in linguaggio C.
5. Tipo di circuito per visualizzare le grandezze rilevate.

Disegno dello schema a blocchi utilizzando un microprocessore che conosco

1) - .

Lo schema a blocchi proposto prevede un microprocessore dotato di risorse di input/output in grado di gestire i segnali previsti. I segnali provenienti dai sensori di temperatura saranno opportunamente condizionati, come richiesto, per poter essere elaborati.

Ogni trasduttore produce una tensione di uscita con escursione massima di 1 V (10 mV/°C x 100 °C).

Non essendo data alcuna indicazione riguardo la tensione di uscita corrispondente ad un valore di riferimento della temperatura, possiamo ipotizzare che sia V out = 0 V per T = 0 °C.

In queste condizioni il range della tensione di uscita dei sensori sarà 0 V-1 V.

Il circuito di condizionamento avrà la funzione di amplificare il range del sensore fino al valore di riferimento del convertitore A/D, quindi 0 V-5 V.

Pertanto utilizzeremo un amplificatore non invertente con guadagno 5.

Per la conversione degli 8 segnali prodotti dai sensori si impiega un solo convertitore A/D preceduto da un MUX analogico a 8 ingressi.

Sono comunemente disponibili convertitori integrati già completi di MUX, pertanto lo schema a blocchi riporta un solo blocco con possibilità di selezione tra 8 ingressi (3 linee di selezione) e convertitore general purpose del tipo ad approssimazioni successive, certamente in grado di soddisfare le esigenze dell’applicazione in esame.

La velocità di variazione della temperatura, nel caso in esame, è certamente molto bassa rispetto ai tempi di conversione, pertanto non vi è necessità di inserire un circuito campionatore, né di interporre un filtro per eventuali limitazioni di banda.

Il rapporto S/N di 72 dB si riferisce al rumore di quantizzazione del convertitore, pertanto:

È possibile usare un convertitore a 12 bit lasciando scollegato l’LSB, oppure realizzare un bus dati a 12 bit con un livello di accuratezza maggiore di quanto richiesto.

Il display potrà essere realizzato con un sistema di 3 o 4 cifre a 7 segmenti, a LED o LCD, con relativo circuito pilota, connesso al bus dati per acquisire il dato da visualizzare, e al bus controlli per i comandi di acquisizione.

Il μP dovrà essere in grado di gestire un bus dati a 11 (o 12) linee e distribuire i comandi per temporizzare l’acquisizione dei dati da parte del convertitore A/D, ricevere il segnale di fine conversione, comandare il trasferimento dei dati al display. Se anche i comandi di selezione del MUX possono essere gestiti dal bus dei controlli e se il μP possiede una memoria interna sufficiente a raccogliere i dati e la media, non sarà necessario un bus indirizzi esterno.

Sviluppo del circuito di condizionamento tra un sensore di temperatura ed un canale del convertitore A/D

2) –

Convertitore A/D.

L’amplificatore richiesto, realizzato con Multisim, avrà lo schema seguente: 21

Diagramma di flusso dell’algoritmo per calcolare la temperatura media

3) – .

Il presente diagramma di flusso fa riferimento alla realizzazione con un generico microprocessore, ipotizzando che i valori di temperatura acquisiti siano contenuti in celle di memoria con indirizzi da 0 a 7. Il risultato della media si troverà nell’accumulatore. 21

Codice dell’algoritmo in linguaggio C

4) –

Anziché fornire una codifica assembler dell’algoritmo di calcolo della media, presentiamo una routine in linguaggio C, ipotizzando la lettura delle temperature da un file e quindi l’utilizzo di un PC.

Tipo di circuito per visualizzare le grandezze rilevate

5) –

La visualizzazione con display a 7 segmenti a LED richiede che i valori di temperatura vengano trasformati in formato BCD con un numero di cifre pari a quelle del display impiegato in modo da rappresentare direttamente il valore di temperatura.

Con un range di temperatura di 100 °C e una risoluzione di 11 bit, la risoluzione con cui viene rappresentata la temperatura è:

Si può impiegare un display a 4 cifre per mantenere tale risoluzione. Occorrerebbe un bus dati a 16 linee oppure l’uso di sole 8 linee con trasferimento dei 16 bit in 2 tempi 21

Inglese

The nature of optical fibre

An optical fibre is a solid strand of glass that conducts light in much the same way that copper wire conducts electricity or pipes conduct water. Light travel through the fibre by reflecting from the fibre’s inner surface. Because of the construction of the fibre, light that passes into the glass does not pass back out, but reflect and stays in the fibre. The fibre is very thin and flexible and, therefore, it can be routed around corners and through small openings. Its most common and most useful function is for communication.

Optical fibre are made from glass, to which impurities have been added. The impurities do not cloud the glass, but they change its index of refraction. The refractive index is the property of glass that makes lenses magnify and alters the propagation of light. An optical fibre has a core surrounded by a tubular cladding and they are specially manufactured to have the lowest possible optical loss. 21

Telecomunicazioni

Uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni

Se negli anni settanta le fibre ottiche erano usate come oggetto decorativo per la produzione di lampade, da qualche decennio ad oggi, diversamente da quanto si possa pensare, esse sono già una realtà affermata ed un componente essenziale nell’industria delle telecomunicazioni e delle relative comunicazioni ottiche, ancora in corso di ulteriore evoluzione tecnologica. Basti pensare infatti che tutte le dorsali principali della rete telefonica e di Internet, compresi i collegamenti intercontinentali sottomarini, sono già in fibra ottica avendo sostituito da tempo il classico cavo coassiale.

I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono:

• Bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza ripetitori.
• Grande capacità di trasporto di informazione o velocità di trasmissione (dell’ordine dei terabit/s) grazie all’ampissima capacità di banda e alla bassa attenuazione del segnale utile (Teorema di Shannon-Hartley).
• Immunità da interferenze elettromagnetiche, inclusi gli impulsi elettromagnetici nucleari (ma possono essere danneggiate da radiazioni alfa e beta).
• Assenza di diafonia che nei collegamenti in rame (comunicazioni elettriche) è una causa ulteriore di decadimento della qualità del segnale in termini di rapporto segnale/rumore nell’ultimo miglio (problema dell’ultimo miglio) ovvero quindi della velocità di trasmissione: la luce infatti rimane confinata in fibra ovvero non si disperde all’esterno creando interferenza.
• Bassi valori di BER.
• Alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra siti a potenziale diverso.
• Peso e ingombro modesto.