Telecomunicazioni e Radar

SPETTRO DI UN SEGNALE

Generalmente i segnali elettrici hanno una forma d'onda qualsiasi, a volte anche molto complessa, che però può essere ricondotta a tipi di forme più semplici e regolari, come ad es. l'onda sinusoidale, l'onda quadra e così via (i cosiddetti segnali canonici). La forma d'onda sinusoidale, in particolare, è importantissima perché, secondo la teoria matematica dell'analisi armonica di Fourier, ad essa è possibile associare qualsiasi altra forma d'onda periodica. La teoria di Fourier stabilisce che una funzione periodica può essere scomposta nella somma di un certo numero di "armoniche" sinusoidali, la cui ampiezza è facilmente calcolabile tramite integrali definiti e la cui frequenza è multipla (intera) della frequenza del segnale originario (cioè di frequenza uguale, doppia, tripla, ecc.). Da ciò deriva il fatto, molto rilevante,che è possibile studiare un segnale, e quindi il suo contenuto informativo, non soltanto nel dominio del tempo ma anche nel dominio della frequenza. Volendo rappresentare graficamente, su un piano cartesiano, l'ampiezza delle armoniche in funzione della frequenza, otterremo il cosiddetto "spettro" del segnale. Il problema è che gli spettri dei segnali non sono tutti uguali ma variano a seconda del tipo di informazione che trasportano: ad esempio un segnale audio arriva al massimo a 20kHz, un segnale televisivo arriva ad un massimo di 5MHz, un'onda quadra ha infinite armoniche e così via. Dobbiamo quindi distinguere i segnali in banda base, che rimangono, anche se manipolati, nella loro gamma di frequenze originaria, dai segnali in banda traslata, che vengono modulati al fine di permetterne la trasmissione a distanza. A proposito dei sistemi in banda traslata, occorre ricordare che il segnale "modulante", quello originario, viene manipolato da un modulatore.

Il quale lo compone opportunamente con una "portante" ad alta frequenza, dando origine ad un segnale "modulato" che ha la stessa energia della portante e l'informazione della modulante (che risulta traslata in frequenza e quindi più adatta ad essere trasmessa a distanza).

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Per concludere, vorrei far notare che di solito gli spettri vengono opportunamente filtrati allo scopo di ridurne la banda passante: ad es., il segnale telefonico viene ridotto alla gamma 300-3400Hz, il segnale modulato in AM alla gamma 50-4500Hz, il segnale modulato in FM alla gamma 20-15000Hz e così via.

ESEMPIO DI SPETTRO DI UN SEGNALE

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Supponiamo di avere un segnale il cui sviluppo in serie di Fourier è il seguente:

f(t) = 4 + (4/pi)*sen(2*pi*800*t) + (4/(3*pi))*sen(2*pi*2400*t) + (4/(5*pi))*sen(2*pi*4000*t).

Si tratta di una funzione dispari (odd), cioè f(t) = -f(-t),

simmetrica rispetto all'origine e dunque di tipo seno. La sua forma d'onda è: <strong>E' un'onda quadra con valore medio (la componente continua) pari a 4 (le armoniche sono solo dispari).</strong> Lo spettro delle ampiezze, nel dominio della frequenza, è: <strong>CANALI DI COMUNICAZIONE</strong> ------------------------------------- Il doppino è un mezzo di trasmissione formato da due conduttori in rame ricoperti da una guaina di materiale plastico e intrecciati fra loro. Esso viene utilizzato per la connessione delle linee telefoniche ma mentre in passato era il mezzo di trasmissione dell'intero percorso, anche a lunghe distanze, tra due interlocutori, attualmente viene utilizzata la fibra ottica tra le centrali telefoniche e quindi il doppino viene utilizzato soltanto nell'ultimo "miglio", ossia per collegare l'utente con la centrale telefonica più vicina. Il doppino essenzialmente è nato per "trasportare" la voce umana che ha una banda

Di frequenza molto stretta (da 300Hz a 3300Hz) ma oggi, con il diffondersi delle reti di PC, il requisito principale richiesto ad un canale di trasmissione è una banda passante sempre più alta, ciò che consente il passaggio di segnali a frequenze sempre più elevate. Sembra quindi che il destino del doppino sia segnato; in realtà, in base a studi compiuti verso la fine del secolo scorso, si è evidenziato il fatto che la banda passante del doppino può essere aumentata semplicemente migliorando la qualità costruttiva del doppino stesso. Ad esempio un doppino di categoria 6 è adatto alla trasmissione a velocità superiori a 1 Gbps, uno di categoria 7 è adatto per reti fino a 10 Gbps e così via. Ci sono due tipi di doppini utilizzati nel cablaggio delle reti LAN: quelli STP sono schermati, quelli UTP non sono schermati. I cavi UTP possono andare bene se non vi sono molte interferenze elettromagnetiche (EMI).

maovviamente i cavi STP hanno caratteristiche migliori di immunità ai disturbi elettromagnetici ambientali, grazie alla loro schermatura. Clicca qui per ulteriori informazioni. Le fibre ottiche sono costituite da sottili fili di vetro, molto trasparenti e flessibili, e vengono utilizzate nelle "dorsali" di telecomunicazioni. Nelle telecomunicazioni sono usate come canali ad alta velocità, consentendo velocità di trasmissione elevatissime, nell'ordine dei Gbps, molto maggiori di quelle dei cavi coassiali. Esse offrono diversi vantaggi: insensibilità alle interferenze, bassa attenuazione, volume ridotto, ecc. Le fibre ottiche sono attraversate da impulsi luminosi nel campo di frequenze dell'infrarosso e quindi invisibili all'occhio umano. In una fibra ottica possono passare 12000 telefonate contemporaneamente. Attualmente il campo di impiego delle fibre ottiche è stato "allargato" anche alle dorsali di telecomunicazioni.lunghezza limitata, grazie ai miglioramenti tecnologici ottenuti dal processo di raffinazione del silicio. La parte interna di una fibra ottica è costituita dal "core" (il "nucleo" centrale) ed è rivestita da una guaina denominata "cladding". Di solito si fa riferimento a questi due elementi, il "core" e il "cladding", con due numeri, ad es. 50/125, che corrispondono ai diametri rispettivamente del core e del cladding (in micron). Esternamente ci sono altre due guaine, una di rivestimento e l'altra in mylar, esse conferiscono maggiore resistenza alla trazione per la messa in opera della fibra ottica. Un sistema completo di trasmissione ottica è costituito da tre componenti: 1) una sorgente luminosa (un LED o un LASER); 2) il mezzo di trasmissione, ossia la fibra ottica; 3) il fotodiodo ricevitore, l'elemento più lento di tutta la catena, in grado di riconvertire gli impulsi ottici in impulsi elettrici.

La propagazione delle onde all'interno di una fibra segue il fenomeno della "riflessione totale", secondo cui la differenza tra gli indici di rifrazione del core e del cladding (mantello) è in grado di intrappolare i raggi luminosi fintantoché tali raggi incidenti si mantengono entro un angolo massimo, detto di "accettazione".

Il termine "wireless" fa riferimento a tutte quelle comunicazioni in cui i segnali si propagano attraverso l'etere sotto forma di onde RF (a radiofrequenza) o IR (ad infrarosso). L'etere non è un buon mezzo di trasmissione, i disturbi delle radiazioni solari sono sempre presenti; a questi ultimi, poi, si sommano altri disturbi, dovuti alle condizioni atmosferiche (pioggia, ecc.) e alle interferenze prodotte da altre "sorgenti" elettromagnetiche. Le frequenze utilizzate per la trasmissione in wireless sono elevatissime (2.4GHz e 5GHz) e i relativi segnali, se la traiettoria è in vista ottica,

sono meno degradati. D'altro canto se tra sorgente e destinazione ci sono ostacoli, la propagazione delle onde subirà delle rifrazioni, il che peggiorerà la qualità del segnale in quanto il ricevitore dovrà scegliere un solo segnale tra quelli ricevuti in tempi differenti (proprio perché i percorsi delle onde avranno lunghezze diverse). Si potrebbe aumentare la potenza del segnale irradiato dall'antenna ma le norme internazionali pongono delle severe restrizioni a tale potenza, che al massimo può essere di 100mW. E' possibile però utilizzare un'antenna direzionale ad alto guadagno, in grado di concentrare l'emissione elettromagnetica in una sola direzione, anziché una normale antenna omnidirezionale (che emette a 360°). Le antenne direzionali hanno una polarizzazione orizzontale, ossia il corpo irradiante è parallelo al terreno, per cui l'emissione delle onde avviene in una specifica direzione, quindi

L'efficacia aumenta. Il parametro più importante di un'antenna è il guadagno (in dB), cioè il rapporto tra il segnale emesso dall'antenna e quello che sarebbe emesso da un'antenna omnidirezionale (dipolo) che emette a 360°. In genere le antenne direzionali vengono utilizzate nelle reti MAN (metropolitane), in cui il collegamento è spesso in vista ottica.

MODULAZIONE E MULTIPLAZIONE

Al fine di permettere la corretta trasmissione delle informazioni e di diversificare le varie comunicazioni inviate all'interno dello stesso canale (cavo, etere, ecc.) occorre che il segnale contenente l'informazione subisca un particolare trattamento, denominato "modulazione". Si tratta di "mescolare" il segnale modulante con una portante ad alta frequenza, ciò implica la traslazione in frequenza dell'informazione stessa. Di solito questa tecnica viene associata ad

Un procedimento di "multiplexaggio", in frequenza (FDM) o temporale (TDM). Nella multiplazione FDM a ciascuna trasmittente (TX) viene assegnato un diverso canale, per cui, nello spettro, le frequenze sono dislocate in "bande" differenti. Nella ricevente (RX) un filtro passa-banda si occupa di selezionare il canale voluto. Nella multiplazione TDM le diverse informazioni digitali vengono allocate in tempi differenti, distinguendosi nel momento in cui i bit vengono prelevati. Il segnale di clock temporizza i diversi canali e ne permette anche il "demultiplexaggio", ossia il corretto prelevamento da parte della ricevente. Da tutto ciò si evince che i segnali da trasmettere devono sempre essere modulati, contenendo al loro interno l'informazione in uno dei parametri (ampiezza, fase e frequenza). Il tipo di modulazione dipende dal tipo di segnale modulante, analogico o digitale, e dal tipo di portante, sinusoidale o impulsiva.

PROPAGAZIONE DELLE ONDE

itolando brevemente, le onde elettromagnetiche sono onde che si propagano nel vuoto o in un mezzo materiale e sono generate da cariche elettriche in movimento. Queste onde sono caratterizzate da un campo elettrico e un campo magnetico che si propagano perpendicolarmente tra loro e perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda. Le onde elettromagnetiche sono suddivise in diverse categorie in base alla loro lunghezza d'onda e alla loro frequenza. Queste categorie includono onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Le onde radio hanno lunghezze d'onda molto lunghe e frequenze molto basse, mentre i raggi gamma hanno lunghezze d'onda molto corte e frequenze molto alte. La luce visibile è solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico, con lunghezze d'onda comprese tra 400 e 700 nanometri. Le onde elettromagnetiche hanno molte applicazioni pratiche, come la comunicazione wireless, la trasmissione radio e televisiva, la tecnologia dei telefoni cellulari, la terapia con radiazioni e molto altro ancora. In conclusione, le onde elettromagnetiche sono una forma di energia che si propaga attraverso lo spazio e il tempo, e sono fondamentali per molte delle tecnologie che utilizziamo quotidianamente.