COLLEGAMENTI IN PONTE RADIO

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1 COLLEGAMENTI IN PONTE RADIO Il ponte radio è un sistema di radiocomunicazione punto-punto che impiega frequenze nel campo delle microonde, in grado di convogliare informazioni telefoniche, televisive e dati ad alta velocità. È costituito da un insieme di apparecchiature radio trasmittenti e riceventi e di tratte hertziane, generalmente in visibilità ottica, interposte, mediante stazioni ripetitrici, tra le stazioni terminali, e costituenti le campate del ponte. I primi ponti radio furono installati in Italia alla fine degli anni 60 per applicazioni di teleselezione telefonica: prima le comunicazioni telefoniche avvenivano attraverso la centrale telefonica, dove interveniva manualmente un operatore che collegava i due circuiti interessati alla comunicazione. Il rapido sviluppo dei collegamenti in ponte radio si deve anche al fatto che l Italia usciva dalla II guerra mondiale che aveva causato la distruzione di quei pochi collegamenti via cavo che erano presenti: solo grazie all installazione dei ponti radio fu possibile creare una dorsale per le telecomunicazioni in breve tempo! La figura seguente mostra uno schema di un tipico collegamento in ponte radio: la tratta radio ha una lunghezza che varia da qualche Km a Km; i ripetitori intermedi hanno il compito di ricevere il segnale, convertirlo in frequenza, amplificarlo e quindi inviarlo al ricevitore; osserviamo che la frequenza di trasmissione in ponte radio è diversa da quella in ricezione per evitare fenomeni di interferenza: infatti il segnale in ricezione risulta molto attenuato e se quello in trasmissione fosse inviato alla stessa frequenza, essendo ad un livello molto elevato potrebbe offuscare il segnale ricevuto (potrebbero aversi i cosiddetti rientri d antenna, o autooscillazione). Le bande di frequenza che vengono comunemente utilizzate nei ponti radio sono dell ordine dei GHz: siamo nel campo delle microonde! La tabella seguente evidenzia le varie bande di frequenza utilizzate e i servizi corrispondenti: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 175

2 Classificazione delle bande di frequenza a microonde --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 176

3 Come abbiamo già detto prima, il collegamento in ponte radio può essere ad una tratta se la distanza tra stazione trasmittente e ricevente è inferiore a 50 Km, oppure a più tratte se le distanze sono superiori a 50 Km. Le figure che seguono raffigurano queste due situazioni. Abbiamo già detto che la stazione ripetitrice converte la frequenza della portante; il CCIR (che poi diventerà l ITU- R) definì il piano di canalizzazione dei ponti radio analogici. Schematizziamo brevemente il contenuto di tale intervento del CCIR. Consideriamo la generica banda di frequenza B (p.e. con banda 4 GHz si intende l intervallo di frequenze che va da 3600 a 4200 MHz) e suddividiamola in due sottobande a, b. In ognuna di queste sottobande si definiscono delle portanti f 1a, f 2a f 1b,f 2b ognuna delle quali dista di una banda L c dall altra; definiamo inoltre una banda di guardia L g che separa la prima frequenza portante della sottobanda b dall ultima frequenza portante della sottobanda a. Di seguito riportiamo alcuni valori di canalizzazione per ponti radio telefonici analogici: Osserviamo che la propagazione può avvenire non soltanto utilizzando una sola frequenza portante tra trasmettitore e ricevitore ma utilizzandone più di una, tenendo conto che la banda passante della antenna è molto elevata: si possono utilizzare, quindi, più trasmettitori che trasmettono a frequenza portante diversa, in analogia alle fibre ottiche dove diversi fasci luminosi corrispondenti a diverse lunghezze d onda vengono inviati in fibra consentendo un maggiore trasferimento di informazione. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 177

4 Poiché per ogni collegamento devo utilizzare due frequenze diverse (per evitare interferenze) queste si alterneranno di tratta in tratta: cioè se trasmetto un segnale a frequenza f 1a, il ricevitore al momento di inoltrare il segnale alla tratta successiva trasmetterà a frequenza f 1b, quindi nuovamente si trasmetterà a frequenza f 1a e poi ancora f 1b e così via. Ma, per quanto detto prima, si ha la possibilità di trasmettere altre frequenze portanti f 2a -f 2b, f 3a -f 3b Definiamo ognuna di tali coppie f 1a -f 1b, f 2a -f 2b, f 3a -f 3b Fascio Hertziano o fascio bidirezionale. Per esempio nella banda a 2 GHz si hanno 6 Fasci Hertziani: ognuno di tali fasci ha capacità di canali telefonici. Il discorso è analogo nelle altre bande. Schema di un ponte radio multifascio Vediamo in questo schema come è possibile trasmettere tre fasci hertziani f 1, f 2, f 3 ; osserviamo che ci sono tre circuiti, ossia tre sistemi di multiplazione, ognuno con portante diversa, capaci sia di multiplare che di demultiplare i segnali: tali circuiti sono presenti in ogni antenna sia come trasmettitori che come ricevitori. I vari flussi multiplati f 1, f 2, f 3 vengono mandati ad un filtro a microonde, detto filtro di Branching, che permette di selezionare queste tre portanti e trasmetterle attraverso l antenna in polarizzazione orizzontale. Ovviamente in ricezione il discorso è analogo: l antenna ricevente converte le frequenze f 1a, f 2a, f 3a in f 1b, f 2b, f 3b e le invia ad un filtro a microonde che le separa e le invia nei circuiti demultiplatori. Ripartizione delle frequenze di trasmissione Per una determinata zona geografica le frequenze dei canali radio vengono scelte in modo che le frequenze di trasmissione si trovino tutte nella semibanda superiore o in quella inferiore, come riassunto nel seguente schema: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 178

5 Lo scopo di tale ripartizione è, come già detto, quello di evitare le interferenze: analizziamo quindi quali sono le possibili interferenze che possono aversi nei collegamenti in ponte radio. Tipi di interferenze RF Supponiamo di trovarci nella situazione in figura (a) : si può verificare che, in determinate condizioni atmosferiche, la frequenza f 1 venga ricevuta, anche se molto attenuata, dal ripetitore D che dovrebbe ricevere solo la frequenza f 2, causando fenomeni di interferenza. (a) Per questo motivo tre ripetitori non vengono mai posti sulla stessa retta, ma su una linea immaginaria spezzata. Un altra situazione che può generare interferenze è quella raffigurata in figura (b): dato un ripetitore che trasmette a frequenza f 2 in due direzioni opposte, può verificarsi che, in presenza di oggetti esterni, un segnale venga riflesso nella direzione opposta causando in ricezione interferenze. Bisogna quindi posizionare il ponte radio in modo strategico. (b) Schema a blocchi di un trasmettitore di un ponte radio telefonico analogico I segnali di ingresso sono costituiti dai numerosi canali telefonici che devono essere trasmessi tutti dallo stesso ponte radio. La prima operazione è quindi quella della multiplazione secondo la tecnica --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 179

6 FDM, che comporta una traslazione in frequenza dei vari canali a mezzo di modulatori bilanciati, per ottenere la cosiddetta banda base, che deve essere modulata per essere poi trasmessa. La banda base così ottenuta viene poi sottoposta alla operazione di preenfasi: infatti nel caso di modulazione FM, la densità spettrale di potenza del rumore termico ha un andamento di tipo parabolico, cioè la d.s.p. aumenta all aumentare della frequenza! Ciò significa che nella modulazione di diversi canali telefonici, quelli a frequenza più alta sono caratterizzati da un SNR più basso. Poiché vogliamo garantire un SNR uguale per tutti i canali telefonici multiplati, utilizzeremo un circuito di preenfasi che ha lo scopo, esaltando i livelli dei segnali a frequenza più alta nella fase di trasmissione, di mantenere costante il rapporto segnale/rumore. Si ha quindi un modulatore FM con una portante a 70 MHz (frequenza intermedia): quindi il segnale multiplato FDM modula una portante a 70 MHz tale che in uscita avremo un segnale modulato FM che viene inviato ad un amplificatore a frequenza intermedia: la domanda che ci si deve porre adesso è perché si passa attraverso una modulazione a frequenza intermedia e non si va direttamente ad una modulazione a radiofrequenza? La risposta è che gli amplificatori a frequenza intermedia presentano delle caratteristiche migliori di quelli a radiofrequenza, permettendo una migliore amplificazione del segnale modulato FM a frequenza intermedia di 70 MHz. Segue una conversione dalla frequenza intermedia alla radiofrequenza che viene inviata ad un amplificatore a radiofrequenza che immette il segnale nell antenna parabolica trasmittente. Schema a blocchi di un ricevitore di un ponte radio telefonico analogico In esso si evidenziano l antenna parabolica ricevente, il filtro di banda, in grado di selezionare esclusivamente il segnale utile eliminando il rumore e quindi favorendo un aumento del SNR. Selezionato il canale radio opportuno, si procede all operazione di abbassamento di frequenza attraverso un mixer che collegato ad un oscillatore locale permette una traslazione in basso portando la frequenza a livello della frequenza intermedia standard di 70 MHz. Il segnale viene inviato ad un amplificatore a frequenza intermedia che è comandato da un sistema automatico di controllo del guadagno. Si ha quindi il blocco della demodulazione FM preceduto dall operazione di deenfasi che consente di restituire le debite proporzioni a tutte le righe spettrali corrispondenti alla parte alta dello spettro della banda base, che in fase di trasmissione, erano state amplificate. Si ha quindi il segnale in banda base multiplato FDM che viene inviato ad un demultiplatore che da in uscita i vari canali telefonici demultiplati. Stazioni ripetitrici Le stazioni ripetitrici semplici hanno il compito di ricevere il segnale, convertirlo a F.I. e amplificarlo a F.I., convertirlo ad una radiofrequenza diversa da quella di ricezione, amplificarlo e quindi ritrasmetterlo, come schematizzato nel seguente schema a blocchi. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 180

7 Nel caso in cui, invece, vogliamo estrarre o inserire dei canali (telefonici, televisivi ) dobbiamo effettuare oltre alla conversione a frequenza intermedia anche la demodulazione per portare il segnale in banda base. Quindi bisogna selezionare tramite un filtro i canali di interesse e inviarli ad un MPX in ricezione, ossia un demultiplex, che da in uscita i canali desiderati. Discorso analogo per inserire dei canali nel nostro collegamento. Il seguente schema a blocchi sintetizza quanto detto per un generico ripetitore di un ponte radio. Come si può osservare, la parte ricevente è del tutto analoga alla prima sezione del ponte radio ricevente, mentre la seconda parte è analoga alla parte finale del ponte radio trasmittente. È da osservare però che la frequenza intermedia è sempre quella standard, cioè 70 MHz e che la portante in trasmissione è sempre diversa da quella in ricezione per il solito motivo di evitare l autooscillazione. Esistono poi nel campo dei ponti radio anche i ripetitori passivi, detti anche specchi elettromagnetici, che hanno la funzione di riflettere il fascio verso il ricevitore quando deve superare un ostacolo. Questi sono costituiti da superfici metalliche realizzate in alluminio delle dimensioni che si aggirano intorno a 100 m 2. E chiaro che a differenza dei ripetitori attivi che amplificano il segnale, quelli passivi introducono una piccola attenuazione. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 181

8 PONTI RADIO NUMERICI Con l evoluzione tecnologica anche i ponti radio sono passati da analogici a numerici. I ponti radio numerici sono quelli in cui la banda base è costituita da segnali digitali organizzati in una trama del tipo PCM. Oggi si tende sempre più a preferire la trasmissione di dati sotto forma numerica per i numerosi vantaggi che questo tipo di modulazione ha rispetto a quella analogica e che si schematizzano di seguito. Minore sensibilità alle interferenze, il che consente di riutilizzare i canali radio sfruttando la polarizzazione ortogonale; Minor costo degli apparati numerici rispetto a quelli analogici; Qualità di trasmissione elevata tramite i ripetitori rigenerativi; Conseguente possibilità di sfruttare gamme di frequenza più elevate (>11GHz) con qualità accettabile; ciò comporta dei vantaggi per i guadagni delle antenne: infatti il guadagno delle antenne paraboliche aumenta all aumentare della frequenza; Possibilità di affasciare segnali informativi di natura diversa (telefonia, dati, video, ecc,), mentre un ponte radio analogico televisivo non poteva trasmettere segnali telefonici, ad esempio; - Possibilità di una efficace protezione delle informazioni da trasmettere mediante codici crittografici. Esistono naturalmente degli svantaggi nelle trasmissioni di tipo numerico e riguardano la maggiore larghezza di banda necessaria per trasmettere uno stesso numero di canali telefonici o televisivi ed anche nella maggiore complicazione circuitale richiesta dal più vasto numero di operazioni da effettuare. Nel complesso comunque, i sistemi numerici risultano molto più convenienti di quelli analogici, per questo motivo quasi tutti i nuovi ponti radio sono di tipo numerico. Lo schema a blocchi è analogo a quello analogico, con la differenza che qui abbiamo un multiplatore PCM. Generalmente i segnali numerici PCM su cavo hanno una codifica di linea di tipo AMI o HDB3 ma nei ponti radio si preferisce una codifica NRZ (Non Ritorno a Zero): per questo motivo si ha la presenza di un convertitore. La modulazione A.S.K. è usata solo nei ponti di piccola capacità, mentre la P.S.K. m-aria ed ancor più la Q.A.M. è usata in tutti gli altri casi. Supponiamo che i dati da trasmettere via ponte radio siano di tipo telefonico, allora la centrale telefonica invia i suoi dati, ad esempio via cavo coassiale o via fibra ottica, già organizzati in tecnica P.C.M., cioè già multiplati. Ogni canale del P.C.M. di solito è modulato in codice A.M.I. oppure l H.D.B.3. Questo tipo di modulazione è adatto per superare i problemi dei traslatori differenziali delle centrali telefoniche e della tele-alimentazione dei rigeneratori, ma non è il più adatto per la trasmissione via etere, per cui viene convertito, di norma, in codice N.R.Z., lo stesso che viene usato all interno delle apparecchiature di centrale. Il segnale viene quindi inviato ad un modulatore PSK, ad esempio, quindi amplificato e inviato all antenna trasmittente. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 182

9 Discorsi analoghi valgono per il blocco in ricezione di seguito schematizzato. Anche qui, per quanto riguarda la canalizzazione delle varie portanti c è una normativa emessa dagli organismi internazionali. Per esempio la canalizzazione per ponte radio numerico nella banda GHz consiste nel dividere la banda principale in due sottobande. I flussi 1-1 costituiscono un fascio hertziano e così via gli altri. I ponti radio numerici possono trasmettere sia flussi plesiocroni che flussi sincroni. Principali caratteristiche dei ponti radio numerici con flussi plesiocroni --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 183

10 Principali caratteristiche dei ponti radio numerici con flussi sincroni PROGETTO DI UN COLLEGAMENTO IN PONTE RADIO Il progetto di un collegamento in ponte radio si svolge secondo i seguenti passi principali: 1. Determinazioni delle prestazioni richieste. 2. Selezione dei siti e individuazione del profilo del collegamento per determinare l altezza delle antenne. 3. Analisi del collegamento (linkbudget). 4. Rilevamento dei siti e del collegamento. 5. Test del sistema installato. Dimensionamento dei ponti radio analogici La qualità di un collegamento analogico si valuta in base al rapporto segnale-rumore in ricezione. Nel caso di segnali FDM/FM (cioè segnali multiplati a divisione di frequenza e modulati in FM), il rapporto segnale-rumore dopo demodulazione FM è: (1) se f x = B. (2) se f x >> B --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 184

11 Passando ai db e indicando con L R = 10 log S R dove S R è la potenza in ricezione, poiché la differenza tra potenza in trasmissione e attenuazione di tratta è proprio L R cioè: L R = L T -A T e la potenza di rumore vale L N = 10 log (KT 0 B) si ha che le (1) e (2) diventano: se f x =B se f x >> B RACCOMANDAZIONI DEL CCIR PER LE POTENZE DI RUMORE AMMISSIBILI IN UN CIRCUITO IPOTETICO DI RIFERIMENTO Valori ammissibili per sistemi telefonici FDM per un circuito di riferimento lungo 2500 km: La potenza di rumore misurata psofometricamente in un punto a livello relativo zero non deve superare, in qualsiasi ora di un mese e nell 80% dei minuti di un mese il valore medio di 7500 pw! Pertanto in un collegamento avente lunghezza L > 250 km la potenza di rumore misurata psofometricamente in un punto a livello relativo zero non deve superare, in qualsiasi ora di un mese e nell 80% dei minuti di un mese il valore medio di 3L pw. Inoltre la potenza di pw può L essere superata in non più di 0,1% 2500 del tempo di un mese! Dato il tipo di trasmettitore (dato L T ) e per un dato rapporto di deviazione, si verifica che la somma del rapporto segnale-rumore e dell attenuazione del collegamento è una costante S, detta cifra di sistema o figura di merito. S è un dato fornito dal costruttore, dipende dal tipo di sistema e varia tra 140 e 160 db. Procedura per il dimensionamento: 1. Dal valore di S e dal richiesto S/N si trova At: 2. Conoscendo D e λ si calcola A iso (attenuazione di spazio libero); 3. Conoscendo le attenuazioni delle connessioni di antenna(che dipendono dalla lunghezza dei cavi d antenna e quindi dall altezza delle antenne e che dipendono dal tipo di cavo d antenna utilizzato) e determinando facilmente il margine di fading, si può calcolare il guadagno G che devono avere le antenne trasmettente e ricevente (supposte uguali). La tabella seguente fornisce le attenuazioni in db per 100 m di cavo coassiale al variare della frequenza (Z = 60 Ω): --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 185

12 Se invece di un cavo coassiale volessi utilizzare delle guide d onda, tenendo conto che si possono avere guide d onda di tipo flessibile o guide d onda rigide, allora tornano utile le seguenti tabelle: Calcolati i guadagni delle antenne necessari per soddisfare le specifiche, posso andare a cercare l antenna sul mercato che soddisfa le mie esigenze; la tabella seguente sintetizza le principali caratteristiche delle antenne più utilizzate per i ponti radio: --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 186

13 Consideriamo per esempio un riflettore parabolico del diametro di 3 m a 4 GHz. Il guadagno di un antenna a riflettore parabolico risulta: Dove: D = diametro dell antenna; r = efficienza dell apertura; λ=lunghezza d onda ; Ponendo r = 0,55, il guadagno in db è: Con D in metri ed f in GHz! Diagramma dei livelli di un collegamento in ponte radio Nel progetto di un collegamento in ponte radio, torna molto utile rappresentare la situazione del collegamento tramite un Diagramma dei Livelli. Consideriamo per esempio il diagramma in figura: si riferisce ad un collegamento in ponte radio tra due antenne paraboliche poste a distanza di 20 miglia. Si parte da un segnale che è al livello di 0 dbw cioè 1Watt, che viene inviato tramite un cavo di antenna (attenuazione di 2,5 db) ad un antenna trasmittente con guadagno di 30 db. Avremo così un EIRP (potenza isotropica irradiata equivalente) di 27.5 dbw, cioè è come se fosse la potenza irradiata da un antenna isotropica; in realtà tale potenza è irradiata nella direzione di massima direttività dell antenna. Tra le due antenne abbiamo quindi uno spazio vuoto che causa una certa attenuazione di tratta: in questo esempio si ha un attenuazione di tratta di 140 db. Pertanto in ingresso all antenna ricevente avremo un livello di segnale pari a dbw. Poiché l antenna presenta un guadagno di 30 db e poiché si avrà una perdita di 2.5 db dovuta all attenuazione del cavo d antenna, il livello di segnale in ingresso al ricevitore sarà -85 dbw. Dimensionamento dei ponti radio numerici Gli obiettivi prestazionali dei ponti radio numerici in una rete ISDN (CCIR Rec ) con una --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 187

14 TA del 99,9% di un mese (cioè il collegamento è disponibile per il 99,9 % del tempo in un mese) sono i seguenti: 1) BER > 10-3 L per non più di 0,054% 2500 di ogni mese (tempo di integrazione 1 secondo); 2) BER > 10-6 L per non più di 0,4% 2500 di ogni mese (tempo di integrazione 1 minuto). Guadagno di sistema Definiamo Guadagno di Sistema la differenza, in db, tra la potenza di uscita del trasmettitore P T (in dbm) ed il minimo livello L mr del segnale richiesto in ricezione (in dbm) per ottenere un prefissato BER: G S =P T -L mr. L mr è detto anche soglia o sensibilità del ricevitore e dipende dal livello di rumore al ricevitore e dal S/N richiesto per ottenere il prefissato BER. Pertanto vale: Il guadagno di sistema è un utile fattore di merito per il confronto delle apparecchiature radio digitali. E desiderabile un alto valore di G S. Ovviamente G S deve essere maggiore dell attenuazione di tratta, cioè deve valere: dove: A 0 = attenuazione di spazio libero tra le antenne A l = attenuazione della linea di antenna G = guadagno dell antenna A s = attenuazione supplementare M F = margine di fading Rapporto Energia per bit/densità di rumore E b /N 0 è uno dei più importanti parametri di valutazione di un sistema radio numerico. Permette di confrontare sistemi digitali aventi differenti larghezze di banda, schemi di modulazione o tecniche di codifica. Si ha: Che in db si può scrivere: Calcoliamo, seguendo lo schema seguente, quanto vale questo rapporto E b. N SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 188

15 In base al rapporto E N b 0 posso andare a determinare il BER del collegamento: Per concludere in sede di progetto i parametri di partenza che abbiamo sono: 1) Potenza del trasmettitore (1-10 W); 2) Figura di rumore del ricevitore (F=8-12 db); 3) Bit-rate rb; 4) Tipo di modulazione (M-PSK, M-QAM); valori comunemente utilizzati sono QAM. Prima cosa da fare per il calcolo di una tratta radio è che: 1) Il primo ellissoide di Fresnel sia libero da ostacoli; 2) Se lavoriamo a frequenze superiori a 10 GHz dobbiamo considerare anche l attenuazione per pioggia e per assorbimento atmosferico, che, invece, a frequenze inferiori a 10 GHz sono trascurabili; Passi della procedura: 1) Scelta della frequenza f (dal piano di ripartizione delle frequenze); 2) Determinazione della lunghezza della tratta D ( e posizione delle antenne); --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 189

16 3) Calcolo dell attenuazione dei cavi d antenna (A l1, A l2 ); 4) Calcolo dell attenuazione di spazio libero tra le antenne A 0 ; 5) Potenza in uscita del trasmettitore P T (circa 40 dbm); 6) Livello di soglia del ricevitore L mr (circa 60 dbm); 7) Guadagno di sistema G S =P T -L mr (circa 100 db); 8) Margine di Fading 9) Guadagno delle antenne richiesto ; 10) Determinazione del diametro delle antenne. --- SISTEMI DI TELECOMUNICAZIONI --- IL PONTE RADIO 190