INDICE MODULO 2 ONDE ELETTROMAGNETICHE MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE. UNITÀ 1 Proprietà delle onde elettromagnetiche...

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1 INDICE MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE UNITÀ 1 Concetti fondamentali Introduzione Organismi internazionali Schema a blocchi di un sistema di telecomunicazioni Sorgenti informative Rappresentazione dei segnali Trasmettitore e ricevitore Degradazione del segnale trasmesso In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 2 Teoria dei quadripoli Blocchi funzionali Classificazione dei blocchi funzionali Bipoli Quadripoli Impedenze caratteristiche di un quadripolo Unità logaritmiche di trasmissione Quadripoli in cascata Attenuazioni caratteristiche di un quadripolo passivo Condizioni di adattamento in una cascata di quadripoli Livelli In sintesi Verifica dell unità MODULO 2 ONDE ELETTROMAGNETICHE UNITÀ 1 Proprietà delle onde elettromagnetiche Teoria elettromagnetica di Maxwell Velocità delle onde elettromagnetiche Propagazione delle onde elettromagnetiche Propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo illimitato privo di perdite Propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo illimitato con perdite Fronte d onda Ottica geometrica e teoria elettromagnetica Onda piana incidente normalmente su un conduttore piano Impedenza d onda Onda piana incidente normalmente su un dielettrico Onda piana obliqua incidente su un conduttore piano Onda piana obliqua incidente su un dielettrico piano Polarizzazione, diffrazione e interferenza delle onde elettromagnetiche piane Energia di un onda elettromagnetica In sintesi Verifica dell unità III

2 INDICE UNITÀ 2 Propagazione delle onde guidate Tipi d onda guidate fondamentali Linee di trasmissione Modello elettrico di una linea di trasmissione reale Corrente e tensione in una linea di trasmissione Linea di lunghezza infinita. Regime progressivo Linea ideale Linea di lunghezza finita chiusa su un carico qualunque Impedenza in un punto qualsiasi della linea Regime stazionario Rapporto d onda stazionaria (R.O.S.) Linea adattata Linea in cortocircuito Linea aperta Diagramma di Smith Adattamento di impedenza Adattamento con trasformatore in quarto d onda Adattamento con stub Guide d onda Guida d onda rettangolare Propagazione nelle guide d onda rettangolari Velocità di gruppo e velocità di fase Modi di propagazione superiori nelle guide d onda rettangolari Dimensionamento delle guide d onda rettangolari Guide d onde circolari Analogia di una guida d onda con una linea di trasmissione Sistemi di eccitazione e prelievo per guide d onda Componenti per guide d onda In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 3 Antenne Introduzione Diagrammi di radiazione Parametri delle antenne trasmittenti Direttività Guadagno Efficienza Resistenza di radiazione Effetto del suolo e principio delle immagini Dipolo hertziano Alimentazione del dipolo hertziano Dipolo ripiegato Dipolo marconiano Antenne ground-plane Larghezza di banda di un antenna Antenne riceventi Antenne direttive Allineamento di dipoli Superficie riflettente Cortina di dipoli Antenne a diedro Antenne a elica Antenne per radiocollegamenti Antenna a paraboloide Antenne a tromba Antenna Horn reflector Antenna Cassegrain In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 4 Onde radio Classificazione delle onde radio Propragazione delle onde radio Onde terrestri superficiali Onde spaziali In sintesi Verifica dell unità MODULO 3 SEGNALI ACUSTICI E OTTICI UNITÀ 1 Trasduzione di segnali acustici Il suono Caratteristiche fisiche del suono Trasmissione della voce umana Propagazione del suono Trasduzione acustico-elettrica Classificazione dei microfoni Parametri caratteristici dei microfoni Microfoni a spostamento Microfoni a velocità Microfono a carbone Radiomicrofoni Trasduzione elettro-acustica Altoparlante Altoparlante magnetodinamico a bobina mobile IV

3 INDICE 4.3 Altoparlante a tromba Altoparlante elettrostatico In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 2 Trasduzione di segnali ottici La luce Velocità, lunghezza d onda e frequenza della luce Caratteristiche fisiologiche dell occhio umano Trasduzione ottico-elettrica Tubi da ripresa televisiva Sensori CCD Trasduzione elettro-ottica Tubo a raggi catodici Schermi al plasma Shermi LCD In sintesi Verifica dell unità MODULO 4 MEZZI TRASMISSIVI FISICI UNITÀ 1 Cavi in rame Introduzione Cavi in rame a coppie Parametri caratteristici di un cavo in rame a coppie o a quarte in rame Cavi coassiali In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 2 Fibre ottiche La luce come portante trasmissivo Collegamento in fibra ottica Richiami sulla teoria della propagazione guidata della luce Struttura e principio di funzionamento della trasmissione su fibra ottica Attenuazione nelle fibre ottiche Perdite intrinseche Perdite estrinseche Fibre ottiche per telecomunicazioni Fibre ottiche multimodo Fibre ottiche monomodo Dispersione nelle fibre ottiche Dispersione di guida d onda Dispersione del materiale Dispersione cromatica Larghezza di banda Tecnologia delle fibre ottiche Materiali impiagati Tecniche di costruzione di una fibra ottica Processo di filatura e di protezione primaria Protezione secondaria Cavi ottici In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 3 Dispositivi optoelettronici per fibre ottiche Generalità Dispositivi fotoemettitori Richiami di fisica dei semiconduttori Emissione spontanea e stimolata Diodo LED Diodo laser Amplificatori ottici Parametri caratteristici di un amplificatore ottico Tipi di amplificatori ottici Amplificatori a non linearità in fibra Dispositivi fotorivelatori Fotorivelatori PIN Fotorivelatori APD In sintesi Verifica dell unità MODULO 5 FONDAMENTI DI TELEFONIA UNITÀ 1 Principi generali Principio di funzionamento del telefono di Meucci L apparecchio telefonico Caratteristiche dei collegamenti telefonici Equivalente Tempo di propagazione Distorsioni Rumore Psofometro Diafonia In sintesi Verifica dell unità V

4 INDICE UNITÀ 2 Rete telefonica nazionale Generalità sulle reti di telecomunicazioni Commutazione Operazioni svolte da una centrale di commutazione Struttura di un autocommutatore Evoluzione degli autocommutatori Segnalazione Piano Regolatore delle Telecomunicazioni Evoluzione della rete di telecomunicazioni Rete di accesso Architettura della rete di commutazione Rete di trasporto Disciplina della numerazione delle telecomunicazioni In sintesi Verifica dell unità UNITÀ 3 Nozioni di traffico telefonico Introduzione Utenti e risorse La congestione Criteri di dimensionamento di una rete di telecomunicazioni Generazione del traffico Intensità di traffico In sintesi Verifica dell unità SOLUZIONI INDICE ANALITICO VI

5 PRESENTAZIONE La nuova edizione del Corso di Telecomunicazioni è motivata sia dalla necessità di aggiornare e rinnovare i contenuti per rispondere alla costante evoluzione del sistema delle telecomunicazioni, sia dalla scelta di proporre un testo in edizione mista (volumi + materiale in formato digitale), in aderenza alle recenti indicazioni ministeriali. Il corso, strutturato in due volumi e in un CD-ROM, propone un percorso formativo che evidenzia gli aspetti fondanti della disciplina e ne mette in luce i caratteri più innovativi, attraverso una didattica attenta ai ritmi di apprendimento degli studenti. Il primo volume tratta gli argomenti basilari delle telecomunicazioni, il secondo ha l obiettivo di fornire agli studenti una guida per lo studio dei principi e delle tecniche su cui si basano i moderni sistemi di telecomunicazioni. La nuova edizione ripropone la suddivisione in Moduli e Unità del testo precedente. L apparato didattico, già consistente nella prima edizione, è stato ulteriormente potenziato. Ciascuna Unità si apre con una pagina in cui sono esplicitati prerequisiti e obiettivi e si chiude con una sintesi e un breve test di verifica; una ricca sezione di esercizi risolti e proposti relativi ai contenuti trattati nell unità è riportata nel CD-ROM. Il CD-ROM è parte integrante del corso e contiene materiale utile per il consolidamento e la verifica dell apprendimento. È suddiviso in: una sezione di Esercizi e Verifiche in cui sono riportati gli esercizi risolti e proposti di ciascuna unità, esercizi riepilogativi di modulo, test e verifiche di modulo, temi d Esame svolti e simulati; una sezione di Approfondimenti, in cui vengono approfonditi aspetti tecnici, storici e normativi, che consente agli studenti di personalizzare i percorsi di apprendimento; una sezione di Laboratorio che propone una serie di approfondimenti tecnico pratici (laboratorio di misure, laboratorio CISCO, laboratorio di radiotecnica) e le tradizionali Esercitazioni di laboratorio da svolgere secondo due diverse metodologie: il laboratorio reale e il laboratorio virtuale che utilizza il programma di simulazione VisSimm/Comm, mediante il quale è possibile effettuare l analisi dei circuiti attraverso modelli che ne simulano il comportamento. VII

6 PRESENTAZIONE A Simone e Michela Il progresso oggi percorre rapidissimo la sua strada, lasciando alle spalle chi non lo segue o chi crede di essere arrivato al massimo del suo sapere. Guai a chi si ferma. Da quell istante l uomo, anche se giovane, invecchia rapidamente, mentre si manterrà sempre giovane, anche in tarda età, chi avrà saputo costantemente aggiornarsi. Il Volume 1 tratta gli argomenti basilari delle telecomunicazioni ed è strutturato in 5 Moduli, a loro volta suddivisi complessivamente in 14 Unità. Il primo Modulo, dopo un introduzione sulle telecomunicazioni, illustra i compiti delle principali organizzazioni internazionali che regolano il settore e tratta i blocchi funzionali utilizzati per rappresentare i sistemi di telecomunicazioni (bipoli e quadripoli) e i parametri che li caratterizzano. Nel secondo Modulo vengono trattate la teoria generale delle onde elettromagnetiche, le linee di trasmissione e le guide d onda, le antenne e la propagazione del campo elettromagnetico nello spazio libero. Nel terzo Modulo, dopo un introduzione di carattere generale sul suono, sono trattate le trasduzioni acusticoelettrica ed elettro-acustica, analizzando gli altoparlanti e i microfoni di più comune interesse. La seconda parte del Modulo è dedicata alla trasduzione ottico-elettrica ed elettro-ottica, con descrizione dei trasduttori più importanti utilizzati nella ripresa e nella riproduzione delle immagini. Il quarto Modulo descrive i portanti fisici in rame e in fibra ottica. In particolare è sviluppata l analisi delle fibre ottiche con approfondimenti sui parametri che le caratterizzano e i relativi processi di produzione. Sono inoltre trattati i dispositivi optoelettronici, in modo da avere adeguata visibilità sui moderni sistemi di trasmissione a grande capacità che utilizzano le fibre ottiche. Infine nel quinto Modulo sono introdotti i princìpi generali e i parametri che caratterizzano i collegamenti telefonici ed è illustrata la nuova architettura della Rete di Telecomunicazioni realizzata a seguito dell evoluzione tecnologica (tecniche numeriche), normativa (nuovo Piano Regolatore Nazionale delle Telecomunicazioni e nuovo Piano di Numerazione Nazionale) e di mercato (presenza di nuovi gestori). Conclude il Modulo la teoria generale del traffico con particolare riferimento a quello telefonico. Desidero ringraziare la Casa Editrice per la cura posta nella realizzazione del volume e tutti coloro che, con suggerimenti e osservazioni, intenderanno contribuire al miglioramento dell opera. L Autore VIII

7 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE MODULO Unità 1 Unità 2 Concetti fondamentali Teoria dei quadripoli COMPETENZE UN PO DI STORIA Comprendere le problematiche generali delle telecomunicazioni. Con il termine telecomunicazioni si intende l insieme delle tecnologie e dei processi di trasmissione delle informazioni a distanza, sotto forma di segnali elettrici. Anche se la tecnologia che ha portato alla realizzazione della rete telefonica è abbastanza recente (risale a poco più di un secolo fa), oggi è possibile entro pochi secondi stabilire un collegamento con persone dall altro capo del globo. Dall invenzione del telefono, a opera di Meucci, sono seguite varie tappe che hanno condotto all attuale assetto delle telecomunicazioni: nel 1901 Guglielmo Marconi dimostrò che le onde radio potevano essere utilizzate per trasmettere informazioni a lunga distanza, inviando un messaggio oltre l Oceano Atlantico; nel 1910 Almon Strowger mise a punto un sistema di commutazione automatica in grado di stabilire una comunicazione telefonica senza l aiuto di un operatore; nel 1948 William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain inventarono il transistor; nel 1965 Charles Kao formulò la teoria secondo la quale le informazioni possono essere trasmesse mediante fibre ottiche, oggi impiegate per trasferire enormi quantità di dati ad altissima velocità e che pertanto costituiscono l infrastruttura fondamentale della rete di telecomunicazioni.

8 1 U N I T À CONCETTI FONDAMENTALI CONTENUTI 1. Introduzione 2. Organismi internazionali 3. Schema a blocchi di un sistema di telecomunicazioni 4. Degradazione del segnale trasmesso PREREQUISITI Saper leggere uno schema a blocchi. Essere in grado di individuare i concetti generali di un testo tecnico. Conoscere le funzioni trigonometriche. Saper operare su un piano cartesiano e su un sistema di riferimento tridimensionale. OBIETTIVI Sapere Sapere fare Conoscere gli organismi nazionali e internazionali che governano le telecomunicazioni. Conoscere il concetto di segnale (tipi e caratteristiche) in relazione alla banda occupata. Conoscere le parti di un sistema di telecomunicazioni. Conoscere gli aspetti generali di degradazione di un segnale nelle telecomunicazioni. Individuare i blocchi, i parametri, le relazioni che descrivono un sistema di telecomunicazioni. Saper calcolare i parametri di un segnale e la banda occupata.

9 CONCETTI FONDAMENTALI UNITÀ 1 1 Introduzione Con il termine telecomunicazioni si intende lo scambio di informazioni a distanza tra singoli individui o raggruppamenti di essi. Le telecomunicazioni hanno avuto origine con la telegrafia, quando si cominciò a trasmettere dati codificati (lettere e numeri) sotto forma di impulsi elettrici; nello stesso periodo venne inventato anche il telefono, mediante il quale prese il via la trasmissione vocale che diede origine alla telefonia. Ben presto sia la telefonia sia la telegrafia, diffondendosi in tutto il mondo, resero possibile lo scambio di informazioni anche tra Paesi lontanissimi tra loro, contribuendo notevolmente allo sviluppo della civiltà umana e delle relazioni tra i popoli. In seguito alle brillanti esperienze di Guglielmo Marconi, nasceva successivamente anche la radio, grazie alla quale le telecomunicazioni ebbero una diffusione di massa, soprattutto per quanto riguarda la radiodiffusione. Negli ultimi anni, inoltre, l impiego di satelliti artificiali, prima al solo scopo di studiare le caratteristiche fisiche dello spazio intorno alla Terra, poi per effettuare veri e propri collegamenti, ha segnato una svolta nello sviluppo delle telecomunicazioni a grande distanza, dimostrando di poter competere con i mezzi tradizionali. Il lancio nello spazio di sonde su altri pianeti, oltre ad aprire orizzonti che qualche decennio prima erano considerati irraggiungibili, ha consentito di collaudare e sviluppare le telecomunicazioni interplanetarie, aprendo all uomo la conquista dello spazio. 2 Organismi internazionali La gestione delle telecomunicazioni costituisce un tema di particolare importanza a livello internazionale, tanto che tutte le Nazioni hanno sentito la necessità di definirne, nelle sedi opportune (per esempio Nazioni Unite e Comunità Europea), un adeguata regolamentazione. Le telecomunicazioni, infatti, costituiscono la risorsa fondamentale delle società postindustriali come fu il terreno coltivabile per le società agricole e l energia per quelle industriali. L organizzazione più autorevole a livello internazionale in materia di telecomunicazioni è rappresentata dall International Telecommunication Union (ITU), la quale costituisce una delle più antiche agenzie delle Nazioni Unite, essendo stata fondata nel 1865 come International Telegraph Union e trasformata nel 1947 in agenzia delle Nazioni Unite. Le funzioni essenziali dell ITU sono diverse: la regolamentazione e la pianificazione delle telecomunicazioni a livello mondiale, definendo gli standard operativi degli apparati e dei sistemi; il coordinamento degli studi sulle tecnologie e la relativa diffusione; la promozione e lo sviluppo delle telecomunicazioni in tutte le Nazioni Unite e in particolare nei Paesi in via di sviluppo. 3

10 MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE La struttura dell ITU prevede i seguenti principali organi direttivi (fig. 1): ITU-PC: Conferenza dei Plenipotenziari, che rappresenta l organo supremo dell ITU e ha la facoltà di definire la politica generale dell Unione e il potere di modificare la Convenzione Internazionale delle Telecomunicazioni, che costituisce il trattato base dell ITU; ITU-AC: Consiglio d Amministrazione, che ha compiti di coordinamento dell Unione, con particolare riferimento agli aspetti amministrativi e finanziari; ITU-GS: Segretariato Generale, con compiti di gestione delle tematiche amministrative e finanziarie dell Unione e di diffusione delle informazioni tecniche all interno dell ITU; ITU-T (Telecommunications Standardization Bureau): effettua studi ed emette raccomandazioni sulla telefonia, telegrafia, trasmissione dati e telematica (ex CCITT, Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique); ITU-R (Radiocommunications Bureau): effettua studi ed emana normative per l esercizio delle radiocomunicazioni (ex CCIR, Comité Consultatif International des Radiocommunications); ITU-IFRB (International Frequencies Registration Board): assegna le frequenze radio e le posizioni orbitali dei satelliti per telecomunicazioni notificati dalle Amministrazioni che ne fanno parte, sulla base di procedure definite nel Regolamento delle Comunicazioni (RR), il quale contiene l insieme delle regole che disciplinano l utilizzo dello spettro radio e delle orbite dei satelliti geostazionari; ITU-TD (Telecommunications Development Bureau): si occupa della cooperazione tecnica nei Paesi in via di sviluppo. ITU-PC ITU-AC ITU-GS FIGURA 1 Struttura dell ITU. ITU-T ITU-R ITU-TD ITU-IFRB Altri organismi internazionali di rilievo sono i seguenti: ANSI (American National Standards Institute): organismo che formula gli standard americani; ISO (International Standards Organization): organismo per la definizione degli standard internazionali, di cui è membro l UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione); IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers): organizzazione professionale degli Stati Uniti; IEC (International Electrotechnical Commission): commissione elettrotecnica internazionale, di cui è membro il CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano); 4

11 CONCETTI FONDAMENTALI UNITÀ 1 ETSI (European Telecommunications Standards Institute): organismo per la definizione degli standard europei; EIA (Electronic Industries Association): associazione delle industrie americane; EEA (Electrical Engineering Association): associazione delle industrie inglesi; ECMA (European Computer Manufacturers Association): associazione dei costruttori europei di computer; CEPT (Conferenza Europea delle Amministrazioni P.T.): comprende le amministrazioni europee delle Poste e Telecomunicazioni; CEN (Comitato Europeo per la Normalizzazione): organizzazione europea corrispondente all ISO. Gli argomenti trattati nel presente corso, sia nel primo sia nel secondo volume, fanno quasi sempre riferimento a raccomandazioni emesse dal CCITT (attualmente ITU-T), pertanto è importante conoscerne la struttura, la quale è composta da una lettera che individua la serie, seguita da un numero di una o più cifre che definisce l argomento specifico. Per esempio, la raccomandazione V.kz, dove k e z sono due cifre, si riferisce al segmento trasmissione dati (V) e all argomento specifico individuato dal numero kz. Nella tabella 1 sono riportate le serie più importanti. TABELLA 1 Principali serie delle raccomandazioni CCITT (ITU-T). Serie D E F G J K L M O P Q S-T V X Argomento specifico Tariffe Traffico, esercizio e gestione della rete telefonica Esercizio telegrafico, tariffe e servizi telematici Trasmissione analogica e numerica Trasmissione di suoni e immagini Protezione dalle interferenze Protezione delle guaine dei cavi e dei pali Manutenzione Strumenti di misura Qualità di trasmissione nella telefonia Commutazione e segnalazione telefonica Terminali telegrafici e telematici Trasmissione dati Reti per dati In Italia la regolamentazione del settore delle telecomunicazioni è di competenza del Ministero delle Poste e Telecomunicazioni che, oltre a definire il Piano Regolatore Nazionale delle Telecomunicazioni e il Piano Nazionale di Ripartizione delle Radiofrequenze, emana, tramite l Istituto Superiore delle Poste e Telecomunicazioni, le normative relative alla funzionalità e qualità degli impianti e dei materiali di telecomunicazioni, in coerenza con le norme internazionali. 5

12 MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE 3 Schema a blocchi di un sistema di telecomunicazioni Un sistema di telecomunicazioni è un insieme di elementi (apparati e collegamenti) mediante i quali è possibile comunicare a distanza, cioè scambiare informazioni tra due o più interlocutori lontani tra loro. In Inglese signal segnale Le informazioni sono trasmesse utilizzando come mezzo di trasporto una grandezza elettrica variabile nel tempo denominata segnale: si può pertanto affermare che l informazione viene in qualche modo caricata su un segnale elettrico che funge da mezzo di trasporto. Per comprendere l architettura di base di un sistema di telecomunicazioni, occorre effettuare sia l analisi di tutti gli elementi che costituiscono il sistema stesso, sia lo studio delle tecniche e delle metodologie impiegate in tutti gli elementi della catena. Lo schema di principio di un sistema di telecomunicazioni è riportato nella figura 2. Sorgente Informazione Trasmettitore Mezzo trasmissivo Ricevitore Destinazione Segnale Segnale Informazione FIGURA 2 Distorsione Rumore Distorsione Gli elementi che compongono il sistema sono i seguenti: la sorgente dell informazione, cioè l entità che produce l informazione che deve essere trasmessa; il trasmettitore, la cui funzione è quella di trasformare l informazione nella forma più consona per essere trasmessa, convertendola in un segnale adatto a essere inviato su un mezzo trasmissivo; il mezzo trasmissivo, o canale trasmissivo, cioè il supporto (linea bifilare, cavo coassiale, fibra ottica, ponte radio ecc.) su cui viaggia l informazione opportunamente convertita dal trasmettitore; il ricevitore, la cui funzione è quella di ricevere il segnale trasmesso e riconvertirlo nella sua forma originale, così come generato dalla sorgente; la destinazione, cioè l entità cui è destinato il messaggio. 3.1 Sorgenti informative Le sorgenti informative sono entità che generano informazioni che possono essere discrete, se costituite da una serie di simboli emessi in corrispondenza di prefissati intervalli temporali, oppure continue (o analogiche), se rappresentano una funzione continua nel tempo. Per esempio, un apparecchio telefonico genera un informazione di tipo analogico, costituita da un segnale elettrico che varia nel tempo con continuità, mentre un personal computer genera un segnale di tipo numerico, cioè formato da una serie di impulsi opportunamente codificati (è proprio nella codifica che risiede l informazione). Anche la trasmissione, cioè il trasporto dell informazione al destinatario, può essere effettuata con sistemi sia analogici sia numerici. 6

13 CONCETTI FONDAMENTALI UNITÀ 1 In Inglese bit (binary digit) cifra binaria Nel caso di una trasmissione analogica il segnale informativo riproduce fedelmente l informazione, così come generata dalla sorgente, mentre in una trasmissione numerica l informazione viene codificata, cioè trasformata in una sequenza di impulsi corrispondenti a ben precisi intervalli temporali. Nel caso più comune, un segnale numerico assume solo due livelli ai quali può essere associata una cifra binaria, denominata bit (abbreviazione dall inglese di binary digit), che assume i valori 1 e 0. Mediante un bit è quindi possibile rappresentare due distinti stati chiamati Mark (1) e Space (0), entrambi di uguale durata T c (intervallo di cifra). 3.2 Rappresentazione dei segnali Qualsiasi segnale, numerico o analogico, può essere rappresentato nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Nel dominio del tempo un segnale viene rappresentato mediante un grafico cartesiano, denominato forma d onda, il quale riporta i valori istantanei s(t) che il segnale assume in funzione del tempo. Nella figura 3 è riportato un esempio di rappresentazione nel dominio del tempo di un segnale analogico (fig. 3a) e di un segnale numerico binario (fig. 3b). s(t) T s(t) FIGURA 3 Segnale analogico (a), segnale numerico binario (b). a) t b) 0 1 t Il segnale analogico rappresentato nella figura 3a è particolare in quanto, a intervalli di tempo regolari di durata T, ricomincia a variare con le stesse modalità, cioè si ha: s(t) s(t T) s(t 2T) s(t 3T) s(t nt) [1] In questo caso il segnale è detto segnale periodico e l intervallo temporale T prende il nome di periodo del segnale, la cui unità di misura è il secondo (s). L inverso del periodo definisce la frequenza, cioè: f 1 [2] T e si misura in hertz (Hz). La grandezza: ω 2πf [3] costituisce la pulsazione del segnale (o frequenza angolare) e si misura in radianti al secondo (rad/s). Un segnale numerico binario (fig. 3b) è invece caratterizzato dalla frequenza di cifra (F c ), definita come il numero di cifre binarie nell unità di tempo (bit/s); se T c è l intervallo di cifra, la frequenza di cifra F c risulta: Fc 1 T c [4] 7

14 MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE Lo studio nel dominio della frequenza consiste, invece, nel rappresentare in un grafico, denominato spettro, i valori istantanei s(f) che il segnale assume in funzione della frequenza. Nella figura 4 è riportato un esempio di rappresentazione nel dominio della frequenza: si noti come lo spettro sia delimitato da due frequenze, indicate con f M e f m, che rappresentano rispettivamente la massima e la minima frequenza del segnale. s(f) FIGURA 4 Rappresentazione di un segnale nel dominio della frequenza (spettro). f m f M f In Inglese band width larghezza di banda L intervallo: B f M f m [5] è detto larghezza di banda o semplicemente banda del segnale. Le rappresentazioni nel dominio del tempo e della frequenza sono strettamente connesse tra loro, al punto che è possibile ricavare la composizione spettrale di un segnale, nota la sua forma d onda e viceversa. L operazione che consente di passare da un dominio all altro è lo sviluppo in serie di Fourier, secondo il quale ogni segnale periodico può essere scomposto nella somma di un determinato numero di segnali sinusoidali, denominati armoniche, e di un eventuale termine costante che ne rappresenta il valore medio. Ogni armonica viene rappresentata con un segmento (riga) di lunghezza proporzionale alla sua ampiezza in corrispondenza del proprio valore di frequenza: l insieme delle righe costituisce lo spettro del segnale, il quale è quindi costituito da tante righe quante sono le armoniche che lo compongono. Un segnale sinusoidale ha dunque uno spettro composto da una sola riga (essendo caratterizzato da una sola frequenza). Quanto sopra detto sarà ripreso e trattato in maniera più approfondita nell Unità 1 del Volume 2. Nella figura 5 è mostrato un esempio di segnale costituito solo dalle prime due armoniche, rappresentato sia nel dominio del tempo sia in quello della frequenza in un grafico tridimensionale. (Analizzatore di spettro) Ampiezza (Oscilloscopio) FIGURA 5 Rappresentazione nel dominio del tempo e della frequenza di un segnale periodico composto da due armoniche. Frequenza Tempo 8

15 CONCETTI FONDAMENTALI UNITÀ 1 PER APPROFONDIRE Un segnale continuo estremamente importante nella pratica è il segnale sinusoidale (fig. 6), costituito da una pura oscillazione armonica la cui espressione matematica è: s(t) A M sen ωt dove A M rappresenta l ampiezza o valore massimo e ω la pulsazione. y s(t) A FIGURA 6 Segnale sinusoidale ottenuto dalla proiezione, sull asse delle ordinate, di un segmento ruotante con velocità angolare ω. AM sen θ O ω θ t = 0 x O A M T t Dalla figura 6 si può osservare che, considerato un sistema di assi coordinati xy, i valori istantanei del segnale possono essere ottenuti proiettando sull asse y il segmento AO di lunghezza pari ad A M, ruotante in senso antiorario con velocità angolare uguale alla pulsazione ω. Infatti, se per t 0 il segmento si trova sull asse x, in corrispondenza di un generico istante t ha descritto un angolo θ ωt, la cui proiezione sull asse delle ordinate vale: s(t) A M sen θ A M sen ωt Nel caso in cui, nell istante t 0, il segmento formi un angolo φ con l asse x (fig. 7), la sua proiezione sull asse delle ordinate è: s(t) A M sen (ωt φ) dalla quale si può osservare che nell argomento del seno compare l angolo φ, e quindi per t 0 il segnale assume un valore non più nullo, corrispondente al segmento OZ intercettato sull asse delle ordinate. L angolo φ viene denominato angolo di fase o più semplicemente fase del segnale sinusoidale. y s(t) FIGURA 7 Segnale sinusoidale avente fase non nulla, ottenuto dalla proiezione, sull asse delle ordinate, di un segmento ruotante con velocità angolare ω. O ω A ωt φ t = 0 x A M sen φ O' Z O φ ω A M T t Anche in questo caso i valori istantanei assunti dal segnale possono essere ottenuti proiettando sull asse y un segmento di ampiezza A M ruotante in senso antiorario con velocità angolare ω; per t 0 tale segmento però non si trova più sull asse x, ma forma con quest ultimo un angolo φ. Il segmento O O rappresenta l intervallo di tempo, frazione del periodo T, necessario affinché il segnale si porti dal valore nullo (punto O ) al valore che deve avere nell istante iniziale t 0 (punto O). Da quanto detto si evince che un segnale sinusoidale è completamente definito quando sono noti tre parametri: l ampiezza A M (valore massimo), la pulsazione ω (oppure la frequenza f o il periodo T) e 9

16 MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE la fase φ. Allo scopo di semplificare la trattazione matematica, anziché con un segmento conviene rappresentare il segnale con un vettore, denominato fasore, ruotante con velocità angolare ω in senso antiorario, avente modulo uguale all ampiezza del segnale e formante con l asse orizzontale x un angolo che ne rappresenta la fase nell istante t 0. Un vettore può essere infatti rappresentato in un sistema di assi coordinati ortogonali, di cui quello orizzontale è graduato in unità reali (1, 2, 3, n) e per tale motivo viene denominato asse reale (indicato con 1 anziché con x), mentre quello verticale in unità immaginarie j1, j2, j3, jn, e per tale ragione viene denominato asse immaginario (indicato con j anziché con y). In questo sistema di riferimento un vettore v è univocamente determinato dall espressione: v v 1 jv 2 essendo v 1 e v 2 rispettivamente le componenti reale e immaginaria (fig. 8). +j Il vettore v, definito dall espressione v 1 jv 2, prende il nome di numero complesso in forma binomia; il modulo vale (fig. 8): FIGURA 8 Rappresentazione in forma complessa di un vettore. v 2 2 v v 1 φ v 1 +1 v A v v Mentre la fase φ vale: v φ arctg v È importante notare che le quantità v 1 e v 2 sono grandezze reali e che il simbolo j è per definizione la radice quadrata dell unità negativa, cioè: M j 1 L operatore j è denominato unità immaginaria e gode della proprietà di trasformare in un numero immaginario un qualsiasi numero reale (sia positivo sia negativo) al quale è preposto; questo significa che un numero reale k si trova sull asse reale, mentre se scritto come jk diventa una quantità immaginaria e quindi si trova sull asse immaginario. Poiché k può essere considerato come un vettore, di ampiezza pari a k e fase nulla (cioè giacente sull asse reale), il simbolo j può essere interpretato come un operatore che ha la proprietà di far ruotare il vettore al quale è applicato di π/2 in senso antiorario. Inoltre, elevando al quadrato l unità immaginaria si ottiene: j 2 j j 1 il cui effetto è quindi quello di far ruotare di π (cioè due volte π/2) in senso antiorario il vettore cui è applicato (essendo il vettore 1 giacente sulla parte negativa dell asse reale). Dalla figura 8 si deduce che le componenti v 1 e jv 2 valgono: v 1 v cos φ A M cos φ L espressione del vettore v quindi diventa: jv 2 j v sen φ ja M sen φ v v 1 jv 2 A M cos φ ja M sen φ A M (cos φ jsen φ) che è detta forma trigonometrica del numero complesso v. Ricordando la formula di Eulero: e jφ cos φ jsen φ l espressione precedente si può così riscrivere: v A M (cos φ jsen φ) A M e jφ la quale costituisce la forma esponenziale del numero complesso. In definitiva, si può quindi affermare che un segnale sinusoidale del tipo v(t) A M sen (ωt φ) può essere rappresentato analiticamente dall espressione: j(ω t φ) v A M e 10

17 CONCETTI FONDAMENTALI UNITÀ Trasmettitore e ricevitore In Inglese transmitter trasmettitore In Inglese transducer trasduttore Il blocco successivo alla sorgente di informazioni è il trasmettitore, la cui funzione è quella di convertire l informazione emessa dalla sorgente in un segnale elettrico compatibile con le caratteristiche del mezzo trasmissivo. La conversione in segnale elettrico viene eseguita mediante un apparato, denominato trasduttore, che è parte integrante del trasmettitore. A seconda del tipo di informazione da convertire, anche i trasduttori si dividono in numerici e analogici; esempi di trasduttori numerici sono i tasti Morse impiegati nella trasmissione telegrafica e i terminali per la trasmissione dati, mentre trasduttori analogici sono il microfono e i sensori di pressione e di temperatura. Il segnale s(t), così come generato dal trasduttore, non è idoneo a essere trasmesso in quanto le proprie caratteristiche sono in genere incompatibili con quelle del mezzo trasmissivo. È quindi necessario sottoporre s(t) a processi di elaborazione che lo trasformino in un nuovo segnale S(t) avente lo stesso contenuto informativo, ma compatibile con il mezzo trasmissivo. Se a seguito di tale elaborazione lo spettro di S(t) risulta traslato su frequenze più elevate rispetto a quello di s(t), la trasmissione è detta in banda traslata, mentre se la sua allocazione non subisce modifiche è detta in banda base. Il segnale S(t) così ottenuto, previa opportuna amplificazione, viene inviato attraverso il mezzo trasmissivo al destinatario, il quale, affinché possa interpretare correttamente e quindi utilizzare l informazione in esso contenuta, deve effettuarne l estrazione e la riconversione nella sua forma originaria. A tale operazione provvede il trasduttore del ricevitore il quale, affinché l informazione sia ricostruita così come generata dalla sorgente, deve presentare caratteristiche complementari a quelle del trasduttore in trasmissione. Storicamente la trasmissione in banda base (della quale nella figura 9 è riportato lo schema di principio) si può far risalire alla nascita della telefonia, quando su un cavo in rame (il classico doppino) veniva trasmesso il segnale fonico di un solo utente. Sorgente Trasduttore Mezzo trasmissivo Trasduttore Destinazione FIGURA 9 Trasmettitore Ricevitore Poiché la banda di un doppino è molto più estesa di quella necessaria per una comunicazione fonica, ben presto si iniziò a pensare di sfruttare la banda non utilizzata per convogliarvi contemporaneamente più comunicazioni telefoniche; nacquero così i sistemi telefonici di trasmissione analogica multicanale, tramite i quali fu possibile trasmettere contemporaneamente più segnali fonici sullo stesso mezzo trasmissivo, mentre la trasmissione in banda base era progressivamente abbandonata per i collegamenti a lunga distanza, rimanendo solo nella telefonia urbana, cioè nei collegamenti tra l utente e la relativa centrale. La trasmissione multicanale rappresenta un esempio di trasmissione in banda traslata: se le bande vocali (o frequenze vocali) corrispondenti a più conversazioni vengono traslate verso bande a frequenza più elevata, in modo tale che i relativi spettri si dispongano l uno accanto all altro senza sovrapporsi, sullo stesso mezzo trasmissivo possono essere trasmesse contemporaneamente più conversazioni senza che queste interferiscano tra loro. 11

18 MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE FIGURA 10 Schema di principio della trasmissione analogica FDM: S e D costituiscono rispettivamente le sorgenti informative e i destinatari, mentre gli apparecchi telefonici i trasduttori (acustico-elettrici in trasmissione ed elettroacustici in ricezione); ogni banda vocale B viene traslata dal relativo modulatore (MOD) nelle bande a frequenza più alte B 1, B 2 e B 3 in modo che i relativi spettri si dispongano l uno accanto all altro senza sovrapporsi; in ricezione tramite i filtri passa banda B 1, B 2 e B 3 è possibile separare le bande di frequenza relative alle tre comunicazioni le quali, mediante i relativi demodulatori (DEM), vengono riportate nella posizione originaria. All estremità ricevente, impiegando opportuni filtri, è possibile separare le bande di frequenza relative alle varie comunicazioni, e tramite particolari circuiti che eseguono l operazione inversa della traslazione, ciascuna banda può essere riportata nella sua posizione originale. Il processo mediante il quale viene effettuata la traslazione in frequenza delle varie bande vocali prende il nome di modulazione e gli apparati tramite i quali è realizzata sono denominati modulatori: con tale operazione, l informazione generata dalla sorgente e convertita nel segnale elettrico s(t) (detto modulante) viene trasferita a un segnale a frequenza più elevata, dando luogo a un nuovo segnale S(t) (detto segnale modulato) che ha lo stesso contenuto informativo del modulante, ma caratteristiche compatibili con quelle del mezzo trasmissivo. L operazione inversa della modulazione, mediante la quale è possibile riottenere dal segnale modulato il segnale modulante originario, è detta demodulazione e gli apparati tramite i quali è realizzata sono detti demodulatori. Proprio per evidenziare che la trasmissione analogica multicanale consiste nel suddividere l intera banda del mezzo trasmissivo in più sottobande da assegnare a bande vocali, essa viene denominata trasmissione a divisione di frequenza (FDM, Frequency Division Multiplexing), della quale nella figura 10 è mostrato lo schema di principio per tre comunicazioni contemporanee. Attualmente l FDM è stata quasi completamente abbandonata in quanto sostituita dalle moderne trasmissioni numeriche, di cui saranno successivamente descritti i principi e le tecniche realizzative. Tuttavia, anche se superata, l FDM costituisce un valido supporto didattico, utile per comprendere il principio di funzionamento di un sistema in banda traslata. B B 1 B S 1 MOD 1 DEM 1 D 1 B 1 S 2 B MOD 2 B 2 Mezzo trasmissivo DEM 2 B D 2 B 2 B B 3 B 1 B 2 B 3 B S 3 MOD 3 DEM 3 D 3 B 3 Nella figura 11 è riportato lo schema di principio di un sistema televisivo: si tratta di una trasmissione in banda traslata in cui la sorgente informativa è costituita dalla scena da riprendere, mentre il trasmettitore comprende una telecamera, cioè un trasduttore che trasforma l immagine in un segnale elettrico s(t), un circuito modulatore (MOD) tramite il quale s(t) è trasformato in un segnale S(t) in alta frequenza compatibile con le caratteristiche del mezzo trasmissivo (in tal caso lo spazio) e un antenna trasmittente mediante la quale S(t) viene irradiato. Il ricevitore, complementare al trasmettitore, comprende la parte ricevente vera e propria, formata da un antenna con i relativi stadi di amplificazione, il demodulatore (DEM) che effettua l operazione inversa al modulatore fornendo in uscita il segnale originale s(t) e il trasduttore costituito da un apparecchio televisivo (TV), che compie l operazione inversa del trasduttore in trasmissione, trasformando il segnale elettrico nella corrispondente immagine. 12

19 CONCETTI FONDAMENTALI UNITÀ 1 Scena da riprendere Telecamera Spazio (mezzo trasmissivo) TV MOD. DEM. Sorgente Trasmettitore Ricevitore FIGURA 11 FIGURA 12 Con la diffusione del computer si è presentata la necessità di collegare tra loro terminali dislocati nelle parti più remote del pianeta e subito si è intuito che ciò poteva essere facilmente realizzato tramite la rete telefonica, data la sua distribuzione capillare. La rete telefonica era stata tuttavia concepita per trasportare segnali vocali (cioè analogici) e pertanto non poteva trasmettere direttamente quelli numerici generati dai computer; per questo motivo nacque l esigenza di sviluppare adattatori idonei a trasformare i segnali numerici in analogici, in modo da poter essere trasmessi su un normale circuito telefonico, e cioè i modem (da modulator/demodulator). Il primo modem, realizzato da AT&T, fu il Bell 103, che funzionava a una velocità di 300 bit/s, incredibilmente lenta se confrontata con gli standard attuali, ma sufficientemente veloce per i terminali a bassa velocità di allora. Attualmente, gli sviluppi della tecnologia consentono di raggiungere velocità fino a bit/s, 192 volte maggiore del modem Bell 103 originale. A parte la velocità di trasmissione, i modem hanno caratteristiche comuni; infatti, dovendo connettere terminali digitali alla rete telefonica, sono muniti di interfaccia standard digitale per la trasmissione dati RS-232 (che prenderemo approfonditamente in esame nella parte riservata alla trasmissione dati del Volume 2) e interfaccia RJ-11 per la linea telefonica (la spina telefonica a quattro fili). Nella figura 12 è rappresentato uno schema generale di un sistema di telecomunicazioni tra due computer connessi a due modem. La sorgente informativa, costituita da un computer, è collegata al proprio modem (che svolge la funzione di trasmettitore) mediante un interfaccia RS-232. Il modem converte gli impulsi numerici generati dal computer in un segnale analogico che attraverso l RJ-11 viene inviato nella linea telefonica. Il modem ricevente riconverte il segnale analogico ricevuto dall RJ-11 in impulsi digitali e attraverso l RS-232 li invia al computer destinatario. Modem Rete telefonica Modem Sorgente Destinatario 13

20 MODULO 1 INTRODUZIONE AI SISTEMI DI TRASMISSIONE In Inglese noise rumore 4 Degradazione del segnale trasmesso Qualunque sia la tipologia della trasmissione, in banda base o traslata, numerica o continua, il segnale inviato attraverso il mezzo trasmissivo non giunge a destinazione così come è stato trasmesso ma, nel corso della trasmissione, subisce una degradazione che, se supera certi limiti, lo rende incomprensibile e quindi inutilizzabile. Gli elementi che contribuiscono a determinare tale degradazione sono diversi, ma raggruppabili nelle seguenti due categorie: rumore; distorsione. La prima categoria è costituita da segnali spuri privi di qualsiasi contenuto informativo e variabili in maniera casuale, come il rumore termico generato dall agitazione termica degli elettroni all interno di un conduttore, le interferenze prodotte da altri apparati, il rumore atmosferico. Le seconda categoria comprende invece tutte quelle cause di degrado dovute alla natura degli apparati che costituiscono il sistema di telecomunicazioni, come: il mezzo trasmissivo, che per sua natura ha una caratteristica filtrante e quindi limita lo spettro di s(t) attenuando, in maniera anche notevole, alcune componenti del segnale a frequenza più elevata (distorsione di ampiezza); il comportamento non perfettamente lineare degli apparati, i quali, generando segnali indesiderati, alterano lo spettro di s(t) (distorsione armonica). Conseguenza di tutto ciò è un peggioramento della qualità del segnale s(t) ricevuto qualunque sia la sua natura, analogica o numerica. In pratica, l aspetto importante in un certo punto del sistema non sono tanto i livelli dei segnali utili o dei disturbi, ma il rapporto esistente tra essi, ovvero il rapporto segnale/rumore S/N, definito come il rapporto tra la potenza del segnale utile (S) e la potenza del rumore (N) calcolate nello stesso punto: S N potenza del segnale utile potenza disponibile di rumore L obiettivo fondamentale in un sistema di telecomunicazioni è quello di ottenere all uscita del ricevitore un rapporto segnale/rumore più elevato possibile, in modo tale da fornire un segnale di alta qualità. L effetto della degradazione del segnale s(t) è irreversibile per un segnale analogico mentre può non esserlo per uno numerico. Infatti, mentre nel primo caso ogni piccolo scostamento dall informazione originaria costituisce un degradamento qualitativo, nel secondo caso, poiché l informazione è contenuta in una combinazione di codici ben precisa, anche se esso giunge in ricezione degradato, sino a quando tale combinazione è riconoscibile il contenuto informativo del segnale trasmesso resta invariato. Pertanto distorsioni e disturbi non incidono linearmente sulla qualità di una trasmissione numerica, come avviene per quella analogica. Per questo, negli ultimi anni sono stati esclusivamente realizzati sistemi di telecomunicazioni numerici (sia per piccole sia per grandi distanze) tanto che quelli analogici sono quasi scomparsi, anche se molte delle sorgenti di informazione sono di natura analogica (telefonia, musica). A tale proposito, dovendo trasportare informazioni analogiche mediante sistemi di trasmissione numerici, sono state sviluppate tecniche che consentono la numerizzazione dei segnali analogici e il relativo processo inverso. 14