LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA

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1 LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA GENERALITA Le linee in rame usate in telefonia sono essenzialmente i tre tipi Aeree In cavo simmetriche In cavo coassiale La linea è costituita a una coppia i conuttori LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 1

2 LINEE AEREE Conuttori nui Bronzo telefonico Miscela rame-camio Rame uro Rame trafilato a freo Acciaio Copperwel Anima acciaio ricoperta i rame Diametro a a 5mm Distanziati a 0 a 40cm Sospesi per mezzo i isolatori Sostenuti a palificazioni Impiegate nei collegamenti rurali LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 3 LINEE AEREE Disposizioni geometriche utilizzate in Italia Armamento in quarato I conuttori sono isposti ai vertici i un quarato i lato 30cm in maniera tale che i fili che appartengono alla stessa linea si trovano istanziati ella iagonale Tipicamente ogni quarato permette i costituire ue circuiti reali e un circuito virtuale (alle basse frequenze) Armamento in piano I conuttori ello stesso circuito sono isposti sullo stesso piano I iversi circuiti sono opportunamente istanziati fra loro Non si costituiscono circuiti virtuali L armamento è aatto alle alte frequenze LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 4

3 LINEE AEREE Problema egli accoppiamenti elettromagnetici Metoo egli incroci Metoo ella rotazione Numero massimo i coppie sulla stessa palificazione tipicamente inferiore a 0 Per aumentare il numero ei collegamenti si utilizza la multiplazione Il numero i canali multiplabili su una coppia è limitato alla massima frequenza utilizzabile i 150kHz al i sopra ella quale il conuttore nuo si comporta a antenna Solitamente su ogni coppia si trasmettono 1 canali telefonici utilizzano la multiplazione FDM nella bana kHz LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 5 Resistenza longituinale o per unità i lunghezza R Grazie all elevato iametro ei conuttori si mantiene piuttosto bassa R = ρ s COSTANTI PRIMARIE DELLE LINEE AEREE 48.8 Ω = CC mm km Valori tipici el iametro vanno a a 3.6mm Effetto pelle al crescere ella frequenza A frequenze superiori a 10kHz R R = + mm La R ei circuiti virtuali è la metà i quella ei reali f mm khz Ω km Materiale Bronzo telefonico Copperwel 40% f(khz) LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA R R Bronzo telefonico 3mm

4 COSTANTI PRIMARIE DELLE LINEE AEREE Inuttanza longituinale o per unità i lunghezza L Sarà ovuta alla componente interna L i (trascurabile) e a quella esterna L L= kµ log D e Grazie alla notevole istanza fra i conuttori risulta essere molto elevata Tipicamente vale -3 mh/km I circuiti virtuali hanno valori i L pari a circa la metà i quelli reali Conuttanza per unità i lunghezza G Dovuta essenzialmente alla presenza egli isolatori Termine ovuto all isolamento Termine ovuto alle perite ielettriche proporzionale alla frequenza Dipene alle conizioni atmosferiche in particolare all umiità Capacità per unità i lunghezza C Si mantiene sostanzialmente bassa in ε C = k quanto i conuttori sono sufficientemente D istanti fra loro log LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 7 COSTANTI SECONDARIE DELLE LINEE AEREE Impeenza caratteristica A partire a qualche centinaio i Hz si può assumere che Per cui si ottiene l impeenza caratteristica R + jω L L zk = G+ j C C Reale Costante al variare ella frequenza Esseno nei circuiti virtuali LR LV risulta R << ωl G << ωc C V z C kv R z LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 8 kr ω 4

5 COSTANTI SECONDARIE DELLE LINEE AEREE Costante i propagazione R γ = ( R + jωl)( G + jωc) = jωl 1 + jωc 1 + jωl R G = jω LC jωl jωc ricorano che R << ωl G << ωc G = jωc x e che per x<<1 1+ x 1+ R G si trova trascurano gli γ jω LC = jωl jωc infinitesimi el orine R C G L = + + jω LC L C LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 9 COSTANTI SECONDARIE DELLE LINEE AEREE In efinitiva la costante i attenuazione varrà R α = C L G + L C G + z N k zk km Alle basse frequenze risulta essere molto bassa e quasi costante Alle alte frequenze intervengono effetto pellicolare e perite ielettriche che comportano una crescita i R e G con la frequenza Si possono consierare le seguenti moifiche per frequenze superiori a 10kHz La costante i fase ra β = ω LC km Da cui la velocità i fase e i gruppo = R R B = f khz z + D k mm km mm log Gz k 4 3 B = ( ) f khz km = V LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 10 1 LC p V f g = 5

6 COSTANTI SECONDARIE DELLE LINEE AEREE La seguente tabella illustra alcuni valori tipici elle costanti primarie e seconarie per una linea aerea con D=4.3cm e conuttori in lega i rame al variare el iametro egli stessi Alla frequenza i 800Hz LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 11 CARATTERISTICA ATTENUAZIONE- FREQUENZA PER UNA LINEA AEREA LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 1 6

7 CAVI A COPPIE SIMMETRICHE Conuttore i rame a elevata purezza Isolamento Carta e aria secca Materiali plastici (polietilene) Coratura ei conuttori A coppie Due fili vengono corati per formare una coppia Le varie coppie vengono corate fra loro A bicoppie DM (Dieselhorst-Martin) Si realizzano ue coppie con iverso passo i coratura Le ue coppie vengono corate assieme con un terzo passo i coratura formano una bicoppia Le bicoppie sono corate fra loro A quarte Quattro fili vengono corati in maniera che ognuno si trovi sempre al vertice i un quarato Ogni coppia è formata ai conuttori che si trovano sulla iagonale LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 13 COSTANTI PRIMARIE DELLE COPPIE SIMMETRICHE Resistenza longituinale o per R ρ unità i lunghezza R s Elevata a causa el piccolo iametro el conuttore Nel campo elle frequenze foniche si può assumere equivalente a quella misurata in continua All aumentare ella frequenza, a causa i iversi fattori Effetto pelle Effetto i prossimità D mm 0.4 R ohm/km 75 Perite per correnti parassite il valore cresce notevolmente in maniera proporzionale alla raice quarata ella frequenza Nei circuiti virtuali il valore ella resistenza si imezza = Effetto pellicolare LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 14 7

8 COSTANTI PRIMARIE DELLE COPPIE SIMMETRICHE Inuttanza longituinale o per unità i lunghezza L A causa ella vicinanza ei conuttori è piuttosto bassa Tipicamente vale mh/km I circuiti virtuali hanno valori i L pari a circa la metà i quelli reali Capacità per unità i lunghezza C Si hanno ue tipi i capacità verso tutti gli altri conuttori presenti nel cavo verso la guaina el cavo Conuttanza per unità i lunghezza G Trascurabile alle frequenze foniche Alle alte frequenze contributo proporzionale alla frequenza a causa elle perite nel ielettrico log D ε L= kµ C = k D log C (nf/km) Cavi a bicoppie DM Cavi a bicoppie a stella Circuito reale Circuito reale Cavi a coppie e a quarte (uso urbano) Cavi a quarte per alta frequenza Circuito virtuale Circuito virtuale LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA COSTANTI PRIMARIE DELLE COPPIE SIMMETRICHE Bassa frequenza (frequenze foniche Hz) Si può assumere che ω L< R G << ωc Impeenza caratteristica R+ jω L R zk = = a+ jb G+ jωc jωc R R a b + jab= = j jωc ωc a b = 0 a = b R 4 R R ab = 4a = a= b= ωc ω C ωc R R zk = j ωc ωc Moulo ipenente alla frequenza Fase costante pari a 45 LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 16 8

9 COSTANTI PRIMARIE DELLE COPPIE SIMMETRICHE Costante i propagazione = R + j L G+ j C j RC = + j Le costanti i attenuazione e i fase risultano essere numericamente uguali L anamento è proporzionale con la raice ella frequenza Si ha istorsione i fase ω ω V f = = β RC Velocità i fase ( )( ) γ ω ω ω α β α β ωrc β Velocità i gruppo, esseno ω = RC ω 4β 16ωRC ω Vg = = = = = V β RC R C RC LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 17 f COSTANTI PRIMARIE DELLE COPPIE SIMMETRICHE Alta frequenza (frequenze al i sopra ei 10kHz) Si può assumere che R < ωl G << ωc Impeenza caratteristica R + jω L L zk = G+ jωc C Reale e inipenente alla frequenza Costante i propagazione Ripeteno i calcoli fatti nel caso elle linee aeree si trova rispettivamente per la costante i attenuazione e i fase R C G L R G N ra α = + = p k β = ω LC L C zk km km L e C non variano con la frequenza R a causa ell effetto pellicolare è proporzionale alla raice ella frequenza α risulta proporzionale alla raice ella frequenza V f e V g costanti e pari a 1 V f = Vg = LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 18 + z LC 9

10 IMPEDENZA CARATTERISTICA AL VARIARE DELLA FREQUENZA (MODULO) LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 19 IMPEDENZA CARATTERISTICA AL VARIARE DELLA FREQUENZA (FASE) LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 0 10

11 ATTENUAZIONE IN BASSA FREQUENZA LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 1 ATTENUAZIONE IN ALTA FREQUENZA LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 11

12 CLASSIFICAZIONE DEI DOPPINI IN FUNZIONE DEL MATERIALE Classe 1 (CAT 1) Vecchio oppino telefonico stanar Rate 9600 bps per istanze i qualche km Classe (CAT ) Linee telefoniche i qualità migliore T1, ISDN e nuove linee stanar Rate Mbps Classe 3 (CAT 3) Reti locali Rate 10 Mbps fino a 100m Classe 4 (CAT 4) Reti locali Rate 0 Mbps fino a 100m Classe 5 (CAT 5) Reti locali Rate 100 Mbps fino a 100m LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 3 COPPIA COASSIALE Linee bifilari costituite a ue conuttori concentrici Conuttore interno cilinrico pieno Conuttore esterno cavo Generalmente i cavi sono in rame Nei cavi sottomarini e per la TV via cavo si usa l alluminio per il conuttore esterno I ue conuttori sono separati a un materiale ielettrico Ronelle i polietilene poste a intervalli regolari (l isolante è l aria) Tubo i polietilene avvolto a elica attorno al conuttore centrale Tubo i polietilene non pieno pinzato a istanze regolari sul conuttore centrale Tubo i polietilene con setti trasversali Polietilene espanso Polietilene pieno LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 4 1

13 COPPIA COASSIALE Vengono iniviuati con le misure el iametro el conuttore interno e el iametro interno el conuttore esterno Coassiale.6/9.5 mm Solitamente l isolamento è a ronelle Coassialino D 1./4.4 mm Microcoassiale 0.7/.9 mm Solitamente l isolamento è i polietilene espanso o tubo i polietilene non pieno pinzato a istanze regolari sul conuttore centrale LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 5 COPPIA COASSIALE Linee i forza el moo fonamentale TEM A frequenze alte il campo risulta racchiuso all interno el cavo Non si hanno interferenze verso l esterno o all esterno La schermatura alle basse frequenze viene aumentata utilizzano ei nastri i acciaio avvolti attorno al conuttore esterno LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 6 13

14 COSTANTI PRIMARIE PER LA COPPIA COASSIALE Resistenza longituinale o per unità i lunghezza R Somma elle resistenze chilometriche ei ue conuttori A frequenze elevate si verificano sia l effetto pelle che quello prossimità Sarà δ la sezione i filo interessata δ = ρ è la resistività ei conuttori µ c è la permeabilità magnetica ei conuttori (circa uguale a quella el vuoto) f è la frequenza ρ πµ ρ ρ ρ 1 1 πµ f R = = 10 πdmmδ πmmδ π + Dmm mm ρ ρµ c f Ω R = 10 π + Dmm mm km 3 3 c 3 LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 7 c f δ COSTANTI PRIMARIE PER LA COPPIA COASSIALE Inuttanza longituinale o per unità i lunghezza L Componente esterna L e µ D L ln costante e = π ovuta al flusso compreso nello spazio fra i ue conuttori Componente interna L i 1 µρ Inversamente proporzionale c 1 1 Li = 10 alla raice ella frequenza π ω + Dmm mm Dovuta al flusso interno ai conuttori µ D 1 µ cρ H L = ln + 10 π π ω + Dmm mm km Conuttanza per unità i lunghezza G Molto bassa grazie all impiego el polietilene Proporzionale alla frequenza 3 LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 8 14

15 COSTANTI PRIMARIE PER LA COPPIA COASSIALE Capacità per unità i lunghezza C Si calcola a partire alla relazione (conensatore cilinrico) πε0εr F C = ln km D ove ε 0 è la costante ielettrica el vuoto ε r è la costante ielettrica relativa ell isolante Vale circa 1 quano l isolante è l aria Vale circa.3 quano l isolante è il polietilene pieno Valori intermei negli altri casi LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 9 COSTANTI SECONDARIE PER LA COPPIA COASSIALE Le coppie coassiali si utilizzano per frequenze al i sopra ei 60kHz In tale situazione risulta R << ωl G << ωc quini per la costante i propagazione si trova R C G L R C α + β ω LC L C L L i è praticamente nulla, quini L è costante con la frequenza C può consierarsi costante con la frequenza R è proporzionale alla raice ella frequenza α avrà un anamento parabolico in funzione i f β avrà un anamento proporzionale a f LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 30 15

16 COSTANTE DI ATTENUAZIONE PER LA COPPIA COASSIALE Analizzano il valore che assume la costante i attenuazione mm Dmm 3 Np α = πε0ε r ρ f 10 ln km D si euce che si ha un minimo per il rapporto D/=3.59 α LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 31 COSTANTE DI ATTENUAZIONE PER LA COPPIA COASSIALE Relazioni approssimate per il calcolo i α in funzione i f Coassiale α.35 fmhz fmhz Coassialino α 5.30 fmhz fmhz Microcoassiale α 8.90 fmhz LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 3 16

17 COSTANTE DI FASE PER LA COPPIA COASSIALE Il valore ella costante i fase sarà β ω LC = ω LC = ω ε ε µ 0 r E quini la velocità i fase e i gruppo risultano essere costanti con la frequenza V f = V = g 1 ε εµ 0 r non si ha quini istorsione LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 33 IMPEDENZA CARATTERISTICA PER LA COPPIA COASSIALE Sempre consierano che risultano verificate le conizioni z k R << ωl G << ωc R + jω L L 1 µ D = = ln G+ jωc C π ε ε l unica granezza variabile è la costante ielettrica relativa a secona el tipo i isolamento fra i ue conuttori Per ε r prossima a 1 si trova z k =75ohm Valore tipico per i cavi comunemente usati in telefonia Per ε r prossima a.3 si trova z k =50ohm Valore tipico per i cavi sottomarini Nel caso el coassialino (che utilizza il polietilene pieno) è stato raggiunto il valore i 75ohm per l impeenza caratteristica aumentano il rapporto D/ LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 34 0 r 17

18 EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE CARATTERISTICHE DELLA LINEA Il parametro più influenzato è la resistenza chilometrica R Variazioni i temperatura a cui la linea è soggetta Cavi aerei Seguono le variazioni i temperatura ambientale che si hanno nell arco ella giornata Irraggiamento Variazioni i temperatura molto ampie e rapie Cavi interrati La temperatura ella guaina e ei conuttori coincie con quella el terreno circostante La temperatura el terreno ipene a quella ella superficie che subisce variazioni perioiche e aperioiche Le variazioni si propagano per conuzione subeno una iminuzione ampiezza e un ritaro Cavi sottomarini Praticamente isotermi LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 35 EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE CARATTERISTICHE DELLA LINEA Cavi interrati t = t e z π z kt 0 Profonità i interramento 70cm Le oscillazioni giornaliere sono riotte al meno ell 1% Quelle annuali sono riotte solamente al 70-80% - Lo sfasamento è i circa 15 giorni Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre z LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 36 18

19 EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE CARATTERISTICHE DELLA LINEA La resistività i un conuttore ipene alla temperatura secono la relazione ρ() t = ρ (1 + εt) ove ρ 0 è la resistività a 0 C e ε è una costante che ipene al materiale (4% per il rame) A bassa frequenza si può assumere L R = ρ s e quini L R() t = ρ0(1 + εt) = R0(1 + εt) s A alta frequenza sarà (con k ipenente al materiale) R() t = k ρ() t f = k ρ0(1 + εt) f = R0( f) 1 + εt R0( f) 1+ t LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 37 0 ε EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE COPPIE SIMMETRICHE Bassa frequenza ωrc ωr (1 + εt) C ωr C εt = = 1+ t = α ε α0 ωrc ωr (1 + εt) C ωr C εt = = 1+ = β εt β0 R R R (1 + εt) R (1 + εt) z k j j ωc ωc ωc ωc 0 0 = = R0 R 0 εt = 1+ εt j = zk0 1+ εt = zk0 1+ ωc ωc Si ha una variazione el % per C i tutte le granezze LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 38 19

20 Alta frequenza EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLE COPPIE SIMMETRICHE α R ε 1 t + 1 L L 0 R C C εt α = = 0 + Le altre granezze non ipenono a R Si ha quini una variazione el % al C solo per l attenuazione LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 39 EFFETTO DELLA TEMPERATURA Linee aeree in bassa frequenza R C R (1 + εt) C L L (1 t) 0 α = = α0 + ε Le altre granezze non ipenono a R Si ha quini una variazione el 4% al C solo per l attenuazione Linee coassiali Le linee sono usate solo in alta frequenza R ε 0 1 t R C + C εt α α 0 1 = = + L L Le altre granezze non ipenono a R Si ha quini una variazione el % al C solo per l attenuazione LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 40 0

21 EFFETTO DELLA TEMPERATURA Ulteriori consierazioni sulla posa ei cavi I cavi vengono normalmente passati interrati lungo le autostrae per essere facilmente accessibili In corrisponenza ei viaotti i cavi vengono opportunamente isposti su canalette poste ai bori ella straa Si ha un aumento el problema causato alla variazione i temperatura per effetto ell irraggiamento La posa ei cavi sul fono marino avviene con elle navi speciali che li posano sul fono marino In prossimità ella costa i cavi vengono inseriti all interno i trincee opportunamente scavate Essenzialmente per evitare che vengano anneggiati alla pesca a strascico LINEE IN RAME USATE IN TELEFONIA 41 1