CANALI TRASMISSIVI E ANTENNE. 1 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Transcript

1 CANALI TRASMISSIVI E ANTENNE 1 Fondamenti Segnali e Trasmissione

2 Accesso multiplo a canale comune Tx 1 Rx 1 Tx 2 canale comune Rx 2 Tx 3 c Rx 3 trasmissioni radio: lo spazio è evidentemente un canale unico, in cui occorre ar coesistere una molteplicità di comunicazioni diverse. organizzazione eiciente dei mezzi di comunicazione: una grossa dorsale teleonica a larga banda al posto di un numero enorme di canali a banda stretta. PROLEMA E possibile trasmettere contemporaneamente su un unico canale a banda larga c, n comunicazioni di banda? Sì è possibile, a patto che c = n. 2 Fondamenti Segnali e Trasmissione

3 Accesso Multiplo a Divisione di Frequenza (FDMA) Tx 1 S 1 () mod 1 c =3 S 1 () S() demod 1 Rx 1 S 2 () Tx 2 mod canale comune S 2 () demod 2 Rx 2 Tx 3 S 3 () mod 3 S 3 () demod 3 Rx 3 radio analogica AM e FM standard europeo di teleonia radiomobile digitale GSM, in combinazione con TDMA (vedi oltre) 3 Fondamenti Segnali e Trasmissione

4 Accesso Multiplo a Divisione di Tempo (TDMA) s 1 (t) R b =1/T b Tx 1 sul canale 3R b => c =3 s 1 (t) Rx 1 s 2 (t) R b =1/T b Tx 2 Tx 3 s 3 (t) R b =1/T b canale comune s(t) T b s 2 (t) s 3 (t) Rx 2 Rx 3 rete di teleonia issa standard europeo di teleonia radiomobile digitale GSM, in combinazione con FDMA 4 Fondamenti Segnali e Trasmissione

5 Accesso Multiplo a Divisione di Codice (CDMA) Ogni comunicazione viene marcata con uno tra n codici, cioè n-ple c i { +1, 1} elementi tali che T n c b c b = 0 (ortogonalità), mentre c / n = 1 = i= 1 i i c = ( c c L ) 1 c T 2 c n di +1,-1 Tx1 R 2R mod s(t) demod {0,2}, {-2,0} +1,-1 Rx1 b={+1,+1} canale comune b T /2 +1,+1 Tx2 R 2R mod 2R b => c =2 demod {0,2}, {-2,0} +1,+1 Rx2 c={-1,+1} c T /2 standard europeo di teleonia radiomobile digitale di terza generazione UMTS (in combinazione con TDMA) standard nord-americano di teleonia radiomobile digitale 5 Fondamenti Segnali e Trasmissione

6 Mezzi trasmissivi s(t) r(t) trasm. mezzo trasmissivo ricev. Nei Nei sistemi di di comunicazione, normalmente, il il mezzo trasmissivo è caratterizzato dalla propagazione di di onde elettromagnetiche. Tale Tale propagazione può può avvenire: nello spazio libero: canale radio guidata da da conduttori metallici: cavi cavi coassiali e biilari (intrecciati e non) guidata da da strutture dielettriche: ibre ottiche 6 Fondamenti Segnali e Trasmissione

7 Canale trasmissivo ideale trasm. s(t) canale trasmissivo r(t) ricev. R( ) = K e r( t) = K s( t τ ) j 2πτ H ( ) = K e S( ) = H ( ) S( j 2πτ (nella banda occupata dal segnale) ) 1 H ( K ) Normalmente K < 1, 1, γ γ =1/K =1/K > 1 è chiamato attenuazione [d] [d] π arg [ H ( )] P r dw = P t dw γ A volte sono assegnate attenuazione speciica α [d/km] e lunghezza del collegamento l [km]. In tal caso l attenuazione γ = α l [d] d 7 Fondamenti Segnali e Trasmissione π

8 Canale trasmissivo passa-basso ideale trasm. s(t) canale trasmissivo r(t) ricev. 1 H ( ) K - Funzione di di traserimento H() di di un un canale trasmissivo passa-basso ideale (con banda ): H ( ) = K ase lineare per H ( ) arbitraria altrove 8 Fondamenti Segnali e Trasmissione

9 Canale trasmissivo passa-banda ideale trasm. s(t) canale trasmissivo r(t) ricev. 1 K H ( ) 0-0 Funzione di di traserimento H() di di un un canale trasmissivo passa-banda ideale (con banda ): H ( ) = K ase lineare per ( / 2) ( / 2) (solitamente << 00 )) H ( ) arbitraria altrove 9 Fondamenti Segnali e Trasmissione

10 Propagazione in spazio libero Onde elettromagnetiche (OEM) irradiate L irradiazione nello spazio, la successiva propagazione ed inine la ricezione delle OEM dipendono: dalla requenza utilizzata dall ambiente in cui le OEM si propagano dal tipo di servizio richiesto La propagazione studia la trasmissione delle onde radio nel mondo isico reale. Si ricordi il legame tra requenza, lunghezza d onda λ, e velocità della luce c λ λ = c km 300 km 300 m 1Hz 1kHz 1MHz 30 cm 1GHz 10 Fondamenti Segnali e Trasmissione

11 Propagazione in spazio libero e guidata Trasmissione a distanza dell inormazione: OEM guidate da una linea isica, costituita da uno o più conduttori (esempi: cavo coassiale, ibra ottica) Principali caratteristiche: possibilità solo di collegamenti punto a punto installazione costosa poco riconigurabile per altri collegamenti banda elevatissima (ibra ottica) OEM irradiate nello spazio e ricevute a distanza Principali caratteristiche: collegamenti sia punto a punto che di tipo diusivo installazione economica acilmente riconigurabile ridotta disponibilità di banda (eccezione: onde millimetriche) 11 Fondamenti Segnali e Trasmissione

12 Propagazione in spazio libero Tipo di servizio Servizio di diusione (broadcasting): televisivo, radioonico e di distribuzione di dati. Il servizio è disponibile contemporaneamente a molti utenti. Collegamenti punto a punto (link): collegano solo due punti e possono essere in cascata con altri collegamenti dello stesso tipo. Ambiente collegamenti terrestri, marittimi, aeronautici, via satellite o interplanetari. Tipo di terminale mobile o isso. 12 Fondamenti Segnali e Trasmissione

13 Propagazione in spazio libero Caso ideale Segnale irradiato: uniormemente in tutte le direzioni in spazio libero, cioè nel vuoto senza ostacoli o materiali che possano cambiare le caratteristiche di propagazione La densità di potenza (potenza per unità di supericie serica) a distanza R da un trasmettitore di potenza P t diminuisce con il quadrato della distanza R. P t 2 4π R 13 Fondamenti Segnali e Trasmissione

14 Propagazione in spazio libero Situazione reale Presenza di atmosera: disomogeneità nella densità e nella composizione Presenza di altri oggetti o materiali nelle immediate vicinanze o lungo il percorso di propagazione (ostacoli): suolo terrestre, superici acquatiche (laghi, mari, iumi) montagne, colline inrastrutture (ponti, viadotti, sottopassi e sovrappassi, ecc.) pioggia, neve, nebbia vegetazione Il mezzo trasmissivo si discosta, anche molto, dalla precedente situazione ideale. 14 Fondamenti Segnali e Trasmissione

15 Propagazione in spazio libero Le modalità di propagazione alle diverse requenze possono essere molto dierenti e pertanto ogni banda di requenza è in generale utilizzabile solo per alcuni tipi di servizio. Esempio 1: Diusione radioonica tradizionale Frequenze: qualche centinaio di khz (onde lunghe) attorno ad 1 MHz (onde medie) ino a 30 MHz (onde corte) Queste onde vengono rilesse sia dagli strati ionizzati dell atmosera (ionosera) sia dal suolo terrestre. Sruttando questa modalità possono percorrere grandissime distanze. 15 Fondamenti Segnali e Trasmissione

16 Esempio 2: Propagazione in spazio libero Nella gamma delle requenze VHF ed UHF (da 30 a 1000 MHz) si hanno servizi di diusione televisiva e radioonica in FM. Inoltre sono utilizzate alcune di queste requenze per il servizio radiomobile pubblico. Esempio 3: Le requenze maggiori di 1 GHz e ino a 50 GHz (dette anche microonde) passano attraverso l atmosera e pertanto sono utilizzate nelle trasmissioni via satellite. Inoltre grazie alla larga banda disponibile trovano numerose applicazioni nel campo terreste (sistemi radiomobili, ponti radio a microonde, radar, radionavigazione, ecc.) E necessario che l antenna trasmittente e quella ricevente siano in piena visibilità. A causa della curvatura terrestre, per aumentare la visibilità (e quindi la lunghezza del collegamento) è necessario aumentare l altezza delle antenne dal suolo. Nei sistemi in ponte radio attualmente in esercizio l altezza delle antenne è metri, con portate del collegamento di circa 50 km. 16 Fondamenti Segnali e Trasmissione

17 Antenne L antenna di trasmissione rende possibile l irraggiamento dei segnali nello spazio, mentre l antenna di ricezione capta le onde elettromagnetiche e le converte in segnali elettrici per il ricevitore. L irradiazione uniorme (o quasi) è possibile, ma spesso non desiderata. Nella pratica le antenne sono molto spesso direttive, cioè irradiano preeribilmente in certe direzioni o su determinati piani. Una descrizione sintetica del modo di irradiare di un antenna è data dal diagramma di radiazione, o dalla sua unzione di direttività (θ,ϕ) che dà il rapporto tra la densità di potenza irradiata nella direzione (θ,ϕ ) e quella irradiata in direzione di massima radiazione. 17 Fondamenti Segnali e Trasmissione

18 Antenne: guadagno e area eicace G = Guadagno dell antenna Rapporto ra densità di potenza irradiata nella direzione di massimo e quella che sarebbe irradiata (a pari potenza elettrica all ingresso dell antenna) da un radiatore isotropo (cioè non direttivo). Il guadagno ci dice di quanto aumenta la densità di potenza rispetto al caso di radiazione isotropa. Misura la capacità dell antenna di concentrare la potenza in una determinata direzione. A = Area eicace La potenza del segnale all uscita di un antenna ricevente è proporzionale alla densità di potenza di segnale che arriva dove è posta l antenna. Il coeiciente di proporzionalità è detto area eicace (o apertura) A dell antenna, e dipende dalle sue dimensioni isiche. Ad esempio per una antenna a parabola l area eicace è circa il 60-70% dell area geometrica: non tutta la potenza elettromagnetica incidente viene convertita in segnale utile a causa di perdite nell antenna; il rapporto tra area eicace e area geometrica è detto eicienza dell antenna. Vale la relazione tra A e G G = 4π A λ 2 18 Fondamenti Segnali e Trasmissione

19 Antenne: legame tra P r e P t Il guadagno G è il rapporto ra densità di potenza nella direzione di massima radiazione e quella di un antenna isotropa. A distanza R un antenna isotropa distribuisce uniormemente la potenza su tutta la supericie della sera di raggio R; un antenna con guadagno G t irradia (nella direzione di massima radiazione) una densità di potenza pari a P t G t 4π R un antenna ricevente con area eicace A r riceve dunque una potenza pari a 2 P r = 2 t Gt Ar Gt Gr λ Pt = R (4 R) P π π Tx G t R P r A P t Rx γ SL = 4π R 2 λ 2 γ SL = attenuazione di spazio libero 19 Fondamenti Segnali e Trasmissione