TRASMISSIONI ANALOGICHE E DIGITALI SU DOPPINO TELEFONICO

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1 TRASMISSIONI ANALOGICHE E DIGITALI SU DOPPINO TELEFONICO D.I.B.E. - Università di Genova 80

2 DOPPINO TELEFONICO: CARATTERISTICHE GENERALI DELLA LINEA DI TRASMISSIONE La linea telefonica è costituita essenzialmente da una coppia simmetrica di cavi in rame tra loro attorcigliati (copper twisted-pair). Le perdite della linea, dovute all effetto pelle sono trattate in maniera analoga a quella già vista per il cavo coassiale. D.I.B.E. - Università di Genova 81

3 In generale la linea di trasmissione telefonica è costituita da un insieme di cavi (doppini) tra loro affasciati, onde incrementare la capacità della linea medesima. L affasciamento di più doppini in un unico cavo (generalmente fino a 50) determina accoppiamenti elettrici tra segnali convogliati da doppini differenti. Il rumore che ne deriva è costituito da una copia attenuata e distorta del segnale convogliato da una coppia adiacente. L interferenza così determinata è detta diafonia o interferenza di cross-talk. D.I.B.E. - Università di Genova 82

4 COLLEGAMENTI TRA CENTRALI LONTANE Diversa è la trattazione nei casi di collegamenti a lunga distanza (dove sono necessarie operazioni di amplificazione), oppure di centrali effettuano la commutazione usando circuiti elettronici (non meccanici); In questo caso è necessario separare i due versi di percorrenza dei segnali telefonici generati dai due utenti. Per far ciò viene inserito nel punto in cui l'utente è connesso alla centrale un circuito detto IBRIDO o FORCHETTA (nella figura sottostante è rappresentato lo schema di un ibrido); D.I.B.E. - Università di Genova 83

5 DOPPINO TELEFONICO: TRASMISSIONE ANALOGICA DEL SEGNALE VOCALE GENERAZIONE DEL SEGNALE TELEFONICO ANALOGICO Il segnale telefonico viene solitamente generato da un microfono a carbone, inserito nell'apparecchio telefonico; L'apparecchio contiene anche il trasduttore opposto, detto cuffia; Una versione molto semplificata del collegamento telefonico è presentata nella figura sottostante: D.I.B.E. - Università di Genova 84

6 Per semplicità nello schema di ciascun telefono non sono presenti le parti circuitali relative all'instaurazione ed all'abbattimento della chiamata, mentre sono simbolicamente indicati sia gli organi di centrale (nodo A e nodo B) che provvedono alla selezione del circuito di chiamata, sia il collegamento fisico (giunzione). Il microfono è costituito da una membrana che vibra in funzione della pressione acustica p(t), la vibrazione provoca, a sua volta, una variazione D.I.B.E. - Università di Genova 85

7 del volume occupato dalla polvere di carbone e quindi della resistenza elettrica in uscita dai morsetti del microfono. Tale variazione di resistenza può essere considerata direttamente proporzionale alla pressione acustica. Quando l'utente sgancia il microtelefono, la centrale gli invia tramite induttori ad alta induttanza una corrente continua I, che attraverso le spire B del trasformatore della figura precedente perviene al microfono. Nella figura sottostante, è riportato lo schema fisico e lo schema circuitale equivalente di un microfono a carbone: D.I.B.E. - Università di Genova 86

8 In queste condizioni si genera ai suoi capi una tensione pari a: { p( t) } I = R I rip( ) V ( t) = R 0 + t La componente alternata v ( t) = ˆ rip( t) trasporta effettivamente l'informazione sonora e prende propriamente il nome di segnale telefonico. D.I.B.E. - Università di Genova 87

9 Il segnale telefonico generato passa attraverso i due avvolgimenti A e B del trasformatore del trasmettitore. Imponendo opportuni valori all'impedenza Z(f) (impedenza di uscita del telefono) ed al numero di spire degli avvolgimenti, a causa del verso degli avvolgimenti non si avrà alcuna f.e.m. indotta nell'avvolgimento C (e dunque nessun rientro in cuffia del segnale trasmesso). Parte dell'energia prodotta dal microfono si dissipa nell'impedenza Z(f) e parte viene immessa nella linea e trasmessa all'utente ricevente. Il segnale telefonico ricevuto attraversa i due avvolgimenti A e B del trasformatore dell'apparecchio ricevente e viene trasferiti alla sua cuffia, attraverso la f.e.m. indotta nell'avvolgimento C. L'impedenza di uscita del telefono è adattata a quella della linea che lo collega alla centrale, per evitare riflessioni alle estremità della linea, che producono echi del segnale telefonico, sia da parte di chi parla, che da parte di chi ascolta. D.I.B.E. - Università di Genova 88

10 COLLEGAMENTI TRA CENTRALI VICINE Se le centrali di appartenenza dei due utenti sono vicine tra loro, o coincidono, il collegamento tra esse può essere ancora realizzato tramite doppino e, se la commutazione avviene per via elettromeccanica, la connessione tra i due utenti può essere vista come un'unica linea in cavo; In questi casi eventuali echi dovuti al disadattamento delle impedenze dei punti terminali producono un duplice effetto: Il suono emesso ritorna in cuffia con ritardi multipli del doppio del tempo di propagazione del segnale lungo la linea; A chi ascolta perviene non solo il segnale telefonico, ma anche le sue repliche, ritardate delle stesse quantità viste in precedenza. Per misurare l'entità di questi echi si usano due quantità: il Return loss (RL) (detto anche perdita per riflessione) ed il Echo Return Loss (ERL) (detto anche perdita per eco). D.I.B.E. - Università di Genova 89

11 Il Return Loss è pari al coefficiente di riflessione della linea (già definito nella slide 19) ρ(f) misurato in db: { ρ( )} RL( f ) = 20log10 f Invece l'echo Return Loss corrisponde ad un coefficiente di riflessione medio, pesato in frequenza secondo un'opportuna funzione di peso W(f)>0 e misurato ancora in db: RL( f ) = 10log 10 W( f ) ρ( f ) W( f ) df Gli effetti di tali echi non sono fastidiosi per le conversazioni telefoniche, se si tiene conto che la lunghezza delle linee coinvolte è solo di qualche Km e che i ritardi chilometrici dei doppini sono dell'ordine di 10 microsecondi/km. 2 df D.I.B.E. - Università di Genova 90

12 Si può dimostrare che, supposto Z 1 (f) = Z 2 (f) = Z 3 (f) = Z 4 (f), esiste un opportuno rapporto di spire tra i vari avvolgimenti che consente di realizzare un completo disaccoppiamento tra le quattro porte del circuito. In tal modo, i segnali immessi nella porta 2 vengono trasferiti nella porta 3 e non nella 1 ed i segnali immessi nella porta 3 vengono trasferiti nella porta 1 e non nella porta 2. Questo accade solo in condizioni di perfetto adattamento, ed in particolare se è realizzata la condizione Z 3 (f) = Z 4 (f). Se ciò non accade si ha trasferimento di segnale tra la porta 1 e la porta 2, e quindi la generazione di percorsi di eco (come evidenziato dalla figura mostrata nella slide successiva, che mostra i possibili percorsi di eco in un collegamento telefonico). D.I.B.E. - Università di Genova 91

13 La presenza di tali echi può essere molto fastidiosa, se i percorsi sono molto lunghi e persino disastrosa se l'anello a 4 fili nella figura soprastante presenta un guadagno complessivo maggiore di 1. D.I.B.E. - Università di Genova 92

14 DOPPINO TELEFONICO: TRASMISSIONE DATI DIGITALE CON ADSL E VDSL RUMORE SUL DOPPINO TELEFONICO La presenza di rumore sul doppino telefonico è dovuta a diversi fattori di disturbo, che si possono suddividere in intrinseci (se sono propri della linea) ed estrinseci (se provengono dall'esterno). Fattori di disturbo intrinseci alla linea sono: Rumore termico dovuto alla linea (può essere assimilato in qualche maniera al rumore Gaussiano bianco); Echi e riflessioni (già viste nel caso della trasmissione del segnale analogico); Attenuazioni; D.I.B.E. - Università di Genova 93

15 Crosstalk (o interferenza di co-channel). Fattori di disturbo estrinseci alla linea sono dovuti a rumori di tipo impulsivo, causati da scariche elettriche, linee di potenza, apparati elettromeccanici, ecc. (analogo a ingress-noise delle reti CATV). Le fonti di rumore precedentemente elencate, possono essere classificate anche come limitanti la capacità e limitanti le prestazioni del sistema di trasmissione digitale su doppino. Le fonti di rumore limitanti la capacità sono essenzialmente il rumore termico ed il crosstalk. Sono disturbi caratterizzati da lente variazioni temporali e quindi i loro effetti possono essere facilmente modellati e predetti. Le fonti di rumore di tipo impulsivo e man-made, invece, sono classificate come limitanti le prestazioni. Sono difficilmente modellabili e fortemente D.I.B.E. - Università di Genova 94

16 tempo-varianti. Occorrono soluzioni di elaborazione del segnale "ad hoc", per fronteggiarne gli effetti (ad es. robusta codifica FEC, interleaving). CROSSTALK IN TRASMISSIONI DIGITALI SU DOPPINO Il disturbo denominato CROSSTALK è la principale causa di limitazione della capacità nei sistemi DSL; Vi sono due tipologie fondamentali di crosstalk: il near-end crosstalk (NEXT) ed il far-end crosstalk (FEXT). Nelle Figure sottostanti è rappresentato graficamente il significato del NEXT e del FEXT: D.I.B.E. - Università di Genova 95

17 Il NEXT è l'interferenza che compare su un altro doppino posto in corrispondenza della stessa terminazione del cavo dove si trova la fonte di interferenza. Il suo livello è sostanzialmente indipendente dalla lunghezza del cavo. Il FEXT è l'interferenza che appare su un altro doppino posto in corrispondenza della terminazione opposta del cavo rispetto alla fonte di interferenza (far-end). Il suo livello è attenuato almeno quanto quello del segnale, in funzione della lunghezza del cavo. Il NEXT colpisce ogni sistema che trasmette in entrambe le direzioni allo stesso tempo ed invariabilmente sovrasta il FEXT. Il NEXT può essere eliminato, in linea di principio, evitando di trasmettere in entrambe le direzioni, nello stesso tempo e sulla stessa banda, mediante la separazione (nel tempo o nella frequenza) delle due direzioni di trasmissione. Questo è quanto viene realizzato dai sistemi DSL. D.I.B.E. - Università di Genova 96

18 EFFETTI DEL NEXT SULLA CAPACITA' DI UNA TRASMISSIONE DIGITALE SU DOPPINO TELEFONICO E' ragionevole supporre che il disturbo di crosstalk di tipo NEXT sia assolutamente predominante sul FEXT (assunzione fatta dalla maggior parte delle trattazioni letterarie sull'argomento). Per osservare gli effetti del NEXT su un sistema di trasmissione digitale, occorre costruire un modello del canale telefonico, che essere descritto efficacemente nelle due figure sottostanti: D.I.B.E. - Università di Genova 97

19 Il modello precedentemente visto, considera l'attenuazione imposta dal canale in funzione della frequenza, obbediente alla seguente legge (è in pratica il già definito effetto pelle): ove: α = k l l 0 H c ( f ) 2 = e k = costante del canale fisico; l = lunghezza della tratta di canale; l 0 = lunghezza di riferimento (es piedi = 5,472 Km). α f Questo modello di H c ( f ) va bene per linee corte (fino a 300 metri). Per linee più lunghe vengono usati modelli sperimentali, basati su misure. D.I.B.E. - Università di Genova 98

20 L'interferenza NEXT può essere modellata, con buona approssimazione, in maniera Gaussiana, tenendo conto che la capacità del canale calcolata sotto questa assunzione sarà un limite inferiore della capacità totale misurata in condizioni reali. Sotto questa ipotesi si può dimostrare che la densità spettrale di potenza della componente interferente dovuta al NEXT è data dal prodotto della densità spettrale di potenza P s ( f ) del segnale trasmesso per una funzione di trasferimento di crosstalk che assume la seguente forma: H x 2 ( f ) = βf (ove β è una costante che varia a seconda del tipo di cavo) 3 2 Nel modello di canale è indicato anche un contributo dato dal rumore additivo Gaussiano (AWGN), che anch'esso, come già detto, esercita un'influenza limitante sulla capacità del sistema di trasmissione. D.I.B.E. - Università di Genova 99

21 Supponiamo, nella nostra trattazione, che non vi sia alcun contributo di rumore AWGN. In questo caso, applicando la formula di Shannon, si può facilmente verificare che la capacità del canale, considerando quale unica fonte di rumore il NEXT, assume la seguente espressione: C NEXT 2 H ( f ) P ( f ) α f c s e df log2 1 df log2 1 bit 2 f A 3 2 H ( f ) P ( f ) f + = + x s β = f A ( /sec) Questa formula viene integrata nella larghezza di banda del segnale trasmesso, ossia nell'intervallo di f per il quale vale P s ( f ) 0. Se P s ( f ) 0 in tutto il range di frequenze, si avrà che: C α f e = df log bit 3 2 f 0 β NEXT ( /sec) D.I.B.E. - Università di Genova 100

22 Se P s ( f ) 0 in un limitato range di frequenze di larghezza W, il valore della capacità viene influenzato dal valore di W e l'estremo superiore di C next si avrà in corrispondenza di W. Integrando numericamente la formula sopra, assegnando alcune costanti per i diversi parametri dipendenti dal cavo, si può ricavare un grafico della capacità del canale in funzione della lunghezza della tratta di cavo tra i due punti del collegamento (vedi figura sottostante): D.I.B.E. - Università di Genova 101

23 PERCENTUALE DI CAPACITA' OTTENIBILE IN FUNZIONE DELLA LARGHEZZA DI BANDA DEL SEGNALE TRASMESSO Il valore di C next graficato in precedenza è un estremo superiore della capacità effettivamente ottenibile, perché si suppone di trasmettere su banda infinita; Nel grafico in figura sottostante si mostra quanta larghezza di banda è necessaria a raggiungere una certa percentuale di capacità di 1,2 Mb/s, ottenibile come valore massimo in un collegamento di piedi di lunghezza (5,472 Km), trasmettendo su banda infinita. Si vede che per raggiungere il 100%, occorre una larghezza di banda pari a circa 250 KHz. Estremo superiore della capacità ottenibile in un collegamento lungo Km = 1,2 Mb/s (ipotesi banda infinita) D.I.B.E. - Università di Genova 102

24 MISURAZIONE DEL FEXT Sistemi di Telecomunicazione - Coppie simmetriche e coassiali L'incidenza del FEXT sulla trasmissione digitale su doppino telefonica è stata misurata in funzione della frequenza ed i risultati sono riportati nel grafico sottostante: Il grafico presenta il plot dei valori del rapporto segnale/rumore FEXT (in db) per 100 doppini che trasmettono insieme un segnale VDSL. Ognuno dei plot è relativo ad un doppino che subisce l'effetto complessivo del FEXT dovuto alla somma dei contributi dei rimanenti 99. Si osserva che l'effetto del FEXT diviene assai pesante per frequenze superiori a 10 MHz. D.I.B.E. - Università di Genova 103

25 ALLOCAZIONE SPETTRALE USATA PER ADSL E VDSL L'allocazione dello spettro del canale telefonico per la trasmissione ADSL e VDSL è riportata nelle figure sottostanti: ADSL VDSL Si nota che il VDSL utilizza larghezze di banda assai più elevate, sia in upstream che in downstream, rispetto all'adsl. Tali larghezze di banda sono necessarie a trasmettere ad elevato bit-rate, a distanze accettabilmente lunghe. D.I.B.E. - Università di Genova 104

26 La presenza del cross-talk impone precisi vincoli sulle velocità di trasmissione in funzione della lunghezza del collegamento e della larghezza di banda di trasmissione, come si evince dalla tabella sottostante: Max rate di upstream Max rate di downstream Banda di upstream Banda di downstream ADSL 640 kb/s 6,144 Mb/s 96 KHz 900 KHz 4 Km VDLS 20 Mb/s 51,84 Mb/s 400 KHz 9 MHz 300 m Distanza per cui il max rate è garantito Dai dati presentati nella tabella sopra, si vede che le tecniche che permettono elevati rate di trasmissione (es. VDSL), richiedono larghezze di banda assai elevate per trasmettere, ma la copertura entro la quale tali rate di trasmissione sono garantiti, diminuisce drasticamente rispetto alle tecniche meno "veloci" (si confrontino questi dati con il grafico della percentuale di capacità massima ottenibile per un collegamento di 5,472 Km, che è 1,2 Mb/s). D.I.B.E. - Università di Genova 105