I mezzi trasmissivi: caratteristiche e capacità di canale

In un sistema di comunicazione le informazioni inviare da una sorgente ad una destinazione sono associate ad un’onda elettromagnetica che si propaga nei diversi mezzi trasmissivi costituiti da conduttori metallici, fibre ottiche, spazio libero, guide d’onda, ecc.

Nello spazio vuoto l’onda elettromagnetica si propaga liberamente ad una velocità uguale a quella della luce, circa 300.000 km al secondo. Nei fili di rame o nelle fibre ottiche, invece, la propagazione è delimitata all’interno del mezzo, e la velocità di propagazione è minore di quella della luce e parzialmente dipendente dalla frequenza. Le onde elettromagnetiche si differenziano l’una dall’altra per il valore della frequenza e il loro insieme costituisce lo spettro elettromagnetico, suddiviso in bande avente ognuna caratteristiche proprie di propagazione (tabella 1).

Tenendo presente i modi di propagazione di un’onda elettromagnetica è possibile suddividere i mezzi trasmissivi in mezzi guidanti e non guidanti.

Mezzi trasmissivi guidanti e non guidanti

• Mezzi guidanti. Sono costituiti da doppini intrecciati,cavi coassiali,fibre ottiche, ecc. e vengono detti guidanti poichè la propagazione dell’onda è vincolata al loro interno. Anche le fibre ottiche sono mezzi ottici guidanti poichè in essi si ha la propagazione di un’onda elettromagnetica la cui frequenza cade nel visibile.
• Mezzi non guidanti e wireless. Sono costituiti dal vuoto e dall’aria e sono detti non guidanti perchè l’onda si propaga liberamente nello spazio. la comunicazione è affidata a onde radio, raggi infrarossi, luce visibile. I mezzi ottici non guidanti sono utilizzati principalmente per collegare reti LAN mediante segnali emessi da laser e aventi frequenze comprese nella regione dell’infrarosso.

Mezzi fisici reali: attenuazione, banda passante, distorsione, rumore

I mezzi fisici reali sono caratterizzati da diversi parametri tra i quali l’attenuazione, la banda passante, la distorsione e il rumore.

Attenuazione. Essa è la diminuzione di potenza subita dal segnale nella propagazione nel mezzo trasmissivo. L’attenuazione viene espressa in dB per chilometro e varia a seconda del tipo di mezzo e della frequenza del segnale (vedi Figura 1). L’attenuazione aumenta con la lunghezza del cavo e con la radice quadrata della frequenza. A parità di potenza trasmessa e di distanza percorsa dal segnale, l’attenuazione subita in aria è minore di quella subita in un mezzo guidante.

Banda passante. E’ l’intervallo delle frequenze dei segnali che possono essere trasmessi senza che subiscano attenuazione eccessiva o ad attenuazione costante. Un canale trasmissivo viene detto passa-banda quando è in grado di trasmettere segnali aventi frequenze comprese in un range f_min ≤ f ≤ f_max (B=f_max – f_min), mentre è detto a banda base quando è in grado di trasmettere segnali di frequenze comprese nell’intervallo 0≤f≤f_max (B=f_max).

I sistemi di comunicazione che utilizzano mezzi trasmissivi a banda stretta possono collegare solo due unità utenti contemporaneamente o diverse coppie di utenti in intervalli di tempo diversi. I sistemi che utilizzano mezzi trasmissivi a banda larga, invece, possono collegare contemporaneamente più coppie di utenti perchè la banda può essere suddivisa in tante sottobande parziali, da assegnare ai diversi canali.

Tutti i canali fisici sono in grado di trasmettere segnali aventi una banda limitata di frequenze: ad esempio 3 KHz per il segnale vocale, 15 kHz per un segnale musicale o 5 MHz per il segnale televisivo. La larghezza di banda, oltre che dal mezzo trasmissivo dipende anche dalla distanza.

La larghezza di banda è uno dei parametri principali di un mezzo trasmissivo perchè è legata alla capacità C del canale, ossia alla massima quantità d’informazione (numero di bit) che può essere inviata sul mezzo trasmissivo nell’unità di tempo. La capacità si misura in bit per secondo (bps):

dove Q e T sono rispettivamente la quantità di informazione e l’intervallo di tempo necessario per trasmetterla. La relazione tra la banda di un segnale analogico e la capacità di canale (banda digitale) fu formalizzata dal lavoro teorico di Nyquist e Shannon.

Nel 1924 Nyquist dimostrò che per un segnale digitale a due livelli trasmesso si un canale perfetto la relazione tra banda e la capacità di un canale perfetto è:

[bps]

Per un segnale multilivello L, trasmesso su un canale perfetto, la capacità di canale è:

bps [2]

Shannon e la capacità di un canale rumoroso

Nel 1948 Shannon dimostrò che la capacità di un canale rumoroso è:

bps [3]

dove S e N sono rispettivamente la potenza del segnale e quella del rumore. La capacità di trasmissione di un canale è tanto maggiore quanto più ampia è la sua larghezza di banda B.

Ad esempio, il doppino telefonico, ha una banda passante di circa 1 MHz ed è in grado di trasmettere dati a una velocità massima teorica di 1 Mbps. Tuttavia, la velocità reale delle linee telefoniche è molto minore poichè all’interno delle centrali telefoniche vi sono filtri che limitano la banda a [300 Hz – 3400 Hz].

La distorsione

La distorsione è l’alterazione del segnale dovuta all’andamento non costante della caratteristica ampiezza/frequenza (si parla di distorsione di ampiezza) e alla diversa velocità di propagazione nel mezzo trasmissivo dei segnali aventi frequenze diverse (distorsione di fase).

Il rumore

Esso è dovuto alla sovrapposizione di segnali generati da elementi esterni al sistema trasmissivo al segnale contenente l’informazione.

Diafonia (cross-talk)

Essa è la misura del disturbo generato da un cavo adiacente al cavo di trasmissione.

Sintesi

I mezzi trasmissivi:

• attenuano i segnali in proporzione alla distanza percorsa e alla frequenza del segnale;
• propagano i segnali a velocità proporzionali alle loro frequenze;
• riducono la banda passante all’aumentare della lunghezza del mezzo stesso.

Esempi

Esempio 1. Calcoliamo la capacità di un canale non rumoroso avente una banda di 2,7 kHz e un alfabeto costituito da 4 e 8 livelli.

Dalla formula [2] si ricava, con L=4 e B=2,7 kHz:

C=10,8 kbps

Dalla formula [2] si ricava, con L=8 e B=2,7 kHz:

C=16 kbps

La capacità del canale aumenta all’aumentare del numero dei livelli.

Esempio 2. Calcolare la capacità di un canale rumoroso avente un rapporto segnale rumore S/N=1000 (30 db) e una banda passante di 2,7 kHz.

Dalla formula 3, con S/N=1000 e B=2,7 KHz, si ricava:

C=27 kbps

Foto di Compare Fibre