16.2
Collegamenti in cavo↓
Iniziamo l’analisi dei mezzi trasmissivi con la
descrizione delle caratteristiche e delle prestazioni dei cavi in rame,
utilizzati fin dall’inizio allo scopo di recapitare a distanza i segnali
in forma elettrica. Il risultato più rilevante è senz’altro il
manifestarsi dell’effetto pelle, che determina (per f
> 100 KHz) una attenuazione in dB proporzionale a √(f).
La sezione è completata da una breve catalogazione dei cavi usati per
telecomunicazioni.
16.2.1
Costanti distribuite, grandezze derivate, e condizioni generali
Un conduttore elettrico uniforme e di lunghezza infinita, è descritto in
base ad un modello a costanti distribuite, espresso in termini delle
costanti
primarie costituite dalla resistenza
r,
la conduttanza
g, la capacità
c e l’induttanza
l
per unità di lunghezza. La teoria delle linee uniformi definisce
quindi due grandezze derivate dalle costanti primarie: l’
impedenza
caratteristica Z0(f) e la
costante di propagazione
γ(f).
Impedenza
caratteristica
↓
E’ definita come
e rappresenta il rapporto tra
V(f) ed
I(f)
in un generico punto del cavo, permettendo di scrivere
I(f) = (V(f))/(Z0(f))
Costante
di propagazione
↓
E’ definita come
mentre la grandezza
e
− γ(f)d
rappresenta il rapporto dei valori di tensione presenti tra due punti di
un cavo di lunghezza infinita, distanti
d,
permettendo di scrivere
V(f, x
+ d) = e
− γ(f)dV(f, x)
Qualora il cavo di lunghezza
d
sia chiuso ai suoi estremi su di un generatore con impedenza
Zg(f)
e su di un carico
Zc(f),
risultano definiti i
coefficienti di riflessione del generatore
e del carico:
Osserviamo subito che nel caso in cui
Zg(f) = Zc(f) = Z0(f),
risulta
rg(f) = rc(f) = 0.
L’impedenza vista dai morsetti di
ingresso
e di
uscita di un cavo, interposto tra generatore e carico, vale
rispettivamente
Allo stesso tempo, la funzione di trasferimento
intrinseca
risulta
Condizioni
di adattamento
Nel caso in cui
Zg(f) = Zc(f) = Z0(f),
come verificabile, non si manifesta distorsione lineare (§
7.2↑). Infatti, risultando in tal caso
rg(f) = rc(f) = 0,
si ottiene che
Zi(f) = Zu(f) = Z0(f)
e
Hq(f) = (Vq(f))/(Vi(f))
= 2 e − dγ(f): il cavo si comporta allora
come se avesse lunghezza infinita. Pertanto, risulta che
Hi(f) = (1)/(2) ed
Rg(f) = Ru(f)
e dunque il guadagno disponibile (eq.
(16.68↑) pag.
1↑) si ottiene
Nel caso in cui i valori delle costanti primarie
siano tali da risultare
r⋅c = l⋅g,
relazione nota come
condizione di Heaviside,
le (
16.103↑)
e (
16.104↑)
si semplificano, e si ottiene
γ(f) = √(rg) + j2πf√(lc)
e Z0(f) = √((r)/(g))
= √((l)/(c)) = R0
e pertanto, risultando
α(f) costante e
β(f)
linearmente crescente con la frequenza, si realizzano le condizioni di
un canale perfetto; dato inoltre che l’impedenza caratteristica
Z0(f) = R0
è solo resistiva ed indipendente dalla frequenza, diviene semplice
realizzare la condizione di adattamento
Zg(f) = Zc(f) = R0,
il che determina al contempo anche il massimo trasferimento di potenza,
e implica che
rg(f) = rc(f) = 0, e quindi
Hq(f) = 2 e − dα(f)e − jdβ(f) = 2 e
− d√(rg)e − jd2πf√(lc)
In definitiva, la risposta in frequenza complessiva in questo caso vale
H(f) = Hi(f)Hq(f)Hu(f) = (1)/(2)2 e − d√(rg)e
− jd2πf√(lc)(1)/(2)
= (1)/(2) e
− d√(rg)e − jd2πf√(lc)
equivalente quindi ad un canale perfetto con guadagno
G
= (1)/(2) e
− d√(rg)
e ritardo
tR = d√(lc);
al contempo, l’attenuazione disponibile risulta indipendente da
f,
e pari a
Ad(f) = 1 ⁄ Gd(f) = e2d√(rg)
16.2.2
Trasmissione in cavo
In generale, le costanti primarie del cavo non
soddisfano le condizioni di Heaviside, e le impedenze di chiusura non
sono adattate. In tal caso si ha
rg(f) ≠ 0
e/o
rc(f) ≠ 0, e devono essere applicate le (
16.106↑)
e (
16.107↑).
Se il cavo è sufficientemente lungo da poter
porre
e − 2dγ(f)≪1,
ossia
|e
− 2dγ(f)| = e −
2dα(f)≪1,
le (
16.106↑)
divengono
Zi(f) = Zu(f)≃Z0(f), mentre la (
16.107↑) si semplifica in
Hq(f) = 2 e − dγ(f); nel caso generale risulta
pertanto
Gd(f) = |Hq(f)|2⋅|Hi(f)|2⋅(Rg(f))/(Ru(f))
= 4⋅ e − 2dα(f)⋅|Hi(f)|2⋅(Rg(f))/(Ru(f))
che evidenzia due cause di distorsione lineare, di cui la prima dipende
dal disadattamento di impedenze in ingresso ed uscita: qualora invece si
realizzi la condizione
Zg(f) = Zc(f) = Z0(f),
si ottiene
Ad(f) = (1)/(Gd(f))
= e2dα(f)
che determina la seconda causa di distorsione lineare, dipendente dal
comportamento non perfetto di
Hq(f) = 2 e − dγ(f), e che secondo la teoria può
essere
neutralizzato, solo nel caso in cui le costanti primarie
soddisfino le condizioni di Heaviside. In pratica, però, il risultato è
diverso, perché.... le “costanti primarie”
non sono costanti !!!
Si tratta di un fenomeno legato all’addensamento
del moto degli elettroni verso la superficie del cavo, al crescere della
frequenza. Per questo motivo, si riduce la superficie del conduttore
realmente attraversata da corrente elettrica, a cui corrisponde un
aumento della resistenza per unità di lunghezza r.
Si può mostrare che, per frequenze maggiori di 50-100 KHz, la resistenza
per unità di lunghezza r aumenta
proporzionalmente a √(f), e quindi si può scrivere
α(f) = α0√(f), in cui la costante α0 dipende dal tipo di cavo.
In tali condizioni, l’attenuazione disponibile
risulta
Ad(f) = e2dα(f)
= e2dα0√(f),
a cui corrisponde un valore in dB pari a
Ad(f)|dB = 10log10 e2dα0√(f) = dα0√(f)⋅10log10 e2 = A0⋅d⋅√(f)
Il valore
A0 riassume
in se tutte le costanti coinvolte, prende il nome di
attenuazione
chilometrica↓,
ed è espresso in dB/Km; il suo valore dipende dal tipo di cavo, ed è
fornito con riferimento ad una determinata frequenza
fR
(ad es. 1 MHz), permettendo di scrivere
in cui
fR
rappresenta appunto la frequenza per la quale è disponibile il valore di
A0, ed il valore della
f per cui si calcola
Ad
va espresso nella stessa unità di misura di
fR.
Questo risultato può essere usato come formula di progetto, e mette in
evidenza come l’attenuazione in dB dei cavi sia linearmente
proporzionale alla lunghezza.
La figura a lato mostra l’andamento di
Gd(f)|dB
= − Ad(f)|dB
che si ottiene adottando i valori di
A0
e
fR riportati
al §
16.2.3↓
per alcune tipologie di cavo.
In presenza di effetto pelle, la funzione di
trasferimento intrinseca
Hq(f) = 2 e − dγ(f) presenta una dipendenza da
f tutt’altro che perfetta, causando
distorsione lineare sui segnali in transito, nel caso occupino frequenze
oltre la banda audio. Un problema analogo insorge anche in assenza di
effetto pelle, qualora si manifesti un disadattamento di impedenze ed il
cavo non sia sufficientemente lungo (vedi pag.
1↓).
Se la banda di segnale è sufficientemente estesa
da causare una distorsione lineare non trascurabile, o se la particolare
natura del segnale (ad es. numerico) richiede la presenza di un ritardo
strettamente costante con f, è
necessario prevedere uno stadio di equalizzazione. D’altra parte, una
volta stimata la H(f) da equalizzare, la natura statica
del collegamento permette di evitare tecniche di equalizzazione
marcatamente adattative.
La diafonia, indicata in inglese con il termine
di crosstalk, consiste nei fenomeni di interferenza tra i
messaggi trasportati su cavi disposti in prossimità reciproca, e dovuti
a fenomeni di induzione elettromagnetica ed accoppiamenti
elettrostatici. Il fenomeno è particolarmente rilevante in tutti i casi
in cui molti cavi giacciono affasciati in una medesima
canalizzazione, condividendo un lunghezza significativa di percorso. Nel
caso di telefonia analogica, la diafonia può causare l’ascolto
indesiderato di altre comunicazioni; nel caso di
trasmissioni numeriche o di segnali modulati, la diafonia produce un
disturbo additivo supplementare, che peggiora le prestazioni espresse in
termini di probabilità di errore o di SNR.
Con riferimento allo schema della figura
soprastante, consideriamo un collegamento D-C su cui gravano due cause
di interferenza di diafonia: il collegamento da E ad F produce il
fenomeno di
paradiafonia (in inglese
next↓,
near end crosstalk), mentre il collegamento da B ad A produce il
fenomeno di
telediafonia (
fext↓,
far end crosstalk). Nel primo caso, il segnale disturbante ha
origine in prossimità del punto di prelievo del segnale disturbato,
mentre nel secondo ha origine in prossimità del punto di immissione.
L’entità del disturbo è quantificata mediante un
valore di attenuazione di diafonia tra le sorgenti disturbanti e
l’estremo disturbato. La circostanza che, nei rispettivi punti di
immissione, i segnali disturbanti hanno la stessa potenza della sorgente
che emette il segnale disturbato, permette di definire lo
scarto di
paradifonia
ΔAEC|dB = AEC|dB − ADC|dB
come la differenza in dB tra l’
attenuazione di paradiafonia AEC|dB e l’
attenuazione
del collegamento ADC|dB. Il livello di
potenza del segnale disturbante proveniente da E ed osservato al punto C
risulta quindi pari a
WnextE = WE
− AEC = WD − AEC
= WC + ADC − AEC
= WC − ΔAEC ,
ossia di
ΔAEC dB
inferiore al segnale utile. Una definizione del tutto analoga risulta
per la telediafonia (
fext), per la
quale il livello di potenza del segnale disturbante proveniente da B ed
osservato al punto C risulta
WfextB
= WC − ΔABC
in cui lo
scarto di telediafonia ha il valore
ΔABC|dB = ABC|dB − ADC|dB
E’ un modello applicabile per tutte quelle
frequenze per cui risulti
r≪2πfl
e
g≪2πfc. In tal
caso le (
16.103↑)
e (
16.104↑)
forniscono
Z0(f) = R0 = √((l)/(c)) reale e γ(f) = j2πf√(lc)
Di conseguenza, è facile realizzare
Zg
= Zc = R0, che
determina
Hq(f) = 2 e − jd2πf√(lc)
quindi il cavo non presenta distorsione di ampiezza, ha una attenuazione
trascurabile, e manifesta una distorsione di fase lineare in
f,
realizzando quindi le condizioni di canale perfetto.
E’ il caso di collegamenti interni agli
apparati, o tra un trasmettitore-ricevitore e la relativa antenna. La
ridotta lunghezza del cavo permette di scrivere
e − dγ(f)
= e − dα(f)e
− jdβ(f)≃e − jdβ(f)
in quanto
e − dα(f)≃1.
Qualora si verifichi un disadattamento di
impedenze, i coefficienti di riflessione
rg(f)
e
rc(f) risultano diversi da zero, rendendo
Hq(f) = 2( e − jdβ(f))/(1 − rg(f)⋅rc(f)⋅e − j2dβ(f))
periodica con
d e con
f
(quest’ultimo in assenza di effetto pelle). In particolare, se il carico
viene sconnesso, o l’uscita del cavo posta in corto circuito, l’eq. (
16.105↑)
mostra come risulti
rc(f) = ±1
rispettivamente, e la prima delle (
16.106↑) diviene
Zi(f) = Z0(f)(1± e − j2dβ(f))/(1∓
e − j2dβ(f))
e si vede che per quei valori (ricorrenti) di frequenza
f
(o di distanza
d) che rendono
e − j2dβ(f)
= ±1 (), l’impedenza di ingresso del
cavo può risultare infinita o nulla.
Evidentemente, la distorsione lineare prodotta in
questo caso ha un andamento del tutto dipendente dalle particolari
condizioni operative, e dunque la sua equalizzazione deve prevedere
componenti in grado di adattarsi alla Hq(f)
del caso. D’altra parte, una volta
equalizzato il cavo, non sono necessari ulteriori aggiustamenti, a parte
problemi di deriva termica. Diverso è il caso dal punto di vista di un
terminale di rete, per il quale il cavo effettivamente utilizzato può
essere diverso da collegamento a collegamento, e pertanto i dispositivi
modem a velocità più elevate devono disporre di un componente di
equalizzazione adattiva, da regolare ogni volta ad inizio del
collegamento.
16.2.3
Tipologie di cavi per le telecomunicazioni
Descriviamo i principali tipi di cavo
utilizzati, per i quali forniamo in tabella i valori tipici delle
grandezze essenziali, nelle condizioni illustrate nel testo che segue.
16.2.3.1
Coppie simmetriche
E’ costituita da una coppia di conduttori nudi, di bronzo od acciaio
rivestito in rame, con diametro
φ
da 2 a 4 mm, sostenuti da una palificazione che li mantiene a distanza
di 15 - 30 cm. L’uso delle linee aeree è andato estinguendosi con il
tempo, ma rimane largamente diffuso nei paesi meno sviluppati.
I valori riportati in tabella sono riferiti a
conduttori con φ = 3 mm, a frequenza di 1 KHz; la r già a 100 KHz cresce al valore di 20
Ω/Km, mentre la conduttanza g
a 100 KHz e con tempo molto umido, può crescere fino a decine di volte
il suo valore nominale ad 1 KHz. I valori riportati mostrano come le
condizioni di Heaviside non siano rispettate, in quanto rc≫lg,
anche se lo scarto è inferiore rispetto al caso delle coppie ritorte.
L’impedenza caratteristica riportata in tabella,
di circa 600 Ω, è ottenuta applicando il
modello a basse perdite, con le costanti primarie indicate.
E’ costituita da una coppia di conduttori in rame, con
φ
da 0.4 ad 1.3 mm, rivestiti di materiale isolante, ed avvolti tra loro
secondo eliche con passo grande rispetto al diametro. Un numero
variabile di tali coppie (tra qualche decina e qualche centinaio) sono
poi raggruppate assieme, e rivestite con guaine protettive isolanti o
metalliche; il risultato dell’operazione è interrato o sospeso mediante
una fune in acciaio. L’uso delle coppie ritorte, nato allo scopo di
realizzare il collegamento tra utente e centrale telefonica, si è esteso
al cablaggio di reti locali (
lan) con
topologia a stella (
ieee 802.3); in
tale contesto, i cavi sono indicati come
utp
(
unshielded twisted pair).
I valori riportati in tabella sono riferiti a
conduttori con
φ = .7 mm, a
frequenza di 1 KHz; la
r a 100 KHz
è circa doppia. La
g dipende
sostanzialmente dall’isolante utilizzato, mentre l’aumento di
c
è evidentemente legato alla vicinanza dei conduttori. Anche in questo
caso, risulta
rc≫lg, e
dunque le condizioni di Heaviside non sono verificate. Nel passato, si è
fatto largo uso dell’espediente di innalzare artificialmente
l,
collocando ad intervalli regolari una induttanza “concentrata” (le
cosiddette bobine
Pupin),
realizzando così nella banda del canale telefonico un comportamento
approssimativamente perfetto. Ma al crescere della frequenza le bobine
Pupin producono un effetto passa basso, aumentando di molto il valore di
attenuazione. In tempi successivi, quando le stesse coppie ritorte sono
state utilizzate per la trasmissione di segnali numerici PCM, le bobine
Pupin sono state rimosse, ed al loro posto inseriti ripetitori
rigenerativi (§
15.3.2↑).
L’impedenza caratteristica di circa 600
Ω
riportata nella tabella di pag.
1↑ è quella valida a frequenze audio, con cavi
di diametro
φ = .7 mm. Precalendo
l’aspetto capacitivo, al crescere della frequenza
Z0
si riduce a 100-200
Ω, con fase di -10
gradi. L’attenuazione chilometrica riportata è sempre relativa al caso
φ = .7 mm; per diametri di 1.3 mm si
ottengono valori circa dimezzati, mentre con
φ
= .4 mm il valore di
A0
risulta maggiore.
Infine, mostriamo come l’avvolgimento della coppia su se stessa abbia lo
scopo di ridurre i disturbi di diafonia. Infatti, se il passo dell’elica
è diverso tra le coppie affasciate in unico cavo, le tensioni e correnti
indotte da una coppia su di un’altra non interessano sempre lo stesso
conduttore, ma entrambi in modo alternato. L’avvolgimento della coppia
disturbante, inoltre, produce una alternanza dei conduttori in vicinanza
della coppia disturbata, aggiungendo una ulteriore alternanza del verso
del fenomeno di disturbo. Con questi accorgimenti, si trovano
attenuazioni di diafonia a frequenze vocali, dell’ordine di 80-90 dB su
6 Km. All’aumentare della frequenza, e della lunghezza del percorso
comune, l’attenuazione di diafonia diminuisce (e quindi l’interferenza
aumenta), fino a mostrare valori di 60-70 dB a 750 KHz su 1.6 Km.
In questo caso è presente un conduttore centrale ricoperto di
dielettrico, su cui è avvolto il secondo conduttore, intrecciato a
formare una sorta di
calza, connesso
a massa ad entrambe
le estremità, e racchiuso a sua volta in una guaina isolante. La
particolare conformazione del cavo lo rende molto più resistente ai
fenomeni di interferenza, svolgendo una funzione di
gabbia di Faraday.
Indicando con
φ
il diametro del conduttore interno e con
D
quello esterno, la teoria mostra che si determina un minimo di
attenuazione se
D ⁄ φ = 3.6;
per questo sono stati normalizzati i diametri mostrati nella tabella a
pag.
1↑.
Il tipo con
φ ⁄ D = 8.4 ⁄ 38
mm è sottomarino, e presenta la minima attenuazione chilometrica;
A0 aumenta al diminuire
della sezione del cavo. Finché
D ⁄ φ
= 3.6, l’impedenza caratteristica dipende solo dal dielettrico,
con l’espressione generale fornita in tabella, ottenendo i valori di 50
e 75
Ω con dielettrico aria e polietilene
rispettivamente. I valori delle costanti primarie riportati in tabella
sono ottenuti facendo uso delle seguenti relazioni:
r
= 8.4⋅10 − 8√(f)⎛⎝(1)/(D)
+ (1)/(φ)⎞⎠ Ω ⁄ m;
l = 0.46log10(D)/(φ) μH ⁄ m;
g = 152⋅10 − 12(fεrtanδ)/(log10(D)/(φ)) S
⁄ m;
c = (24.2⋅εr)/(log10(D)/(φ)) pF
⁄ m; in cui si è posto
f
(in Hz nelle formule) pari a 1 MHz,