Mezzi trasmissivi

L’argomento di questa lezione è ampiamente trattato nei manuali scolastici, soprattutto del biennio degli istituti tecnici e per i corsi di sistemi e reti. Facciamo un riassunto che può tornare utile in diversi contesti e prove scolastiche.

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I mezzi trasmissivi sono banalmente dei mezzi fisici che permettono il collegamento tra dispositivi che scambiano informazioni. L’informazione scambiata viene trasformata da una grandezza ad un’altra per facilitarne la propagazione. L’esempio più semplice di questa trasformazione è la voce al telefono che viene trasformata, appunto, in un segnale elettrico, propagata sul cavo telefonico in rame, e quindi riconvertito dalla cornetta dall’altro capo da segnale elettrico a segnale audio, la voce! I mezzi trasmissivi si possono catalogare mediante una serie di caratteristiche del segnale trasmesso e delle caratteristiche tecnologiche. Vediamole insieme.

La prima distinzione è tra guidati e non guidati. Abbastanza intuitivo il concetto: se il segnale si propaga in una direzione ben definita e delimitata non può che essere su un mezzo guidato come un cavo. Se la propagazione del segnale avviene senza una guida fisica ma ad esempio nell’aria, senza una direzione vincolata precisa, come per le onde elettromagnetiche, allora ci troviamo davanti ad un mezzo non guidato.

Senza complicare troppo la trattazione, concentriamoci sui mezzi guidati, quelli di maggior interesse storico e attualmente in uso. Anche qui possiamo fare due distinzioni fondamentali: i cavi metallici, essenzialmente in rame, e quelli basati su silicio e derivati vari del vetro con cui sono invece realizzate le fibre ottiche. La classificazione è fondamentale non solo per il materiale ma anche per come i segnali si propagano nel mezzo. Per i cavi in rame il segnale è una grandezza elettrica, una corrente elettrica in sostanza, che avrà determinate caratteristiche di tensione, corrente e modulazione, per il secondo il segnale è luminoso, una sorta di laser.

La fisica dei cavi

Prima di addentrarci in ulteriori dettagli, è bene distinguere alcune grandezze fondamentali per capire il comportamento dei mezzi e le prestazioni che quindi possono fornire. Diamo una definizione semplificata, rimandando il dettaglio ai manuali specifici di telecomunicazioni.

Attenuazione

E’ la riduzione di intensità del flusso di corrente o del fascio luminoso all’interno del cavo. E’ dovuta a una sorta di resistenza che è intrinseca nel mezzo, un po’ come l’attrito meccanico ad esempio che fa fermare un automobile senza acceleratore premuto. Questo implica che il segnale in un mezzo non può scorrere da una sorgente ad una destinazione per un percorso infinito, ma occorre limitare le distanze o utilizzare strategie per ridare una “spinta” al segnale per parlo procedere per un ulteriore tratto di mezzo. Il fenomeno è evidente non tanto nel segnale elettrico fine a se stesso ma nel segnale elettrico che viene modulato per trasportare delle informazioni.

Rumore

E’ un segnale di disturbo rispetto all’informazione trasmessa in un sistema. Ha una frequenza costante nel tempo che la rende facilmente distinguibile. Un po’ come nel suono che ascoltate con le cuffie, anche se la riproduzione è muta c’è sempre una sorta di fruscio di sottofondo. Il fruscio è dovuto al mezzo trasmissivo realizzato con materiali non perfettamente puri o altre anomalie nella realizzazione, come le saldature dei componenti. Alcune cuffie, non a caso, hanno dei sistemi semplici per eliminare o ridurre i rumori indesiderati che alterano la qualità dell’ascolto.

Distorsione

Il mezzo di per se stesso non è un canale che trasmette un segnale fotocopia a quello che viene inviato, ma sempre una versione alterata. Per svariati problemi fisici, chimici, elettromagnetici sia del mezzo stesso, sia dell’ambiente in cui è posto, al segnale viene sempre aggiunta una distorsione che rende più complessa la trasmissione dell’informazione, soprattutto se in “grande quantità”. Non confondere distorsione e rumore: il rumore si aggiunge ad un segnale esistente, mentre la distorsione altera letteralmente il segnale iniziale. In generale i fenomeni distorsivi sono quelli che compromettono maggiormente le prestazioni dei mezzi trasmissivi, obbligando le sorgenti dei segnali a correggere gli errori delle distorsioni e ad inviare, semplifico, meno informazioni/dati per non amplificare gli stessi fenomeni distorsivi disturbanti. Elementi di distorsione possono essere le condizioni climatiche come la pioggia per i mezzi senza fili, segnali elettromagnetici di altre fonti vicine come cancelli automatici, telefoni cordless, dispositivi telefonici o addirittura grandi fonti di metalli come veicoli che attaversano sezioni di cavi.

Cominciamo a vedere una carrellata dei principali mezzi di nostro interesse discutendo dei vantaggi e svantaggi di ogni soluzione.

Cavi coassiali

Il cavo coassiale lo conosciamo bene per usi non proprio connessi alla trasmissione dati, o meglio, non lo percepiamo come tale. E’ un cavo in realtà storico ma molto, molto utilizzato per svariate applicazioni anche oggi dall’antenna televisiva ai cavetti rca noti come aux per lo stereo o impianti audio come le casse del pc. I connettori hanno la forma circolare che spesso è colorata bianco/rosso per i cavi a coppia destra/sinistra o il classico bianco singolo per la tv, con bagno in oro o altre leghe pregiate.

Una sezione di cavo coassiale con i suoi classici connettori

Come si può vedere, la struttura di questo cavo non è banale da realizzare: un involucro esterno, abbastanza spesso di plastica che isola dal mondo esterno, una prima maglia di metallo o rame, spesso una sorta di pagliuzza intrecciata di fili di alluminio, in alcuni casi un secondo strato di alluminio a foglio, quindi un materiale dielettrico, isolante, tipo plastica e il quindi vero e proprio conduttore con un filo di rame o alluminio piuttosto spesso. E’ un cavo piuttosto spesso e complesso, resistente e non proprio flessibilissimo per via dei tanti strati. Costo piuttosto elevato al salire della qualità dei materiale e del rame utilizzato che lo ha reso cavo molto adatto alla trasmissione video delle tv via cavo negli usa e delle prime versioni di internet e delle reti locali. Una discreta attenuazione obbliga però cavi di lunghezza massima di 20 metri che con particolari strategie possono però raggiungere 500m. Era la tecnologia 10base5, 10Mbit di velocità ma o in trasmissione o in ricezione. Il cavo, avendo un solo conduttore centrale è half-duplex, o invia o riceve, un’operazione alla volta. Il cavo era piuttosto scomodo: non poteva essere ne interrotto ne prolungato, rendendo alquanto difficlle la cablatura di stanze. Altro difetto era l’aggancio dei pc al cavo. Non potendo interrompersi/spezzare, il cavo non aveva delle prese, ma si usavano dei transciver detti “dente di vampiro“, perché fisicamente bucavano il cavo e la sua guaina isolante per poggiare il dente, a contatto col cavo centrale.

Procedura scomoda che spesso danneggiava il cavo in modo irreparabile obbligandone la sostituzione. Di certo una volta piazzato un connettore di un pc, non era consigliabile spostarlo come facciamo con i portatili odierni. Sostituito il vampiro con delle connessioni a T, il cavo è andato presto in pensione per la sue caratteristiche.

Doppino telefonico

Una svolta per le comunicazioni telefoniche fu l’introduzione del doppino, un cavo con due cavetti interni che, intuitivamente servono uno a ricevere, uno a mandare dati. Inizialmente studiato solo per la voce, quindi materiali e frequenze di funzionamento erano ottimizzati per questo genere di comunicazioni. Ben presto negli anni ’70, il doppino è stato usato per collegare i modem casalinghi per le connessioni internet. Conosciuto col nome tecnico di RJ 11, inizialmente erano meno performanti dei cavi coassiali, ma con diversi accorgimenti hanno migliorato avvolgimenti in plastica e intreccio dei cavetti interni per diminuire la diafonia, il rumore dovuto all’accoppiamento elettromagnetico di due cavi che scorrono paralleli tra loro. Il problema di questi cavi è l’altissimo rumore che hanno perché vengono posati in coppie ma in modo massivo e uno parallelo all’altro, lungo i percorsi sotto terra, dovendo e potendo scavare poche volte. La diafonia non interferisce tanto con la voce, ma con la trasmissione dati si, obbligando questi cavi a distanze non oltre i 2 km prima di perdere il segnale tra rumore e attenuazione. Essendo a buon mercato e usato in tutte le case, rappresenta “l’ultimo miglio” tra le cabine degli operatori telefonici e le case degli utenti. Senza troppi giri di parole, sul cavo scorre una corrente elettrica con tensione di soli 48 Volt, che serve anche ad alimentare il telefono di casa che altrimenti non potrebbe suonare senza una presa elettrica! Se vi state chiedendo se si prende la scossa col filo del telefono, si, un leggero fastidio che è si può tranquillamente evitare non toccando entrambi i fili scoperti.

Un DSLAM, una cabina Telecom di quartiere con la cabina elettrica necessaria per erogare la tensione a 48 V

Cavo Ethernet

In realtà non è un mistero se diciamo che il cavo Ethernet, altro non è che un doppino raddoppiato, con quattro coppie intrecciate, due coppie per inviare e due coppie intrecciate per ricevere dati. Nasce come ottimizzazione del doppino dove vengono scelti in modo più accurato avvolgimenti, le forme elicoidali e i materiali utilizzati per rispondere a certe frequenze e tensioni. Esistono più versioni dei cavi Ethernet a seconda delle specifiche tecniche e degli avvolgimenti usati per schermare il cavo e diminuire così interferenze esterne e diafonia.

Intanto le diciture CAT sono riassumibili come indici di datarate, quanti dati possono trasmettere massimalmente e a che distanza. Fanno comunque tutte parte uno standard detto IEEE 802.3 o semplicemente 802.3

Come si può leggere dalla tabella, all’aumentare delle categoria aumenta la velocità del cavo per via delle frequenze utilizzate per il segnale elettrico trasmesso. Ma è la lunghezza del cavo, sostanzialmente, a diminuire. Non è certo un trucco ma a frequenze più elevate delle categorie maggiori, corrisponde una attenuazione maggiore. Ben prima del limite di lunghezza è possibile riamplificare il segnale attraverso dispositivi piuttosto semplici ed economici detti repeater (o hub) o switch. I cavi di cat 5 nascono non schermati, ovvero i fili hanno semplici guaine esterne di plastica ed ogni coppia è semplicemente intrecciata. Questa tecnologia corrisponde alla dicitura UTP (Unshieded Twisted Pairs) in foto. Seguono le diciture:

– F/UTP: cavo schermato nel complesso con nastro che avvolge le quattro coppie.
– U/FTP: sono i cavi con schermatura delle singole coppie.
– F o S/FTP: cavo schermato sia complessivamente che con schermatura delle singole coppie.
– SF/FTP: cavo doppiamente schermato con treccia e nastro e le singole coppie a loro volta schermate singolarmente

Un cavo CAT 5 UTP con la stampa ben leggibile

Le schermature vengono realizzate solitamente con sottili fogli di alluminio. I cavi da cat. 6 in poi, hanno tutti una schermatura per permettere di avere quelle velocità di trasmissione. E’ logico che la schermatura fa alzare i costi di lavorazione e quindi di costo finale per la vendita. 20m di cat 5e costano circa 18 euro, 20 m di cavo di cat 7 28 euro, a cui aggiunger e una manciata di euro per i connettori.

Si faccia attenzione: se si sta costruendo casa e si vuole predisporre un cablaggio interno ai muri, è consigliato usare tecnologie di cavi cat 6/7 che assicurano prestazioni elevate anche per il futuro. In realtà questi cavi per molti utenti normali sono pressoché inutili poiché a fare da collo di bottiglia sono i nostri collegamenti adsl o fibra che al momento spaziano dai 10Mbit a 200 Mbit circa sul nostro modem casalingo, quindi perfettamente in linea con le prestazioni del più economico cat 5e che possiamo collegare al modem e al pc.

Una curiosità: i moderni autoveicoli come anche i bracci robot delle aziende 4.0, hanno ormai grandi quantità di dati da gestire ed inviare ad unità centrali di elaborazione. Ecco perché anche nelle auto, stanno nascendo soluzioni su misura con cavi ethernet che portano dati tra sensori e centralina con superfici che possano minimizzare lo spazio (cavi piatti) e resistere ad alte temperature con guaine speciali.

Fibra ottica

Cavo dalle prestazioni eccezionali grazie ad un principio fisico piuttosto semplice rispetto ai cavi Ethernet tradizionali. Mentre sui cavi scorre una corrente elettrica opportunamente modulata per trasportare dati, nella fibra ottica a viaggiare è un fascio luminoso sparato da un laser ad un estremo del cavo, che “rimbalza” lungo le pareti della fibra stessa. La luce si propaga in questa fibra vitrea, una sorta di sabbia compatta, che interferisce molto poco con il segnale.

Ecco perché le fibre ottiche non risentono dei disturbi elettromagnetici esterni al cavo, non hanno rumori interni come la diafonia dovuta agli accoppiamenti elettromagnetici, bassa attenuazione. Questo fa si che un cavo in fibra possa trasportare bande dati elevate dell’ordine del gigabit ben oltre i 2 Km senza dover essere riamplificato. Con stratagemmi fisici molto complessi questi dati possono in realtà essere portati anche oltre i 20 km di lunghezza che rendono le fibre ottime per i cavi sottomarini.

Lo svantaggio più grande di questi cavi è però il costo che può arrivare a 8 eur al metro contro 1 eur circa del cavo cat 5e. La fibra è anche piuttosto densa e quindi il cavo si piega difficilmente, mentre è addirittura impossibile far fare ai cavi curve con angoli molto acuti, senza spezzare la fibra di vetro interna o comprometterne le capacità riflettenti. Motivo per cui posare un cavo in fibra ottica in canaline o corrugati degli edifici può essere difficile se non impossibile. Anche la loro realizzazione non è semplice poiché richiede molta abilità manuale di tecnici saldatori esperti.

Le caratteristiche di questi cavi sono ottimali solo per collegare edifici o creare dorsali magari tra piani passando “dritti” nella tromba delle scale o dell’ascensore.

Una curiosità. Oggi molte compagnie telefoniche vendono abbonamenti internet con denominazione fibra, qualche volta seguita dalla sigla FTTC (fiber to the cabinet). Bene sapere che la fibra non arriva fino a casa ma fino alla cabina situata nei pressi dei quartieri residenziali. Dalla cabina a casa nostra arriva, tranne in poche rare eccezioni, attraverso il classico doppino di rame. Questo è un po’ un tranello denominato “misto fibra” come potete immaginare, perché si paga molto per avere prestazioni degradate dal cavo in rame. I benefici ci sono dei collegamenti in fibra anche senza “ultimo miglio”, ma è bene sapere cosa si acquista. La vera rivoluzione è la fibra che arriva direttamente nel nostro modem di casa, la FTTH (fiber to the home), sempre più diffusa grazie ad Open Fiber e il sistema concorrenziale che ha creato.

Altri cavi

Esistono decine e decine di tecnologie trasmissive attraverso cavo che sicuramente il lettore conosce: dalla famosa USB passando per altre come Seriale, Parallela, Firewire, Thunderbolt. Sono tecnologie specifiche ideate per connettere punto-punto due dispositivi come ad esempio lo smartphone al pc, la stampante al pc ecc. Sicuramente vantano velocità di comunicazione elevate come USB 2 a 480 Mbs, USB 3 a 5 Gbt e Thunderbolt a 10 Gbs, ma sono cavi che nascono per applicazioni specifiche e che devono servire distanze piuttosto limitate, dell’ordine del metro o poco più. I cavi di queste tecnologie si spingono non oltre i 15 metri, contro i 100 e più delle tecnologie Ethernet.

Etere e wireless

Tra i mezzi non guidati c’è forse l’unico e più diffuso, conosciuto a buon mercato: l’aria! Le comunicazioni senza fili, dette wireless in inglese, hanno rivoluzionato il modo di comunicare e trasportare i dispositivi per la comunicazione, dai cellulari ai pc portatili. In particolare tra le tecnologie che conosciamo ci sono quelle degli smartphone con le varie generazioni 3G, 4G, 5G e il famoso Wi-Fi. Di tecnologie senza fili in realtà ne esistono in numero decisamente elevato anche ci sfugge talvolta: dal bluetooth, al infrarosso ma anche altre applicazioni come ZigBee, LoRa,Wi-Max, HyperLAN ed altre. Tutte sfruttano l’aria, che non è certamente il vuoto dello spazio, per trasmettere non segnali elettrici, non segnali luminosi, ma onde elettromagnetiche. Ogni tecnologia wireless avrà poi un sistema trasmissivo su misura e sfrutterà una serie di frequenze (misurate in Mhz o Ghz), che fungono un po’ da autostrade fittizie, e canali che rappresentano le carreggiate stradali. La seconda unità fondamentale che descrive le onde elettromagnetiche è la loro intensità energetica (semplifico senza entrare in termini fisici) che si misura in Volt/metro. In Italia il limite è di 6 V/m, innalzato a 15 V/m nell’estate 2024 per far fronte alla energivora rete 5G. In Europa in realtà i limiti consentiti sono di 61 V/m per alcune applicazioni ma in genere si attestano intorno ai 27 V/m (Germania)

Più la frequenza è alta, più viene trasportata energia elettromagnetica, più elevata sarà la quantità di dati che viene trasportata. L’aria ha una sua attenuazione che rende obbligatoria la comunicazione entro certe distanze tra punto di propagazione e quello di ricezione. Nel WiFi solitamente queste distanze arrivano intono ai 100m in spazio aperto e senza ostacoli. Si, esattamente, gli ostacoli pregiudicano la conducibilità delle onde elettromagnetiche che non riescono a penetrare in modo agevole i muri e abbattono drasticamente la portata del segnale. Il fenomeno attenuativo è più evidente al variare delle frequenze con cui viene trasmesso il segnale.

Semplifichiamo. Più un segnale è ad alta frequenza, più trasporta energia elettromagnetica, ma più tende ad attenuarsi su brevi spazi di area e degrada enormemente con ostacoli. Ad esempio, il Wi-Fi di casa viaggia a 2,4 Ghz e in genere riesce a coprire tutta casa ma nei punti più lontani dal modem casalingo il segnale arriva debole, pregiudicando la qualità e velocità della connessione che in condizioni normali può arrivare con i WiFi n a 300 Mbit. Il 4G viaggia ad esempio 2,6 GHz ma copre distanze dell’ordine del km tra telefono e il ripetitore telefonico, consentendo scambio dati anche oltre i 42 Mbit e, con alcune tecnologie non molto diffuse, anche oltre a 300 Mbit. Il 5G promette di usare bande di frequenza 4,7 Ghz e 26Ghz, che garantiranno una velocità simile al 4G nella prima 4,7 e intorno al gigabit nominali nel secondo ma solo usando la tecnologia MiMo che “insegue” il dispositivo che richiede tale velocità.

Il problema di frequenze così elevate è che hanno copertura bassissima e decadono a picco di fronte agli ostacoli. Ecco perché queste tecnologie saranno diffuse probabilmente solo in pochi punti densamente abitati con diversi ripetitori. Le tecnologie a bassa frequenza come LoRa a 868 Mhz, trasportano solo un centinaio di kilobit di informazioni ma raggiungono 30 km di distanza, fino al centinaio di km con particolari strategie. Altro problema molto serio delle comunicazioni senza fili, sono l’elevato rumore, soprattutto quando l’aria è perturbata da goccioline d’acqua e umidità ed assolutamente soggetta ad interferenze esterne. Basta infatti avere fonti elettromagnetiche vicine alla nostra per avere il segnale disturbato e meno performante. Ovviamente, il lettore capirà che rumore e distorsione sono impossibili da minimizzare o eliminare, processo invece più semplice nei mezzi guidati dove posso scegliere sempre cavi migliori e maggiormente schermati.

Tralasciamo in questa sede il problema dell’inquinamento elettromagnetico e del grande quantitativo di onde elettromagnetiche che quotidianamente attraversano le nostre stanze e corpi e sull’effetto che potrebbero recare. Ci limitiamo a dire anche le onde millimetriche, quelle ad altissima frequenza ed energia, non interagiscono in modo evidente con il corpo umano (come dire di voler spostare un pallone con un granello di sabbia). Certo il problema esiste ed è molto dibattuto sugli effetti a lungo periodo non ancora misurati.

Ultima modifica 14 Ottobre 2024

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