La linea di comunicazione

La linea dicomunicazionePer i sistemi di comunicazioni ottiche (CO): F~100 THz(regione visibile o infrarossa dello spettro) Alcontrario per i sistemi a microoonde: F~1GHzRegola che fornisce la gerarchia dei sistemi dicomunicazione:Acustica < onde radio < micro-onde< OTTICAF ~10 KHz ~100KHz-1GHz 1GHz-100GHz ~100THz• Ad esempio, una lunghezza d’onda λ=1 µmcorrisponde a ν=c/λ=3x10 8 /10 -6 =3x10 14 Hz=300 THzLa distanza di trasmissione e’ limitata dall’attenuazionedell’onda dal mezzo: oltre una certa distanza, l’ondae’ talmente attenuata che il messaggio non puo’ piu’essere estratto dal rumoreDue cause principali per l’attenuazione di un’onda:• L’attenuazione per ASSORBIMENTO nel mezzoSi deve dunque ricercare il mezzo di trasmissione il piu’trasparente possibile. Dato che l’assorbimentodipende anche fortemente dalla frequenza delsegnale, bisogna cercare le MIGLIORI COPPIE(mezzo di propagazione/frequenza del segnale)

La linea dicomunicazione• L’attenuazione per DIFFUSIONE nello spazioPer semplificare, si dimentica l’assorbimento e si consideraun emettitore ISOTROPO. Ad esempio, una stellalontana che irradia nello spazio, o una sorgentepuntualeSuperficie d’onda= insieme di punticon la stessa faseRaggi=ortogonali alle superficid’onda=direzione di propagazioneIl ricevitore raccoglie l’energia che provienedalla sorgente e che arriva sulla superfice dirivelazione, ad esempio dei FOTONIDato che l’energia emessa dalla sorgente si diffonde eripartisce su delle superfici d’onda 4πR 2 , un rivelatoredato di superficie S ricevera’ un’energia per unita’ ditempo pari aPricevuta=PemessaS4πR2

La linea dicomunicazioneIl rapporto G=R max/R 0e’ detto GUADAGNO dell’antennae non dipende da P 0La zona di COPERTURA e’ proporzionale a ∆Ω:Area della zona di coperturasatellite2A ∝ R ∆Ω∆ΩA potenza d’emissioneRdata, piu’ il guadagno e’importante piu’ la zonadi copertura e’ ridotta:G ∆Ω ~ CostanteDi conseguenza, la potenza del segnale ricevutocontinua a diminuire quando la distanza aumenta.La propagazione nello spazio libero:• Richiede: una potenza importante della sorgente;dei ricevitori molto sensibili• Vantaggio: copertura multi-utilizzatori• Inconvenienti: sensibilita’ alle condizioniatmosferiche, mancanza di confidenzialita’Pcricevuta∝SAcP0S≈ P2 0R ∆Ω

La linea dicomunicazioneUna soluzione per sopprimere le perdite per diffusione delleonde: propagazione GUIDATA.EmettitoreGuide d’ondaRicevitoreLe guide d’onda restringono dall’origine le direzioni possibilidi propagazione: non c’e’ piu’ diffusione dell’onda nellospazioOsservazione: sono qui sinonimi DIFFUSIONE-DIFFRAZIONE-IRRAGGIAMENTO-diffusione COERENTEQuesto tipo di comunicazione e’ A PRIORI MONO-UTILIZZATORE. Si vedra’ nel seguito come una solaguida d’onda puo’ permettere il passaggio simultaneodi piu’ messaggi destinati a diversi ricevitori, inparticolare attraverso la tecnica della multiplazione

La linea dicomunicazioneNotiamo anche che la propagazione guidatapermette a priori anche il funzionamento bidirezionaledel sistema.Diversi tipi di GUIDE d’ ONDA corrispondono aidiversi domini di frequenza della portante.Ritorno nel dominio elettrico (B.F.): nel dominio dellefrequenze poco elevate (qualche kHz), si puo’semplicemente trasmettere un segnale elettricoconnettendo due fili conduttoriEB.F.RSi consideri ad esempio la connessione tra unimpianto HiFi e i suoi altoparlantiQuando la frequenza aumenta, il campo elettricovariabile produce un campo magnetico variabilesignificativo, il che forma un campoelettromagneticoche tende ad irraggiare al di la’dei fili di cablaggio ⎧ r r 1 ∂E⎪RotB = µ0j +2c ∂tAccoppiamento E-B ⎨ r⎪ ∂BCampo EMRotE = −⎩ ∂t

La linea dicomunicazioneUna carica che oscilla irraggia Il conduttore si comportacome un insieme di dipoli oscillantiB E1 dipolop0=p =pNedz0cosωt= ρ Sdzdqi = = Neω= ρeSdtdp0i = ωdz0e0ep 0 =carica elettrica nel cilindro elementare di volume Sdz 021 ω p0µ0ωidzE = =24πε0Rc 4πRµ0ωImdzµ0νImdzδ E = =4πR 2 RA intensita’ di corrente costante, il campo irraggiatoaumenta in proporzione alla frequenza, quindi lapotenza irraggiata aumenta con il quadrato dellafrequenza di trasmissione

La linea dicomunicazioneA partire da 100 kHz, diviene necessario diutilizzare la propagazione guidata persopprimere la maggior parte di questoirraggiamentosoluzioniEB.F.RERCavo coassiale metallicoFrequenze < 2GHzERGuida rettangolareFrequenze 2-100 GHzERFibra ottica dielettricaFrequenze ~100 THzPer la guida rettangolare e la fibra ottica, notiamoche ogni guida e’ adattata alla gamma difrequenze che trasmette.In altre parole, la dimensione trasversa della guidae’ dello stesso ordine di grandezza dellalunghezza d’onda trasmessa

La linea dicomunicazioneGuida rettangolare: d~1 cm ondecentrimetriche (ν~10 GHz)Fibra ottica: d ~0.9 µm, Dominio ottico(visibile- IR prossimo)Riassumendo, la propagazione guidatasopprime l’irraggiamentoElimina l’attenuazione per diffusionedell’onda nello spazio Assicura la confidenzialita’ delcollegamentoSistemi di CO a fibra: utilizzano la fibra ottica,installati nel mondo a partire degli anni80, e hanno rivoluzionato la tecnologiadelle telecomunicazioni

La linea dicomunicazioneFrequenza limitata dalle perdite del cavo, importantioltre i 10 MHz Sviluppo dei sistemi amicrooonde, con una portante di 1-10 GHz: Primoservizio messo in opera nel 1948. Capacita’ percanale ~100 Mb/s (nel 1974, sistema a cavocoassiale con capacita’ record 274 Mb/s)Limitazione dei sistemi a cavo coassiale: piccolaspaziatura fra i ripetitori (~1 km) cari!Come misurare la capacita’ del sistema? Si usa ilPRODOTTO BIT RATE-DISTANZA, BL, dove L e’ ladistanza fra ripetitori.Diagramma della crescita di BL in 150 anni

La linea dicomunicazioneNella 2 a meta’ del 20 esimo secolo, si e’ compreso che sipuo’ aumentare BL di alcuni ordini di grandezza sesi utilizza una portante otticaOrigine: invenzione del laser nel 1960Mezzo di trasmissione: le fibre ottiche sono stateintrodotte fin dal 1966. Probleme: le grandi perditedelle fibre (fino a 1000 dB/km nel 1960!)Nel 1970, utilizzando λ~1 µm, le perdite furonoridotte a 20 dB/km… nello stesso tempo, sono statidimostrati dei laser a semiconduttore in GaAS atemperatura ambienteAumento della portata dei sistemi ottici dal 1980:aumento di un fattore di 100,000 in 25 anni,distanze da 100 a 10,000 km BL aumentato diun fattore 10 7 !

Introduzione allapropagazione guidataEvoluzione dei sistemi otticiLa ricerca ha cominciato nel 1975 Diversegenerazioni di sistemi ottici. Aumento di BL(linea continua: raddoppio di BL ogni anno)Si noti: per ogni nuova tecnologia, aumento diBL e poi saturazione, poi un salto dovuto auna nuova tecnologia!• Prima generazione: a 0.8 µm, con laserGaAs, commerciale nel 1980; tasso di 45Mb/s, distanza fra ripetitori di 10 km

Introduzione allapropagazione guidataDipendenze delle perdite e della dispersione della fibra dallalunghezza d’onda• Seconda generazione: a 1.3 µm, dove le perdite sono < 1dB/km con laser InGaAsP, commerciale all’inizio degli anni80; capacita’ limitata a 100 Mb/s dalla dispersione dellefibre multimodo; utilizzando delle fibre monomodo, si e’dimostrata nel 1981 una trasmissione a 2 Gbit/s su 44 km Sistemi commerciali a Gbit/s nel 1987, distanza fraripetitori di 50 km (limitata dalle perdite pari ai 0.5dB/km)

Introduzione allapropagazione guidata• Perdite minime delle fibre di silice pari a 0.2dB/km a 1550 nm. Ma la dispersione e’ grande, ilche ha limitato l’introduzione dei sistemi di 3 agenerazione. Necessario di usare delle fibre adispersione spostata, e lasers con un solo modolongitudinale. Negli anni 90, si sono sviluppati deisistemi a 2.5 Gbit/s Possibili dei tassi diripetizione fino a 10 Gbit/s; la rigenerazioneelettrica e’ necessaria tutti gli 70-80 km (a menodi utilizzare una rivelazione coerente)• Sistemi di 4 a generazione: utilizzanol’amplificazione ottica al posto della rigenerazioneelettrica, e la multiplazione in frequenza Rivoluzione dal ’92, raddoppio della capacita’ delsistema ogni 6 mesi! Capacita’ pari a 10 Tbit/s nel2001! Perdite delle fibre: compensateperiodicamente ogni 70-80 km, amplificatoridisponibili in commercio dal 1990; nel 1991, si e’mostrata una trasmissione a 2.5 Gbit/s su 21,000km Possibile una trasmissione tutto-otticatransoceanica: commerciale fin dal 1996 (a 5Gbit/s)

Introduzione allapropagazione guidataRete internazionale sottomarina nel 2000Nel 1998: 27,000 km « Fiberoptic Link Around theGlobe » (FLAG)E’ necessario di sviluppare una nuova tecnologia pergli amplificatori per ricoprire la regione da 1420 a1620 nm. Nel 2000, si e’ dimostrata la trasmissionedi 3.28 Tbit/s con 82 canali a 40 Gbit/s su 3000 km BL = 10000 Tb/s-km Aumentata in un annofino a 11 Tb/s…

Introduzione allapropagazione guidata• 5 a generazione di sistemi ottici: estensione deldominio delle lunghezze d’onda nella tecnica WDM Banda convenzionale fra 1553 e 1570 nm:banda C; estensione nelle bande S e L Utilizzarela tecnica dell’amplificazione Raman; disponibilinuove fibre a perdite ridotte fra 1300 e 1650 nmInfine, si cerca di aumentare il tasso d’informazionebinario per canale a 160 Gbit/s attraverso lagestione della dispersione cromatica