SISTEMA DI TRASMISSIONE TELEFONICA ANALOGICA E DIGITALE

Per le comunicazioni a grandi distanze viene utilizzata la rete telefonica pubblica, che consente di avere un collegamento in qualsiasi altra parte del mondo.

In ogni nazione, ci sono uno o più gestori della rete telefonica pubblica, ai quali viene pagato un determinato canone per avere la possibilità di accedere ai mezzi trasmissivi.

In Italia il primo gestore fu Telecom Italia, ma in quest’ultimi anni sono nate nuove compagnie telefoniche come Fastweb, Infostrada ecc; adottano sistemi di trasmissione digitale che garantiscono ottimi vantaggi come la velocità di trasporto dati, costi minori dei servizi e migliore affidabilità.

La rete telefonica comunemente usata per le comunicazioni vocali si chiama PSTN (Public Switched Telephone Network).

E’ una rete commutata, cioè si basa sull’idea che per ogni comunicazione si debba stabilire una connessione tra i due interlocutori, che la conversazione per tutta la sua durata segua sempre lo stesso percorso e abbia una un’ampiezza di banda riservata.

La rete telefonica ha una topologia gerarchica; la rete è organizzata in settori, distretti e compartimenti.

L’apparecchio telefonico è collegato al più vicino ufficio della società telefonica, questo collegamento è noto come circuito locale (local loop).

Ogni ufficio è collegato con la centrale di settore; ogni centrale di settore con una centrale di distretto; ogni centrale di distretto con una centrale di compartimento; le centrali di distretto e compartimento sono collegate tra loro.

Si ha quindi una topologia a stella ai livelli inferiori e una topologia a reticolo completo ai livelli superiori.

I circuiti locali sono realizzati con doppini telefonici, le dorsali che collegano le centrali ai livelli più alti della gerarchia di solito utilizzano le fibre ottiche.

La trasmissione che in origine era solo analogica è oggi per la maggior parte digitale; è rimasta analogica solo nei circuiti locali. Sulle dorsali viene usata la trasmissione digitale perché ha molti vantaggi; oltre a permettere la trasmissione di qualsiasi tipo, permette velocità di trasmissione dati molto più alte e più economiche.

Inizialmente queste linee erano nate solo per la comunicazione vocale ma oggi attraverso i nuovi sistemi è possibile trasportare dati.

Al termine del circuito locale avviene la conversione del segnale da analogico a digitale in trasmissione, con la tecnica PCM, mediante i codec, mentre in ricezione la conversione sarà dal segnale digitale al segnale analogico.

Se si usa la linea per collegare il computer e trasmettere dati, i dati digitali devono essere convertiti in analogico dal modem per essere trasmessi sul circuito locale, e poi convertiti di nuovo in digitale per viaggiare sulle dorsali (viceversa in ricezione).

Nelle centrali di commutazione il segnale può essere trattato in modo digitale o in modo analogico servendosi di opportuni convertitori A/D o D/A.

La commutazione è la ricerca di un percorso sulla rete per fare in modo che le informazioni inviate dal mittente arrivino al destinatario. Essa può essere di circuito o di pacchetto.

Nella commutazione di circuito prima di poter cominciare una comunicazione bisogna stabilire un percorso fisico tra gli interlocutori attraverso le centrali di commutazione, e una volta stabilita, le informazioni viaggiano senza problemi, in ordine e seguendo lo stesso percorso.

Nella commutazione di pacchetto il messaggio da trasmettere viene suddiviso in pacchetti; ogni pacchetto deve contenere l’indirizzo del destinatario e del mittente, la ricerca del percorso da seguire deve essere fatta per ogni pacchetto, ogni pacchetto può seguire un percorso diverso dagli altri e arrivare in ordine diverso da quello d’invio; a destinazione i pacchetti vengono riordinati per ricomporre il messaggio.

Il segnale fonico nel doppino telefonico, viaggia in banda base e presenta il seguente spettro:

Affinché possano viaggiare più segnali contemporaneamente sullo stesso mezzo trasmissivo viene effettuata la multiplazione, che può avvenire o in FDM (a divisione di frequenza) o in TDM (a divisione di tempo). La modulazione può essere analogica o digitale. L’analogica può essere eseguita in ampiezza, frequenza o fase. Mentre la digitale viene eseguita mediante le tecniche QAM, PSK, FSK (modulazioni numeriche).

Se si considera la multiplazione FDM, i vari canali telefonici vengono modulati in ampiezza, per poter trasferire la banda base, in un campo di frequenza più alto. A tale scopo vengono effettuate tre modulazioni d’ampiezza successive per poter ottenere prima i gruppi formati da 12 canali, poi i supergruppi formati da 24 gruppi e successivamente vengono modulati i supergruppi per poter riempire tutta la banda del mezzo trasmissivo, che nel caso del cavo coassiale risulta di 50 MHz. (Es. un primo gruppo di 12 canali).

1° Gruppo di 12 canali

Successivamente è possibile modulare più gruppi creando vari super gruppi di 24 gruppi:

Ed infine viene creato un gruppo di super gruppi di 32 canali:

Prendendo in esame un cavo coassiale e modulando più super gruppi si riempie tutto il mezzo di trasmissione fino a 9600 canali.

Intorno agli anni quaranta nacque l’esigenza di aumentare il numero di collegamenti telefonici interurbani.

Questa esigenza però si scontrava con la grande complicazione e il considerevole costo di impianto di grandi fasci di conduttori, ingombranti e difficili da connettere. Si pensò allora a multiplare un gran numero di collegamenti telefonici su un solo cavo coassiale.

Esisteva già a quell’epoca una tecnica per risolvere questo problema e si chiamava FDM (Frequency Division Multiplexing = multiplex a divisione di frequenza). Questa tecnica viene utilizzata in canali analogici, suddividendo l’ampiezza di banda in bande di sottofrequenze o canali logici; ogni trasmissione utilizza un canale che non può essere usato da altre trasmissioni nemmeno quando è libero. Per portare canali vocali su una dorsale analogica con la tecnica FDM la banda viene divisa in canali di 4 KHz con dei filtri; ogni canale vocale viene aumentato in frequenza di diversa quantità, in modo che i canali possano essere combinati. Essa presentava alcuni difetti e limitazioni.

Nacque allora la più moderna TDM (Time Division Multiplexing = multiplex a divisione di tempo). Questa tecnica si può usare solo per le trasmissioni digitali. La TDM suddivide l’ampiezza di banda in base al tempo: le varie trasmissioni ottengono a turno l’intera larghezza di banda per un certo intervallo di tempo; se una stazione non trasmette non viene sprecata banda: l’intervallo di tempo inutilizzato viene assegnato a un’altra stazione. Si tentò di realizzarla per mezzo delle tecniche impulsive PAM, PWM, PPM, che però costituirono solo una fase di passaggio, in quanto furono tutte presto superate dalla modulazione codificata PCM (Pulse Code Modulation = modulazione codificata ad impulsi).

Esiste oggi un PCM Americano, un PCM Europeo, un PCM giapponese.

Il PCM si applica ai canali telefonici e, il tipo europeo, consente di far transitare su un solo cavo coassiale 32 canali contemporaneamente, senza, naturalmente che interferiscano fra loro e indirizzarle, in ricezione ciascuna all’utente richiesto come schematizzato in figura. Dei 32 canali multiplexati, 30 sono canali fonici e 2 sono canali di servizio.

Per realizzare la tecnica PCM si effettuano quattro operazioni a partire dal segnale microfonico di partenza:

·

Svolte dal circuito Sample Hold (S/H)

Campionamento

· Mantenimento

· Quantizzazione

· Codifica

TEOREMA DEL CAMPIONAMENTO (o di Shannon)

Il teorema del campionamento di Shannon afferma che campionando un segnale analogico alla frequenza fc ≥ 2 fmax e facendo passare il segnale attraverso un filtro PASSA BASSO, si riottiene il segnale di partenza.

Perché dobbiamo campionare alla frequenza maggiore uguale del doppio della frequenza massima?

La risposta si ottiene esaminando lo spettro del segnale campionato.

1° Caso: per fc ≥ 2 fmax

Campionando il segnale alla frequenza fc > 2 fmax, si ottengono infiniti spettri tutti uguali al segnale di partenza, come viene riportato in figura:

Filtrando uno di questi spettri si riottiene il segnale di partenza. Attraverso il filtro Passa Basso viene filtrato il primo spettro oppure con un filtro Passa Banda è possibile selezionare qualunque altro spettro.

2° Caso: per fc = 2 fmax

Campionando il segnale alla frequenza fc = 2 fmax, si ottengono infiniti spettri tutti uguali al segnale di partenza, come viene riportato in figura:

Filtrando il primo spettro si può riottienere il segnale di partenza attraverso un filtro Passa Basso molto selettivo.

3° Caso: per fc < 2 fmax

Campionando il segnale alla frequenza fc < 2 fmax, si ottengono infiniti spettri tutti uguali al segnale di partenza, come viene riportato in figura:

In questo caso esiste una zona d’interferenza in quanto gli spettri sono sovrapposti, per cui non è possibile selezionare con un filtro il singolo spettro (non si otterrà il segnale di partenza).

IL CIRCUITO SAMPLE HOLD (S/H): Mantenimento del segnale

L'effetto di questo circuito è di mantenere il valore analogico constante per il tempo necessario al convertitore o ad altri circuiti successivi per compiere delle operazioni sul segnale.

Nella maggior parte dei circuiti si utilizza un condensatore a bassa capacità C per conservare la tensione analogica, più un transistor (solitamente un JFET, che ha una piccola resistenza di ingresso intrinseca R), il quale funge da interruttore, connettendo e disconnettendo il condensatore all'ingresso analogico. Al source del transistor è collegato un buffer, che mantiene l'impedenza di ingresso globale elevata.

La procedura di utilizzo consiste nell'iniettare nel gate del transistor un segnale impulsivo, permettendo così al source del JFET di raggiungere (in modo pressoché istantaneo, date le grandezze del partitore RC) la tensione del generatore in ingresso. Nell'istante successivo all'immissione dell'impulso, l'interruttore si chiude, perciò il condensatore non si scarica, "memorizzando" così il segnale di ingresso. Ripetendo tale procedura più volte, si ottiene in uscita una rappresentazione "a scalino" della tensione di ingresso. La frequenza con cui l'interruttore viene aperto o chiuso è la frequenza di campionamento del sistema.

QUANTIZZAZIONE

La fase successiva prende il nome di quantizzazione, e consiste nella scelta di livelli discreti per i campioni così ottenuti che, nell’esempio seguente sono otto e di valori tutti eguali.

Nella realtà invece i livelli sono 256, di cui 128 positivi e 128 negativi, ed inoltre non sono tutti di valore eguale ma, per mantenere costante il rapporto segnale/disturbo su tutta l’escursione dell’ampiezza, sono anche di ampiezza variabile secondo una funzione logaritmica.

E’ evidente che in questa fase si compie un errore, detto errore di quantizzazione, in quanto il segnale vocale di partenza poteva assumere qualunque valore, all’interno della sua escursione, essendo continuo, mentre il segnale quantizzato può assumere solo alcuni valori precisi. Scegliendo però un numero molto alto di livelli, 256, non ha effetto sull’orecchio umano la variazione per intervalli discreti dell’ampiezza del segnale, perché risulta al di sotto della soglia di sensibilità.

CODIFICA

In questa quarta fase gli impulsi, campionati e quantizzati, vengono codificati, cioè la loro ampiezza viene trasformata in una sequenza di bit secondo un codice binario. Ad esempio, se l’ampiezza del primo impulso è di 5 V, verrà rappresentata dalla sequenza binaria: 101. In realtà nel PCM Europeo, essendo i livelli 256, per rappresentare ogni campione, occorrono 8 bit. Il segnale analogico allora viene trasformato in una sequenza di bit che in codice rappresentano le ampiezze di ciascuno dei campioni del segnale stesso.

Tra una sequenza di 8 bit e la successiva però, nel PCM Europeo, si trasmettono altre 31 sequenze di 8 bit che rappresentano altri 31 canali telefonici tutti multiplexati sullo stesso cavo coassiale. In un solo cavo pertanto transitano 32 segnali numerici che indipendentemente l’uno dall’altro vengono indirizzati ciascuno al proprio corrispondente utente destinatario. Si costituisce pertanto una TRAMA del PCM costituita da una sequenza temporale di 32 canali numerici, dal n. 0 al n. 31, in cui il n. 0 serve per dettare il sincronismo al ricevitore ed il n. 16 per il controllo della bontà di trasmissione degli altri canali. I canali vocali utili sono quindi 30, mentre 2 sono di servizio. In ricezione ogni canale viene inviato al destinatario richiesto in quanto esiste il primo canale di sincronizzazione.

Non appena viene ricevuto pertanto il segnale di sincronizzazione infatti, il ricevitore invia il successivo canale all’utente richiesto dal n.1, il seguente al n.2 ecc. Il tempo dedicato dalla trama ad un canale è naturalmente quello di tutta la trama diviso per 32:

Ma poiché per ogni canale si trasmettono 8 bit, il tempo dedicato alla trasmissione di un bit è quello di un canale diviso 8:

Poiché vengono trasmessi 32 canali con 8000 campioni al secondo, ed ogni canale contiene 8 bit, ogni secondo vengono trasmessi un numero di bit:

La velocità di trasmissione numerica di 2 Mbps può essere ulteriormente aumentata passando a 4 Mbps, 8 Mbps ecc e quindi aumentando il numero di canali trasmissibili sullo stesso mezzo, per esempio utilizzando la fibra ottica è possibile trasmettere migliaia di canali superiori a quelli del cavo coassiale. L’unica limitazione è dovuta alla tecnologia in uso.