Lavori-V-2011-2012_files/Ponti radio

I.P.S.I.A. Di
BOCCHIGLIERO
a.s. 2011/2012
- classe V-
Materia: Elettronica, Telecomunicazioni ed applicazioni
---- Ponti radio terrestri e satellitari ----
alunna
De Filippis Fortunata Felicia
prof. Ing. Zumpano Luigi
IPSIA Bocchigliero
-Elettronica, Telecomunicazioni ed Applicazioni-
Ponti radio terrestri e satellitari
PONTI RADIO TERRESTRI E SATELLITARI
Con la denominazione di ponte radio si definisce un insieme di apparecchiature atte a stabilire un
collegamento bidirezionale, in genere multicanale, tra due punti fissi,per mezzo di onde
elettromagnetiche ad alta frequenza. L'uso di frequenze radio molto elevate rende questi
collegamenti idonei alla trasmissione di un elevata quantità di informazioni e consente d'impiegare
bassi valori della potenza a radiofrequenza dei trasmettitori. I ponti radio sono caratterizzati da una
larghezza di banda di modulazione, chiamata banda base, che può essere utilizzata per realizzare
canali telefonici, telegrafici,televisivi,musicali e dati. In funzione della larghezza della banda risulta
definita la capacità trasmissiva del ponte radio, che viene solitamente espressa come numero di
canali telefonici da esso convogliabili. Per i ponti radio analogici, cioè quelli in cui il segnale
modulante è costituito dalla banda base proveniente da un multiplex FDM, le capacità più usate
sono di 960-1800-2700 canali.
In telecomunicazionil termine ponte radio si utilizza anche per indicare una connessione wireless
a radiofrequenza tra punti fissi, realizzata a mezzo di una opportuna infrastruttura di
telecomunicazioni, al fine di trasmettere a distanza dati, fonia, video e/o altre informazioni
opportunamente codificate/modulate in una radiocomunicazione. Diffuso è il loro utilizzo nelle
radiodiffusioni dei segnali radio-televisivi terrestri. Il concetto può essere esteso anche alle
radiocomunicazioni tra punti mobili come ad esempio nelle reti radiomobili cellulari tra il terminale
utente e la Stazione radio base, sia pure con le dovute differenze tecniche di radio collegamento. Un
ponte radio può essere terrestre se si appoggia ad infrastrutture poste sulla superficie terrestre o
anche satellitare se si appoggia sui satelliti artificiali in orbita e le relative telecomunicazioni
satellitari.
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I Ponti Radio quindi sono dei collegamenti radio bidirezionali fra due stazioni fisse, effettuati a
mezzo di microonde, utilizzando antenne paraboliche, logaritmiche o Jagi a seconda della distanza.
A seguito dell’uso di antenne molto direttive, vengono pertanto a formarsi dei fasci di onde
elettromagnetiche ad alta frequenza, strettissimi e concentrati, che consentono la trasmissione di una
grande quantità di informazioni che, nel caso di distanze di qualche decina di chilometri vengono
trasmesse con pochi Watt di potenza. Poiché la propagazione delle onde elettromagnetiche a queste
frequenze avviene in modo analogo a quella della luce, la trasmissione avviene in modo rettilineo,
perciò le antenne devono essere a visibilità diretta, cioè l’una deve vedere l’altra, senza ostacoli in
mezzo, che intercetterebbero il fascio di onde interrompendo la trasmissione. In alternativa
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possiamo interporre un ripetitore tra i due punti che, come dice la parola stessa, ripete il segnale da
un punto all'altro.
Collegamento in ponte radio con ripetitore intermedio:
STAZIONE
TERMINALE
STAZIONE
RIPETITRICE
STAZIONE
TERMINALE
T
R
T
R
R
T
R
T
ANTENNE E RIPETITORI PASSIVI
Tra i tipi di antenne a riflettori frequentemente impiegate nei ponti radio, ricordiamo l'antenna a
tromba-riflettore e l'antenna Cassegrain che consentono di evitare l'effetto ombra dell'illuminatore
sulle onde riflesse e di ridurre i problemi relativi allo spillover. Le antenne dei ponti radio possono
essere a polarizzazione orizzontale o verticale, a seconda che il vettore del campo elettrico E sia
rispettivamente orizzontale o verticale. In pratica, a causa della non perfetta specularità delle
superfici riflettenti e delle disuniformità di polarizzazione del segnale emesso dell'illuminatore, una
piccola parte dell'energia viene irradiata con polarizzazione perpendicolare a quella nominale ; il
disaccoppiamento tra le due ammonta normalmente a qualche decina di dB. In alcuni casi il
problema può essere risolto più semplicemente impiegando una superficie metallica, detta ripetitore
passivo o specchio, installata in un punto opportuno, in modo da riflettere le onde e.m provenienti
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dall'antenna trasmittente verso quella ricevente, aggirando l'ostacolo.
I ripetitori passivi, sono dei veri e propri specchi per radioonde come quella in figura:
Un piano di materiale conduttore ideale, cioè perfettamente piano e con conducibilità infinita,
riflette perfettamente le onde elettromagnetiche. La conducibilità dei metalli è talmente elevata da
non causare apprezzabili perdite per dissipazione. Quello che influisce sulla bontà di uno specchio
elettromagnetico è invece la planarità (e il grado di lavorazione della superficie) e come si vedrà
l'area. La rugosità di una superficie influisce sulla bontà di uno specchio se le dimensioni delle
imperfezioni sono comparabili con la lunghezza d'onda. Negli specchi ottici (lunghezze d'onda
inferiori al micron) la perfezione del piano metallico è importantissima, e il metallo viene ricoperto
da una lastra di vetro proprio per proteggere la superficie metallica riflettente. Per le onde radio un
piano riflettente può essere costituito anche da una griglia metallica, purché gli spazi vuoti siano
molto più piccoli della lunghezza d'onda λ. Alcune antenne sono costituite da griglie, si veda anche
la risposta sulla gabbia di Faraday, in particolare dove viene descritta la riflessione delle onde dai
mezzi metallici.
EVANESCENZE E TECNICHE A DIVERSITA'
Nei collegamenti in ponte radio il segnale all'ingresso dei ricevitori si presenta, istante per istante,
variabile casualmente sia come ampiezza che come fase. Tali variazioni, che prendono il nome di
evanescenze si traducono in una non linearità della trasmissione, causando distorsioni sul segnale
modulato. Le variazioni di ampiezza vengono in parte compensate con l'introduzione di regolatori
automatici di livello, mentre per quelle di fase non esistono efficaci metodi per limitarle. Per far
fronte al fenomeno delle evanescenze e per assicurare ai collegamenti in ponte radio la necessità
affidabilità, si ricorre ai sistemi a emissione multipla, applicando le cosiddette tecniche a diversità
di frequenza o di polarizzazione. Nella diversità di frequenza sono impiegate due frequenze portanti
diverse, modulate con lo stesso segnale in banda base, le quali vengono irradiate da due
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trasmettitori connessi alla stessa antenna mediante filtri di disaccoppiamento; in ricezione vengono
captate da un' unica antenna ,selezionate mediante filtri ed inviate a due distinti ricevitori, le cui
uscite provengono ad uno scambio, che seleziona di volta in volta il fascio radio migliore scartando
l'altro, oppure ad un combinatore che effettua la somma dei due segnali in banda base, restituendo
in uscita un segnale avente qualità superiore al migliore di essi. Nella diversità di polarizzazione è
impiegata una sola frequenza portante che viene irradiata mediante un'antenna equipaggiata con due
illuminatori aventi polarizzazioni ortogonali.
RUMORE NEI PONTI RADIO. PREENFASI E DEENFASI
Nei ponti radio sono presenti diversi segnali di rumore di origine interna, alcuni tipici ed altri
comuni a tutti gli apparati di trasmissione.
– rumore di fondo
– rumore da modulazione parassite
– rumore di intermodulazione di prima specie
– rumore di intermodulazione di seconda specie
Il rumore complessivo che ne risulta può essere considerato formato da due parti : la prima
si mantiene costante su tutta la banda ed è costituita dal rumore di fondo, dal rumore dovuto
alla modulazione parassita di ampiezza nonché dal rumore di intermodulazione di prima
specie, se si escludono le basse frequenze; la seconda ha andamento crescente con la
frequenza ed è formata dal rumore di intermodulazione di seconda specie e da quello della
modulazione di fase parassita.
PONTI RADIO NUMERICI
Il rapido diffondersi delle tecniche numeriche per la trasmissione dell'informazione ha condotto alla
realizzazione di ponti radio numerici, nei quali la banda base è costituita da segnali digitali
organizzati in una trama del tipo PCM. Questi apparati offrono tutti i vantaggi delle tecniche
numeriche, in particolare:
- quantità di trasmissione più elevata
– minore sensibilità alle interferenze
– manutenzione facilitata
– possibilità di protezione mediante cifrature delle informazioni da trasmettere.
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Nei ponti radio numerici la modulazione normalmente impiegata è quella a salto di fase anche se
per ponti di piccola capacità trova applicazione la modulazione di ampiezza ON/OFF, ottenuta
sopprimendo la portante in corrispondenza degli impulsi modulanti.
I ponti radio numerici sono quelli in cui la banda base è costituita da segnali digitali organizzati in
una trama del tipo PCM.
Oggi si tende sempre più a preferire la trasmissione di dati sotto forma numerica per i numerosi
vantaggi che questo tipo di modulazione ha rispetto a quella analogica e che si schematizzano di
seguito:
•possibilità di rigenerazione dei segnali a distanza
•possibilità di individuare e correggere gli errori in ricezione
•segretezza della trasmissione a seguito delle codifiche usate
•capacità di utilizzare le stesse strutture per trasmettere dati di tipo diverso tra loro, cioè
televisivi, telefonici, telegrafici, trasmissione dati, fax, ecc.
Ponte radio numerico:
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Ricevitore di una stazione terminale di ponte radio numerico.
CARRIER
RECOVERY
PCM
CONV
DEM
RIGEN
CLOCK
OL
I ponti radio analogici trasmettono fasci di onde elettromagnetiche con frequenze tipicamente di 2 –
4 – 6 – 7 – 8 – 11 – 13 GHz.
Le potenze in gioco vanno da 1 W a qualche decina di Watt con distanze che vanno da qualche
chilometro a qualche decina di chilometri e le antenne usate sono di solito le paraboliche, le horn
reflector, le cassegrain le cui forme sono schematizzate alla pagina precedente.
La modulazione più usata è quella di frequenza (FM), che consente una considerevole insensibilità
ai disturbi di origine elettromagnetica, e la multiplazione è la FDM
Le capacità tipica è di 960 – 1800 – 2700 canali telefonici.
Nei ponti radio, si usano due frequenze diverse, una per la trasmissione, e una per la ricezione,
sempre per evitare il fenomeno dell’autooscillazione, oppure, in alternativa, si usa talora la stessa
frequenza e due direzioni ortogonali di polarizzazione.
In questo modo è possibile separare il segnale in trasmissione da quello in ricezione, senza
permettere che interferiscano tra loro nonostante si trovino contemporaneamente sulla stessa
antenna.
Un ponte radio di tipo analogico, modulato in F.M. può essere di due tipi: a modulazione diretta, o a
modulazione indiretta.
Il primo, a modulazione diretta, è più semplice come schema, ma è di fatto meno usato.
Il più diffuso è invece quello a modulazione indiretta, più complesso come struttura, ma
tecnicamente migliore.
QUALITA' DELLA TRASMISSIONE NEI PONTI RADIO NUMERICI
la qualità della trasmissione è misurata dal tasso d'errore il quale, come tutti i sistemi digitali, ha un
andamento a soglia, cioè il passaggio dalla situazione di normale funzionamento a condizioni
inaccettabili avviene bruscamente. Le principali cause del degradamento della quantità sono dovute
al rumore di fondo, all'interferenza intersimbolica e alle interferenze a radiofrequenza.
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MISURE SUI PONTI RADIO
I ponti radio costituiscono degli elementi fondamentali negli attuali sistemi di telecomunicazioni e
devono garantire una elevata affidabilità e delle prestazioni ottimali. Per tale motivo le misure
eseguite su questi apparati sono numerose e standardizzate. I principali fattori misurati sono i
seguenti :
-potenza trasmessa: viene misurata con il metodo bolometrico all'uscita dell'apparecchiatura
trasmittente.
-rumore a riposo e di intermodulazione : il primo è costituito dal rumore di fondo in uscita
dell'apparecchiatura ricevente, quando in ingresso al trasmettitore non è applicato alcun segnale.
-deviazione di frequenza: è una caratteristica del modulatore FM utilizzato nei ponti radio analogici.
La misura viene eseguita con il metodo dell'azzeramento della portante.
-sensibilità: è una caratteristica del ricevitore che descrive la variazione del rapporto S/N di uscita,
in funzione dell'intensità del segnale ricevuto in ingresso.
-quantità dei ponti radio numerici: la quantità di un ponte radio numerico è espressa dal
tasso di errore, in funzione del rapporto S/N in ingresso al ricevitore.
PONTI RADIO SATELLITARI
I satelliti artificiali per telecomunicazioni consentono la realizzazione di collegamenti bidirezionali
fra due o più stazioni terrestri per telefonia, telegrafia,trasmissioni di dati o immagini, fungendo da
ripetitori ed amplificatori in maniera analoga alle stazioni ripetitrici dei ponti radio terrestri. In
considerazione di ciò, i collegamenti via satellite vengono anche denominati ponti radio spaziali.
Sono stati mandati in orbita attorno alla terra, dall’inizio degli anni 60 fino ad oggi, qualche
migliaio di satelliti artificiali. Di questi, la maggior parte sono di tipo militare ed hanno lo scopo di
rilevare la presenza di missili strategici avversari e di altre strutture militari disseminate sul globo.
Altri sono di tipo scientifico e servono per il rilievo delle caratteristiche dell’atmosfera,del suolo,del
mare,dell’ozono,o di tipo astronomico,come il telescopio orbitante Hubble o la stazione orbitante
attualmente attiva. Esistono inoltre oggi anche diverse centinaia di satelliti per telecomunicazioni In
orbita geostazionaria equatoriale che hanno lo scopo di fare da ripetitore fra due stazioni in ponte
radio terrestri. Secondo le leggi di Keplero, l’orbita di un satellite attorno ad un corpo celeste,
applicata al caso della terra, può essere o una circonferenza con la terra al centro, oppure una ellissi
con la terra in uno dei due fuochi. I satelliti per telecomunicazioni si muovono in orbite circolari
equatoriali, e compiendo un giro esattamente ogni 24 ore, ci appaiono come se fossero immobili nel
cielo. I programmi televisivi via satellite vengono trasmessi da una stazione terrestre con grande
antenna parabolica che trasmette al satellite geostazionario.
Il satellite poi li irradia su una grandissima superficie terrestre, su intere nazioni che li ricevono con
una semplice e piccola antenna montata sul tetto o in un balcone e puntata in un punto fisso del
cielo nella fascia equatoriale e verso sud nell'emisfero boreale, verso nord in quello australe. Oggi i
satelliti per telecomunicazioni portano a bordo numerosi trasponder che consentono la gestione di
parecchie migliaia di canali telefonici e di qualche decina di canali televisivi.
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