Ponti radio

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Ponti radio
Per ponte radio si intende un sistema di collegamento, bidirezionale, a larga banda, che utilizza le onde elettromagnetiche per trasmettere informazioni sia analogiche
sia digitali.
I ponti radio sono utilizzati per:
● comunicazioni telefoniche multicanali di tipo analogico
(tecnica FDM) e di tipo digitale (tecnica PCM);
● trasmissioni radiotelevisive;
● trasmissione dati;
● sistemi a larga banda.
La capacità trasmissiva del ponte radio è solitamente espressa
come numero di canali (telefonici, televisivi, dati e musicali).
Le frequenze utilizzate sono molto elevate dell’ordine dei
[GHz] (campo delle microonde) e di conseguenza la propagazione delle onde elettromagnetiche è per onda diretta.
Le frequenze impiegate nei ponti radio sono per esempio
quelle riportate nella tabella 1.
Tab. 1.
Gamma di frequenze
[GHz]
Campo di frequenze
[GHz]
2
1 700 2 300
4
3 600 4 200
6 (Bassa)
5 925 6 425
6 (Alta)
6 430 7 110
7
7 125 7 725
8
7 725 8 500
11
10 700 11 700
13
12 700 13 250
18
17 700 19 700
Per le attuali comunicazioni a larga banda si cerca di utilizzare frequenze sempre più elevate in modo da poter disporre
di canali di trasmissione a larga banda dell’ordine di qualche
[GHz].
Per la trasmissione e la ricezione dei segnali sono utilizzate
le antenne paraboliche perché hanno un elevato guadagno
e sono molto direttive.
Siccome vengono impiegate antenne a elevato guadagno, il
livello di potenza utilizzato è basso, cioè dell’ordine del watt
o di qualche decina di watt.
Le tecniche di modulazione utilizzate sono la modulazione
analogica di frequenza (FM), le modulazioni digitali PSK e
QAM.
I ponti radio sono classificati in terrestri e satellitari.
Ponti radio terrestri
I ponti radio terrestri (fig. 1) sono quelli che collegano direttamente due stazioni situate entrambe sulla superficie terrestre, in posizione elevata per aumentare l’orizzonte ottico
e per evitare la presenza di ostacoli interposti tra le due stazioni.
Fig. 1. Ponte radio a una tratta.
La distanza tra le due stazioni è limitata dal fatto che la traiettoria dell’onda elettromagnetica all’interno della troposfera
subisce un incurvamento dovuto al variare dell’indice di rifrazione con l’altezza dal suolo, dall’attenuazione (per assorbimento, per diffrazione e diffusione) e dal fenomeno
fading. Pertanto la distanza è di qualche decina di [km], cioè
10 60 [km].
Per la ricezione e la trasmissione dei segnali, al fine di evitare interferenze, si opera con due frequenze diverse sia nel
caso in cui venga utilizzata una sola antenna sia quando sono
impiegate due antenne, una trasmittente e l’altra ricevente.
Per i collegamenti a lunga distanza è necessario fare uso di
ponti radio a più tratte come illustrato nella figura 2.
Fig. 2. Ponte radio a due tratte.
Ponti radio satellitari
I ponti radio satellitari sono quelli che permettono di collegare almeno due punti molto distanti sulla superficie terrestre utilizzando un satellite come nella figura 3. Il satellite
funziona da ricevitore e trasmettitore del segnale verso
terra. Le antenne utilizzate devono essere a elevato guadagno e molto direttive (quelle paraboliche) perché essendo
le distanze notevoli, l’attenuazione dello spazio libero è considerevole.
I satelliti si distinguono nei modi elencati di seguito.
●
Satelliti geostazionari, GEO (Geostationary Earth Orbit),
che sono posti generalmente su un’orbita circolare equatoriale a circa 36 000 [km] di altezza, con velocità di rotazione vS 3 070 [m/s], con conseguente periodo di ri-
Fig. 3.
●
Fig. 4.
voluzione intorno alla terra di 24 ore e perciò in posizione
fissa rispetto a un punto della terra. Oltre all’orbita circolare equatoriale, sono utilizzate anche orbite polari e
orbite ellittiche inclinate sia rispetto all’asse polare sia all’asse equatoriale. Entrambe le orbite hanno periodo di
rivoluzione di 24 ore.
Satelliti a bassa quota, LEO (Low Earth Orbit), che sono
posti ad altezza variabile compresa tra 1 000 e 20 000 [km]
di altezza; essi si muovono rispetto a un punto della terra
e perciò consentono la comunicazione solo per un determinato intervallo di tempo. Per garantire la comunicazione continua di 24 ore è quindi necessario utilizzare sistemi (o costellazioni) costituiti da numerosi satelliti. Per
esempio il sistema satellitare GPS utilizza ventidue satelliti posti su un’orbita a 20 000 [km] di altezza per controllare la navigazione aerea, marittima e degli autoveicoli con una precisione metrica. Il sistema permette di ottenere dati di posizione in termini di longitudine, latitudine e altezza. I satelliti trasmettono segnali a microonde
nella banda L sulla frequenza di 1 575,42 [MHz] modulati
con tecnica BPSK (Binary Phase Shift Keying) e possono
essere ricevuti gratuitamente mediante ricevitori palmari GPS. Nella figura 4 un satellite
utilizzato per il sistema GPS.
Ogni satellite geostazionario è in grado di offrire una copertura radio, detta impronta
(footprint), di quasi il 40% della superficie terrestre. Le antenne utilizzate hanno angolo di
apertura di circa 17o. Perciò un sistema di 3
satelliti geostazionari distanti tra loro di un
angolo di 120o come nella figura 5, secondo
la teoria di Clarke, garantisce la copertura radio su quasi l’intero globo terrestre escluse le
calotte polari al di sopra della latitudine 82o.
Un esempio di sistema satellitare geostazionario è INMARSAT che impiega otto satelliti
per consentire la radionavigazione sull’intero
globo terrestre con esclusione delle regioni polari oltre i 70o
di latitudine. Le regioni coperte sono: l’Atlantico Ovest, l’Atlantico Est, l’Oceano Indiano e l’Oceano Pacifico. Le frequenze utilizzate sono 1,5 1,6 [GHz].
La figura 6 illustra le regioni geografiche coperte dal sistema
INMARSAT.
Esistono anche satelliti in grado di offrire la copertura radio
di zone geografiche delimitate; in questo caso la copertura
è detta a spot. La antenne utilizzate hanno angolo di apertura di circa 5o. Ogni satellite trasmette nella propria area
geografica con un livello di potenza espresso in dBW. Il livello di potenza è massimo al centro dell’area geografica e
decresce dal centro verso le zone periferiche. Perciò per la ricezione del segnale nelle zone periferiche dell’area coperta
dal satellite è necessario utilizzare parabole aventi diametro
maggiore.
Nella figura 7 è indicato il footprint del satellite Astra 1B su
posizione orbitale di 19,2o longitudinale Est. Dalla figura 7 si
nota che l’area coperta dal satellite Astra 1B è gran parte
dell’Europa; le zone interessate dal satellite sono riportate
con colori diversi per indicare il diametro dell’antenna parabolica ricevente.
Su alcuni footprint sono indicati direttamente i valori del diametro dell’antenna parabolica ricevente e su altri come nella
figura 8 sono disegnate linee chiuse a potenza costante
espressa in dBW.
Per esempio se la potenza è di 45 50 dBW, è necessario utilizzare antenne paraboliche con diametro di circa 60 100 [cm].
Il collegamento radio o tratta che mette in comunicazione la
stazione di terra con il satellite è detta tratta in salita o
uplink, mentre la tratta radio che collega il satellite con la
stazione di terra è detta tratta in discesa o downlink come
indicato nella figura 9.
Fig. 5.
Fig. 6.
Fig. 7.
Fig. 8.
Per evitare interferenze tra la trasmissione e la ricezione dei segnali, nelle
tratte uplink e downlink sono impiegate frequenze diverse; in tal modo è
possibile trasmettere e ricevere contemporaneamente. Poiché l’attenuazione dello spazio libero aumenta con
la frequenza, la frequenza fu di uplink
è di solito maggiore della frequenza fd
di downlink, in modo da poter impiegare amplificatori a elevata potenza
nelle stazioni a terra.
Le frequenze di uplink e di downlink
sono state fissate dall’ITU in base alla
regione geografica e al tipo di servizio
offerto dal satellite. Un esempio di frequenze utilizzate è riportato nella tabella 2.
Ogni satellite contiene a bordo diversi
apparati chiamati transponder, che
hanno il compito di ricevere, amplificare, convertire in frequenza, controllare il collegamento e ritrasmettere il
segnale. I transponder a bordo del satellite possono essere molte decine.
Ogni transponder del satellite può utilizzare una frequenza diversa, ma per
non aumentare la banda di frequenza, due transponder
adiacenti possono utilizzare la stessa frequenza trasmettendo però in polarizzazione diversa (verticale e orizzontale)
al fine di evitare le interferenze tra segnali. Una ulteriore
tecnica che permette di non allargare la banda e di evitare
le interferenze è quella del riutilizzo delle frequenze con
Fig. 9.
divisione spaziale secondo la figura 10. La regione geografica
è coperta da un satellite multifascio in grado di coprire piccole zone adiacenti servite da segnali a frequenza f1, f2, f3.
Tab. 2.
Fig. 10.
Banda
Frequenza
[GHz]
Frequenza uplink fu
[GHz]
Frequenza
downlink fd [GHz]
S
2
2 655 2 690
2 500 2 535
C
4-6
4 400 4 700
5 925 6 425
3 400 3 700
3 700 4 200
X
7-8
7 900 8 400
7 250 7 750
Ku
12 - 14
14 000 14 500
10 950 11 200
11 450 11 700
11 700 12 200
Ka
20 - 30
17 200 21 220
27 500 31 000
1. Tecniche d’accesso
Nei ponti radio satellitari si collegano più stazioni di terra
tramite il satellite senza interferire tra loro. Per accedere al
satellite vengono impiegate alcune tecniche dette tecniche
di accesso multiplo così definite:
●
●
●
●
FDMA
TDMA
CDMA
SDMA
FDMA
La tecnica FDMA (Frequency Division Multiple Access), come
indicato nella figura 11, consiste nel suddividere la banda B
Fig. 11. Frame FDMA.
di frequenze di ciascun transponder in bande di canale BC dedicate a ciascun canale di comunicazione. Tra due canali adiacenti è inserito un canale guardia BG per evitare interferenze
tra i canali adiacenti. A ogni stazione di terra è riservata una
coppia di frequenze per la tratta di salita (uplink) e quella di
discesa (downlink).
TDMA
La tecnica TDMA (Time Division Multiple Access) consiste nell’assegnare periodicamente a ciascuna stazione di terra un
intervallo di tempo, detto Time Slot TS, in cui la stazione trasmette il segnale digitale strutturato in pacchetti chiamati
burst, occupando l’intera banda B del canale radio. Inoltre,
per evitare interferenze, tra due Time Slot consecutivi è inserito un intervallo di tempo detto di guardia TG.
In un intervallo di tempo T, definito come intervallo di trama,
sono inseriti n time slot riservati ai canali di comunicazione
e un burst di sincronizzazione chiamato reference burst, inserito all’inizio di ogni trama. La figura 12 illustra la struttura della trama secondo la tecnica TDMA.
Fig. 12.
CDMA
La tecnica CDMA (Code Division Multiple Access) consiste nell’assegnare a ogni stazione trasmittente una banda di frequenza B in un intervallo di tempo definito. I segnali sono
codificati e ogni stazione ricevente può ricevere solo i canali
associati al proprio codice.
SDMA
La tecnica SDMA (Space Division Multiple Access) consiste
nel trasmettere alle diverse zone del globo terrestre impiegando il metodo del riutilizzo delle frequenze a divisione
spaziale mediante l’uso di satelliti multifascio come indicato
nella figura 10.
I ponti radio sono classificati anche in base al tipo di segnale
trasmesso; essi possono essere di tipo:
●
●
analogico, se i segnali sono analogici;
digitali, se i segnali sono di tipo digitale.
Un ponte radio analogico impiega segnali analogici modulati in frequenza (FM) con multiplazione analogica di tipo
FDM. La modulazione di frequenza può essere di tipo indiretta (fig. 13) o di tipo diretta (fig. 14).
Fig. 13.
Nello schema della figura 13 il segnale modulante in banda
base, ottenuto mediante tecnica FDM, modula la frequenza
intermedia normalizzata a 70 [MHz]; il modulatore FM è seguito da un amplificatore e da un convertitore frequenzafrequenza (f-f) che trasla la frequenza fi alla frequenza di
portante fp. L’amplificatore di potenza serve per fornire la
potenza di trasmissione al segnale e il filtro a RF serve per
eliminare le componenti spurie che sono fuori della banda
assegnata. Nel caso in cui il segnale modulante abbia frequenza maggiore alla frequenza intermedia normalizzata, si
utilizza la modulazione diretta illustrata nella figura 14.
Fig. 14.
Lo schema a blocchi del trasmettitore a modulazione FM diretta impiega un amplificatore del segnale modulante FDM,
un modulatore FM alla frequenza di portante fp seguito da
un filtro a RF; nei casi in cui è richiesta una potenza di trasmissione elevata è necessario inserire tra modulatore e filtro a RF un amplificatore di potenza a RF. La ricezione del
segnale è effettuata mediante ricevitori di tipo supereterodina realizzati secondo lo schema a blocchi della figura 15.
Fig. 15.
Lo schema a blocchi del ricevitore presenta:
●
●
●
●
●
un filtro a RF per eliminare i segnali esterni alla banda di
lavoro del ponte radio;
un amplificatore LNA (Low Noise Amplifier) a basso rumore per amplificare il debole segnale ricevuto;
un convertitore frequenza-frequenza per traslare la banda
ricevuta sulla frequenza intermedia fi;
un amplificatore del segnale a frequenza intermedia fi;
il demodulatore FM.
La qualità del collegamento radio analogico può essere migliorata inserendo nel trasmettitore una rete di enfasi prima
del modulatore e nel ricevitore la rete di deenfasi di seguito
al demodulatore.
Nei collegamenti a più tratte, le stazioni intermedie funzionano da ripetitore. Il ripetitore deve amplificare il segnale ricevuto e ritrasmetterlo alla stazione successiva. Nella figura
16 è mostrato lo schema a blocchi di un ripetitore.
Nei casi in cui viene utilizzata una sola antenna per trasmettere e ricevere contemporaneamente (fig. 17), il trasmettitore
e il ricevitore operano su due frequenze diverse e sono collegati al cavo di antenna (feeder) mediante un dispositivo
detto circolatore o forchetta telefonica per microonde che
permette la separazione della trasmissione dalla ricezione. In
un circolatore, il segnale entrante da un morsetto esce dal
morsetto adiacente indicato dalla freccia.
Fig. 16.
Fig. 17.