Docente: Prof. Mauro De Berardis
Lavori eseguiti dagli alunni della classe Quinta B TIEN IPSIA Teramo
Coordinamento: Prof. Mauro De Berardis, Prof. Loreto Giovannucci
Cavi per trasmissione dati 
Lavoro eseguito dall'alunno Danilo Di Battuto
I CAVI PER TRASMISSIONE DATI
La rapida diffusione e il grande sviluppo tecnologico dell’Informatica avvenuti negli ultimi anni, hanno reso il cavo un componente estremamente importante di tutti i sistemi per elaborazione dati.
Questa tesina illustra una vasta gamma di cavi per l'informatica in grado di soddisfare la quasi totalità delle esigenze di installazione e collegamento.
I CAMPI DI APPLICAZIONE
Oltre i cavi per informatica, vengono descritti i cavi per le seguenti applicazioni
 | TELECOMUNICAZIONI: trasmissioni in alta frequenza, coassiali e multicoassiali, centrali di commutazione, telematica, radar e pontiradio |
| STRUMENTAZIONI E CONTROLLI: impianti petrolchimici, apparecchiature elettromedicali, controlli di processo, impianti di rilevamento, impianti nucleari |
| FIBRE OTTICHE: trasmissioni video – audio, dati, telecomunicazioni, impianti di sicurezza ad alta affidabilità, cavi per impieghi militari, cavi misti elettro – ottici |
| AUDIO – VIDEO: cavi per telecamere a colori, triassiali per telecamere Broadcast, CCTV, MATV, CATV, microfoni e impianti di sonorizzazioni |
| RICERCHE OCEANOGRAFICHE: Ombelicali per sistemi di immersione, telecamere subacquee, controlli veicoli subacquei, elettromeccanici ad alta portanza, cavi galleggianti ad assetto neutro |
| MACCHINE UTENSILI E ROBOT: collegamenti elettromeccanici ed elettronici,cavi per posa mobile continuato, cavi per bordo macchine ad alta resistenza meccanica, robots industriali e manipolatori a controlli numerici |
PARAMETRI CARATTERISTICI DEI CAVI PER TRASMISSIONE DATI
Tutte le linee per trasmissione dati sono caratterizzate da alcuni parametri fondamentali che ne stabiliscono le caratteristiche. Essi sono:
| Resitenza R, misurata in Ohm/unità di lunghezza, esprime la resistenza di materiali al flusso degli elettroni quando è applicata una forza elettromotrice (voltaggio). Più è alta la resistenza più il segnale trasmesso perderà la propria forza e quindi la capacità di arrivare a destinazione. |
| Capacità C, misurata in Farad/Unità di lunghezza, esprime la capacità di un materiale dielettrico, posto fra due conduttori, di conservare la carica elettrica quando esiste una differenza di potenziale fra i due conduttori stessi. |
| Impedenza caratteristica Z0, espressa in ohm, indica l’opposizione complessiva al flusso degli elettroni offerta da una linea di trasmissione. |
| Attenuazione "Q", misurata in db/unità di lunghezza, determina il livello di trasmissione di una linea. Normalmente è il rapporto fra il voltaggio di entrata e quello d’uscita. L’attenuazione di un impulso digitale si risolve in una degradazione e distorsione del segnale stesso, con una perdita nel picco di voltaggio e un rallentamento dell’ impulso. I due fattori principali che causano l’attenuazione sono la perdita resistiva dei conduttori (principalmente dovuta all’effetto pellicolare in alta frequenza) e la perdita nel dielettrico. La somma di questi due fattori dà l’attenuazione totale. |
| Velocità di propagazione o ritardo di propagazione Vp, misurata in percentuale, è il tempo richiesto da un segnale per viaggiare attraverso una linea di trasmissione. Con Vp si intende il rapporto fra la velocità del segnale nel suo mezzo di trasporto (isolamento) e la velocità dello stesso in aria, espresso in percentuale.Questo valore è essenzialmente in funzione della costante dielettrica del materiale dell’isolamento. |
| Induttanza L, espressa in Henry/unità di lunghezza. Quando due conduttori (coassiale, coppia twistata, coppia parallela) sono percorsi da correnti uguali e contrarie, si viene a creare un campo magnetico nello spazio tra i due conduttori. Il rapporto tra il flusso che attraversa lo spazio tra i due conduttori e la corrente che lo produce viene chiamato induttanza. L’induttanza rappresenta una costante primaria del cavo ed è influenzata dalla distanza dei due conduttori, dal diametro dei conduttori e dalla permeabilità magnetica relativa dei materiali costituenti i conduttori (rame, alluminio: permeabilità=1). |
I DISTURBI E LE SCHERMATURE
Uno dei maggiori problemi di fronte a cui si trova chi deve progettare o installare un sistema per trasmissione dati, è quello di preservare quanto più possibile l’integrità dei segnali da interferenze e disturbi sia interni che, in particolare, esterni alla linea di trasmissione. Il rapido evolversi della tecnologia elettronica, la convergenza di segnali audio, video e dati, le crescenti normative e le necessità di installazione come costi ridotti, spesso in prossimità di linee di potenza, hanno reso necessaria la creazione di cavi con schermature sempre più sofisticate.Questo, in particolare, per cavi di interconnessione fra sistemi di trasmissione dati che, per loro natura, sono estremamente esposti alla vasta gamma di interferenze elettromagnetiche ed elettrostatiche
Vengono adottati per i cavi differenti soluzioni di schermatura, illustrati di seguito, che possono essere scelti in base al tipo di disturbo previsto, alla sua intensità, alla sua frequenza, alla lunghezza del cavo e alle tolleranze di perdita ammissibili. E, non ultimo, in base ai costi.
I PRINCIPALI DISTURBI O RUMORI
| ESI -Rumori Elettrostatici. La sorgente del rumore è di origine esterna al cavo. Il disturbo è causato dall’accoppiamento del campo elettrico esterno con il circuito, nel cavo d’interconnessione. In questo caso l’accoppiamento capacitativo è ostacolato dall’alta copertura dello schermo, mentre la restitenza elettrica dello stesso non è preminente. Importante è la messa a terra. Per disturbi di tipo (ESI) si presta molto bene lo schermo a nastro di alluminio\poliestere che ha rumori intorno allo 0,1mV. Sono invece sconsigliati schermi a treccia di rame o a spirale di rame, che possono raggiungere valori fino a 5mV. |
| ESD -Scariche elettrostatiche. La sorgente del rumore è di origine esterna al cavo. Il disturbo causa sullo schermo del cavo un impulso di corrente a basso tempo di salita, con componenti fino a 100 MHz. Gli schermi che si prestano meglio sono quelli composti da alluminio/poliestere+ treccia di rame, ripetuti anche più volte nei casi ritenuti critici. Non sono stati presi in considerazione, ovviamente, tubi di rame o alluminio, non utilizzabili nella trasmissione dati. | ||||||
| EMI – Rumori
induttivi. La sorgente del rumore è
ancora di origine esterna al cavo, ed è
provocata da linee di potenza, motori,
trasformatori, ecc.Il cavo
d’interconnessione viene a trovarsi in
questo caso in un campo magnetico variabile:
sullo schermo sono indotte correnti e tensioni
che provocano delle distorsioni nel circuito del
cavo. L’efficacia dello schermo normalmente
viene misurata mediante l’IMPEDENZA DI
TRASFERIMENTO definita, in una elementare
lunghezza di cavo, come il rapporto tra la
tensione misurata lungo lo schermo e la corrente
che attraversa il sistema perturbante. Per
esperienza si può dire che:
|
| Common Mode. La
sorgente del rumore è sia interna che esterna al
cavo. Le cause del disturbo sono essenzialmente:
Il punto 1. è nettamente il più importante, e sono ovviamente il tipo di installazione e gli accorgimenti presi che ne condizionano l’effetto. Gli effetti dei punti 2 e 3 sono invece efficaciemente ostacolati da una buona ingegnerizzazzione e realizzazione del cavo da parte del costruttore. |
| Diafonia. L’origine del disturbo è all’interno del cavo. La causa è l’accoppiamento di origine capacitivo/induttivo provocato da una bassa impedenza trasversale tra due coppie adiacenti. L'entità del disturbo è determinata dal tipo di costruzione del cavo (multipolare, coppie, coppie schermate, coassiali) dalla frequenza, e ovviamente, dalla lunghezza. La diafonia nei cavi multipolari è un dato non significativo, avendo valori molto alti a qualsiasi frequenza e limitando quindi l’utilizzazione degli stessi per trasmissioni in corrente. Nei cavi a coppie, invece, per ottenere una diafonia accettabile (valore tipico fino a 10 MHz - 70/80db /300m, occorre adottare sistemi adeguati, relativamente alla frequenza di utilizzazione. Passi diversi di twistatura delle coppie si sono rilevati efficaci per frequenze medie (50KHz-500KHz-30MHz) la schermatura delle coppie è consigliabile se non indispensabile. Valori di diafonia estremamente bassi (>100db/30m) si ottengono utilizzando i cavi coassiali. Questo tipo di circuito è impiegato normalmente per frequenze da 0.5MHz a 50MHz. Altra componente importante per la riduzione della diafonia è la scelta del materiale del dielettrico. I tipi di disturbo e di rumore sopra descritti possono però essere anche più di uno contemporaneamente, e quindi sommarsi. Non è ovviamente possibile stabilire un rimedio a priori e ogni caso dovrà essere analizzato e risolto di volta in volta. |
|
Gli schermi
| a nastro di alluminio |
E’ costituito da un nastro di alluminio laminato, accoppiato con un nastro di poliestere, che funge da supporto, da isolante termico ed elettrico e rende lo schermo meccanicamente più robusto. Viene posto sul cavo sia logitudinalmente che avvolto a elica, secondo gli impieghi. In entrambi i casi è richiesta una certa percentuale di sormonto tale da garantire il 100% di copertura, e un filo di drenaggio che faciliti la determinazione e quindi la messa a terra. La Intercond impiega normalmente diverse soluzioni di schermature con differenti tipi di nastro.
| accoppiato poliestere/alluminio normale |
Viene utilizzato quando è prevista una treccia di rame sovrapposta, a contatto con l’alluminio. Essenzialmente è utilizzato per schermatura totale di multiconduttori e multicoppie. E’ usato anche quando il filo continuità è all’esterno e, nel caso di schermatura sulle coppie (solo per bassa frequenza), quando il filo continuità è unico per tutte le coppie.
| accoppiato poliestere/alluminio speciale |
Viene utilizzato essenzialmete per la schermatura su coppie ove assicura fra le altre cose l’isolamento tra gli schermi, abbassando notevolmente i disturbi della diafonia.
| accoppiato poliestere/alluminio/alluminio |
Viene utilizzato in alta frequenza, insieme a treccia di rame, sui coassiali o biassiali.
Gli schermi in alluminio/Poliestere oltre a offrire una copertura al 100% occuopano minor spazio, sono più leggeri e meno costosi rispetto a una schermatura in rame.Presentano però diversi svantaggi quali un’alta resistenza elettrica e una scarsa resistenza meccanica, e in particolare una vita piuttosto breve se utilizzati in condizioni gravose di flessibilità.
| schermo a spirale |
Consiste in una fasciatura di fili di rame avvolti a spirale sul cavo. Offre una buona schermatura nelle applicazioni audio e quando la flessibilità e la durata sono i parametri più importanti. Non ha praticamente impiego nella trasmissione dati in quando a frequenze alte l’avvolgimento a spirale provoca un effetto induttore.
| Schermo a traccia di rame |
E’ costituito da gruppi di fili di rame intrecciati fra loro in modo da formare una maglia metallica intorno al corpo del cavo con una copertura che normalmente và dall’ 80% al 95%. La copertura del 100% non è ottenibile con una treccia. Gli altri parametri di fabbricazione, quali il numero e il diametro dei fili, il numero dei gruppi e l’angolo di trecciatura devono essere considerati in funzione delle prestazioni richieste. La schermatura a treccia trova un vastissimo impiego in quanto offre una resistenza elettrica molto bassa e una ottima resistenza meccanica. Il maggior peso e volume e la difficoltà di collegamento ne limitano però, a volte, l’utilizzo. Schermature a treccia di rame con copertura al disotto dell’80%, se non accoppiate con altre protezioni, sono del tutto inefficaci e praticamente inutili.
| a schermatura mista |
I differenti tipi di schermatura già descritti, possono essere combinati tra loro in diverse soluzioni per ottenere l’efficacia schermante ottimale in tutto lo spettro delle frequenze. L'abbinamento più utilizzato è il nastro di alluminio con la treccia di rame, che unisce i vantaggi di una copertura al 100% con una bassa resistenza elettrica. Alte combinazioni sono: alluminio/treccia/alluminio o doppio alluminio e treccia, come in alcuni cavi per Local Area Network (Ethernet). I diversi strati di schermatura possono essere isolati fra loro o meno utilizzando gli accoppiati Alluminio/Poliestere già descritti. La schermatura mista è quanto di meglio ottenibile nel campo delle schermature flessibili.
Matematica
I cavi coassiali, tra i più diffusi nel campo delle trasmissioni dati, presentano una impedenza caratteristica data dalla seguente formula
Zo è proporzionale:
| alla radice quadrata del rapporto tra la permeabilità magnetica relativa e la costante dielettrica relativa del materiale contenuto tra i due conduttori |
| al logaritmo naturale del rapporto tra diametro interno del conduttore esterno e diametro esterno del conduittore interno |
La funzione logaritmica
Assegnato un numero a, reale positivo e diverso da 1, si dice logaritmo in base a di un numero b reale positivo, l’esponente c a cui si deve elevare la base a per ottenere il numero b e si scrive:
log ab = c se e solo se ac= b
La funzione logaritmica, funzione inversa della funzione esponenziale, indicando, come è consuetudine, con x la variabile indipendente e con y la variabile dipendente.
Le proprietà dei logaritmi si ricavano dalle proprietà delle potenze.
Dalle relazioni a0 = 1 e a1 = a,
Si ha: log a1=0 e log aa=1
| cioè, in qualsiasi base il logaritmo di 1 è uguale a 0 ed il logaritmo della base è uguale a 1 |
| Non esistono logaritmi di zero e logaritmi di numeri negativi |
| Il logaritmo del prodotto di due numeri reali positivi è uguale alla somma dei logaritmi dei due numeri, cioè: |
log a(b*c) = log ab+log ac
| Il logaritmo del rapporto di due numeri reali positivi è uguale alla differenza fra il logaritmo del numeratore ed il logaritmo del denominatore, cioè: |
log a b/c = log a b - log ac
| Il logaritmo di una potenza con base positiva è uguale al prodotto dell’esponente per il logaritmo della base della potenza, cioè: |
log a bc = c* log ab
y=ln(x) si chiama logaritmo naturale. In tale caso la base è data dal numero di Nepero che vale: 2,72
Grafico dellla funzione y=ln(x)
realizzatocon 
Sistemi,
automazione ed organizzazione aziendale
In questa sezione, illustro i più diffusi cavi utilizzati per costruire le reti locali di tipo Ethernet.
RETE 10BASE 5
E’ il più vecchio sistema di rete Ethernet su cavo coassiale doppio (Thick Ethernet). Il cavo, del tipo RG-8, con impedenza caratteristica pari a 50W , deve essere ininterotto per l’intero segmento che può avere una lunghezza massima di 500m (lunghezza del segmento). Più segmenti (al massimo 5) possono essere connessi tra di loro con dei ripetitori (al massimo 4), dispositivi elettronici atti a rigenerare il segnale. Per ogni segmento possono essere collegate al massimo 100 stazioni.Queste sono connesse lungo il segmento con particolari connettori, muniti di opportuni circuiti elettronici, idonei alla ricezione e trasmissione di segnali (transceiver). I transceiver sono collegati alle shede di rete per mezzo di cavo multipolare di lunghezza massima pari a 50 metri. Il 10 presente sulla sigla identificativa del tipo di rete, indica che il trasferimento dei dati può avere ad una velocità massima pari a 10 Mbit al secondo. La rete lavora in banda base. Questo tipo di rete è caduto in disuso per gli alti costi e le difficoltà di installazione.
RETE 10BASE 2.
E’ una rete in cavo coassiale sottile (RG58) che trasmette a 10 Mbit/sec massimi.
Ogni segmento può essere lungo al massimo 185 metri (secondo le normative). Si raggiungono però facilmente i duecento metri con buone schede di rete. Ad ogni segmento possono essere connesse al massimo 30 stazioni (sono inclusi in tale numero eventuali ripetitori). Il collegamento al cavo avviene direttamente sulle schede ed è effettuato con connettori BNC. In questo caso quindi il cavo è suddiviso in tanti spezzoni ognuno dei quali collega due stazioni adiacenti. Il cavo proveniente dalla scheda precedente è connesso ad un connettore a T (sempredel tipo BNC) e da esso si dirama verso la stazione successiva. Le stazioni terminali, poste all’estremità del cavo, debbono avere il lato del connettore a T non collegato terminato con un adattatore con impedenza caratteristica pari a quella del cavo (50W ) (vedere figure 24.3 e 24.4). Come per la rete 10 BASE-5 possono essere connessi in cascata sino a cinque segmenti utilizzando appositi ripetitori(al massimo 4) per accoppiare i vari tronchi. Dei segmenti, 2 non debbono avere stazioni connesse, ma possonosolo servire a collegare tra loro due ripetitori. La rete complessivamentepuò estendersi per 925 metri.
Il costo d’installazione della rete è basso (basso costo delle schede di rete delcavo e dei connettori).
RETE 10BASE-T.
E’ una rete che utilizza il doppino telefonico ritorto. Occorrono due coppie distinte: una per la trasmissioni e l’altra per la ricezione dei dati.
Ogni scheda presente all’interno della stazione è collegata alle due coppie di doppino con una una presa di tipo telefonico denominata RJ-45.Il cavo di collegamento, di lunghezza massima pari a 100 metri, non va direttamente ad un’altra stazione ma ad un concentratore (HUB).Sull’UHB sono presenti degli ingressi su cui vanno collegati i cavi provenienti dai singoli sistemi.E’ possibile collegare in cascata più concentratori (al massimo 4) in modo da aumentare l’estensione della rete. Per il collegamento tra due HUB si usano normalmente, se non specificatamente previsti, gli ingressi destinati alle stazioni.
In tal caso il cavo di connessione non deve avere l’incrocio tra le coppie TX e RX, come avviene normalmente nel caso di collegamento con le stazioni. Il cavo denominato UTP (Unshielded Twisted Pair) è disponibile in due diverse categorie con qualità differenti (categoria 3 più scadente e categoria 5 migliore). La velocità di trasferimento dei dati è di 10 Mb/s.
RETE 100BASE-T.
La rete succitata viene anche denominata FAST ETHERNET. Conserva le stesse caratteristiche della precedente rete. Ogni stazione può essere collegata con un doppino ritorto (due coppie), del tipo UTP di categoria 5, lungo al massimo 100 metri. E’ ridotta sensibilmente l’estensione di tutta la rete essendo ammessi al massimo due HUB, che possono così collegare solo tre segmenti. Inoltre è posto un vincolo all’estensione di tutta la rete che non può superare la lunghezza massima di circa 200 m.
Le caratteristiche salienti della rete sono quindi le stesse della precedente retetranne un aumento della velocità di trasmissione che è teoricamente dieci volte più grande e una riduzione della sua estensione.
Segmento della User's Guide
This PnP Ethernet Card is a 16-bit Ethernet-based network board which can fit into any 16-bit slot of IBM PC/AT/386/486/Pentium and compatible PCs. Featuring a high data transmission rate of 10Mbps, it conforms to the IEEE 802.3, Ethernet II standard, and uses the CSMA//CD protocol.
When using in the full-duplex mode, data can be sent and received on a twisted-pair linking to a full-duplex Ethernet switching hub. This not only increases the channel bandwidth to 20Mbps, but also avoids the performance degradation caused by channel contention characteristics of the Ethernet CSMA/CD protocol.
Traduzione del segmento
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