CAVO TELEFONICO IN RAME

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Il cavo telefonico in rame, in generale, è formato da più fili conduttori rivestiti da uno strato di materiale isolante o di protezione, avvolte tra loro con passo costante.

La funzione di un cavo in rame è quello di permettere il transito della corrente elettrica e, nel caso delle telecomunicazioni: lo scambio di informazioni a distanza.

Il rame che viene utilizzato per le telecomunicazioni è ad alta purezza ed è ottenuto con il sistema di produzione elettrolitico. Dopo le fasi di trafilatura per avere il diametro voluto e necessaria una “ricottura” per ristabilire il reticolo cristallino e minimizzare la resistenza elettrica. In alcuni casi può anche essere utilizzato a “crudo” in quanto più robusto, ma non nelle telecomunicazioni.

I conduttori possono avere un diametro di 0,4/ 0,6 mm, se usati per brevi collegamenti, ma anche di 1,2 mm quando connettono punti tra loro distanti qualche chilometro, e possono essere usati sia per le trasmissioni analogiche che per le trasmissioni digitali.

La designazione dei cavi si basa sulla Tabella CEI UNEL 35011 che, per ogni tipo di cavo, li identifica con una sigla univoca, sulla base delle caratteristiche delle varie parti che lo compongono, a partire dall’interno verso l’esterno.

A esempio la sigla “FG7OR” ha il seguente significato: è un cavo con conduttore flessibile (F), isolato con gomma elastomerica (G7), di forma rotonda (O), con guaina in PVC (R).

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VARI TIPI DI CONDOTTORI

  • Coppia: due conduttori isolati che sono avvolti tra di loro.

  • Bicoppie: 

a) A stella:  4 conduttori isolati che sono avvolti tra di loro ai vertici di un quadrato con passo uguale a formare una “stella”.

I conduttori impiegati per formare tali linee sono generalmente fili di rame aventi i diametri variabili da 0,5 a 0,7 mm per i cavi telefonici urbani e da 0,9 a 1,5 mm per i cavi interurbani.

b) Bicoppie DM (Dieselhorst Martin) oppure a quarta, 4 conduttori (2 coppie). Conduttori isolati avvolti tra di loro a 2 a 2 con passi differenti. Riassumendo: 2 coppie, con 2 passi differenti, avvolte tra di loro con un terzo passo di riunione.

Il cavo in rame è impiegato normalmente in fonia, reti locali, cablaggio strutturato, e si possono utilizzare cavi con più coppie (4,25,50, ecc.).

Più coppie cordate tra loro, eventualmente in gruppi e sottogruppi, costituiscono il nucleo del cavo. Il quale è protetto da una schermatura che lo protegge dai disturbi elettromagnetici riducendo la diafonia, mantiene un’impedenza uniforme, e riduce le emissioni di radiofrequenza. La schermatura può essere costituita da un foglio di alluminio che avvolge il cavo sotto la guaina di plastica, da una calza fatta da una treccia di rame, o da entrambe le soluzioni.

Nel cavo multi coppia, ogni coppia presenta un passo di binatura diverso, per ridurre il più possibile il fenomeno della diafonia tra le varie coppie contigue (interferenza elettromagnetica che si genera tra due cavi vicini).

Per consentire l’individuazione delle coppie, queste, hanno un colore diverso e una diversa lunghezza della banda colorata.

Un problema tipico dei doppini ritorti (twisted pair) è il delay skew o distorsione di propagazione, ovvero una variazione nel ritardo di propagazione del segnale sulle singole coppie, dovuta al diverso passo di binatura delle coppie in un cavo multi coppia.

COMPORTAMENTO ELETTRICO (COSTANTI PRIMARIE)

Nei circuiti elettrici classici i componenti delle linee fisiche non sono entità concentrate in qualche punto della linea, ma sono distribuite uniformemente sui due conduttori della stessa, per cui possiamo dire, senza commettere un grosso errore, che le grandezze sono concentrate per unità di lunghezza della linea. I valori di questi parametri, detti costanti primarie della linea, dipendono dalle caratteristiche costruttive e fisiche della linea, come le dimensioni dei conduttori, dalla loro reciproca distanza, dal materiale isolante utilizzato e dalle proprietà elettriche e magnetiche dello spazio circostante.

Per capire il comportamento elettrico di una linea di trasmissione in rame dobbiamo conoscere il circuito elettrico equivalente e le sue proprietà, che le possiamo schematizzare in questo modo: resistenza (R), induttanza (L), capacità (C), conduttanza (G).

  • La resistenza (R) è quella presentata dai conduttori metallici al passaggio della corrente;

  • l’induttanza (L) è dovuta al campo magnetico che circonda i conduttori percorsi dalla corrente;

  • la capacità (C) è dovuta alle superfici  metalliche dei due conduttori e al dielettrico interposto;

  • la conduttanza (G) tiene conto delle correnti di dispersione dovute all’imperfezione dell’isolante presente fra i conduttori.

COSTANTI SECONDARIE DI UN CAVO TELEFONICO  IN RAME

IMPEDENZA

L’Impedenza caratteristica di un cavo è una grandezza fisica che rappresenta la forza di opposizione di un circuito al passaggio di una corrente elettrica alternata, e più in generale a una corrente variabile. Si esprime con un numero complesso ed è data dal rapporto tra la tensione e la corrente. Viene indicata con Z e la sua unità di misura è l’ohm (Ω).

Nella figura sottostante è rappresentata uno schema a blocchi di un elemento di una linea omogenea:

Z1 = Δx * (R + jωL) ; Z2= 1/ Δx * (R + jωC)

Dove: Δx = alla distanza in Km; R= resistenza; L= all’induttanza; C= alla capacità .

Ora supponiamo di avere tante Δx  di un chilometro in cascata,

avremo una linea infinitamente lunga, la sua impedenza di ingresso Z₀, sarà uguale, se prendiamo in considerazione uno dei tratti e sostituendo alla linea l’impedenza Z₀ avremo:

La formula dell’impedenza caratteristica (ZK), risolvendo le equazioni matematiche e sostituendo Z1 e Z2 con i valori originari, sarà:

Riassumendo l’impedenza caratteristica in un cavo telefonico in rame è il valore che si misura all’inizio della linea quando questa ha la lunghezza infinita,

o quando la linea è terminata su di un’impedenza dello stesso valore della ZK.

COSTANTE DI PROPAGAZIONE

La Costante di propagazione rappresenta il modo in cui l’onda elettromagnetica di un segnale sinusoidale trasmessa attraverso una linea si attenua e si sfasa durante il suo percorso.

Il vettore Vx (tensione) è il vettore Vo modificato sia in ampiezza che in fase.

La velocità di fase è la velocità del vettore lungo la linea e non è legata alla velocità della voce.

Velocità di fase= λ/T

Oppure: Velocità di fase= ω/β

Dove: ω= a velocità di rotazione del vettore; β= costante di fase

La velocità di fase non deve essere confusa con la velocità del fronte d’onda, cioè la velocità con la quale si propaga lungo una linea un segnale elettrico qualsiasi, ovvero l’energia.

ATTENUAZIONE

L’attenuazione è la diminuzione in ampiezza che subisce un segnale che passa in un circuito, e dipende dalle sue caratteristiche e di quelle del circuito che attraversa.

La tensione ai capi dell’impedenza caratteristica terminale è minore di quella iniziale.

V1<V0

Se si toglie l’impedenza di chiusura della linea e si collega un altro tratto di linea, di uguale lunghezza e costituzione, anche questo chiuso sulla sua impedenza caratteristica,

all’inizio del secondo tratto di linea si troverà una tensione attenuata dal primo tratto e al termine del secondo tratto la tensione V2 sarà ulteriormente attenuata dalla stessa percentuale del primo tratto. E così via per ogni altro tratto di linea che verrà collegato ai primi.

Se supponiamo che per ogni tratto di linea il segnale si riduce dell’80% si avrà: V2 = 0,8 • 0,8 Vo = 0,8² Vo = 0,64 Vo

La percentuale di attenuazione di ogni tratta la chiameremo K.

Vo/V1=V1/V2=Vn-1/Vn=K  dove Vn=Kⁿ Vo

 

Grafico della legge esponenziale che esprime la variazione di tensione lungo la linea.

 

L’espressione della legge sulla variazione della tensione lungo la linea tiene conto di una parte reale e di una immaginaria:

La costante di propagazione γ = α + i β

Deve α è la parte reale (attenuazione); la β è la parte immaginaria (fase).

Le due azioni si possono considerare separatamente.

L’attenuazione rappresenta il rapporto tra due tensioni per cui è un numero puro e l’unità di misura utilizzata è il logaritmo in base 10 per esprimere sia la tensione che la potenza.

La misura dell’attenuazione è definita dal rapporto fra la potenza del segnale all’uscita del circuito e la sua potenza (o livello) all’entrata dello stesso,

e nel caso della telefonia si misura in dB (Decibel) che corrisponde a 10 volte il rapporto logaritmico:

A(dB)=10* log₁₀ (Po /Pi)= 10 *log₁₀ (Vo²/Vi²)= 20* log₁₀ (Vo/Vi)= 20* log₁₀ (Io/Ii)

(A: è l’attenuazione, Po: è la potenza in uscita, Pi: è la potenza in ingresso).

Al variare della frequenza varia l’attenuazione per cui, per ogni cavo, devono essere espresse alla specifica frequenza a cui viene misurata.

La formula semplificata per il calcolo dell’attenuazione dei cavi in bassa frequenza è:

Valori di α (attenuazione) dei cavi a 800 Hz in funzione del diametro:

Grafico dell’attenuazione (α) in funzione della frequenza su cavi telefonici di diametro diverso nell’intervallo di frequenze che vanno da 0 a 4 Khz, tipico della frequenza fonica. 

LIVELLI ED EQUIVALENTI DI TRASMISSIONE

I Livelli relativi esprimono il rapporto tra i valori assoluti di potenza, tensione o corrente esistenti in un punto di un circuito e le corrispondenti grandezze relative ad un altro punto (generalmente l’origine del circuito stesso). L’unità di misura è il dB.

Livelli assoluti: dato che i livelli relativi necessitano sempre di una doppia misura, nello studio della trasmissione sui circuiti telefonici si preferisce utilizzare la misura del livello assoluto. Stabilito il valore di riferimento per le tre grandezze: potenza, tensione e corrente, queste rappresentano, per definizione, il livello zero.

Per evitare ambiguità il livello assoluto viene indicato con il suffisso dBm. I valori di riferimento sono stati stabiliti basandosi sui seguenti parametri riferiti ad una linea di impedenza (parte reale ) di 600 Ω.

Riassumendo: il dB  è il livello relativo, ovvero il rapporto tra due grandezze; dBm o dBmW  è il livello assoluto di potenza, tensione o corrente , definito per convenzione.

CIRCUITO DI RIFERIMENTO PER LA MISURA DEL LIVELLI ASSOLUTI 

MISURA DELL’EQUIVALENTE DI TRASMISSIONE

Definizione di equivalente:

q=1/2 ln|P1/Pu|

|P|=|V1*I1|=E/2 * E/1200=E²/2400 che:

q=1/2 ln|(V²1/600)*(600/V²u)=ln|V1/Vu|

L’equivalente può essere espresso come differenza tra livelli. E questo è l’utilizzo pratico durante le misure di attenuazione:

q=1/2 ln|P1(mW)/1mW * 1mW/Pu (mW)|= 1/2ln|P1(mW)/1mW|-1/2ln|Pu(mW)|

Da cui l’equivalente: q=lnP1-lnPu; con l’impedenza di 600Ω:  lnP=lnV che è anche : q=lnV1-lnVu

Quando P1 (o V1) sono uguali al valore di riferimento (0 dB) l’equivalente diviene uguale al solo: -lnPu(o -lnVu) 

 Per esempio se inviamo in linea un segnale con un livello di 0dBm e se leggiamo in uscita un livello di -5dBm, l’equivalente sarà uguale a –(-5dB)= 5 dB, per cui l’equivalente è positivo se esiste un’attenuazione; mentre è negativo se la linea amplifica il segnale.  

DISTORSIONE DI AMPIEZZA

Una diversa attenuazione al variare della frequenza genera una distorsione di ampiezza. Un andamento lineare dell’attenuazione è da considerarsi ideale in un circuito, e in questa situazione il rapporto tra le varie componenti del segnale (voce) rimane inalterato, mantenendo ottimali le caratteristiche del segnale (timbro e voce).

DISTORSIONE DI AMPIEZZA IDEALE

DISTORSIONE DI AMPIEZZA REALE

DISTORSIONE DI FASE

La velocità delle varie frequenze lungo una linea telefonica si propagano in modo diverso e produce una distorsione di fase. La misura che quantifica la distorsione viene chiamata “ritardo di gruppo” ovvero misura il ritardo con cui le frequenze si propagano in un cavo rispetto alla più veloce. Queste distorsioni non hanno conseguenze apprezzabili sulla qualità della voce, mentre può creare seri problemi su applicazioni di Trasmissione dei Dati. Nei circuiti telefonici realizzati con canali FDM di solito non propagano distorsioni.

Grafico del ritardo di gruppo in funzione della frequenza

Grafico dei ritardi in funzione dei vari mezzi trasmissivi

 Canale FDM; Cavo pupinizzato.

 

                                        DISTURBI E RIMEDI IN UN CAVO IN RAME

In un doppino telefonico in rame sono presenti vari tipi di rumore, che possono dipendere dalla stessa linea (intrinseci), oppure provenire dall’esterno.

Tipicamente i rumori dovuti alla linea stessa sono di tipo:

Quelli esterni sono quelli dovuti alle scariche elettriche, linee elettriche di potenza, apparati elettromeccanici, ecc.

Un disturbo importante tipico dei cavi telefonici in rame è la diafonia,

una Interferenza elettromagnetica che si può generare tra due cavi vicini, per ridurla è necessario adottare passi di binatura differenziata da coppia a coppia chiamato doppino ritorto o twisted pair,

Il doppino ritorto (twisted pair) si ottiene mediante il processo di binatura, che ha lo scopo di contrapporre i campi magnetici, generati dalla corrente che transita nei cavi di uguale intensità ma di verso opposto. I campi magnetici si annullerebbero se i due conduttori fossero perfettamente simmetrici rispetto a qualsiasi punto dello spazio, e la perfetta simmetria può essere approssimata ritorcendo i due conduttori. 

e la trasmissione bilanciata ,

dove il segnale da trasmettere viene diviso in due parti uguali in opposizione di fase tra loro.

 Banda Passante.

La larghezza di banda disponibile dipende dallo spessore del filo e dalla distanza percorsa, in tutti i casi si può dire che il doppino telefonico ha una banda passante di 4 kHz, un rapporto segnale rumore di 30 dB e una capacità di canale di 40 Kbit/s. Il cavo in rame presenta una banda passante inferiore ad un cavo coassiale, ma è più semplice da installare e i costi sono inferiori.

VARI TIPI DI CAVO IN RAME 

UTP (Unshielded Twisted Pair, “doppino non schermato”): è il più classico dei cavi Ethernet. Flessibile e senza schermatura con quattro doppini e i connettori RJ45.

 

FTP (Foiled Twisted Pair, “doppino avvolto”): si differenzia dal cavo Ethernet UTP per la schermatura singola, posta subito sotto la guaina esterna, che racchiude tutti i quattro doppini e scherma, parzialmente, da interferenze elettromagnetiche.

STP (Shielded Twisted Pair, “doppino schermato”): rispetto al cavo di rete FTP presenta una doppia schermatura anziché singola. La guaina schermante è presente sia attorno ad ogni singolo doppino sia attorno alle quattro coppie, come nel caso precedente. Scherma da ogni interferenza ma a discapito della flessibilità del cavo

CATEGORIE DEI CAVI IN RAME

Cat. 1: Comprende i cavi che si utilizzano unicamente per la telefonia analogica e non alla Trasmissione Dati.

Cat. 2: Cavi utilizzati per la telefonia analogica e digitale ISDN e Trasmissione Dati a bassa velocità (< 4 Mbps).

Cat. 3: Utilizzato in reti Ethernet 10BaseT (rete a 10 Mbps in banda base con uso di UTP) e Token Ring a 4 Mbps, adatto a velocità di 10 Mbps.

Cat. 4: Utilizzato in reti Token Ring fino a 16 Mbps.

Cat. 5: Cavo utilizzato per reti Fast Ethernet (100 Mbps) su distanze fino a 100 m.

NOTA BENE: LE CATEGORIE: 3, 4 e la 5: non sono più commercializzate.

Cat. 5e: dove la “e” sta per enhanced, “avanzato”  sono cavi usati  nelle reti Gigabit Ethernet dove si utilizzano frequenze di trasmissione dati sino a 350 Mhz, rispettando i canoni dello standard 1000BaseT (invio dati fino a 1 Gbit/s).

Cat. 5e CCA: si differenzia dalla precedente solamente per la presenza di cavi realizzati con una lega alluminio/rame. La velocità massima raggiungibile è arrivata a 2,5 Gigabit al secondo (poco più di 400 megabyte al secondo).

Cat. 6: caratterizzata da zero errori di connessione e un miglior rapporto segnale/rumore, sono ideali per l’utilizzo domestico.

Cat. 6e: versione migliorata della precedente, sfrutta frequenze di lavoro sino a 500 megahertz ed è testata per inviare dati ad una velocità costante di 5 gigabit sino a 100 metri di distanza.

Cat. 7: la migliore oggi in commercio. Testata per lavorare con frequenze di 600 Mhz, presenta una doppia schermatura e supporta gli standard 10BaseT, 100BaseT e 1000BaseT. Ideale per connessioni aziendali.

Le Categorie 5e,6,6e,7 sono usati normalmente per le reti Ethernet.

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CAVI IN RAME NELLA RETE PUBBLICA 

Nella rete pubblica (PSTN: Public Switched Telephone Network), l’ultimo tratto del collegamento, dal box stradale (armadio) fino all’utente finale, è chiamato Local Loop o ultimo miglio, ed era stato concepito per la trasmissione analogica vocale (POTS, Plain Old Telephone Services).

Per questo motivo si è utilizzato un supporto trasmissivo (doppino) relativamente poco costoso e con una banda non elevata: 4 kHz ( per limitare la banda si inseriscono sulla linea dei filtri passa-basso ).

COME VIENE DIVISA LA RETE DI ACCESSO

Il cavo telefonico della rete di Accesso Secondaria parte dal Box di distribuzione  dell’abitazione fino al Box Stradale (Armadio). 

Il cavo telefonico della rete Primaria parte dal Box Stradale fino al Giunto di Sfioccamento. 

I vari Box stradali sono collegati al giunto di Sfioccamento attraverso i cavi della Rete Primaria (max. 800 doppini). 

La rete di Accesso, dal giunto di Sfioccamento alla Centrale Telefonica, utilizza dei cavi Multicoppia (max. 2400 doppini).

 

Con l’arrivo della trasmissione dati è nata l’esigenza di adeguare la rete di accesso per supportare i servizi a banda larga XDSL, tecniche che hanno condotto all’introduzione di servizi a larga banda a costi contenuti.

Per cui Il doppino telefonico è il primo cavo che si incontra nel percorso di un collegamento telefonico, di una linea di trasmissione dati, o di un cablaggio strutturato.