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Telecomunicazioni - I sistemi di telecomunicazione, Trasmissione ed elaborazione dell'informazione, Trasmissione radio e trasmissione ottica, I sistem



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1. Premessa

Con il termine Telecomunicazioni si intende la teoria e la tecnica della trasmissione a distanza di messaggi o segnali, cioè suoni, immagini, testi, dati, e in generale informazioni di varia natura. I sistemi di telecomunicazione sono quindi insiemi di apparecchiature destinati a raccogliere informazioni, ad elaborarle ed a trasmetterle a uno o più destinatari secondo quanto richiesto dalle diverse applicazioni.

Il termine informazione identifica una qualsiasi conoscenza suscettibile di essere comunicata.

Per l'importanza crescente che l'informazione ha assunto nella vita di lavoro e in generale nella vita sociale, la società contemporanea viene talvolta definita 'società dell'informazione'. I contatti e gli scambi tra persone, organizzazioni e strutture di ogni genere si fanno sempre più stretti e coinvolgono aree sempre più vaste, tanto da interessare ormai l'intero pianeta. Questo rende la trasmissione delle informazioni un'esigenza vitale, sia che essa avvenga su piccole distanze, ad esempio all'interno di un edificio o di una apparecchiatura, sia che si estenda a livello mondiale. Le telecomunicazioni sono una infrastruttura fondamentale del mondo contemporaneo.

L'inizio delle telecomunicazioni può esser fatto risalire alla sa del telegrafo attorno al 1840. Dopo circa 40 anni, nasce il telefono, che di fatto ha costituito finora l'applicazione più importante per il progresso delle telecomunicazioni. Poco dopo, all'inizio del nostro secolo, appare la radio, e quindi, attorno al 1930, la televisione che aggiunge l'immagine alla trasmissione della voce. Poi, a partire dagli anni della seconda guerra mondiale, è un susseguirsi di innovazioni tecniche: il radar, il cavo coassiale, i semiconduttori, il calcolatore e le centrali di commutazione per la rete telefonica, l'integrazione dei circuiti elettronici in spazi sempre più minuscoli, il laser, i satelliti per telecomunicazioni, le fibre ottiche. Ciò ha consentito la realizzazione di servizi di telecomunicazioni sempre più complessi e sofisticati.



La trasmissione dell'informazione vuol dire quindi non più solo telegrafia, telefonia e radiodiffusione come nella prima fase storica delle telecomunicazioni ma una pluralità di forme di comunicazione che si sono aggiunte via via che gli sviluppi delle tecnologie le hanno rese possibili. Il facsimile e le altre forme di posta elettronica, Internet, le teleconferenze video, l'interconnessione di calcolatori, terminali e macchine di ogni tipo, e l'interconnessione di utenti mobili sono solo alcuni esempi tra i più noti nel campo delle applicazioni più recenti. Gli elaboratori sono divenuti un elemento fondamentale nelle moderne reti di telecomunicazione, ed è nata la telematica, ambito in cui le tecnologie di trattamento dell'informazione interagiscono e si integrano con le tecnologie di trasmissione. D'altro canto i temi affrontati nell'ambito delle telecomunicazioni si sono estesi ben oltre il problema del trasferimento a distanza dell'informazione, da una sorgente verso uno o più destinatari. Basti pensare ai sistemi di radiolocalizzazione (radar) per la determinazione in ogni istante della posizione di aerei o altro, ai radioaiuti alla navigazione, al trattamento di segnali vocali e musicali per la registrazione su 'compact disc', o ai sistemi per il riconoscimento e per la sintesi della voce.

Obiettivi che non molto tempo fa potevano sembrare astrazioni o puri riferimenti teorici appaiono oggi mete realistiche, tanto da motivare non solo ricerche di base nelle istituzioni accademiche e di ricerca ma anche consistenti programmi di ricerca e sviluppo industriali: la rete telefonica mondiale, che pur rappresenta una realizzazione di complessità difficilmente eguagliabile dal momento che collega nel mondo un insieme di utenti che tende al miliardo, diventa oggi un punto di passaggio verso mete più ambiziose. Si mira ad una rete capillarmente diffusa ovunque, che consenta non solamente conversazioni telefoniche ma anche lo scambio di grandi quantità di informazioni, di ogni tipo, attraverso collegamenti ad elevatissima velocità di trasmissione. Si progetta inoltre, come evoluzione delle attuali reti tra punti fissi e dei sistemi radiomobili, di realizzare una rete universale mobile che consenta di comunicare nella forma desiderata con chiunque, in qualsiasi luogo si trovi, indipendentemente dai suoi movimenti. Ciò è reso possibile anche dalle grandi potenzialità di trattamento dell'informazione degli attuali mezzi informatici.

Il mondo delle telecomunicazioni è una realtà complessa, sia per la varietà degli obiettivi e dei servizi che devono essere forniti, sia per le diverse componenti tecnologiche e metodologiche che devono cooperare per il raggiungimento dei risultati desiderati. Quanto segue si propone di presentare un quadro sintetico dei contenuti culturali e tecnici che caratterizzano l'ingegneria delle telecomunicazioni, l'organizzazione delle attività didattiche e di ricerca nel settore presso il Politecnico di Milano, e un breve richiamo storico.
 
 

1.1 I sistemi di telecomunicazione

Un sistema di telecomunicazioni nella sua forma più complessa si presenta come una rete che interconnette molti punti.

Una 'rete di telecomunicazione' è una struttura in grado, su richiesta dell'utente, di instaurare un collegamento per la comunicazione con un altro utente o gruppo di utenti. Le risorse che costituiscono la rete sono condivise fra tutti gli utenti ad essa collegati e vengono utilizzate da questi solo quando necessitano di trasmettere informazione.

Questa condivisione di risorse rende possibile sia dal punto di vista tecnico che economico la interconnessione di un numero anche grandissimo di utenti. Basti pensare alla rete telefonica pubblica che è in grado in pochi secondi di realizzare a livello mondiale uno specifico collegamento per fornire il servizio richiesto agli utenti.

Esistono molte reti di telecomunicazione che differiscono sia per le dimensioni sia per i tipi di servizi forniti. Comunemente si parla di reti geografiche quando gli utenti sono distribuiti su grandi aree, ad esempio una nazione, di reti metropolitane, e di reti locali, se all'interno di un edificio, azienda o ufficio.

Gli utenti o terminali collegati in rete sono di varia natura, dal semplice apparecchio telefonico, che ha dominato fino agli anni 70, all'elaboratore di piccola e grande capacità, ai terminali per telemisure, ai terminali video e alle stazioni multimediali che possono richiedere contemporaneamente collegamenti di natura diversa.

Ma soffermiamoci anzitutto sulla trasmissione a distanza (o 'trasporto') dell'informazione e sulla sua elaborazione, per poi tornare al tema dello sviluppo delle reti e dei servizi di telecomunicazione.

1.2 Trasmissione ed elaborazione dell'informazione

L'informazione (fonica, visiva, scritta, ecc.) viene trasmessa mediante segnali elettrici (onde elettromagnetiche). Per esempio, nella classica telefonia viene inviata in linea una corrente proporzionale, istante per istante, alla pressione acustica incidente sul microfono del parlatore. Ad essa sarà proporzionale, a sua volta, la pressione acustica generata nel ricevitore telefonico dell'ascoltatore. Un segnale del genere viene chiamato 'analogico'.

La trasmissione a distanza dei segnali che trasportano l'informazione può avvenire su differenti mezzi fisici, quali linee e cavi metallici, ponti radio, satelliti e fibre ottiche, tra punti che possono essere fissi o anche mobili.

Una delle più rilevanti evoluzioni delle moderne telecomunicazioni è la rappresentazione, elaborazione e trasmissione dei segnali in 'forma numerica', ossia mediante sequenze di numeri, generalmente binari. Per la telefonia, ad esempio, una tipica rappresentazione numerica richiede un ritmo numerico di 64000 cifre binarie (bit) al secondo.

Di questa conversione dal mondo dei segnali analogici (continui nel tempo e nelle ampiezze) a quello numerico (sequenze di cifre binarie, 'bit') beneficiano non solo i sistemi per la trasmissione a distanza dell'informazione, ma anche molte applicazioni che comportano il trattamento dei segnali in apparecchiature terminali: la codificazione di segnali vocali, musicali o di immagini per la registrazione su Compact Disc (CD), o su cassette (Digital Compact Cassette, DCC), o su videodischi; metodi di analisi e riconoscimento di segnali (macchine che 'riconoscono' il parlato, traducendolo in un testo, oppure che riconoscono immagini); metodi di sintesi di segnali (macchine che 'parlano', sintetizzando la voce da un testo scritto o da informazioni memorizzate in un calcolatore).

Lo sviluppo delle tecniche di elaborazione numerica dei segnali permette anche, quando serva, la riduzione della ridondanza naturale eventualmente presente nei segnali, al fine ad esempio di una più efficiente trasmissione o memorizzazione. Per il segnale vocale si può ridurre di una decina di volte e più il numero di cifre binarie necessario ad una ricostruzione accettabile del segnale stesso. Allo stesso modo anche per i segnali televisivi convertiti in forma numerica sono possibili fortissime riduzioni, e ciò rende possibile in pratica l'utilizzazione di immagini di altissima qualità, ad esempio una televisione di qualità cinematografica (TV ad alta definizione).

Determinante per le possibilità di trattamento numerico dei segnali e per l'adozione progressiva nelle reti di telecomunicazione delle tecniche numeriche è lo sviluppo delle tecnologie elettroniche che consente di realizzare economicamente su un unico circuito integrato sistemi di calcolo molto potenti.

In definitiva, la rappresentazione numerica consente di ottenere, nei sistemi di telecomunicazione, numerosi vantaggi. Oltre a quelli già ricordati relativi alla facilità di elaborazione e riduzione di ridondanza alla sorgente, citiamo anche, in particolare per le reti di trasmissione, i seguenti:

un miglioramento sostanziale della qualità del segnale in presenza di disturbi;

la possibilità di intercalare temporalmente segnali diversi in un unico segnale a ritmo più elevato (operazione chiamata 'multiplazione a divisione di tempo'). Ad esempio, 10000 segnali telefonici possono essere associati, per la trasmissione a distanza, in un unico segnale di 640 milioni di bit al secondo;

la possibilità di ottenere in modo più agevole una rete multiservizio; in una rete telefonica, ad esempio, si può trasmettere, in luogo del segnale vocale, qualsiasi altro segnale che messo in forma numerica abbia un ritmo contenuto entro 64000 bit al secondo.

Con ciò l'utente vede la rete di comunicazione come un sistema numerico capace di trasmettere vari tipi di segnali: la rete numerica integrata nei servizi (Integrated Services Digital Network, nota con l'acronimo ISDN) tratta, oltre alla voce, dati, immagini fisse o lentamente variabili, testi (facsimile), etc.

1.3 Trasmissione radio e trasmissione ottica

La storia della trasmissione radio è caratterizzata da una continua corsa verso l'uso di frequenze sempre più elevate, alla ricerca di nuovi spazi per soddisfare il crescente bisogno dell'umanità di comunicare. In questa corsa un primo evento importante è stato il passaggio dall'impiego di frequenze relativamente basse (approssimativamente minori di 30 MHz) ancora riflesse dalla ionosfera, e perciò capaci di proarsi ben oltre l'orizzonte ottico (addirittura fino agli antipodi), all'impiego delle onde metriche e delle microonde, utilizzabili invece soltanto entro l'orizzonte ottico o poco oltre. Per coprire le grandi distanze sui percorsi continentali, è stato necessario sviluppare i ponti radio, in cui i segnali vengono convogliati su una successione di tratte in visibilità, ottenute mediante stazioni intermedie poste su alture o su torri. Rispetto ai collegamenti ionosferici, i ponti radio hanno offerto una capacità trasmissiva inabilmente superiore (l'equivalente di decine di migliaia di canali telefonici su ciascuna direttrice).

Una limitazione allo sviluppo delle trasmissioni radio alle frequenze molto elevate (superiori ai 10 GHz = 10 miliardi di Hz) è rappresentata dall'attenuazione che i segnali proantisi nell'atmosfera subiscono a causa dei fenomeni meteorologici (pioggia ecc.).

I ponti radio si sono trovati a competere con i cavi in rame, in particolare con i cavi a linee coassiali. Si è realizzata in effetti una equiripartizione del traffico tra cavi e radio, anche per motivi di sicurezza: è un'ottima pratica ingegneristica introdurre una certa ridondanza nella rete, così che se, per una qualsiasi causa, un collegamento è interrotto se ne possa usare un altro.



Negli anni '60 è so sulla scena il satellite geostazionario per telecomunicazioni, il quale con una singola apparecchiatura nello spazio, ha consentito collegamenti a grandissima distanza, superando anche gli oceani. Con satelliti in tre posizioni geostazionarie è possibile realizzare una rete mondiale di telecomunicazioni alla quale ci si può connettere da qualsiasi punto con una stazione a terra.

Anche i satelliti hanno dovuto competere con i cavi in rame, e in particolare, per ciò che riguarda i percorsi intercontinentali, con i cavi sottomarini. Anche in questo caso si è arrivati ad una equipartizione del traffico tra cavo e satellite sui percorsi transoceanici, ma è ancora vero che la maggior parte dei collegamenti su scala mondiale tra paesi grandi e piccoli o in via di sviluppo è tuttora affidata al satellite che, come osservato, può raggiungere direttamente qualsiasi località interessata. Anche per i collegamenti interni dei paesi in via di sviluppo il satellite ha rappresentato un elemento di grande rilievo e, in alcuni paesi, l'unica possibilità di mettere in atto un sistema di telecomunicazioni. Satelliti per telecomunicazioni sono stati messi in orbita anche nei continenti e nei paesi sviluppati, persino di dimensioni geografiche modeste, come ad esempio l'Italia.

La sa negli anni 70 delle fibre ottiche, con le loro straordinarie caratteristiche trasmissive, ha mutato l'intero scenario della trasmissione dei segnali. In un cavo ottico la singola fibra, pur occupando uno spazio che è meno di un centesimo di quello occupato da una linea coassiale in rame, ha un'attenuazione così bassa da consentire di trasmettere segnali a ritmi dell'ordine di 10 Gbit/s ad una distanza tra le apparecchiature di linea intorno a 100 km, distanza da confrontare con 1,5 km che si devono adottare nella linea coassiale, che permette solo un ritmo di trasmissione dieci volte inferiore. Non solo, ma la fibra ha una banda di trasmissione di almeno una decina di terahertz (1 THz=1000 miliardi di hertz), così che in linea di principio è in grado di trasmettere quasi mille portanti ottiche, ciascuna recante un segnale numerico di 10 Gbit/s. I cavi ottici quindi, con un costo inferiore a quello dei cavi in rame a linee coassiali, introducono per la prima volta nella storia delle telecomunicazioni una situazione di abbondanza e addirittura di esuberanza di risorse trasmissive. La fibra sta perciò diventando il mezzo trasmissivo fondamentale.

Di fronte allo sviluppo della trasmissione su fibra, la trasmissione radio tra 'punti fissi', cui si è fatto finora riferimento, vede ridursi molte delle sue prerogative del passato e deve perciò concentrarsi nelle applicazioni che sono ad essa più congeniali. I ponti radio, specialmente alle altissime frequenze, continueranno ad avere un notevole interesse per i brevi percorsi perché traggono vantaggio dalla caratteristica principale della radio: rapida installazione e agevole recupero degli apparati. I satelliti continueranno a sfruttare le loro peculiari proprietà tra cui, ad esempio, la rapidità di messa in opera delle stazioni e di intervento in caso di emergenze, e la capacità di consentire facilmente sistemi punto-multipunto, come la distribuzione e la diffusione televisiva e radiofonica, o le reti private all'interno di grandi organizzazioni per collegare la sede centrale a quelle periferiche.

1.4 I sistemi radiomobili

Finora abbiamo considerato i collegamenti tra punti fissi e il ruolo che vi assumono la radio e i cavi ottici. Occorre, peraltro, considerare anche i collegamenti con e tra i mezzi mobili, attuabili ricorrendo alla radio. Per navi e aerei i radiocollegamenti a breve distanza, in visibilità o quasi, sono attuati in modo classico, mentre sulle lunghe distanze il satellite ha ormai praticamente soppiantato i vecchi collegamenti a onde corte. Per i collegamenti con mezzi mobili terrestri l'esplosione della domanda richiede, invece, soluzioni molto raffinate, a causa della scarsità della risorsa costituita dallo spettro radio. Per i collegamenti con mezzi mobili terrestri non sono state usate frequenze molto elevate, soprattutto perché in questi collegamenti le frequenze più basse si prestano meglio a superare gli ostacoli come edifici o elevazioni naturali.

Di fronte alle limitazioni della banda disponibile si sono seguite due strade per assicurare la capacità trasmissiva richiesta. La prima è quella di ridurre il ritmo necessario per trasmettere i segnali (riduzione della ridondanza). Ad esempio il sistema mobile numerico unificato in Europa è il maggior promotore delle tecniche di riduzione di ridondanza del segnale fonico. Esso opera con un ritmo di 13 kbit/s, ed è già iniziata la fase successiva che comporta un dimezzamento di questo ritmo. Il secondo provvedimento è riusare più volte le stesse frequenze sul territorio servito, con una struttura 'cellulare' in cui le stesse frequenze vengono usate in celle non adiacenti. Ogni cella, che può servire un ben determinato numero di utenti, è dotata di un ricetrasmettitore fisso collegato alla rete telefonica pubblica. Le ridotte dimensioni delle celle consentono anche di operare con potenze piccole e piccolo peso, caratteristiche compatibili con apparecchi personali (i 'telefonini'). Il controllo del sistema cellulare costituisce un problema complesso che solo le moderne tecnologie, soprattutto di software, consentono di risolvere. È infatti necessario avere una informazione continuamente aggiornata di dove si trovi ciascun utente per potergli inviare le chiamate ed è inoltre necessario cambiare automaticamente la frequenza di operazione quando l'apparecchio mobile attraversa il confine tra due celle. Anche il satellite può usare una tecnica simile, ma le dimensioni delle celle (legate alla direttività dell'antenna di bordo e alla distanza del satellite) sono molto più grandi così che il riuso delle frequenze è molto meno spinto. Ciò non toglie che il satellite avrà importanti applicazioni per i servizi mobili nelle regioni a basso traffico, agendo come complemento alla rete cellulare terrestre per assicurare la copertura del pianeta. Per poter ridurre la potenza richiesta per le apparecchiature mobili di terra rispetto a quanto sarebbe necessario con satelliti geostazionari (che si trovano ad una altitudine di 36000 km dall'equatore), sono stati introdotti sistemi come l'Iridium basati su satelliti in orbita bassa, ad un'altitudine ad esempio inferiore a 1000 km. Naturalmente questi satelliti ruotano velocemente rispetto alla Terra ed è necessario mettere in orbita varie decine di satelliti per assicurare un servizio continuo.

1.5 Lo sviluppo delle reti e dei servizi di telecomunicazioni

L'evoluzione delle reti di telecomunicazione è caratterizzata non soltanto dall'aumento continuo della capacità di trasporto dell'informazione, ma anche dall'apparire di nuove e importanti prestazioni. Le linee di sviluppo di questa evoluzione sono la capacità di personalizzazione dei servizi di comunicazione (la cosiddetta fornitura di 'servizi di rete intelligente') e la capacità dell'utente di muoversi durante la comunicazione (mobilità), non soltanto a piedi o in automobile, ma a casa, in ufficio, nei luoghi pubblici. La rete, nella sua evoluzione in questo senso, tende ad offrire un servizio di 'ubiquità', intendendo con questo termine la capacità della rete di telecomunicazione di rintracciare un utente in qualsiasi momento ed in qualsiasi posto del pianeta.

Mentre le reti di oggi sono essenzialmente dedicate ad un solo servizio (rete telefonica, rete dati, rete di posta elettronica, ecc.), le reti di domani sono orientate sempre più verso l'offerta di una pluralità di servizi simultanei. Si tratta ad esempio di applicazioni videotelefoniche o di videoconferenza, o di dati numerici ad alta velocità emessi da elaboratori e corrispondenti a informazioni di vario tipo: alfanumerico, grafico, immagini statiche e in movimento. Tipica in questo ambito è l'applicazione che consente comunicazioni multimediali tramite appositi terminali. Utilizzando simultaneamente più 'media' (voce, dati e immagini) ed appositi programmi software, si può ad esempio accedere ad informazioni contenute in una banca dati multimediale, con procedure di ricerca eseguite in tempo reale. Per una applicazione del genere sono necessarie velocità di trasmissione dell'ordine del gigabit al secondo.

La rete telefonica tradizionale, analogica, evolve verso una conurazione di tipo numerico integrato nei servizi (ISDN - Integrated Services Digital Network). Si sviluppano inoltre altre reti diversificate: le reti private dedicate all'utenza affari per applicazioni voce, dati e multimediali; le reti radiomobili, ecc. Le reti radiomobili cellulari terrestri, operanti alle frequenze di 450-900-l800 MHz, sono oggi molto diffuse, ed anche i satelliti vengono impiegati per realizzare connessioni tra utenti fissi e mobili. Fortissima diffusione avranno nei prossimi anni le reti radio terrestri cellulari operanti in bande di frequenza più elevate (2-20 GHz) per stabilire comunicazioni all'interno e all'esterno di edifici, tramite terminali portatili a bassa potenza (decine di milliwatt) e strutture microcellulari. Un altro esempio di rete di trasporto è dato dalla TV via cavo ('cable television'). I servizi di diffusione televisiva su cavi coassiali (CATV) non sono sviluppati nel nostro paese, ma sono molto diffusi all'estero. Queste reti offrono un mezzo alternativo per le comunicazioni multimediali, in concorrenza con quello offerto dalla rete telefonica.

Le reti tuttavia non si sviluppano solo sul piano della capacità di trasporto. Per realizzare una rete di telecomunicazioni non bastano gli apparati di elaborazione, trasmissione e commutazione dei segnali, necessari per il trasporto dell'informazione da un punto ad un altro della rete. Oltre alla funzione di trasporto, ci sono almeno due altre importanti funzioni della rete che sono basate su tecnologie informatiche ed applicazioni software, e sono relative da un lato all'offerta di servizi innovativi e dall'altro alla gestione della rete e dei servizi.

La prima di tali funzioni consiste nella fornitura dei cosiddetti servizi di intelligenza e mobilità di rete. Si utilizza una rete di segnalazione su canale comune, che, con tecnologie informatiche e l'impiego di basi di dati distribuite, permette l'offerta di servizi 'su misura' in funzione delle esigenze di ciascun particolare utente. Per ogni utente della rete è registrato un profilo all'interno delle basi di dati, e quando si vuol stabilire una conversazione, le basi di dati vengono interrogate in tempo reale. La rete verifica i profili d'utente e realizza i collegamenti in accordo con programmi software che sono eseguiti all'interno dei nodi di servizio collegati alle basi di dati. Esempio tipico di servizio di rete intelligente disponibile attualmente in Italia è il cosiddetto 'numero verde'; con questo, ad esempio, un ente può ottenere che le chiamate ad esso indirizzate vengano addebitate all'ente stesso anziché al chiamante, ed inoltre vengano inviate a uffici differenti a seconda dell'ora o del giorno, ecc.



Il livello funzionale più elevato nelle reti di telecomunicazione è quello che permette la gestione delle reti stesse e dei servizi. La rete telefonica di una nazione è composta da migliaia di centrali di commutazione (che sono poi calcolatori dedicati alla funzione dell'instradamento delle comunicazioni) e da milioni di canali di trasmissione. Uno degli aspetti più importanti per un corretto funzionamento è quello dell'esercizio e della manutenzione della rete (network management). L'automazione delle procedure di gestione della rete (identificazione dei guasti ed esecuzione dei ripristini) e degli utenti (gestione amministrativa ed assistenza tecnica) tramite tecnologie informatiche è lo strumento indispensabile per dominare la complessità del sistema.

L'architettura delle reti di telecomunicazioni in sviluppo cerca quindi di integrare i livelli funzionali illustrati precedentemente: il livello del trasporto (a banda stretta e a banda larga), il livello dell'intelligenza (cioè la capacità per cui le centrali, quando sollecitate da una chiamata particolare, possono accedere a basi di dati in tempo reale), ed il livello dell'esercizio e manutenzione.

La tendenza verso una rete numerica integrata nei servizi (ISDN) porta, come accennato, a rendere disponibili molti nuovi servizi attraverso terminali di vario tipo, anche multimediali. Questi, peraltro, debbono sottostare alla condizione che i segnali coinvolti abbiano un ritmo numerico non superiore a quello del segnale telefonico (64 kbit/s). Per l'utenza 'affari' si stanno manifestando già oggi esigenze di ritmi anche molto superiori, per esempio quando si voglia introdurre una videocomunicazione di qualità elevata, o sia necessaria una trasmissione di dati ad alta velocità (i moderni supercomputer richiedono ritmi che arrivano al Gbit/s). Su questa strada s'incontra un primo ostacolo: le attuali connessioni d'utente (linee bifilari in rame) non sono in grado di operare a ritmi elevati ed è perciò necessario, per gli utenti che desiderano questi servizi, mettere in atto connessioni d'utente a larga banda, ossia connessioni essenzialmente in fibra ottica. Per muoversi in questa direzione, una procedura economicamente accettabile è spingersi con fibre ottiche 'condivise fra più utenti' fino a posizioni molto decentrate (per esempio il basamento degli edifici) e da lì proseguire con le normali linee bifilari per gli utenti che richiedono solo servizi a banda stretta, e con le fibre per gli utenti che richiedono i servizi a larga banda. La fornitura di questi nuovi servizi richiede lo sviluppo di una nuova rete numerica integrata a larga banda ('Broadband Integrated Services Digital Network', in breve BISDN), che dovrà essere in grado di convogliare, e soprattutto commutare, segnali con ritmi anche molto diversi tra loro. Il ritmo richiesto varierà da utente a utente e, per uno stesso utente, potrà variare anche nel corso di una stessa comunicazione. Per risolvere questo problema, l'orientamento prevalso in sede internazionale è quello di trasmettere pacchetti di cifre binarie tutte della stessa 'lunghezza' (ossia con lo stesso numero di bit), muniti di una etichetta recante i dati necessari per il loro inoltro. Ovviamente un utente emetterà pacchetti di bit tanto più frequenti quanto più sarà alto il suo ritmo. Gli alti ritmi in gioco in questa rete richiedono la soluzione di importanti problemi tecnologici. In questo quadro si studia la possibilità di utilizzare, per la commutazione, tecnologie ottiche capaci di operare direttamente sui segnali trasmessi sulle fibre (reti completamente ottiche). Da notare che con l'adozione generalizzata della rete a larga banda sarà possibile diffondere in fibra programmi televisivi e radiofonici di alta qualità (televisione ad alta definizione e audio di qualità tipo 'compact disc').

Una evoluzione particolarmente rapida sta avvenendo oggi nel settore delle reti di comunicazione 'senza fili'. La comunicazione radio nell'ambito di spazi chiusi ed aperti, con strutture a microcelle, permette la mobilità non solo con riferimento ai veicoli, ma anche per il pubblico a piedi tramite apparecchi portatili a bassa potenza. Si potranno sostituire i centralini privati (con cablaggio all'interno degli edifici) con centralini 'senza fili', in modo da poter permettere la comunicazione, all'interno e all'esterno dell'edificio, di utenti mobili con terminali portatili. Inoltre l''intelligenza' della rete può permettere l'instradamento delle chiamate in modo dinamico e sotto il controllo dell'utente. Se si integrano i concetti di servizio di rete intelligente e di mobilità, si arriva a ciò che viene spesso indicato come comunicazione 'personale': ciascun utente della rete è dotato di un codice personale ed è in grado di comunicare, con addebito effettuato a tale codice, con qualsiasi altro utente della rete da un posto qualsiasi (casa, ufficio, dalla strada, da un veicolo ecc.).

In sintesi possiamo dire che gli sviluppi delle reti e dei servizi di telecomunicazioni si vanno aggregando in questi anni attorno a quattro elementi fondamentali. La rete numerica integrata nei servizi (ISDN) che si orienta verso l'impiego di terminali multimediali a velocità moderata (da 64 kbit/s ad un massimo di 2 Mbit/s). In tempi successivi, la ISDN a banda larga (B-ISDN) per terminali multimediali e applicazioni professionali (CAD ecc.), con velocità da 2 Mbit/s fino alle centinaia di Mbit/s. Per le reti radiomobili con terminali portatili a bassa potenza (PCN, Personal Communication Networks), le capacità informative in gioco per canale sono naturalmente più modeste (da 4 kbit/s a 10 Mbit/s). Le applicazioni ISDN e PCN sono arricchite dal software applicativo che fornisce l''intelligenza' (IN, Intelligent Network), dalle basi di dati, dalla capacità di elaborazione in tempo reale, indipendentemente dal fatto che si tratti di comunicazione a banda stretta, a banda larga o per utenti mobili.

2.Cenni storici

2.1 Il periodo 1800-l900

Dopo lo sviluppo delle conoscenze scientifiche sui fenomeni elettrici, avutosi nei primi decenni del secolo, la prima applicazione dell'elettricità (predetta dallo stesso Volta) fu, già nel corso degli anni 1823-37 in Inghilterra (Reynolds, Cooke, Wheatstone) e 1842-44 in USA (Morse), la nascita del servizio di telegrafia su filo con la trasmissione a distanza su conduttori metallici dei segnali elettrici telegrafici. Nacquero in quegli anni le prime linee aeree, che consentirono di coprire con la loro bassa attenuazione distanze molto grandi e di estendere rapidamente il servizio telegrafico a collegamenti anche internazionali, anche per la possibilità di ritrasmettere più volte il segnale telegrafico, rigenerandolo in ripetitori a relè. Dopo il 1848-50 apparvero i primi cavi telegrafici sotterrati (Siemens), nel 1850 il primo cavo sottomarino e tra il 1856 e il 1868 i primi cavi intercontinentali sottomarini consentirono di iniziare il servizio telegrafico tra Europa e continente americano. Dopo il 1876, dopo cioè la dimostrazione del telefono Bell durante l'esposizione di Filadelfia, nacque e si sviluppò rapidamente anche il servizio telefonico. La lunghezza dei collegamenti telefonici, per l'impossibilità allora di amplificare il segnale telefonico, rimase per molti anni limitata a non più di 1500 km su linee aeree e di 30 km su cavo, dopo l'invenzione del microfono a carbone (Hughes, 1888). Già prima della fine del secolo il servizio telefonico cominciò ad automatizzarsi con la sa delle prime centrali automatiche di commutazione Strowger (1892).

Nel corso del secolo XIX furono posti i fondamenti non solo dell'ingegneria elettrica, ma anche dell'ingegneria delle telecomunicazioni. Nacque la teoria delle onde elettromagnetiche con Maxwell (1855-l865) e Hertz (1887), la teoria delle linee telegrafiche con Lord Kelvin (1868) e poi quella delle linee telefoniche con Heaviside (1892). Con Lord Rayleigh (1893) furono poste le basi anche della teoria della proazione in tubi metallici (guide d'onda). Alla fine del secolo Marconi aveva già compiuto i suoi primi esperimenti di radiotrasmissione (1895) e all'inizio del nuovo secolo (1910) Hondros e Debye svilupparono la teoria delle guide dielettriche, alla base di quella delle odierne fibre ottiche.

Sorsero nel corso del secolo i primi gestori pubblici e privati del servizio telegrafico e poi di quello telefonico e le prime grandi società manufatturiere di cavi e apparati, quali ad esempio il gruppo Bell Telephone System, la Siemens, l'Automatic Electric, la Ericsson, la Marconi, che fu la prima società per le radiotrasmissioni, la italiana Pirelli, che nel 1886 aveva iniziato la produzione di cavi sottomarini. Alla fine del secolo esisteva a Milano la Soc. Gerosa per la costruzione di telefoni, che poi divenne parte del gruppo Bell come Western Electric Italiana e quindi passò al gruppo ITT come Standard Electric Italiana (poi FACE).

Nel nostro paese lo sviluppo della telefonia fu all'inizio rapidissimo. Il primo esperimento di telefonia fu promosso da un docente del Politecnico milanese, Giuseppe Colombo, che aveva assistito a Filadelfia alle dimostrazioni del telefono Bell, e fu compiuto dai fratelli Gerosa a Milano il 1 dicembre 1877, appena un anno dopo l'Esposizione di Filadelfia, con un telefono costruito dall'ing. Maroni, capo dell'ufficio telegrafico delle ferrovie. I primi servizi telefonici iniziarono già nel 1881, in occasione della grande Esposizione di Milano di quell'anno.

Le prime nozioni di tecnica delle telecomunicazioni vennero date nel Politecnico milanese (allora chiamato Istituto Tecnico Superiore) dal 1868 sino a circa la fine del secolo nel corso di Fisica tecnologica di Ferrini, insieme alle conoscenze di base sull'elettricità e a argomenti di calore e termodinamica. In tale insegnamento venivano dati cenni di telegrafia e telefonia in forma solo descrittiva, e in tale forma rimasero, per molti anni, mentre alle prime applicazioni energetiche dell'elettricità fu dedicato sin dal 1887 un corso di specializzazione, che divenne dal 1899 la sottosezione elettrica del corso di laurea per ingegneri industriali.

2.2 Il periodo 1900-l925.

In questo periodo avvengono due fatti rivoluzionari, l'affermazione delle radiocomunicazioni e l'introduzione del tubo elettronico. Si affermò la radiotelegrafia tra punti fissi e mobili, in aspra lotta industriale tra le vecchie potenti comnie di cavi e le nuove industrie di radiocomunicazioni (Marconi, Telefunken, RCA, ITT.). La trasmissione della voce venne portata a distanze sempre più grandi, prima con la pupinizzazione (1000-l500 km), introdotta negli anni 1899-l902, poi con la possibilità di amplificare i segnali (la prima linea telefonica amplificata è del 1915) data dall'avvento dei tubi elettronici (Fleming, 1904 e De Forrest, 1906). Questi resero anche possibile la nascita della multiplazione FDM su linee e cavi dei segnali telefonici e telegrafici (ATT, 1918). Nel dopoguerra si ebbe la nascita della radiodiffusione di programmi d'intrattenimento (1919-l925). Andò estendendosi sempre più l'automazione del servizio telefonico con l'aumento graduale e continuo del numero di centrali di commutazione elettromeccaniche.



Allo sviluppo tecnico si accomnò un grande sviluppo delle basi scientifiche e della teoria delle telecomunicazioni. Nacquero in questo periodo gli studi sul traffico (1909-20), sul rumore (Schottky, Johnson, Nyquist, 1918-28), la prima teoria dei filtri elettrici (Zobel 1923-24), la teoria dei circuiti elettronici (è del 1917 l'equazione di Vallauri).

Dopo la guerra, nel 1918, nel Politecnico milanese venne istituito un corso libero, Oscillazioni elettromagnetiche, tenuto fino alla sua morte nel 1928 da Riccardo Arnò. Esso era principalmente rivolto alle comunicazioni radio e trattava la teoria della luce, le esperienze di Hertz, le onde radio, la generazione di onde smorzate e periodiche, la telegrafia e telefonia radio, diodo e triodo, arco Poulsen, vari tipi di detector. Il successo delle radiotrasmissioni di Guglielmo Marconi aveva però già influenzato a Milano da alcuni anni i contenuti del curriculum di ingegneria. Con l'arrivo di Arnò a Milano, nel nuovo corso generale di Elettrotecnica per tutti gli ingegneri industriali vennero introdotte dai primi anni del nuovo secolo le nozioni fondamentali della teoria elettromagnetica della luce di Maxwell e le esperienze di Hertz, e vennero portate quelle nozioni sulla telegrafia e telefonia anche via radio, prima date nel corso di Fisica tecnologica.

2.3 Il periodo 1925-l950.

Nel secondo quarto di secolo si consolidò ed estese l'automazione telefonica con commutatori di tipo elettromeccanico e con il perfezionarsi della tecnologia dei tubi elettronici, si estese la trasmissione FDM sui cavi. Nacque il servizio telex (1926-30), e lo sviluppo della radiodiffusione fece sorgere anche nel nostro Paese varie industrie di radioricevitori commerciali. Con il successo del sistema di collegamento radio tra madrepatria e colonie dell'impero inglese (la 'Imperial Radio Chain' di Marconi) tra il 1925 e il 1927 ebbe inizio l'era della radiotelegrafia e radiotelefonia ad onde corte; il servizio telefonico con la radio diventò anche intercontinentale e venne portato a bordo delle navi. Nel 1928 si ebbe il primo tentativo di radiomobile con le auto della polizia di Detroit. Prima della 2a guerra mondiale si cominciarono a usare i cavi coassiali telefonici (1937-40), ebbe inizio in USA la radiodiffusione in FM (1935-41) e si fecero i primi esperimenti di trasmissioni televisive (1935-36) in USA, Inghilterra e Germania. Durante la guerra cominciò in USA anche la diffusione di programmi TV e ebbe inizio con il radar l'era delle microonde e dei grandi ponti radio (il grande ponte radio TD2 a 4 GHz della ATT è del 1948, ma i primi esperimenti di Clavier e di Marconi con le microonde risalgono al periodo 1931-35). Il decennio 1940-50 vede la grande diffusione delle centrali automatiche di commutazione telefonica (Crossbar 1).

Prima dell'inizio della seconda metà del secolo era già nato il transistor (Laboratori Bell, 1947) e il primo calcolatore numerico a tubi elettronici (nel 1945 nacque la Univac Computer). Furono sviluppati in questo periodo la teoria degli amplificatori controreazionati (Black, Laboratori Bell, 1925), la modulazione FM (Armstrong, 1933), la teoria dell'informazione (Shannon, Laboratori Bell, 1948), la sintesi moderna dei filtri secondo Darlington (Laboratori Bell, 1939).

Prima della 2a guerra mondiale si cominciarono ad istituire nelle Università italiane i primi insegnamenti sistematici per il settore delle telecomunicazioni.

I docenti di questi nuovi corsi di comunicazioni elettriche provenivano in gran parte da ambienti 'radio' delle Forze armate e in particolare della Marina. Per naturale conseguenza, erano i problemi delle radiotrasmissioni a dominare maggiormente nei loro insegnamenti. La stessa impronta ebbero per forza di cose i loro allievi, che avrebbero formato il corpo docente negli anni dopo la guerra, mentre continuò a mancare in questo corpo docente l'apporto di persone provenienti dall'industria e dai servizi, esperte delle tecniche delle comunicazioni più tradizionali (trasmissioni su cavi, reti e commutazione). Uno dei principali artefici di questo rinnovamento fu certamente il Direttore del RIEC (Laboratorio della Marina Militare) di Livorno Gian Carlo Vallauri, chiamato poi a Torino dal 1926 per insegnare Elettrotecnica generale e per dirigere la Scuola Elettrotecnica G. Ferraris nell'Istituto Elettrotecnico Nazionale G. Ferraris.

In un primo tempo si trattò non di insegnamenti regolari per i corsi di laurea, ma di insegnamenti per corsi di perfezionamento per ingegneri laureati.

Nel Politecnico milanese nel corso di Fisica sperimentale II vennero incluse dal 1929 le equazioni di Maxwell dei campi elettromagnetici e la teoria elettromagnetica della luce, e nel corso di Elettrotecnica generale dal 1929 anche le serie di Fourier e le sue applicazioni, il calcolo vettoriale differenziale, il fenomeno termoionico e conoscenze generali sui tubi elettronici e loro applicazioni.

All'inizio degli anni '30 Francesco Vecchiacchi dai Laboratori RIEC di Livorno, si trasferì a Milano a dirigere i laboratori della Magneti Marelli, dove realizzò il primo sistema completo di trasmissione televisiva in Italia (1939); dal 1932 egli creò nel Politecnico di Milano una sezione 'Radiotecnica' nel corso di perfezionamento per ingegneri elettricisti, istituito nel 1928. Dal 1946 essa diventò un corso di perfezionamento indipendente in Radio e in Comunicazioni elettriche. Dall'anno accademico 1937-l938 gli insegnamenti di Comunicazioni Elettriche e Radiotecnica diventarono corsi regolari della sottosezione elettrotecnica di Milano.

2.4 Il periodo 1950 ad oggi

Ebbe inizio negli anni '50 la rivoluzione provocata dall'introduzione sempre più massiccia dei transistor nei circuiti elettronici (del 1956 è il primo radioricevitore a transistori) e poi, dopo il 1970, della microelettronica e dei circuiti integrati.

E' il periodo della realizzazione delle grandi dorsali delle reti di telecomunicazioni in ponti radio e cavi coassiali, dei cavi sottomarini tra Europa e America (il primo cavo telefonico sottomarino intercontinentale è del 1956). Nel corso degli anni Sessanta, avvenne l'introduzione dei sistemi intercontinentali di comunicazione mediante satelliti (il primo satellite per telecomunicazioni, il Telstar della Bell, è del 1962 e il primo sistema commerciale via satellite Intelsat I è del 1965) e quella graduale delle tecniche numeriche nella trasmissione e nella commutazione (il primo sistema PCM, a 24 canali, della Bell è del 1962). Prima del 1975 fecero la loro sa le prime fibre ottiche. E' questo inoltre il periodo che vede anche nei sistemi di telecomunicazioni la rivoluzione portata dalla sa degli elaboratori elettronici: se gli anni 1950-70 vedono la diffusione mondiale della centrale elettromeccanica Crossbar 5, negli anni 1964-70 si ha l'apparizione delle prime centrali semi elettroniche e nel 1975 quella della prima centrale elettronica digitale.

L'introduzione al Politecnico della laurea in Ingegneria elettronica (1960) presso l'Istituto di Elettrotecnica Generale diretto da E. Bottani fu preceduta nel 1956 dalla istituzione quasi clandestina di un indirizzo 'elettronica e delle comunicazioni elettriche' nel corso di laurea in ingegneria industriale sottosezione elettrotecnica. Con l'istituzione del corso di laurea in Ingegneria elettronica si poterono introdurre molte delle conoscenze tecnico-scientifiche e metodologiche della moderna ingegneria delle telecomunicazioni.

Lo sviluppo delle telecomunicazioni a partire dagli anni '70 si è fatto sempre più rapido, integrandosi con lo sviluppo dell'informatica, della microelettronica e della fotonica.

Le centrali di commutazione elettromeccaniche si trasformano in centrali a commutazione temporale numerica, e la rete diventa una rete numerica integrata non più per soli segnali telefonici ma anche per dati e servizi di vario tipo. Si estende la rete dei satelliti per telecomunicazioni non solo per collegamenti intercontinentali ma anche a livello continentale o nazionale. La trasmissione nelle reti terrestri viene rivoluzionata dall'avvento delle fibre a bassissima attenuazione e dall'introduzione degli amplificatori ottici. Si rende così disponibile un mezzo trasmissivo di capacità praticamente illimitata e adatto anche per la trasmissione a grandissima distanza (nel 1988 viene posato il primo cavo USA-Europa in fibra ottica con capacità di 40.000 circuiti telefonici). In questi ultimi anni poi, con la diffusione della radiotelefonia mobile e del telefono personale facilmente trasportabile ovunque, si apre un'ulteriore area di sviluppo per le telecomunicazioni.








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