Trasmissione a microonde

Antenne horn-reflector in banda C sul tetto di un centro di commutazione telefonica a Seattle, Washington, parte degli Stati Uniti. Rete di relè a microonde AT&T Long Lines

Decine di piatti a microonde sulla Heinrich-Hertz-Turm ad Amburgo, Germania

Il relè radio a microonde è una tecnologia ampiamente utilizzata negli anni ’50 e ’60 per trasmettere informazioni, come chiamate telefoniche a lunga distanza e programmi televisivi tra due punti terrestri su uno stretto raggio di microonde. Nel relè radio a microonde, un trasmettitore a microonde e un’antenna direzionale trasmettono uno stretto fascio di microonde che trasporta molti canali di informazioni su una linea di percorso visivo verso un’altra stazione di relè dove viene ricevuto da un’antenna direzionale e un ricevitore, formando un collegamento radio fisso tra i due punti. Il collegamento era spesso bidirezionale, utilizzando un trasmettitore e un ricevitore a ciascuna estremità per trasmettere dati in entrambe le direzioni. Il requisito di una linea di vista limita la separazione tra le stazioni all’orizzonte visivo, circa 30-50 miglia (48-80 km). Per distanze più lunghe, la stazione ricevente potrebbe funzionare come un relè, ritrasmettendo le informazioni ricevute ad un’altra stazione lungo il suo percorso. Catene di stazioni relè a microonde sono state utilizzate per trasmettere segnali di telecomunicazione su distanze transcontinentali. Le stazioni relay a microonde erano spesso situate su alti edifici e sulle cime delle montagne, con le loro antenne su torri per ottenere la massima portata.

A partire dagli anni ’50, le reti di relay a microonde, come il sistema AT&T Long Lines negli Stati Uniti, trasportavano telefonate a lunga distanza e programmi televisivi tra le città. Il primo sistema, soprannominato TD-2 e costruito dalla AT&T, collegava New York e Boston nel 1947 con una serie di otto stazioni radio relay. Queste comprendevano lunghe serie a margherita di tali collegamenti che attraversavano catene montuose e attraversavano i continenti. Il lancio di satelliti di comunicazione negli anni ’70 ha fornito un più economico Gran parte del traffico transcontinentale è ora trasportato da satelliti e fibre ottiche, ma il relè a microonde rimane importante per le distanze più brevi.

PlanningEdit

Torre di comunicazione sulla Frazier Mountain, California del Sud, con piatti per il relay a microonde

Perché le onde radio viaggiano in fasci stretti confinati in un percorso in linea di vista da un’antenna all’altra, non interferiscono con altre apparecchiature a microonde, così i collegamenti a microonde vicini possono usare le stesse frequenze. Le antenne devono essere altamente direzionali (alto guadagno); queste antenne sono installate in luoghi elevati come grandi torri radio per poter trasmettere su lunghe distanze. Tipici tipi di antenna usati nelle installazioni di ponti radio sono le antenne paraboliche, le lenti dielettriche e le antenne con riflettore a tromba, che hanno un diametro fino a 4 metri. Le antenne altamente direttive permettono un uso economico dello spettro di frequenza disponibile, nonostante le lunghe distanze di trasmissione.

Nodo relè radio militare danese

A causa delle alte frequenze utilizzate, è necessario un percorso in linea di vista tra le stazioni. Inoltre, per evitare l’attenuazione del fascio, un’area intorno al fascio, chiamata prima zona di Fresnel, deve essere libera da ostacoli. Gli ostacoli nel campo del segnale causano un’attenuazione indesiderata. Le posizioni di picchi o creste di alta montagna sono spesso ideali.

Il camion di produzione usato per le trasmissioni remote dei notiziari televisivi ha una parabola a microonde su un albero telescopico retrattile per trasmettere video in diretta allo studio.

Gli ostacoli, la curvatura della Terra, la geografia dell’area e i problemi di ricezione derivanti dall’uso dei terreni vicini (come nella produzione e nella silvicoltura) sono questioni importanti da considerare quando si pianificano i collegamenti radio. Nel processo di pianificazione, è essenziale che vengano prodotti “profili di percorso”, che forniscono informazioni sul terreno e sulle zone di Fresnel che influenzano il percorso di trasmissione. Anche la presenza di una superficie d’acqua, come un lago o un fiume, lungo il percorso deve essere presa in considerazione poiché può riflettere il fascio, e il fascio diretto e riflesso può interferire all’antenna ricevente, causando dissolvenze multipath. Le dissolvenze multipath sono di solito profonde solo in un piccolo punto e in una stretta banda di frequenza, quindi gli schemi di diversità di spazio e/o di frequenza possono essere applicati per mitigare questi effetti.

Gli effetti della stratificazione atmosferica fanno sì che il percorso radio si pieghi verso il basso in una situazione tipica, quindi è possibile una distanza maggiore quando la curvatura equivalente alla terra aumenta da 6370 km a circa 8500 km (un effetto di raggio equivalente 4/3). Rari eventi di temperatura, umidità e profilo di pressione rispetto all’altezza, possono produrre grandi deviazioni e distorsioni della propagazione e influenzare la qualità della trasmissione. Anche la pioggia ad alta intensità e la neve che fa svanire la pioggia devono essere considerate come un fattore di deterioramento, specialmente alle frequenze sopra i 10 GHz. Tutti i fattori precedenti, collettivamente noti come path loss, rendono necessario calcolare margini di potenza adeguati, al fine di mantenere il collegamento operativo per un’alta percentuale di tempo, come lo standard del 99,99% o 99,999% utilizzato nei servizi di ‘classe portante’ della maggior parte degli operatori di telecomunicazioni.

Il più lungo relè radio a microonde conosciuto fino ad oggi attraversa il Mar Rosso con un salto di 360 km (200 mi) tra Jebel Erba (2170m s.l.m, 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583°N 36.8401806°E, Sudan) e Jebel Dakka (2572m slm, 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E, Arabia Saudita). Il collegamento è stato costruito nel 1979 da Telettra per trasmettere 300 canali telefonici e un segnale TV, nella banda di frequenza di 2 GHz. (La hop distance è la distanza tra due stazioni a microonde).

Le considerazioni precedenti rappresentano i tipici problemi che caratterizzano i collegamenti radio terrestri che utilizzano le microonde per le cosiddette reti dorsali: lunghezze di hop di poche decine di chilometri (tipicamente da 10 a 60 km) sono state ampiamente utilizzate fino agli anni ’90. Le bande di frequenza sotto i 10 GHz e, soprattutto, le informazioni da trasmettere erano un flusso contenente un blocco di capacità fissa. L’obiettivo era di fornire la disponibilità richiesta per l’intero blocco (gerarchia digitale plesocrona, PDH, o gerarchia digitale sincrona, SDH). Il fading e/o il multipath che colpisce il collegamento per un breve periodo di tempo durante il giorno doveva essere contrastato dall’architettura della diversità. Durante gli anni 1990 i collegamenti radio a microonde hanno cominciato a essere ampiamente utilizzati per i collegamenti urbani nella rete cellulare. I requisiti relativi alla distanza del collegamento sono cambiati verso salti più brevi (meno di 10 km, tipicamente da 3 a 5 km), e la frequenza è aumentata a bande tra 11 e 43 GHz e più recentemente, fino a 86 GHz (banda E). Inoltre, la pianificazione dei collegamenti si occupa più di piogge intense e meno di multipath, quindi gli schemi di diversità sono diventati meno usati. Un altro grande cambiamento che si è verificato durante l’ultimo decennio è stata un’evoluzione verso la trasmissione radio a pacchetti. Pertanto, sono state adottate nuove contromisure, come la modulazione adattiva.

La potenza emessa è regolata per i sistemi cellulari e a microonde. Queste trasmissioni a microonde utilizzano una potenza emessa tipicamente da 0,03 a 0,30 W, irradiata da un’antenna parabolica su un fascio stretto divergente di pochi gradi (da 1 a 3-4). La disposizione dei canali a microonde è regolata dall’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU-R) e dai regolamenti locali (ETSI, FCC). Nell’ultimo decennio lo spettro dedicato ad ogni banda di microonde è diventato estremamente affollato, motivando l’uso di tecniche per aumentare la capacità di trasmissione come il riutilizzo delle frequenze, il multiplexing a divisione di polarizzazione, XPIC, MIMO.

StoriaModifica

Antenne del collegamento sperimentale a microonde a 1,7 GHz del 1931 attraverso la Manica. L’antenna ricevente (sfondo, a destra) era situata dietro l’antenna trasmittente per evitare interferenze.

Stazione relè a microonde portatile degli US Army Signal Corps, 1945. I sistemi di relè a microonde sono stati sviluppati per la prima volta nella seconda guerra mondiale per la comunicazione militare sicura.

La storia della comunicazione con relè radio iniziò nel 1898 dalla pubblicazione di Johann Mattausch nella rivista austriaca Zeitschrift für Electrotechnik. Ma la sua proposta era primitiva e non adatta all’uso pratico. I primi esperimenti con ripetitori radio per trasmettere segnali radio furono fatti nel 1899 da Emile Guarini-Foresio. Tuttavia le onde radio a bassa e media frequenza usate durante i primi 40 anni di radio si dimostrarono capaci di percorrere lunghe distanze attraverso la propagazione delle onde terrestri e del cielo. La necessità del relè radio non iniziò realmente fino allo sfruttamento delle microonde negli anni ’40, che viaggiavano in linea di vista e quindi erano limitate ad una distanza di propagazione di circa 40 miglia (64 km) dall’orizzonte visivo.

Nel 1931 un consorzio anglo-francese guidato da Andre C. Clavier dimostrò un collegamento sperimentale di relè a microonde attraverso la Manica usando piatti da 3 metri. La telefonia, il telegrafo e i dati facsimile furono trasmessi sui fasci bidirezionali da 1,7 GHz per 40 miglia (64 km) tra Dover, Regno Unito, e Calais, Francia. La potenza irradiata, prodotta da un tubo Barkhausen-Kurz in miniatura situato al fuoco della parabola, era di mezzo watt. Un collegamento militare a microonde del 1933 tra gli aeroporti di St. Inglevert, Francia, e Lympne, Regno Unito, una distanza di 56 km (35 miglia), fu seguito nel 1935 da un collegamento di telecomunicazione a 300 MHz, il primo sistema commerciale di relè a microonde.

Lo sviluppo del radar durante la seconda guerra mondiale ha fornito gran parte della tecnologia a microonde che ha reso possibili collegamenti di comunicazione a microonde, in particolare l’oscillatore klystron e le tecniche di progettazione di antenne paraboliche. Sebbene non sia comunemente noto, l’esercito statunitense ha usato comunicazioni a microonde sia portatili che da postazioni fisse nel teatro europeo durante la seconda guerra mondiale.

Dopo la guerra, le compagnie telefoniche hanno usato questa tecnologia per costruire grandi reti di relè radio a microonde per portare chiamate telefoniche a lunga distanza. Durante gli anni ’50 un’unità della compagnia telefonica statunitense, la AT&T Long Lines, costruì un sistema transcontinentale di collegamenti a microonde attraverso gli Stati Uniti che crebbe fino a trasportare la maggior parte del traffico telefonico a lunga distanza degli Stati Uniti, così come i segnali della rete televisiva. La motivazione principale nel 1946 per usare le microonde invece del cavo era che una grande capacità poteva essere installata rapidamente e a un costo inferiore. A quel tempo ci si aspettava che i costi operativi annuali per la radio a microonde sarebbero stati maggiori di quelli del cavo. C’erano due ragioni principali per cui una grande capacità doveva essere introdotta improvvisamente: La domanda di servizi telefonici a lunga distanza, a causa della pausa durante gli anni della guerra, e il nuovo mezzo televisivo, che aveva bisogno di una maggiore larghezza di banda rispetto alla radio. Il prototipo fu chiamato TDX e fu testato con una connessione tra New York City e Murray Hill, la sede dei Bell Laboratories nel 1946. Il sistema TDX fu installato tra New York e Boston nel 1947. Il TDX fu aggiornato al sistema TD2, che usava nei trasmettitori, e poi più tardi al TD3 che usava l’elettronica a stato solido.

Risultano degni di nota i collegamenti a microonde con Berlino Ovest durante la guerra fredda, che dovevano essere costruiti e gestiti a causa della grande distanza tra la Germania Ovest e Berlino al limite della fattibilità tecnica. Oltre alla rete telefonica, anche i collegamenti relè a microonde per la distribuzione di trasmissioni televisive e radiofoniche. Questo includeva connessioni dagli studi ai sistemi di trasmissione distribuiti in tutto il paese, così come tra le stazioni radio, per esempio per lo scambio di programmi.

I sistemi di relè a microonde militari continuarono ad essere utilizzati negli anni ’60, quando molti di questi sistemi furono soppiantati da sistemi a diffusione troposferica o satellitari di comunicazione. Quando fu formato il braccio militare della NATO, molte di queste attrezzature esistenti furono trasferite ai gruppi di comunicazione. I tipici sistemi di comunicazione usati dalla NATO in quel periodo consistevano nelle tecnologie che erano state sviluppate per l’uso da parte degli enti di trasporto telefonico nei paesi ospiti. Un esempio dagli Stati Uniti è il sistema di relè a microonde RCA CW-20A 1-2 GHz che utilizzava un cavo UHF flessibile piuttosto che la guida d’onda rigida richiesta dai sistemi a frequenza più alta, rendendolo ideale per applicazioni tattiche. La tipica installazione di relè a microonde o furgone portatile aveva due sistemi radio (più il backup) che collegavano due siti in linea di vista. Queste radio spesso portavano 24 canali telefonici multiplexati in divisione di frequenza sulla portante a microonde (cioè Lenkurt 33C FDM). Ogni canale poteva invece essere designato per portare fino a 18 comunicazioni di telescrivente. Erano in uso anche sistemi simili della Germania e di altre nazioni membri.

Reti di relè a microonde a lunga distanza furono costruite in molti paesi fino agli anni ’80, quando la tecnologia perse la sua quota di funzionamento fisso a favore di tecnologie più recenti come il cavo a fibre ottiche e i satelliti di comunicazione, che offrono un costo inferiore per bit.

Spionaggio a microonde

Durante la guerra fredda, le agenzie di intelligence statunitensi, come la National Security Agency (NSA), sarebbero state in grado di intercettare il traffico sovietico a microonde utilizzando satelliti come Rhyolite. Gran parte del fascio di un collegamento a microonde passa l’antenna ricevente e si irradia verso l’orizzonte, nello spazio. Posizionando un satellite geosincrono nel percorso del fascio, il fascio di microonde può essere ricevuto.

Al volgere del secolo, i sistemi di relè radio a microonde sono sempre più utilizzati nelle applicazioni radio portatili. La tecnologia è particolarmente adatta a questa applicazione a causa dei costi operativi più bassi, un’infrastruttura più efficiente, e la fornitura di accesso hardware diretto all’operatore radio portatile.

Link a microondeModifica

Un link a microonde è un sistema di comunicazione che utilizza un fascio di onde radio nella gamma di frequenza delle microonde per trasmettere video, audio o dati tra due posizioni, che possono essere da pochi piedi o metri a diverse miglia o chilometri di distanza. I collegamenti a microonde sono comunemente usati dalle emittenti televisive per trasmettere programmi attraverso un paese, per esempio, o da una trasmissione esterna a uno studio.

Le unità mobili possono essere montate su una telecamera, permettendo alle telecamere di muoversi liberamente senza cavi. Queste si vedono spesso sulle linee laterali dei campi sportivi sui sistemi Steadicam.

Proprietà dei collegamenti a microondeModifica

  • Tecnologia di comunicazione in linea di vista (LOS)
  • Influenzata notevolmente dai vincoli ambientali, compresa la dissolvenza della pioggia
  • Hanno capacità di penetrazione molto limitata attraverso ostacoli come colline, edifici e alberi
  • Sensibile all’alto numero di pollini
  • I segnali possono essere degradati durante eventi di protoni solari

Usi dei collegamenti a microondeModifica

  • Nelle comunicazioni tra satelliti e stazioni base
  • Come portanti dorsali per sistemi cellulari
  • Nelle comunicazioninelle comunicazioni interne a corto raggio
  • Collegando le centrali telefoniche remote e regionali alle centrali più grandi (principali) senza la necessità di linee in rame/fibra ottica
  • Misurando l’intensità della pioggia tra due località

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.