Segnali di luce Guglielmino Paolo & Ma ani Alessand 2010/2011 · Lo studio della propagazione della...
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Istituto Tecnico Industriale Enea Mattei
Indirizzo Informatica “ABACUS”
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Tecnologie di trasmissione digitale delle informazioni attraverso
l’uso di fibre ottiche. Studio delle problematiche di
sincronizzazione, di trasmissione e forme
segnale. Esempio pratico di trasmissione dati in digitale tra due
personal computer, attraverso l’uso del microcontrollore
Arduino e di una fibra ottica prodotta artigianalmente
utilizzando una resina poliestere.
ndustriale Enea Mattei
“ABACUS”
Tecnologie di trasmissione digitale delle informazioni attraverso
l’uso di fibre ottiche. Studio delle problematiche di
sincronizzazione, di trasmissione e forme di dispersione del
segnale. Esempio pratico di trasmissione dati in digitale tra due
rso l’uso del microcontrollore
rduino e di una fibra ottica prodotta artigianalmente
Indice
� Premessa............................................................................................................................................ Pag. 1
� 1. Introduzione alle tecnologie di trasmissione dei dati .................................................................. Pag. 2
� 2. Costituzione della fibra ottica ....................................................................................................... Pag. 3
� 3. Principi di funzionamento ............................................................................................................. Pag. 4
� 4. Dispersione e attenuazione del segnale ....................................................................................... Pag. 6
� 4.1 Tipologie ............................................................................................................................ Pag. 6
� 4.2 Soluzioni tecniche .............................................................................................................. Pag. 6
� 5. Uso della fibra nelle telecomunicazioni ....................................................................................... Pag. 7
� 5.1 Finestre di trasmissione ..................................................................................................... Pag. 7
� 5.2 Installazione e problemi di giunzione ................................................................................ Pag. 8
� 6. Cenni storici sull’uso della fibra ottica.......................................................................................... Pag. 9
� 7. Trasmissione dati con Arduino e fibra ottica ............................................................................... Pag. 10
� 7.1 Il microcontrollore Arduino ............................................................................................... Pag. 10
� 7.2 Fibra ottica home-made .................................................................................................... Pag. 10
� 7.3 Schema del progetto ......................................................................................................... Pag. 11
� 7.4 Codifica e sincronizzazione del segnale ............................................................................. Pag. 12
� 7.5 Codice sorgente ................................................................................................................. Pag. 13
� 7.5.1 Programma Arduino ................................................................................................... Pag. 13
� 7.5.2 Software C# ................................................................................................................ Pag. 15
� 7.6 Risultati e conclusioni ........................................................................................................ Pag. 18
� Bibliografia ......................................................................................................................................... Pag. 19
1
PREMESSA
L’argomento di questa tesina è una delle maggiori tecnologie per la trasmissione di informazioni utilizzate oggi.
Abbiamo deciso di trattare questa forma di comunicazione per evidenziare l’evoluzione delle tecnologie di
trasmissione dei dati, che con l’implementazione su fibra ottica hanno raggiunto livelli di velocità ed affidabilità un
tempo impensabili. Per prima cosa abbiamo trattato l’argomento in forma teorica, dal punto di vista elettronico e
matematico parlando dei fenomeni di rifrazione della luce e delle caratteristiche dei materiali utilizzati, dimostrando
le migliori modalità e tecniche di trasmissione da adottare. Inoltre abbiamo brevemente accennato lo sviluppo e
l’evoluzione delle tecnologie di trasmissioni ottiche nel corso della storia, fino ad arrivare a parlare dell’utilizzo della
fibra ottica nello specifico campo delle telecomunicazioni. Abbiamo deciso di concludere la trattazione con un
piccolo progetto a scopo dimostrativo da noi creato, il quale consiste in una semplice dimostrazione di trasmissione
di un file di testo tra due PC, utilizzando la tecnologia di comunicazione sopra descritta, creando un modello in scala
di un cavo in fibra ottica, realizzato artigianalmente con materiali che possiedono caratteristiche simili a quelli
realmente utilizzati nelle telecomunicazioni.
2
1. INTRODUZIONE ALLE TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE DEI DATI
La trasmissione delle informazioni attraverso le reti di fonia/dati comporta una scelta del mezzo trasmissivo più
idoneo, che fornisca buone prestazioni ma che allo stesso tempo sia in grado di contenere i costi. I costi iniziali
devono essere controbilanciati dalla capacità di far fronte alle richieste di prestazioni sempre più elevate, in modo da
fornire un sistema di collegamento flessibile e disponibile a supportare le innovazioni tecnologiche del mercato. Un
parametro fondamentale da prendere in considerazione nella scelta del mezzo trasmissivo è la prestazione che si
intende ottenere, che possono variare da poche centinaia di bps (bit per secondo) a miliardi di bps. Il cavo che
assicura le prestazioni migliori è un mezzo poco dispersivo e poco dissipativo. Sia il trasmettitore che il ricevitore
devono adattarsi alle caratteristiche del mezzo trasmissivo per ottimizzare la trasmissione dei dati, quindi aumentare
il più possibile il rapporto potenza ricevuta/potenza trasmessa.
I mezzi trasmissivi si dividono in tre categorie:
• Elettrici
• Ottici
• Wireless
Nella prima categoria troviamo mezzi come il doppino telefonico o il cavo coassiale, nella seconda troviamo la fibra
ottica e nell’ultima ponti radio, satelliti, dispositivi bluetooth e in generale tutte le trasmissioni via etere.
Date le grandi necessità di banda trasmissiva e di affidabilità della comunicazione, il mezzo più diffuso oggi è la fibra
ottica, che assicura una grande velocità, affidabilità e immunità ai disturbi elettromagnetici. La fibra è usata
principalmente dalle aziende e dagli ISP per la creazioni di dorsali ad alta capacità, tuttavia recentemente l’uso di
questa tecnologia di trasmissione si sta diffondendo anche tra le piccole aziende ed i privati.
TIPOLOGIE DI MEZZI TRASMISSIVI
3
2. COSTITUZIONE DELLA FIBRA OTTICA
La fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro:
• Nucleo cilindrico centrale (core)
• Mantello (cladding), che avvolge il core
Il core ha un diametro molto piccolo (circa 10µm per le fibre Monomodali e 50µm per le Multimodali), il cladding ha
un diametro di circa 125µm. I due strati sono composti da materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il
cladding ha un indice di rifrazione minore rispetto al core, tipicamente gli indici sono rispettivamente 1,475 e 1,5.
Oltre a questi due strati principali, la fibra ottica è rivestita da un terzo strato chiamato buffer, che deve avere uno
spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’ onda evanescente1, in modo da catturare la luce che non
viene riflessa nel core. La fibra ottica funziona come uno specchio tubolare, la luce entra con un certo angolo e viene
continuamente riflessa nel core fino a raggiungere l’estremità opposta. La parte esterna della fibra è rivestita da una
guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a proteggere la fibra ottica dagli stress fisici, dalla corrosione e
evita il contatto tra la fibra e l’ambiente esterno. Le fibre si distinguono in base al diametro del core, agli indici di
rifrazione, alle caratteristiche del materiale e al drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per
modificare le caratteristiche ottiche).
1. Core 10µm
2. Cladding 125µm
3. Buffer 250µm
4. Jacket 400µm
Il core e il cladding possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.
� Silice
La fibra ottica consiste in una sola fibra di vetro. Le fibre vengono costruite partendo da silice purissima, che
viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di Silicio e l’Ossigeno. Il Silicio destinato a formare il core
viene drogato con del Germanio (sottoforma di tetracloruro di Germanio) in modo da aumentare l’indice di
rifrazione senza variare l’attenuazione. Nel Silicio che andrà a formare il cladding viene aggiunto del Boro per
ridurre l’indice di rifrazione. Le fibre realizzate con questo procedimento hanno un diametro estremamente
ridotto, perciò sono molto fragili e hanno un’apertura numerica molto piccola (NA ≈0.16) oltre ad essere
difficili da raccordare.
� Polimeri
La fibra è costituita interamente da una materia plastica. La dimensione del core di questo tipo di fibra è
molto più grande (1 mm) rispetto alla fibra in silice, questo comporta un’apertura numerica più elevata e la
possibilità di realizzare fibre multimodali. Inoltre questo tipo di fibra risulta facile da maneggiare, tuttavia ha
un’attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica.
1 Onda evanescente: particolare tipo di onda elettromagnetica piana non uniforme, fondamentale nello studio di fenomeni quali la riflessione totale
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3. PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Lo studio della propagazione della luce all’interno delle fibre ottiche si effettua con l’ipotesi di validità delle leggi che
regolano l’ottica geometrica. Le fibre ottiche trasmettono il segnale ottico sfruttando il fenomeno della riflessione
totale interna. Un raggio luminoso che incide su una superficie di interfaccia tra due materiali con indici di rifrazione
diversi viene in parte riflesso e in parte rifratto, secondo la nota legge di Snell:
n1*sen(α) = n2*sen(β)
α è l’angolo di incidenza del raggio rispetto alla normale, cioè alla retta perpendicolare alla superficie di incidenza.
β è l’angolo che il raggio rifratto forma con la stessa normale nel secondo materiale.
In una fibra ottica n1 sarà l’indice di rifrazione del core, e n2 quello del cladding. Poiché n2 < n1, β tende ad
aumentare al crescere di α, fino ad arrivare alla condizione per cui si ha β = π/2, ovvero l’assenza di raggio rifratto. In
questa situazione si ha il fenomeno della riflessione totale, grazie al quale il raggio di luce resta totalmente dentro il
core della fibra e lo percorre fino all’altra estremità. L’angolo di incidenza della luce oltre al quale si ha l’assenza di
rifrazione è αL = arcsin(n2/n1), chiamato angolo limite.
5
Affinché il generico raggio incida sempre, sulla discontinuità tra core e cladding, con angolo superiore ad αL, è
necessario che esso venga introdotto ad una estremità ottica entro un certo angolo di accettazione della fibra
(ricavabile utilizzando sempre la legge di Snell):
фL = arcsin(√(n12 – n2
2))
L’ampiezza del cono di accettazione è uguale a 2* фL.
Un eventuale raggio iniettato nella fibra al di fuori del cono di accettazione, andrà poi ad incidere sulla separazione
core-cladding con angolo inferiore al valore critico e quindi si perderà nel mantello a seguito della rifrazione.
Una grandezza molto importante nello studio delle fibre ottiche è l’apertura numerica (N.A.).
L'apertura numerica, N.A., NA AN o AN in ottica è un parametro, un numero adimensionale che indica il massimo
angolo utile al sistema per ricevere od emettere luce. Nelle fibre ottiche l'apertura numerica indica il numero di modi
in cui la luce si può propagare attraverso la fibra. Esso è anche strettamente legato all'ampiezza del cono di
accettazione.
L’apertura numerica è definita come: N.A. = √(n22 – n1
2)
Il suo valore in genere varia tra 0,1 e 0,3.
6
4. DISPERSIONE E ATTENUAZIONE DEL SEGNALE
Le perdite delle fibre ottiche si possono classificare in quelle che deformano il segnale d’ingresso (dispersione) e in
quelle che ne determinano l’attenuazione. Lo studio delle caratteristiche delle fibre ottiche è importante per
determinare la capacità del canale trasmissivo e la massima distanza copribile tra trasmettitore e ricevitore senza
l’utilizzo di ripetitori.
4.1 Tipologie
Il rapporto tra la potenza trasmessa e quella ricevuta definisce l’attenuazione della fibra, che è funzione della
lunghezza d’onda, del tipo di fibra e delle eventuali sollecitazioni meccaniche che agiscono sulla fibra. Le cause di
attenuazione possono essere intrinseche ed estrinseche. Le prime sono insite nella struttura fondamentale del
materiale e non possono essere eliminate, le seconde possono invece ricondursi alla presenza di impurità ed essere
ridotte affinando il processo produttivo.
Il coefficiente di attenuazione è misurato in decibel: dB = 10*log10(Pin/Pout)
Occorre tener conto dell’attenuazione introdotta da connettori e giunzioni. Un connettore installato correttamente
introduce un’attenuazione compresa tra 0,3 e 0,7 dB. Una giunzione invece presenta solitamente un’attenuazione
che varia da 0,1 a 0,3 dB. Inoltre bisogna considerare l’attenuazione dell’inserzione del diodo trasmettitore nella
fibra, che vale 0dB se si tratta di un diodo laser, mentre statisticamente vale 13dB per un diodo led. Infine è presente
anche un’attenuazione all’inserzione fibra-ricevitore, che diventa trascurabile quando la superficie del ricevitore è
maggiore di quella del core della fibra. In definitiva è possibile calcolare statisticamente l’attenuazione di un tratto di
linea in fibra ottica con questa formula: ATOT = Atx + nnnnconn * Aconn + llll * Afibra + nnnngiunz * Agiunz + Arx
� Dispersione Modale
Tipologia di dispersione dovuta al fatto che il raggio luminoso non percorre sempre lo stesso cammino
all’interno della fibra, ma può seguire diverse strade (derivanti dalla legge di Snell). Ci sono modi attraverso i
quali il raggio arriva più velocemente a destinazione, altri invece che lo fanno arrivare più tardi. Il primo caso
limite è il raggio che percorre la fibra ottica completamente dritto, senza alcuna riflessione sul cladding; il
secondo caso limite è il raggio che entra nella fibra con angolo uguale all’angolo limite di accettazione, e
deve quindi compiere un numero molto alto di riflessioni. Questo fenomeno comporta la dilatazione della
forma del segnale originario, e se la frequenza è troppo alta può arrivare a confondersi con l’impulso
seguente, impedendo di leggere il segnale originario.
� Dispersione Cromatica
Fenomeno dovuto al fatto che la luce che viene trasmessa si compone di fasci di luce di colore diverso, con
lunghezza d’onda e velocità di attraversamento diverse. Quindi ci si riconduce al problema della dispersione
modale, perché può capitare che il fascio di luce di colore rosso (più veloce) si confonda con il fascio di colore
violetto (più lento) dell’impulso inviato in precedenza.
4.2 Soluzioni
Per risolvere i vari problemi di dispersione nelle fibre ottiche si utilizzano diverse tipologie di fibre. Per ovviare al
problema della dispersione modale è possibile utilizzare fibre multimodali graded index, oppure delle fibre
monomodali. Le prime sono costituite da diversi materiali disposti in modo concentrico attorno al core con diversi
indici di rifrazione, più precisamente a decrescere dall’interno della fibra verso l’esterno; in questo modo il raggio
che percorre la fibra subirà delle continue rifrazioni attraverso i diversi materiali, fino a percorrere la fibra in modo
rettilineo. Il vantaggio delle fibre graded index sta nel fatto che i raggi luminosi che percorrono più strada sono più
veloci, perché viaggiando all’esterno attraversano materiali meno densi. La seconda tipologia di fibra ottica (fibre
monomodali) è caratterizzata da un diametro del core molto ridotto (circa 10 µm) allo scopo di ridurre il cono di
accettazione, quindi i raggi interni alla fibra tendono a viaggiare in modo rettilineo.
Il problema della dispersione cromatica è facilmente risolvibile utilizzando led monocromatici per la trasmissione
della luce.
5. USO DELLA FIBRA OTTICA NELLE TELECOMUNICAZIONI
L’uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le
dorsali principali della rete telefonica e di Internet, compresi i collegamen
tempo in fibra ottica e hanno sostituito il cavo coassiale.
Principali vantaggio della fibra ottica rispetto ai cavi:
• Bassa attenuazione, permette la trasmissione su lunghi tr
• Ampia capacità di banda e conseguente velocità di trasmissione elevata
• Immunità del cavo da interferenze elettromagnetiche
• Bassi valori di BER2
• Ottima resistenza a condizioni climatiche avverse
5.1 Finestre di trasmissione
Nelle comunicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda; combinando i
diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre
particolarmente adatte all’uso nelle tele
� Prima finestra: 850 – 900nm (nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale.
Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125.
un’attenuazione di circa 5dB/km.
� Seconda finestra: 1300 – 1350nm
collegamenti di 5-10km su fibre monomodali.
indice graduale, 0,5dB/km per le fibre monomodali.
� Terza finestra: 1550nm, usata con la
maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d’onda una fibra monomodale
raggiunge un’attenuazione nell’ordine degli 0,2
2 BER: Bit Error Ratio, è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit
5. USO DELLA FIBRA OTTICA NELLE TELECOMUNICAZIONI
L’uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le
di Internet, compresi i collegamenti intercontinentali sottomarini, sono già da
tempo in fibra ottica e hanno sostituito il cavo coassiale.
Principali vantaggio della fibra ottica rispetto ai cavi:
Bassa attenuazione, permette la trasmissione su lunghi tratti senza ripetitori
Ampia capacità di banda e conseguente velocità di trasmissione elevata
Immunità del cavo da interferenze elettromagnetiche
Ottima resistenza a condizioni climatiche avverse
unicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda; combinando i
diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre
particolarmente adatte all’uso nelle telecomunicazioni, in quanto forniscono prestazioni elevate.
(nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale.
Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125.
un’attenuazione di circa 5dB/km.
1350nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare
10km su fibre monomodali. L’attenuazione è di circa 1dB/km per le fibre multimodali ad
indice graduale, 0,5dB/km per le fibre monomodali.
, usata con laser monomodali. Questa finestra consente di coprire le distanze
maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d’onda una fibra monomodale
raggiunge un’attenuazione nell’ordine degli 0,2-0,25 dB/km.
Bit Error Ratio, è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit totali trasmessi. BER = n.errori / n.totale.
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L’uso della fibra ottica trova buone possibilità di applicazione nel campo delle telecomunicazioni, infatti tutte le
ti intercontinentali sottomarini, sono già da
unicazioni in fibra ottica, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda; combinando i
diversi fattori di attenuazione, rifrazione e dispersione, si possono individuare tre finestre trasmissive
comunicazioni, in quanto forniscono prestazioni elevate.
(nel campo del visibile), usata con economici diodi laser con luce multimodale.
Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125. La fibra raggiunge
sata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare
L’attenuazione è di circa 1dB/km per le fibre multimodali ad
ser monomodali. Questa finestra consente di coprire le distanze
maggiori, con collegamenti fino a 100km. Sfruttando questa lunghezza d’onda una fibra monomodale
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5.2 Installazione e problemi di giunzione
Per realizzare un collegamento in fibra ottica è necessario seguire determinate procedure nella messa a terra del
cavo, prestando attenzione alle sue caratteristiche e ai suoi limiti fisici. La recente tecnica di messa in posa tramite
scavo in minitrincea permette una drastica riduzione dei tempi e dei costi di costruzione dei cavi in fibra ottica. Lo
scavo deve essere rettilineo con raggi di curvatura ridotti al minimo, deve essere largo da 5 a 15 cm e profondo da 30
a 45cm. La minitrincea è una tecnica utilizzata per la posa di 4 monotubi su strade periferiche o provinciali, i tempi di
posa e asfaltatura sono limitati ad alcune ore per diversi chilometri di cavo. Il costo per la fornitura e posa di
infrastruttura fino a 3 tubi da 40mm in minitrincea è di circa 20 €/metro, per ogni metro occorrono da 6 a 9 tubi,
mentre un cavidotto tradizionale a un metro di profondità ha un costo di 1000 €/metro.
Una linea in fibra ottica si compone in genere di più pezzi di fibra giuntati tra loro. Due tratti di fibra ottica dello
stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, una giunzione ben eseguita comporta un ottimo
accoppiamento del core. L’operazione di giunzione è effettuata in modo semiautomatico mediante apparecchiature
che allineano i cladding e i core ed eseguono la fusione. Una giunzione eseguita correttamente genera
un’attenuazione inferiore a 0,05 dB. Nell’uso pratico, un collegamento bidirezionale viene realizzato utilizzando una
coppia di fibre, una per ciascuna direzione. Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di comunicazione,
trasmettitore e ricevitore, tramite connettori che allineano il core della fibra con il laser trasmettitore ed il ricevitore.
I cavi in fibra vengono installati all’interno di impianti di cablaggio strutturato, vengono attestati su panneli di
permutazione. Un collegamento comporta quindi l’uso di almeno due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso
al pannello di permutazione), e quindi di 4 connettori.
Cablaggio strutturato
Il cablaggio è un insieme di componenti passivi posati in opera: cavi, connettori, prese, permutatori opportunamente
installati e predisposti per poter interconnettere vari apparati attivi. Un cablaggio si dice strutturato se segue
opportune specifiche che ne definiscono i vari aspetti, quali la tipologia dei componenti, la loro certificazione, la posa
in opera, la certificazione di tutta la rete, la schermatura e la messa a terra.
I sistemi strutturati di cablaggio si dividono in:
• Proprietari, come IBM Cabling System o Digital DEConnect.
• Standard (conformi a standard nazionali o internazionali), come TIA/EIA 568, ISO/IEC IS 11801, prEN 50173.
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6. CENNI STORICI SULL’USO DELLA FIBRA OTTICA
Lo studio dei fenomeni ottici risale ai tempi di Archimede e del trattato Catottrica3.
In epoca vittoriana il principio della riflessione totale interna venne utilizzato per illuminare le fontane pubbliche. Il
successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di un fascio di fibre volto alla trasmissione
di immagini, il cui primo impiego fu il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu
brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss nel 1956. Nel processo di sviluppo del
gastroscopio4, Curtiss produsse fisicamente la prima fibra ottica. Presto si susseguirono una varietà di altre
applicazioni per la trasmissione di immagini.
Nel 1965 Charles K. Kao e George A. Hockham furono i primi a capire che l’attenuazione delle fibre contemporanee
era causata dalle impurità, che producevano il fenomeno dello scattering5. Queste impurità potevano però essere
rimosse. Essi dimostrarono che le fibre ottiche potevano essere un mezzo pratico per la comunicazione, nel caso in
cui l’attenuazione fosse stata ridotta al di sotto dei 20dB/km. La prima fibra ottica che rispettava queste
caratteristiche fu realizzata nel 1970 dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz e Frank Zimar,
impiegati presso la Corning, azienda statunitense produttrice di vetro situata a Corning (New York). Costruirono una
fibra con 17dB di attenuazione ottica per chilometro, drogando il silicio del vetro con il titanio. L'amplificatore ottico
drogato con erbio, che ridusse il costo per i sistemi a fibra ottica per le lunghe distanze eliminando il bisogno dei
ripetitori ottico-elettronico-ottico, fu inventato da David Payne dell'Università di Southampton, nel 1987.
Il primo cavo telefonico transatlantico ad usare la fibra ottica iniziò ad operare nel 1988.
Negli ultimi vent’anni i progressi relativi allo sviluppo della fibra ottica sono stati enormi, anche se la traduzione del
segnale elettrico al segnale luminoso non permette ancora di sfruttare appieno la larghezza di banda tipica della
fibra ottica. Questo è dunque il punto chiave sul quale l’industria della fibra si sta concentrando.
3 Trattato Catottrica: trattato di Archimede sul quale si hanno informazioni indirette. Alcuni sostengono che si trattava di un’opera voluminosa che studiava
l’ingrandimento ottenuto con specchi curvi e il fenomeno della rifrazione. 4 Gastroscopio: è un endoscopio ad uso medico, utilizzato per esaminare direttamente l’interno del lume delle vie digestive superiori (esofago, stomaco,
duodeno) con l’esame detto gastroscopia. 5 Scattering: in fisica lo scattering si riferisce ad un’ampia classe di fenomeni in cui onde o particelle vengono deflesse (cambiano traiettoria) a causa della
collisione con altre particelle.
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7. TRASMISSIONE DATI CON ARDUINO E FIBRA OTTICA
Il progetto realizzato comprende l’uso di due microcontrollori Arduino, due tratti di fibra ottica plastica realizzati
artigianalmente e due personal computer. L’obiettivo principale è il trasferimento di un file di testo da un PC
all’altro, utilizzando esclusivamente la fibra ottica come canale di comunicazione, e il microcontrollore come scheda
di interfaccia.
7.1 Il microcontrollore Arduino
Arduino è una piattaforma elettronica open source6 basata su delle
componenti hardware e software flessibili e di facile utilizzo. Il
microcontrollore è stato progettato per artisti, designer, hobbisti e
chiunque sia interessato a creare oggetti o ambienti interattivi. Arduino
può percepire l’ambiente ricevendo input da una varietà di sensori e
può agire pilotando dispositivi come luci, motori e altri. Il
microcontrollore della board è programmato usando il linguaggio di
programmazione Arduino (basato su Wiring7) e l’ambiente di sviluppo
Arduino (basato su Processing8). I progetti realizzati con Arduino
possono essere stand-alone, oppure possono comunicare con i software
in esecuzione su un computer.
7.2 Fibra ottica home-made
La fibra ottica utilizzata per il progetto è stata Realizzata usando una resina polimerica poliestere, che è stata fatta
colare all’interno di un tubo in PVC; naturalmente il tratto di fibra realizzato è in scala ingrandita rispetto ad una fibra
ottica commerciale, in quanto è stata realizzata a mano senza l’ausilio di particolari apparecchiature. La resina è più
densa del materiale plastico, quindi funge da core, mentre le pareti del tubo costituiscono il cladding; in questo caso
pratico la fibra non è stata rivestita con nessun tipo di jacket, allo scopo di lasciar intravedere i raggi luminosi del
diodo LED. Siccome si intende trasmettere nel campo del visibile, più precisamente usando una luce rossa, il
ricevitore sarà una foto-resistenza. Le uniche altre parti aggiunte sono dei semplici pezzi di un tubo di plastica di
diametro più grosso, allo scopo di facilitare l’inserzione della fibra con il diodo ed il ricevitore.
6 Open source: In informatica, open source (termine inglese che significa sorgente aperto) indica un software i cui autori (più precisamente i detentori dei diritti)
ne permettono, anzi ne favoriscono il libero studio e l'apporto di modifiche da parte di altri programmatori indipendenti. Questo è realizzato mediante
l'applicazione di apposite licenze d'uso. 7 Wiring: è un programma open source per programmazione elettronica I/O.
8 Processing: è un linguaggio di programmazione basato su Java, che consente di sviluppare diverse applicazioni come giochi, animazioni e contenuti interattivi.
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7.4 Codifica e sincronizzazione del segnale
Quando si vuole trasmettere delle informazioni da una macchina all’altra è necessario seguire un protocollo, ovvero
un insieme di regole che determina il corretto trasferimento delle informazioni, ad esempio nelle reti di computer si
usa TCP/IP, nel caso di comunicazioni seriali a bassa velocità è molto diffuso rs232, ecc. Per trasmettere un segnale è
essenziale innanzitutto codificarlo, ovvero rendere l’informazione trasportabile sul canale che si sta utilizzando. Un
segnale si può codificare in modo analogico oppure digitale, nel caso della fibra ottica il segnale è costituito da
impulsi luminosi e il ricevitore ne avverte la presenza o meno, quindi è necessaria una codifica di tipo digitale. Il
modo con cui si rappresenta l’informazione nel segnale è chiamato codifica di linea. Alcuni esempi sono il codice
NRZ, RZ, AMI, HDB3 e il codice MANCHESTER, quest’ultimo è particolare in quanto si definisce auto sincronizzante,
ovvero integra un sistema di clock al suo interno, indispensabile per la sincronizzazione col ricevitore. Nel caso in cui
si vogliano trasmettere esclusivamente dei file di testo (*.txt) il miglior modo per codificare l’informazione è
prenderla carattere per carattere, e convertirla in codice ASCII su 7 bit. Si stabilisce che la presenza di luce captata
dal ricevitore ha valore logico 1, mentre l’assenza 0, in questo modo è possibile ricostruire al ricevitore un byte che
rappresenta il carattere inviato sulla fibra. Questo tipo di codifica assomiglia molto a NRZ, viene inviato un pacchetto
per volta, il quale è composto da i bit della codifica ASCII più altri due bit, uno definito di start (valore logico 0)
all’inizio del frame, e uno di stop (valore logico 1) posto in coda. Questi due elementi aggiuntivi servono a
sincronizzare il ricevitore con il trasmettitore, e permettere quindi la corretta lettura degli impulsi da parte della
foto-resistenza. Nei momenti in cui non viene trasmesso alcun segnale, il led viene lasciato a valore logico 1, quindi
acceso, in modo da permettere al ricevitore un immediato riconoscimento del bit di start (valore logico 0).
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7.5 Codice Sorgente
Il nostro progetto necessita di due programmi distinti, il primo serve a controllare le funzioni del microcontrollore
Arduino, che fa da interfaccia tra l’hardware ed il software e si trova quindi ad un livello più basso, è possibile
paragonarlo ad un device driver9 in quanto svolge le funzioni più elementari di gestione dei singoli bit. La seconda
parte consiste in un software scritto in C# appositamente per la gestione dei file, quindi anche dei flussi di lettura e
di scrittura delle informazioni, esso opera ad un livello più alto del precedente, in quanto non si preoccupa di
verificare i singoli bit ed i livelli di tensione, ma opera su dei dati che gli vengono già forniti.
7.5.1 Programma Arduino
9 Device driver: in informatica è detto driver l’insieme di procedure, spesso scritte in assembly, che permette ad un sistema operativo di pilotare un sistema
hardware. Il driver permette al sistema operativo di utilizzare l’hardware senza sapere come esso funzioni, ma dialogandoci attraverso un’interfaccia standard.
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Il compito principale del microcontrollore Arduino è controllare trasmissione e ricezione su fibra ottica, e riconoscere
quindi gli impulsi ricevuti. Il microcontrollore scompone l’informazione di partenza e procede all’invio dei singoli bit
tramite segali luminosi. In questa parte di codice viene gestita la sincronizzazione della trasmissione e la
memorizzazione dei pacchetti di informazioni ricevuti. Il tutto viene poi inviato al PC in ricezione, ed il software in C#
provvede alla ricostruzione delle informazioni, in questo caso alla ricostruzione del file di testo. Per gestire la
ricezione e la trasmissione, il programma simula il multithreading su Arduino, separando i processi di ricezione e
trasmissione con la tecnica del time-sharing.
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Analizzando il codice dell’applicativo scritto in C# si può notare che svolge funzioni diverse rispetto al
microcontrollore, infatti in questa parte del programma non vi è più il problema della sincronizzazione, in quanto i
dati arrivano all’applicazione tramite una comunicazione seriale con l’Arduino, gestita in modo automatico con delle
semplici istruzione predefinite in C#. Questo livello di applicazione si occupa di gestire il flusso di dati in lettura e in
scrittura su file di testo, tuttavia anche qui è necessario distinguere i processi di trasmissione e ricezione, ovvero
bisogna capire se l’utente intende trasmettere o ricevere un file e quindi i due processi vanno separati. La distinzione
delle due operazioni è necessaria per via della natura della porta seriale, infatti essa può gestire solo una
comunicazione per volta e non è pertanto possibile trasmettere e ricevere nello stesso tempo. Si procede quindi
usando il multithreading, dal programma principale si crea un sottoprocesso (Thread rx; riga 15) che si occupa di
stare in ascolto sulla porta seriale, attendendo una comunicazione da parte dell’Arduino. Il processo viene eseguito
in background e interagisce con la Form solo nel caso in cui si sta realmente ricevendo un file dall’altro interlocutore,
altrimenti è del tutto trasparente all’utente. Il programma principale invece si occupa della gestione dell’invio di un
file; attraverso il pulsante “Invia” l’utente apre il flusso in lettura del file specificato, isola i caratteri del file di testo e
invia la loro codifica ASCII al microcontrollore, il quale a sua volta isola i singoli bit e li trasmette sulla fibra ottica.
Tutte queste operazioni avvengono in pochi millisecondi, un tempo rapido agli occhi dell’utente, tuttavia non è
sufficiente per avere una comunicazione ad alta velocità come una linea ADSL, ma è più adatto a scopo dimostrativo.
Un’altra parte importante dell’applicazione è la gestione delle eccezioni, che possono essere dovute alla
comunicazione seriale, al flusso di lettura/scrittura dei file e al processo in background. Alcune di queste eccezioni
possono essere evitate semplicemente usando il costrutto try catch (ad esempio nelle procedure di ricezione file),
altre invece vanno gestite più nello specifico, ad esempio è necessario disabilitare il controllo
CheckForIllegalCrossThreadCalls che impedisce la modifica della Form da parte del sottoprocesso, oppure il controllo
sull’apertura o meno della porta seriale e la chiusura di tutti i flussi di lettura/scrittura al termine del loro utilizzo.
Come ulteriore misura di sicurezza all’evento di chiusura della Form da parte dell’utente vengono chiusi il Thread rx
di ricezione e la porta seriale in utilizzo, il flusso di lettura/scrittura file si chiude automaticamente con la Form, in
questo modo l’utente è sicuro di essere completamente disconnesso e non ci saranno problemi ad una prossima
esecuzione dell’applicazione. Per quanto riguarda l’interfaccia grafica l’applicazione fa parte delle
WindowsFormApplications e consiste in una finestra con i classici tre bottoni in alto a destra di riduzione a icona,
ingrandimento e chiusura, mentre all’interno ci sono tutti i comandi necessari come la selezione della porta COM, il
Pulsante “Invia” e le TextBox dove è possibile inserire i percorsi sorgente e destinazione del file da trasmettere.
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7.6 Risultati e conclusioni
Il progetto a questo punto è in grado di trasmettere in modo efficiente un file di testo tra due PC. Il file viene per
prima cosa letto dall’applicativo in C#, convertito in ASCII e passato al microcontrollore Arduino, il quale a sua volta
procede ad estrarre i singoli bit dalla codifica e li traduce in segnali luminosi. Il ricevente effettua le operazioni
inverse e ricostruisce il messaggio originale. Il sistema funziona efficacemente e con una quasi totale assenza di
errori di trasmissione, che si presentano raramente e comunque non danneggiano la comprensibilità dell’intero
messaggio, si tratta perlopiù di alcuni caratteri che vengono ricevuti in modo errato e vengono tradotti come “?”.
Nelle comunicazioni digitali si considera la velocità di trasmissione espressa in bit/sec; dalle misurazioni effettuate si
ricava una velocità di trasmissione di circa 17 bit/sec, che è notevolmente inferiore rispetto a quella di una linea in
fibra ottica di uso comune, questo a causa di diversi fattori. In primo luogo la struttura della fibra, la qualità dei
materiali utilizzati per la costruzione e anche il processo di produzione di tipo artigianale e quindi non molto preciso.
Inoltre sono determinanti anche i componenti utilizzati per la trasmissione e la ricezione del segnale luminoso, in
questo caso il trasmettitore è un semplice diodo LED rosso ad alta luminosità (molto impreciso rispetto ad un diodo
laser) mentre il ricevitore è una semplice resistenza variabile a seconda dell’intensità luminosa (possiede quindi una
velocità di commutazione molto bassa, nemmeno paragonabile a quella di un fotodiodo ad infrarossi). Nonostante
queste difficoltà tecniche siamo riusciti ad ottenere una trasmissione sufficientemente affidabile seppur lenta, quindi
non è utilizzabile per scopi commerciali o professionali, ma è molto adatta come dimostrazione di funzionamento di
quello che potrebbe essere un sistema di telecomunicazioni molto più complesso.
Una foto del progetto finale durante la trasmissione di un breve file di testo.
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Bibliografia
02-10_FogliElettrici.pdf http://www.qubix.it/pdf/pubblicazioni/02-10_FOGliElettrici.pdf
Cavi_fibra_ottica.pdf http://www.intercond.it/utility_catalogo/cavi_fibra_ottica.pdf
Dispensafibra1.pdf www.loreti.it/Download/PDF/Ottica/Dispensafibra1.pdf
Esercitazione5.pdf www.uniroma1.it/cattedra_michelotti/Esercitazione5.pdf
Fibra Ottica http://it.wikipedia.org/wiki/Fibra_ottica
07-fibre ott.pdf www.funsci.com/fun3_it/sini/eo/o7-fibre%20ott.pdf
Corso di telecomunicazioni 1 Ettore Panella, Giuseppe Spalierno Edizioni CUPIDO
Sistemi di Elaborazione e trasmissione delle informazioni 3 Pasquale Levi HOEPLI