la rete telefonica
C. Mossotto: La rete telefonica numerica integrata
2. La trasmissione numerica
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1 La nascita delle tecniche numeriche: la trasmissione PCM nelle aree metropolitane
Fino agli anni 60 tutti e tre gli elementi sopra indicati erano realizzati esclusivamente con tecniche analogiche(*).
In effetti il primo brevetto relativo alla trasmissione PCM (pulse code modulation) è del 1938 ad opera di Alec Reeves, ingegnere inglese che in quel periodo lavorava in Francia presso l´ITT ( International Telephone and Telegraph ). Con tale tecnica la voce viene campionata e codificata, ottenendo una rappresentazione del segnale con una serie di “numeri”: precisamente 8.000 campioni di 8 bit (ciascuno dei quali è chiamato, in gergo telefonico, ottetto) al secondo, e quindi ad una velocità di 64 kbit/s(*). Inoltre i campioni di un certo numero di canali vengono multiplati in modo da trasmetterli su un singolo portante (doppino in rame di un cavo, ponte radio, ecc.) con la tecnica della multiplazione a divisione di tempo secondo la quale i campioni dei diversi canali vengono trasmessi ciclicamente (intervallati in termini tecnici). Lo stato della tecnologia del tempo non permise però alcuna applicazione pratica fino agli anni ´60: occorre infatti ricordare che il transistor divenne una realtà pratica solo nel 1947 (sebbene il primo brevetto sia del 1925).
Nel secondo dopoguerra, la tecnica della multiplazione era già ampiamente utilizzata con le tecniche analogiche mediante multiplazione a divisione di frequenza in cui un certo numero di segnali in banda base (4 kHz lordi per un canale telefonico) sono modulati con differenti frequenze portanti e combinati insieme in modo da costituire un segnale composito (*). Essa risultava appropriata per i collegamenti a lunga distanza ma richiedeva costose apparecchiature (modulatori, demodulatori e filtri) per ciascun canale telefonico. Per connessioni all´interno di aree metropolitane l´uso della multiplazione a divisione di tempo del PCM era allettante in quanto permetteva di condividere lo stesso codificatore e decodificatore per molte giunzioni (24-30 canali).
Il primo sistema di trasmissione PCM (T1 a 24 canali) fu introdotto negli USA nel 1961 ad opera del Bell System(*) ed entrò in servizio commerciale nell´autunno del 1962. Cominciava così l´era digitale.
In Europa, proprio in Italia, la Telettra realizzò il primo sistema PCM (sempre T1 a 24 canali) nello stesso anno (1962). Negli anni 1969-70 seguirono in vari Paesi europei prototipi operativi del sistema europeo (E1 a 30 canali) che fu definitivamente standardizzato nel 1972 e che attualmente è impiegato in tutto il mondo salvo Nord America e Giappone. In Italia i pionieri furono sia Telettra sia SIT Siemens (divenuta poi Italtel).
Negli anni ´80 la progressiva riduzione del costo dei componenti elettronici digitali, con il passaggio dai componenti discreti ai microchip, portò alla convenienza di adottare un codec (codificatore + decodificatore) individuale per canale. Veniva così annullato il vantaggio che aveva avviato l´era digitale, ma a questo punto i vantaggi delle tecniche numeriche si erano radicati nelle telecomunicazioni.
2 L´introduzione delle tecniche numeriche nei collegamenti a lunga distanza
La diffusione del PCM nelle aree metropolitane e in quelle rurali fu rapido, ma incontrava ostacoli insormontabili nella sua penetrazione nella rete a lunga distanza per la sua sostanziale incompatibilità con i cavi coassiali utilizzati per realizzare le grandi dorsali con le tecniche a divisione di frequenza (fino a 2700 canali telefonici su un solo cavo).
Mentre i collegamenti in ponte radio si prestavano bene alla loro digitalizzazione (in Europa il primo ponte radio PCM fu realizzato dalla Telettra nel 1967) tanto che oggi la voce ponte radio in Wikipedia tratta solo la tecnologia numerica, solo con l´avvento e la diffusione delle fibre ottiche fu possibile passare in modo massiccio alle tecniche numeriche sulle grandi dorsali trasmissive. Tentativi fatti nel decennio a cavallo del 1960 di realizzare guide d´onda millimetriche (intorno ai 50-80 GHz), che avrebbero implicato l´impiego delle tecniche numeriche per superare le limitazioni della guida (per sua natura dispersiva e generatrice di onde spurie per imperfezioni costruttive) fallirono per le intrinseche difficoltà, sia di costruzione sia di posa ed esercizio(*)(*).
A partire dal 1970, quando per la prima volta Corning riuscì a realizzare fibre in silice drogata con una attenuazione sotto la soglia di 20 dB/km, e i laser e foto-rilevatori a semiconduttore, inventati dai Bell Labs nel 1962 e che permettevano di trasmettere fasci di luce coerente, avevano raggiunto una affidabilità adeguata, le fibre ottiche si affermarono in modo perentorio e a partire da metà degli anni ´70 diventarono il mezzo di elezione per tutte le trasmissioni nella rete di giunzione. In un settore in cui la vita utile degli impianti è di varie decine di anni(*) le tecnologie ottiche rappresentano infatti il caso per eccellenza di una tecnologia “disruptive” nel senso che con il loro avvento le tecnologie precedenti (specificamente i cavi coassiali con multiplazione a divisione di frequenza) sono diventate di colpo obsolete e le economie di esercizio hanno reso opportuna la loro radiazione anticipata, molto prima dell´esaurirsi della loro vita utile virtuale.(*).
Da allora i progressi sono stati continui per quanto riguarda:
le linee (fibre e amplificazione a fibra),
la componentistica ottica, in particolare laser realizzati con le tecnologie quantum cascade laser del tipo Fabry-Perot (FP) e Distributed Feedback (DFB)
la multiplazione a divisione di lunghezza d´onda (WDM = Wave Division Multiplexing)(*), mediante la quale più fasci laser con diversa lunghezza d´onda vengono trasmessi sulla stessa fibra.
L´insieme di queste tecniche ha dato luogo ad un continuo significativo aumento della capacità dei sistemi che possono ora raggiungere velocità di cifra dell´ordine del Tbit/s (ossia 1.000 miliardi di bit/s).
Da notare che mentre nelle reti di origine telefonica (compresi i mezzi trasmissivi messi a disposizione per le rete IP ed altre applicazioni dati) le fibre sono utilizzate sempre per trasmissione numerica, nel campo delle reti CATV l´impiego della fibra è avvenuto realizzando sistemi HFC (Hybrid-Fibre/Coax) nei quali, per ragioni di compatibilità, anche sulla fibra la trasmissione è in forma analogica (anche per i canali televisivi digitali) e ciò ha imposto lo sviluppo di specifiche tecnologie in grado di contenere i problemi di linearità propri dei sistemi ottici di grande capacità. Solo il programmato completo passaggio dalla TV analogica a quella digitale permetterà una futura convergenza tra la rete di telecomunicazioni di origine telefonica e quelle CATV, eventualmente secondo il paradigma della IP-TV.


Fonti e collegamenti

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Le tecniche analogiche sono quelle nelle quali la trasmissione di voce, dati, immagini, video, od ogni altra forma di informazione avviene usando un segnale continuo che varia, ad es. in ampiezza, in proporzione a quello di una variabile che rappresenta l´informazione (la pressione acustica nel caso della voce od audio).X
Con le attuali tecnologie, una codifica a 64 kbit/s per una qualità telefonica (4 kHz di banda lorda) è assolutamente inefficiente.
Sono ora possibili significativi miglioramenti nella qualità o nella riduzione del bitrate. Ad un estremo lo standard G.722.1 Annex C dell´ITU-T permette la codifica di un segnale audio con ben 14 kHz di banda senza aumentare il bit rate (48 kbit/s, riducibili a 24 kbit/s abbassando le prestazioni) e, all´altro estremo, si possono impiegare algoritmi di codifica che riducono il bitrate a soli 5.3 kbit/s (G.723.1) oppure a 8 kbit/s (G.729) con un degrado accettabile della qualità audio percepita dall´utente, rispetto alla codifica PCM a 64 kbit/s. Completamente diversa era la situazione negli anni ´60 in termini sia di tecnologia disponibile sia di requisiti. In particolare, era allora fondamentale poter porre in cascata sulla stessa connessione da utente ad utente una serie di codifiche/decodifiche (fino ad 8) senza un´apprezzabile degradazione del segnale (vocale ed anche dei modem di trasmissione dati che cominciavano a diffondersi). Ciò era essenziale per due motivi: 1) permettere la coesistenza tra la trasmissione numerica e la commutazione tradizionale (elettromeccanica), 2) permettere l´introduzione della trasmissione PCM in ogni tratta dove, nel tempo, sarebbe risultata conveniente, senza la necessità di adottare rigidi criteri di pianificazione quali la costituzione di sottoreti completamente numeriche.X
Sostanzialmente è la stessa tecnica utilizzata ancora oggi per le radiodiffusioni.
Ai suoi inizi questa tecnica era realizzata con la tecnologia elettronica a valvole (termoioniche). Come curiosità storica si ricorda che il primo cavo telefonico transatlantico TAT-1, entrato in servizio il 25 settembre 1956 tra Gallanach Bay (Scozia) e Clarenville (TerraNuova) con una capacità iniziale di 36 circuiti, fu realizzato utilizzando ancora la tecnologia a valvole, ritenendo non ancora sufficientemente provata l´affidabilità dell´elettronica allo stato solido (transistor) per amplificatori sottomarini di difficile ed onerosa accessibilità.X
Il Bell System comprendeva: 1) AT&T che oltre a svolgere la funzione di holding, gestiva in condizioni di monopolio le comunicazioni, nazionali e internazionali, a lunga distanza; 2) le Compagnie Regionali (Bell Companies) che gestivano il servizio telefonico in circa l´85% del territorio USA; 3) la manifatturiera Western Electric; 4) i Bell Labs che svolgevano ricerca di base, sviluppo dei prodotti e attività di studio e supporto di diretto interesse dei gestori (in particolare lo sviluppo dei sistemi di gestione).
Nel 1925 Western Electric fu indotta a cedere la sua diffusa presenza nel mercato internazionale, ad eccezione di quella nel Canada, all´ITT (International Telephone and Telegraph Company). Nel 1956, a seguito di un´azione antitrust, AT&T cedette anche le attività, sia manifatturiere sia di esercizio in Canada (vedi nota 36), nonché la partecipazione di maggioranza nella NEC (Giappone) e le diverse società di esercizio nei Caraibi.X
Le guide d´onda trovarono (e continuavano ad avere) applicazione pratica solo nelle discese di antenna dei ponti radio e nella radaristica.X
Nel Bell System il progetto delle guide d´onda, che avrebbero permesso di realizzare sulle grandi distanze capacità trasmissive ben più ampie delle precedenti tecnologie (cavi coassiali e ponti radio), era motivato principalmente dal progetto di realizzare il servizio del videotelefono (Picturephone nella terminologia del Bell System), servizio che non decollò mai pur essendo stato oggetto di numerose rivisitazioni e che solo ora sta cominciando a essere oggetto di reale interesse da parte degli utenti finali nel contesto di reti e apparati più evoluti.X
Una volta anche 30 anni, ora 10-15 per gli apparati di trasmissione e commutazione. Nel campo della commutazione, ancora maggiore era la vita a livello di sistema; emblematico è il caso del sistema Rotary in Francia: la prima centrale di questo tipo venne installata nel 1928 (Parigi - Carnet) e l´ultima centrale di questo tipo venne radiata solo nel 1984.X
Per comprendere questa situazione è sufficiente osservare che i sistemi su cavo coassiale con capacità di 10.800 canali telefonici richiedevano amplificatori lungo le linee ogni 1,5 Km, mentre i sistemi su fibra ottica, con capacità ben superiore, permettono di coprire distanze di almeno 80 Km senza amplificatori intermedi.X
La multiplazione a divisione di lunghezza d´ onda null´ altro è che la multiplazione a divisone di frequenza trasposta nel campo delle frequenze ottiche. È infatti ben noto che la lunghezza d´onda λ di un´onda elettromagnetica (comprese quelle ottiche) e la frequenza f sono legate dalla relazione λ = c/f, ove c è la velocità della luce nel mezzo attraverso cui viene trasmessa l´onda (c = 300.000 km/s nel vuoto). Sebbene la frequenza di un´onda elettromagnetica abbia la caratteristica di non cambiare nel passaggio da un mezzo ad un altro, caratterizzati da diversi “indici di rifrazione”, nel campo delle comunicazioni ottiche si è imposto l´uso della grandezza “lunghezza d´onda” piuttosto che quello di “frequenza”.X