Il livello fisico del modello ISO/OSI

In questo articolo, Il livello fisico del modello ISO/OSI, analizziamo il primo livello del modello che si occupa dell’invio e della ricezione dei dati sul canale

Indice dei contenuti

Introduzione al livello fisico

Il livello fisico è il primo e più basso dei sette livelli del modello ISO/OSI. Si occupa della trasmissione effettiva dei bit attraverso un mezzo fisico. Il suo obiettivo è quello di generare i segnali elettrici, ottici o radio che rappresentano i bit della trama (frame) che il livello datalink ha messo a disposizione.
Non interpreta il significato dei bit, né gestisce la struttura dei dati: il suo compito è garantire che i segnali arrivino correttamente da un punto A a un punto B.

È il livello che definisce:

• Le caratteristiche fisiche dei dispositivi di rete.
• Il tipo di mezzo trasmissivo (rame, fibra ottica, onde radio).
• Le modalità di trasmissione dei segnali (analogica o digitale).
• Le codifiche utilizzate per rappresentare i bit su un mezzo fisico.

Gli elementi fisici e le loro caratteristiche

Il livello fisico comprende tutti i componenti hardware coinvolti nella trasmissione dei dati. Ecco i principali:

• Cavi: rame (es. twisted pair, coaxial) o fibra ottica. Si valutano per larghezza di banda, attenuazione, immunità ai disturbi.
• Connettori: collegano i dispositivi al mezzo trasmissivo (es. RJ-45 per Ethernet, SC/LC per fibra).
• Antenne: utilizzate nelle comunicazioni wireless per trasmettere/ricevere onde radio.
• NIC (Network Interface Card): schede di rete che forniscono l’interfaccia fisica e logica tra computer e rete.
• Ricetrasmettitori: dispositivi che gestiscono l’invio e la ricezione dei segnali.
• Amplificatori e ripetitori: rigenerano e amplificano il segnale per trasmissioni su lunghe distanze.
• Modem (modulatore-demodulatore): converte segnali digitali in analogici (e viceversa) per la trasmissione su linee telefoniche.

Tutti questi componenti devono rispettare specifiche meccaniche (forme, dimensioni, connettività) e funzionali (velocità di trasmissione, modalità duplex, tolleranza ai disturbi).

I cavi elettrici in rame

I mezzi trasmissivi elettrici si basano sulla capacità dei metalli, come il rame, di condurre l’energia elettrica. Durante la trasmissione dei dati, a ogni bit viene associato un particolare valore di tensione o di corrente (o una loro variazione), che viaggia lungo il cavo.

Proprietà elettriche dei cavi in rame

Un cavo elettrico presenta diverse caratteristiche fisiche che influenzano le prestazioni della trasmissione:

• Resistenza: è la proprietà del conduttore (ad esempio un filo di rame) di opporsi al passaggio degli elettroni. Una resistenza elevata provoca perdita di segnale. Il valore della resistenza dipende da:
  • resistività del materiale;
  • lunghezza del cavo;
  • sezione del conduttore.
• Capacità: rappresenta la capacità di un materiale dielettrico (posto tra due conduttori) di immagazzinare carica elettrica in presenza di una differenza di potenziale.
• Induttanza: si genera quando due conduttori vicini sono attraversati da correnti opposte, creando un campo magnetico. L’induttanza dipende dalla frequenza di lavoro e può influire sulla qualità del segnale.
• Impedenza caratteristica: è la combinazione di resistenza, capacità e induttanza. Deve essere mantenuta costante lungo il cavo per evitare riflessioni e distorsioni del segnale. Il suo valore si misura in ohm e varia con la frequenza.

Problemi e limitazioni dei cavi in rame

L’uso dei cavi in rame come mezzo trasmissivo presenta alcune problematiche:

• Temperatura di esercizio: i cavi devono sopportare ambienti anche molto caldi. Generalmente, i cavi in posa fissa resistono da -25°C a +80°C.
• Raggio di curvatura: curvare eccessivamente un cavo può danneggiarlo o compromettere il segnale. Il raggio minimo consigliato è pari a 8 volte il diametro del cavo.
• Attenuazione: indica la perdita di ampiezza del segnale lungo il cavo. Cresce con:
  • la lunghezza del cavo;
  • la radice quadrata della frequenza;
  • la qualità del cavo (resistenza, capacità e induttanza).
• Diafonia (crosstalk): è l’interferenza elettromagnetica tra conduttori vicini. Può verificarsi nei seguenti modi:
  • NEXT (Near End Crosstalk): interferenza misurata vicino al trasmettitore.
  • FEXT (Far End Crosstalk): interferenza misurata all’altra estremità del cavo.

I cavi in rame possono essere di due tipi:

• TWISTED – PAIR
• COAXIAL

Il cavo twisted-pair

Il twisted-pair è il tipo di cavo in rame più utilizzato nelle reti informatiche. È formato da coppie di fili conduttori in rame, avvolti da una guaina isolante e attorcigliati (binatura) per ridurre interferenze e diafonia.

Vantaggi del twisted-pair:

• Economico
• Facile da installare
• Flessibile
• Piccole dimensioni (∅ ≈ 0,43 cm)
• Alta velocità di trasmissione

Tipologie di twisted-pair:

• UTP (Unshielded Twisted Pair): nessuna schermatura, massima flessibilità.
• STP (Shielded Twisted Pair): schermatura sia interna (su ogni coppia) che esterna; offre maggior protezione ma è meno flessibile.
• FTP (Foiled Twisted Pair): schermatura solo esterna; compromesso tra UTP e STP.
• SSTP / SFTP: (Screened -STP/FTP) versioni con doppia schermatura per ambienti con forti interferenze elettromagnetiche.

Categorie di cavi twisted-pair

I cavi twisted-pair sono classificati in categorie in base a:

• numero di intrecci;
• velocità di trasmissione;
• larghezza di banda;
• distanza massima.

I cavi Cat 5e sono i più usati nelle reti 10/100/1000 Mbps. Le categorie inferiori (es. Cat 3 o 4) non vengono più utilizzate.

Lo standard per i cavi twisted-pair

Nel 1991 le organizzazioni statunitensi TIA (Telecommunications Industry Association) ed EIA (Electronic Industries Alliance) hanno definito lo standard TIA/EIA-568 per la realizzazione e il cablaggio dei cavi twisted-pair. Questo standard è stato più volte aggiornato per tenere conto dell’evoluzione tecnologica, fino alla versione del 2000 che raccomanda i cavi Categoria 5e come livello minimo per prestazioni accettabili.

T568A e T568B: gli schemi di cablaggio

Lo standard definisce due schemi di cablaggio per l’ordinamento dei fili all’interno dei connettori RJ45:

• T568A: da preferire negli impianti nuovi;
• T568B: da utilizzare per espansioni di reti esistenti, se già impostate con questo schema.

⚠️ I due schemi non vanno mescolati all’interno della stessa rete, per evitare malfunzionamenti nella trasmissione dei dati.

Tipi di cavi: straight-through e crossover

I cavi twisted-pair possono essere realizzati seguendo due configurazioni principali:

• Cavo dritto (straight-through): usato per collegare dispositivi che lavorano a diversi livelli del modello ISO/OSI, ad esempio PC ↔ switch o router ↔ switch o, in generale per gli accoppiamenti DTE – DCE (data terminal equipment – data communication equipment)
• Cavo incrociato (crossover): usato per collegare dispositivi che lavorano allo stesso livello del modello ISO/OSI, ad esempio PC ↔ PC oppure switch ↔ switch o, in generale per gli accoppiamenti DTE-DTE. Ad una estremità è utilizzato lo standard TIA568A mentre all’altra è utilizzato lo standard TIA568B (Di fatto all’altra estremità si invertono i pin 1-3 ed i pin 2-6)

I dispositivi moderni (switch/router) sono in genere auto-sensing, ovvero riescono a riconoscere automaticamente il tipo di cavo collegato e ad adattarsi di conseguenza. Tuttavia, per i modelli più vecchi è importante usare il cavo corretto. Nella tecnologia Ethernet (che studieremo in seguito) esistono due tipi di configurazioni per le porte:

• MDI (interfaccia dipendente dal supporto): Le porte MDI sono progettate per cavi diretti, che collegano dispositivi che lavorano a livelli diversi del modello ISO/OSI
• MDIX (Crossover di interfaccia dipendente dal mezzo): Le porte MDIX sono essenzialmente versioni “invertite” delle porte MDI, comunemente presenti su switch di rete e hub. MDIX è compatibile con cavi crossover, che collegano dispositivi che lavorano allo stesso livello, come connessioni switch-to-switch o router-to-router.

Auto MDI/MDIX

MDI/MDIX automatico è una funzionalità che rileva automaticamente se il dispositivo all’altra estremità del cavo Ethernet è configurato come MDI o MDIX, regolando la connessione in base alle esigenze. Questa regolazione automatica significa che puoi usare qualsiasi cavo Ethernet e il dispositivo si configurerà da solo per effettuare la connessione corretta

Come riconoscere un cavo dritto o incrociato

Per verificare il tipo di cavo:

1. Prendi entrambe le estremità del cavo RJ45.
2. Poni i connettori con l’aletta di blocco verso il basso e le punte rivolte verso l’esterno.
3. Osserva la sequenza dei colori dei fili:

• Se l’ordine dei colori è uguale su entrambe le estremità → cavo straight-through
• Se l’ordine è diverso (con i PIN 1, 2, 3, 6 invertiti) → cavo crossover

I connettori RJ45

I cavi twisted-pair terminano con connettori RJ45 (8P8C – 8 Posizioni e 8 Contatti), utilizzati nelle reti Ethernet.
⚠️ Attenzione a non confondere gli RJ45 con gli RJ11, usati per la telefonia: questi ultimi sono più piccoli e supportano al massimo 4 fili.

Il connettore è sempre maschio, mentre le controparti femmina si trovano nelle:

• Prese a muro (wall outlet);
• Patch panel, per la gestione ordinata del cablaggio nei rack di rete.

I contatti sono suddivisi in:

• Tip: i 4 PIN che trasportano la tensione;
• Ring: i 4 PIN collegati a massa.

Altri standard: ISO/IEC 11801

Oltre al TIA/EIA-568, esiste anche uno standard internazionale: ISO/IEC 11801, sviluppato a partire dal 1995. Le differenze principali rispetto allo standard americano sono:

• La distinzione tra cavi avviene per classi (A, B, C, D, E, F, ecc.) invece che per categorie;
• La terminologia utilizzata per identificare cavi, prese e dispositivi è diversa;
• I limiti di prestazione definiti da ISO/IEC 11801 sono meno restrittivi rispetto al TIA/EIA-568.

Ad esempio, la Categoria 6 dei cavi corrisponde alla Classe E secondo ISO/IEC 11801, mentre la Categoria 7 corrisponde alla Classe F.

Il cavo coassiale

Il cavo coassiale è un altro tipo di mezzo trasmissivo in rame, molto utilizzato in passato nelle reti locali e ancora oggi impiegato in applicazioni specifiche come la televisione via cavo, le telecamere a circuito chiuso (CCTV) e alcuni sistemi di connessione a banda larga.

Struttura del cavo coassiale

Il cavo coassiale è composto da più strati concentrici, che lo rendono particolarmente resistente alle interferenze esterne:

1. Conduttore centrale (CORE – in rame rigido o flessibile): trasporta il segnale elettrico.
2. Isolante dielettrico: separa il conduttore centrale dalla schermatura.
3. Schermatura metallica (intrecciata o a lamina): serve a bloccare le interferenze elettromagnetiche.
4. Guaina esterna in plastica: protegge il cavo da danni meccanici.

Questa struttura “a strati” offre una elevata protezione dai disturbi elettromagnetici e una buona capacità di trasmissione su lunghe distanze rispetto ai cavi twisted-pair.

I connettori utilizzati si chiamano connettori BNC (Bayonet Neill Concelman) o connettori a baionetta

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

• Maggiore protezione dalle interferenze (rispetto all’UTP).
• Larghezza di banda superiore rispetto ai doppini non schermati.
• Può coprire distanze maggiori senza amplificatori o ripetitori.

Svantaggi:

• Maggiore rigidità: meno flessibile e più difficile da installare.
• Prezzo più elevato rispetto al twisted-pair.
• Connettori e terminazioni più complessi da gestire.
• Oggi è meno usato nelle reti LAN, sostituito dai cavi UTP di categoria superiore e dalla fibra ottica.

Tipi di cavo coassiale

I cavi coassiali sono classificati in base all’impedenza e al tipo di applicazione:

• Cavi da 50 ohm: usati in reti dati e trasmissioni radio.
• Cavi da 75 ohm: usati in impianti TV, videosorveglianza e trasporto del segnale audio/video.

Tra i più conosciuti nel contesto delle reti:

• RG-58: usato nelle vecchie reti Ethernet 10Base2 (Thin Ethernet).
• RG-59: molto diffuso per impianti TV.
• RG-6: migliorato rispetto all’RG-59, con minore attenuazione e schermatura più efficace.

Utilizzo nelle reti

Il cavo coassiale è stato tra i primi mezzi fisici usati nelle reti Ethernet, specialmente nei primi anni ’90. Le configurazioni tipiche erano:

• 10Base2 (Thin Ethernet): utilizzava cavi RG-58 e connettori BNC. Supportava distanze fino a 185 metri.
• 10Base5 (Thick Ethernet): impiegava cavi più spessi e consentiva distanze fino a 500 metri.

Oggi il cavo coassiale è stato quasi completamente sostituito nelle LAN dai cavi twisted-pair e dalla fibra ottica, ma rimane in uso in contesti specifici dove è richiesto un buon isolamento dai disturbi e la trasmissione su distanze moderate.

I cavi in fibra ottica

La fibra ottica è un mezzo di trasmissione estremamente efficiente e veloce, utilizzato per trasportare segnali sotto forma di impulsi luminosi. A differenza dei cavi in rame, non trasporta segnali elettrici, ma luce: per questo motivo è immune ai disturbi elettromagnetici, supporta maggiori larghezze di banda e distanze più lunghe senza la necessità di ripetitori.

Struttura della fibra ottica

Un cavo in fibra ottica è composto da più strati, ognuno con una funzione specifica:

• Core (nucleo): è la parte centrale in cui si propaga il segnale luminoso. È realizzato in vetro (silice) o materiali plastici ad alta purezza. Il diametro del core varia in base al tipo di fibra: nelle monomodali è molto sottile (9 µm), nelle multimodali è più largo (da 50 a 62,5 µm).
• Cladding (mantello ottico): è un materiale ottico che riveste il core. Ha un indice di rifrazione più basso rispetto al core, permettendo alla luce di rimanere confinata nel nucleo per riflessione interna totale.
• Buffer coating: rivestimento plastico che protegge meccanicamente la fibra da urti e piegature.
• Guaina esterna (jacket): è lo strato visibile all’esterno del cavo, progettato per proteggere l’intero fascio di fibre dagli agenti esterni.

Tipi di fibra: monomodale e multimodale

Esistono due principali tipologie di fibra ottica, che differiscono per struttura e utilizzo:

Fibra monomodale (Single Mode – SM)

• Core molto sottile (∼9 µm)
• La luce viaggia in un solo modo di propagazione
• Ideale per lunghe distanze e alte velocità
• Utilizza laser come sorgente luminosa
• Utilizzata in dorsali di rete, collegamenti tra edifici, backbone di provider

Fibra multimodale (Multi Mode – MM)

• Core più largo (50 o 62,5 µm)
• La luce viaggia in più modi contemporaneamente
• Indicata per brevi distanze (fino a 2 km circa)
• Utilizza LED come sorgente luminosa
• Economica e facile da installare, usata spesso in LAN aziendali o campus

Il principio di riflessione interna totale

I segnali luminosi viaggiano nella fibra grazie al principio della riflessione interna totale. Quando la luce colpisce l’interfaccia tra core e cladding con un angolo superiore a una soglia critica, viene riflessa all’interno del core, continuando a propagarsi lungo la fibra. Questo processo permette al segnale di viaggiare per chilometri con pochissima attenuazione.

Connettori per fibra ottica

Per collegare le fibre ottiche a dispositivi, moduli e pannelli si utilizzano connettori ottici, che differiscono per forma, dimensione e tipo di innesto. I principali sono:

• SC (Subscriber Connector): connettore quadrato a innesto rapido, molto diffuso nelle reti dati.
• LC (Lucent Connector): compatto, simile allo SC ma più piccolo; ideale per spazi ridotti e usatissimo nei data center.
• ST (Straight Tip): con connettore a baionetta, semplice da inserire e togliere.
• FC (Ferrule Connector): con attacco a vite, garantisce grande stabilità; spesso usato in ambienti industriali.
• MPO/MTP (Multi-fiber Push-On / Multi-fiber Termination Push-on): utilizzati per collegare più fibre in un solo connettore (8, 12, 24 o più fibre); fondamentali per infrastrutture ad alta densità.

Dispositivi per la trasmissione ottica

Il segnale luminoso all’interno della fibra è generato e ricevuto da dispositivi elettronici:

• LED (Light Emitting Diode): economici, usati nelle fibre multimodali per brevi distanze.
• Laser (Laser Diode): ad alta potenza, adatti alla fibra monomodale, permettono trasmissioni ad altissima velocità.
• Fotodiodi: dispositivi riceventi che rilevano la luce in arrivo e la convertono in segnali elettrici.

Tecnologie FTTx (Fiber To The x)

Le soluzioni FTTx indicano il punto fino al quale arriva la fibra ottica in una rete di accesso. Ecco le principali varianti:

• FTTH (Fiber To The Home): la fibra arriva direttamente fino all’abitazione dell’utente. Offre prestazioni eccellenti (fino a 10 Gbps).
• FTTB (Fiber To The Building): la fibra raggiunge l’edificio, ma il collegamento interno all’appartamento è su rame (Ethernet o VDSL).
• FTTC (Fiber To The Cabinet): la fibra arriva a un armadio stradale vicino all’utente. Il collegamento finale avviene tramite doppino telefonico.
• FTTN (Fiber To The Node): simile a FTTC, ma il nodo ottico è più distante, con un tratto più lungo in rame.
• FTTP (Fiber To The Premises): termine generico che include sia FTTH che FTTB.
• FTTx: sigla generica che identifica tutte le soluzioni ibride fibra-rame.

Parliamo ora della trasmissione wireless, che sfrutta le onde radio per veicolare informazioni senza l’uso di cavi. Questa tecnologia opera sempre al livello fisico del modello ISO/OSI, trasformando i bit in segnali elettromagnetici trasmessi attraverso l’aria.

Trasmissione Wireless e Onde Radio

La trasmissione wireless si basa sull’uso delle onde radio (radiofrequenze) per trasmettere e ricevere dati. Le onde radio sono onde elettromagnetiche che si propagano nel vuoto o nell’atmosfera e possono trasportare segnali digitali o analogici.

Le comunicazioni wireless operano in specifiche bande di frequenza, regolamentate da enti internazionali (come l’ITU) e nazionali (come il Ministero delle Comunicazioni). Le frequenze più comuni per uso civile sono:

• 2,4 GHz e 5 GHz: per reti Wi-Fi;
• 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz: per sensori e dispositivi IoT;
• 700 MHz – 3,6 GHz: per reti mobili 4G e 5G;
• 1,5 GHz – 12 GHz e oltre: per comunicazioni satellitari.

Caratteristiche delle Onde Radio

• Propagazione: possono riflettersi, rifrangersi e penetrare oggetti, ma subiscono attenuazione e interferenze.
• Raggio d’azione: varia da pochi centimetri (Bluetooth) a centinaia di chilometri (satelliti).
• Velocità: teoricamente pari alla velocità della luce (≈300.000 km/s), ma la velocità effettiva dipende dalla modulazione e dall’ambiente.

Ambiti di utilizzo della trasmissione wireless

Le onde radio sono alla base di moltissime tecnologie, impiegate in contesti che vanno dalla rete domestica alla comunicazione globale via satellite. Ecco i principali ambiti applicativi:

1. Wireless LAN (WLAN)

Le reti locali wireless, meglio conosciute come Wi-Fi, permettono la connessione di dispositivi a una rete senza fili all’interno di uno spazio limitato (uffici, case, scuole, hotel, aeroporti).

• Standard: IEEE 802.11 (a/b/g/n/ac/ax)
• Frequenze: 2,4 GHz e 5 GHz (e anche 6 GHz con Wi-Fi 6E)
• Distanza tipica: da 10 a 100 metri

Vantaggi: flessibilità, facilità di installazione
Svantaggi: interferenze, sicurezza più delicata

2. Wireless PAN (WPAN)

Le reti personali wireless coprono distanze molto ridotte, spesso nell’ordine di pochi metri. Sono ideali per la comunicazione tra dispositivi personali o wearable.

• Tecnologie principali:
  • Bluetooth (IEEE 802.15.1): fino a 100 m
  • ZigBee (IEEE 802.15.4): per reti di sensori a basso consumo
  • UWB (Ultra-Wideband): per trasmissioni a corto raggio e altissima velocità

Utilizzate in:

• Cuffie, tastiere, mouse, smartwatch
• Connessioni smartphone-auto
• Comunicazione tra dispositivi IoT

3. Reti IoT (Internet of Things)

Il mondo dell’IoT si basa spesso su trasmissioni wireless a bassa potenza e lunga durata, con dispositivi sparsi su vaste aree.

• Tecnologie: LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, ZigBee
• Caratteristiche:
  • Basso consumo energetico
  • Copertura ampia (anche >10 km in campo aperto)
  • Velocità di trasmissione contenuta (bastano pochi Kbps)

Utilizzi: sensori ambientali, contatori intelligenti, agricoltura, smart city

4. Wireless WAN e reti mobili

Le reti mobili cellulari coprono vaste aree e supportano la mobilità degli utenti. Sono alla base della telefonia mobile e dell’accesso a internet in mobilità.

• Generazioni di rete:
  • 2G (GSM) – voce e SMS
  • 3G (UMTS) – dati mobili
  • 4G (LTE) – alta velocità
  • 5G – bassa latenza, IoT massivo, velocità superiori a 1 Gbps

Frequenze usate: da 700 MHz fino a 3,6 GHz, e oltre
Copertura: da centinaia di metri a diversi chilometri per cella

5. Collegamenti a lunga distanza (punto-punto)

Per collegare sedi distanti tra loro o portare internet in aree isolate, si usano link wireless punto-punto ad alta direttività:

• Ponti radio: usano frequenze licenziate o libere (2.4 GHz, 5 GHz, 60 GHz)
• Microonde e onde millimetriche: per trasporti a lunga distanza in ambito ISP o broadcast
• Richiedono antenne direzionali perfettamente allineate

Soluzione alternativa alla posa di fibra ottica in aree difficili da raggiungere

6. Comunicazioni satellitari

Le comunicazioni satellitari permettono connessioni anche in assenza di infrastrutture terrestri, coprendo l’intero globo.

• Tipi di satelliti:
  • GEO (geostazionari): copertura fissa, alta latenza (>500 ms)
  • LEO (orbita bassa): come Starlink, bassa latenza, maggiore numero di satelliti

Utilizzi:

• Internet in aree remote
• Televisione satellitare (DVB-S)
• Comunicazioni militari e di emergenza

Richiedono terminali con antenne paraboliche o phased array
Ottima alternativa per navigazione, IoT globale, copertura remota

Segnali Analogici

I segnali analogici sono variazioni continue nel tempo di una grandezza fisica, solitamente rappresentata come tensione o corrente. Essi costituiscono la forma più naturale di trasmissione delle informazioni nei sistemi fisici. Un segnale analogico può assumere un’infinità di valori all’interno di un intervallo continuo.

Forma d’Onda e Analisi

La rappresentazione tipica di un segnale analogico è la forma d’onda sinusoidale, che può essere analizzata sia nel dominio del tempo (variazione dell’ampiezza in funzione del tempo) sia nel dominio della frequenza (spettro delle componenti armoniche che costituiscono il segnale).

Guardando l’immagine in alto in modo bidimensionale su un diagramma con assi tempo-ampiezza e frequenza ampiezza (spettro del segnale) possiamo studiare il segnale nei due domini

L’analisi di Fourier scompone un segnale complesso in una somma di onde sinusoidali di diverse frequenze. Questo permette di analizzare la composizione del segnale in termini di frequenza, evidenziando quali frequenze contribuiscono maggiormente al segnale complessivo.
Ad esempio un’onda quadra che ben approssima la trasmissione seriale
dei bit si può considerare come la somma di infinite onde sinusoidali (armoniche),
di ampiezza e frequenza diversa.

Parametri Fondamentali dei segnali

Un segnale è definito da 3 parametri fondamentali:

• Ampiezza: il valore massimo raggiunto dalla forma d’onda.
• Frequenza: il numero di cicli per secondo, espresso in Hertz (Hz).
• Fase: la posizione della forma d’onda rispetto all’origine temporale.

La sua rappresentazione è:

y(t) = A * cos(ωt + φ), dove:

• y(t): è il valore del segnale al tempo t.
• A: è l’ampiezza, la massima deviazione del segnale dall’asse delle ascisse. 
• ω: è la velocità angolare, espressa in rad/s e data da ω = 2πf, dove f è la frequenza in Hz. 
• t: è il tempo. 
• φ: è la fase iniziale, in radianti, che determina lo “spostamento” del segnale rispetto all’inizio del periodo. 

Fenomeni che Influenzano il Segnale

• Attenuazione: riduzione dell’ampiezza del segnale durante la trasmissione.
• Distorsione: modifica della forma del segnale causata da vari fattori (es. risposta non lineare del mezzo).
• Rumore: interferenze indesiderate che si sovrappongono al segnale originario, di natura elettromagnetica o ambientale.

Larghezza di Banda e Capacità del Canale

Larghezza di banda (o ampiezza o banda passante): intervallo di frequenze che un canale può trasportare senza attenuazione significativa.

Capacità di canale: quantità massima di informazioni trasmissibili in un dato intervallo di tempo, definita dalla formula di Shannon:

dove,

• C è la capacità in bit/s,
• B la larghezza di banda in Hz,
• S la potenza del segnale e
• N la potenza del rumore.

Il rapporto S/N è spesso indicato in decibel (dB). Si ricordi che:

1dB = 10* log₁₀(S/N)

e svolgendo i calcoli:

S/N = 10 ^db/10

Digitalizzazione del Segnale Analogico

Per trasmettere un segnale analogico su un sistema digitale, è necessario convertirlo attraverso tre fasi principali:

1. Campionamento: misura dell’ampiezza del segnale a intervalli di tempo regolari. Il teorema di Nyquist stabilisce che la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della massima frequenza del segnale per garantire una ricostruzione fedele.
2. Quantizzazione: approssimazione dei valori campionati a livelli discreti predefiniti.
3. Codifica: trasformazione dei livelli quantizzati in una sequenza di bit binari.

Segnali Digitali

I segnali digitali assumono solo due valori discreti (tipicamente 0 e 1) e sono rappresentati da impulsi rettangolari. Essi sono il fondamento dei moderni sistemi di comunicazione e calcolo.

Vantaggi dei Segnali Digitali

• Robustezza al rumore: i segnali digitali possono essere rigenerati facilmente lungo il canale, riducendo l’effetto del rumore.
• Integrazione dei sistemi: permettono l’unificazione di voce, dati e immagini in un’unica infrastruttura.
• Adattabilità: si prestano facilmente all’elaborazione automatica, alla compressione e alla crittografia.

Tecniche di codifica nel livello fisico

Nel livello fisico, un’informazione digitale viene trasmessa sotto forma di segnale elettrico, ottico o elettromagnetico. La codifica di questi segnali serve a rappresentare i bit in modo da facilitare la sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore, ridurre gli errori e ottimizzare l’uso del canale trasmissivo.

Un dato codificato in binario è una sequenza di bit. A ciascun bit viene associato un determinato livello del segnale, secondo una tecnica di codifica ben precisa. Le codifiche si distinguono in:

• Unipolari, in cui tutti i livelli del segnale hanno lo stesso segno (es. solo tensioni positive).
• Bipolari, in cui i livelli del segnale possono avere segni diversi (es. tensioni positive e negative alternate).

📘 Codifica NRZ (Non Return to Zero)

• Bit 1 → livello alto di tensione
• Bit 0 → livello basso di tensione
  🔍 Semplice ed efficiente, ma lunghe sequenze di 0 o 1 possono far perdere il sincronismo.

📈 Esempio (bitstream: 1 1 0 0 1 1 0 0):

📘 Codifica RZ (Return to Zero)

• Bit 1 → livello alto, ma solo per metà periodo; poi ritorna a zero
• Bit 0 → livello basso
  🔍 Migliora la sincronizzazione, ma occupa più banda rispetto a NRZ.

📈 Esempio (bitstream: 1 1 0 0 1 1 0 0):

📘 Codifica Manchester (proposta da Thomas)

• Bit 1 → transizione da alto a basso a metà periodo
• Bit 0 → transizione da basso ad alto a metà periodo
  🔍 Alta affidabilità e sincronizzazione integrata, ma occupa il doppio della larghezza di banda.

📈 Esempio (bitstream: 1 1 0 0 1 1 0 0):

📘 Codifica Manchester 802.3

• Bit 1 → transizione da basso a alto a metà periodo
• Bit 0 → transizione da alto a basso a metà periodo
  🔍 Alta affidabilità e sincronizzazione integrata, ma occupa il doppio della larghezza di banda.

📈 Esempio (bitstream: 1 1 0 0 1 1 0 0):

📘 Codifica Manchester Differenziale

• Bit 1 → nessuna transizione all’inizio del bit
• Bit 0 → transizione all’inizio del bit
  🔍 Più robusta della codifica Manchester standard rispetto a errori di polarità.

📈 Esempio (bitstream: 1 1 0 0 1 1 0 0):

📘 Codifica AMI (Alternate Mark Inversion)

• Bit 0 → livello 0 (nessun segnale)
• Bit 1 → alternanza tra +V e –V
  🔍 Riduce la componente continua del segnale e migliora la sincronizzazione. Spesso usata nelle linee telefoniche digitali (es. T1).

📈 Esempio (bitstream: 1 1 0 0 1 1 0 0):

Trasmissione Seriale

La trasmissione seriale è la modalità più diffusa per il trasferimento dei dati a distanza tramite cavo, poiché è economica e richiede un solo conduttore (più il filo di massa) per la trasmissione del segnale. I dati vengono trasmessi come sequenze di bit in ordine, generalmente dal bit meno significativo (LSB) a quello più significativo (MSB).

Per garantire una corretta interpretazione del flusso dati, trasmettitore e ricevitore devono essere sincronizzati. Esistono due modalità principali:

• Trasmissione seriale asincrona
• Trasmissione seriale sincrona

Trasmissione seriale asincrona

La trasmissione seriale asincrona è caratterizzata da un bit di Start (Start bit), che precede il dato vero e proprio, e da uno o più bit di Stop (Stop bit), che indica la fine del dato. I bit di Start e Stop sono utilizzati per sincronizzare l’inizio e la fine del dato.

• Lo stato logico 1 viene detto Mark, lo stato 0 viene detto Space
• Ogni bit viene emesso per un intervallo di tempo T costante per mantenere la sincronizzazione tra trasmittente e ricevente. Ciò implica che trasmettitore e ricevitore lavorino alla stessa velocità.
• Un dato è composto da un numero predeterminato di bit, che può variare da
  5 a 8, noto sia al trasmettitore, sia al ricevitore.
• Il primo bit a essere trasmesso è, in genere, quello meno significativo.
• A volte, per rilevare eventuali errori di trasmissione, il bit di Stop è preceduto dal bit di parità (Parity bit). La parità può essere:
  – Even (pari); il numero di bit di valore 1 deve essere pari. Per esempio
  la parità pari applicata al valore 01010101 (55h) è “0”, mentre applicata a
  01010100 (54h) è “1”. Entrambe le parole possiedono 4 bit a “1”, compresa la
  parità ;
  – Odd (dispari); il numero di bit a 1 deve essere dispari.
• I bit di Start, Stop e parità sono bit di ridondanza, la quale è percentualmente molto elevata.
  Ad esempio, una trasmissione con 7 bit di dato, parità Even, 1 bit di Stop,
  prevede la trasmissione di 10 bit con un 30% di ridondanza.
• La velocità di trasmissione (Vb ) è inversamente proporzionale alla durata dei
  bit (Tb

L’Esempio qui di seguito mostra l’invio di un dato a 8 bit, che corrisponde alla codifica ASCII della lettera «Y».

L’UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) è il dispositivo
programmabile che converte il flusso di bit dal formato parallelo a quello
seriale e trasmette i bit in modalità asincrona.

La trasmissione sincrona

• Nella trasmissione sincrona, trasmettitore e ricevitore condividono lo stesso
  clock che viaggia su una linea dedicata che collega i due dispositivi, o viene
  estratto, mediante appositi circuiti elettronici, dai dati ricevuti. I dati sono
  organizzati in blocchi (frame), anziché in singoli caratteri (Figura 20) e, di
  solito, vengono gestiti da protocolli appartenenti al livello Data Link.

• I frame sono preceduti da bit (flag) o caratteri (SYN), che vengono utilizzati dal ricevitore per individuare l’inizio del blocco, senza la necessità di bit di Start e Stop per ogni carattere trasmesso.

• La ridondanza è percentualmente ridotta.
• L’efficienza e la velocità globale risultano superiori a quella della trasmissione asincrona e possono essere trasmessi con continuità tra mittente e destinatario.
• L’USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver-Transmitter) è il dispositivo programmabile che converte il flusso di bit dal formato parallelo a quello seriale e li trasmette in modalità sincrona.

Modalità di trasmissione

Lo scambio di dati tra terminali può avvenire secondo tre principali modalità, a seconda del flusso di comunicazione previsto tra i dispositivi coinvolti nel canale di trasmissione.

1. Simplex (Monodirezionale)

La modalità simplex prevede che la comunicazione avvenga in un’unica direzione, dal trasmettitore al ricevitore, senza possibilità di inversione dei ruoli. Il ricevitore non può rispondere né inviare alcun segnale di ritorno.

Esempi tipici:

• Trasmissioni radiofoniche.
• Televisione analogica e digitale.
• Riproduzione audio (es. audiolibri, podcast in streaming).

Questa è la modalità più semplice e con il minor carico computazionale, adatta a scenari in cui è necessario solo diffondere l’informazione senza attesa di risposta o feedback.

2. Half Duplex (Bidirezionale Alternato)

La modalità half duplex consente la trasmissione in entrambe le direzioni, ma non simultaneamente: mentre un dispositivo trasmette, l’altro deve attendere il termine della trasmissione prima di poter inviare dati a sua volta.

Caratteristiche principali:

• È necessario un meccanismo di controllo per gestire l’alternanza nella trasmissione.
• Più efficiente del simplex, ma con limiti rispetto alla simultaneità.

Esempi comuni:

• Comunicazioni tramite walkie-talkie.
• Sistemi di baby monitor o telecamere interfoniche.
• Invio di SMS o messaggi vocali asincroni.

3. Full Duplex (Bidirezionale Simultaneo)

La modalità full duplex permette la comunicazione simultanea in entrambe le direzioni, senza che uno dei due terminali debba attendere che l’altro termini la trasmissione.

Vantaggi:

• Aumento dell’efficienza e della velocità complessiva.
• Maggiore fluidità nella comunicazione interattiva.

Esempi di utilizzo:

• Conversazioni telefoniche.
• Videochiamate.
• Reti Ethernet full-duplex, che utilizzano due coppie distinte di cavi (o fibre ottiche) per separare la trasmissione dall’invio.

Dal punto di vista fisico, la modalità full duplex può essere realizzata in due modi:

• Su un unico mezzo di trasmissione con tecniche di separazione del segnale (es. frequenza o polarizzazione).
• Utilizzando due canali distinti, uno per ciascuna direzione di trasmissione. Tuttavia, questa distinzione rimane trasparente all’utente finale.

In ambito di rete, molte connessioni Ethernet supportano il full duplex, raddoppiando di fatto la banda disponibile e migliorando le prestazioni, come evidenziato nelle attività pratiche di laboratorio dedicate al montaggio di cavi UTP per reti Ethernet.

Accesso multiplo al canale

Nella trasmissione dei dati all’interno delle reti, il canale di comunicazione rappresenta una risorsa condivisa e limitata, esattamente come un’autostrada: non può essere occupato interamente da un singolo utente per un periodo prolungato. Proprio come sulle autostrade, dove più veicoli viaggiano contemporaneamente su corsie differenti, anche nella comunicazione digitale si utilizzano tecniche che permettono a più utenti di accedere al canale simultaneamente, ottimizzando così l’uso della banda disponibile.

Questa esigenza è alla base del concetto di accesso multiplo, una strategia che consente di suddividere il canale fisico in sottocanali logici, sfruttando una o più dimensioni (tempo, frequenza, codice) per distinguere i flussi informativi provenienti da diverse sorgenti.

Tecniche di accesso multiplo

Le principali tecniche di accesso multiplo sono:

1. TDMA (Time Division Multiple Access) – Accesso multiplo a divisione di tempo
   Il canale viene suddiviso in intervalli temporali (slot), e a ciascun utente è assegnato uno specifico intervallo durante il quale può trasmettere i propri dati. Gli utenti si alternano secondo una sequenza predefinita, garantendo così l’accesso equo alla risorsa. Esempio d’uso: reti GSM e alcune reti satellitari.
2. FDMA (Frequency Division Multiple Access) – Accesso multiplo a divisione di frequenza
   Il canale viene suddiviso in più bande di frequenza, ciascuna assegnata a un diverso utente. Ogni utente può così trasmettere simultaneamente, ma su una frequenza distinta rispetto agli altri. Esempio d’uso: trasmissioni radio, televisive e alcune reti mobili di prima generazione.
3. CDMA (Code Division Multiple Access) – Accesso multiplo a divisione di codice
   Tutti gli utenti trasmettono contemporaneamente sullo stesso intervallo di tempo e sulla stessa banda di frequenza, ma ciascun segnale viene codificato con una sequenza univoca. Il ricevitore, conoscendo il codice, è in grado di isolare il messaggio desiderato. Esempio d’uso: reti mobili 3G (UMTS).

Queste tecniche sono fondamentali nei sistemi di comunicazione moderna, in particolare nelle reti mobili e satellitari, dove più utenti devono poter condividere lo stesso mezzo trasmissivo senza interferenze.

Modulazioni digitali

La modulazione di un segnale è un processo fondamentale nelle telecomunicazioni e serve a trasmettere informazioni (audio, video, dati) attraverso un canale fisico, come un cavo, l’aria o la fibra ottica. In pratica, consiste nell’adattare un segnale informativo (detto segnale modulante, tipicamente a bassa frequenza) ad un segnale portante (a frequenza più alta), modificando alcune sue caratteristiche. Il dispositivo che consente la modulazione e la demodulazione è il MODEM

A cosa serve la modulazione? Ecco gli obiettivi principali:

1. Adattare il segnale al mezzo trasmissivo

• I segnali a bassa frequenza non viaggiano bene su lunghe distanze o in certi mezzi.
• La modulazione consente la trasmissione efficiente su cavi, fibra o onde radio.

2. Consentire la trasmissione a distanza

• I segnali modulati, soprattutto ad alta frequenza, si propagano meglio nell’atmosfera o attraverso i cavi coassiali.
• Esempio: le onde radio AM/FM possono coprire intere città o regioni.

3. Permettere la multiplazione

• Tecnica che consente di trasmettere più segnali simultaneamente su un singolo canale.
• Ogni segnale viene modulato su una portante diversa → trasmissione parallela senza interferenze (es: radio e TV).

4. Ridurre le interferenze e migliorare la qualità

• Alcuni tipi di modulazione aumentano la robustezza del segnale contro il rumore e le distorsioni.
• Esistono tecniche più avanzate che ottimizzano l’efficienza e la qualità della trasmissione (es. modulazione QAM, PSK).

5. Ridurre le dimensioni delle antenne

• Le antenne trasmettono e ricevono meglio a frequenze elevate (cioè a lunghezze d’onda minori).
• Modulando il segnale su una portante ad alta frequenza si usano antenne più piccole ed efficienti.

Tipi comuni di modulazione

Ci occuperemo delle modulazioni digitali e della QAM. I segnali che intervengono nella tecnica di modulazione (e demodulazione) sono:

• Segnale modulante (Il segnale modulante è il segnale informativo, ovvero il segnale che contiene i dati da trasmettere. Nei sistemi digitali, è costituito da una sequenza di bit (0 e 1), che rappresentano l’informazione)
• Segnale portante (Il segnale portante è un’onda sinusoidale ad alta frequenza, che non contiene informazione, ma è necessaria per trasportare il segnale modulante attraverso un canale fisico)
• Segnale modulato (Il segnale modulato è il risultato dell’interazione tra il segnale modulante e la portante: la portante viene modificata (modulata) in base al contenuto del segnale informativo)

ASK (Amplitude Shift Keying)

Modulazione per spostamento di ampiezza

ASK è la tecnica più semplice di modulazione digitale. Consiste nel variare l’ampiezza della portante in base al bit trasmesso:

• Un’ampiezza elevata può rappresentare un bit 1.
• Un’ampiezza nulla o ridotta può rappresentare un bit 0.

Caratteristiche:

• Facile da implementare.
• Sensibile al rumore e all’attenuazione, in quanto l’ampiezza può essere facilmente alterata dai disturbi.
• Usata in sistemi a corto raggio o a bassa velocità.

Esempio: sequenza 1011010

• La modulazione OOK (On-Off Keying) che associa un 1 alla presenza della portante ed allo 0 l’assenza della portante è una forma semplice di ASK.

FSK – Frequency Shift Keying

Modulazione per spostamento di frequenza

Con FSK, la frequenza della portante cambia in funzione del bit trasmesso:

• Una frequenza f₁ rappresenta il bit 1.
• Una frequenza f₂ rappresenta il bit 0.

Caratteristiche:

• Più robusta al rumore rispetto all’ASK, poiché il rumore ha effetto minore sulla frequenza.
• Richiede larghezza di banda maggiore rispetto ad ASK e PSK.
• Utilizzata nei modem analogici, nei sistemi radio a bassa velocità (es. radiotelegrafia) e nei dispositivi RFID.

Varianti:

• 2-FSK (due frequenze per 0 e 1),
• 4-FSK, M-FSK (più simboli con frequenze differenti, per trasmettere più bit per simbolo).

Esempio: sequenza 1011010 2-FSK con fport = 1500 Hz e deviazione = 500Hz

PSK – Phase Shift Keying

Modulazione per spostamento di fase

In PSK, si modifica la fase della portante sinusoidale per rappresentare i dati binari. È più resistente al rumore rispetto a ASK e FSK.

Tipi principali:

• BPSK (Binary PSK): 2 fasi (0° e 180°), rappresenta 1 bit per simbolo.
• QPSK (Quadrature PSK): 4 fasi (0°, 90°, 180°, 270°), rappresenta 2 bit per simbolo.
• 8-PSK, 16-PSK: modulazioni con più fasi per aumentare il numero di bit trasmessi per simbolo.

Caratteristiche:

• Offre buon compromesso tra velocità e affidabilità.
• Molto usata nelle comunicazioni satellitari, nei modem digitali, Wi-Fi e Bluetooth.

Esempio: sequenza 1011010 BPSK sfasamento a 180°

QAM – Quadrature Amplitude Modulation

Modulazione in ampiezza in quadratura

QAM combina modulazione di ampiezza (ASK) e modulazione di fase (PSK): si modulano simultaneamente ampiezza e fase della portante.

Funzionamento:

• Si definiscono simboli rappresentati da punti in un piano cartesiano (costellazione QAM), dove l’ascissa rappresenta la componente in fase (I) e l’ordinata quella in quadratura (Q).
• Ogni simbolo rappresenta più bit (es. 4, 6, 8 bit a seconda del numero di combinazioni possibili).

Esempi di modulazioni QAM:

• 4-QAM: 4 simboli → 2 bit per simbolo (bit rate = 8bps; baud rate= 4)
• 16-QAM: 16 simboli → 4 bit per simbolo.
• 64-QAM: 64 simboli → 6 bit per simbolo.
• 256-QAM: 256 simboli → 8 bit per simbolo.

Caratteristiche:

• Estremamente efficiente in termini di larghezza di banda.
• Più è elevato il numero di simboli, maggiore è la velocità di trasmissione, ma anche la sensibilità al rumore.
• Utilizzata nelle reti Wi-Fi (802.11n/ac/ax), modem ADSL/VDSL, LTE, DVB-T.

Esempio: sequenza 0010011100 4-QAM

Bit rate e baud rate sono due termini utilizzati in telecomunicazioni e nelle comunicazioni digitali per descrivere la velocità di trasmissione dei dati. Sebbene siano a volte usati in modo intercambiabile, hanno significati distinti.

Bit Rate

Il bit rate (o velocità di bit) indica il numero di bit (0 o 1) trasmessi in un secondo. Si misura in bit al secondo (bps, bit per second) e rappresenta la quantità di dati trasmessi in un intervallo di tempo.

• Esempio: Se una connessione ha un bit rate di 1 Mbps (Megabit per secondo), significa che può trasmettere 1 milione di bit ogni secondo.

Baud Rate

Il baud rate (o velocità di baud) misura il numero di simboli trasmessi in un secondo. Un simbolo è un’unità di trasmissione che può rappresentare più bit, a seconda della modulazione del segnale. In un sistema in cui ogni simbolo rappresenta un solo bit, bit rate e baud rate coincidono. Tuttavia, in sistemi più avanzati, un simbolo può rappresentare più di un bit.

• Esempio: In un sistema di trasmissione che usa una modulazione in cui ogni simbolo rappresenta 2 bit (come nel caso della modulazione QAM – Quadrature Amplitude Modulation), il baud rate sarà inferiore al bit rate.

Differenza principale:

• Bit rate è la velocità alla quale vengono trasmessi i bit.
• Baud rate è la velocità alla quale vengono trasmessi i simboli.

In sintesi, mentre il bit rate misura il flusso totale di dati in bit, il baud rate misura la velocità dei simboli trasmessi. In un sistema semplice dove ogni simbolo rappresenta un bit, i due valori sono uguali. Ma se un simbolo rappresenta più bit, il bit rate sarà maggiore del baud rate.

Esempio:

• Ogni unità trasporta 4 bit.
• Vengono trasmessi 1000 unità al secondo.

Calcolo del Baud Rate:

Il baud rate rappresenta il numero di simboli trasmessi al secondo. In questo caso, ogni “simbolo” (unità) corrisponde a un singolo “evento di trasmissione”, quindi il baud rate sarà pari a:

Calcolo del Bit Rate:

Poiché ogni unità trasporta 4 bit, e vengono trasmesse 1000 unità al secondo, il bit rate sarà:

Risultati:

• Baud rate = 1000 simboli al secondo
• Bit rate = 4000 bit al secondo (bps)

In questo esempio, il baud rate è 1000, mentre il bit rate è 4000 bps, perché ogni simbolo (unità) trasporta 4 bit.

🔚 Conclusione: Il ruolo fondamentale del livello fisico

Il livello fisico del modello ISO/OSI rappresenta la base su cui si costruisce l’intera architettura della comunicazione di rete. Anche se si tratta dello strato più vicino all’hardware, esso svolge un ruolo cruciale per garantire che i dati digitali siano trasmessi in modo affidabile, attraverso mezzi fisici, da un dispositivo all’altro.

Come abbiamo visto attraverso il livello fisico vengono definiti:

• il tipo di mezzo trasmissivo utilizzato (rame, fibra, aria…),
• la modalità di trasmissione (simplex, half duplex, full duplex),
• la codifica e modulazione dei segnali digitali e analogici,
• le caratteristiche elettriche, ottiche o radio dei segnali,
• le tecniche di accesso multiplo e di sincronizzazione,
• le modalità di trasferimento bit per bit tra mittente e destinatario.
• I tipi di modulazione

Senza un’adeguata progettazione del livello fisico, nessuno degli strati superiori (come quelli logici e applicativi) potrebbe operare correttamente. In altre parole, l’efficienza e l’affidabilità di un sistema di rete dipendono fortemente dalla qualità e dalla precisione dell’implementazione del livello fisico.

Nell’era delle comunicazioni ad altissima velocità — dalla fibra ottica al 5G, dai satelliti ai dispositivi IoT — comprendere a fondo il funzionamento di questo livello è indispensabile per chiunque voglia operare nel campo delle reti e delle telecomunicazioni.