La rete in rame: dalle origini alla Banda Ultra Larga

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La rete in rame, nata 150 anni fa con il servizio telefonico commerciale¹ , vede oggi un’evoluzione tecnologica nell’integrazione con le reti in fibra ottica per l’erogazione di servizi di Banda Ultra Larga che possono raggiungere, attraverso il rame, velocità dell’ordine del Gbit/s seppure su tratte piuttosto limitate.

Le prime reti di distribuzione erano realizzate mediante linee aeree costituite da coppie di fili nudi sostenuti da pali ma, già sul finire dell’800, per eliminare l’intrico di fili che tendeva a formarsi nelle aree urbane, si cominciò a passare all’uso di cavi, ancora con posa aerea o, più spesso, con posa sotterranea.

Solo nella parte più periferica della rete la sostituzione delle linee aeree con cavetti (anch’essi spesso con posa aerea) ha tardato maggiormente. In alcuni contesti (come nei sistemi fonici ferroviari), sui rilegamenti di maggiore lunghezza, si adottò poi la pupinizzazione² , cioè l’inserzione a intervalli regolari di bobine di induttanza, per ottenere una minore attenuazione alle frequenze vocali a spese però di un totale blocco delle frequenze più alte, che obbliga a rimuovere la pupinizzazione se si vuole successivamente utilizzare il doppino per l’accesso ISDN³ o come portante per un sistema multicanale.

I cavi per rete telefonica sono costituiti da un insieme di conduttori, opportunamente isolati, cordati tra loro e protetti da un rivestimento esterno adatto alle condizioni di posa previste per il cavo. La necessità di cordare⁴ tra loro (con passo di qualche decina di centimetri) i due conduttori utilizzati da ciascun circuito deriva soprattutto dalla necessità di rendere minimo l’accoppiamento elettromagnetico tra i diversi circuiti nello stesso cavo, che darebbe luogo al fenomeno della diafonia, cioè al trasferimento non voluto di segnali da un circuito all’altro.

La cordatura elimina la diafonia sia facendo in modo che il campo elettromagnetico generato da un filo compensi quello generato dall’altro, sia facendo in modo che i segnali spuri captati da un filo risultino uguali a quelli captati dall’altro, così da non dare luogo ad alcuna differenza di tensione tra i due fili.

Il cavo per lungo tempo più usato, dopo le prime realizzazioni con carta impregnata, fu quello con isolamento in carta e aria secca. L’isolamento era ottenuto con un nastro di carta avvolto sul conduttore o uno strato di polpa di carta applicato sullo stesso.

Data l’elevata quantità d’aria contenuta nel tipo di carta usato, il dielettrico era costituito prevalentemente da aria. Grazie a ciò si ottenevano una bassa capacità mutua tra i fili e basse perdite dielettriche. Questo tipo di cavo richiede una perfetta tenuta all’umidità ed ha quindi una guaina metallica, di solito in leghe di piombo (per minimizzare gli inconvenienti derivanti dalla cristallizzazione del materiale sotto l’effetto delle vibrazioni). La guaina era talvolta ricoperta da un’armatura in nastri di ferro e da una fasciatura bitumata.

Dalla fine degli Anni 50 il cavo in carta ha cominciato a essere affiancato dai cavi con isolamento in polietilene, pieno o espanso. Dapprima questi cavi furono realizzati con guaine in plastica, ma presto diedero risultati inferiori alle aspettative, a causa delle imperfezioni nel polietilene di isolamento e della limitata impermeabilità tipica di una guaina in materiale plastico. Le soluzioni quasi universalmente adottate per questo problema furono la pressurizzazione del cavo o il suo riempimento con opportune gelatine.

Dall’inizio degli Anni 70 i cavi vennero muniti di una barriera antiumidità costituita da un nastro metallico (normalmente di alluminio) rivestito con un sottile strato di polietilene, che veniva fatto fondere per saldare il nastro alla guaina, nonché i due lembi sovrapposti del nastro stesso.

Una soluzione abbastanza diversa fu sviluppata e adottata per i cavi installati sino agli anni 70 in Italia, dove si migliorò la qualità del rivestimento isolante in polietilene, così da garantire un buon isolamento anche in presenza di umidità nel cavo (la guaina era in PVC, senza barriera antiumidità).

L’uso sistematico dei cavi con isolamento in plastica era però ristretto a situazioni (per esempio il cavo aereo) dove il cavo non rischiava di essere sommerso dall’acqua. Il cavo bagnato aveva inoltre uno scadente comportamento alle frequenze richieste dai sistemi multicanale PCM. Il miglioramento della qualità dell’isolante è stato comunque un obiettivo generalmente perseguito da tutti i costruttori di cavi. Viene talvolta usato l’isolamento del tipo “foam-skin”, che ricerca un compromesso tra la bassa costante dielettrica offerta dal materiale espanso e un più sicuro isolamento, offerto da uno strato esterno in materiale compatto.

Prima dell’affermazione delle fibre ottiche venne posta notevole attenzione al progetto di cavi capaci di buone prestazioni anche a frequenze di qualche megahertz, pensando al loro uso per servizi a larga banda (per esempio la diffusione televisiva).

Con l’avvento della fibra ottica, la ricerca del miglior comportamento alle alte frequenze è diventata meno importante e gli sforzi dei costruttori di cavi si sono rivolti soprattutto verso metodi di produzione più automatizzati ed economici. La nuova frontiera dei cavi per telecomunicazioni è costituita dal ricorso a conduttori in alluminio, materiale leggero ed economico.

Per quanto riguarda l’affasciamento dei conduttori a formare il cavo, va ricordato che i primi cavi ebbero una cordatura a coppie, cioè i due fili assegnati a ciascun circuito sono cordati tra loro, le diverse coppie vengono quindi cordate a formare il cavo.

Fu però presto sperimentata, e poi largamente adottata, la cordatura a quarte con struttura a stella. Con questa soluzione i conduttori sono inizialmente cordati a gruppi di quattro e le diverse quarte vengono quindi cordate a formare il cavo. I conduttori sono posti ai vertici di un quadrato, quelli diametralmente opposti costituiscono la coppia assegnata a un singolo circuito.

I vantaggi offerti dalla formazione a quarte sono la maggior compattezza e la possibilità di realizzare i cosiddetti “circuiti virtuali” che consentono un maggior sfruttamento del cavo. L’assenza di diafonia tra i due circuiti utilizzanti la stessa quarta deriva dalla simmetria del sistema ed è totale solo se i quattro conduttori si trovano sempre perfettamente ai vertici di un quadrato.

Oggi la struttura a quarte è ancora molto usata, ma nella rete italiana si è tornati alla formazione a coppie, per le migliori prestazioni di diafonia che essa offre alle alte frequenze, oggi importanti per la trasmissione dei segnali multicanale PCM⁵ e per l’accesso base ISDN ed xDSL⁶ .

Per quanto riguarda i diametri dei conduttori, inizialmente si usarono diametri relativamente grandi, vicini al millimetro, che vennero via via ridotti con l’aumentare della densità telefonica, provocando il conseguente accorciarsi delle linee d’utente. Ciò si verificò soprattutto nella rete primaria, dove si ebbero presto problemi di ingombro. I diametri minimi oggi usati sono 0,4 mm e, in alcuni paesi, 0,32 mm.

Il numero di coppie, o quarte, raccolte in un cavo dipende dalla sua applicazione. Vi è infatti interesse a far salire questo numero dove le coppie richieste sono molte, poiché costo e ingombro di un cavo salgono meno che proporzionalmente al numero di coppie in esso contenute. Quando il cavo diviene troppo grosso sorgono però problemi di trasporto e posa. Per questo motivo i più grossi cavi usati superano raramente le 2400 coppie.

Per facilitare la costruzione e la giunzione del cavo, quando il numero di conduttori è elevato, coppie o quarte sono prima raccolte in gruppi elementari (per esempio di 100 coppie) cordati poi tra loro. Dal punto di vista elettrico, i parametri importanti di un cavo per l’uso a frequenza vocale sono:

• resistenza⁷ in corrente continua;
• capacità mutua tra i conduttori;
• diafonia⁸ a frequenza vocale.

Il primo parametro determina la massima distanza a cui l’apparecchio telefonico riesce a essere ancora correttamente alimentato e a dialogare con la centrale attraverso i classici criteri in corrente continua.

I primi due parametri, considerati insieme, determinano l’attenuazione chilometrica del circuito e il suo andamento con la frequenza, importanti per la trasmissione della fonia.

Per l’uso ad alta frequenza hanno importanza anche i valori, alle frequenze di interesse, dei seguenti parametri:

• attenuazione⁹;
• diafonia;
• impedenza caratteristica¹º.

Per far fronte ai casi in cui la resistenza o l’attenuazione di una coppia in cavo sono tanto alte da non garantire più un buon collegamento, e come alternativa all’adozione di conduttori con diametro maggiore, sono stati sviluppati e sono stati correntemente impiegati nelle reti di diversi Paesi due apparati: l’estensore di linea e l’amplificatore a impedenza negativa. Il primo è un alimentatore aggiuntivo posto in serie al collegamento, il secondo è un amplificatore bidirezionale e viene usato da solo o in unione al primo.

Oggi i cavi in rame per rete di distribuzione sono tipicamente sviluppati pensando soprattutto alla riduzione dei costi di costruzione ma, con la diffusione della Banda Ultra Larga, tenendo anche presente un loro impiego a frequenze assai più alte di quella vocale (dell’ordine del MHz).

I cavi in rame hanno oggi isolamento in polietilene¹¹ pieno, espanso, o foam-skin; hanno guaina plastica, ma con barriera metallica antiumidità e formazione a quarte o a coppie, con diametri dei conduttori relativamente ridotti (da 0,32 a 0,5 mm).

Note

¹ https://www.digital4pro.com/en/2020/01/26/wired-geographic-networks-distribution-network/
² https://en.wikipedia.org/wiki/Loading_coil
³ https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_Services_Digital_Network
⁴ https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_conductor#Types_of_copper_wire_and_cable
⁵ https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-code_modulation
⁶ https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_subscriber_line
⁷ https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistance_and_conductance
⁸ https://en.wikipedia.org/wiki/Crosstalk
⁹ https://en.wikipedia.org/wiki/Attenuation
¹º https://en.wikipedia.org/wiki/Characteristic_impedance
¹¹ https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene