radiocomunicazióne
Indice
Descrizione generale
sf. [sec. XX; radio-+comunicazione]. Trasmissione di informazioni realizzata fra due o più operatori, dislocati anche a grande distanza, tramite l'irradiazione e la captazione di onde elettromagnetiche. In tale definizione rientrano sia le trasmissioni di segnali audio (nel qual caso di parla più propriamente di radiofonia), sia le trasmissioni video (televisione), sia le trasmissioni di dati in generale. In alcune applicazioni l'irradiazione e la captazione sono attuate dallo stesso soggetto, il quale invia un'onda elettromagnetica e poi ne capta la parte riflessa da qualche ostacolo (su questo principio si basa la tecnica radar).
Cenni storici
Con le ricerche e le scoperte di Faraday, Fresnel e Maxwell sulla luce e le onde elettromagnetiche, e in particolare di Hertz che riuscì a generare per primo delle radioonde, ha praticamente inizio l'era dello sfruttamento delle onde elettromagnetiche per la comunicazione a distanza. Verso la fine del sec. XIX Righi, Garbasso, Calzecchi Onesti e Branly perfezionarono la strumentazione di Hertz, con l'invenzione del rivelatore di onde (coherer), e arrivarono a rivelare le onde elettromagnetiche fino a qualche decina di metri di distanza dal loro generatore. Nel 1894 A. S. Popov realizzò un apparato provvisto di antenna in grado di registrare scariche elettriche e l'anno successivo lo rese in grado di captare onde elettromagnetiche emesse da un oscillatore; nel marzo 1896 trasmise un messaggio radiotelegrafico a 250 m di distanza con vari ostacoli naturali e artificiali interposti. Contemporaneamente Marconi perfezionò il rivelatore di Branly e, utilizzando un'antenna analoga a quella di Popov, perfezionò anche l'apparato trasmittente di questi, per cui nell'aprile del 1895 realizzò la prima radiocomunicazione al di là di un ostacolo, raggiungendo la distanza di 1050 m. Sempre Marconi depositò il 2 giugno 1896 a Londra il suo primo brevetto per un sistema pratico di telegrafia senza fili mediante onde elettromagnetiche; nel dicembre del 1901 realizzò la prima radiocomunicazione attraverso l'Atlantico fra Podhu in Cornovaglia e Saint John's in Terranova. La realizzazione del primo tubo termoelettronico, da parte di De Forest, rese possibile modulare le oscillazioni di alta frequenza mediante i suoni della parola e non solo tramite i segnali dell'alfabeto Morse, dando così origine alla radiofonia. Le radiocomunicazioni trovarono immediato impiego nel campo della radioassistenza alla navigazione e poi (1904), durante la guerra tra Russia e Giappone, per comunicazioni fra navi da guerra. Dopo che nel gennaio del 1908 l'impiego delle radiocomunicazioni permise di salvare i passeggeri del piroscafo inglese Republic, in varie nazioni il servizio radiotelegrafico fu reso obbligatorio a bordo delle navi maggiori adibite a trasporto di passeggeri. Nel 1909 in USA e nel 1914 in Europa iniziarono i primi esperimenti di radiodiffusione: i primi programmi regolari furono quelli trasmessi nel 1920 in Gran Bretagna e negli USA. In Italia l'URI (Unione Radio Italiana), poi divenuta EIAR (Ente Italiano Audizioni Radiofoniche), iniziò a trasmettere notiziari e programmi musicali nel 1924. Inizialmente le radiocomunicazioni avvenivano tutte su lunghezze d'onda superiori ai 200 m mentre le lunghezze d'onda inferiori (160-80 m), ritenute allora di minima importanza, venivano assegnate ai radioamatori. Le grandi distanze coperte da questi ultimi con apparati di piccola potenza portarono alla scoperta della ionosfera e della riflessione da parte di essa delle radioonde; si arrivò così all'impiego delle onde medie e lunghe prevalentemente in campo nazionale e delle onde corte in quello internazionale. Divennero quindi indispensabili delle periodiche conferenze internazionali sulle radiocomunicazioni, allo scopo di stabilire, con l'emanazione di apposite leggi internazionali, una classificazione delle bande di frequenza e gli accordi base per il loro impiego. Prevalse il criterio di richiedere a ogni ministero delle Poste e Telecomunicazioni nazionale l'emanazione dei regolamenti di applicazione delle leggi internazionali sulle radiocomunicazioni. Le frequenze di lavoro relative ai vari servizi radio vengono scelte in pratica nell'ambito dei vari intervalli di frequenza o bande, definite internazionalmente, in modo da evitare per quanto possibile interferenze o intralcio nell'espletamento dei servizi. Solo le autorità nazionali sono abilitate al rilascio di “concessioni per uso pubblico” o di “licenze per uso privato” per i “servizi radioelettrici” a persone o enti pubblici o privati. L'adozione dei transistori e dei circuiti integrati ha poi consentito la miniaturizzazione e, per conseguenza, la portatilità e la grande diffusione dei radioapparati, in particolare dei ricetrasmettitori per servizio in radiomobile spesso con l'assistenza di ponti radio ripetitori. Si è così arrivati alla saturazione delle frequenze disponibili anche nelle bande VHF e UHF. L'aumento del traffico radio è stato di tale entità da portare di necessità all'adozione di ripetitori spaziali “geostazionari” o “sincroni”, rotanti cioè con la stessa velocità angolare della Terra a 3600 km di altezza sopra l'area da servire. All'inizio del programma di telecomunicazioni spaziali si è utilizzata la banda dei 2-4 GHz, in quanto poco ostacolata dalle perturbazioni atmosferiche, ma i progressi tecnici e le sperimentazioni (attuate anche con l'impiego del satellite italiano Sirio) hanno consentito l'impiego della banda dei 12 GHz sulla quale è previsto, tra l'altro, il programma di telecomunicazioni spaziali europee (vedi radiodiffusione), organizzato dall'ente spaziale europeo ESA.
Tecnica: la stazione trasmittente
L'irradiazione delle onde elettromagnetiche si attua nei trasmettitori, che, a seconda dei casi, possono essere grandi stazioni trasmittenti o apparecchiature di dimensioni limitate. Elemento essenziale della stazione trasmittente è l'antenna, che attua l'invio di energia elettromagnetica nello spazio circostante. Per fare ciò l'antenna deve avere forma e struttura appropriate (di norma è costituita da elementi metallici opportunamente disposti) e deve essere percorsa da correnti elettriche a radiofrequenza (si usa questo termine perché la frequenza delle correnti che percorrono l'antenna è la stessa delle onde radio che saranno irradiate). Nel trasmettitore sono presenti opportuni apparati elettronici che provvedono a generare le correnti a radiofrequenza e a fornire la potenza elettrica necessaria alla trasmissione. Dall'entità delle potenza generata e irradiata dipendono le caratteristiche del trasmettitore (dimensioni, potenza di alimentazione, tipo di componenti utilizzati, ecc.) e la portata della stazione trasmittente (cioè distanza massima a cui può pervenire la radiocomunicazione). Si va da trasmettitori in ambito locale di bassa potenza (qualche watt o frazione di watt, per distanze di qualche chilometro, come nel caso dei trasmettitori di telefoni cellulari) a quelli di grande e grandissima potenza (qualche decina di chilowatt o più, per distanze intercontinentali o per trasmissioni verso lo spazio, come nel caso di collegamenti radio in onda corta o di trasmissioni via satellite). Spesso l'operazione di emettere energia in antenna per generare l'onda elettromagnetica viene indicata con l'espressione di "trasmettere via etere" o "inviare il segnale nell'etere": si tratta di un'espressione convenzionale che indica con il nome di etere il mezzo in cui si propagano le onde elettromagnetiche; in realtà, come fu dimostrato alla fine del sec. XIX, l'etere in questo senso non esiste, potendosi le onde elettromagnetiche (come la luce) propagare in vario modo nel vuoto, nell'aria, o in altri mezzi materiali, senza necessità di alcun ulteriore supporto.
Tecnica: le onde elettromagnetiche
L'onda elettromagnetica viene irradiata per inviare a distanza delle informazioni, costituite da segnali elettrici operanti in una certa banda di frequenza. Accade tuttavia che le frequenze proprie del segnale di informazione non coincidono con le frequenze che possono essere inviate efficientemente in antenna e irradiate; per esempio, in una trasmissione radiofonica in onde corte, le frequenze del segnale fonico vanno da pochi Hz fino a circa 10 kHz, mentre la radiofrequenza irradiata è intorno ai 10 MHz: perché la trasmissione sia possibile, infatti, la massima frequenza del segnale di informazione deve essere molto minore della radiofrequenza irradiata. Si definisce "onda portante" il segnale a radiofrequenza irradiato in assenza di segnale di informazione. Per adattare il segnale di informazione alla radiofrequenza irradiata, si utilizza le tecnica della modulazione, che consiste nell'alterare alcuni parametri relativi all'onda portante per mezzo del segnale utile. I parametri utilizzabili a questo scopo sono l'ampiezza, la frequenza e la fase dell'onda portante, da cui nascono i rispettivi sistemi di modulazione (di ampiezza, di frequenza, di fase). L'onda elettromagnetica generata dall'antenna si propaga nelle spazio circostante attenuandosi al crescere della distanza percorsa. Se l'antenna trasmittente è di tipo onmidirezionale, capace cioè di irradiare nello stesso modo in tutte le direzioni, l'onda elettromagnetica si propaga per onde sferiche: in questo caso, la potenza irradiata in una certa direzione decresce con il quadrato della distanza percorsa. Se, invece, come di solito accade, l'antenna è direttiva, e cioè irradia prevalentemente in una certa direzione, l'energia ottenibile a distanza è maggiore e si attenua in modo meno rilevante; al limite, se l'onda fosse perfettamente focalizzata, la propagazione avverrebbe per onde piane e senza più attenuazione. Maggiori focalizzazioni si possono ottenere nel campo delle microonde con antenne a paraboloide.
Tecnica: la stazione ricevente
La stazione ricevente ha la funzione di captare l'onda elettromagnetica, al fine di ottenere la corrente a radiofrequenza corrispondente all'onda portante modulata. Con un procedimento di demodulazione, effettuato da un apposito circuito elettronico, è poi possibile ottenere una copia il più possibile fedele del segnale d'informazione, rendendo quindi fruibile il messaggio originale. La potenza captata dall'antenna ricevente è molto piccola (in genere la tensione indotta sul filo di antenna è dell'ordine del microvolt). Risulta pertanto necessario utilizzare vari stadi di amplificazione, sia a radiofrequenza sia sul segnale utile. A volte la demodulazione non procede direttamente dalla radiofrequenza alla bassa frequenza del segnale utile, ma fra di essi è presente un segnale a frequenza intermedia (detto segnale di media frequenza), utile per agevolare i processi di demodulazione e amplificazione. Fin dall'inizio delle radiocomunicazioni fu osservato che era possibile effettuare più trasmissioni radio contemporanee e che quindi un radioricevitore poteva accedere selettivamente a più radiotrasmissioni emesse da differenti trasmettitori. Questa proprietà ha permesso lo sviluppo ampio e differenziato delle trasmissioni via radio. La discriminazione fra le varie trasmissioni, tutte contemporaneamente presenti in antenna, è detta sintonia e si effettua operando una scelta sulle onde portanti di differente frequenza. Ogni radiotrasmissione opera pertanto su una portante propria, differente da tutte le portanti degli altri trasmettitori. Il radioricevitore opera in modo da essere sensibile solo alla portante desiderata, attenuando in modo sensibile tutte le altre portanti. La capacità di effettuare in modo efficiente tale operazione è detta selettività del ricevitore. Allo stato attuale della tecnica, a ogni antenna ricevente arrivano migliaia di radiocomunicazioni, con onde portanti che vanno dalle onde lunghe (frequenze anche inferiori ai 100 kHz) fino alle microonde (frequenze di vari GHz).
Tecnica: sistemi e applicazioni della radiocomunicazione
Le prime trasmissioni radio sono avvenute per inviare segnali telegrafici, sviluppando in tal modo la radiotelegrafia. Questa tecnica è particolarmente semplice tenuto conto che i messaggi telegrafici sono costituiti da impulsi di ampiezza costante e durata variabile in modo molto limitato. Pertanto la modulazione utilizzata corrisponde semplicemente ad attivare o disattivare la portante sulla base del ritmo del segnale telegrafico (modulazione di ampiezza). Un'altra possibilità consiste nello spostare (di poco) la frequenza della portante sempre sulla base del ritmo del segnale telegrafico (modulazione di frequenza). In ricezione un rivelatore sintonizzato permette di ricevere e riprodurre il messaggio trasmesso. Successivamente sono stati messi a punti i sistemi radiofonici che hanno consentito di trasmettere a distanza comunicazioni vocali o musica. Sono stati messi a punto due tipi di sistemi: a) radiocollegamenti punto-punto, corrispondenti a canali di comunicazione fra coppie di operatori; b) radiocollegamenti circolari (o in radiodiffusione), in cui un unico radiotrasmettitore invia segnali a un vasto insieme di ascoltatori presenti in una certa area di territorio. Nel primo caso le antenne trasmittenti sono di norma direttive e i radiocollegamenti possono avvenire in entrambi i sensi (con modalità simplex, e cioè una direzione per volta, o duplex, e cioè in contemporanea). Nel secondo caso le antenne trasmittenti sono omnidirezionali o parzialmente direttive a seconda che la zona di territorio da illuminare sia in un territorio prevalentemente pianeggiante ovvero montagnoso. Le frequenze portanti per le trasmissioni in radiodiffusione sono state dapprima allocate nelle tre gamme di frequenza delle onde lunghe, delle onde medie e delle onde corte, utilizzando la modulazione di ampiezza (AM). Le varie gamme presentano caratteristiche differenti in relazione all'area di copertura, al tipo di servizio e alla distanza raggiungibile. Le onde lunghe sono adatte a trasmissioni anche a media distanza sfruttando la propagazione per onda superficiale (legata, per esempio, alla superficie del mare), ma hanno il difetto di poter allocare nella gamma solo poche onde portanti radiofoniche. Le onde medie sono usate per radiodiffusione in ambito locale e hanno rappresentato il mezzo più usato e più comune per le trasmissioni dei canali radio nazionali fino agli anni Sessanta del sec. XX. Le onde corte (dette anche onde decametriche) sono state intensamente utilizzate per trasmissioni a grandissima distanza, potendo utilizzare la cosiddetta trasmissione ionosferica (che consiste in successive rifrazioni che incurvano verso il basso parte delle radioonde irradiate da parte di strati ionizzati dell'atmosfera terrestre). In tal modo è stato possibile effettuare radiotrasmissioni intercontinentali, con un numero molto alto di trasmissioni contemporanee, essendo le portanti in onde corte allocate molto vicine le une alle altre. Trasmissioni in AM su portanti in onde lunghe, medie o corte sono tuttora attive e presentano i loro specifici campi di interesse. Successivamente sono state introdotte in radiofonia le trasmissioni in onde ultracorte od onde metriche (intorno ai 100 MHz) con modulazione di frequenza (FM). Tale tipo di tecnica è migliore rispetto alla precedente riguardo la fedeltà del segnale e la stabilità del collegamento. Infatti, in AM è sempre presente rumore di trasmissione e, nei collegamenti ionosferici in onde corte, sono presenti fastidiosi fenomeni di fading o addirittura perdita del segnale in certe ore della giornata. Tuttavia, nelle onde ultracorte la riflessione ionosferica non ha più effetto (questa è attiva fino a una certa frequenza detta MUF, massima frequenza utilizzabile), e pertanto le radiocomunicazioni sono possibili solo in condizioni di quasi visibilità diretta fra trasmettitore e ricevitore (il "quasi" si riferisce a particolari condizioni di diffrazione che ampliano un poco l'ambito della ricezione utile). Pertanto le radiodiffusioni in FM sono possibili solo in una zona immediatamente circostante al ricevitore. Il sistema in FM si è molto sviluppato, per cui i radioricevitori commerciali sono tutti predisposti per tale sistema, mentre solo pochi sono quelli sintonizzabili su stazioni in AM, e solo quelli professionali dispongono della ricezione nelle gamme delle onde lunghe e delle onde corte. I radiocollegamenti vengono utilizzati in molteplici applicazioni, che vanno dalla televisione alla telefonia cellulare, a quella satellitare, ai sistemi di radiomisura e radiocontrollo; risultano inoltre essenziali nei sistemi di radioassistenza e di controllo del traffico aereo e navale. I principali servizi che si avvalgono delle radiocomunicazioni sono: smistamento del traffico commerciale via ponte radio su onde metriche e decimetriche oppure su onda corta via ionosfera o anche microonde tramite i satelliti artificiali per telecomunicazioni; diffusione circolare di programmi radiofonici o di informazione per la navigazione (per esempio bollettino meteo o trasmissione dati per riproduzione di carte meteo in facsimile) trasmessi nelle bande delle onde lunghe, medie, corte e metriche; radioassistenza alla navigazione aerea e navale realizzata prevalentemente su onde lunghe, corte, metriche e microonde; servizi di pubblica utilità, specie nell'ambito delle comunità urbane e suburbane, prevalentemente realizzate mediante ripetitori su onde metriche e decimetriche particolarmente adatti per l'espletamento del servizio su mezzi mobili; teleoperazioni (telecomandi, telemisure, telecontrolli, ecc.) prevalentemente per l'industria e per la ricerca scientifica, ambito nel quale operano satelliti artificiali per la navigazione;impieghi militari generalmente espletati sulle bande delle microonde; traffico dei radioamatori.