La fisica delle telecomunicazioni - Localizzatori ... · Introduzione Con la parola...

La fisica delle telecomunicazioni

Indice

1 Onde elettromagnetiche 3

1.1 Scoperta delle onde e.m. . . . . 4

1.2 Onde e.m. e radiazione . . . . . 4

1.3 Spettro elettromagnetico . . . . 5

1.4 Riflessione e rifrazione . . . . . . 6

2 Onde radio 7

2.1 Propagazione . . . . . . . . . . . 7

2.2 Degradazione dei segnali . . . . 8

2.3 Attenuazione e assorbimento . . 8

3 Trasmissione di informazioni 9

3.1 Modulazione di un segnale . . . 9

3.1.1 Trasmissioni Radio AM eFM . . . . . . . . . . . . 9

3.2 Le bande di frequenza . . . . . . 10

3.3 La larghezza di banda . . . . . . 12

3.3.1 La larghezza minima dibanda . . . . . . . . . . . 13

4 Le onde corte e la ionosfera 13

4.1 Struttura della ionosfera . . . . 13

4.2 Qualche curiosita . . . . . . . . 15

5 Microonde 15

6 Satelliti per comunicazione 16

7 Antenne e parabole 17

8 Le fibre ottiche 18

Introduzione

Con la parola telecomunicazione oggigiorno siintende la trasmissione a distanza di infor-mazioni di vario tipo: voce umana, suoni,immagini, messaggi, segnalazioni, dati daelaborare al computer.

Telecomunicazione significa comunicazione adistanza (il prefisso -tele deriva dal greco esignifica da lontano)

Si possono trasmettere dati a distanza usandosvariate tecniche. I dispositivi piu comuni sono:

Cavi elettrici Onde radio Satelliti Fibre ottiche

Il metodo usato dipende dal tipo di informazioneche si vuole trasmettere (voce umana, musicaad alta fedelta, immagini in movimento ecc),dai costi (costo del lancio di un satellite, adesempio) e da considerazioni varie di logistica,fattibilita e cosı via.

Trasmissioni via cavo Per trasmissione via ca-vo si intende la trasmissione di segnali elettriciattraverso fili elettrici o cavi di vario genere (cavicoassiali, cavi sotterranei, cavi sottomarini).

Queste linee vengono usate per il telefono (cioeUn dossier di Laura Lauro Taroni,aggiornato al 10.03.2004

http://www.torinoscienza.it/c© 2002 Provincia di Torino

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per trasmettere nella gamma di frequenze dellavoce umana), il telegrafo, e in generale per datia bassa velocita di trasmissione.

Trasmissioni via radio Nelle trasmissioni ra-dio i segnali elettrici vengono trasmessi attraver-so l’aria o lo spazio sotto forma di onde radio inbande di frequenze piuttosto strette.

La trasmissione di questo tipo di onde puoavvenire grazie alle proprieta riflettenti dellaionosfera

Trasmissioni via satellite Le trasmissioni viasatellite fanno uso di satelliti artificiali, di solitoin orbite geostazionarie, che assicurano il col-legamento tra punti anche molto distanti traloro sulla superficie terrestre.

Trasmissioni per mezzo di fibre otticheNegli ultimi decenni lo sviluppo di materialiultra-puri con coefficienti di assorbimento es-tremamente bassi ha lanciato l’uso delle fibreottiche anche nel campo delle telecomunicazioni.

Le fibre ottiche presentano molti vantaggirispetto ai sistemi via cavo tradizionali: costibassi, estrema flessibilita, attenuazione minima,ottima larghezza di banda.

Infine le comunicazioni via fibra ottica han-no un enorme vantaggio su altri sistemi ditelecomunicazione: sono immuni da interferenze

Un dossier di Laura Lauro Taroni,aggiornato al 10.03.2004





1 Onde elettromagnetiche

Un’onda elettromagnetica monocromatica (cioecon una ben definita frequenza e lunghezza d’on-da) e costituita da un campo elettrico (de-notato di solito dalla lettera E) e un cam-po magnetico (denotato dalla lettera B) mu-tuamente perpendicolari che oscillano in fasefra loro perpendicolarmente alla direzione dipropagazione.

Quindi un’onda elettromagnetica consiste in re-alta di due componenti accoppiate: una elettri-ca e una magnetica. Un’onda di questo tipo edetta onda polarizzata piana, e il piano dipolarizzazione e il piano in cui oscilla il campoelettrico.

In termini energetici, si puo pensare l’onda elet-tromagnetica come un flusso di energia, che nelvuoto si propaga alla velocita della luce, sottoforma di campi elettrici e magnetici. Ciascu-na delle due componenti dell’onda elettromag-netica, elettrica e magnetica, trasporta la stessaquantita di energia.

Caratteristiche delle onde elettromag-netiche

Le onde elettromagnetiche si propagano in linearetta (in mezzi omogenei). Vediamo ora in mag-gior dettaglio la velocita delle onde elettromag-netiche, la lunghezza d’onda, la frequenza,l’ampiezza e l’intensita.

Velocita delle onde elettromagnetiche nelvuoto La velocita delle onde elettromagnetichenel vuoto e una quantita molto importante infisica ed essa e denotata con un simbolo speciale:c , il cui valore numerico e appunto pari a circa300 000 km/s, cioe 3 A· 108 m/s, in notazionescientifica. Per essere proprio precisi, la velocitadella luce e pari a 299 792 458 metri al secondo.

Velocita delle onde elettromagnetiche in

mezzi materiali non conduttori La velocitadelle onde elettromagnetiche in un mezzo omo-geneo non conduttore e non ferromagnetico eminore di quella nel vuoto: cm = c/n , dove ne il cosiddetto indice di rifrazione.

Maggiore e l’indice di rifrazione, minore e lavelocita di propagazione.

L’indice di rifrazione, di norma di valore supe-riore a 1, dipende dalle proprieta del mezzo,ma puo assumere valori diversi al variare dellafrequenza dell’onda.

Un’applicazione che sfrutta gli effetti del diversoindice di rifrazione in sostanze diverse si ha nellefibre ottiche.

Lunghezza d’onda Per lunghezza d’onda siintende la distanza spaziale occupata da un ciclodi un’onda ad un dato istante. In altre parolee la distanza fra un punto in un ciclo e il puntocorrispondente nel ciclo successivo.

Le lunghezze d’onda delle onde radio vannodal millimetro (microonde) a parecchi chilometri(ELF). La lunghezza d’onda di solito si denotacon la lettera greca I� (lambda) e si misura inmetri.

Frequenza Il numero di lunghezze d’onda o dicicli che passa per un dato punto nell’unita ditempo e la frequenza. La frequenza si denotacon la lettera f oppure con la lettera greca I1

2(nu) e si misura in hertz (Hz).

E chiaro da quanto e stato detto sopra che lafrequenza e la lunghezza d’onda non sono in-dipendenti, ma sono legate tra loro attraversola velocita dell’onda: I�f = c nel vuoto e I�f =cm nei mezzi materiali.

Quindi: A· a frequenze maggiori corrispondonolunghezze d’onda minori. A· a frequenza fissa,la lunghezza d’onda varia passando da un mezzoa un altro con indice di rifrazione diverso.

Ampiezza Abbiamo visto che le onde elet-Un dossier di Laura Lauro Taroni,aggiornato al 10.03.2004





tromagnetiche sono costituite da un cam-po elettrico e un campo magnetico mutu-amente perpendicolari che oscillano in fasefra loro perpendicolarmente alla direzione dipropagazione.

Per ampiezza si intende il valore massimo cheviene raggiunto dall’oscillazione. Per esempio,nel caso di un’onda marina l’ampiezza e l’altezzamassima dell’onda.

In un’onda elettromagnetica le ampiezze dei duecampi (quello elettrico e quello magnetico) nonsono indipendenti, ma sono legate fra loro: inquesto senso i due campi sono accoppiati.

Intensita L’intensita di un’onda elettromagnet-ica e l’energia che passa attraverso un’area uni-taria nell’unita di tempo e si misura in watt/m2:e cioe l’energia che attraversa in ogni secondouna superficie di un metro quadrato.

Si puo dimostrare che l’intensita e proporzionaleal prodotto delle ampiezze del campo elettricoe del campo magnetico; e siccome questi ulti-mi due sono proporzionali tra loro, in ultimaanalisi l’intensita e proporzionale al quadratodell’ampiezza del campo elettrico.

1.1 Scoperta delle onde e.m.

Fino alla fine del diciannovesimo secolo le ondeeletromagnetiche erano sconosciute e si pensa-va che la luce fosse costituita da onde elasticheche si propagavano in un mezzo con propri-eta estremamente esotiche, chiamato etere, chepermeava completamente lo spazio.

Poi vennero il fisico scozzese James ClerkMaxwell (1831-1879) che predisse l’esistenzadelle onde elettromagnetiche e il fisico tedescoHeinrich Hertz (1857-1894) che, per mez-zo di esperimenti di interferenza che davanoluogo a onde stazionarie, verifico sperimen-talmente al di la di ogni dubbio l’esisten-za di onde elettromagnetiche nel range delleradiofrequenze.

La velocita delle radio onde nel vuoto fu misura-ta e trovata uguale a quella della luce. Anchele proprieta di riflessione, rifrazione e polariz-zazione di queste radio onde erano analoghe a

quelle della luce.

Conclusione: la luce e costituita danient’altro che onde elettromagnetiche.

1.2 Onde e.m. e radiazione

Onde elettromagnetiche o Radiazionielettromagnetiche?

Sono la stessa cosa. La parola onde sottolineal’aspetto ondulatorio, la parola radiazione in-vece l’aspetto energetico, essendo la radiazionel’energia trasportata dall’onda.

In termini classici, le onde elettromagnetichesono costituite da onde di campi elettrici elet-trici e magnetici che propagandosi trasportanoenergia.

In termini quantistici, la radiazione elettromag-netica e il flusso di fotoni (cioe i ’quanti’ di luce)attraverso lo spazio. I fotoni sono pacchetti dienergia che si muovono alla velocita della luce .

I due concetti sono legati attraverso la formulaE = h f , che indica che E, l’energia di un quantoo fotone, e f, la frequenza dell’onda, sono pro-porzionali e la costante di proporzionalita e h,la cosiddetta costante di Planck.

In altre parole, onde a frequenze piu alte sonopiu energetiche (a parita di intensita).

L’energia elettromagnetica proviene in ultimaanalisi dal Sole. La vita sulla Terra si fondasulla trasformazione di questa energia per mez-zo della fotosintesi nelle piante o della biosintesinegli animali.

Gli occhi di molti animali, incluso l’uomo, sisono evoluti in modo tale da essere particolar-mente sensibili alla luce, che e una parte dellospettro elettromagnetico.

Praticamente tutti i combustibili essenziali al-la societa moderna (gas, petrolio, carbone) con-tengono l’energia ricevuta dal Sole milioni dianni fa. L’enegia nucleare e l’unica forma dienergia non originata dal Sole.

Le radiazioni elettromagnetiche generate dal-l’uomo oggigiorno si incontrano dappertutto:la televisione riceve onde elettromagnetiche






generate dalle stazioni trasmittenti, telefoniniricevono onde radio, i forni a microonde scal-dano i cibi, gli aeroplani sono guidati da onderadar, le lampadine da illuminazione generanoonde luminose, e cosı via.

Non tutte le radiazioni elettromagnetiche sonobenefiche per l’uomo, come sappiamo: le ra-diazioni ultraviolette possono provocare scot-tature e certi tipi di radiazioni ultraviolette sonoaddirittura dannosi alla vita; i raggi X sono us-ati a scopi terapeutici e diagnostici in medicina,ma e bene che le esposizioni a questi raggi sianoridotte.

1.3 Spettro elettromagnetico

Cos’e lo spettro elettromagnetico?

Il famoso esperimento di Newton, in cui la lucepassa attraverso un prisma, provo che la lucedel Sole e in realta composta di una mescolanzadi luce di svariati colori, che sono anche i coloridell’arcobaleno. Newton adotto la parola latinaspectrum per descrivere l’insieme di questi colori(che e quindi lo spettro, l’immagine, della lucebianca).

Quando poi si e scoperto che la luce visibile none che una piccola parte di una piu vasta gam-ma di fenomeni, vale a dire che e un caso par-ticolare di onde elettromagnetiche, il significa-to della parola spettro si e esteso a descriverele diverse bande di frequenza delle radiazionielettromagnetiche.

Le onde elettromagnetiche coprono un vastointervallo di frequenze e lunghezze d’onda evengono suddivise in vari tipi.

Le lunghezze d’onda variano dalle centinaia dikilometri a dimensioni dell’ordine del nucleoatomico (10−13 m, pari a un decimilionesimodi milionesimo di metro). Le corrisponden-ti frequenze variano quindi da qualche kHz aun numero di Hz dell’ordine di 1022 (1 se-guito da 22 zeri). L’energia dei fotoni variaproporzionalmente alla frequenza.

E chiaro che parti diverse dello spettro elet-tromagnetico abbiano proprieta molto diversefra loro. Per esempio, onde i cui fotoni han-no energie dell’ordine dell’energia caratteristicadegli elettroni negli atomi (radiazione infrarossa,visibile e ultravioletta) interagiscono fortementecon atomi e molecole. Onde di grande lunghezzad’onda (onde radio) con fotoni di debole ener-gia in generale interagiscono debolmente con lamateria. Onde altamente energetiche (raggi Xo gamma) la cui lunghezza d’onda e paragonal-bile alle dimensioni nucleari producono effettiprofondi a livello nucleare, appunto.

Ecco una classificazione delle onde elettro-magnetiche, dalle frequenze piu basse verso lepiu alte: Onde Radio Queste onde vengonogenerate da apparecchi elettronici, in generecircuiti oscillanti, e vengono impiegate nelletrasmissioni televisive e radio.

Le onde radio sono divise in bande di frequenze,a seconda dell’uso che ne viene fatto nei sistemidi telecomunicazione.

Microonde Anche queste onde sono generateda apparecchiature elettroniche e vengono utiliz-zate ad esempio nei radar, nei sistemi di comu-nicazione via satellite, per riscaldare cibi (comenel forno a microonde).

Infrarosso Queste onde sono prodotte damolecole e corpi caldi. Con apparecchiature sen-sibili ai raggi infrarossi e possibile ’vedere’ al buipersone e animali a sangue caldo. Le onde in-frarosse sono usate parecchio nell’industria, inmedicina, in astronomia...

Luce visibile La luce visibile e una bandamolto stretta di lunghezze d’onda (dal violettoal rosso) alle quali il nostro occhio e sensibile.

La luce e prodotta da atomi e molecolecome conseguenza di aggiustamenti interni degli






elettroni.

Ultravioletto Le lunghezze d’onda diventanosempre piu piccole, le frequenze sempre maggiorie i fotoni sempre piu energetici.

Queste onde sono prodotte da atomi e molecolesottoposti a scariche elettriche. Il Sole generaintensi raggi ultravioletti. Questi interagisconocon gli atomi degli strati alti dell’atmosfera chevengono cosı ionizzati: questa parte dell’atmos-fera si chiama ionosfera. Tuttavia, una piccolapercentuale di radiazione ultravioletta penetrafino alla superficie della Terra: e quella che cida la tintarella quando ci esponiamo al sole.

La radiazione ultravioletta ionizza gli atomi eproduce a livello di certi microorganismi dellereazioni chimiche tali da distruggerli. Per questole radiazioni ultravioliette trovano applicazionein medicina e in certi processi di sterilizzazione.

Raggi X Questa parte dello spettro elettromag-netico fu scoperta nel 1895 dal fisico tedesco W.Roentgen mentre studiava i raggi catodici.

I raggi X sono causati dagli elettroni piu internidegli atomi. A causa della potenza dei fotoni, iraggi X producono effetti profondi negli atomi emolecole da loro attraversati.

I raggi X sono usati in medicina: infatti il mag-gior assorbimento da parte delle ossa rispettoai tessuti molli permette di radiografare, cioe’vedere’, le ossa.

Ma, come conseguenza dei processi chimici cheinducono, i raggi X causano danni alle celluledei tessuti. Poiche distruggono le cellule malatepiu efficacemente delle cellule sane, i raggi Xsono usati in medicina nella cura di certi tipi dicancro.

Va ricordato pero che i raggi X, in qualunquequantita, distruggono comunque anche dei tes-suti sani: una lunga esposizione a dosaggi elevatipuo provocare anche la morte.

Raggi gamma(I3)Questeondeelettromagneticheestremamenteenergetichesonodioriginenucleare.L′energiadeifotoniedilivellitalidaprodurreeffettialivellonucleareIraggigammasonoquelliprodottidasostanzeradioattive.

Se vengono assorbiti da organismi viven-ti possono provocare danni estremamenteseri. Per questo la manipolazione disostanze radioattive richiede sempre l’uso

di apposite tute protettive.

I raggi gamma sono presenti anche nellaradiazione cosmica e per questo sono usatinella ricerca astronomica.

1.4 Riflessione e rifrazione

Quando un raggio di luce incide sulla su-perficie di separazione fra due materialidifferenti (ad esempio aria-acqua, oppurearia-vetro), si generano un raggio riflesso,che torna indietro, e un raggio rifrattoo trasmesso che si propaga nel secondomezzo.

Tutti i tipi di onde, non solo quelle elet-tromagnetiche, presentano lo stesso tipodi comportamento.

Proprieta della riflessione e rifrazione. A·Il raggio incidente, quello riflesso, quellorifratto e la normale (perpendicolare) allasuperficie di separazione tra i due mezzigiacciono tutti nello stesso piano

Inoltre gli angoli rispetto alla perpendi-colare alla superficie dei raggi incidente,riflesso e rifratto sono legati fra loro.

A· L’angolo di riflessione e uguale a quellodi incidenza (i = r).

A· Il rapporto tra l’angolo di rifrazione equello di incidenza e un po’ piu complica-to: segue la cosiddetta legge di Snell, chefa entrare in gioco gli indici di rifrazionedei due mezzi: n1 sin i = n2 sin r.

Riflessione interna totale e angolo limite






Nel caso in cui il materiale in cui viaggiail raggio incidente ha l’indice di rifrazionemaggiore, il raggio rifratto si allontanadalla perpendicolare. All’aumentare del-l’angolo di incidenza, aumenta l’angolo dirifrazione, finche per un certo valore del-l’angolo di incidenza l’angolo rifratto epari a 90◦, cioe il raggio rifratto non pen-etra affatto nel secondo mezzo. Questasituazione vene detta riflessione totale el’angolo per cui questo fenomeno avvienee l’angolo limite.

2 Onde radio

Le onde radio sono quelle onde elettro-magnetiche impiegate nelle comunicazionisenza fili: vengono usate per la trasmis-sione della voce umana, e suoni in gen-erale, e per la navigazione marina eaerea.

Le onde radio costituiscono una partedell’intero spettro elettromagnetico.

Il range di frequenze delle onde radio si es-tende dalle frequenze estremamente bassedi pochi Hz fino alle frequenze estrema-mente elevate di 300 GHz (GigaHertz,cioe milioni di hertz). L’intero rangeviene suddiviso in bande di frequenza, inbase all’utilizzo a cui le varie frequenzesono o possono essere adibite.

Le onde radio sono utilizzate in medicinain combinazione con forti campi magneti-ci per la risonanza magnetica: con ques-ta tecnica si possono ’fotografare’ a scopodiagnostico parti del corpo umano senzaapparenti effetti negativi.

2.1 Propagazione

Tutte le onde elettromagnetiche, e quindianche quelle radio, si propagano in linearetta.

Basandosi su questa considerazione, gliscienziati della fine del XIX secolo eranomolto scettici sull’utilita degli esperimen-ti con onde radio di Guglielmo Marconi,in quanto la curvatura della Terra poneun limite, pari a circa 30 km, alla distan-za che puo essere percorsa in linea retta(cioe lungo la visuale) dalla sommita diuna torre alta 100m.

La trasmissione, coronata da successo, at-traverso l’Atlantico di segnali radio daparte di Marconi del 1901, obbligo gliscienziati a riconsiderare la propagazionedelle onde radio nell’atmosfera terrestre eporto alla scoperta della ionosfera.

E vero infatti che nel vuoto le onde sipropagano in linea retta, ma il problemadiventa un po’ piu complicato quando sitiene conto della presenza dell’atmosferaterrestre e le sue interazioni con le onderadio.






E grazie alle proprieta riflettenti deglistrati della ionosfera, situati fra 50 e 300km di altezza dal suolo, che e possibilela trasmissione delle onde corte SW, al-trimenti dette onde radio HF (ad altafrequenza), fra 3 e 30 MHz.

Ne segue anche, pero, che le onde corte,poiche vengono riflesse dalla ionosfera,non possono essere utilizzate per le co-municazioni spaziali; in questo caso e nec-essario usare onde radio di frequenza su-periore, nella banda di frequenze VHF(very high frequency) o UHF (ultra highfrequency).

Propagazione delle onde radio nell’atmos-fera Si possono classificare tre meccan-ismi con cui l’energia delle onde elet-tromagnetiche, in particolare quelle ra-dio, si propaga dall’antenna trasmittentea quella ricevente.

1) Onda diretta: Nello spazio libero daostacoli le radioonde si propagano in lin-ea retta lungo la visuale, cioe secondo lacongiungente delle due antenne.

2) Onda riflessa: due tipi a) Onda ter-restre: E l’onda che si riflette sulla super-ficie del suolo b) Onda spaziale: E l’ondache viene riflessa dalla ionosfera

3) Onda superficiale: sulla superficie delsuolo, sulla quale si riflette l’onda ter-restre, “striscia” l’onda superficiale. Ciopuo avvenire grazie al fenomeno delladiffrazione, per cui quando l’onda incon-tra un oggetto di dimensioni dell’ordine digrandezza della sua lunghezza d’onda, es-sa tende a seguire il contorno dell’oggetto.L’effetto e tanto piu pronunciato quan-

to piu piccolo e l’oggetto. Grazie alladiffrazione le onde si propagano nelle cittaattorno agli edifici. L’onda superficialeviene piu o meno attenuata a seconda deltipo di superficie sulla quale si propaga.Sul mare l’attenuazione e molto bassa,mentre su terreno roccioso l’attenuazionee molto forte.

2.2 Degradazione dei segnali

Le cause della degradazione dei seg-nali radio durante la propagazione sonomolteplici.

Il rumore, che puo completamentemascherare (mask) l’informazione con-tenuta nel segnale, e la distorsione delsegnale, che lo puo rendere irriconosci-bile, sono due fattori in generale pre-senti in qualunque mezzo di telecomuni-cazione e generano problemi a livello diricezione del segnale. In base alla veloc-ita di acquisizione dell’informazione, al-la qualita e alla fedelta desiderata dellaricezione e al tipo di telecomunicazione(ad esempio, se in tempo reale o no),sono state messe a punto tecniche perminimizzare questi problemi (es. conver-sione analogica-digitale, modulazione difrequenza e vari sistemi di codificazione).

Un metodo per migliorare la ricezione(cioe migliorare il rapporto seg-nale/rumore) e quello di aumentarela potenza del trasmettitore.

Tuttavia, anche in questo caso, rimane ilproblema dell’attenuazione, o riduzione inpotenza, del segnale.

2.3 Attenuazione e assorbimento

L’attenuazione di un segnale e lariduzione in potenza del segnale du-rante la sua propagazione (nell’aria, nelcavo, nel filo elettrico o nella fibra ottica).

La principale causa di attenuazione e laconversione di parte dell’energia elettro-






magnetica in qualche altra forma di ener-gia, quale il calore. Questa energia vieneassorbita dal mezzo entro cui l’onda sipropaga.

Nelle telecomunicazioni, di solito l’attenu-azione si esprime in decibel (dB) per unitadi distanza. Un’attenuazione di zero deci-bel significa che il segnale non subisceperdite; un’attenuazione di 3 dB/km sig-nifica che sulla distanza di un chilometroil segnale si riduce di un fattore 2, ovverosi dimezza.

Ad esempio, l’attenuazione tipica delvetro e dell’ordine dei 1000 dB/km, chee un valore molto alto. Questo fatto haimpedito l’applicazione pratica delle fibreottiche per svariati decenni dopo la loroinvenzione. Con lo sviluppo di materialiultra puri con coefficienti di attenuazionedell’ordine di 1 dB/km le fibre ottichesono diventate una realta e hanno potutoessere impiegate per le telecomunicazioni.

3 Trasmissione di informazioni

Non si puo inviare un messaggio medi-ante un’onda di un’unica frequenza: unatale onda procede indefinitamente sem-pre uguale a se stessa, cioe ogni ciclo eidentico al precedente. Una tale ondanon trasporta alcuna informazione al dila della sua frequenza.

Se si vuole inviare un messaggio, cioetrasmettere informazione, occorre mod-ulare l’onda, cioe cambiare qualcosain modo tale che questo qualcosa poipossa essere decodificato al suo arrivoall’apparecchio ricevente.

3.1 Modulazione di un segnale

La modulazione in elettronica e la tecnicaper immettere informazione (nella formadi voce, musica, immagini o dati) su unaradiofrequenza portante. Lo scopo si ot-tiene variando una o piu caratteristiche

dell’onda a seconda dell’informazione chesi vuole trasmettere.

Ci sono varie forme di modulazione, cias-cuna atta ad alterare una particolarecaratteristica, quali l’ampiezza (AM =amplitude modulation = modulazione diampiezza), la frequenza (FM = FrequencyModulation = modulazione di frequenza),la fase (PM = Phase Modulation = mod-ulazione di fase), la sequenza dell’impul-so (PCM = Pulse-Coded Modulation =modulazione d’impulsi a codice), la dura-ta dell’impulso (PDM = Pulse-DurationModulation = modulazione della duratadell’impulso).

Le due forme di modulazione piu notesono la modulazione di ampiezza ( AM )e di frequenza ( FM ).

3.1.1 Trasmissioni Radio AM e FM

AM (Amplitude Modulation) La tecnicadella modulazione di ampiezza permettedi imprimere dell’informazione auditiva ovisiva su un’onda di una particolare fre-quenza, detta portante, carrier in inglese,variando l’ampiezza dell’onda portante inmodo opportuno. L’AM e stato il primometodo usato per trasmettere programmiradio.

Oltre che per le trasmissioni radio com-merciali, l’AM e impiegata nelle trasmis-sioni radio a onde corte su lunghe distanzee nelle trasmissioni della parte video deiprogrammi televisivi.

Le stazioni radio AM commerciali oper-ano a frequenze fra i 535 e i 1605 kHz(entro la banda HF), separate fra loro di10 kHz.

Le frequenze dell’onda portante usate perla televisione vanno da 55 a 210 MHz cir-ca (nella banda VHF, quindi). In questabanda vi e spazio disponibile per circa 30stazioni televisive, ciascuna delle queli usauna larghezza di banda di circa 5 MHz. Sele stazioni fossero molto piu numerose non






sarebbe possibile sintonizzare una singolastazione.

FM (Frequency Modulation) Nelletrasmissioni a modulazione di frequenza(FM) l’ampiezza del segnale portante emantenuita costante, ma la sua frequenzaviene alterata a seconda delle variazioninel segnale audio che si vuole trasmettere.La tecnica della modulazione di frequenzafu sviluppata dall’ingegnere americanoEdwin H. Armstrong negli anni ’30, percercare di rimediare all’interferenza e alrumore che poteva rendere le trasmissioniAM di difficile ricezione.

Le trasmissioni FM risentono molto menodi quelle AM dei disturbi causati da av-verse condizioni atmosferiche (es. i tem-porali), da correnti elettriche e altre sor-genti di campi elettrici, che produconoalterazioni nell’ampiezza dell’onda radio,ma non nella sua frequenza.

L’FM e migliore che non l’AM perla trasmissione stereofonica, per i seg-nali audio televisivi e per i collegamentitelefonici a lunga distanza.

Alle stazioni radio FM commerciali sonostate assegnate frequenze piu alte che nonquelle per l’AM: il range varia da 88 a108 MKz (nella banda VHF), e le stazionisono distanziate di 200 kHz fra loro.

3.2 Le bande di frequenza

Fino al 1930 circa, la parte dello spettrodelle onde radio sopra i 30 MHz era prati-camente vuota: non esistevano segnaliprodotti dall’uomo.

Ai giorni nostri, lo spettro delle fre-quenze radio e estremamente sfruttato eviene per comodita diviso in varie bandedi frequenza dai 3 kHz delle frequenzemolto basse (VLF) fino ai 300 GHz dellefrequenze estremamente alte (EHF).

Le bande di frequenza sono divise in basealle caratteristiche che ne determinanol’impiego in certi settori piuttosto che in

altri.

Vediamo le bande di frequenza e de-scriviamo le caratteristiche delle variebande (ELF, VLF-MF, HF, VHF-UHF,SHF-EHF).

ELF: Extremely low frequency = frequen-ze estremamente basse Frequenze sotto i3 kHz, corrispondenti a lunghezze d’ondasuperiori ai 100 km.

Queste onde sono usate nei sistemi di co-municazione per i sottomarini. L’acquadel mare presenta un assorbimento moltobasso per onde tra i 5 e i 100 Hz.

L’effetto di queste onde sulla saluteumana e sotto esame al momento. Secon-do alcuni studi preliminari le onde ELF ecampi magnetici oscillatori che si genera-no nelle vicinanze delle linee di trasmis-sione elettrica (o anche dalle coperte elet-triche) possono avere effetti negativi sullasalute. Sono stati riportati casi nella let-teratura scientifica medica per cui l’espo-sizione prolungata a campi magnetici dibassa intensita e di bassa frequenza parepotrebbe aumentare il rischio di leucemia,linfoma e tumori al cervello nei bambini.

VLF-LF-MF: Very low frequency, Lowfrequency, Medium frequency = Frequen-ze molto basse, frequenze basse, frequen-ze medie Frequenze dai 3 kHz ai 3 MHz,ovvero lunghezze d’onda da 100 km a 100m.

Queste bande di frequenze sono usateper servizi di tipo analogico a strettalarghezza di banda, impiegati nella nav-igazione radio a lunga distanza, nel tele-grafo marittimo e i canali di soccorso (perl’SOS) e per le trasmissioni radio AM(Amplitude Modulation).

Poiche la larghezza di banda per questefrequenze e insufficiente, non sono adatteper i servizi di telecomunicazioni a bandalarga quali la televisione e le trasmissioniFM (Frequency Modulation).

Come conseguenza dell’alta conduttivitadell’acqua salata, le comunicazioni ra-






dio marittime nella banda VLF possonopropagarsi come onde di superficie permigliaia di chilometri.

La banda MF (medium frequency) e an-che detta MW (medium waves= ondemedie)

HF: High Frequency = frequenze alte Fre-quenze dai 3 MHz ai 30 MHz, ovverolunghezze d’onda da 100 ai 10 m.

La banda HF alternativamente chiamataanche SW (short waves= onde corte).

La maggior parte delle radio onde nellabanda HF sono allocate ai servizi di tele-comunicazione vocale tra punti fissi o mo-bili che necessitano di larghezze di bandadi meno di 12 kHz per la trasmissione. Letrasmissioni internazionali (onde corte)avvengono in questa banda che e statasuddivisa in sette bande tra 5.9 MHz e26.1 MHz.

Queste onde si possono propagare nonos-tante la curvatura della Terra e possonoessere ricevute da apparecchi riceven-ti fuori dalla portata della linea visualediretta con gli apparecchi trasmitten-ti grazie alle proprieta riflettenti dellaionosfera.

A causa delle variazioni delle condizionidella ionosfera, le trasmissioni in ques-ta banda variano durante il giorno e du-rante l’anno. Di notte le comunicazionifra posti lontani sono migliori, in quan-to il solo strato ionosferico riflettente e lostrato piu alto, il cosiddetto strato F sit-uato intorno ai 300 Km di altitudine, colminimo di interferenze e assorbimento deisegnali radio.

Durante i massimi del ciclo undecennaledelle macchie solari, la radiazione ultra-violetta produce una maggiore densita diioni e quindi degli ulteriori strati ioniz-zati irregolari che possono persistere an-che per parecchi giorni. Questi fenomenipossono produrre disturbi nelle comuni-cazioni radio, come anche la possibilita dicomunicazioni di solito impossibili.

VHF-UHF: Very High Frequency, UltraHigh Frequency = frequenze molto alte,frequenze ultra alte Frequenze dai 30MHz ai 3 GHz, ovvero lunghezze d’ondada 10 m ai 10 cm.

Le frequenze di questa banda sono ulte-riormente suddivise in bande il cui usoe stato regolamentato e allocato a variservizi: alle trasmissioni radio FM, aicanali della televisione VHF e UHF. Lamaggior parte della banda UHF e us-ata per i collegamenti a microonde eper la telefonia cellulare. Parte dellabanda e anche usata per applicazioni diradio-navigazione (strumenti automaticidi atterraggio), comunicazioni militari, econtrolli radio per il traffico aereo.

Le frequenze usate dai telefonini sono fra824 e 894 MHz per il sistema analogi-co AMPS e fra 1.850 e 1.990 GHz per ilsistema digitale GSM.

La fascia tra i 1,227 e 1,575 GHze utilizzata per il sistema globale diposizionamento (GPS) Navstar.

Per completezza, anche se esula dal nostroargomento: ai sistemi di allarme e ai sis-temi di apertura telecomandata di portee simili sono state riservate le frequenzeattorno ai 40 MHz.

I radar del controllo del traffico aereo op-erano alle frequenze tra i 960 MHz e i1,215 GHz.

Contrariamente ai segnali HF, le onderadio VHF-UHF attraversano la ionos-






fera senza venire riflesse e possono quin-di venire usate per le trasmissioni ex-traspaziali con i satelliti artificiali. Adesempio, le comunicazioni con la stazionespaziale MIR sono fatte entro la banda difrequenza fra i 145 MHz e i 437 MHz.

Infine le onde di questa banda possonoanche essere usate per trasmissioni ter-restri oltre l’orizzonte utilizzando le irre-golarita della troposfera (la parte bassadell’atmosfera).

Queste irregolarita riflettono le onde intutte le direzioni: i segnali UHF si pro-pagano in molte direzioni e quindi si dis-perdono su una vasta area, cosicche solouna frazione del segnale trasmesso vienericevuto dal ricevitore. Inoltre, le con-dizioni meteorologiche variabili fanno sıche il segnale sia parecchio attutito.

L’assorbimento varia anche con la fre-quenza del segnale e dipende anche dalparticolare percorso del segnale radio.Per questo motivo le trasmissioni chedipendono crucialmente dalla diffrazioneatmosferica fanno uso di potenti trasmet-titori, e di tecniche o combinazioni di tec-niche atte a massimizzare la qualita delsegnale ricevuto a seconda del posto, deltempo e delle frequenze usate.

SHF-EHF: Super High Frequency, Ex-tremely High Frequency = frequenze su-per alte, frequenze estremamente alteFrequenze dai 3 GHz ai 300 GHz, ovverolunghezze d’onda da 10 cm a 1 mm.

Le onde di queste bande si propagano conforte degradazione del segnale per attenu-azione e per cause atmosferiche (vengono

riflesse dalle gocce di pioggia). Inoltresubiscono forti perdite di penetrazione,in particolare attorno a pareti ed edifi-ci. Per questi motivi, queste bande di fre-quenze sono le bande meno usate per co-municazioni terrestri. Il vantaggio delleonde in queste bande e che permettonolarghezze di banda di vari MHz, neces-sarie per le comunicazioni digitali ad altavelocita (fino ad 1 Gigabit al secondo).

La banda EHF in particolare viene uti-lizzata per comunicazioni fra satelliti eper la radionavigazione satellitare, ap-plicazioni per le quali l’attenuazioneatmosferica non e molto limitante.

3.3 La larghezza di banda

Per larghezza di banda (in inglese band-width) si intende l’intervallo di frequenzeoccupato da un segnale radio modulato,cioe la differenza tra le frequenze massi-ma e minima attorno alla frequenza prin-cipale, detta portante. (Per intenderci, lafrequenza dell’onda portante e quella sucui, ad esempio, si sintonizza la radio)

La capacita dell’onda portante ditrasmettere informazioni e diretta-mente proporzionale alla larghezza dibanda disponibile. In generale, piu altae la frequenza, piu alta e la larghezza dibanda disponibile.

Col termine larghezza di banda si indi-ca anche il range di frequenze che unapparecchio elettronico (quale un am-plificatore o un filtro) e in grado ditrasmettere.

Di solito la larghezza di banda vieneespressa in Hz, oppure come percentualedella radio-frequenza portante.

Per esempio, una stazione trasmittenteAM che opera a 1 MHz (frequenza por-tante) ha una larghezza di banda di 10kHzoppure dell’1%. Infatti: 10kHz = 10 000Hz; 1 MHz = 1 000 000 Hz e il rapporto10 000 / 1 000 000 = 0.01=1%. Per una






tale stazione la banda di frequenza si es-tende da 995 kHz a 1005 kHz (ricordiamoche 1 MHz = 1000 kHz).

3.3.1 La larghezza minima di banda

Qual e la larghezza di banda minima?Dipende.

Facciamo degli esempi:

1. Per le conversazioni telefoniche i seg-nali devono essere intellegibili, ma none necessario che siano altamente fedeli.Sperimentalmente e stato osservato che lecomponenti principali che rendono com-prensibile il linguaggio ordinario umanosono comprese tra i 300 e i 3500 Hz.I canali riservati alle comunicazioni tele-foniche hanno quindi di solito una larghez-za di banda di circa 4000 Hz. Se siusano larghezze di banda piu strette, ilsistema telefonico e piu economico, mal’intelligibilita sara minore.

2. Per trasmissioni radio AM ad altafedelta, e desiderabile che la larghezza dibanda comprenda le frequenze normal-mente usate in musica, cioe da 30 Hz(la nota piu bassa di un organo) fino a15 kHz (nota acuta dell’ottavino). Sonostate sviluppate tecniche che permettonodi ottenere cio con una larghezza di bandadell’ordine dei 5 kHz.

3. Per le trasmissioni televisive AM sononecessarie larghezze di banda molto mag-giori, in quanto c’e bisogno di trasmettereinformazioni che comprendano frequenzedai 20 Hz fino a circa 5 MHz.

4 Le onde corte e la ionosfera

Le onde corte (SW, short waves, o HF,high frequency) meritano un discorso aparte in quanto permettevano di metterein comunicazione luoghi lontani fra di loro(nonostante la curvatura delle Terra) an-cora prima della messa in opera dei satel-liti artificiali per telecomunicazioni. Cio

e possibile perche esistono degli stratidell’atmosfera a quote molto elevate cheriflettono queste onde.

Quando la radiazione ultravioletta (UV)altamente energetica proveniente dal Soleraggiunge gli strati alti dell’atmosfera, in-teragisce con gli atomi lı presenti. L’ener-gia UV ionizza gli atomi, cioe fa sı che unoo piu elettroni (carichi negativamente) ac-quistino abbastanza energia da staccarsidall’atomo a cui appartengono, cosı chequest’ultimo diventa uno ione carico pos-itivamente. Quindi a quote fra i 50 e i300 Km di altezza, i gas che costituisconol’atmosfera si trovano nello stato di plas-ma, che e il cosiddetto quarto stato del-la materia, ossia gas parzialmente o to-talmente ionizzato, cioe costituito di par-ticelle cariche elettricamente: elettroni eioni. Da qui il nome ionosfera.

La ionosfera funziona da strato riflettenteper le onde corte.

4.1 Struttura della ionosfera

L’atmosfera e bombardata da radiazioniultraviolette di diverse frequenze che vipenetrano piu o meno profondamente.Di conseguenza, la struttura della ionos-fera e stratificata e si possono distinguerediversi strati ad altezze diverse.

Le onde elettromagnetiche ultraviolettea frequenze piu basse hanno il minorepotere penetrante, e quindi producono glistrati ionizzati piu distanti dal suolo (cir-ca 300 Km); mentre le radiazioni ultravi-olette a frequenze piu alte penetrano piuin profondita e producono strati ionizzatia quote inferiori (attorno agli 80 Km).






La densita degli ioni presenti varia a sec-onda dell’altezza dal suolo. Onde radioa frequenza diversa vengono riflesse dastrati a densita diversa.

Per questo, per comunicazioni fra luoghimolto distanti fra loro, e necessario chele onde vengano riflesse dagli strati piualti della ionosfera (i cosiddetti strati F1

e F2, situati attorno ai 300 Km di al-tezza). Le onde corte che soddisfano aquesto requisito, e che vengono quindiimpiegate per le trasmissioni internazion-ali, sono quelle con lunghezze d’onda trai 10 e gli 60 m circa, cioe frequenze com-prese approssimativamente tra i 5 e i 30MHz.

L’angolo di elevazione del sole e un fat-tore importante che determina la densitadegli strati ionizzati. Come conseguenza,l’altezza e lo spessore degli strati ionizzativaria da luogo a luogo e a seconda dell’oradel giorno e delle stagioni dell’anno.

La variazione diurna di questi strati e lapiu vistosa: quando il sole e piu alto sul-l’orizzonte gli strati ionizzati raggiungonola massima densita e il massimo effettosulle onde radio. Col calare della sera ladensita diminuisce e continua a diminuiredurante la notte, raggiungendo il minimoappena prima del sorgere del sole.

Vale la pena di ricordare, infine, il ci-clo delle macchie solari di durata unde-cennale: durante i massimi dei cicli, chepossono durare parecchi giorni o mesi aseconda della persistenza delle macchiesolari, viene prodotto un ulteriore stra-to ionizzato di tipo E. Ricordiamo inoltreche le telecomunicazioni possono veniredisturbate durante cosiddette tempestemagnetiche solari.

Strati D, E, F

1. Strato D: e lo strato piu basso del-la ionosfera, situato ad un’altitudine at-torno ai 70 Km. La percentuale di ioniz-zazione e la piu bassa nella ionosfera. Lostrato D non riflette, ma attenua forte-mente le onde radio di frequenza media(MF o MW), cioe sotto i 3 MHz. Dopo iltramonto e durante la notte questo stratoscompare praticamente del tutto.

2. Strato E (non in figura): e situato adun’altezza media di 110 Km ed e anchedetto strato di Kennelly-Heaviside (dainomi del matematico inglese Oliver Heav-iside e dell’ingegnere statunitense ArthurKennelly che contemporaneamente nel1902 predissero l’esistenza di uno stratoriflettente, la ionosfera, che avrebbe per-messo la riflessione delle onde radio, per-mettendo cosı le trasmissioni radio anchefra punti della Terra non a contatto di-retto). Dopo il tramonto questo stratosi attenua e per mezzanotte praticamentescompare. Questo strato riflette le ondecorte fino a circa 20 MHz, che quindi pos-sono essere usate per trasmissioni radiosu distanze fino a circa 2500 Km.

3. Strato F. Di giorno si possono dis-tinguere due strati: F1, situato a circa200 Km, e F2, situato a circa 350-400 Kmdi quota. Di notte i due strati si com-binano in un unico strato situato a circa300 Km di altezza. Questo rimane l’unicostrato ionizzato ed e quello che permettele trasmissioni notturne a lunga distanzain onde corte.

Origine dei simboli D, E, F L’origine del-la nomenclatura degli strati D, E ed F epiuttosto originale. Pare che l’inglese Ed-ward V. Appleton, uno dei pionieri dellostudio della ionosfera, usasse il simbolo E






per descrivere il campo elettrico dell’on-da riflessa dal primo strato della ionosfera.In seguito, Appleton scoprı l’esistenza diun secondo strato, localizzato ad un’alti-tudine superiore al primo e uso il simboloF in questo caso. Quando si accorse del-l’esistenza di un altro strato, questa vol-ta ad un’altitudine inferiore al primo, usoper quest’ultimo il simbolo D.

I simboli poi sono rimasti ad identificaregli strati; lo strato F e stato ulteriormentesuddiviso in due sottostrati, F1 e F2, ela loro definizione si e evoluta in mododa inglobare quello che e lo stato attualedi comprensione delle proprieta fisiche echimiche della ionosfera.

4.2 Qualche curiosita

Perche la ricezione delle trasmissioni ra-dio a onde corte e migliore durante lanotte? Di giorno le onde radio adalta frequenza HF (o onde corte SW)sono riflesse dagli strati E, F1, o F2. Dinotte persiste solo l’unico strato F situa-to a circa 300 Km di quota, che permettetrasmissioni a lunga distanza. Di giorno letrasmissioni di queste onde radio sono dis-turbate dall’interferenza con le particellecariche degli strati inferiori D, E e F1,mentre di notte l’interferenza e minima,in quanto gli strati inferiori svaniscono.

Perche durante il rientro delle navicellespaziali si perdono i contatti radio per al-cuni minuti? Durante il rientro di unveicolo spaziale, si genera un intenso at-trito con i gas dell’atmosfera. L’attrito asua volta si trasforma in calore, cioe en-ergia. Questa energia ad un certo puntoe sufficiente a ionizzare gli atomi attornoalla navicella spaziale, creando quindi unplasma. La densita di questo plasma ’lo-cale’ e tale da riflettere le onde radio us-ate nella comunicazione coi veicoli spaziali(VHF, UHF o SHF) e quindi il contattoradio si interrompe. Ad un certo punto ilveicolo viene fatto rallentare dagli astro-nauti; questa manovra fa sı che l’attrito

sia fortemente ridotto e che quindi cessi-no le condizioni che davano luogo alla ion-izzazione degli atomi e le comunicazioniradio possono riprendere normalmente.

5 Microonde

Col nome di microonde si designanoquelle onde dello spettro elettromagneti-co con lunghezze d’onda comprese tra i30 cm e i 1 mm. Questo intervallo dilunghezze d’onda corrisponde a frequenzecomprese tra 1 GHz e 300 GHz.

Quindi le microonde appartengono allebande di frequenza UHF, SHF e EHF.

Le comunicazioni via satellite, e anche itelefonini, usano le microonde; molte caseoggi possiedono un forno a microonde percuocere.

Si tratta delle stesse microonde? Sı e no.

Sı, perche il termine microonde com-prende in generale tutte quelle onde elet-tromagnetiche con frequenze nel rangefra 1GHz e 300 GHz, con lunghezzed’onda quindi da qualche centimetro almillimetro.

No, perche le frequenze particolari e lepotenze usate nei due casi sono diverse.

Le frequenze usate dai telefonini sono fra824 e 894 MHz per il sistema analogicoAMPS e fra 1.850 e 1.990 GHz per il sis-tema digitale GSM. La potenza del seg-nale dei telefonini e dell’ordine di qualchedecimo di Watt.

La frequenza piu comune usata nei fornia microonde e di 2.45 GHz e la potenza eintorno a un kiloWatt.

Nel forno a microonde la frequenza e sta-ta scelta in modo da coincidere con un op-timum intorno alla risonanza per l’assor-bimento da parte delle molecole d’acqua.Quindi, l’acqua nei cibi assorbe le mi-croonde e la loro energia. E questa ener-gia assorbita che fa sı che le molecole d’ac-






qua e il cibo che le contiene aumentino ditemperatura, cioe si scaldino.

La frequenza dei forni a microonde e sta-ta ottimizzata per la molecola d’acqua al-lo stato liquido. Il ghiaccio assorbe l’en-ergia dalla microonde a questa frequenzacon una efficienza estremamente minore,per cui nel forno a microonde e possibileriscaldare la crema al cioccolato, senzasciogliere il gelato al centro!

Anche le microonde per telecomuni-cazioni scaldano e per questo motivo ingenerale e sconsigliato stare troppo vici-ni a trasmettitori a microonde o radar diforte potenza.

E i telefonini? In Inghilterra e stato fattouno studio preliminare dall’Unione Con-sumatori per cercare di quantificare l’-effetto dei telefonini sul cervello umano.Pare che provochino sı riscaldamento, mache sia solo di pochi centesimi di grado,quindi trascurabile.

E vero comunque che le microonde scal-dano e che temperature superiori a 43◦Cdistruggono le cellule dei tessuti. In gen-erale, esposizioni a microonde di potenzesuperiori ai 20 milliwatt per centimetroquadrato si puo considerare dannosa pergli esseri viventi.

Comunque l’effetto su larga scala sullepersone del riscaldamento dovuto alle mi-croonde e un problema nuovo, che e al-lo studio e su cui conclusioni definitive sipotranno avere soltanto tra qualche anno.

6 Satelliti per comunicazione

I satelliti permettono telecomunicazionitra luoghi molto distanti tra loro.

Le onde usate per questo tipo di comuni-cazioni sono le microonde, onde radio nelrange da 1 GHz ai 300 GHz, ovvero nellebande UHF, SHF, EHF.

Il principio e semplice: segnali radio nelrange delle microonde vengono trasmessi

da una stazione terrestre ad un satellitein orbita.

L’apparecchiatura a bordo del satellitericeve i segnali, li amplifica e li trasmetteverso una particolare regione della Ter-ra dove qualunque stazione ricevente puoraccoglierli.

Un sistema di comunicazione via satel-lite puo essere messo in funzione in tem-pi relativamente veloci, in quanto non c’ebisogno avere accesso diretto alla zona,come sarebbe invece necessario per sten-dere connessioni fisiche tipo cavi o sim-ili. Questo e un notevole vantaggioin zone geograficamente o politicamentedisagevoli.

Un tipico satellite per telecomunicazioniha un certo numero di transponders. Og-ni transponder consiste di un’antennaricevente sintonizzato su un canale, o suun range di frequenze, in entrata (uplink,in inglese); di un apparecchio che scalaqueste frequenze al range di frequenze delcanale di uscita (downlink) e di un am-plificatore di potenza per fornire alle mi-croonde in uscita una potenza adeguata.Il numero di transponders, o di canali,indica la capacita del satellite.

I segnali che viaggiano dalla terra aisatelliti devono attraversare l’atmosfera.






Un’attenuazione di 3dB (dB = deci-bel), corrispondente ad un dimezzamen-to (ovvero ad una variazione di un fattore2) della potenza del segnale, e considera-to eccessivo e quindi vengono evitate fre-quenze che vengono fortemente assorbitenell’atmosfera. Queste frequenze vengonoinvece adoperate per le comunicazioni, ingenere militari, fra satelliti, per evitareintercettazioni da Terra.

Le bande di frequenze per comunicazionivia satellite per scopi civili sono state as-segnate attraverso accordi internazionali.Ogni banda consiste di un range di fre-quenze per il cosiddetto uplink (collega-mento dalla Terra al satellite) e di unrange di frequenze piu basse per il down-link (dal satellite alla Terra). Il downlink,a causa della maggior attenuazione dovutaalle perturbazioni atmosferiche, e il col-legamento piu delicato e per esso sonostate scelte bande di frequenze inferioriall’uplink, in quanto la pioggia e l’atten-uazione atmosferica perturbano meno lefrequenze piu basse.

Le bande piu usate comprendono 1. labanda C con frequenze fra i 5.925 e i 6.425GHz per l’uplink e frequenze tra i 3.7 e 4.2GHz per il downlink 2. la banda K che usafrequenze tra 14 e 14.5 GHz per l’uplinke da 12.75 a 13.25 GHz per il downlink.

La larghezza di banda tipica di un canalee di 36 MHz. Questo corrisponde ad unsegnale TV a colori oppure 1200 segnalitelefonici, ciascuno con una larghezza dibanda di 4 kHz. Il largo margine dellalarghezza di banda permettere di ridurrela potenza necessaria al trasmettitore eavere un buon rapporto segnale/ rumore.

Potenza. La potenza necessaria per unacomunicazione satellitare soddisfacentedipende dalla potenza necessaria al ricevi-tore a Terra e dalla frazione della potenzatrasmessa dal satellite che viene ricevutaa Terra. Questa frazione e uguale al rap-porto fra l’area dell’antenna ricevente aTerra e l’area coperta dal fascio. Quin-

di, nel caso di un’antenna parabolica di30 metri di diametro di una stazione ter-restre che riceve un fascio d’onde suffi-cientemente largo da ricoprire un interoemisfero, il rapporto fra l’area del piatto el’area dell’emisfero terrestre e un numeromolto piccolo (pari a 4 X 10−12) e questoe la frazione della potenza trasmessa dalsatellite ricevuta a Terra e corrisponde a114 dB. Nel caso in cui il fascio dal satel-lite sia molto piu collimato, tale da rico-prire per esempio solo l’area degli StatiUniti d’America o dell’Europa, la poten-za ricevuta e in questo secondo caso solocirca 100 dB di quella trasmessa dal satel-lite, cioe circa 11 dB (corrispondenti a 14volte) piu forte che nel caso precedente.

Per questo conviene avere fasci colli-mati, diretti specificamente verso le re-gioni fra cui si desidera il collegamentovia satellite.

Per ottenere fasci ben collimati che ri-coprano aree limitate, l’apertura dell’an-tenna sul satellite deve essere sufficien-temente grande: infatti la larghezza delfascio di microonde e proporzionale alrapporto tra la lunghezza d’onda e ildiametro dell’antenna del satellite.

7 Antenne e parabole

Cos’e un antenna? Un’antenna trasmit-tente e un apparecchio che irraggiaenergia nello spazio sotto forma dionde elettromagnetiche nel range delleradiofrequenze.

Un’antenna convenzionale e un con-duttore o un sistema di conduttoriche irraggia (antenna trasmittente) ointercetta (antenna ricevente) energiaelettromagnetica.

Un’antenna trasmittente converte un seg-nale elettrico variabile nel tempo (ovverola la corrente alternata) in un’ondaelettromagnetica che si propaga liber-amente attraverso l’aria o lo spazio.






L’antenna ricevente riconverte l’ondaelettromagnetica in segnale elettrico.

L’antenna per trasmissioni radio si puoschematizzare come un filo conduttore diuna certa lunghezza L (piccola rispettoalla lunghezza d’onda I� da trasmettere:L. Ad esempio un’antenna lunga 30 m eadeguata per trasmettere un’onda radioFM di frequenza media di 500 kHz: in-fatti a questa frequenza corrisponde unalunghezza d’onda I� di circa 600 m, benmaggiore delle dimensioni dell’antenna.

L’antenna trasmittente deve essere in gra-do di irraggiare in modo estremamente ef-ficiente cosı che la potenza non vada spre-cata, cioe l’antenna deve concentrare l’en-ergia radio in un fascio sufficientementecollimato.

Le dimensioni di un’antenna sono de-terminate dalle frequenze da trasmettereo da ricevere. Man mano che si salenelle frequenze le dimensioni dell’antennadevono essere sempre piu precise.

Le antenne per trasmissioni radio sonodi tipo omnidirezionale, cioe irraggiano ilsegnale trasmesso su una vasta area. In-vece nelle trasmissioni tra due punti fissisi usano antenne direzionali che trasmet-tono il segnale in un fascio abbastanzaben collimato, diretto verso l’apparatoricevente.

Antenne paraboliche o parabole

Le antenne paraboliche si usano per le co-municazioni via satellite per mezzo di mi-croonde (onderadio di lunghezza d’ondacompresa approssimativamente tra il mil-limetro e i 10 cm, corrispondenti a fre-quenze da 1 a 300 GHz, cioe nelle bandeUHF, SHF e EHF).

La forma a parabola del piatto fa sı che ilfascio di onde sia ben collimato, cioe siapoco divergente.

La larghezza del fascio delle microonde eproporzionale al rapporto tra la lunghez-za d’onda delle microonde e il diametrodel piatto. A parita di lunghezza d’on-da, quindi, maggiori sono le dimensionidel piatto, piu stretto e il fascio d’onde.

Un’antenna di dimensioni ridotte postasu un satellite ricevera e trasmettera seg-nali su tutta l’area della Terra visibiledal satellite, circa un intero emisfero.Un’antenna di dimensioni maggiori ricev-era e trasmettera segnali su una regioneterrestre molto piu limitata.

Analogamente per quanto riguarda lestazioni terrestri, un’antenna di grandi di-mensioni trasmette e riceve segnali solodal satellite verso cui e puntata e non dasatelliti vicini.

8 Le fibre ottiche

Una fibra ottica e costituita da un lungocilindro interno trasparente (“core”) ri-coperto esternamente da un rivestimento(“cladding”) di materiale opaco di indicedi rifrazione minore di quello del materi-ale interno. Il tutto e in genere fasciatoda una spessa pellicola di plastica esterna(“coating”) per proteggere la fibra otticada danni, abrasioni, ecc.

Il diametro della fibra trasparente inter-na varia dai 5mm ai 100 mm e il diametrodel rivestimento di solito e fra i 100 e i






150 mm. Lo standard adottato per le fi-bre ottiche ad alta performance per usonelle telecomunicazioni e di un diametroesterno del rivestimento di 125 mm, condiametro interno compreso fra gli 8 e i50 mm. Per paragone, ricordiamo che uncapello umano ha un diametro di circa 100mm.

La fibra ottica funziona come una speciedi specchio tubolare. La luce che entranel core ad un certo angolo (angolo lim-ite) si propaga mediante una serie di rif-lessioni alla superficie di separazione fra idue materiali del core e del cladding.

Le fibre ottiche hanno avuto un fortesviluppo e vengono utilizzate in un grannumero di applicazioni solo in questi ul-timi anni, benche la fisica della rifles-sione totale fosse ben conosciuta da lungotempo.

Il problema stava nelle perdite che pro-ducevano un’intollerabile attenuazionedel segnale. Il raggio rifratto infatti nonpenetrava nel materiale del rivestimen-to esterno, ma un po’ d’energia veni-va assorbita da quest’ultimo, cosicche laluce veniva attenuata nelle riflessioni in-terne. In questi ultimi decenni, lo svilup-po di materiali ultra-puri con coeffici-enti di assorbimento estremamente bassiha lanciato l’uso delle fibre ottiche, inmedicina ad esempio, e nel campo delletelecomunicazioni.

Le fibre ottiche uniscono vari vantaggi:costi bassi, attenuazione minima, ottimalarghezza di banda e le comunicazione viafibra ottica sono immuni da interferenze.

Le fibre ottiche attuali sono cosı traspar-enti che l’intensita della luce entro untratto di fibra ottica di 6 km viene ridottadi meno di un fattore 2: questi materialisono circa diecimila volte piu trasparentidel vetro normale!

Infine, i segnali nelle fibre ottiche sonole onde visibili (o quasi), le cui frequen-ze sono un milione di volte piu alte dellefrequenze normalmente usate nei fili tele-fonici: questo fatto permette alle fibreottiche di trasportare molta piu infor-mazione. Infatti piu alta e la frequen-za, maggiore e la larghezza di bandadisponibile e a larghezze di banda mag-giori corrisponde una maggiore capacitadi trasmettere informazione.





La fisica delle telecomunicazioni - Localizzatori ... · Introduzione Con la parola...

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