Radio (tecnologia)

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Introduzione

Radio (tecnologia) Sistema di comunicazione basato sulla propagazione nello spazio di onde elettromagnetiche appartenenti alla banda radio. Le onde radio emesse da un’antenna trasmittente si propagano nello spazio e vengono captate da un’antenna ricevente: questa consiste di un conduttore di forma opportuna che, investito dall’onda, la trasforma in un segnale elettrico inviato al radioricevitore; qui il segnale elettrico viene infine riconvertito nel suono originale.

Le radioonde, identificate in base alla frequenza (numero di cicli al secondo) o alla lunghezza d’onda (distanza percorsa dall’onda in un periodo), vengono usate per scopi diversi: sono impiegate nelle trasmissioni radiofoniche ma anche in radiotelegrafia, nelle trasmissioni telefoniche, televisive, radar, nei sistemi di navigazione e nelle comunicazioni spaziali.

L’unità di misura della frequenza, il ciclo per secondo (hertz, Hz), deve il nome al fisico tedesco Heinrich Hertz: 1 kilohertz (kHz) corrisponde a 1000 cicli/s, 1 megahertz (MHz) a 1 milione di cicli/s e 1 gigahertz (GHz) equivale a 1 miliardo di cicli/s. Le radioonde possono avere frequenze che vanno da pochi kilohertz a diversi gigahertz; quelle di lunghezza d’onda più corta hanno frequenza più alta, quelle di lunghezza d’onda più lunga hanno frequenza più bassa.

Poiché in un’atmosfera uniforme le onde elettromagnetiche viaggiano in linea retta, le comunicazioni radio a lunga distanza dovrebbero essere impedite dalla curvatura della superficie terrestre; sono tuttavia possibili grazie alle proprietà della ionosfera di riflettere le radioonde. Le onde cortissime, che normalmente non vengono riflesse dalla ionosfera, possono essere ricevute invece solo a breve distanza; si tratta delle lunghezze d’onda inferiori ai 10 m, e quindi caratterizzate da una frequenza molto elevata (VHF, Very High Frequency), ultraelevata (UHF, Ultra High Frequency) o superelevata (SHF, Super High Frequency).

Un tipico sistema di comunicazione radio è formato da due elementi principali: un trasmettitore e un ricevitore. Il trasmettitore genera oscillazioni elettriche a una determinata frequenza, che costituiscono la cosiddetta onda portante. Per consentire la trasmissione del segnale, l’onda portante deve essere sottoposta al processo di modulazione.

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Trasmettitore

I componenti essenziali di un radiotrasmettitore sono: un generatore di oscillazioni, che converte l’elettricità in oscillazioni di determinata frequenza; un amplificatore, che aumenta l’intensità delle oscillazioni mantenendo la frequenza invariata; un microfono, che converte le informazioni da trasmettere in una tensione elettrica variabile.

Altri elementi importanti del radiotrasmettitore sono il modulatore, che usa le tensioni prodotte dal microfono per controllare le variazioni di intensità delle oscillazioni o la frequenza istantanea dell’onda portante, e l’antenna, che irradia l’onda portante modulata. Ogni antenna ha proprietà direzionali, cioè tende a irradiare più energia in alcune direzioni piuttosto che in altre; è comunque possibile realizzare sistemi che emettono fasci particolarmente stretti in un’unica direzione oppure fasci diffusi in tutte le direzioni (radiodiffusione circolare).

Le caratteristiche di un radiotrasmettitore sono diverse secondo le modalità di impiego. Una radio da usare in un veicolo mobile, ad esempio, deve essere leggera e trasmettere in modo chiaro. In una stazione radio commerciale, invece, le dimensioni e il peso sono secondari, mentre vanno tenuti in maggiore considerazione il costo e la fedeltà, in particolare per le stazioni in modulazione di frequenza (FM). Il controllo rigoroso della frequenza è una necessità assoluta, dato che una minima deviazione può causare interferenze con stazioni che trasmettono sulla stessa lunghezza d’onda.

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Oscillatore

In una stazione radio commerciale la frequenza portante viene normalmente generata da un oscillatore a cristallo di quarzo, che funziona in base ai principi dell’effetto piezoelettrico. Se il circuito elettrico è ben progettato, la frequenza dell’oscillatore non varia oltre lo 0,01%. Montando il cristallo sotto vuoto a temperatura costante e stabilizzando la tensione di alimentazione è possibile ottenere una stabilità di frequenza addirittura prossima a un milionesimo dell’1%.

Gli oscillatori a cristallo sono ideali nelle gamme di frequenza bassissima, bassa e media. Quando devono essere generate frequenze superiori ai 10 MHz, l’oscillatore pilota è regolato in modo da generare una frequenza media, che viene poi raddoppiata un certo numero di volte, secondo la necessità, da appositi circuiti elettronici. Quando non è necessario un controllo rigoroso della frequenza, possono essere usati circuiti sintonizzati con comuni tubi elettronici per generare oscillazioni fino a 1000 MHz, mentre per generare le frequenze più alte, fino a 30.000 MHz, si impiegano potentissimi tubi a microonde (klystron a riflessione). Quando sono richieste frequenze ancora più elevate i klystron vengono sostituiti dai magnetron.

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Modulazione

Perché l’onda portante possa trasportare impulsi deve essere modulata. Si distinguono una modulazione a basso livello e una ad alto livello. Nel primo caso il segnale di audiofrequenza proveniente dal microfono, non amplificato, è usato per modulare la frequenza generata dall’oscillatore; la frequenza portante modulata viene poi amplificata e inviata all’antenna; nel secondo caso le oscillazioni di radiofrequenza e il segnale di audiofrequenza sono amplificati indipendentemente, e la modulazione ha luogo subito prima che le oscillazioni siano inviate all’antenna. Sulla portante il segnale può essere modulato sia in frequenza (FM) sia in ampiezza (AM).

La modulazione di ampiezza (AM), che consiste nel variare l’ampiezza dell’onda portante in armonia con le variazioni di intensità di un segnale sonoro, è usata in molti servizi radiotelefonici, comprese le normali trasmissioni radio, nonché nella telefonia a corrente portante, in cui la portante modulata viene trasmessa via cavo, e nella trasmissione di immagini fisse via cavo o via radio.

In modulazione di frequenza (FM), la frequenza dell’onda portante viene variata all’interno di un intervallo fisso a un ritmo corrispondente alla frequenza di un segnale sonoro. Questa forma di modulazione, perfezionata negli anni Trenta del Novecento, ha il vantaggio di produrre segnali meno sensibili dei segnali AM alle interferenze elettriche, ad esempio quelle che si verificano durante i temporali. Le trasmissioni in FM, che sono effettuate su bande ad alta frequenza (dagli 88 ai 108 MHz), hanno portata di ricezione limitata.

Le informazioni trasportate da un’onda modulata vengono riconvertite nella loro forma originale tramite un processo inverso, detto di demodulazione o rivelazione. Le radioonde trasmesse a frequenze basse e medie sono modulate in ampiezza; a frequenze più elevate si usano sia l’AM sia l’FM: nelle emissioni televisive, ad esempio, il suono può essere diffuso in FM, mentre l’immagine è trasmessa in AM. Nelle gamme di frequenza superelevate (sopra la UHF), in cui sono disponibili larghezze di banda più ampie, anche l’immagine può essere trasmessa in FM. A queste frequenze elevate sono stati effettuati anche esperimenti di trasmissione digitale del suono e delle immagini, un metodo di trasmissione che presto potrebbe soppiantare le attuali tecniche di trasmissione analogica (vedi Televisione via satellite).