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APPUNTI
SULLE
RADIOCOMUNICAZIONI
a cura del C.V.(AN) Raffaele AZZARONE
Edizione Ottobre 2005
II NN DD II CC EE
INDICE ....................................................................................................................... II
NOZIONI DI RADIOPROPAGAZIONE ....................................................................... 1
1. LE ONDE ELETTROMAGNETICHE .................................................................................................... 1 1.1 Campo elettrico e campo magnetico ....................................................................................................... 1 1.2 Velocità delle onde E.M. ........................................................................................................................ 3 1.3 Cenni storici ........................................................................................................................................... 3 1.4 La frequenza e lunghezza d’onda delle onde E.M. .................................................................................. 4 1.5 Onde piane e polarizzazione delle onde elettromagnetiche ..................................................................... 5 1.6 Trasmissione dell’energia elettromagnetica ............................................................................................ 7
2. CLASSIFICAZIONE DELLE O.E.M. ................................................................................................... 10 2.1 Suddivisione dello spettro E.M. ............................................................................................................ 10 2.2 Suddivisione delle frequenze Hertziane ................................................................................................ 11
3. PROPAGAZIONE DELLE ONDE E.M................................................................................................. 13 3.1 Onda di superficie................................................................................................................................. 14
3.1.1 Portate ottenibili ......................................................................................................................... 14 3.1.2 Classificazione delle superfici..................................................................................................... 17 3.1.3 Fattori per la determinazione delle portate .................................................................................. 23
3.2 Onda ionosferica................................................................................................................................... 24 3.2.1 Costituzione della ionosfera........................................................................................................ 24 3.2.2 Attenuazione delle onde E.M. ..................................................................................................... 31 3.2.3 Incurvamento dei raggi di propagazione ..................................................................................... 34 3.2.4 Previsioni ionosferiche ............................................................................................................... 49 3.2.5 Effetto della distanza sulla comunicazione per onda ionosferica ................................................. 54 3.2.6 Distanza e zona Skip................................................................................................................... 58 3.2.7 Effetto delle stagioni sulla propagazione ionosferica. ................................................................. 61 3.2.8 Effetto della latitudine sulla propagazione ionosferica. ............................................................... 62 3.2.9 Effetto dell’attività solare sulla propagazione ionosferica ........................................................... 63 3.2.10 Effetto della potenza emessa sulle comunicazioni per via ionosferica......................................... 64 3.2.11 Propagazione multibalzo............................................................................................................. 65 3.2.12 Altri fenomeni all’interno della ionosfera ................................................................................... 68
3.3 Onda diretta .......................................................................................................................................... 71 3.4 Onda riflessa......................................................................................................................................... 72
4. ASSORBIMENTO TROPOSFERICO ................................................................................................... 73
5. RUMORE RADIOELETTRICO ............................................................................................................ 73
SOFTWARE DI PREDIZIONE “ASAPS”.................................................................. 76
ESEMPIO DI PREDIZIONE ASAPS-GRAFEX.......................................................... 79
II
NOZIONI DI RADIOTECNICA .................................................................................. 90
1. LA MODULAZIONE.............................................................................................................................. 90 1.1 Generalità ............................................................................................................................................. 90 1.2 Modulazione di portanti sinusoidali. ..................................................................................................... 91
1.2.1 Modulazione di ampiezza ........................................................................................................... 92 1.2.2 Modulazione di frequenza........................................................................................................... 96 1.2.3 Modulazione di fase.................................................................................................................... 98 1.2.4 Single Side Band (SSB) .............................................................................................................. 99
2. IL TRASMETTITORE ......................................................................................................................... 102 2.1 Principio di funzionamento del trasmettitore. ..................................................................................... 103
3. IL RICEVITORE .................................................................................................................................. 106 3.1 Principio di funzionamento del ricevitore. .......................................................................................... 106 3.2 Il ricevitore supereterodina. ................................................................................................................ 107
4. PRINCIPALI TIPI DI EMISSIONE .................................................................................................... 110 4.1 Radiotelegrafia morse......................................................................................................................... 110 4.2 Fonia .................................................................................................................................................. 112 4.3 Trasmissione dati................................................................................................................................ 114
4.3.1 Generalità ................................................................................................................................. 114 4.3.2 Modulazioni Digitali................................................................................................................. 116
5. IL MODEM............................................................................................................................................ 121
6. LA TELESCRIVENTE ......................................................................................................................... 123
7. L’ ANTENNA ........................................................................................................................................ 128 7.1 Generalità ........................................................................................................................................... 128 7.2 Dipolo a mezz’onda............................................................................................................................ 131 7.3 Monopolo Marconiano ....................................................................................................................... 132 7.4 Guadagno dell’antenna. ...................................................................................................................... 134 7.5 Rendimento dell’antenna. ................................................................................................................... 137 7.6 Antenna sintonizzabili a banda stretta................................................................................................. 137 7.7 Antenne a larga banda. ....................................................................................................................... 138
8. CANALI DI TRASMISSIONE. ............................................................................................................ 141
TECNICHE ADATTIVE (ALE) ................................................................................ 142
1. GENERALITA’ ..................................................................................................................................... 142
2. INSTAURAZIONE AUTOMATICA DEI COLLEGAMENTI .......................................................... 143
3. TRASMISSIONE DEI DATI DI INFORMAZIONE........................................................................... 148
4. DESCRIZIONE DI PRINCIPIO DI UN SISTEMA ADATTIVO....................................................... 154 4.1 Generalità ........................................................................................................................................... 154 4.2 Descrizione del sistema ...................................................................................................................... 155
REGOLE PRATICHE PER L' IMPIEGO DEI DECIBEL........................................... 158
DESIGNAZIONE INTERNAZIONALE DELLE EMISSIONI PER RADIOCOMUNICAZIONI ....................................................................................... 164
III
1. VECCHIA CLASSIFICAZIONE ......................................................................................................... 165
2. NUOVA CLASSIFICAZIONE ............................................................................................................. 166
STRALCIO DEL CODICE “Q”................................................................................ 173
IL CODICE MORSE................................................................................................ 174
IL CODICE ITA 2.................................................................................................... 175
ALFABETO FONETICO INTERNAZIONALE ......................................................... 176
IMPATTO DEI CAMPI ELETTROMAGNETICI SULL’AMBIENTE .......................... 177
IV
NN OO ZZ II OO NN II DD II RR AA DD II OO PP RR OO PPAA GG AA ZZ II OO NN EE
1. LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
1.1 Campo elettrico e campo magnetico
Una carica elettrica posta in un dielettrico fa sentire la sua presenza in un’area
circostante esercitando una forza “F”, attrattiva o repulsiva, su di una carica
puntiforme “q” posta nelle vicinanze.
Si definisce “campo elettrico” E la grandezza vettoriale data dal rapporto F/q
e si misura in V/m. Le direzioni lungo le quali la forza attrattiva o repulsiva
viene esercitata prendono il nome di “Linee di forza” del campo elettrico.
Analogamente, un elemento magnetizzato o una corrente circolante in un
conduttore, si circondano di “linee di forza” lungo le quali viene esercitata
un’azione attrattiva o repulsiva su elementi magnetizzati e/o conduttori in cui
circolano correnti posti nelle vicinanze. L’agente che esercita tale forza prende
il nome di vettore “campo magnetico” H , e si esprime in A/m.
Il campo elettrico E e quello magnetico H sono tra di loro strettamente
correlati nel tempo e nello spazio nel senso che la variazione di un campo
elettrico E in un materiale dielettrico (isolante) provoca la nascita di un
campo magnetico H , le cui linee di forza sono chiuse e concatenate con quelle
del campo elettrico che lo hanno generato.
1
Analogamente, ogni campo magnetico in variazione si circonda di linee di
forza di campo elettrico chiuse e ad esso concatenate.
Da questa inscindibile connessione che sussiste tra i campi elettrici e i campi
magnetici, quando in variazione, deriva il vocabolo, universalmente adottato,
di:
``ELETTROMAGNETISMO’’
Ipotizzando, quindi, una sorgente “S” di campo elettrico in variazione, da
questo si originano linee di forza di campo magnetico ad esso concatenato; il
quale, essendo a sua volta in variazione, genera linee di forza di campo
elettrico ad esso concatenato e così via, all’infinito (fig. 1).
Figura 1 – Concatenamento dei campi elettrici e magnetici
2
Dal successivo concatenamento dei suddetti campi all’interno di materiali
dielettrici, ne deriva che una variazione del campo elettrico o magnetico in un
generico punto si propaga nello spazio circostante con trasferimento di energia
elettromagnetica. Tale situazione si verifica anche nel vuoto a causa delle sue
caratteristiche isolanti.
I concatenamenti tra campi elettrici e magnetici avvengono in accordo alle ben
note leggi di Maxwell che si omettono per brevità di trattazione.
1.2 Velocità delle onde E.M.
I concatenamenti dei suddetti campi nel tempo e nello spazio non avvengono
in maniera istantanea ma richiedono un certo tempo fissato dall’attitudine del
mezzo considerato a farsi attraversare dalle linee di forza E ed H espressa con
le costanti:
- ε : permettività elettrica;
- μ : permeabilità magnetica.
Con l’introduzione di tali parametri la velocità delle O.E.M. in un mezzo si
ricava dalla relazione με ⋅
=1V .
Nel vuoto il fenomeno si propaga alla velocità così detta “della luce” e cioè a
300.000 chilometri al secondo. Negli altri dielettrici la velocità è inferiore.
1.3 Cenni storici
Le interazioni tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici furono scoperti
sperimentalmente verso la metà del 1800, da scienziati quali FARADAY,
AMPERE, OERSTED etc..
Fu però il fisico MAXWELL, nel 1861, ad elaborare le leggi a carattere
universale sui campi E ed H e ad enunciare l’ esistenza della propagazione di
energia E.M., anche in assenza di materia.
Nel 1888 il fisico HERTZ riuscì a verificare sperimentalmente le leggi
formulate da Maxwell; mentre si devono a Guglielmo MARCONI, a cavallo
del 1900, i primi concreti esperimenti di comunicazione a distanza sfruttando
3
la propagazione delle onde elettromagnetiche nell’aria; esperimenti che
diedero inizio all’ era del telegrafo e del telefono senza fili (wireless), ovvero
della radio, scoperta per la quale a Marconi venne assegnato il premio Nobel.
1.4 La frequenza e lunghezza d’onda delle onde E.M.
Se una sorgente di campo elettrico o magnetico viene fatta variare con legge
sinusoidale, le intensità dei campi elettrici e dei campi magnetici tra di loro
concatenati varieranno anch’esse con la stessa legge, per cui il fenomeno si
propagherà come un’onda sinusoidale caratterizzata dalla stessa frequenza di
oscillazione della sorgente, rappresentabile nel tempo (t) e nello spazio (d)
(fig.2).
Figura 2 – Onda Sinusoidale
Nei fenomeni ondulatori sinusoidali (fig. 2), la distanza tra due massimi o
minimi contigui prende il nome di “lunghezza d’onda” e si indica con “λ”;
mentre il tempo occorrente affinché l’oscillazione compia un intero ciclo,
prende il nome di “periodo” e si indica con “T”.
Il rapporto λ/T, ovvero il prodotto λ · f, avendo indicato con f la frequenza
(= 1/T) indica, quindi, la velocità di propagazione del fenomeno (definita,
come noto, dal rapporto spazio/tempo).
Nel caso di O.E.M. propagatesi nel vuoto si avrà: c = λ · f = 300.000 km/s.
4
Da questa semplice relazione, essendo “c” costante, si può facilmente ricavare
il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa.
A titolo di esempio:
• ad una frequenza di 3 MHz corrisponde una lunghezza d’onda di 100 m;
• ad una frequenza di 10 MHz corrisponde una lunghezza d’onda di 30 m.
1.5 Onde piane e polarizzazione delle onde elettromagnetiche
La rappresentazione di fig.1 a pag. 2, consente unicamente di visualizzare il
concatenamento dei campi E ed H posti in variazione ma mal si presta a
visualizzare i valori istantanei assunti dai campi nel loro propagarsi.
Per poter rappresentare adeguatamente il fenomeno, si ricorre, pertanto, alla
rappresentazione vettoriale, con la quale, i valori istantanei assunti dai campi
vengono indicati con un “vettore”, la cui ampiezza rappresenta l’intensità del
campo e il cui orientamento indica la direzione ed il verso della grandezza
fisica in esame. I vettori campo elettrico E e campo magnetico H generati da
una sorgente “S” elettromagnetica si propagano lungo infiniti raggi di
propagazione in maniera tale da essere sempre ortogonali tra di loro e
perpendicolari alla direzione di avanzamento dell’onda E.M. (fig. 3).
Figura 3 – Propagazione dell’onda elettromagnetica
5
Ad una distanza sufficientemente elevata dalla sorgente (> di λ), si può ritenere
che, istante per istante, i due vettori giacciano sullo stesso piano; da tale
distanza in poi le onde prendono il nome di “onde piane” (fig. 4) e la
propagazione avviene in regime di “campo lontano”.
Figura 4 – Onda piana
Per distanze inferiori, la propagazione avviene, invece, in “campo vicino”. Ai
fini delle telecomunicazioni si intende sempre che la propagazione avvenga in
“campo lontano”; mentre il “campo vicino” viene tenuto in considerazione per
le problematiche relative alle interferenze tra sistemi diversi posti nelle
reciproche vicinanze (compatibilità elettromagnetica) e alla pericolosità delle
radiazioni (RADHAZ = RADiation HAZard).
In caso di variazione sinusoidale della sorgente, entrambi i campi si
propagheranno con andamento di tipo sinusoidale, in modo tale che al
massimo di uno dei due corrisponde un massimo dell’altro, quando uno si
annulla si annulla anche l’altro e quando uno cambia segno cambia segno
anche l’altro (fig. 5).
Una onda elettromagnetica si dice “polarizzata” quando i vettori E ed H , nel
loro propagarsi, assumono e mantengono direzioni preferenziali di oscillazione
(fig. 5).
6
Figura 5 – Andamento sinusoidale e polarizzazione delle onde E.M.
L’onda E.M. può essere polarizzata in modo lineare, orizzontale o verticale,
quando il piano di polarizzazione, che per definizione è quello che contiene il
vettore campo elettrico e la direzione di propagazione, si mantiene,
rispettivamente, parallela o perpendicolare alla superficie terrestre.
La polarizzazione si definisce, invece, circolare o ellittica, quando il piano di
polarizzazione ruota al progredire dell’onda, in modo da compiere una
rotazione completa nel tempo di un periodo T.
1.6 Trasmissione dell’energia elettromagnetica
L’intensità del campo elettrico E (misurata in Volt/m) e l’intensità del campo
magnetico H (misurata in Ampere/m) diminuiscono con l’aumentare della
distanza dalla sorgente.
L’energia associata ad un’onda E.M. e cioè la potenza irradiata dalla sorgente
che attraversa l’unità di superficie sferica, si riduce invece in ragione inversa al
quadrato della distanza.
7
Questa attenuazione, dovuta al propagarsi dell’onda nello spazio libero è
sempre presente e prende il nome di “free space”.
Quanto sopra si può facilmente intuire ipotizzando come sorgente di onde
E.M. un radiatore isotropico (che irraggia in tutte le direzioni). La superficie
della sfera indicata in fig. 6, rappresenta, in un determinato istante, il fronte
d’onda complessivo risultante dalle onde piane che si propagano lungo le
infinite direzioni di avanzamento. A causa del fenomeno della propagazione, il
fronte d’onda, e quindi la superficie della sfera, diviene sempre più grande;
pertanto, la stessa quantità finita di energia emessa dalla sorgente si dovrà
distribuire nell’attraversare, istante dopo istante, superfici sferiche sempre più
ampie, le cui dimensioni, come noto, sono date da 4 π r2, con “r” indicante il
raggio della sfera in espansione.
Figura 6 – Fronte d’onda sferico di una sorgente isotropica di onde E.M.
8
Nel caso delle onde piane, la densità di potenza convogliata dai campi è una
grandezza vettoriale che si ricava dal prodotto vettoriale:
Pt = E x H
e che prende il nome di vettore di “Poynting” (fig. 7). Tale vettore ha come
modulo (intensità) il prodotto dei moduli di E e di H e cioè:
|E| · |H| = V/m · A/m = W/m2
e la direzione e verso indicato in fig. 7.
In pratica il vettore di “Poynting” rappresenta il flusso di potenza E.M. che
attraversa l’unità di superficie del fronte d’onda supposto sferico.
Figura 7 – Flusso di potenza di un’onda E.M. che attraversa l’unità di superficie
(vettore di Poynting).
9
2. CLASSIFICAZIONE DELLE O.E.M.
2.1 Suddivisione dello spettro E.M.
Al variare della loro frequenza, le O.E.M. ci appaiono come differenti realtà
fisiche.
Lo spettro delle onde elettromagnetiche è stato pertanto suddiviso in bande di
frequenza in funzione delle peculiari caratteristiche che contraddistinguono le
radiazioni.
Partendo dalle frequenze più basse, la suddivisione è la seguente:
OONNDDEE HHEERRTTZZIIAANNEE
Fino a 300 GHz, utilizzabili nelle tecniche radio e radar.
RRAAGGGGII IINNFFRRAARROOSSSSII
Ovvero al di sotto del colore rosso, avvertibili come calore.
LLUUCCEE VVIISSIIBBIILLEE Che ci appare nella sequenza: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola, all’aumentare della frequenza.
RRAAGGGGII UULLTTRRAAVVIIOOLLEETTTTII
Ovvero al di sopra del colore viola, responsabili della crescita degli esseri umani (in quanto consentono lo sviluppo delle ossa), della fotosintesi, etc… .
RRAAGGGGII XX Che per il loro potere penetrante nell’epidermide e negli organi molli, vengono utilizzati nelle radioscopie.
RRAAGGGGII GGAAMMMMAA
Caratterizzati da un elevato potere penetrante, vengono emessi da sorgenti radioattive unitamente ad i raggi α e β, che però sono costituiti da emissioni di materia.
RRAAGGGGII CCOOSSMMIICCII La cui origine è tutt’ora ignota, provenienti dalla profondità dello spazio ed in grado di attraversare centinaia di metri di roccia prima di poter essere arrestati.
10
2.2 Suddivisione delle frequenze Hertziane
La banda delle frequenze Hertziane è stata suddivisa in ambito internazionale
nel seguente modo:
EELLFF Extremely Low Frequency da 30 a 300 Hz
UULLFF Ultra Low Frequency(1) da 300 a 3000 Hz
VVLLFF Very Low Frequency da 3 kHz a 30 kHz
LLFF Low Frequency da 30 kHz a 300 kHz
MMFF Medium Frequency da 300 kHz a 3 MHz
HHFF High Frequency da 3 MHz a 30 MHz
VVHHFF Very High Frequency da 30 MHz a 300 MHz
UUHHFF Ultra High Frquency da 300 MHz a 3 GHz
SSHHFF Super High Freqency da 3 GHz a 30 GHz
EEHHFF Extremely High Frequency da 30 GHz a 300 GHz
Le frequenze al di sopra dei 300 MHz spesso vengono indicate con il termine
di “microonde” (Microwave).
(1) alcuni autori chiamano la banda ULF “Voice Frequency (VF)”, essendo il campo di
frequenza 300-3000 Hz lo stesso di quello utilizzato in fonia. Tale designazione può, però, generare possibili confusioni, trattando di frequenze di O.E.M. le quali, “ovviamente”, non sono udibili.
11
In alcuni impieghi civili (Marina Mercantile, Ministero delle Poste, ambito
Radioamatoriale, Radioastronomia etc.) lo spettro elettromagnetico viene
invece suddiviso in funzione della lunghezza d’onda anziché con la frequenza,
in accordo alla seguente suddivisione:
FFRREEQQUUEENNZZEE LLUUNNGGHHEEZZZZEE DD’’OONNDDAA
ELF ONDE EXTRA LUNGHE
ULF ONDE ULTRA LUNGHE
VLF ONDE MOLTO LUNGHE
LF ONDE LUNGHE
MF ONDE MEDIE
HF ONDE CORTE
VHF ONDE MOLTO CORTE
UHF ONDE ULTRA CORTE
SHF ONDE SUPER CORTE
EHF ONDE EXTRA CORTE
12
3. PROPAGAZIONE DELLE ONDE E.M.
Ipotizzando una sorgente di onde E.M. posta sulla superficie terrestre che irradi
con la stessa intensità in tutte le direzioni, al di sopra della superficie, l’energia da
questa emessa può giungere ad una antenna ricevente seguendo uno o più dei
sottoindicati principali percorsi di propagazione (fig. 8) sinteticamente descritti ai
seguenti paragrafi 3.1, 3.2 e 3.3:
per onda di superficie (1);
per onda ionosferica (2);
per onda diretta (3).
Figura 8 – Possibili percorsi delle onde E.M.
In particolari circostanze, inoltre , è possibile stabilire un collegamento con la
stazione desiderata mediante:
Riflessione delle O.E.M. sulla superficie terrestre o su ostacoli di
dimensioni significative, rispetto alla lunghezza d’onda (paragrafo 3.4);
13
Diffrazione, ovvero, l’infrangersi delle onde su ostacoli appuntiti o
tondeggianti o su fessure di dimensioni paragonabili alla lunghezza d’onda,
per cui l’ostacolo diviene esso stesso una sorgente secondaria
dell’emissione che l’ha investito;
Diffusione (“scatter”) dell’onda quando questa si imbatte in un’anomala
concentrazione di gas (nella troposfera), di cariche elettriche (nella
ionosfera) o nella scia ionizzata lasciata da un meteorite (comportando
rispettivamente: scatter troposferico, ionosferico o meteoritico). Per meglio
comprendere tale fenomeno si pensi al diffondersi di un fascio luminoso
quando questo incontra un banco di nebbia.
Nei radiocollegamenti le O.E.M. possono raggiungere il ricevitore desiderato
avendo seguito uno solo o più dei suddetti percorsi.
3.1 Onda di superficie
3.1.1 Portate ottenibili
La propagazione delle O.E.M. per onda di superficie consente di ottenere
elevate portate operando nelle bande di frequenza LF ed MF, raggiungendo,
rispettivamente, sul mare, distanze di circa 2.000 km e 1.500 km, di giorno, e
di circa 1.500 km e 1.000 km di notte.
In banda HF, invece, tali portate vengono ad essere sensibilmente ridotte, in
quanto aumenta l’attenuazione provocata dalla superficie terrestre al crescere
della frequenza.
In tale banda, pertanto, l’onda superficiale risulta impiegabile per distanze tra
due Stazioni dell’ordine 500-800 km. su mare e degli 80 km. su terra, in
condizioni favorevoli; venendo, peraltro, fortemente penalizzata dalla
presenza, lungo il percorso di propagazione, di catene montuose, grandi centri
14
urbanizzati, vaste zone industrializzate, etc. e, in ogni caso, da tratti di
superficie caratterizzati da una bassa conduttività elettrica.
Per le bande di frequenza superiori all’HF, invece, le portate ottenibili per
onda di superficie si riducono in maniera talmente elevata da non poter essere
convenientemente utilizzabili per i radiocollegamenti.
Oltre che dalla frequenza (f) impiegata, dalla conduttività del suolo (σ), dalla
sua permettività (ε) e permeabilità (μ), la propagazione per onda di superficie è
fortemente condizionata anche dalla polarizzazione delle onde E.M..
La polarizzazione maggiormente favorevole per questo tipo di propagazione è
quella verticale, con la quale il vettore Campo Elettrico si mantiene
perpendicolare alla superficie terrestre nel suo propagarsi su di essa o in sua
prossimità (fig. 9).
Figura 9 – Onda di superficie con polarizzazione verticale
Le onde con polarizzazione verticale vengono tipicamente irradiate da antenne
verticali, quali, ad esempio, gli stili da 10 m per le comunicazioni in HF.
Ovviamente il suolo su cui avviene la propagazione deve possedere buone
caratteristiche di conduttività; altrimenti, se così non fosse, il vettore campo
elettrico penetrerebbe al suo interno, disperdendo così l’energia posseduta
dall’O.E.M. sotto forma di calore.
15
Peraltro, qualora si adottasse la polarizzazione orizzontale, l’attenuazione
risulterebbe essere notevolmente maggiore in quanto, per effetto della non
perfetta conduttività della superficie, il vettore campo elettrico scomparirebbe
rapidamente al di sotto di essa (fig.10).
Figura 10 – Onda di superficie con polarizzazione orizzontale.
La capacità delle O.E.M. di penetrare al di sotto della superficie terrestre è
tanto maggiore quanto più bassa è la frequenza.
L’intensità delle O.E.M. decresce esponenzialmente sotto la superficie e la
profondità alla quale tale intensità decade all’ 1/e-mo del valore sulla
superficie (ovvero del 63%) viene denominata “profondità di penetrazione δ”.
Esprimendo δ in metri, questa è approssimativamente ricavabile dalla seguente
relazione:
dove:
;f
503⋅σ
=δ
f è la frequenza in Hz;
σ è la conduttività del suolo espressa in Siemens/m.
16
Allo scopo di fornire un’indicazione sull’entità della penetrazione delle
O.E.M. al di sotto della superficie terrestre, si riportano, nella seguente tabella,
i valori di “δ”, espressi in metri, per tre diverse tipologie di superficie,
differenziate in funzione della loro specifica conduttività, e per tre differenti
valori di frequenza.
Tabella 1 – Profondità di penetrazione delle O.E.M. La capacità di penetrazione delle O.E.M. al di sotto della superficie viene
diffusamente impiegata per poter trasmettere da terra informazioni a
sommergibili immersi, raggiungendo profondità tanto maggiori quanto più
basse sono le frequenze impiegate.
3.1.2 Classificazione delle superfici
Come già anticipato, l’attenuazione provocata dalla superficie terrestre sulla
quale, o in prossimità della quale, avviene la propagazione dei vettori E ed
H , dipende dalle costanti elettromagnetiche della superficie medesima (ε, μ
e σ), oltre che dalla frequenza utilizzata, dalle asperità ed ostacoli presenti
sul terreno e dalla polarizzazione delle O.E.M..
A parità di altre condizioni, la conduttività “σ” ricopre un ruolo decisamente
rilevante per la determinazione delle portate raggiungibili, per cui in
PPrrooffoonnddiittàà ddii ppeenneettrraazziioonnee TTiippoo ddii ssuuppeerrffiicciiee
1100 kkHHzz 110000 kkHHzz 11 MMHHzz
Ottimo conduttore (mare) 2,5 m 0,7 m 0,25 m
Buon conduttore (prati, pascoli, etc.)
29 m 9,2 m 2,9 m
Cattivo conduttore (terreni sabbiosi, etc.)
92 m 29 m 9,2 m
17
funzione di questa le varie tipologie di superficie terrestre sono state
classificate in:
Ottimi conduttori (mare, σ ≅ 4 ÷ 5 S/m), -3Buoni conduttori (prati, pascoli, etc, σ ≅ 10 ÷ 30 10 S/m),
Cattivi conduttori (terreni sabbiosi, etc, σ ≅ 1 ÷ 3 10-3 S/m).
A tal proposito è opportuno evidenziare la notevole differenza tra i valori di
“σ” che caratterizzano il mare e quelli relativi agli altri tipi di superficie,
consistente in ben 2/3 ordini di grandezza.
Una prima indicazione sulle portate ottenibili sui sopracitati differenti tipi di
superficie, per diversi valori di frequenza, è ricavabile dai tre grafici riportati
nelle figure 11, 12 e 13, alle pagine seguenti.
I suddetti grafici sono stati elaborati ipotizzando un trasmettitore che fornisca
la potenza di 1 kW al piede di un’antenna omnidirezionale e riportando, sulla
base di tale assunzione, i valori di intensità del campo E rilevabili a varie
distanze. Pertanto, per una Stazione ricevente in grado di ricevere
correttamente segnali fino ad un noto minimo valore di intensità di campo
(ad es. 1μV/m), si potranno così ricavare direttamente le portate massime in
funzione della frequenza impiegata e della conduttività della superficie presa
in considerazione.
Tuttavia, mentre per il mare si può ritenere che per ampi tratti questo
mantenga inalterate le caratteristiche elettromagnetiche della sua superficie,
ben diversa è la situazione della terraferma, ove la conduttività e gli altri
parametri del suolo variano anche significativamente da una zona ad un’altra,
sia lungo ciascun singolo percorso di propagazione, sia in funzione della
direzione di tutti i possibili percorsi. Pertanto, non potendo conoscere con
esattezza i valori dei parametri radioelettrici della superficie lungo ciascun
percorso di propagazione, si dovrà far ricorso a valori mediati.
18
Una problematica particolarmente complessa si presenta in caso di
propagazione su percorso misto, ove cioè siano presenti tratti sia su mare che
su terra.
In tale evenienza, il calcolo per la determinazione delle portate ottenibili
diviene più laborioso in quanto deve essere valutato il decadimento della
potenza irradiata in maniera sequenziale su ciascuna delle singole tratte,
supposte a parametri radioelettrici costanti, in cui può immaginarsi suddiviso
il percorso di propagazione, e rieffettuando lo stesso calcolo per il percorso
inverso, mediando, infine, i valori ottenuti dai due processi di calcolo relativi
ai due versi del collegamento (metodo di Millington).
19
Figura 11 - Propagazione per onda di superficie su terreno cattivo conduttore.
20
Figura 12 - Propagazione per onda di superficie su terreno buon conduttore.
21
Figura 13 - Propagazione per onda di superficie su mare (ottimo conduttore).
22
Fattori per la determinazione delle portate3.1.3
I principali fattori che determinano le portate ottenibili con la propagazione
per onda di superficie sono i seguenti:
potenza trasmessa;
frequenza d’impiego;
guadagno dell’antenna Tx nella direzione utile per il collegamento;
tipo di modulazione;
rumorosità presente presso il sito ricevente;
eventuale guadagno dovuto alla direttività dell’antenna in ricezione;
conduttività del terreno;
presenza di ostacoli lungo il percorso di propagazione;
polarizzazione delle onde E.M..
23
3.2 Onda ionosferica
3.2.1 Costituzione della ionosfera
Prima di addentrarci nella trattazione della propagazione delle O.E.M. per via
ionosferica è opportuno fornire una succinta descrizione della ionosfera stessa.
La ionosfera è quella parte della atmosfera terrestre caratterizzata dalla
presenza di elettroni e di ioni liberi. Tale zona si comporta pertanto come un
corpo parzialmente conduttore e la propagazione delle onde E.M. in essa si
differenzia notevolmente da quella che avviene nel vuoto o nell’aria allo stato
neutro.
un magneto-Dal punto di vista fisico si può affermare che la ionosfera è:
plasma minoritario freddo e non denso.
Intendendo, con questa definizione, che i gas costituenti la ionosfera sono allo
stato plasmatico, essendo il “plasma”, come noto, un particolare stato di
aggregazione della materia, tale per cui il corpo preso in esame, esternamente,
nella sua globalità, si presenta con uno stato di carica elettrica neutra, mentre
al suo interno è costituito da “ioni +” e “ioni –” allo stato libero, in quantità tali
da eguagliare il valore complessivo delle cariche elettriche dei due segni.
Nel nostro caso, poi, il plasma ionosferico è immerso nel campo magnetico
terrestre, di qui il nome di magneto-plasma, oltre che mescolato ad altri gas
allo stato neutro, in quantità prevalente, di qui il termine di minoritario.
Il termine “freddo” si spiega con il fatto che l’agitazione degli ioni all’interno
della ionosfera è in minima parte dovuto ad effetti termici, mentre risente
essenzialmente, come meglio nel seguito vedremo, della presenza di campi
elettromagnetici incidenti.
L’aggettivo “non-denso”, infine, risulta di facile spiegazione in quanto, alle
quote a cui si estende la ionosfera, la densità dei gas ionizzati è decisamente
modesta, rispetto ad altri tipi di plasma esistenti in natura (ad es. lampada
fluorescente, atmosfera solare, plasma generato da laser, arco voltaico, etc.).
24
Figura 14 – Tipico andamento della densità elettronica con la quota.
Un tipico andamento del numero di elettroni liberi per m3 presenti
nell’atmosfera, al variare della quota, è riportato in fig. 14.
Sulla base della densità volumetrica degli ioni elettroni liberi presenti, l’atmosfera è stata suddivisa in due zone:
la neutrosfera (da 0 a ∼ 50 km di quota), ove la densità di elettroni liberi è
trascurabile;
la ionosfera (da ∼ 50 a ∼ 500 km di quota), ove la densità di elettroni liberi
è significativa (in effetti tracce di ionizzazione sono riscontrabili fino a
circa 1000 km di quota).
25
Dall’esame dell’andamento della densità di ionizzazione con la quota, sono
individuabili quattro massimi relativi che evidenziano una costituzione
stratificata della ionosfera, denominati rispettivamente:
Strato D (a circa 70 km di quota);
Strato E (a circa 120 km di quota);
Strato F 1 (a circa 250 km di quota);
Strato F 2 (a quota variabile tra 300 e 450 km).
Le fasce di ionosfera che comprendono tali massimi, prendono il nome di
regioni, per cui si avrà che:
la regione D si estende da circa 50 a circa 80 km;
la regione E si estende da circa 100 a circa 130 km;
la regione F 1 si estende da circa 200 a circa 250 km;
la regione F si estende da circa 300 a circa 500 km. 2
Le densità di ionizzazione dei suddetti strati e le loro quote non sono fisse ma
variano sia in dipendenza di fattori, noti o prevedibili, quali:
l’ora del giorno ,
la stagione ,
l’attività delle macchie solari ,
la latitudine geografica ;
sia in dipendenza di fattori occasionali quali, principalmente:
passaggi di meteoriti (con formazione di uno stato fortemente ionizzato al
bordo inferiore dello strato E che prende il nome di “E sporadico” e si
indica con Es);
irraggiamento corpuscolare dovuto ad attività solari particolarmente intense
come le eruzioni cromosferiche (“FLARES”).
Per poter spiegare la formazione della ionosfera è innanzitutto opportuno
richiamare alcuni basilari concetti.
26
La ionizzazione è il processo per cui un atomo o una molecola neutra,
perdendo o acquisendo elettroni, assume una carica elettrica positiva o
negativa.
L’energia necessaria per modificare l’assetto elettronico di un atomo è
chiamata “energia di ionizzazione”.
L’energia che incide sulla atmosfera terrestre proviene essenzialmente dal
Sole sia sotto forma di particelle solide (in special modo durante le tempeste
solari) sia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche in tutte le bande di
frequenza.
Nella teoria quantistica le radiazioni elettromagnetiche vengono considerate
come costituite da un insieme di pacchetti discreti e non frazionabili di
energia, chiamati “FOTONI”, il cui valore è proporzionale alla frequenza di
radiazione “ f “.
Più precisamente l’energia “E” di un fotone è data dalla seguente relazione:
E = h • f -34 Joule • s. dove h è la costante di Planck ed è uguale a 6,6256 x 10
La liberazione di elettroni, e quindi la formazione di ioni nell’atmosfera, ad
opera delle radiazioni E.M., è strettamente collegata ai seguenti fattori:
la frequenza della radiazione incidente;
il livello energetico degli elettroni costituenti una particolare sostanza
gassosa.
Per i gas costituenti l’atmosfera tra i 50 ed i 500 km di quota (azoto,
ossigeno, argon, elio, ossido di azoto etc.) il massimo del potenziale di
ionizzazione si ha ad opera dei fotoni ad alta energia caratterizzati dalla
frequenza di radiazione compresa nella banda dei raggi ultravioletti (UV) e
dei raggi X.
L’emissione di raggi UV e X da parte del Sole non è però costante in quanto
dipende:
sia dal fenomeno ciclico dell’apparire e disapparire delle macchie
solari (in media 11,1 anni);
27
sia da fenomeni imprevedibili quali tempeste solari con eruzioni
cromosferiche (“FLARES”).
Da quanto detto appare evidente che il fenomeno della ionizzazione nell’atmosfera può aver luogo solo in concomitanza delle seguenti condizioni:
adeguato irraggiamento solare nelle bande UV e X;
presenza di un adeguato numero di molecole gassose da ionizzare.
La ionizzazione che ne deriva viene a localizzarsi in una zona di atmosfera
compresa tra i circa 50 km ed i circa 500 km di quota a causa dei seguenti
fattori (fig. 15):
la densità dei gas costituenti l’atmosfera decresce con l’aumentare
della quota;
l’intensità dei raggi ionizzanti decresce al diminuire della quota.
Figura 15 – Ionizzazione dell’atmosfera.
28
Alle alte quote (oltre i 500 km), pertanto, nonostante l’irraggiamento UV e X
sia elevato, la densità molecolare dell’atmosfera è talmente bassa da far sì
che la risultante ionizzazione sia relativamente modesta.
Alle basse quote, d’altra parte, la densità molecolare dei gas presenti è
elevata, ma la radiazione solare UV e X giunge fortemente attenuata, avendo
ceduto energia nell’attraversamento dell’atmosfera sovrastante. Inoltre, a
causa della relativamente alta densità dei gas presenti, la probabilità di
ricombinazione tra ioni positivi ed elettroni è decisamente elevata, essendo
questi costretti a rimanere nelle reciproche vicinanze. Per entrambe le ragioni
su esposte quindi, anche alle quote comprese tra 0 e 50 km l’entità della
ionizzazione risulta essere trascurabile.
Nella zona compresa tra i circa 50 ed i circa 500 km di quota, invece, la
ionizzazione assume valori significativi, in quanto si realizzano le condizioni
ottimali di presenza di sufficiente energia ionizzante e sufficiente materia da
ionizzare, mentre la ricombinazione ioni/elettroni (pur se non totale) si
manifesta solo di notte, al cessare cioè della radiazione solare.
La composizione in più strati della ionosfera è dovuta principalmente ai
sottonotati fattori:
natura composita dell’atmosfera, i cui gas raggiungono le condizioni
ottimali di ionizzazione a quote differenti;
diverse lunghezze d’onda ionizzanti della radiazione solare;
diverse possibilità e tempi di ricombinazione ioni +/elettroni;
effetto schermante degli strati ionizzati sui gas sottostanti.
Gli strati ionosferici sono caratterizzati da una marcata variabilità, sia della
loro quota che della loro ionizzazione, in dipendenza dell’entità
dell’irraggiamento solare.
In estate, difatti, rispetto a quanto avviene nei mesi invernali, gli strati si
formano a quote più elevate a causa delle forti correnti ascensionali dovute al
maggior riscaldamento della superficie terrestre.
29
Per quanto concerne invece la ionizzazione, particolarmente evidente è la
differenza tra il giorno e la notte (fig. 16).
Difatti, mentre di giorno sono presenti tutti e quattro i suddetti strati (D, E, F1
e F2), di notte lo strato D sparisce, per ricombinazione ionica, e con esso
spariscono i sensibili effetti di attenuazione delle O.E.M. da questo causati
(rivelabili soprattutto in banda MF).
Anche lo strato E sparisce di notte, o ne rimangono deboli tracce, e lo strato
F viene ad essere conglobato nello strato F1 2 che si abbassa in quota
formando, così, l’unico strato F. Lo strato F2, invece, non risente
particolarmente del fenomeno della ricombinazione notturna, in quanto, i pur
numerosi ioni/elettroni presenti sono immersi in gas estremamente rarefatti,
tali cioè da non vincolarli a rimanere nelle reciproche vicinanze.
Fig. 16 – Stratificazione della ionosfera di giorno e di notte
30
Oltre che dall’ora del giorno la ionizzazione degli strati risente in maniera
significativa anche del ciclo undecennale delle macchie solari e del variare
delle stagioni.
Inoltre essa varia al variare della latitudine, il che è facilmente intuibile in
quanto l’irraggiamento solare decresce al crescere della latitudine,
spostandosi cioè dalle zone equatoriali a quelle polari.
E’ opportuno inoltre evidenziare, come già in precedenza accennato, che
l’entità della ionizzazione degli strati dipende anche da fattori estemporanei
ed imprevedibili quali, fondamentalmente, le eruzioni solari nella
cromosfera, con associate maggiori emissioni di radiazioni ionizzanti (raggi
UV e X) e di particelle ionizzate (vento solare), ed il passaggio di meteoriti
nell’alta atmosfera.
Dopo aver sinteticamente illustrato la costituzione e la formazione della
ionosfera, è opportuno a questo punto passare alla descrizione dei due
seguenti principali effetti che questa produce sulle O.E.M. che l’attraversano:
l’attenuazione della loro intensità;
l’incurvamento dei raggi di propagazione.
3.2.2 Attenuazione delle onde E.M.
Nell’attraversare la ionosfera, le O.E.M. subiscono una particolare
attenuazione, dovuta alla specificità del mezzo trasmissivo, che si aggiunge a
quella sempre presente di “free space”, la quale, come noto, è proporzionale
al quadrato della distanza dalla sorgente.
L’attenuazione ionosferica è tanto maggiore quanto minore è la frequenza
delle onde E.M. incidenti (Fig. 17). Tale fenomeno, per le ragioni che
spiegheremo in seguito, connesse agli effetti rifrattivi della ionosfera, si
presenta a partire dalla banda di frequenza MF in poi.
31
L’aumentare dell’attenuazione ionosferica al diminuire della frequenza delle
O.E.M. incidenti, si può spiegare nel seguente modo.
Quando un’onda E.M. penetra nella ionosfera, questa, per effetto del suo
campo elettrico alternativo, sollecita gli elettroni liberi ivi presenti a
muoversi anch’essi in modo alternativo, nella stessa direzione e verso del
campo elettrico incidente, pur se con un leggero ritardo di fase, e con una
velocità tanto maggiore quanto più a lungo dura la sollecitazione in uno
stesso verso, cioè quanto più bassa è la frequenza dell’onda incidente.
Figura 17 - Attenuazione delle onde E.M. nella ionosfera
Gli elettroni, pertanto, sono messi in movimento a scapito di una quota parte
di energia ceduta dall’onda E.M.; energia che essi comunque reirradiano tutta
e prontamente in quanto un elettrone in movimento alternativo costituisce un
elemento radiante con emissione isofrequenziale a quella dell’onda incidente,
potendo essere visto come una piccola corrente elettrica oscillante.
L’onda E.M. irradiata dal singolo elettrone si propaga su di un fronte d’onda
con superficie quasi sferica. Le onde sferiche generate dai vari elettroni
interferiscono però distruttivamente tra di loro, privilegiando una direzione
in cui vi è una interferenza costruttiva. L’onda E.M. risultante avrà pertanto
prevalentemente una determinata direzione di propagazione.
Peraltro, per effetto del loro movimento, alcuni elettroni possono essere
soggetti ad urti contro le molecole neutre, per cui l’energia ad essi ceduta
dall’onda E.M., invece di essere reirradiata, viene trasformata in calore.
32
L’attenuazione delle O.E.M. propagantesi nella ionosfera sarà quindi tanto
maggiore quanto più elevato sarà il numero degli urti degli elettroni con le
molecole neutre.
Più precisamente, tale attenuazione sarà tanto più elevata quanto:
maggiore è il prodotto “ υ⋅N ”, ove “N” indica il numero degli
elettroni liberi al m3 (che, tra i ∼ 50 km ed i ∼ 400 km, aumenta
all’aumentare della quota) e “υ ” la frequenza di collisione di questi
con le particelle neutre (che decresce all’aumentare della quota);
prodotto, pertanto, che si ottimizza a circa 70 km di quota, cioè nello
strato D; di conseguenza tale strato è il maggior responsabile
dell’attenuazione ionosferica;
maggiore è l’energia posseduta dagli elettroni urtanti, energia che
abbiamo visto essere tanto più elevata quanto più bassa è la frequenza
“f ” dell’onda E.M. incidente.
Esprimendo quanto detto in forma di relazione matematica, si ottiene quindi
che:
2fN υ⋅l’atten. iono è proporzionale al rapporto
L’effetto attenuativo dello strato D è facilmente riscontrabile nella banda
MF, ove avvengono le trasmissioni della Radiodiffusione in Modulazione
d’Ampiezza (banda 550 - 1600 kHz).
Con un comune ricevitore radio, difatti, è possibile riscontrare, di giorno, la
ricezione delle sole stazioni nazionali, (Radio Rai 1, Radio Rai 2, etc.), le cui
emissioni ci giungono per onda superficiale, in quanto quelle irradiate verso
la ionosfera vengono completamente assorbite dallo strato D.
Di notte, invece, scomparendo il suddetto strato, le onde di frequenza MF
riescono a raggiungere lo strato F, venendo da questo riflesse e consentendo
33
così la ricezione anche di emittenti molto lontane, ben al di fuori, cioè, del
territorio nazionale.
Finora abbiamo associato l’attenuazione della ionosfera al movimento degli
elettroni causati dall’O.E.M. incidente ed ai conseguenti urti con le molecole
neutre; è opportuno però precisare che anche gli ioni positivi risentono
dell’azione del campo elettrico alternativo, ma dato che la loro massa è
notevolmente maggiore di quella degli elettroni (di 3 ÷ 4 ordini di
grandezza), questi, a causa della loro inerzia, tendono a rimanere nelle loro
posizioni o, comunque, subiscono spostamenti talmente lievi da contribuire
al processo attenuativo in maniera trascurabile.
Anche l’influenza del campo magnetico alternativo dell’onda incidente sul
movimento degli “ioni +” e “ioni –” è talmente modesta da potersi ritenere
del tutto trascurabile ai fini dell’attenuazione complessivamente risultante.
3.2.3 Incurvamento dei raggi di propagazione
L’incurvamento dei raggi di propagazione delle onde elettromagnetiche di
frequenza inferiore a 30 MHz, che si verifica quando queste attraversano la
ionosfera, è dovuto ad un particolare fenomeno fisico noto con il nome di
“rifrazione”.
Per rifrazione s’intende:
“la variazione della direzione dei raggi di propagazione di un qualsivoglia
fenomeno ondulatorio, nel loro passaggio da un mezzo di determinate
caratteristiche ad un altro di caratteristiche differenti, per effetto della
conseguente variazione della loro velocità”.
In altre parole (fig. 18), nel passare dal mezzo “1”, che consente una velocità
di propagazione “ ” del fenomeno ondulatorio , al mezzo “2”, che invece
consente una velocità “ ”, i raggi di propagazione delle onde deviano dalla
loro direzione originaria, avvicinandosi
1v
2v
alla retta immaginaria tracciata
perpendicolarmente alla superficie di separazione dei due mezzi nel punto
“o” di incidenza di ciascun raggio, oppure allontanandosi da questa.
34
Più precisamente:
nel caso in cui > , il raggio si allontanerà2v 1v dalla normale alla superficie di
separazione dei due mezzi;
nel caso, invece, in cui < il raggio si avvicinerà a tale retta. 2v 1v
La rifrazione è un fenomeno che ci è familiare anche nella vita di tutti i
giorni; basti pensare a come ci appaia piegata una cannuccia immersa in un
bicchiere d’acqua, all’ingrandimento provocato dalle lenti ottiche utilizzate
in microscopi, cannocchiali e telescopi, alla scomposizione della luce bianca
nei colori dell’arcobaleno, etc.; tutti effetti, questi, che sono dovuti alla
rifrazione dei raggi luminosi.
Figura 18 – Rifrazione dei raggi di propagazione
Per conoscere il valore dell’angolo rifratto “r” (fig. 19), noti che siano i
valori dell’angolo di incidenza “i” e le velocità di propagazione “ ” e “ ” 1v 2v
35
nei due mezzi in questione, si deve far ricorso alla legge di SNELL, espressa
dal seguente rapporto:
122
1 kvv
rsenisen
==
La relazione esistente tra le direzione del raggio incidente e quella del raggio
rifratto sta quindi nei seni degli angoli corrispondenti; il cui rapporto, per i
due mezzi presi in considerazione, è costante (k12) ed è dato dal rapporto tra
le rispettive velocità di propagazione.
La legge che regola il fenomeno della rifrazione venne enunciata dal fisico
Willebrord SNELL nel 17° secolo, cioè circa 1500 anni dopo i primi
esperimenti effettuati dal filosofo ed astronomo CLAUDIO TOLOMEO (1°
sec. D.C.) in Alessandria d’Egitto (autore, tra l’altro, del trattato
Figura 19 – La legge di Snell
36
astronomico/scientifico noto come “ALMAGESTO”, la sua opera “magna”,
cioè il più grande dei suoi lavori).
TOLOMEO non si pose il problema di trovare la relazione esistente tra gli
angoli di incidenza e quelli rifratti; limitandosi a misurare gli angoli rifratti
dei raggi luminosi nel loro passaggio aria-acqua, per differenti angoli di
incidenza.
Tale atteggiamento non può che destare perplessità dato che CLAUDIO
TOLOMEO viene considerato, a ragion veduta, uno dei “padri” fondatori
della Trigonometria greca, avendo egli calcolato e tabulato, di 2
1°21° in , i
valori delle corde e delle frecce corrispondenti agli angoli al centro di una
circonferenza.
Il seno dell’angolo α (fig. 20), difatti, è pari alla metà della corda sottesa
dall’arco di cerchio di raggio unitario relativo all’angolo al centro (α+α1). Il
coseno dello stesso angolo, invece, si può ricavare sottraendo al raggio
unitario della circonferenza il valore della freccia corrispondente allo stesso
arco di cerchio.
Figura 20 – Relazioni esistenti tra seno, coseno, corda e freccia.
37
Nella Legge di SNELL, il valore costante del rapporto tra le velocità vale
solo per i due mezzi presi in esame, per cui tale formulazione risulta poco
agevole in caso di attraversamento, da parte dei raggi di propagazione, di un
mezzo le cui caratteristiche sono continuamente variabili, così come accade
per le O.E.M. che attraversano la ionosfera.
Nella spiegazione di tali fenomeni rifrattivi, viene pertanto introdotto, per
comodità di trattazione, l’indice di rifrazione “n” di un mezzo così definito:
;vcn =
dove:
c è la velocità delle O.E.M. nel vuoto;
v è la velocità delle O.E.M. nel mezzo considerato.
Essendo , in accordo alla teoria della relatività di Einstein, se ne deduce
che l’indice di rifrazione “n” è sempre ≥ 1
vc ≥
.
Adottando l’indice di rifrazione n così come soprai definito e facendo
riferimento alla Fig. 21, avendo indicato con:
“O” il punto di incidenza di un raggio di propagazione sulla superficie di
separazione dei due mezzi considerati,
“i” l’angolo di incidenza del raggio considerato, rispetto alla normale, nel
punto “O” (0° ≤ i ≤ 90°),
“r” l’angolo di rifrazione del raggio considerato, rispetto alla normale,
nel punto “O” (0° ≤ r ≤ 90°);
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
1vc “n1 “ l’indice di rifrazione del mezzo “1” ;
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2vc “n ” l’indice di rifrazione del mezzo “2” ; 2
38
la legge di SNELL può quindi esprimersi nel seguente modo:
• sen i = nn1 2 • sen r
Figura 21 - Rifrazione dei raggi di propagazione avendo introdotto l’indice “n”
Se n >n2 1, dovendo mantenere l’uguaglianza tra i due termini
dell’espressione, sen r dovrà essere minore di sen i; ne risulta quindi che
r<i; di conseguenza la rifrazione avverrà con un avvicinamento del raggio
rifratto alla normale.
<nSe n2 1, invece, sen r dovrà essere maggiore di sen i; ne consegue, quindi,
che r>i, per cui la rifrazione avverrà con un allontanamento del raggio
rifratto dalla normale.
In questo secondo caso, l’angolo di incidenza i1 tale per cui r = 90° si
definisce angolo limite (fig. 22).
39
Figura 22 - Angolo limite i1
Come si può facilmente ricavare:
sen i = n /n ; 1 1 2
per cui :
i = arcsen n /n1 1 2
Per angoli di incidenza maggiori dell’angolo limite non si avrà più la
rifrazione ma bensì la riflessione totale delle O.E.M., condizione, questa, in
cui il raggio riflesso forma, rispetto alla normale, un angolo “r1” uguale a
quello del raggio incidente (fig. 22).
Per la ionosfera si può ricavare, mediante opportuni calcoli, che si omettono
per brevità, che il relativo indice di rifrazione “ ” è dato da: in
2811fNni −= ;
dove:
N = numero di elettroni liberi al m3 di gas,
f = frequenza dell’onda incidente.
Nella ionosfera, dunque, l’indice di rifrazione “ ” risulta essere inferiore o,
al massimo, uguale ad “1”.
in
40
Ma se n < 1, ove con “v < 1 anche c/vi i i“ abbiamo indicato la velocità delle
O.E.M. nella ionosfera, da cui si ricava che nella ionosfera v > c. i
Tale relazione può sembrare un paradosso fisico in netto contrasto con la
“Teoria della Relatività”; in realtà, invece, nella definizione di “n” per la
ionosfera, con “v ” si intende la velocità di fase dell’ondai (vf) e cioè la
velocità con cui essa varia, in modo ciclico, al propagarsi dell’onda; velocità
che è definita dalla ben nota relazione:
fv f ⋅= λ
Alla velocità “vf”, pertanto, non è associato alcun trasporto né di massa né di
energia.
Il fatto che “vf” nella Ionosfera sia maggiore di “c”, vuol semplicemente
significare che nella ionosfera, a parità di frequenza, la lunghezza d’onda è
maggiore che nel vuoto.
L’energia dell’onda e.m. viaggia, invece, con la cosiddetta velocità di gruppo
(vg), in accordo alla “teoria quantistica”, velocità che, ovviamente, non può
eccedere quella della luce; intendendo, per velocità di gruppo, la velocità con
cui si propaga il gruppo dei fotoni costituenti la radiazione.
Il FOTONE è l’elemento unitario indivisibile (il “quantum”, cioè il
“pezzettino”) dell’energia trasportata dalle o.e.m. elettromagnetica, così
come, analogamente, l’ELETTRONE è il “quantum” della carica elettrica.
L’energia “E” trasportata da ciascun fotone è data dalla ben nota Legge di
Plank:
fhE •=
dove:
“h” è la costante di Plank;
“f” è la frequenza della radiazione.
41
La velocità di fase e la velocità di gruppo delle o.e.m. sono legate dalla
seguente relazione:
gf vvc ⋅=
Sulla base di quanto detto si può concludere, pertanto, che le o.e.m. si
presentano con una doppia natura, ovverosia:
ondulatoria per quanto concerne le modalità con cui avviene la loro
propagazione,
quantistica per quanto riguarda, invece, la radiazione dell’energia ad esse
associata.
Nella ionosfera il numero di elettroni al m3 varia con la quota con un
andamento del tipo indicato in figura 23.
Figura 23 – Tipico andamento della ionizzazione al variare della quota
42
Ricordando la relazione:
ni N f= −1 81 2/
se ne deduce che:
ni è sempre ≤1, e quindi è sempre minore dell’indice di rifrazione del
vuoto o, al limite, uguale a questo;
ni diminuisce al diminuire della frequenza, pertanto, al diminuire di
questa, si accentuerà l’incurvamento dei raggi nell’attraversamento della
ionosfera;
per f > 30 MHz, il termine 81N/f2 diviene trascurabile, per cui ni è quasi
uguale ad “1”, di conseguenza i raggi di propagazione non subiscono
apprezzabili incurvamenti nell’attraversamento della ionosfera;
n diminuisce all’aumentare del numero di elettroni “N” al m3i , pertanto,
all’aumentare della quota, aumentando “N”, si avrà una diminuzione di
“n”; di conseguenza, lo strato maggiormente responsabile degli
incurvamenti dei raggi è lo strato F2, in quanto è quello caratterizzato da
una maggiore densità di ionizzazione.
Se ora immaginiamo la ionosfera come se fosse costituita da tanti straterelli,
ciascuno con una densità di ionizzazione omogenea al suo interno e, quindi,
contraddistinto da un proprio indice di rifrazione n , n , n , n1 2 3 4, etc., ove, in
base a quanto anzidetto:
n > n > n > n > etc.....; 1 2 3 4
<i <i <i < etc….. si ottiene la situazione rappresentata in Fig. 24, ove i1 2 3 4
Attraversando la ionosfera, nel passaggio da uno straterello ad un altro, i
raggi di propagazione relativi ad una emissione di frequenza “f”, si
allontanano sempre di più dalla normale, per cui sul bordo inferiore dello
43
strato successivo si presentano con angoli di incidenza “i” maggiori rispetto a
quelli relativi allo strato precedente (fig.24).
Figura 24 - La riflessione ionosferica.
Nel momento in cui un raggio, nella sua ascesa, si presenterà sullo straterello
successivo con un angolo di incidenza superiore all’angolo limite, esso verrà
totalmente riflesso e tornerà verso terra subendo, in discesa, un processo di
rifrazione caratterizzato da un riavvicinamento alla normale, in quanto,
diminuendo N al diminuire della quota, troverà, di conseguenza, valori di “n”
in aumento.
Appare inoltre evidente che, oltre che dalla frequenza impiegata e dalla
ionizzazione degli strati, la possibilità che si verifichi la riflessione delle
onde verso terra, dipende anche dagli angoli iniziali di incidenza “i ”1 dei
raggi sul bordo inferiore della ionosfera, angoli che sono complementari ai
corrispettivi angoli di radiazione β. Pertanto, a parità di altre condizioni,
tanto minore sarà l’angolo iniziale “i1” (ovvero tanto maggiore sarà l’angolo
β) tanto maggiore sarà la penetrazione delle O.E.M. nella ionosfera prima
che si possano verificare le condizioni per la riflessione totale (fig. 25).
44
Figura. 25 – Percorsi di differenti raggi di propagazione a parità di frequenza.
Per valori degli angoli “i1” iniziali molto piccoli (e quindi β molto elevati)
potrebbe però verificarsi anche il caso che le successive rifrazioni dei raggi
non siano sufficienti al raggiungimento delle condizioni necessarie per la
loro riflessione, per cui le onde, dopo essere state deviate nel loro percorso,
si perderebbero nello spazio, “bucando”, come si usa dire, la ionosfera.
Viceversa, tanto maggiore sarà l’angolo “i1” (ovvero tanto minore sarà
l’angolo β), tanto minore sarà la penetrazione delle O.E.M. nella ionosfera
prima che si verifichino le condizioni per la riflessione totale.
D’altra parte, per quanto concerne l’influenza della frequenza delle O.E.M.,
si osserva che, a parità di angolo di radiazione β del raggio considerato (fig.
26), utilizzando una frequenza “f1“ minore rispetto a quella “f” finora
ipotizzata, i valori dell’indice di rifrazione “ni” degli straterelli, assumono
valori più bassi rispetto a quelli relativi al caso prima considerato ed
illustrato in Figura 24, per cui i corrispettivi angoli rifratti saranno maggiori
rispetto a quelli in precedenza visti; di conseguenza, il superamento
dell’angolo limite avverrà ad una quota più bassa rispetto a quella in cui si è
avuta la riflessione per la frequenza “f”.
45
Figura 26 - Differenziazione dei percorsi di propagazione al variare della
frequenza a parità di angolo di radiazione.
Peraltro, utilizzando una frequenza “f2” superiore a quella “f” inizialmente
presa a riferimento, l’effetto rifrattivo sarà minore, per cui le condizioni per
la riflessione si verificheranno a quote più elevate.
Continuando ad aumentare la frequenza, l’effetto rifrattivo può ridursi al
punto tale che i raggi oltrepasseranno la ionosfera prima di aver raggiunto le
condizioni necessarie per la riflessione (foramento degli strati).
Sulla base delle considerazioni fin qui fatte, è così possibile comprendere gli
effetti della ionosfera sia sulle onde caratterizzate da bassi valori di
frequenza (inferiori alle MF), le quali vengono totalmente riflesse già dal
bordo inferiore della ionosfera, senza cioè poter penetrare al suo interno; sia
su quelle di frequenza molto alta (superiore all’HF), che invece forano gli
strati senza subire alcun fenomeno di tipo rifrattivo.
Lo studio della ionosfera e dei suoi effetti sulle O.E.M. ai fini delle
radiocomunicazioni è pertanto essenzialmente rivolto alle frequenze MF ed
HF, ed in particolar modo a queste ultime; in quanto queste penetrano nella
46
ionosfera e subiscono, al suo interno, sia attenuazioni che
rifrazioni/riflessioni.
Per effettuare previsioni di portata di collegamento per onda ionosferica,
risulta poco agevole ragionare, per ogni frequenza, in funzione di tutti i
possibili angoli di radiazione dei raggi.
In pratica, pertanto, per poter determinare le frequenze idonee a stabilire i
collegamenti per onda ionosferica tra due stazioni occorre, innanzitutto,
rilevare un dato fondamentale:
la frequenza critica “fo”.
Si definisce frequenza critica “fo”: la massima frequenza che trasmessa
con incidenza verticale (“i” = 0°) viene riflessa ad opera della ionosfera,
in determinate condizioni di ionizzazione.
Pertanto, le frequenze più alte di “fo”, anch’esse irradiate con incidenza
verticale, non ritornano sulla Terra ma forano la ionosfera perdendosi così
nello spazio.
Più precisamente, è opportuno evidenziare che ogni strato della ionosfera (D,
E, F e F1 2), in quanto caratterizzato da un proprio valore di ionizzazione, è
contraddistinto dalla sua frequenza critica, tanto più bassa quanto più bassa è
la ionizzazione dello strato e quindi quanto minore è la sua quota (dato che la
densità di cariche elettriche ha un andamento crescente da ≈ 50 km a ≈ 500
km).
Tipici valori medi delle frequenze critiche “fo” relative ai singoli strati sono i
seguenti:
foD - Strato D = ∼ 0.3 MHz;
foE - Strato E = ∼ 2 MHz;
foF1 - Strato F1 = ∼ 3-5 MHz;
foF2 - Strato F2 = ∼ 9-12 MHz.
47
Tali valori possono variare anche sensibilmente da quelli sopra riportati in
funzione della ionizzazione presente.
Ovviamente, parlando di frequenza critica “fo” della ionosfera in generale, si
intende la più alta delle singole frequenze critiche, cioè quella relativa allo
strato F2.
Per poter spiegare il fenomeno della riflessione totale di un’onda E.M. con
angolo di incidenza verticale i=0°, che appare in netto contrasto con quanto
previsto dalla legge di Snell, è opportuno far nuovamente riferimento alla
seguente relazione con la quale viene esplicitato il valore dell’indice di
rifrazione “n ” della ionosfera. i
2i
i fN811
vcn −== .
Tale indice, ovviamente, in quanto esprime il rapporto tra due velocità, ha le
dimensioni di un numero puro, reale e positivo.
Come si può facilmente constatare, il rapporto c/vi si annulla per la frequenza
di valore “fo” = 9 N che, per l’appunto, è la frequenza critica in precedenza
definita. Per tale frequenza la propagazione delle O.E.M. nella ionosfera è
fisicamente impossibile in quanto comporterebbe una irrealistica velocità di
fase “v ” e relativa lunghezza d’onda λ, di valore infinito. i
Analogamente, anche per frequenze il cui valore è inferiore a 9 N , la
propagazione per via ionosferica è fisicamente impossibile, in quanto il
rapporto c/v verrebbe ad assumere valori immaginari. i
Tale particolare comportamento della ionosfera si spiega per il fatto che gli
elettroni in essa contenuti, nel loro oscillare per effetto della frequenza di
un’onda E.M. incidente, coinvolgono anche gli altri ioni +/elettroni
circostanti, a causa delle forze attrattive e repulsive dei campi elettrici in
48
gioco, con una frequenza di vibrazione che non può essere inferiore ad un
certo valore, detta “frequenza di plasma” e coincidente con la “fo” anzivista.
Per meglio comprendere questo fenomeno è opportuno prendere ad esempio i
metalli, sulla cui superficie, come noto, scorrono elettroni liberi. Da questo
punto di vista, pertanto, i metalli possono essere considerati come materia
allo stato “plasmatico” ad elevata densità di ionizzazione.
Riprendendo in esame la relazione che lega la frequenza critica di un plasma
alla densità di ionizzazione:
N9fo =
e sostituendo in N il grandissimo numero degli elettroni liberi al m3 presenti
sulla superficie dei metalli, si ottiene un valore elevatissimo di “fo” che,
come ordine di grandezza, cade oltre la banda dei raggi X.
Le superfici dei metalli, difatti, riflettono le O.E.M. di valore
inferiore/uguale a quelle dei raggi X, mentre si lasciano attraversare dalle
onde di frequenza superiore (raggi γ e raggi cosmici).
3.2.4 Previsioni ionosferiche
Per le previsioni di propagazione ionosferica, note che siano la distanza tra le
due Stazioni interessate e l’altezza degli strati, si possono facilmente
determinare i possibili angoli di radiazione “β” dei raggi utili per il
collegamento. Nota anche la frequenza critica “fo” nel punto di mezzo del
collegamento, si può così ricavare la massima frequenza utilizzabile
(Maximum Usable Frequency = MUF) che verrà riflessa, applicando la
sottonotata legge detta della “secante” (inverso del coseno):
secfo ⋅MUF = ì
49
Essendo il coseno di un angolo sempre ≤ 1, la secante è sempre ≥ 1; ne
consegue, quindi, che la MUF è sempre ≥ di “fo”.
La suddetta relazione non tiene conto del fatto che gli strati ionosferici,
anziché piani, come finora ipotizzato, sono in realtà curvi, per cui si dovrà
poi introdurre un fattore correttivo K; pertanto la suddetta legge si può più
correttamente esprimere nel seguente modo:
secfoKMUF ⋅⋅= i
Essendo la MUF, per sua stessa definizione, la massima frequenza che per un
determinato angolo di incidenza “i” viene riflessa ad opera della ionosfera,
ne consegue che le onde di frequenza ad essa superiore perforano gli strati.
Peraltro, impiegando frequenze inferiori alla MUF relativa al collegamento
ionosferico desiderato, si ottiene sempre la riflessione delle O.E.M..
Esiste però un limite inferiore del valore di frequenza utilizzabile, al di sotto
del quale non è possibile operare a causa dell’elevata attenuazione introdotta
dalla ionosfera; attenuazione che, come in precedenza visto, è tanto più alta
quanto più bassa è la frequenza.
Tale frequenza limite inferiore prende il nome di LUF (Lowest Usable
Frequency).
Pertanto, per rendere minima l’attenuazione ionosferica converrebbe operare
il più vicino alla MUF prevista ma, per occasionali fluttuazione dell’altezza e
della densità degli strati ionosferici, questa potrebbe risultare superiore alla
MUF effettiva, con conseguente perforamento degli strati da parte delle
onde.
Per ovviare a tali possibili rischi, è quindi consigliabile operare con una
frequenza il cui valore è del 10% ÷ 15% inferiore alla MUF prevista. Tale
frequenza viene detta FOT (Frequence Optime de Travail), traducibile in
italiano anche come Frequenza Ottimale di Traffico, oppure OWF (Optimum
Working Frequency), adottando la terminologia anglosassone.
50
Per la previsione della MUF (da cui si può così ricavare la FOT) entrano in
gioco:
sia i seguenti fattori, in quanto influiscono sull’altezza e sulla densità
ionica degli strati atmosferici:
♦ stagione;
♦ ora del giorno;
♦ latitudine dei siti Tx e Rx,
♦ macchie solari;
sia la distanza tra le Stazioni tra le quali si vuol instaurare il
collegamento, in quanto questa stabilisce gli angoli di radiazione utili al
collegamento.
Per la previsione della LUF entrano invece in gioco, oltre ai suddetti fattori,
anche altri specifici elementi caratteristici relativi alle Stazioni Tx e Rx,
quali, principalmente:
la potenza emessa dai trasmettitori,
la direttività delle antenne Tx ed Rx utilizzate nella direzione utile al
collegamento,
la rumorosità presente presso il sito ricevente,
la modalità con cui si intende effettuare la comunicazione (ad es. fonia in
AM, TTY in SSB, etc.).
In pratica, quindi, nota la posizione geografica e la distanza tra le due
Stazioni da collegare, in un dato giorno/mese/anno, note le caratteristiche
principali delle due stazioni Tx ed Rx, la ionosfera può consentire il
collegamento tra queste entro una gamma continua di frequenze, compresa
tra la LUF e la MUF, gamma che varia, a parità di altre condizioni, con l’ora
del giorno.
51
Riportando su di un grafico l’andamento giornaliero della MUF e della LUF
per un dato collegamento, si ottengono le curve del tipo indicato
nell’esempio di fig. 27.
Figura 27 – Tipico andamento della MUF e LUF in funzione dell’ora del giorno per
un dato collegamento.
L’andamento delle curve MUF e LUF presenta, normalmente, una evidente
campanatura con il massimo in corrispondenza delle ore diurne (in genere tra
le ore 12 e le ore 14), ovvero in concomitanza del massimo irraggiamento
solare e quindi della massima ionizzazione.
Dal punto di vista operativo, ciò comporta che:
nelle ore diurne, essendo presente lo strato D, le frequenze impiegabili
devono essere elevate, nei limiti consentiti dall’entità della ionizzazione,
per non risentire eccessivamente dei fenomeni di attenuazione da questo
provocati, il che comporta anche l’innalzamento della LUF;
52
nelle ore notturne, invece, è necessario utilizzare frequenze più basse, in
quanto, se così non fosse, a causa dell’assottigliamento della ionosfera,
costituita, praticamente, dal solo strato “F”, le O.E.M. la perforerebbero
prima di poter raggiungere le condizioni di riflessione.
Nella trattazione fin qui svolta sono stati descritti gli effetti provocati dalla
ionosfera sulle O.E.M., nella sua globalità. Tuttavia è opportuno precisare
che ciascun singolo strato esercita una propria influenza sulle onde in arrivo
e presenta peculiari caratteristiche, così come evidenziato ai seguenti punti.
Lo strato D: assorbe completamente le frequenze MF, attenua sensibilmente
le HF e riflette totalmente le onde di frequenza più bassa fino alle LF incluse;
è caratterizzato da una “fo” di circa 300 kHz e sparisce di notte.
Lo strato E: riflette le O.E.M. con incidenza obliqua fino a circa 20 MHz,
consente riflessioni per salto singolo fino a circa 2000 km di distanza; è
caratterizzato da una “fo” di circa 2 MHz; di notte sparisce o ne rimangono
deboli tracce; al suo bordo inferiore, per effetto del passaggio di meteoriti,
può formarsi lo strato E sporadico (Es).
Lo strato F1: riflette le O.E.M. con incidenza obliqua fino a circa 25 MHz e
consente riflessione per salto singolo fino a 3.400 km; è caratterizzato da una
“fo” di circa 3 MHz; di notte viene conglobato nello strato F2.
Lo strato F2: è quello maggiormente ionizzato; può riflettere le onde con
incidenza obliqua fino a circa 40 MHz; è anche lo strato più alto in quota e
consente, quindi, di conseguire le maggiori distanze nei collegamenti, cioè
fino a circa 4.000 km con un singolo salto; è caratterizzato da una “fo” che
può variare da ∼ 5 MHz a ∼ 15 MHz; di notte rimane ionizzato e si abbassa
in quota.
53
3.2.5 Effetto della distanza sulla comunicazione per onda ionosferica
Al variare della distanza tra le due stazioni, la campanatura cambia aspetto,
nel senso che si accentua sempre di più all’aumentare della distanza;
appiattendosi, invece, al diminuire di questa (fig. 28).
54
Distanza Angoli di radiazione β
Fig. 28 – Andamento della MUF e LUF(2) (3) in funzione della distanza a parità di
altre condizioni.
(2) Le curve superiori riportate nei grafici rappresentano la MUF per differenti probabilità di
previsione. (3) Le curve inferiori rappresentano invece la LUF per differenti probabilità di previsione.
55
Tale diversità nell’andamento delle curve MUF e LUF al variare della
distanza si può spiegare prendendo in considerazione gli angoli utili di
radiazione β (fig. 29).
Figura 29 – Angolo di radiazione β.
Per le brevi distanze, difatti, gli angoli di radiazione utili devono essere
necessariamente elevati (fig. 30) per consentire la desiderata geometria del
collegamento. Ma ad angoli di radiazione elevati corrispondono piccoli
angoli di incidenza sulla ionosfera, con elevato rischio di perforazione degli
strati, per cui si rende necessario utilizzare frequenze basse, in quanto queste
risentono sensibilmente della ionizzazione presente, subendo marcati
fenomeni rifrattivi.
Figura 30 - Collegamento iono per brevi distanze.
56
Peraltro, per le grandi distanze (fig. 31), è necessario utilizzare frequenze
elevate, in quanto gli angoli di radiazione utili per la geometria del
collegamento devono essere piccoli e ad essi corrispondono elevati angoli di
incidenza sulla ionosfera. Solo le frequenze elevate, difatti, risentendo meno
degli effetti rifrattivi della ionosfera, sono in grado di penetrare il più in alto
possibile al suo interno prima di riflettersi, permettendo così l’effettuazione
di un “lungo” balzo alle O.E.M..
Fig. 31 - Collegamento iono per lunghe distanze.
Un elevato valore della frequenza consente, inoltre, di limitare le
attenuazioni nel lungo tragitto attraverso la ionosfera, in particolar modo
nelle ore diurne, in presenza cioè dello strato D. In tal modo si spiega,
quindi, l’innalzamento della LUF all’aumentare della distanza, a parità di
altre condizioni.
Un ulteriore vantaggio nell’utilizzo delle frequenze maggiormente elevate tra
quelle idonee a stabilire il collegamento desiderato è dovuto al fatto che
all’aumentare della frequenza diminuisce l’entità del rumore radioelettrico
rilevabile presso il sito ricevente, rumore che, per le frequenze in gioco, è in
massima parte dovuto alle scariche atmosferiche che avvengono nelle zone
tropicali ed alle attività industriali, e che diminuisce all’aumentare della
frequenza.
Sintetizzando quanto detto sugli effetti rifrattivi della ionosfera sulle O.E.M.,
si può affermare quanto segue:
57
♦ le onde di frequenza molto bassa raggiungono le condizioni di
riflessione per tutti gli angoli di radiazione, inclusi quelli prossimi alla
verticale;
♦ le onde lanciate con piccoli angoli di radiazione β si propagano a
distanze più elevate di quelle lanciate con angoli maggiori;
♦ le onde subiscono una rifrazione maggiore alle quote più elevate, ove
più alta è la concentrazione ionica (strato F ); 2
♦ le onde di frequenza più elevata penetrano maggiormente nella
ionosfera prima di essere riflesse.
Pertanto:
♦ per elevate distanze si devono utilizzare alte frequenze;
♦ per brevi distanze si devono utilizzare basse frequenze.
Si fa inoltre rilevare che le frequenze più elevate sono meno attenuate e
meno affette da disturbi di origine atmosferica ed industriale, per cui con
esse si ottiene la miglior qualità nei collegamenti radio HF e, quindi, la
maggior velocità di trasmissione dati.
3.2.6 Distanza e zona Skip
Riprendendo quanto in precedenza esposto, la frequenza critica “fo” viene
definita come la massima frequenza alla quale le O.E.M. incidenti
verticalmente sulla ionosfera possono essere da questa totalmente riflesse.
Ciò vuol dire che, operando a frequenze minori di “fo”, le onde irradiate
dall’antenna, per qualsiasi angolo di radiazione β, tornano al suolo (fig. 32);
per cui anche l’area nelle vicinanze dell’antenna trasmittente viene ad essere
coperta in maniera continua dall’onda di cielo.
Trasmettendo, invece, con frequenze di valore superiore a quella critica, si
otterrà una situazione del tipo raffigurato in fig. 33.
58
Figura 32 – Riflessione ionosferica per f < fo
Figura 33 - Riflessione ionosferica per f > fo – Distanza e zona SKIP
59
Come si può vedere, i raggi caratterizzati da elevati angoli di radiazione β
“bucano” gli strati ionizzati, mentre quelli emessi con angoli β più bassi di
un certo valore vengono riflessi.
Pertanto, in un’area delimitata intorno alla Stazione trasmittente non
giungerà alcun raggio per onda di cielo.
La distanza tra l’antenna trasmittente ed il punto in cui cade il primo raggio
riflesso (tratta nella fig. 33) prende il nome di “distanza di SKIPTS ”
(“SKIP” in inglese significa: balzo).
Riprendendo in considerazione la seguente relazione che lega l’indice di
rifrazione n della ionosfera alla frequenza: i
2i f/N811n −=
unitamente alla legge di SNELL, si può facilmente dedurre che: la distanza
di SKIP è tanto più breve quanto più bassa è la frequenza e/o quanto più
elevata è la ionizzazione dello strato, in quanto entrambe le situazioni
comportano una diminuzione di “ni” e quindi una accentuazione
dell’incurvamento dei raggi verso terra.
D’altra parte però, operando con frequenze in banda HF, l’area compresa tra
l’antenna T ed il punto S ove cade il primo raggio riflesso risulta in parte
coperta dall’onda di superficie (tratta nella fig. 33). TG
La restante area, (tratta GS), non coperta da alcun tipo di propagazione, né
ionosferica né superficiale, prende il nome di “zona SKIP”.
In tale zona, pertanto, mettendosi nelle condizioni sopraindicate, si avrà il
silenzio radio.
Per ridurre l’estensione della zona SKIP è sufficiente diminuire la frequenza
delle O.E.M. in quanto, così facendo, da un lato si aumenta la portata per
onda superficiale e, dall’altro, si riduce la distanza di SKIP.
60
3.2.7 Effetto delle stagioni sulla propagazione ionosferica.
La propagazione ionosferica varia con le stagioni, in relazione alle notevoli
variazioni dell’irraggiamento solare che si verificano nel corso di un anno.
Figura 34 a) – Esempio grafico di previsione nel periodo invernale
Come regola generale, maggiore è l’angolo di incidenza della radiazione
solare su una data zona dell’alta atmosfera, tanto più elevata sarà la
ionizzazione risultante.
Una significativa eccezione a questa regola è rappresentata dall’entità della
ionizzazione che si ha in inverno durante le ore di luce (fig. 34 a) in
confronto a quella che si ha in estate nelle stesse ore (fig. 34 b).
61
Figura 34 b) – Esempio grafico di previsione nel periodo estivo
Infatti d’inverno, benché l’angolo di incidenza dei raggi solari sia minore che
d’estate, nelle ore centrali della giornata si assiste ad una ionizzazione molto
elevata, superiore ai valori estivi a parità di attività solare, che realizza
condizioni straordinarie di propagazione.
Questo fenomeno, che prende il nome di “anomalia invernale”, si ritiene
possa essere causato dalla minore temperatura invernale, per effetto della
quale l’atmosfera si comprime a quote più basse, offrendo alle radiazioni
solari strati più densi, rispetto a quelli presenti nei mesi estivi.
3.2.8 Effetto della latitudine sulla propagazione ionosferica.
L’intensità dell’irraggiamento solare è maggiore nelle zone equatoriali, per
cui in queste regioni si verificano condizioni di ionizzazione elevate durante
tutto l’anno. La massima ionizzazione si ha a latitudine 20°.
Alle alte latitudini (nord e sud), invece, il basso angolo d’incidenza dei raggi
solari comporta una ionizzazione di scarsa entità.
62
Ad opera delle emissioni corpuscolari da parte del sole, inoltre, ai poli si
verificano condizioni di ionizzazione molto particolari ed irregolari che in
taluni casi possono provocare quei fenomeni di luminescenza notturna noti
come “aurore boreali”.
Alcune variazioni fra le condizioni di ionizzazione nelle differenti aree del
globo sono in rapporto con il campo magnetico terrestre.
Per effetto di tali interazioni, alle latitudini di circa 60° nelle ore notturne, si
riscontrano valori molto bassi di ionizzazione, fenomeno, questo che prende
il nome di: “anomalia delle medie latitudini”.
3.2.9 Effetto dell’attività solare sulla propagazione ionosferica
La superficie del sole (fotosfera) è caratterizzata dalla presenza di macchie
solari che si presentano come immagini scure di forma irregolare, a volte
isolate ma più spesso riunite in gruppi, il cui numero varia secondo un ciclo
periodico medio di 11 anni.
Il flusso solare, radiante e corpuscolato, è in relazione con il numero di
macchie solari.
Le macchie solari sono costituite da zone della fotosfera ove la temperatura è
più bassa (4000 °C anziché i 6000 della superficie) e sono caratterizzate da
fortissimi campi magnetici in variazione che generano forti emissioni di
O.E.M. nella gamma dei raggi ultravioletti e dei raggi X.
I primi rilevamenti delle macchie risalgono al 1690, in quanto legati
all’invenzione del telescopio, ma solo nel 1755 gli astronomi hanno
impostato sistematicamente queste ricerche, iniziando la numerazione dei
cicli di attività solare.
Nei periodi di alta attività solare (elevato numero di macchie) la ionizzazione
dell’atmosfera è elevata, il che consente l’utilizzo di frequenze elevate (25÷
63
30 MHz) per i collegamenti a grandissima distanza anche con piccole
potenze. Nei periodi, invece, di scarso numero di macchie, devono essere
utilizzate frequenze più basse in quanto i valori di ionizzazione sono più
bassi.
Alla data in cui si scrive, il numero delle macchie è in fase discendente,
essendosi verificato un massimo nel 2001 ed essendo previsto un minimo per
l’anno 2006.
Il prossimo massimo è previsto per l’anno 2012.
Sulla superficie solare si verificano soventi esplosioni con eruzione di
materia che viene lanciata nello spazio da cui derivano “le tempeste
magnetiche”.
Sulla Terra le tempeste magnetiche generano anomalie del campo magnetico,
aurore boreali, correnti indotte sulle linee elettriche e sugli oleodotti e
gasdotti. Le trasmissioni radio, conseguentemente, possono soffrire di
periodi di black-out della durata di alcuni giorni.
Come regola a carattere generale, nel corso delle tempeste magnetiche, dato
che la ionosfera viene ad essere completamente sconvolta, è necessario
utilizzare frequenze notevolmente più basse di quelle previste per il
collegamento desiderato (tipicamente riducendole del 30% - 50%), in quanto
sono quelle che vengono riflesse con maggior facilità.
3.2.10 Effetto della potenza emessa sulle comunicazioni per via ionosferica
E’ importante sottolineare che, operando con frequenze prossime alla MUF,
la potenza emessa non produca effetti significativi sull’affidabilità del
collegamento.
Per stabilire comunicazioni per onda ionosferica, difatti, è necessario
selezionare:
le frequenze maggiormente idonee a propagarsi tra i due punti geografici
considerati, in determinate condizioni di ionizzazione degli strati;
64
le antenne che presentano adeguati valori di irraggiamento nei settori
angolari utili al collegamento per le frequenze considerate (sia sul piano
azimutinale sia su quello verticale).
3.2.11 Propagazione multibalzo
Nella propagazione ionosferica fin qui descritta, abbiamo sempre ipotizzato
che l’onda E.M. giunge al ricevitore dopo essere stata riflessa una sola volta
dagli strati.
Tale modo di propagazione, che prende il nome di monobalzo, consente di
raggiungere portate fino a circa 2000 km, con un salto sullo strato E, e fino a
4000 km con un salto sullo strato F . 2
In determinate circostanze, però, l’onda E.M. che torna verso terra può essere
nuovamente riflessa verso l’alto per effetto o del suolo o di uno strato
ionosferico sottostante, per poi subire un nuovo processo completo di
rifrazione e riflessione verso terra; fenomeno questo che può ripetersi anche
più volte conseguendo portate elevatissime (anche il giro completo del globo
terrestre). Tale modo di propagazione prende il nome di multibalzo.
In fig. 35 sono riportati, a titolo di esempio, alcuni possibili percorsi di
propagazione multibalzo.
In dipendenza della frequenza impiegata, dall’angolo di radiazione β e
dell’ora del giorno, gli strati interessati per la riflessione multibalzo delle
onde E.M. in banda HF possono essere il solo “E”, il solo “F” oppure
entrambi.
Ovviamente le previsioni atte a stabilire la possibilità di un collegamento
mediante una propagazione multibalzo sono notevolmente più complesse e
meno affidabili rispetto a quelle relative al modo di propagazione
monobalzo.
65
Figura 35 - Possibili percorsi di propagazione multibalzo.
Per valori di frequenza relativamente bassi, a causa sia della ridotta distanza
di SKIP sia della maggiore portata dell’onda di superficie, può, peraltro, non
esservi alcuna zona di SKIP; al contrario vi potrà essere, invece, una zona
ove le O.E.M. giungeranno per entrambi i percorsi, sia superficiale che
ionosferico.
Può verificarsi, inoltre, che lo stesso segnale possa giungere più volte ad una
antenna ricevente avendo seguito anche differenti percorsi di propagazione
ionosferici (ad. es. monobalzo e multibalzo) (fig. 36).
Tale fenomeno nel linguaggio tecnico viene indicato con la dizione “percorsi
multipli” oppure con “Multipath”, utilizzando la terminologia anglosassone.
Figura 36 – Percorsi multipli
66
Essendo differente la lunghezza dei vari percorsi di propagazione seguiti
dalle O.E.M., all’antenna ricevente lo stesso segnale arriverà più volte, ma
con differenti tempi di ritardo.
Al ricevitore, pertanto, si avrà un segnale risultante dato dalla somma
algebrica, istante per istante, delle intensità dei singoli segnali giunti dai
differenti percorsi.
Dal punto di vista del pratico impiego, le condizioni per cui si verificano i
percorsi multipli devono essere, per quanto possibile, evitate, dato che questi
comportano una inaffidabile ricezione del segnale desiderato.
Difatti, i ritardi con cui vengono ricevute le O.E.M. provenienti da differenti
percorsi di propagazione non sono costanti, soprattutto a causa della
variabilità della ionizzazione degli strati, della loro altezza e del punto ove
avviene la riflessione, per cui negli istanti in cui le onde che hanno percorso
differenti cammini giungono in fase, in ricezione si avrà una intensificazione
del segnale risultante; quando invece giungono in controfase si avrà un
indebolimento del segnale risultante e, in situazioni limite, anche
l’annullamento di quest’ultimo.
Tale fenomeno, indicativamente raffigurato in fig. 37, prende il nome di
“Fading” (evanescenza).
Figura 37 – Raffigurazione indicativa del “Fading”.
67
Nelle bande di frequenza inferiori all’MF il “fading” è spesso presente, per
effetto sia delle notevoli portate raggiungibili dall’onda di superficie che
della riflessione attuata dagli strati bassi della ionosfera. Questo tipo di
“fading” può essere contrastato adottando antenne con particolari diagrammi
di irradiazione sul piano verticale, tali, cioè, da non consentire i percorsi
indesiderati. Nella banda MF, invece, il “fading” si verifica in particolar
modo di notte, quando cioè l’onda di superficie e quella ionosferica
(quest’ultima non più assorbita dallo strato “D”) interferiscono presso le
Stazioni Riceventi.
Per quanto concerne la banda HF, invece, il “fading” è essenzialmente
dovuto ai differenti percorsi ionosferici, nelle lunghe distanze, ed ai percorsi
via iono e di superficie per le brevi distanze, qualora i diagrammi di
irradiazione sul piano verticale delle antenne considerate lo consentano, e
pertanto può essere presente tanto di giorno che di notte.
3.2.12 Altri fenomeni all’interno della ionosfera
Nella trattazione fin qui svolta, ci siamo soffermati sugli aspetti connessi ai
principali effetti attenuativi e rifrattivi che la ionosfera provoca sulle O.E.M.
che l’attraversano; trascurando, volutamente, i fenomeni di seguito elencati i
quali, pur se meno influenti ai fini delle radiocomunicazioni, sono tuttavia da
ritenersi di notevole rilevanza per la comprensione della complessità dei
fenomeni fisici che avvengono nella ionosfera.
- Girofrequenza Il movimento degli elettroni presenti nella ionosfera, per effetto di un’onda
E.M. che l’attraversa, è stato finora supposto lineare; in effetti, però, a causa
della presenza delle linee di forza del campo magnetico terrestre e del loro
costante orientamento, il loro movimento non è rettilineo ma bensì ellittico.
La frequenza di questo movimento rotatorio degli elettroni prende il nome di
“girofrequenza”.
68
- Scintillamento La ionosfera provoca sulle O.E.M. che la attraversano anche rapide
attenuazioni, dovute alla dispersione dell’energia all’interno della ionosfera
stessa per improvvise fluttuazioni della densità elettronica nel tempo.
Tale fenomeno, avvertibile per frequenze fino a qualche GHz, prende il
nome di scintillamento, in quanto paragonabile all’analogo effetto dello
scintillamento della luce delle stelle, quest’ultimo però causato dalle rapide
variazioni della densità dei gas costituenti l’atmosfera per effetto dei moti
convettivi dell’aria.
- Birifrangenza
La ionosfera, per effetto della presenza delle linee di forza del campo
magnetico terrestre, si presenta come un mezzo anisotropo, il che fa sì che
essa si comporti come un mezzo birifrangente, con conseguente
sdoppiamento del raggio rifratto causato dalla separazione della componente
del campo elettrico da quello del campo magnetico.
I due raggi prendono rispettivamente il nome di raggio “ordinario” (o),
consistente in quello finora considerato, e di un raggio “straordinario” (x),
detto raggio magnetotronico.
I due raggi si propagano con differenti modalità e velocità e con diversi
valori di attenuazione.
- Rotazione di Faraday
La presenza della ionosfera comporta anche un altro significativo effetto
sulle O.E.M., avvertibile fino alla frequenza di alcuni GHz, ovverosia la
rotazione del piano di polarizzazione delle onde stesse, fenomeno che prende
il nome di “rotazione di Faraday”.
Ipotizzando un’onda incidente polarizzata linearmente, questa,
nell’attraversare il magnetoplasma ionosferico, per effetto della
sopraccennata anisotropia, verrà scissa nelle due componenti differentemente
polarizzate, ordinaria (o) e straordinaria (x), ciascuna con una propria
velocità di fase e un proprio coefficiente di assorbimento.
69
Sommando ad un certo punto del percorso le due componenti (o) e (x), si
otterrà un O.E.M. risultante che non avrà più l’originaria polarizzazione
lineare, in quanto il campo elettrico assumerà un differente orientamento,
rispetto a quello originario di partenza.
- Effetto Doppler
Gli strati ionosferici, per effetto delle loro fluttuazioni in quota, inducono un
lieve effetto doppler sulla frequenza dell’onda E.M. incidente, valutabile in
una variazione di frequenza dell’ordine di 1 ÷ 2 Hz.
- Focalizzazione – De focalizzazione
Spesso, nella trattazione fin qui svolta, abbiamo ipotizzato sia la superficie
terrestre che gli strati ionosferici come piani, mentre in realtà essi sono curvi
e concentrici. Inoltre le regioni ionizzate presentano delle gibbosità che, a
seconda che siano concave o convesse, possono rispettivamente focalizzare o
defocalizzare i raggi delle O.E.M. nel loro riflettersi verso terra (fig.38).
Figura 38 - Focalizzazione e defocalizzazione dei raggi di propagazione per effetto
della ionosfera.
70
3.3 Onda diretta
Per frequenze al di sopra dei 30 MHz, la propagazione non può avvenire per
onda superficiale, data la fortissima attenuazione che subisce l’energia E.M.
A tali frequenze, inoltre, le onde E.M. “bucano” gli strati della ionosfera
perdendosi nello spazio. Pertanto oltre i 30 MHz la propagazione può
avvenire solo per onda diretta (fig. 39), non prendendo in considerazione, in
questa sede, le particolari condizioni per le quali la propagazione può
avvenire per diffrazione su ostacoli e/o fessure, per diffusione ionosferica o
troposferica.
Figura. 39 - Raggio diretto
In tale modalità, tuttavia, la massima portata ottenibile è superiore di circa
4/3 rispetto a quella ricavabile geometricamente, per effetto
dell’incurvamento dei raggi di propagazione provocato dalla diminuzione
della pressione, umidità e temperatura all’aumentare della quota, per cui i
raggi seguono parzialmente la curvatura della superficie terrestre. Nei casi in
cui tale diminuzione si discostasse sensibilmente dalle condizioni standard, si
otterrebbe un considerevole aumento della portata (superrifrazione) rispetto a
quella prevedibile in condizioni standard, portata che può giungere fino a
notevoli distanze. Allo scostarsi delle condizioni ambientali al di sotto di un
certo limite, si ha la formazione di condotti (ad es. tra la superficie terrestre
ed una zona di “intrappolamento” nell’atmosfera) all’interno dei quali le
Onde E.M. rimangono incanalate e raggiungono distanze elevatissime
71
(fenomeno questo che si presenta tipicamente sui mari “chiusi” quale il Mar
Mediterraneo).
Per la loro attitudine ad attraversare la ionosfera senza subire apprezzabili
attenuazioni né incurvamento dei raggi, le frequenze nettamente superiori a
30 MHz sono le uniche impiegabili per le comunicazioni via satellite (i
satelliti geostazionari, difatti, orbitano ad una quota di 36.000 km).
3.4 Onda riflessa
Quando le onde E.M. nel loro percorso incontrano la superficie terrestre (fig.
40) o un altro ostacolo di dimensioni significative rispetto alla lunghezza
d’onda, parte della loro energia viene riflessa dalla superficie mentre la
restante parte viene assorbita dalla superficie stessa. L’entità dell’onda
riflessa dipende dalla capacità riflettente della superficie interposta tra
trasmettitore e ricevitore. In natura la migliore superficie riflettente e’ il mare
calmo.
Altri fattori che determinano la riflessione sono : la conduttività della
superficie, la frequenza, l’angolo di incidenza e la polarizzazione dell’onda
E.M..
Il fenomeno della riflessione rappresenta, in genere, una condizione negativa,
in quanto lo stesso segnale può giungere due o più volte al ricevitore avendo
seguito percorsi differenti e, quindi, con differenti tempi di ritardo,
provocando l’evanescenza del segnale (fading).
Figura 40 - Onda diretta ed onda riflessa
72
4. ASSORBIMENTO TROPOSFERICO
Le O.E.M., oltre alla summenzionata attenuazione di “free space” che fa sì che la
loro densità di potenza diminuisca con il quadrato della distanza dall’emittente,
possono risentire anche dei fenomeni di assorbimento provocato dalla presenza dei
gas neutri nella troposfera, che si estende da 0 a 10 km di quota, e delle
precipitazioni atmosferiche (pioggia, neve, grandine).
Tale assorbimento diviene sensibile a partire dalle frequenze di circa 2-3 GHz, per
quanto concerne le precipitazioni atmosferiche, e a partire da circa 10 GHz per
quanto concerne la presenza dei gas neutri costituenti la bassa atmosfera, con
picchi di assorbimento a 22 GHz (risonanza delle molecole del vapore acqueo) e a
60 e 120 GHz (risonanza delle molecole dell’ossigeno)
Tali fenomeni, pertanto (pioggia, nebbia, nuvole, vento, etc..) non
influenzano, se non in modo del tutto trascurabile, le frequenze della banda
HF la cui propagazione per onda ionosferica è condizionata solo dal numero
degli elettroni liberi presenti alle alte quote, per effetto dell’irraggiamento
solare nelle bande UV e X.
5. RUMORE RADIOELETTRICO
Al ricevitore, oltre al segnale desiderato, giungono:
sia i segnali emessi da altre stazioni, facilmente identificabili, in quanto
modulati, e facilmente separabili dal segnale voluto mediante un’opportuna
scelta del canale su cui comunicare;
sia il rumore di natura radioelettrica che è riscontrabile su tutta la banda di
impiego.
Il “rumore radioelettrico” può essere generato:
da sorgenti extraterrestri (primo tra tutte il sole e poi da Supernove, il
73
centro della galassia, le Pulsar, la radiazione di fondo, etc.);
da dispositivi industriali che provocano scintille (motori elettrici,
interruttori elettrici, elettrodomestici etc.) o linee elettriche in cui sono
presenti altissime tensioni (effetto corona);
internamente al ricevitore (per effetto delle correnti circolanti e per
l’agitazione degli elettroni presenti in conduttori posti a temperatura
maggiore dello “0” assoluto);
dalle scariche elettriche atmosferiche (fulmini e lampi).
Nella banda HF sono principalmente avvertibili i rumori di tipo industriale e,
soprattutto, i rumori provocati dalle scariche elettriche nella troposfera.
Il fulmine, difatti, costituisce un azzeramento locale delle cariche formatesi
nelle nuvole con quelle, di segno opposto, indotte sul terreno sottostante,
mediante la “foratura” del dielettrico interposto (aria).
L’onda elettromagnetica che scaturisce da questa subitanea variazione del
campo elettrico esistente in una certa zona, ha componenti spettrali che vanno
dalla banda LF fino a tutta l’HF.
L’ampiezza di tali componenti decresce però rapidamente con l’aumentare
della frequenza, divenendo pressoché trascurabile oltre i 30 MHz.
Le frequenze LF, MF ed HF, come noto, si propagano riflettendosi al bordo
inferiore o all’interno della ionosfera, per cui possono raggiungere grandissime
distanze.
Il rumore radioelettrico di origine atmosferica avvertibile sui ricevitori HF
(fruscio) è provocato dai fulmini che cadono nelle zone tropicali del globo
terrestre.
Anche per ridurre gli effetti del rumore radioelettrico si rende quindi
necessario operare con le frequenze più prossime possibili alle MUF effettiva.
74
In conclusione di questo capitolo sulla propagazione è opportuno porre in
evidenza che, in banda HF, è possibile ottenere le maggiori velocità di
trasmissione dati impiegando le frequenze più elevate, tra quelle idonee a
stabilire il collegamento desiderato in quanto, all’aumentare della frequenza:
diminuiscono le attenuazioni subite dalle onde E.M. nell’attraversare la
ionosfera;
diminuisce il rumore radioelettrico avvertibile presso il ricevitore;
i canali radio sono meno congestionati e, quindi, si riduce il rischio di
interferenze.
75
SS OO FF TT WWAA RR EE DD II PP RR EE DD II ZZ II OO NN EE ““ AA SS AA PP SS ””
L’ASAPS (“Advanced Stand Alone Predictions System”) è uno strumento
software, sviluppato dall’Ente Governativo australiano “Ionospheric Predicition
Service (IPS) - Radio and Space Service”, che consente di effettuare previsioni
sulle condizioni di propagazione in banda HF.
L’ASAPS è compatibile con i comuni P.C. dotati di almeno 512 Kbite di
memoria libera sull’Hard Disk ed un coprocessore matematico o di classe
superiore.
Il suddetto Software, tra le varie prestazioni, fornisce anche i seguenti due tipi di
predizioni particolarmente utili nella determinazione delle migliori frequenze per
realizzare i collegamenti desiderati: “GRAFEX” e “Field Strength”.
La predizione GRAFEX, che è quella sulla quale ci soffermeremo più
dettagliatamente nel prosieguo, è relativa alle previsioni dei modi di
propagazione in banda HF per un determinato circuito; mentre la Field Strenght
è un tipo di predizione che viene utilizzato quando è già stato prestabilito un set
di frequenze su cui effettuare i collegamenti in un dato circuito.
La predizione “Field Strenght” fornisce, oltre ai valori della MUF e della OWF
in funzione dell’ora per i possibili modi di propagazione, anche i seguenti dati
per ciascuna frequenza:
l’entità del rumore atmosferico e galattico;
la probabilità del collegamento;
l’angolo di radiazione (“take off”);
le perdite lungo il percorso (“path loss”).
76
Sulla base di tali dati il programma può inoltre calcolare:
l’entità complessiva del rumore;
le perdite sul percorso;
l’intensità del campo elettrico ricevuto;
il rapporto segnale/rumore;
la maggior frequenza utilizzabile tra quelle programmate;
l’altezza virtuale del punto di riflessione.
L’ASAPS, inoltre, è dotato di un “Data Base” residente contenente le
caratteristiche di irradiazione di alcune tipologie di antenne, tra quelle più
comunemente utilizzate.
Questo “Data Base” è modificabile dall’utilizzatore, per inserire le
caratteristiche delle antenne in uso, qualora non già previste e, inoltre, consente
di selezionare l’antenna maggiormente idonea per un determinato collegamento.
I dati relativi a ciascun tipo di antenna costituente il set memorizzato, si
riferiscono alla loro direttività in campo libero sul piano orizzontale e agli angoli
di “Take-Off” (ovvero gli angoli di radiazione “β”) da queste consentiti.
Il tipo di predizione ASAPS di maggior utilità ai fini operativi è quello
denominato “GRAFEX”, in quanto fornisce previsioni sull’affidabilità dei
possibili modi di propagazione delle frequenze HF per via ionosferica, per un
determinato circuito in un prefissato giorno, mese e anno.
A titolo illustrativo, alla pagina seguente, si riporta un esempio di predizione
GRAFEX per il circuito Sydney-Manila.
Tale rappresentazione è di tipo alfanumerico, in modo da poter essere
agevolmente riportata su supporto cartaceo per mezzo di una comune stampante
alfanumerica anche se non dotata di capacità grafiche.
Come si può vedere dall’esempio, le Tavole di predizione ASAPS-GRAFEX
consistono in tabulati contenenti simboli riportati in corrispondenza delle 24 h
77
(espresse in UT) del giorno considerato e dei valori di frequenza da 1 MHz a 40
MHz (a passi di 1 MHz).
I differenti simboli riportati al centro della Tavola, indicano, per il circuito
considerato ed alle varie ore del giorno, le previste modalità di propagazione
delle frequenze corrispondenti ed il grado di affidabilità di tale previsione.
Tali simboli, con la loro posizione, delineano l’andamento a “campana” delle
frequenze previste, comprese tra le MUF e ALF (LUF), utilizzabili in funzione
dell’ora del giorno.
78
EE SS EE MM PP II OO DD II PP RR EE DD II ZZ II OO NN EE AA SS AA PP SS -- GG RR AA FF EE XX
Nelle colonne a sinistra e a destra del grafico ASAPS - GRAFEX, vengono
riportati, in corrispondenza delle ore del giorno UT (GMT), i valori delle
frequenze OWF, MUF e ALF relative al primo ed al secondo “modo” di
propagazione; indicanti, rispettivamente, per il Circuito preso in esame, il
percorso caratterizzato dal minor numero di salti delle O.E.M. sulla ionosfera
(“primo modo”) ed il percorso caratterizzato dal minor numero di salti “+ 1”
(“secondo modo”).
Il significato di OWF, MUF e ALF è il seguente:
• OWF - Optimum Working Frequency (altrimenti nota come FOT =
Frequenza Ottimale di Traffico);
• MUF - Maximum Usable Frequency;
79
• ALF - Absorption Limiting Frequency (altrimenti nota come LUF =
Lowest Usable Frequency).
Nei grafici ASAPS – GRAFEX relativi ai collegamenti tra località la cui
distanza non supera i 1.000 km, nelle suddette colonne, in luogo della MUF
viene riportata la E-MUF, che si riferisce alla MUF relativa allo strato E il cui
valore di solito è inferiore a quello della OWF; in questi casi per determinare la
MUF del collegamento occorre far riferimento alla simbologia riportata nella
zona centrale del grafico.
Il significato della terminologia utilizzata nelle previsioni ASAPS-GRAFEX è
esplicitato ai seguenti punti:
Circuit: identifica le due stazioni Tx ed Rx tra le quali dovrà essere
instaurato il collegamento ed è seguito dai valori degli angoli di latitudine e
longitudine relativi ai due siti.
Distance: indica la lunghezza del percorso (in km) tra le due stazioni lungo
l’arco di cerchio massimo che le congiunge; normalmente viene considerato
il più breve dei due percorsi (Short Path), condizioni particolari potrebbero
però richiedere la predizione anche per il percorso più lungo (Long Path).
Date: indica la data, giorno, mese, anno, o il solo mese-anno delle previsioni
tabulate.
Bearings: indica gli angoli di rilevamento, misurati in senso orario rispetto al
Nord geografico, sotto il quale ciascuna delle due stazioni costituenti il
circuito vede l’altra.
T-Index: è uno specifico parametro, noto anche come “Ionosferic Index”,
introdotto dall’IPS per quantizzare il livello dell’attività solare in funzione
del ciclo delle macchie solari. Qualora il T-Index non fosse noto, può essere
utilizzato, come alternativa, uno dei seguenti parametri:
10 cm Flux – relativo alla misura della potenza della radiazione solare
alla lunghezza d’onda di 10.7 cm, corrispondente alla frequenza di 2.8
80
GHz, in quanto ritenuto parametro significativo per determinare
globalmente l’intensità dell’energia ionizzante emessa dal sole;
SSN – ovvero Sun-Spot Number, ricavabile dal numero di macchie solari
visibile sul sole.
First Mode: indica il “primo modo” di propagazione, cioè quello relativo al
percorso delle O.E.M. che richiede il minor numero di salti ionosferici per
poter stabilire il desiderato collegamento nel circuito in esame. Il “primo
modo” viene caratterizzato dal numero di Hops sullo strato interessato (ad es.
2F significa 2 salti sullo strato F) e dalla gamma degli angoli di radiazione
(“Take-Off”) utili per poter stabilire il collegamento riportata a fianco del
numero dei salti (ad es. 1-5 sta per: da 1° a 5°).
Second mode: indica il percorso delle O.E.M. tra le Stazioni Tx ed Rx che
richiedono un salto in più rispetto al “first mode”. Anche il secondo modo
viene caratterizzato dal numero di Hops necessari per stabilire il
collegamento e dal simbolo dello strato su cui avvengono i salti (ad es. 3 F),
con a fianco indicata la gamma degli angoli utili di Take-Off.
Frequency (MHz): rappresenta l’asse delle ascisse del diagramma ASAPS-
GRAFEX ed è graduato a passi di 1 MHz, a partire dalla frequenza di 1
MHz, fino a 40 MHz.
UT: rappresenta l’asse delle ordinate del diagramma e riporta, graduato in
ore, il Tempo Universale (ora di Greenwich = GMT).
OWF: è la “Optimum Working Frequency”, altrimenti nota come FOT,
intesa, nel metodo ASAPS, come la frequenza che ha il 90% di probabilità di
successo per quel determinato percorso (di primo o secondo modo) ad una
determinata ora.
MUF: è la “Maximum Usable Frequency”, intesa, nel metodo ASAPS, come
la frequenza che ha il 50% di probabilità di successo per quel determinato
percorso e periodo di tempo.
E-MUF: è la MUF, quando specificata, relativa allo strato E.
81
ALF: è la “Absorption Limiting Frequency”, altrimenti nota come LUF
(Lowest Usable Frequency), cioè la più bassa frequenza utilizzabile, per
effetto dell’attenuazione ionosferica, per quel determinato circuito ad una
determinata ora del giorno.
I Simboli alfanumerici riportati al centro dei grafici GRAFEX consentono di
identificare, ora per ora, le migliori frequenze utilizzabili per stabilire i
collegamenti per onda ionosferica tra due località prefissate, nei giorni stabiliti,
in quanto indicano la modalità di propagazione prevista per ciascuna frequenza
tabulata a passi di 1 MHz, unitamente ad una stima relativa alla validità della
previsione.
Per il preciso significato di ciascun simbolo utilizzato nei sopracitati grafici, si
rimanda alla tabella riepilogativa riportata alla pagina seguente.
82
Simbologia utilizzata nei grafici ASAPS-GRAFEX
Possibilità di collegamento in numero di giorni inferiore a 3 nel
Spazio bianco mese considerato. (nessun Lo “spazio bianco” viene anche utilizzato per le indicare le simbolo) frequenze al di sotto della ALF e superiori alla MUF 50%, con le
quali è non è possibile stabilire il collegamento. Possibilità di collegamento in un numero di giorni compreso tra 3 e 15 nel mese considerato, con il primo modo di propagazione relativo allo strato F.
•
Possibilità di collegamento in un numero di giorni compreso tra 15 % a 27 nel mese considerato, con il primo modo di propagazione
relativo allo strato F. Possibilità di collegamento in un numero di giorni superiore a 27 nel mese considerato, con il primo modo di propagazione relativo allo strato F.
F
Possibilità di collegamento in tutti i giorni del mese considerato, con il primo modo di propagazione relativo allo strato E, e limitata E a meno di 15 giorni con il primo modo di propagazione relativo allo strato F. Possibilità di collegamento in tutti i giorni del mese considerato, con il primo modo di propagazione relativo allo strato E, e limitata ad un numero di giorni compreso tra 15 e 27 con il primo modo di propagazione relativo allo strato F.
P
Possibilità di collegamento in un numero di giorni superiore a 27 B nel mese considerato, con il primo modo di propagazione relativo
ad entrambi gli strati E ed F. Possibilità di collegamento in almeno 27 giorni del mese considerato con il primo modo di propagazione relativo allo strato F, in almeno 15 giorni con il secondo modo di propagazione relativo allo stesso strato e, presumibilmente, anche con il primo modo di propagazione relativo allo strato E. Da notare che il segnale può propagarsi efficacemente in ognuno dei suddetti modi, per cui potranno prodursi interferenze (FADING) in RX.
M
Possibilità di collegamento in almeno 15 giorni del mese considerato ma unicamente con il secondo modo di propagazione S relativo allo strato F, in quanto le frequenze indicate sono inferiori alla ALF del primo modo F. Possibilità di collegamento sia con il secondo modo sullo strato E sia con altri modi; ad es. con propagazione mista E ed F e con modi F di ordine superiore. Sono pertanto possibili interferenze (FADING) in RX.
X
I segnali vengono ricevuti con bassa intensità, a causa dell’elevata A attenuazione ionosferica subita dalle onde radio, in quanto le
frequenze indicate sono molto prossime alla ALF.
83
Al fine di determinare le migliori frequenze per stabilire il desiderato
collegamento, nel periodo preso in esame, occorre tener presente quanto segue:
la propagazione monobalzo può avvenire fino a 2000 km per riflessione sullo
strato E (1E) e fino a 4000 km per riflessione sullo strato F (1F), così come
indicativamente raffigurato in fig. 1;
per distanze superiori, la propagazione può avvenire solo in modalità
multibalzo (ad es. 2F, 3E, 3F, etc.), così come raffigurato in fig. 2;
a meno di specifiche controindicazioni, è sempre raccomandabile l’utilizzo
delle frequenze relative al “primo modo” di propagazione (minor numero
possibile di salti), in quanto è quello maggiormente affidabile;
particolare importanza deve essere attribuita agli angoli di “Take-Off” utili
per stabilire il collegamento desiderato, in quanto è assolutamente necessario
che sia l’antenna Tx che quella Rx presentino un adeguato valore di
guadagno nelle direzioni secondo le quali si realizzano le desiderate
“geometrie” dei percorsi delle O.E.M.; ovviamente, le antenne considerate
devono possedere anche un’adeguata copertura sul piano orizzontale nella
direzione congiungente le due stazioni del Circuito;
volendo evitare una laboriosa interpretazione dei simboli riportati nelle
Tavole Grafex, si può direttamente selezionare, nelle pratiche applicazioni, la
frequenza pianificata maggiormente prossima alla OWF tabulata nella
colonna di sinistra per il “primo modo” e relativa all’ora desiderata; vedasi al
proposito l’esempio di predizione riassuntivo di quanto fin qui detto riportato
in fig. 4.
In chiusura di questa sintetica spiegazione dei grafici ASAPS-GRAFEX, è
opportuno menzionare il Software ASAPS viene venduto ad un costo di circa
340 $ australiani.
84
In mancanza del Software, le stesse previsioni possono essere direttamente
effettuate visitando il sito Internet www.ips.gov.au ed effettuando le seguenti
operazioni:
1. entrati nel sito internet www.ips.gov.au andare sulle “Site News” e cliccare
su HF System;
2. entrati nella pagina HF System, Prediction Tools, cliccare su “GRAFEX
Prediction Display “;
3. entrati nella pagina GRAFEX (Fig. N.3 ) , selezionare su “0 deg center”;
4. selezionare la data di interesse ed inserire le coordinate geografiche
(latitudine e longitudine) delle stazioni TX e RX, che potranno essere anche
ricavate dal puntamento del cursore sulle località interessate;
5. cliccare su “Do Pred” per visionare il grafico GRAFEX richiesto.
Visitando le varie pagine del suddetto sito è inoltre possibile ottenere numerose
altre informazioni relative alle tempeste solari in atto, al valore aggiornato del
“T index”, alle previsioni orarie (Hourly Asaps Prediction = HAP), etc., che
possono fornire un valido ausilio nel comprendere i fenomeni ionosferici in atto,
per la determinazione delle frequenze utili al collegamento.
85
86 86
87
Figura n. 3 – Pagina “Grafex” del sito australiano www.ips.gov.au (dopo aver centrato
l’immagine selezionando 0 deg centre).
88
Figura n. 4 – Esempio di previsione ASAPS-GRAFEX
89
NN OO ZZ II OO NN II DD II RR AA DD II OO TT EE CC NN II CC AA
1. LA MODULAZIONE
1.1 Generalità
Per “modulazione” si intende la variazione prodotta su di una grandezza fisica
in grado di propagarsi in un dato mezzo, in dipendenza dell’informazione che si
vuole trasmettere.
Si pensi, ad esempio, al telefono, dove le onde di pressione provocate dalla
voce sulla capsula microfonica generano una variazione della corrente
circolante nella linea.
Per trasmettere un’ informazione e’ necessario poter disporre:
di una grandezza fisica da modulare, che ha la sola funzione di portare la
informazione e che prende il nome di portante;
della informazione vera e propria, che dovrà essere messa in forma tale da
poter modulare la portante e che prende il nome di modulante;
di un idoneo mezzo trasmissivo ove la grandezza fisica considerata possa
propagarsi (ad esempio i conduttori di rame per le correnti, l’aria o il vuoto
per le onde elettromagnetiche).
Pertanto, il segnale che si propagherà nel mezzo trasmissivo, sarà costituito da
una portante + una modulante.
All’atto della ricezione, l’informazione che è stata trasmessa viene estratta dal
segnale separando la modulante dalla portante. Tale processo inverso prende il
nome di demodulazione.
90
La disciplina della Radiotecnica si occupa delle comunicazioni che avvengono
per mezzo di onde radio; nel proseguo prenderemo quindi in considerazione due
Stazioni poste in due differenti località che è possibile collegare utilizzando,
come portanti, le onde elettromagnetiche propagatesi nell’atmosfera o nello
spazio vuoto e come modulanti segnali in banda audio.
1.2 Modulazione di portanti sinusoidali.
Una generica oscillazione sinusoidale (fig. 1) può esprimersi con i valori della sua
ampiezza (A), della sua frequenza (f = 1/T) e della fase iniziale (φ0), mediante la
seguente relazione:
a (t) = A · sen (2πft + φ 0)
dove a(t) rappresenta il valore che la funzione può assumere in un generico
istante (t).
φ=0
Figura 1 - Oscillazione sinusoidale -
Per conferire un contenuto informativo a tale oscillazione e’ necessario far
variare uno dei sopramenzionati parametri con lo stesso andamento del segnale
modulante.
Sono pertanto possibili tre differenti tipi di modulazione:
la modulazione di ampiezza;
la modulazione di frequenza;
la modulazione di fase.
91
1.2.1 Modulazione di ampiezza
Utilizzando la terminologia anglosassone, la Modulazione d’Ampiezza prende il
nome di “Amplitude Modulation”, abbreviato (AM).
Modulare in ampiezza una oscillazione portante di frequenza ”fp” (fig.2a)
significa far variare la sua massima ampiezza con lo stesso andamento del
segnale modulante di frequenza “fm” (fig.2b) .
In altre parole, l’ampiezza massima (A) della “fp”, che in assenza di modulazione
aveva valore costante, dopo il processo di modulazione varierà con la stessa
legge con cui varia l’ampiezza del segnale modulante (fig.2c).
Figura 2 - Forme d’onda della portante (a), della modulante (b) e del segnale
modulato in ampiezza (c) –
Una frequenza modulata in ampiezza con un segnale modulante costituito da una
oscillazione sinusoidale (ad es. un tono audio), così come rappresentato in fig. 2c,
può considerarsi la somma di tre oscillazioni sinusoidali denominate: oscillazione
portante, oscillazione laterale inferiore ed oscillazione laterale superiore (fig 3).
92
Figura 3 – Forme d’onda delle oscillazioni componenti e dell’oscillazione AM
risultante –
Quanto detto può essere più semplicemente evidenziato attraverso la
rappresentazione spettrale dei segnali (fig. 4), ove ciascuna frequenza viene
rappresenta con una riga, sull’asse delle frequenze, e l’altezza di ciascuna riga
rappresenta l’ampiezza massima assunta dall’oscillazione .
m = B/A
Figura 4 – Rappresentazioni spettrali di una frequenza non modulata “fp”(a) e di una frequenza modulata in ampiezza con un segnale sinusoidale (fm).
93
Una semplice oscillazione sinusoidale non modulata viene rappresentata
spettralmente da un unica riga (fig. 4a) di ampiezza (A) e frequenza (fp).
Nel caso di una frequenza modulata in ampiezza con un singolo tono, lo spettro
relativo risulta, invece, essere composto da tre righe, caratterizzate,
rispettivamente, dai valori di frequenza (fp , fp - fm, fp + fm) e dalle ampiezze A
e mA/2.
L’ampiezza di ciascuna riga laterale è data da B/2, ossia dalla metà
dell’ampiezza A della “fp” moltiplicata per il coefficiente “m”, detto indice di
modulazione, definito come rapporto ossia tra la massima ampiezza B della
modulante e la massima ampiezza A della portante, e cioè: m = B/A.
L’indice di modulazione “m”, per evitare distorsioni del segnale da
“sovramodulazione”, può assumere solo valori compresi tra “0” e “1” (cui
corrispondono, rispettivamente, i valori di B = 0 e B = A), per cui le righe laterali
possono, al massimo, assumere il valore di A/2 (quando B=A).
Le righe spettrali esterne prendono il nome di laterale inferiore e laterale
superiore in quanto queste risultano simmetricamente disposte ai lati della
portante, una a frequenza più bassa (fp-fm), l’altra a frequenza più alta (fp+fm).
Frequentemente, anziché utilizzare l’indice di modulazione “m”, si preferisce
utilizzare la profondità di modulazione m%, con la quale si indica lo stesso
rapporto B/A espresso, però, in termini percentuali. La profondità di modulazione
può quindi variare da 0% (B=0) a 100 % (B=A).
Nel caso di segnali modulanti maggiormente complessi, rispetto a quelli costituiti
da un singolo tono fin qui considerati (fig. 5), questi possono immaginarsi come
la risultante della composizione di un certo numero di oscillazioni semplici,
ciascuna delle quali andrà a modulare la portante con un proprio indice di
modulazione (m , m1 2, m3, etc.).
94
Figura 5 - Esempio di rappresentazione spettrale (c) di un segnale modulato con un
segnale complesso (a), scomponibile in tre oscillazioni semplici (b).
In alcuni casi, come ad esempio nella fonia, il segnale modulante, può ritenersi
talmente complesso da immaginarsi composto da un numero infinito di semplici
oscillazioni sinusoidali.
Nel caso dei segnali fonici, si può ritenere, con sufficiente approssimazione, che
le oscillazioni di maggior energia siano contenute nella banda 300 ÷3000 Hz.
Pertanto, la rappresentazione spettrale di un segnale modulato in
ampiezza in fonia sarà del tipo indicato in figura 6.
Figura 6 – Spettro di una modulazione AM con segnale modulante di tipo fonico.
95
Come si può vedere, lo spettro è costituito dalla riga relativa alla “fp” e da due
bande, dette laterali, una superiore denominata “Upper Side Band” (USB) e
l’altra inferiore denominata “Lower Side Band” (LSB), all’interno delle quali
cadranno, simmetricamente, le righe corrispondenti alle oscillazioni che
compongono il segnale modulante; righe che, in ogni caso, non potranno superare
l’ampiezza di A/2.
Nel caso di segnali fonici, avendo preso in considerazione la massima frequenza
di 3 kHz, il segnale modulato occuperà una banda Δf = 2fmax, ovvero 6 kHz.
1.2.2 Modulazione di frequenza
Utilizzando la terminologia anglosassone la modulazione di frequenza prende il
nome di “Frequency Modulation” (FM).
Modulare in frequenza una oscillazione significa far variare la frequenza della
portante intorno al suo valore di riposo “fp” con lo stesso andamento del segnale
modulante “fm”, in maniera proporzionale all’ampiezza di questo (fig 7).
Figura 7 - Forme d’onda della portante (a) , della modulante (b) e del segnale modulato in frequenza ( c )
96
Lo spettro di un segnale modulato in FM con un singolo tono “fm” è costituito da
un numero infinito di righe tra di loro equidistanti “fm” (fig. 8).
Δf
Figura 8 – Spettro di una modulazione Fm con segnale sinusoidale.
Contrariamente alla AM, con la modulazione di frequenza la riga “fp” non
rimane di ampiezza inalterata rispetto al caso di assenza di modulazione, ma
varia. In alcune condizioni può essere anche più bassa di altre righe o addirittura
scomparire.
In altre parole, in “FM”, la “fp” ha lo stesso ruolo di una qualsiasi oscillazione
componente.
Lo spettro di un segnale modulato in FM è teoricamemente infinito. Tuttavia
all’allontanarsi da “fp” l’ampiezza delle righe decresce a tal punto da poterle
ritenere trascurabili da un certo valore di frequenza in poi.
La larghezza di banda complessiva di un segnale FM è data,
approssimativamente, dalla seguente relazione: Δf ≅ 2 ( fm+ δ ), banda al cui
interno si ipotizza che cada il 99,99% della totale energia del segnale; dove
“fm”, è il valore della frequenza modulante e δ è il massimo scostamento del
valore istantaneo della frequenza del segnale modulato rispetto al valore di riposo
“fp”.
97
Nel caso di segnali modulanti maggiormente complessi, nell’ipotesi che siano
periodici, questi si possono scomporre in un certo numero di semplici oscillazioni
sinusoidali e ciascuna componente (fm , fm , fm1 2 3, etc.), produrrà infinite righe
simmetricamente ad “fp”, equidistanti, tra di loro, rispettivamente di fm , fm1 2,
fm3, etc.. In tal caso la larghezza di banda del segnale modulato in FM è dato da:
Δf = 2 (fm max + δ), dove “fm max” è la più alta delle frequenze delle oscillazioni
sinusoidali considerate.
La larghezza di banda di un segnale modulato in FM è notevolmente più grande
di quella relativa ad un segnale modulato in ampiezza. A titolo di esempio si
pensi al fatto che nei servizi di radiodiffusione civile la larghezza di un canale in
AM è di 10 kHz, mentre in FM è di 180 kHz (avendo preso in considerazione
“fm max” = 15 kHz e δ = 75 kHz).
I segnali modulati in frequenza presentano una migliore qualità in ricezione
rispetto a quelli modulati in ampiezza.
L’onda E.M. difatti, nel suo percorso di propagazione e’ soggetta ad attenuazioni,
a rumore radioelettrico ed a disturbi provocati da altre emissioni, tutti fattori,
questi, che incidono in maniera significativa sull’ampiezza dell’onda.
Nell’A.M. il contenuto informativo e’ insito nell’ampiezza della oscillazione per
cui questo si deteriorerà nel suo propagarsi; nella FM, invece, l’informazione è
contenuta nella frequenza dell’onda che risente in maniera molto meno
significativa delle alterazioni provocate da attenuazioni, interferenze, etc. .
1.2.3 Modulazione di fase
Modulare in fase un’ oscillazione a radiofrequenza significa far variare la fase
istantanea della portante con lo stesso andamento del segnale modulante, in
maniera proporzionale all’ampiezza di questo; anticipando, ad esempio, la fase
della “fp” in corrispondenza delle semionde positive del segnale modulante (fig.
9) e ritardando la fase in corrispondenza delle semionde negative di questo.
98
Figura 9 - Esempio di forma d’onda di una oscillazione modulata in fase (in
Anticipo) - La sinusoide tratteggiata indica l’adamento della “fp” non modulata
La forma d’onda risultante si presenterà, pertanto, rispetto alla portante non
modulata, con delle compressioni e dilatazioni tali da renderla del tutto simile a
quella in precedenza vista per la modulazione di frequenza (fig.7) .
Tale similitudine tra le forme d’onda e, quindi, tra gli spettri dei segnali modulati
in frequenza e in fase (ΦM), appare del tutto ovvia riprendendo in esame
l’espressione anzidetta relativa ad una oscillazione sinusoidale:
a (t) = A · sen (2πft + φ);
come si può vedere la frequenza (f) e la fase (φ) costituiscono l’argomento (ossia
l’angolo) della funzione seno. Sia la FM che ΦM, pertanto, prendono il nome di
modulazioni angolari.
1.2.4 Single Side Band (SSB)
Nella modulazione di ampiezza la portante non possiede alcun contenuto
informativo e la potenza ad essa associata non influisce in nessun modo sul
segnale di informazione.
Per questo motivo in particolari sistemi di comunicazione, quali quelli operanti in
banda HF, la portante viene soppressa e viene trasmessa una sola delle bande
99
laterali in quanto, insita in quest’ultime, unitamente all’informazione, vi è anche
compresa l’indicazione della frequenza portante.
Avremo così realizzato una trasmissione in banda laterale unica (Single Side
Band-SSB) (fig. 10).
Segnale
modulante
Onda modulata
Spettro dell’onda modulata
Figura 10 - Confronto tra AM e SSB , a seguito di modulazione con un tono.
La tecnica SSB presenta il vantaggio di poter concentrare tutta la potenza
erogabile dal trasmettitore solo sulle frequenze che contengono l’informazione.
Inoltre comporta il dimezzamento della larghezza di ciascun canale RF e, quindi,
la possibilità di poter disporre di un numero doppio di canali.
100
Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che dimezzando la larghezza del canale,
anche il ricevitore disporrà di una minor larghezza di banda (rispetto all’AM), per
cui catturerà una minor quantità di rumore.
A seconda che venga emessa la sola banda superiore o la sola banda inferiore di
un segnale modulato in AM si otterrà (fig. 11), un segnale modulato in:
USB (Upper Side Band);
LSB (Lower Side Band).
Figura 11 – LSB e USB
In alcune applicazioni le due bande USB ed LSB possono essere impiegate
simultaneamente trasmettendo su ciascuna di esse una differente comunicazione
(ad esempio una in fonia ed una in telegrafia). Tale modalità prende il nome di
ISB (Indipendent Side Band).
L’SSB e’ l’unica modalità consentita per le comunicazioni nella banda HF
dalla Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU).
Tale restrizione è stata adottata a causa dell’elevatissimo numero di richieste
di canali per scopi sia militari sia civili in quanto la banda HF, per le sue
peculiari caratteristiche di propagazione, consente l’instaurarsi di
collegamenti a media distanza (per onda superficiale) ed a lunga distanza
(per onda ionosferica).
101
2. IL TRASMETTITORE
Un’informazione, per poter essere trasmessa via radio, deve essere trasformata in
forma di un idoneo segnale elettrico, in modo tale da poter opportunamente modulare
la frequenza portante.
La radiofrequenza, così modulata, prima di essere inviata all’antenna trasmittente
deve però essere adeguatamente amplificata.
Tali operazioni di modulazione ed amplificazione vengono svolte dal trasmettitore
radio.
Le informazioni da trasmettere possono essere dei seguenti tipi:
segnali fonici;
segnali telegrafici;
segnali digitali;
segnali televisivi.
I segnali fonici vengono trasformati in elettrici per mezzo di un particolare
trasduttore denominato microfono.
Nella maggior parte delle pratiche applicazioni i segnali telegrafici e digitali vengono
trasformati in toni audio, per mezzo di un dispositivo denominato modem
(Modulator – Demodulator), in modo da poter effettuare la modulazione utilizzando
gli stessi circuiti in bassa frequenza utilizzati per la fonia.
Nel segnale televisivo la variazione dell’intensità luminosa del segnale video viene
trasmessa in forma di modulazione di ampiezza della portante, mentre i segnali
fonici vengono trasmessi in FM.
102
2.1 Principio di funzionamento del trasmettitore.
Si prenda in considerazione lo schema a blocchi di fig.12, ipotizzando di voler
trasmettere un segnale fonico.
Figura 12 - Schema di principio del trasmettitore -
Il microfono trasforma il segnale fonico emesso dall’operatore in una tensione
variabile che costituisce il segnale modulante di frequenza “fm”.
L’intensità di tale segnale, generalmente, non e’ sufficiente per effettuare la
modulazione, pertanto questo viene amplificato e filtrato da un circuito
amplificatore detto in “bassa frequenza”.
Un oscillatore genera intanto la radiofrequenza “fp” (portante).che dovrà essere
modulata da “fm”.
Anche tale frequenza, generata tipicamente da un oscillatore al quarzo, richiede
un’opportuna amplificazione.
Le due oscillazioni (modulante e portante) così ottenute vengono combinate nel
modulatore all’uscita del quale si otterrà la “fp” modulata da “fm”.
103
Il segnale in uscita dal modulatore, per poter essere irradiato con la potenza
adeguata, viene amplificato per mezzo di un amplificatore a Radio Frequenza
(RF).
Nei trasmettitori ad elevata potenza si rende necessario ricorrere a più stadi di
amplificatori in cascata.
Il sistema sopra descritto opererebbe su di una sola frequenza, per cui per poter
cambiare frequenza si deve poter disporre di un banco di quarzi (apparati
“quarzati”) o di un generatore di frequenze variabile (apparati “ sintetizzati “).
Per poter però effettuare il processo di modulazione sempre sulla stessa frequenza
in modo da semplificare l’apparato e contenere l’emissione nella larghezza di
banda del canale assegnato, si introduce uno stadio intermedio tra quello della
bassa frequenza e quello della R.F., stadio che prende il nome di “Frequenza
Intermedia” o, in inglese: “Intermediate Frequency” (IF) (fig. 13).
Dopo essere stata modulata, la IF viene convertita in “fp” grazie ad un
“battimento” con un’idonea frequenza generata dal sintetizzatore. La “fp” così
ottenuta viene poi amplificata dagli stadi di amplificazione RF, prima di essere
inviata all’antenna.
SEZIONE BF SEZIONE IF SEZIONE RF
microfono
IF modulata fp modulata antenna
fm
IF Stadi di amplif.RF
Figura 13 – Schema di principio del trasmettitore con stadio I.F.
Modem
PC
Modulatore
Generatore IF
Ampl. IF e filtro IF
Convert. di frequenza
Sintetizzatore
Ampl.
BF
104
Per le trasmissioni radiotelegrafiche e dati (fig. 13), il segnale in ingresso in bassa
frequenza è costituito dal segnale d’ uscita di un modem, dispositivo che, come
meglio si dirà in seguito, trasforma i segnali elettrici (corrispondenti
all’informazione di tipo binario) provenienti dalla telescrivente o da un P.C., in
toni audio idonei a modulare una portante.
Per quanto detto, in un comune trasmettitore radio è possibile identificare le
sottonotate n. 3 sezioni distinte che si differenziano per i valori di frequenza dei
segnali circolanti all’interno dei rispettivi circuiti:
la sezione Bassa Frequenza (BF), detta anche “Audio Frequency” (AF) ove
vengono trattati i segnali modulanti in ingresso (tipicamente compresi nella
banda 300 - 3000 Hz, per le trasmissioni di segnali in banda audio);
la sezione a Frequenza Intermedia (Intermediate Frequency = IF), nella quale
avviene la modulazione della frequenza IF (ad es. di 2 MHz);
la sezione a Radio Frequenza (RF), nella quale avviene il processo di
conversione da IF a RF, l’amplificazione finale e l’uscita verso l’antenna.
Negli apparati radio di più moderna concezione, la cosiddetta “ Software Radio”
o “Programmable Radio”, il circuito modulatore viene sostituito da un circuito
software che realizza la forma d’onda dell’oscillazione modulata mediante un
adeguato numero di campioni discreti.
In pratica, cioè, la desiderata forma d’onda modulata viene costruita “per punti”.
L’apparato radio, pertanto, viene ad essere costituito dal suddetto dispositivo
“software” che genera il segnale già modulato fino al livello IF (con l’attuale
tecnologia) e dai successivi convertitori di frequenza (per generare la RF
desiderata) ed amplificatori di potenza.
105
3. IL RICEVITORE
Il ricevitore ha il compito di rendere disponibile (ad es. udibile) il segnale
modulante che costituisce l’informazione trasmessa sulla frequenza che si vuol
ricevere.
Pertanto, dopo che l’antenna ricevente ha captato il segnale modulato, il ricevitore,
con opportune operazioni di amplificazione e demodulazione, separa la frequenza
portante dalla modulante e riconverte quest’ultima nella sua forma di segnale
originale, ad esempio audio.
3.1 Principio di funzionamento del ricevitore.
In linea di principio un semplice ricevitore (fig. 14) è costituito da:
l’antenna ricevente;
un amplificatore a R.F. che eleva la debole oscillazione indotta nell’antenna;
un demodulatore (che in AM prende il nome di “rilevatore” e in FM prende il
nome di “discriminatore”) che estrae dall’oscillazione modulata il segnale di
bassa frequenza “fm”;
un amplificatore di B.F. che eleva la tensione del segnale prodotto dal
rivelatore in modo da portarlo ad un livello adeguato per la sua comprensione;
l’altoparlante o la cuffia, che traduce i segnali elettrici di frequenza “fm” in
onde di pressione acustica di pari frequenza.
Figura 14 – Schema di principio del ricevitore AM -
106
Il ricevitore sopra descritto presenta il limite di operare unicamente nella ristretta
banda di frequenze su cui è accordato l’amplificatore RF ed è stato progettato il
demodulatore.
3.2 Il ricevitore supereterodina.
Salvo specifiche applicazioni, un radioricevitore per telecomunicazioni deve
essere in grado di operare in una vasta gamma di frequenze con segnali captati
dall’antenna aventi ampiezze dell’ordine dei microvolt/m. Per conseguire la
necessaria amplificazione delle frequenze desiderate sono possibili due diversi
metodi che conducono a due diversi tipi di ricevitori: il metodo
dell’amplificazione diretta ed il metodo della conversione di frequenza.
Nei ricevitori ad amplificazione diretta l’amplificatore è costituito da un certo
numero di stadi di amplificazione a radiofrequenza in cascata, ciascuno dei quali
su di una specifica frequenza che si vuole ricevere.
Tale metodo è ora praticamente abbandonato soprattutto per le difficoltà di
ottenere un’amplificazione uniforme ed una selettività costante per tutta la vasta
gamma delle frequenze da ricevere.
Questi inconvenienti vengono eliminati con i ricevitori a conversione di
frequenza, detti più comunemente ricevitori supereterodina, che costituiscono la
grande maggioranza degli apparati oggi in uso.
In questi, anziché compiere l’amplificazione direttamente sulle oscillazioni che
giungono dall’antenna (le cui frequenze occupano una gamma vastissima), si
opera una conversione della loro frequenza in una fissa, di valore più basso, detta
frequenza intermedia o Intermediate Frequency = IF, su cui è più agevole
compiere le operazioni di demodulazione e di amplificazione con il desiderato
grado di fedeltà (fig. 15).
107
SEZIONE RF SEZIONE IF SEZIONE BF Antenna
RF RF IF fm fm
Comando
sintonia
Figura 15 – Schema a blocchi del ricevitore supereterodina.
La conversione da “fp” a IF si attua mediante un battimento tra la frequenza in
arrivo (fp) e quella prodotta da un oscillatore locale di frequenza variabile (f0).
A seguito di tale conversione l’operazione di demodulazione viene cosi ad essere
effettuata sempre sulla frequenza ( IF ), con sostanziali vantaggi per quanto
concerne la semplificazione degli apparati riceventi.
Con riferimento alla fig. 15, si osservi come il modulo “mescolatore” che effettua
la conversione di frequenza da fp a IF, effettua la differenza, in valore assoluto,
tra la f0 e la fp: ossia │ f0 - fp │ = IF.
Pertanto, per poter convertire la fp alla IF, è necessario regolare il valore della
frequenza dell’oscillatore locale sul valore f0 = fp + IF.
Preampli- ficatore RF
Prese-
Mescolatore |f0 – fp |= IF
Amplif.
Rivela- tore
Amplif.
Oscillatore Locale
= f + IF f0 p
108
Tale regolazione viene effettuata agendo sul comando della sintonia
dell’apparato. Ruotando tale manopola è così possibile selezionare differenti
stazioni trasmittenti che operano su frequenze diverse.
Il ricevitore supereterodina sopra descritto presenta, però, l’inconveniente di
ricevere non solo la fp desiderata (ad es. 10 MHz), ma anche la sua frequenza
immagine f* = fp + 2 IF.
Ipotizzando una IF di 2 MHz, si ottiene quindi che l’immagine di 10 MHz è la 14
MHz.
All’atto della ricezione di f*, nel mescolatore viene effettuata la solita operazione
│f - f*│ = │f – fp - IF│ = │fp + IF – fp – 2IF│ = │- IF│ = IF 0 0
In altre parole, avendo posizionato l’oscillatore locale sul valore di frequenza
f0 = 12 MHz, tale da consentire la ricezione della desiderata fp = 10 MHz, si
riceverebbe anche la f* = 14 MHz.
Come si può notare la f* è sempre maggiore della fp, per cui, per ovviare
all’inconveniente della ricezione della immagine della frequenza desiderata, si
ricorre all’inserizione nella linea RF di un circuito “preselettore”, anch’esso
accordabile per il tramite della manopola sintonia, costituito, in pratica, da un
filtro passa basso, che fa passare la più bassa delle due tra la fp e la f*: cioè la fp.
Anche per il ricevitore, quindi, è possibile identificare le sottonotate 3 sezioni:
la sezione RF, d’ingresso dei segnali provenienti dall’antenna (portante
modulata ricevuta);
la sezione IF, ove avviene la conversione da fp a IF, ottenendo la IF modulata;
la sezione BF, ove avviene la demodulazione della IF modulata, ricavando
l’informazione (fm); ovverosia, nei casi che più ci interessano, il segnale audio
(fonico o dati).
109
4. PRINCIPALI TIPI DI EMISSIONE
Nel presente paragrafo saranno esaminate le fondamentali modalità di emissione
utilizzate nelle comunicazioni radio.
Tali modalità vengono anche indicate con la loro designazione internazionale,
costituita da una sigla alfanumerica, per la cui interpretazione si rimanda al
pertinente capitolo (pag. 164).
4.1 Radiotelegrafia morse
L’alfabeto morse consiste nel codificare le lettere con linee e punti. Per le
applicazioni nelle radiocomunicazioni, la trasmissione Morse si può effettuare
molto semplicemente emettendo una portante per periodi relativamente corti o
lunghi, in corrispondenza rispettivamente dei punti e delle linee, non
trasmettendo nelle pause tra un simbolo ed un altro.
A titolo di esempio, in figura 16 e’ riportato il segnale corrispondente alla
). lettera A (• __
PPUUNNTTOO LLIINNEEAA
Figura 16 - Esempio di trasmissione morse in CW (lettera A) -
Tale tipo di trasmissione che consiste nell’inviare per brevi periodi una frequenza
portante non modulata, prende il nome di onda continua, meglio nota con il
termine inglese CW (Continuous Wave).
110
All’atto della ricezione del segnale CW, il ricevitore genera al proprio interno una
frequenza audio di 1 kHz, in modo da rendere udibile la ricezione del segnale.
Un’altro modo per comunicare in morse in modo che il tono audio venga ricevuto
nella stessa modalità (ad es. AM o SSB) impiegata per la fonia, consiste nel
trasmettere la portante modulata da un tono di 1 kHz per i periodi di tempo
rappresentativi del punto e della linea (fig. 17). Tale modalità prende il nome di
“Manipulated Continuous Wave” (MCW).
Figura 17 – Trasmissione Morse MCW -
La modalità Morse effettuata sia in CW che in MCW attualmente è in disuso per
le comuni applicazioni.
111
4.2 Fonia
Nelle comunicazioni in fonia il segnale informativo e’ costituito dalla viva voce
dell’operatore. Il dispositivo che converte, in trasmissione, il segnale fonico in
segnali elettrici per modulare una portante e’ il microfono (fig. 18).
SEGNALE MODULANTE fm
MEMBRANA
A
MICROFONO
AMPLIFIC.
FILTRO MODULATOR
F portante
Figura 18 – Processo di modulazione nel trasmettitore -
Il simbolo circuitale del microfono rappresenta una membrana che, per effetto
delle sollecitazioni ricevute a causa delle variazioni di pressione dell’aria
provocate dalla voce dell’operatore, comprime con maggiore o minore pressione i
granuli di carbone contenuti in una capsula metallica e provocando, così, una
variazione della resistenza del circuito in cui è inserito, generando un segnale
elettrico variabile in “bassa frequenza” (BF) che costituisce il segnale modulante.
Nei microfoni di tipo più recente, ad “effetto elettromagnetico”, gli spostamenti
della membrana fanno sì che venga generata una tensione che riproduce, come
andamento nel tempo, le stesse variazioni della pressione acustica in aria.
Le tensioni prodotte dal microfono generalmente non sono idonee per modulare
direttamente la frequenza portante, il segnale, pertanto, viene amplificato in un
amplificatore BF e filtrato per rispettare i vincoli di larghezza di banda imposti
dal canale a radiofrequenza (tipicamente da 300 Hz a 3000/3400 Hz).
112
All’atto della ricezione viene effettuata l’operazione inversa di quella fin qui
descritta.
Il segnale elettrico proveniente dal demodulatore, dopo l’amplificazione viene
inviato in altoparlante o nell’auricolare di una cuffia.
L’altoparlante e’ costituito da un dispositivo elettromagnetico alimentato dal
segnale sopraddetto. Al variare del segnale, una bobina genera un campo
magnetico variabile che attira e respinge una membrana la quale, così facendo,
genera le stesse variazioni di pressione in aria originate dal segnale acustico in
trasmissione, rendendole cosi udibili.
113
4.3 Trasmissione dati.
4.3.1 Generalità
I sistemi di comunicazione di tipo digitale (cioè numerico) sono in continua
espansione sia per la crescente diffusione di sorgenti di informazione capaci di
fornire dati in forma numerica (come, ad esempio, i P.C.) sia perché i processi di
digitalizzazione dei segnali si sono estesi anche alle sorgenti di tipo analogico
(audio, video, telemetria, ecc.).
Questo orientamento trova motivazioni nella maggior flessibilità di impiego e
varietà di soluzioni attribuibili alle tecniche digitali e nella tecnologia dei circuiti
integrati che le supporta.
Nei sistemi di tipo analogico viene effettuata la trasmissione di segnali
caratterizzati da un andamento della loro ampiezza variabile con continuità nel
tempo.
Nei sistemi di comunicazione digitali sono impiegati, invece, segnali
caratterizzati da valori discreti di tensione provenienti da sorgenti di
informazione numeriche.
La possibilità offerta dai sistemi digitali di poter trasmettere solo stati discreti di
tensione o corrente (due, nel caso più semplice, rappresentanti l’informazione
numerica espressa in “0” e “1”); ad es: + 5V (per indicare il simbolo “1”) e 0 V
(per indicare il simbolo “0”); rappresenta il punto di forza delle trasmissioni dati,
per i motivi a seguito:
1) Il ricevitore, all’atto della ricezione, dopo aver effettuato la demodulazione
del segnale, pur se in presenza di attenuazioni e distorsioni, ha il solo compito
di riconoscere un livello o l’altro, utilizzando un circuito “soglia”, riuscendo,
così a ricostruire il segnale nella sua forma originaria (fig. 19 a); operazione,
questa, che non è possibile effettuare sui segnali analogici, che possono
assumere infiniti differenti valori, per cui il ricevitore si limita ad inviare
all’utente il segnale così come demodulato, pur se affetto dalle alterazioni
subite nel corso della propagazione fig. 19 b);
114
a) Trasmissione di segnali digitali
soglia
Informazione digitale trasmessa (via radio)
modulando una portante
Segnale ricevuto (dopo la demodulazione) Segnale ricostruito (nella sua forma)
b) Trasmissione di segnali analogici
Informazione analogica trasmessa all’utente, (via radio) modulando una portante
Segnale ricevuto (dopo la
demodulazione) Segnale reso disponibile all’utente dopo l’amplificazione ed il filtraggio (distorto rispetto a quello trasmesso)
Figura 19 – Ricostruzione di un segnale digitale e di uno analogico.
2) Essendo l’informazione in forma numerica è possibile adottare alcuni
accorgimenti, in modo da poter riconoscere, ed eventualmente correggere, gli
errori commessi in fase di discriminazione da parte del circuito “soglia”,
provocati dalle alterazioni subite dal segnale in fase di propagazione; tali
tecniche possono consistere:
nella ridondanza ( ad esempio trasmettendo più volte lo stesso simbolo o
lo stesso blocco di simboli o lo stesso messaggio);
nell’inserimento, nel testo, di idonei “bit di controllo” mediante
l’utilizzazione di codici di correzione di errore, denominati FEC (Forward
Error Correction);
nella richiesta automatica di ripetizione , da parte del ricevitore, in caso di
mancata o non corretta ricezione di una o più parti del testo; modalità che
prende il nome di ARQ (Automatic Repetition Quiry).
115
Nelle comunicazioni di tipo digitale, pertanto, la qualità della ricezione si misura
rilevando il tasso degli errori ricevuti, caratteristica, questa che si esprime con il
Bit Error Rate (B.E.R), ovviamente tanto maggiore sarà il B.E.R. tanto più
degradata sarà la qualità del segnale ricevuto.
La trasmissione di dati digitale può avvenire in modalità asincrona o sincrona.
Nel caso di trasmissione asincrona ogni sequenza di bit corrispondente, ad
esempio, ad un carattere alfanumerico, è preceduto da un bit di inizio carattere,
detto di “Start”, ed è seguito da uno o più bit di “Stop”.
La funzione dei bit di “Start” e di “Stop” è quella di garantire la sincronizzazione
tra il ricevitore ed il trasmettitore, permettendo al ricevitore di riconoscere
l’inizio e la fine della sequenza relativa al carattere da trasmettere.
Nel caso, invece, di trasmissione sincrona, i bit di informazione sono trasmessi
uno dopo l’altro, in sincronismo con un segnale di sincronizzazione, detto
“clock”, il cui periodo è uguale alla durata dei bit di informazione. Il ricevitore,
così, è in grado di estrarre il “clock” di sincronizzazione dal segnale ricevuto,
grazie al quale può ricostruire la successione dei dati ricevuti.
4.3.2 Modulazioni Digitali
I segnali in uscita dai dispositivi digitali sono caratterizzati da valori discreti di
tensione e corrente, corrispondenti, nel caso di due soli livelli, agli stati logici
“0” e “1”.
Poiché il canale di comunicazione è tipicamente a struttura analogica, occorrono
particolari tecniche che effettuino una “traduzione” di segnali digitali in segnali
analogici o comunque adatti a modulare una portante.
Le tecniche di modulazione digitale possono essere, basilarmente, di 3 tipi nel
seguito descritti: modulazione a spostamento di ampiezza (Amplitude Shift
Keying), a spostamento di fase (Phase Shift Keying) ed a spostamento di
frequenza (Frequency Shift Keying).
116
(1) AMPLITUDE SHIFT KEYNG (A.S.K.)
Con questo tipo di modulazione (fig. 20), nel caso più semplice di soli 2 livelli
discreti di tensione, gli stati “0” e “1” di una informazione digitale vengono
convertiti in due differenti ampiezze di una oscillazione portante.
Normalmente la tensione più bassa rappresenta lo “0” logico.
Figura 20.-Modulazione A.S.K.
Un caso particolare di questo tipo di modulazione è costituito dalla
modulazione ON-OFF vista per il CW, nella quale al livello logico “0”
corrisponde l’assenza del segnale.
Utilizzando un maggior numero di livelli (ad es. 4,8,16), numero derivante
dall’elevazione in potenza con esponente intero della base 2 (ad es. 22, 23, 24),
è possibile associare ad ogni livello di tensione un maggior numero di bit (ad
es: 2 bit per 4 livelli, 3 bit per 8 livelli, 4 bit per 16 livelli, etc..).
(2) PHASE SHIFT KEYNG (P.S.K.)
E’ un tipo di modulazione in cui ad una variazione del segnale digitale in
ingresso corrisponde una variazione di fase della portante (fig. 21).
I differenti valori di fase che l’oscillazione portante può assumere possono
essere 2 nella modulazione bifase (ad es. 00° - 180°), o potenze intere di 2
( ad es. 4, 8, ecc.).
117
Figura 21 - Modulazione P.S.K.
Le modulazioni multilivello (ad es: 4 PSK, 8PSK, etc.), vengono utilizzate
per ottenere velocità di trasmissione dati maggiormente elevate a parità di
occupazione di banda, difatti, analogamente a quanto in precedenza visto per
l’ASK, ad ogni valore discreto di fase del segnale è così possibile associare un
maggior numero di Bit, ad es: n.2 bit per le 4 PSK, n. 3 bit per le 8 PSK, etc.
(fig. 22).
Figura 22 - Modulazioni PSK a 2, 4 e 8 livelli.
118
(3) FREQUENCY SHIFT KEYNG (F.S.K.)
Con questo tipo di modulazione, gli stati logici “0” e “1” ,vengono convertiti
in valori discreti di frequenze.
Ipotizzando due soli valori di frequenza, alla frequenza più bassa può essere
associato lo stato “1” ed a quella più alta lo stato “0” (fig. 23) o viceversa.
Figura 23- Frequenze (a) e forma d’onda (b) di un segnale F.S.K.
Anche per la F.S.K. vengono comunemente adottate tecniche di modulazione
multilivello, utilizzando, un numero di frequenze pari a potenze intere di 2
(ad es. 4, 8, 16).
Analogamente a quanto detto per l’ASK e la PSK, anche per l’FSK
multilivello ad ogni valore di frequenza corrispondono più BIT (ad es. 2 nel
caso 4 FSK o 3 in 8 FSK ecc.).
Un tipo particolare di F.S.K. è quello utilizzato per le trasmissioni RATT
(Radio-Tele-Type) a due toni in banda HF e quindi con modalità SSB.
Con questa tecnica si modula la portante con due toni audio, uno denominato
MARK e l’altro SPACE.
119
Dato che in SSB una banda laterale e la portante vengono soppresse, in aria
sarà presente o una o l’altra riga analogamente a quanto accadrebbe con la
tecnica F.S.K. precedentemente vista (fig. 23a). In entrambi i casi la distanza
tra le due frequenze prende il nome di “Shift” (ad es: 850, 425, 85 Hz, etc.).
Figura 24 - RATT a due toni in SSB
Nell’illustrare le tecniche di modulazioni digitali ASK, PSK, FSK, abbiamo
fin qui ipotizzato, tranne che nel caso della RATT a due toni, spostamenti
(shift) di ampiezza, fase e frequenza della portante; nelle pratiche
applicazioni, tuttavia, si preferisce modulare la portante con un tono fisso
(detto sottoportante o “subcarrier”) ed eseguire su di questo le variazioni di
ampiezza, fase e frequenza. Nel caso della RATT a due toni pertanto, la
frequenza della “sub-carrier” viene a trovarsi a metà dello shift e non viene
emessa in quanto trattasi di una frequenza di riferimento. Ad esempio,
impiegando una sub-carrier di 2000 Hz con shift di +/- 425 Hz, i toni “mark”
e “space” che verranno trasmessi assumeranno rispettivamente i valori di
1575 Hz e 2425 Hz, “shiftati” tra di loro di 850 Hz.
120
5. IL MODEM
Il MODEM (Modulator Demodulator) è un dispositivo che accetta dati da un
computer in forma di segnali digitali e li trasforma in segnali audio idonei alla loro
trasmissione attraverso una linea di telecomunicazioni di tipo telefonico oppure radio
(fig.25).
In ricezione il modem riceve toni audio in ingresso e li trasforma nella loro forma
numerica originale.
Per mezzo del Modem è così possibile realizzare le modulazioni digitali ASK, PSK e
FSK in precedenza viste.
Nelle pratiche applicazioni per radiocomunicazioni in SSB in banda HF, i toni audio
in uscita dal modem impiegato in Tx e in ingresso al modem utilizzato in Rx possono
assumere valori compresi tra 300 e 3000 Hz.
Figura 25 - Schema di principio per radiocollegamenti digitali –
Nei dispositivi più recenti si preferisce adottare la modulazione PSK, in luogo della
FSK un tempo ampiamente impiegata, utilizzando un tono audio quale sottoportante
(sub – carrier).
Nel caso in cui l’uscita analogica del MODEM sia costituita da un solo tono allocato
nella banda audio e modulata sequenzialmente con una delle tecniche digitali viste
121
precedentemente, il modem si dice “Seriale” (trasmissione, in sequenza di un bit alla
volta, in caso di modulazioni bilivello).
Nel caso invece che l’uscita del modem sia costituita dall’emissione simultanea di un
insieme di più toni, ciascuno dei quali modulato, il modem si dice “Parallelo”.
Ad esempio con 16 toni, ciascuno dei quali modulato in quadrifase, si otterrà una
trasmissione simultanea di 32 bit, ad ogni cambiamento di stato sulla linea. Il numero
delle transazioni di stato sulla linea si esprime in Baud, pertanto, nell’esempio del
modem parallelo di cui sopra con una velocità di trasmissione di 75 baud sulla linea
si otterrà un flusso dati in uscita dal modem pari a 2400 b/s.
Nelle comunicazioni di tipo digitale la larghezza di banda del segnale emesso viene
fissata dal numero delle variazioni di stato sulla linea che avvengono in un secondo
(n. di Baud) e non dal reale flusso informativo dei dati (bit/s). Solo nel caso di
modulazione bilivello, il numero dei Baud coincide con il flusso dati in bit/sec.; nel
caso, invece, di una modulazione quadrilivello, il numero dei bit/s trasmessi è il
doppio del numero dei Baud (n.2 bit per ogni transizione).
All’aumentare del numero dei Baud, aumenta la larghezza di banda occorrente.
Ne consegue quindi che, per poter rispettare i vincoli imposti da una prefissata
larghezza di banda del canale, la velocità di trasmissione dei dati dovrà essere
limitata superiormente.
In banda HF, ipotizzando tecniche di modulazioni binarie (ad es: 2 PSK) in SSB, non
è possibile superare la velocità di 2400b/s, mentre utilizzando modulazioni
multilivello (ad es: 4 – PSK; 8 – FSK etc..) è possibile trasmettere un flusso dati fino
a 9.6 Kb/s (per onda di superficie). Nella ionosfera, a causa delle limitazioni imposte
dalla rumorosità e della variabilità del mezzo di propagazione, ben difficilmente si
possono ottenere velocità di scambio dati superiori ai 1200 – 2400 b/s.
122
6. LA TELESCRIVENTE
La telescrivente (Tele Type Writer – sigla TTY) e’ un apparato, ormai pressoché in
disuso, che per molti anni ha consentito la ricetrasmissione di messaggi in forma
scritta.
La telescrivente può essere impiegata per collegare tra di loro direttamente due utenti
(collegamento punto-punto), oppure può essere utilizzata per comunicazioni via filo
di tipo commutato, a similitudine di quanto avviene con l’apparecchio telefonico, per
cui si può trasmettere un messaggio ad un utente desiderato previa selezione del
numero del destinatario (servizio pressoché dimesso che prende il nome di Telex).
Nel caso di comunicazioni via radio la modalità telegrafica prende il nome di RATT
(RAdio Tele Type).
La telescrivente è munita di una tastiera dattilografica, sulla quale l’operatore può
digitare il messaggio da trasmettere. In ricezione la macchina stampa
automaticamente i caratteri ricevuti sulla carta inserita nell’apposito rullo.
Con la telescrivente le lettere dell’alfabeto, i numeri, i segni d’interpunzione ecc.,
vengono convertiti in segnali elettrici idonei al successivo trasferimento su di una
linea di trasmissione, facendo corrispondere, ad ogni carattere, un segnale codificato.
In ricezione la stessa macchina riconverte i segnali elettrici ricevuti in movimenti
meccanici di stampa dei caratteri corrispondenti. Il segnale codificato consiste in una
serie di impulsi di corrente generati da un dispositivo elettrico che può operare in due
differenti maniere (fig. 26):
a) apertura e chiusura del circuito (presenza e assenza di corrente), detta corrente
semplice;
123
b) scambio di polarità + e – di un circuito (impulsi di segno opposto) detta corrente
doppia.
Figura 26 – Trasmissione a corrente singola e doppia
Nell’alfabeto ITA-2 (International Telegraphic Alphabet 2), vedasi apposita sezione
a pag.174, gli impulsi elettrici relativi a ciascun simbolo sono 5 (detti di codice) più
2 impulsi supplementari di sincronismo detti di “start” e di “stop”, di cui il primo
precede ed il secondo segue i 5 impulsi di codice (fig. 27).
Questi due impulsi di sincronismo consentono di avviare ed arrestare, all’arrivo di
ogni gruppo di segnali costituenti un carattere, gli organi di ricezione e stampa.
Figura 27 – Esempio di carattere telegrafico (lettera “y”)
L’impulso di stop può avere una durata (T) uguale agli altri impulsi oppure può
essere più lungo (ad es. 1,5T).
124
Gli impulsi di codice sono detti di “lavoro” o di “riposo”, secondo il seguente
quadro:
La velocità di trasmissione in Ratt viene misurata in “Baud”, abbreviazione del nome
di Emile Baudot, inventore di uno dei primi tipi di apparati per telegrafia. Il Baud
esprime il numero degli impulsi elementari contenuti in un secondo. La velocità di
50 baud significa, ad esempio, che in un secondo sono contenuti 50 impulsi
elementari e che, di conseguenza, la durata del singolo impulso è di 1/50 di sec.,
ossia di 20 millesimi di secondo (ms).
Dalla velocità telegrafica, espressa in Baud, si può così ricavare la velocità di
trasmissione e cioè il numero di caratteri (lettere, numeri etc.) che la macchina può
emettere al minuto.
Ad esempio, con la velocità di 75 baud, in un minuto possono essere trasmessi:
75 x 60 : 7,5 = 600 caratteri
Avendo considerato che per ciascun carattere occorrono 7,5 impulsi elementari (1 di
start, 5 di codice e 1,5 di stop).
I n. 5 impulsi di codice sono costituiti da combinazioni di impulsi che possono essere
di due tipi : riposo e lavoro. Pertanto tutte le possibili combinazioni sono date da: 5 = 32. 2
125
Il numero di 32 differenti combinazioni è troppo basso per poter rappresentare le 26
lettere dell’alfabeto inglese, le 10 cifre ed i segni di interpunzione. Pertanto, per
trasmettere un maggior numero di segni con le combinazioni a disposizione, a 26
delle n. 32 combinazioni viene fatto corrispondere un doppio significato: come
lettera o come cifra/segno di interpunzione; per cui allo stesso codice può
corrispondere una lettera o una cifra (es: la lettera “E” o la cifra “3”).
Il significato “lettere” o “cifre” di un codice viene preselezionato per mezzo di 2
delle restanti n.6 combinazioni; pertanto una serie di lettere deve essere preceduta dal
codice “lettere” mentre le cifre o i segni di interpunzione devono essere preceduti dal
codice “cifre”. Tale preselezione nei vecchi tipi di telescrivente avveniva in forma
manuale per mezzo degli appositi comandi presenti sulla tastiere (A……..) (lettere) e
(1…….) (cifre).
Nelle realizzazioni più recenti la preselezione avviene in forma automatica premendo
semplicemente sulla tastiera una lettera o un numero. Delle restanti 4 combinazioni,
una viene utilizzata per lo spazio tra parole, una per il ritorno carrello, una per
l’interlinea mentre la 32’, costituita da 5 impulsi di lavoro, non viene utilizzata.
Un testo telegrafico scritto con l’alfabeto ITA 2 può essere memorizzato su di un
nastro perforato. Su tale nastro i cinque impulsi di riposo e di lavoro corrispondenti a
ciascun carattere vengono rappresentati rispettivamente con la presenza o l’assenza
di un foro.
Nell’esempio di fig. 28 è stato rappresentato un tratto di nastro (denominata in gergo
TLC “zona”) su cui è stato scritto “D. Murray”, in particolare si notino i codici che
annunciano lo scambio “lettere” e “cifre” (quest’ultimo comprende anche i segni di
interpunzione).
126
Figura 28 – Nastro perforato
Nella zona viene perforata anche una serie continua di piccoli fori che servono
unicamente al trascinamento meccanico del nastro. Il nastro perforato viene generato
da un perforatore di zona. La “zona” così ottenuta può essere utilizzata per
conservare un messaggio oppure per ritrasmetterlo in forma automatica.
Per ritrasmettere il messaggio è necessario utilizzare un dispositivo in grado di
leggere la presenza o meno dei fori, riconvertendoli in impulsi elettrici (riposo o
lavoro). Tale dispositivo prende il nome di trasmettitore automatico che può essere
un apparato a sé stante oppure può essere conglobato nella telescrivente stessa.
Nella RATT a due toni all’impulso di riposo ed a quello di lavoro viene fatto
corrispondere un particolare tono audio con il quale si modula una portante a
radiofrequenza. Il tono associato all’impulso di riposo prende il nome di Mark,
mentre quello associato all’impulso di lavoro prende il nome di Space (fig. 29).
Figura 29
127
7. L’ ANTENNA
7.1 Generalità
Per antenna si intende un conduttore o un sistema di conduttori la cui funzione, in
trasmissione e’ quella di trasformare le correnti a radiofrequenza che la
percorrono in onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio libero,
mentre in ricezione e’ quella di captare le onde elettromagnetiche provenienti
dallo spazio divenendo sede di correnti ad alta frequenza, pertanto, essa si
comporta come un trasduttore (fig. 30).
In altre parole l’antenna e’ un organo di accoppiamento tra l’apparato trasmittente
e/o ricevente e lo spazio libero e quindi costituisce uno degli elementi più
importanti di un sistema di comunicazione.
Figura 30 - L’antenna come trasduttore –
Una caratteristica molto importante dell’antenna e’ la sua larghezza di banda.
Una antenna che presenta una curva di risposta in funzione della frequenza del
tipo riportato in fig. 31-a si dirà selettiva in quanto presenta il massimo della
128
corrente che l’attraversa, e quindi il massimo dell’irraggiamento, in una ristretta
banda ristretto intorno della frequenza di risonanza f0; mentre un’antenna con
curva di risposta del tipo indicato in fig. 31-b si dirà a larga banda.
Per frequenza di risonanza (f0) si intende quel particolare valore di frequenza per
il quale l’antenna ha un comportamento “resistivo” per cui la corrente che
l’attraversa assumerà il massimo valore; per frequenze più basse l’antenna si
comporta invece capacivamente, mentre per frequenze superiori a f0 si
comporterà induttivamente.
Figura 31 – Curve di selettività delle antenne
Quando il valore di resistenza dell’antenna (Rc) è pari a quella di uscita del
trasmettitore e della linea RF (Z0), tutta la potenza applicata all’antenna viene
dissipata al suo interno ottenendo il massimo trasferimento dell’energia sotto
forma di irradiazione di O.E.M. nello spazio.
Al verificarsi di questa condizione l’antenna si dice adattata; ossia tutta la
potenza diretta all’antenna viene da questa irradiata e lungo la linea si avranno
valori di tensione e corrente RF uniformemente distribuite (fig. 32).
Nel caso in cui non si verificasse questa situazione, non tutta la potenza applicata
all’antenna viene irradiata, ma una parte viene riflessa verso il trasmettitore, per
129
cui sulla linea RF (in genere cavo coassiale) che collega il trasmettitore
all’antenna si avrà la presenza contemporanea di due potenze: quella diretta, che
va dal trasmettitore all’antenna, e quella riflessa che va dall’antenna al
trasmettitore, le quali interagiranno tra di loro generando lungo la linea RF un
regime di onde di tensioni e di correnti dette “onde stazionarie” (fig. 33).
antenna
Figura 32 - Distribuzione di tensione a corrente su linea adattata –
antenna
Figura 33 - Onde stazionarie sulla linea RF per effetto del disadattamento di
impedenza -
130
L’entità del disadattamento si esprime con il rapporto tra i valori massimi (VM) e
minimi (VM) raggiunti da dette onde, ossia dal “Rapporto Onde Stazionarie”
(R.O.S.)
Il ROS può assumere valori compresi tra “1”, corrispondente all’antenna adattata
e valore infinito (disadattamento massimo) che corrisponde all’antenna in corto
circuito o in circuito aperto. Nelle pratiche applicazioni il ROS, per ritenersi
accettabile, non deve superare il valore di 2.
7.2 Dipolo a mezz’onda
Il tipo di antenna fondamentale per la teoria delle antenne e’ il dipolo Hertziano
a mezz’onda (fig. 34).
____________________ λ /2 _________________
Figura 34 - Il dipolo a mezz’onda –
Esso e’ costituito da due elementi conduttori alimentati da un generatore a radio
frequenza, in trasmissione, ed attestata all’ingresso di un ricevitore, in ricezione.
Per poter correttamente operare, la lunghezza del dipolo a mezz’onda deve essere
pari alla metà della lunghezza d’onda che si vuole trasmettere.
In tal caso l’irraggiamento nello spazio di un dipolo sarà del tipo rappresentato in
fig.35.
131
Fig. 35: a) Solido di irradiazione di un dipolo λ / 2 ; b) Diagramma di irradiazione sul piano verticale.
7.3 Monopolo Marconiano
Un altro tipo di antenna molto diffuso e’ il cosiddetto monopolo Marconiano (o
semi-dipolo in mezz’onda), costituito da un conduttore verticale alimentato da un
generatore RF, la cui massa viene collegata ad un piano riflettente (fig. 36).
Esso deriva dal dipolo in mezz’onda, cui uno degli elementi radianti è stato
sostituito dal piano riflettente. Complessivamente, pertanto, l’antenna si comporta
come un dipolo a mezz’onda, ove uno dei due elementi radianti è stato sostituito
dalla sua immagine speculare.
Per poter correttamente operare, pertanto, la sua lunghezza deve essere pari a
λ/4.
Il diagramma di irradiazione del monopolo marconiano λ/4 sul piano verticale è
riportato in fig. 37.
132
Figura 36 – Monopolo Marconiano -
Figura 37 – Diagramma di irradiazione del monopolo λ/4 sul piano verticale.
La superficie riflettente nelle bande LF, MF, HF, e’ costituita dal suolo che deve,
quindi, essere un buon conduttore. Nel caso di terreni cattivi conduttori si rende
necessario interrare una rete metallica al di sotto dell’antenna, per un raggio di
almeno un λ, al fine di costituire una adeguata superficie riflettente in prossimità
dell’elemento radiante.
Nelle bande di frequenza più alte (es. VHF, UHF) dovendo posizionare le
antenne in posizioni elevate per far sì che il propagarsi avvenga per onda diretta,
la superficie riflettente viene realizzata con elementi conduttori disposti a
raggiera (fig.38). Tale tipo di antenna prende il nome di “Ground Plane” (piano di
terra).
133
Figura 38 – Antenna Tipo “ground plane”
7.4 Guadagno dell’antenna.
Alcune tipologie di antenne vengono progettate per concentrare la potenza
irraggiata in una direzione preferenziale. Sfruttando tale caratteristica la potenza
necessaria in trasmissione per stabilire il collegamento nella direzione voluta
risulta essere minore rispetto a quella che occorrerebbe se l’antenna irradiasse
uniformemente in tutte le direzioni.
Ovviamente tanto maggiore sarà la concentrazione della potenza nella direzione
desiderata, tanto maggiore sarà la sua direttività e tanto maggiore sarà il
risparmio della potenza totale emessa.
E’ da notare, però, come la concentrazione dell’irraggiamento in un settore
angolare preferenziale vada a discapito delle altre direzioni, ove l’irraggiamento è
minimo o addirittura nullo.
La direttività di un’antenna si esprime con il suo Guadagno (G).
134
Il guadagno di una antenna e’ definito come il rapporto tra: la potenza da
applicarsi ad un radiatore isotropico (cioè che irradia uniformemente in tutte le
direzioni) e quella da applicarsi all’antenna presa in considerazione, per poter
ottenere gli stessi valori di campo nella direzione di massimo irraggiamento di
quest’ultima (fig. 39).
Alcuni autori definiscono il guadagno come il rapporto tra la potenza irradiata da
un dipolo a mezz’onda e quella dell’antenna in esame per ottenere gli stessi valori
di irraggiamento nella direzione presa in esame.
La direttività di una antenna è data dall’angolo sotteso tra i due punti ove la
potenza irraggiata è la metà di quella massima (-3 dB).
Nelle pratiche applicazioni, si rende spesso necessario conoscere il guadagno di
un’antenna in una particolare direzione, differente da quella di massimo
irraggiamento.
Quando non altrimenti specificato, riferendosi al guadagno di un’antenna, si
intende la direzione di massimo irraggiamento.
Diagramma di irradiazione di un’antenna isotropica
Figura 39 – Diagramma di irradiazione sul piano orizzontale di un’antenna direttiva -
135
Nel dipolo a mezz’onda, correttamente alimentato, la direzione di massima
radiazione e’ corrispondente al centro dell’antenna, in cui si ha la massima
intensità di corrente.
Nel monopolo λ/4, correttamente alimentato, il massimo dell’irraggiamento si ha
per angoli di irradiazione prossimi allo “0”. Per tali angoli si ottiene la stessa
intensità del massimo campo ottenibile con il dipolo con metà della potenza
emessa (fig. 37). Pertanto, nei settori angolari prossimi alla superficie il
guadagno del monopolo e’ il doppio di quello massimo ottenibile con il dipolo a
mezz’onda.
Oltre al lobo principale di irradiazione, ove si ottengono i massimi valori di
guadagno, le antenne direttive spesso presentano indesiderati lobi di irradiazione
secondari che possono arrecare involontari disturbi ad altri utenti, in TX, ed
essere causa di disturbi in RX.
Il concetto di guadagno è applicabile anche alle antenne riceventi. Un’antenna
ricevente, infatti, in dipendenza delle sue caratteristiche costruttive, può
presentare una maggiore capacità nel captare le O.E.M. provenienti da uno o più
settori angolari.
In numerose applicazioni l’antenna usata in ricezione e’ la stessa di quella
utilizzata in trasmissione.
Esiste un particolare teorema, denominato di “reciprocità”, il quale stabilisce che
il guadagno di una antenna e’ la stesso sia in trasmissione che in ricezione.
E’ importante evidenziare che i lobi di irradiazione delle antenne, sia quello
principale che quelli secondari, variano al variare della frequenza.
136
7.5 Rendimento dell’antenna.
L’antenna trasmittente trasforma la potenza elettrica fornitagli dal trasmettitore in
potenza elettromagnetica che essa irradia nello spazio. Non tutta la potenza che
giunge all’antenna viene utilmente impiegata (irradiata) ma una parte, oltre che
riflessa per eventuali disadattamenti, viene perduta all’interno di essa. Il rapporto
tra la potenza effettivamente irradiata dall’antenna e quella che globalmente
viene dissipata al suo interno prende il nome di rendimento dell’antenna.
Le principali cause di perdite di potenza nell’elemento radiante sono date da:
resistenza elettrica dei materiali impiegati, dei conduttori, dissipazione nella
presa di terra (nelle antenne marconiane), dispersione negli isolatori, perdite per
induzione dell’energia RF con conduttori in prossimità dell’antenna (tralicci di
sostegno etc..). Nel caso delle antenne marconiane occorre prestare la massima
attenzione nella realizzazione della presa di terra, in modo da ridurre il più
possibile le perdite perché e’ proprio in questo punto che si ha il massimo valore
di corrente.
Per migliorare questo collegamento occorre conferire maggior conduttività al
suolo, ad es. interrando una raggiera di fili conduttori, di lunghezza pari ad
almeno 1λ, posizionando l’antenna al centro di questa.
Il cavo coassiale proveniente dal trasmettitore deve quindi essere attestato con il
polo caldo sull’antenna e con la calza sulla rete metallica.
7.6 Antenna sintonizzabili a banda stretta.
Le antenne in oggetto sono in grado di trasmettere e ricevere tutte le frequenze
nella banda desiderata. Un tipico esempio di antenna a banda stretta
sintonizzabile e’ quello costituito da un semplice monopolo denominato “Stilo”
con associato alla sua base un circuito che svolge il ruolo di adattatore di
impedenza, detto “accordatore” di antenna o anche “sintonizzatore o “Automatic
Tuning Unit (ATU)”.- (fig. 40).
137
Figura 40 - Antenna con sintonizzatore alla base -
Questo tipo di antenna trova largo impiego nella banda HF.
Il sintonizzatore e’, in pratica, un circuito di accoppiamento tra la linea a RF
(cavo coassiale) e l’antenna stessa ed è costituito da condensatori ed induttanze
variabili, comandati a distanza (in forma manuale o automatica) tramite i quali
e’ possibile accordare l’antenna in una larga gamma di frequenze, ad esempio
da 2 a 30 MHz, in modo da rendere minimo il disadattamento con la linea RF
ed il trasmettitore, ovverosia minimizzando l’entità della potenza riflessa e,
quindi, il Rapporto Onde Stazionarie (R.O.S.).
7.7 Antenne a larga banda.
In numerose applicazioni, in luogo delle antenne sintonizzabili, vengono
utilizzate antenne a larga banda le quali possono assumere varie forme, del tipo
riportato in fig. 41, oppure, molto più semplicemente, possono essere costituite
da filari affiancati di idonea lunghezza (ad es. da 24 m a 30 m in banda HF).
138
Figura 41 - Esempi di antenna a larga banda –
Tali antenne, per la loro intrinseca costituzione, sono già di per sé accordate su di
una larga banda di frequenze (ad es. da 2 a 9 MHz o da 10 a 30 MHz), per cui non è
necessario associarle ad un adattatore d’impedenza.
In termini generali si può dire che maggiori sono le dimensioni trasversali
dell’antenna, rispetto alla sua lunghezza, maggiore sarà la banda di frequenza
d’utilizzo.
Per la loro realizzazione vengono utilizzate bacchette metalliche o fili poste a
distanza ravvicinata, in relazione alla lunghezza d’onda, in modo tale che, ai fini
elettromagnetici, l’insieme dei singoli elementi viene visto come un’unica superficie
di materiale conduttore.
Le antenne illustrate in fig.41 sono caratterizzate da un irraggiamento pressoché
omnidirezionale sul piano orizzontale.
Un particolare tipo di antenna che unisce in se sia caratteristiche di direttività che di
adattamento su di una larga banda di frequenze è quello denominato “logaritmo –
periodico”, la cui tipica configurazione è illustrata in fig. 42.
139
Le antenne “logaritmo periodiche” sono costituite da un insieme di elementi radianti
le cui dimensioni e le distanze tra elementi contigui variano da un valore massimo ad
uno minimo, con legge logaritmica.
Figura 42 – Tipica configurazione di un’antenna del tipo “Logaritmo – Periodica”.
140
8. CANALI DI TRASMISSIONE.
Il “canale di trasmissione” si può definire come una “via” attraverso la quale
fluiscono i dati di informazione.
Vi sono tre tipologie di canale (fig. 43).
a) Un canale è di tipo “Simplex” quando la trasmissione può avvenire solo in un
senso (da A verso B).
b) Un canale è di tipo “Half Duplex” (semiduplex) quando la trasmissione può
avvenire sia da A verso B che viceversa, però non contemporaneamente. Per
questo tipo di comunicazione è sufficiente l’utilizzo di una sola frequenza (da
impiegarsi alternativamente da A verso B e da B verso A).
c) Un canale si dice “Full Duplex” (o, più semplicemente, “Duplex”), quando la
trasmissione può avvenire contemporaneamente nei due sensi. Per questo tipo
di comunicazione è perciò necessario l’impiego di due frequenze; una per la
trasmissione da A (che costituisce la ricezione di B), l’altra per la trasmissione
da B (che costituisce la ricezione di A).
Simplex
a) - Stazione B
Stazione A
Half Duplex
b) - Stazione B
Stazione A
Full Duplex
c) - Stazione B
Stazione A
Figura 43 – Tipologie dei canali di trasmissione
141
TT EE CC NN II CC HH EE AA DD AATT TT II VV EE (( AA LL EE ))
1. GENERALITA’
Le tecniche di comunicazione in oggetto, di recente introduzione nei sistemi più
avanzati operanti in banda HF e diffusamente note come “Tecniche ALE”
(Automatic Link Establishment), permettono di stabilire e mantenere collegamenti
affidabili per onda superficiale e/o ionosferica in forma automatizzata, grazie alla
“gestione adattiva delle frequenze” e alla “chiamata selettiva” dei corrispondenti,
riducendo al minimo gli interventi da parte degli operatori.
La gestione adattiva delle frequenze consente di selezionare, tra i canali previsti nel
piano di frequenze in uso, quello disponibile che presenta le migliori caratteristiche
radioelettriche per il collegamento desiderato, mediante una valutazione della qualità
del segnale ricevuto effettuata con la tecnica denominata LQA (Link Quality
Analysis).
La chiamata selettiva dei corrispondenti (Selective Call = Sel Call) consente
l’instaurarsi in forma automatica, sul canale selezionato, del collegamento con la
Stazione corrispondente, avendo in precedenza attribuito uno specifico indirizzo a
ciascun utente facente parte di una predeterminata rete di radiocomunicazioni.
Le operazioni connesse alla “gestione adattiva delle frequenze” e alla “chiamata
selettiva dei corrispondenti” vengono effettuate utilizzando gli stessi vettori radio
impiegati per lo scambio del traffico operativo.
142
Le tecniche ALE consentono di ottenere i sottonotati sostanziali miglioramenti nelle
comunicazioni radio HF, miglioramenti che hanno portato ad una vera e propria
rivalutazione di tale banda nelle varie applicazioni:
alta affidabilità dei collegamenti;
ottimizzazione delle risorse, in termini sia di riduzione del numero degli
operatori addetti che di adeguato utilizzo dei canali a disposizione;
semplificazione delle procedure per l’instaurazione dei collegamenti;
riduzione della congestione spettrale.
2. INSTAURAZIONE AUTOMATICA DEI COLLEGAMENTI
Le Stazioni che devono potersi collegare tra di loro mediante le tecniche ALE,
devono essere preventivamente programmate attraverso il caricamento degli indirizzi
(proprio e dei corrispondenti) e delle frequenze di trasmissione e ricezione costituenti
il piano di frequenze assegnato, prima di poter operare nelle modalità, descritte ai
successivi punti (a) ÷ (d), che consentono di automatizzare le procedure per
l’instaurazione dei collegamenti.
a) Ricerca in ricezione (Scanning)
In condizioni di riposo, i ricevitori delle Stazioni ricetrasmittenti costituenti i nodi
di una rete di comunicazioni di tipo adattivo, effettuano una ciclica scansione
delle frequenze in precedenza programmate, con tempi di visitazione dell’ordine
dei 3 ÷ 14 secondi per ciascuna frequenza, mantenendosi così pronti a ricevere
un’eventuale messaggio di chiamata da parte di uno dei corrispondenti.
Quando, a seguito di una specifica chiamata, un ricevitore riconosce il proprio
indirizzo, questi interrompe la scansione, emette una segnalazione per l’operatore
e commuta le linee in bassa frequenza verso i terminali d’utenza per consentire la
ricezione del messaggio (in fonia o dati).
143
b) Analisi della qualità dei canali (Link Quality Analysis = LQA)
Per poter valutare in tempo reale la qualità delle comunicazioni sui canali radio
assegnati, ciascuna Stazione in rete può trasmettere opportuni segnali di “test”,
consistenti in messaggi di prova standardizzati, in modo da permettere
l’effettuazione di misure del rapporto segnale/rumore (S/N) e del Bit Error Rate
(BER) da parte delle Stazioni riceventi interessate.
Ciascuna Stazione ricevente, pertanto, sulla base dei dati acquisiti, è così in grado
di elaborare una Tabella Indirizzi-Frequenze nella quale, per i desiderati
corrispondenti, a ciascuna frequenza di prova viene attribuito un punteggio di
merito alla data ed all’ora in cui è stato effettuato il test. Tali punteggi di merito,
a seconda di differenti esigenze, possono essere utilizzati solo dalle Stazioni che
hanno effettuato le misure in ricezione, in occasione di proprie trasmissioni verso
le Stazioni chiamanti; oppure possono essere a queste ritrasmessi, su di un
opportuno canale di servizio, in modo da informarle sull’esito dei test; oppure
possono essere oggetto di vicendevoli scambi di informazioni tra i vari
corrispondenti.
Più precisamente possiamo dire che la “Link Quality Analysis” (LQA) può essere
effettuata in modalità unidirezionale o bidirezionale.
La LQA unidirezionale (One Way LQA) consiste nella trasmissione di brevi
segnali di prova (sounding) che una Stazione effettua con periodicità
programmata o, all’occorrenza, su alcune o tutte le frequenze assegnate.
Le Stazioni interessate, all’atto della ricezione di tali segnali, ne valutano la
qualità, misurando il BER ed il S/N, e memorizzano i dati ottenuti per poterli poi
utilizzare in caso di una propria trasmissione verso la Stazione chiamante, oppure
glieli comunicano su di un canale di servizio.
La LQA bidirezionale (Two-Way LQA) consiste, invece, nello scambio alternato
di messaggi codificati tra due Stazioni.
In pratica, con periodicità programmata, o all’occorrenza, una Stazione trasmette
un segnale di prova su di una frequenza ad un’altra Stazione. Quest’ultima misura
144
i parametri (S/N e BER) del segnale ricevuto e risponde sulla stessa frequenza,
comunicando i valori misurati ed inviando, a sua volta, un messaggio di prova
alla Stazione originatrice della chiamata, in modo da verificare la qualità del
canale anche nell’altro senso.
Questo ciclo viene poi ripetuto per ogni frequenza su cui si intende effettuare il
test ed eventualmente con altri corrispondenti costituenti la rete, memorizzando
e/o rendendo noti i risultati ottenuti per un loro successivo utilizzo.
c) Procedure di chiamata selettiva (Selective Call)
Una volta completata la LQA dei canali assegnati verso i rispettivi destinatari,
ciascun Sistema adattivo è così in grado di poter stabilire, all’occorrenza, il
collegamento con un singolo corrispondente, o con un insieme di corrispondenti,
selezionando automaticamente la frequenza che è risultata essere quella
maggiormente idonea sulla base dei punteggi attribuiti e memorizzati nelle
relative Tabelle Indirizzi-Frequenze, ed effettuando specifiche chiamate di “tipo
selettivo”.
Le “chiamate selettive” possono essere di quattro differenti tipologie, brevemente
descritte ai successivi punti, relative, rispettivamente, ad altrettante modalità di
collegamento che è possibile effettuare in forma automatizzata.
(1) Chiamate individuali (Individual Calls)
Mediante questo tipo di chiamata ciascuna Stazione può entrare in contatto con
un qualsiasi altro corrispondente inserito in rete.
La procedura che viene seguita è la seguente: la Stazione avente indirizzo (A)
chiama la Stazione (B), trasmettendo un messaggio del tipo “this is A to B” sul
canale, tra quelli assegnati a B, che ha ottenuto il punteggio LQA più alto. Questo
messaggio viene ripetuto un numero di volte sufficiente a garantire che B, che sta
scandendo i canali assegnatigli (SCANNING) in attesa di chiamata, possa
ricevere il messaggio almeno una volta. Quando la Stazione chiamata (B) riceve
il messaggio, risponde identificandosi.
145
La Stazione chiamante (A) trasmette allora un segnale di conferma dell’avvenuta
identificazione. Da questo momento il collegamento può dirsi automaticamente
instaurato e le due Stazioni possono così iniziare a scambiarsi i dati di
informazione. Peraltro, qualora la Stazione chiamante (A) non dovesse ottenere
risposta entro un tempo determinato (di durata programmabile) sul canale che ha
ottenuto il miglior punteggio in fase di LQA, questa ritenterà sul canale che, nella
Tabella Indirizzi-Frequenze relativa alla Stazione chiamata (B), occupa il
secondo posto in ordine di merito; passando a quello successivo, in caso di un
ulteriore esito negativo, e così via, fino all’instaurarsi del collegamento.
Se il collegamento non dovesse instaurarsi su nessuno dei canali assegnati, una
particolare segnalazione avviserà l’operatore affinchè questi prenda i
provvedimenti del caso che possono andare dalla ripetizione dei test di LQA alla
scelta di sistemi di comunicazione diversi da quelli operanti in banda HF (ad es.
quelli satellitari).
(2) Chiamate di Rete (Net Calls)
Un certo numero di Stazioni che comunicano frequentemente tra di loro possono
configurarsi come una specifica sotto-rete caratterizzata da un indirizzo comune a
tutte. Per poter effettuare una chiamata collettiva, una Stazione esterna alla sotto-
rete utilizzerà l’indirizzo di rete e selezionerà il canale, tra quelli comuni a tutte le
Stazioni in rete, che presenta il miglior minimo punteggio nelle Tabelle Indirizzo-
Frequenze relative alle singole Stazioni.
E’ sufficiente che almeno una delle Stazioni della rete risponda indentificandosi
perché la Stazione chiamante trasmetta la conferma dell’avvenuto collegamento.
Se la Stazione chiamante non dovesse ricevere alcuna risposta sulla frequenza
che ha ottenuto il miglior minimo punteggio in fase di LQA con le singole
Stazioni, passerà a selezionare la frequenza successiva in ordine di merito e così
via, fino a quando almeno una delle Stazioni costituenti la rete risponderà
identificandosi.
146
Al fine di evitare interferenze per eventuali indesiderate sovrapposizioni di
messaggi di identificazione, la risposta da parte delle Stazioni chiamate deve
avvenire nei “time-slots” assegnati a ciascuna di esse a fronte di un preventivo
coordinamento temporale nell’ambito della sotto-rete.
La rete che si verrà a costituire in caso di più risposte è di tipo stellare ad una sola
frequenza.
(3) Chiamata di gruppo (Group Call)
Per potersi collegare con più Stazioni che non sono organizzate in una sotto-rete è
necessario far ricorso alla “chiamata di gruppo”.
In questo caso una Stazione esterna al gruppo invierà le chiamate in maniera
sequenziale a tutti gli indirizzi individuali delle Stazioni desiderate, iniziando a
trasmettere a partire dalla frequenza comune a tutte che presenta il miglior
minimo punteggio nella tabella Indirizzi-Frequenze; passando poi a quelle
successive in caso di mancate risposte da tutti o anche solo alcuni dei
corrispondenti desiderati.
Difatti, essendo il gruppo delle Stazioni chiamate costituito da singole unità tra di
loro non-interconnesse, è necessario che tutte, nei tempi loro assegnati in fase di
ciascuna singola richiesta, diano la conferma dell’avvenuta ricezione del segnale
di chiamata inviato dalla Stazione trasmittente, prima che questa inizi a
trasmettere i dati di informazione a loro congiuntamente diretti.
(4) Chiamata Generale (All Call)
Per questo tipo di servizio deve essere previsto un comune “set” di frequenze
impiegabili da tutte le Stazioni dotate dello stesso sistema adattivo e raggiungibili
mediante il radiocollegamento da questo controllato.
Difatti il “protocollo di chiamata generale” prevede solo la trasmissione del
messaggio di chiamata con un particolare codice.
Le Stazioni che lo ricevono interromperanno automaticamente la ricerca dei
canali (SCANNING) mettendosi in ascolto.
147
La Stazione chiamante selezionerà, per questo servizio, la frequenza, tra quelle a
comune con tutte le Stazioni desiderate, che presenta il miglior punteggio minimo
nella tabella Indirizzi-Frequenza; inviando direttamente i segnali di informazione,
dopo aver inoltrato quello di “chiamata generale”, senza dover attendere alcuna
risposta di conferma di avvenuta ricezione da parte dei corrispondenti.
In taluni casi, però, è anche possibile effettuare trasmissioni in Diffusione da
parte della Stazione chiamante previa identificazione delle Stazioni chiamate
(Any Call).
In questo caso, le Stazioni che hanno ricevuto la chiamata devono rispondere,
secondo una predeterminata sequenza temporale, identificandosi ed attendendo la
conferma dell’avvenuta identificazione da parte della Stazione chiamante.
d) Chiusura del collegamento.
Una volta instaurato il collegamento in forma automatica, attraverso le procedure
di “Selective Call” descritte nel precedente punto (c), il sistema adattivo ferma la
sua attività e si pone in attesa della chiusura del collegamento che avverrà una
volta completate le trasmissioni dei dati di informazioni attuate secondo le
modalità descritte al successivo paragrafo (3).
La procedura di chiusura si innesca quando una Stazione che ha completato
l’invio dei dati di informazione, trasmette un particolare messaggio del tipo “this
was A”, per informare della fine del collegamento effettuato su quella frequenza.
Tutte le Stazioni allora si rimettono in condizione di attesa di una nuova
chiamata, riprendendo la scansione in ricezione delle frequenze programmate
(SCANNING).
3. TRASMISSIONE DEI DATI DI INFORMAZIONE
Una volta instaurato automaticamente il collegamento, a seguito di una chiamata
selettiva con esito favorevole sul canale rivelatosi ottimale sulla base della LQA in
precedenza effettuata, il sistema adattivo interrompe le modalità di trasmissione ALE
148
ed abilita gli utilizzatori ad effettuare lo scambio delle informazioni, in fonia o dati,
sullo stesso canale.
Per le comunicazioni in fonia, il sistema Adattivo avvisa gli utenti della disponibilità
del collegamento mediante un segnale acustico in locale o con un messaggio al
terminale di controllo, e rende disponibili le linee ed i comandi in bassa frequenza
(audio e PTT). Nel caso di comunicazioni in dati, invece, l’avviso agli operatori sui
terminali preposti alle comunicazioni viene inviato mediante un apposito messaggio
che apparirà sul display.
Per poter garantire l’affidabilità del collegamento nelle modalità dati è opportuno
adottare una o più delle seguenti tecniche, nel seguito brevemente descritte:
Forward Error Correction (FEC);
Interleaving (associato al FEC);
Ridondanza dei messaggi trasmessi;
Automatic Repeatition Query (ARQ) – (detta anche, da alcuni Autori:
“Automatic Repetition reQuest”).
a. Forward Error Correction (FEC)
Questa tecnica consiste, essenzialmente, nell’associare ai bit di informazione altri
bit detti di controllo. Lo scopo di questi ultimi è di creare delle parole di codice
con alcuni vincoli tra i vari bit, che consentono, nella fase di decodifica, la
ricostruzione dell’informazione, rivelando e correggendo gli errori introdotti dalle
distorsioni del canale di comunicazione.
La probabilità d’errore richiesta ad un sistema di comunicazione dipende dal tipo
di servizio che si intende effettuare; nel caso di un collegamento in RATT, ad
esempio, normalmente è tollerabile un tasso di errore che non ecceda il valore di
10 EXP (-2), ovvero 1 bit errato su 100, mentre per una trasmissione dati il tasso
da non superare è in genere compreso tra un minimo valore di 10 EXP (-3) e
valori dell’ordine di 10 EXP (-6), o addirittura superiori, per collegamenti di
elevata qualità.
149
Pur con l’obiettivo di contenere la probabilità d’errore nei limiti desiderati, la
scelta della tecnica di codifica deve essere basata sul raggiungimento di un
efficiente compromesso tra prestazioni ottenibili e complessità di realizzazione
del codificatore/decodificatore, evitando altresì l’uso di un numero eccessivo di
bit di codifica rispetto a quelli d’informazione.
I codici a correzione d’errore attualmente più diffusi si possono suddividere in
codici a blocchi e codici convoluzionali.
(1) Codici a blocchi.
I codici a blocchi sono caratterizzati da un segmento di bit di controllo che viene
associato ad una sequenza di bit di informazione di lunghezza prestabilita, in
modo da formare una “parola di codice”.
I bit di controllo non portano informazioni ma sono utilizzati per individuare
determinati tipi di errore che si dovessero presentare nella “parola di codice” e di
correggerli.
Un codice a blocchi viene contraddistinto dalla notazione (n, K), dove “n” indica
il numero di cifre binarie di cui è costituita l’intera “parola di codice” e “K” il
numero di bit di informazione. Ad es. un codice BCH (15, 4) indica un codice
Bose-Chauduri-Hocquenghem nel quale in una “parola di codice” di lunghezza di
15 bit, 4 bit sono di informazione ed i rimanenti 11 bit sono di controllo.
(2) Codici convoluzionali.
I codici convoluzionali hanno anch’essi dei bit di ridondanza, però non
richiedono una suddivisione in blocchi dei dati di ingresso al codificatore, in
quanto i bit di controllo vengono integrati con quelli di informazione.
I codici convoluzionali prendono questo nome dal fatto che la loro formazione
viene effettuata attraverso un prodotto di convoluzione dei bit di informazione
con quelli di controllo.
150
b. Interleaving
Questa tecnica si è rivelata particolarmente efficace nel migliorare l’affidabilità
delle comunicazioni sui canali affetti da disturbi di tipo impulsivo e da “fading”.
L’interleaving consiste nel memorizzare i dati di informazione in uscita dal
codificatore FEC e nell’inviarli al trasmettitore con posizioni temporali diverse
fra loro, rispetto alla sequenza originaria.
A titolo di esempio, si pensi ad una memorizzazione di dati di informazione
codificati a blocchi in una matrice rettangolare, trascrivendoli per righe, ad alla
loro successiva trasmissione prelevandoli dalla stessa matrice letta però per
colonne. In tal modo, se nel tragitto di propagazione dovesse avvenire un disturbo
tale da essere efficace sui bit di un’intera colonna, in fase di ricostruzione del
messaggio in un’analoga matrice presso il ricevitore, gli errori risulterebbero
dispersi uno per ogni riga, ovvero uno per ogni “parola di codice”, rendendo
pertanto possibile, entro i limiti dettati dalla tecnica FEC adottata, la loro
identificazione e correzione in fase di ricezione.
c. Ridondanza dei messaggi trasmessi
Un altro metodo spesso utilizzato per proteggere i dati di informazione dagli
effetti delle interferenze, del “fading” e del rumore, consiste nel ritrasmetterli un
certo numero di volte, in funzione del livello di protezione desiderato.
Tale ridondanza può anche essere applicata sia all’intero messaggio sia a
sequenze di bit di prefissata lunghezza sia a ciascun singolo bit (ad es.,
trasmettendo il simbolo logico 1 con ridondanza 5, si otterrebbe la sequenza
11111).
Questa tecnica che (ovviamente), a parità di “bit rate” sulla linea di trasmissione
riduce la quantità d’informazione trasmessa per unità di tempo, viene adottata in
particolari casi in cui si reputa prioritario conferire una maggiore affidabilità alle
comunicazioni, piuttosto che privilegiare la velocità di trasmissione dei dati.
d. Automatic Repetition Query (ARQ)
La trasmissione dei dati di informazione con protocollo ARQ è efficacemente
utilizzabile in tutte quelle comunicazioni bidirezionali, di tipo punto-punto, in cui
151
si voglia assolutamente garantire una corretta ricezione del messaggio,
indipendentemente dalla velocità di trasmissione dei dati ottenibile sul canale.
La procedura ARQ è basata sul presupposto che ciascuna Stazione Rx possa
richiedere, all’occorrenza, la ritrasmissione dei dati non correttamente ricevuti.
In linea di principio, si possono identificare le tre differenti sottoriportate
modalità con cui può essere attuata una procedura ARQ.
Stop and wait, in cui la Stazione Tx interrompe la trasmissione, dopo l’invio di
ciascun singolo blocco di dati contraddistinto da un opportuno codice di
controllo, per attendere il messaggio di conferma dell’avvenuta corretta ricezione
da parte della Stazione corrispondente, mantenendo memorizzato solo l’ultimo
blocco di dati che potrebbe essere eventualmente ritrasmesso, in caso di richiesta,
da parte della Stazione destinataria.
Go-back-N, in cui una Stazione trasmette continuamente i blocchi di dati senza
interruzione.
Solo quando la Stazione ricevente invierà, su di un apposito canale di servizio, un
messaggio di segnalazione di mancata ricezione di un determinato blocco N, il
trasmettitore tornerà al blocco N ed inizierà a ritrasmettere da questo. Il ricevitore
non accetterà alcun blocco di dati successivo a quello ricevuto erroneamente, in
quanto sa che la Stazione trasmittente ripartirà da quest’ultimo, ripetendo anche i
blocchi ad esso successivi.
Selective-Repeat, in questa modalità, così come in quella precedente, la
trasmissione avviene in maniera continuativa, viene però ripetuto, in caso di una
segnalazione di mancata ricezione, solo il blocco errato, senza cioè ripetere tutte
le sequenze a questo successive.
E’ facilmente intuibile che i metodi sopracitati presentano un’efficienza di utilizzo
del canale diversa; l’ultimo metodo, in particolare, riduce al minimo indispensabile il
tempo necessario per la ripetizione dei blocchi di dati non correttamente ricevuti.
152
Tuttavia, attualmente viene diffusamente utilizzato il primo metodo (“Stop and
wait”), nonostante questo presenti l’inconveniente di maggiori tempi di inutilizzo del
canale radio, dovendo attendere la conferma dell’avvenuta ricezione di ciascun
blocco, in quanto tecnicamente è il meno complesso ed inoltre utilizza un solo canale
radio sia per la trasmissione delle informazioni che per le conferme o meno
dell’avvenuta ricezione dei singoli blocchi di Bit.
Per ottenere elevate prestazioni, i sistemi di comunicazione adattiva possono essere
progettati in modo da prevedere una modalità ibrida per il trasferimento delle
informazioni, che utilizzi cioè entrambe le sopra descritte tecniche ARQ e FEC. In
tal caso la ripetizione automatica dei blocchi errati può sostanzialmente ridursi, per
effetto della correzione di parte degli errori attuata dai circuiti FEC.
E’ stato a tal proposito dimostrato che l’uso combinato di una tecnica ibrida FEC-
ARQ migliora il BER di un fattore 1.000.000, rispetto ad un sistema che impieghi
solo la tecnica FEC, con un costo aggiuntivo limitato al 15%.
Qualora, nonostante le tecniche tese a garantire l’affidabilità dei collegamenti in
precedenza visti, si dovesse comunque giungere alla perdita del collegamento sul
canale utilizzato, il ricevitore si smisterà nuovamente nella modalità di “scanning”
fino a rilevare una nuova chiamata del trasmettitore corrispondente su di un
differente canale del piano delle frequenze, anche questo selezionato sulla base dei
punteggi di merito in precedenza attribuito in fase di LQA.
Nel caso, invece, dovesse perdurare l’impossibilità di ristabilire il collegamento in
forma automatica, da parte degli operatori potrà essere valutata la possibilità di
riaggiornare la LQA e/o di utilizzare un altro mezzo di comunicazione (ad es. quello
satellitare).
153
4. DESCRIZIONE DI PRINCIPIO DI UN SISTEMA ADATTIVO
4.1 Generalità
Un sistema che integri in sé le possibilità offerte dall’ALE e da un protocollo
ARQ, costituisce oggi la soluzione ottimale per chi voglia effettuare trasmissioni
dati in banda HF con il massimo grado di affidabilità.
Sintetizzando quanto in precedenza esposto, in tale sistema, il collegamento tra
due Stazioni interessate viene inizialmente stabilito mediante le tecniche di
“Selective Calling” previste dall’ALE, sulla frequenza selezionata in base alle
risultanze della LQA.
Una volta instaurato il collegamento, inizia poi il trasferimento dei dati mediante
un apposito modem utilizzando la massima velocità consentita dalle condizioni di
propagazione.
Qualora, per un qualsiasi motivo, la qualità del canale dovesse deteriorarsi
durante la trasmissione, i protocolli ARQ più sofisticati, di tipo autoadattivo,
sono in grado di attuare una o più delle sottoindicate misure di protezione atte a
conseguire l’ottimizzazione del B.E.R. (Bit Error Rate):
- riduzione della dimensione dei blocchi di informazione;
- riduzione della velocità di trasmissione dei dati;
- incremento della codifica FEC e/o della ridondanza;
- cambio di modulazione (ad esempio da PSK a FSK).
Qualora il canale inizialmente selezionato dovesse risultare disturbato al punto da
non consentire in alcun modo lo scambio dei dati, viene allora messo in atto un
meccanismo di tipo ACS (Automatic Channel Selection).
Viene cioè interrotta la trasmissione dei dati tornando alle tecniche ALE con
effettuazione di una nuova chiamata su di un differente canale, scelto sempre in
base alla graduatoria stabilita in fase di LQA.
Ristabilito nuovamente il Link tra le due Stazioni, il protocollo ARQ autoadattivo
provvede quindi a completare il trasferimento dei dati rimanenti.
154
4.2 Descrizione del sistema
L’associazione delle tecniche adattive ai tradizionali ricetrasmettitori HF
consente la realizzazione di moderni sistemi HF capaci di valutare in tempo reale
la qualità dei canali di comunicazione disponibili, di selezionarne il migliore e
provvedere ad instaurare il collegamento, senza un diretto intervento da parte
degli operatori.
Un tipico schema di massima del Sistema di Comunicazione HF/SSB Adattivo
per le comunicazioni in fonia e dati è rappresentato in figura 1.
I vettori radio trasmittenti e riceventi impiegati svolgono sia le funzioni
necessarie ad instaurare automaticamente il collegamento sulla migliore
frequenza (Link Quality Analysis e chiamata selettiva) sia quella di trasferimento
dei dati di informazione.
Un’unità denominata Controllore Adattivo provvede al telecomando degli
apparati trasmittenti e riceventi, dei quali utilizza le linee audio per scambiare
messaggi con altri Controllori Adattivi della rete.
Dal momento in cui il collegamento viene instaurato, e per tutta la durata della
comunicazione, le linee audio dei vettori radio sono disponibili all’utente ed il
Controllore è in attesa della chiusura del collegamento per riprendere la scansione
delle frequenze di ricezione.
La possibilità di selezionare per la trasmissione una fra le possibili frequenze con
le caratteristiche di maggiore affidabilità, richiede che i ricevitori di tutti i
partecipanti alla rete effettuino una scansione ciclica molto veloce dei canali
programmati che si interrompe solo quando in uno dei canali viene riconosciuta
una chiamata o un messaggio di “sounding”.
L’apparato ALE deve essere dotato di un’unità di memoria non volatile in cui
sarà registrato un certo insieme di parametri che sono indispensabili per la
gestione del canale HF con le tecniche adattive. Fra i parametri da memorizzare
ci sono i dati relativi ai canali che si intende utilizzare o che sono comunque
disponibili in base al piano di frequenze adottato.
155
Nell’istante in cui un sistema adattivo viene utilizzato per chiamare un’altra
Stazione della rete, la scansione in ricezione si interrompe e viene selezionato il
canale ritenuto il migliore fra quelli possibili. Su tale canale viene così inviato il
messaggio di chiamata preceduto dall’indirizzo del destinatario. Il tempo
complessivo di chiamata è attualmente dell’ordine dei 4-5 secondi, cui devono
aggiungersi i tempi di sintonia degli adattatori di antenna.
Lunghi tempi di sintonia provocherebbero un conseguente allungamento dei
tempi tecnici necessari per instaurare il collegamento, il che potrebbe creare degli
inconvenienti nel caso di reti nodali complesse, o nel caso si vogliano tenere il
più celato possibile le comunicazioni, pertanto si ritiene indispensabile utilizzare
sintonizzatori d’antenna di tipo veloce o in alternativa, antenna a larga banda.
Una volta instaurato il collegamento, a seguito della risposta del/i
corrispondente/i desiderato/i, la trasmissione dei dati viene effettuata per mezzo
di un modem che, nelle attuali realizzazioni non è integrato nel controllore
adattivo (vedasi fig.1).
156
Figura 1 – Schema di massima di un sistema di comunicazione HF/SSB adattivo per le
comunicazioni in fonia e dati.
157
RREEGGOOLLEE PP RR AATT II CC HH EE PPEERR LL'' IIMMPPIIEEGGOO DDEEII DDEECCIIBBEELL
a. Il decibel, abbreviazione dB, è una unità impiegata per esprimere il rapporto
tra due potenze P e P1 2 presenti in due punti di un circuito; oppure per
esprimere lo stesso rapporto di potenze utilizzando i corrispettivi valori di
tensione V e V o di corrente I e I1 2 1 2 purché misurati in punti di eguale
impedenza.
Per definizione, il “Decibel di Potenza” è dato da:
dB = 10 Log P /P10 1 2
Utilizzando i corrispettivi valori di tensione, dato che:
2 2 2/ PP1 2 = V : R / V : R = (V / V ) 1 2 1 2
ricordando la nota uguaglianza:
Log x2 = 2 Log x
si ottiene che i “Decibel di Tensione” sono dati da:
/ VdB = 20 Log V . 1 2
Analoga relazione si otterebbe per i decibel di corrente.
Anche se agli effetti pratici in taluni casi si potrebbero impiegare
indifferentemente i dB di potenza o di tensione, nelle telecomunicazioni
generalmente si usano quelli di potenza mentre i dB di tensione trovano larga
applicazione in elettroacustica.
158
Molto spesso nella letteratura tecnica l'impiego dei dB viene estesa, per
comodità, anche per indicare rapporti di grandezze diverse da quelle di potenza
e tensione (ad es. per le larghezze di banda), purché omogenee.
Nel prosieguo, pertanto, nell’esporre le regole pratiche per il calcolo dei dB,
prenderemo in esame due generiche grandezze X e X . 1 2
b. Per esprimere i rapporti di due grandezze in dB, nella pratica comune, anziché
ricorrere ad elaborati calcoli logaritmici, è comodo fare ricorso alla seguente
tabella semplificativa.
Rapporto scalare
tra X1 e X2
dB di potenza dB di tensione 10 Log X /X 20 Log X /X20 1 2 10 1 2
(Dove X /X (Dove X /X1 2 1 2 rappresentano due rappresentano due valori di potenza) valori di potenza)
1:1 0 0
2:1 3 6
1:2 - 3 - 6
5:1 7 14
1:5 - 7 - 14
10:1 10 20
1:10 - 10 - 20
100:1 20 40
1:100 - 20 - 40
1000:1 30 60
1:1000 - 30 - 60
159
Per ricordare mnemonicamente le corrispondenze tra i rapporti scalari ed i
valori in dB è sufficiente ricordare le semplici regole sotto riportate.
(1) I dB tensione, per un uguale valore numerico del rapporto X / X1 2 , sono
sempre il doppio di quelli di potenza, come diretta conseguenza della loro
definizione; per cui basterà unicamente ricordare le corrispondenze tra
rapporti scalari e dB di potenza.
: X , se X è > X (2) In un generico rapporto X 1 2 i 2 il loro rapporto espresso in
dB sarà positivo, mentre se X 2 < X il loro rapporto in dB sarà negativo. 1
Da ciò consegue che invertendo un rapporto si cambia il segno al
corrispondente valore in dB.
doppia (o la metà) di un'altra X(3) Il rapporto scalare tra una grandezza X1 2
corrisponde a 3 dB di potenza (o - 3 dB).
(4) Se il rapporto scalare tre due grandezze è una potenza di 10, per trovare il
corrispondente in dB di potenza non si deve far altro che prendere in
considerazione l’esponente della potenza di 10 aggiungerci uno “0”.
160
Ad esempio se:
X1 / X = 1 = 100 = 0 dB 2
“ = 10 = 101 = 10 dB
“ = 100 = 102 = 20 dB
“ = 1000 = 103 = 30 dB
“ = 0,1 = 10-1 = -10 dB
etc.
c. Con le due semplici regole riportate ai precedenti punti (3) e (4) si può passare
con sufficiente approssimazione da qualsiasi rapporto scalare al corrispondente
numero in dB con immediati calcoli di somme o differenze e viceversa.
d. Nella esecuzione di calcoli per i passaggi da grandezze scalari a dB bisogna
tener presente che :
il prodotto tra grandezze scalari corrisponde alla somma delle stesse
espresse in dB;
la divisione tra due grandezze scalari corrisponde alla differenza tra le
stesse espresse in dB.
Facciamo qualche esempio:
X / X = 200 = 2 x 100 (scalare); corrisponde a: 3 + 20 dB = 23 dB; 1 2
X / X1 2 = 4000 = 2 x 2 x 1000(scalare); corrisponde a:3 + 3 + 30 dB = 36 dB;
/ X = 5= 2 x 2 (scalare) +1 corrisponde a X1 2
3 + 3 + 1 (derivante dalla approssimazione sul resto)= 7 dB
Ma il numero 5 si può anche esprimere come:
161
10 : 2 (scalare) che corrisponde a 10 -3 dB = 7 dB.
Come si è visto all'ultimo esempio qualche volta bisogna ricorrere a delle
approssimazioni che però nelle applicazioni pratiche si rilevano trascurabili.
Ad esempio, dovendo esprimere in dB il rapporto X / X1 2 = 46, per semplicità si
può approssimarlo a 50 = 5 x 10 che corrisponde a 7 + 10 dB = 17 dB.
Se avessimo effettuato il calcolo adoperando le tavole logaritmiche per il
rapporto X1/ X2 = 46 avremmo ottenuto 16.6275 dB, non molto diverso da 17
dB ricavato per approssimazione.
Ovviamente tale processo di calcolo vale anche all’inverso, cioè quando da un
rapporto espresso in dB si vuol passare al corrispondente in scalare. Ad
esempio:
56 dB = 50 +3 + 3 dB corrispondono a 105x 2 x 2 = 400.000 in scalare;
- 27 dB = - 30 + 3 dB corrispondono a 1/103 x 2 = 2/1000 = 1/500 in scalare.
In pratica, riassumendo quanto fin qui detto, i rapporti da ricordare nella
corrispondenza scalare e logaritmica sono due: quelli inerenti al doppio ed alla
metà (+3 o – 3 dB) e quelli relativi alle potenze di 10. Con un semplice
esercizio mentale, senza alcun bisogno di tavole logaritmiche, qualsiasi
rapporto può essere convertito da scalare a dB, accettando, in taluni casi, una
certa approssimazione nel convertire il rapporto considerato in prodotti di 2 e
di potenze di 10 in modo da trasformare in somme di 3 e di 10 dB, e viceversa.
e. Finora abbiamo trattato i dB come rapporto tra due generiche grandezze. In
molte applicazioni tecniche però è più comodo far riferimento al rapporto di
una grandezza con un’altra prefissata.
Nella vigente letteratura tecnica la grandezza di potenza maggiormente
impiegata nell’ambito delle telecomunicazioni è 1 mW.
162
In tal caso, il rapporto in dB tra una potenza generica P, espressa in mW, ed 1
mW, prende il nome di: dBm.
Pertanto la definizione di dBm è la seguente:
dBm = 10 Log P (mW) / 1 mW 10
Il vantaggio che offre tale metodo é quello di poter esprimere in dB anche
valori assoluti di potenza, in quanto questi vengono rapportati ad un valore
unitario che non ne modifica l’entità numerica.
Ad esempio , esprimendo una potenza di 10 W in dBm, si ottiene: 4 mW = 40 dBm. 10 W = 10.000 mW = 10
In altre circostanze si può fare riferimento alla grandezza unitaria di 1 W; i dB
che ne derivano si chiamano dBW così definiti:
dBW = 10 Log10 P (W) / 1 W
Nel caso dello stesso esempio sopra riportato è immediato ricavare che 10 W
corrispondono a 10 dBW.
Un altro rilevante vantaggio nell'impiego dei dBm (o dBW) consiste nel fatto
che vengono notevolmente semplificati i calcoli circuitali o di tratta in quanto
sia i valori delle potenze in gioco sia le attenuazioni e le amplificazioni (queste
ultime due sono rapporti tra le potenze in uscita e quelle in ingresso) vengono
espresse come grandezze logaritmiche e come tali sono tra loro sommabili in
quanto numeri puri.
Nel corso di tale operazione si tenga però presente che il risultato di una
somma tra dBm e dB da, come risultato, dBm.
Ciò è abbastanza ovvio se si considera l'analogia esistente quando si esegue un
prodotto scalare tra una potenza, in W, ed una amplificazione, numero puro, il
cui risultato è una grandezza che si misura in W.
163
A titolo di esempio, in fig.1 si riporta uno schema di linea trasmittente in cui
sono riportate le corrispondenze tra W e dBm in ogni punto saliente del
circuito.
Antenna
10 W 1000 W 100W 40 dBm 60 dBm 50 dBm
Fig.1 – Esempio di linea Tx
DD EE SS II GG NN AA ZZ II OO NN EE II NN TT EE RR NN AA ZZ II OO NN AA LL EE DD EE LL LL EE EE MM II SS SS II OO NN II PP EE RR RR AA DD II OO CC OO MM UU NN II CC AA ZZ II OO NN II
Per designare i vari tipi di radiocomunicazioni è stata emanata, a cura
dell’International Telecomunication Union, una ben precisa normativa con la
quale le differenti tipologie di emissioni radio vengono contraddistinte con una
sigla alfanumerica.
Fino a tutto il 1981 era in vigore una vecchia classificazione che, a partire dal 1º/1/1982,
è stata sostituita da quella attuale.
Anche se la precedente classificazione è stata da tempo dimessa, questa viene riportata
nelle pubblicazioni e sugli apparati antecedenti l’anno 1982, per cui è opportuno
riportare, ai paragrafi seguenti, i significati delle sigle utilizzate per entrambe le
classificazioni.
Trasmettitore 10 W
Amplificatore Attenuazione G = 20 dB A = 10 dB
164
1. VECCHIA CLASSIFICAZIONE
Le emissioni radio sono contraddistinte da una sigla di due o tre simboli in
base alle seguenti caratteristiche:
tipo di modulazione della portante principale;
tipo di trasmissione;
caratteristiche supplementari.
Di seguito si riporta l’elenco completo di tali caratteristiche con a fianco
indicati i relativi simboli corrispondenti:
a. Tipi di modulazione della portante principale Simbolo
Ampiezza A
Frequenza (o fase) F
Impulsiva P
b. Tipi di Trasmissione
Assenza di ogni modulazione O
1 Telegrafia senza uso di una frequenza audio modulante
2 Telegrafia con la commutazione ON-OFF di una o più frequenze audio modulanti, oppure con la commutazione ON-OFF di una emissione modulata
Telefonica (comprendente anche la filodiffusione) 3
Fac-simile 4
Televisione (solo immagini) 5
Telegrafia duplex a quattro frequenze 6
Telegrafia multicanale voice-frequency 7
Casi non previsti ai punti precedenti 9
c. Caratteristiche supplementari
165
Banda laterale doppia nessuno
Banda laterale unica:
a portante ridotta A
a portante intera H
a portante soppressa J
Due bande laterali indipendenti B
Banda laterale vestigiale C
Modulazione impulsiva:
d’ampiezza D
in larghezza (o durata) E
di fase (o di posizione) F
codificata G
Ad esempio, una emissione modulata in ampiezza (A) da un segnale telefonico
(3), a banda laterale unica con portante soppressa (J) viene ad essere designata
con la sigla “A3J”; mentre una emissione modulata in frequenza (F) da un
segnale televisivo (5) è caratterizzato dalla sigla “F5”.
2. NUOVA CLASSIFICAZIONE
La nuova classificazione delle emissioni è notevolmente più complessa della
precedente in quanto permette una designazione più precisa di ogni tipo di
emissione.
La completa identificazione è data dall’informazione relativa sia alla larghezza
di banda sia alla classe di emissione ed è costituita da una sigla di nove
caratteri, di cui i primi quattro si riferiscono alla larghezza di banda ed i
successivi cinque alla classe di emissione.
a. La larghezza di banda è espressa da 3 numeri e una lettera.
166
La lettera occupa la posizione del punto decimale ed indica l’unità di
grandezza della frequenza. Ad esempio 5,750 kHz diventa 5K75.
Le unità di grandezza sono:
H = Hz (da 0.001 a 999)
K = kHz (da 1.00 a 999) M = MHz (da 1.00 a 999)
G = GHz (da 1.00 a 999)
Ogni frequenza deve poter essere caratterizzata da un’unica sigla. Ad
esempio 530 kHz viene indicata con 530K e non con M530, in accordo con
la tabella sopra riportata.
b. La classe di emissione ha una sigla composta da 5 caratteri, di cui i primi
tre rappresentano le caratteristiche fondamentali dell’emissione, mentre gli
altri due sono relativi alle informazioni supplementari.
Ai punti che seguono si riportano, per ogni carattere, l’elenco dei diversi
simboli.
(1) il primo carattere è relativo al tipo di modulazione della portante
principale.
(a) portante non modulata N
(b) Modulazione di Ampiezza (AM)
AM, banda laterale doppia A
AM, banda laterale unica a portante intera H
AM, banda laterale unica a portante ridotta R
o a livello variabile
AM, banda laterale unica a portante J
soppressa
167
AM, due bande laterali indipendenti B
AM, banda laterale vestigiale C
(c) Modulazione angolare FM
modulazione di frequenza F
modulazione di fase G
AM + FM D
(d) Modulazione impulsiva (PM)
sequenza impulsi non modulati P
impulsi modulati in ampiezza K
impulsi modulati in larghezza o durata L
impulsi modulati in posizione o fase M
PM, con portante modulata angolarmente Q
nel periodo in cui è presente l’impulso
combinazione dei casi precedenti V
casi finora non previsti ma con portante W
modulata
casi non trattati prima X
.
(2) Il secondo carattere della classe di emissione è
relativo alla natura del segnale che modula la
portante principale.
(a) non è presente il segnale O
(b) canale singolo
segnale contenente un’informazione 1
quantizzata o digitale senza l’uso di una
sotto portante modulante
come sopra, ma con l’uso di una 2
sottoportante modulante
segnale contenente un’informazione 3
analogica
168
(b) due o più canali
segnale contenente un’informazione 7
quantizzata o digitale
segnale contenente un’informazione 8
analogica
un sistema composto da uno o più canali 9
con le caratteristiche viste ai due punti
precedenti
casi finora non previsti X
(3) Il terzo carattere della classe di emissione è
relativo al tipo di informazione da trasmettere.
nessuna informazione trasmessa N
telegrafia con ricezione audio A
telegrafia con ricezione automatica B
fac-simile C
trasmissione dati, telemisura, telecomando D
telefonia (ivi compresa la radiodiffusione E
sonora)
televisione (solo immagini) F
una combinazione di quanto ai punti W
precedenti
casi finora non previsti X
(4) Il quarto simbolo della classe di emissione è
relativo a caratteristiche di varia natura.
Codice a due condizioni:
con elementi diversi per numero e/o A
durata
con elementi di uguale numero e durata B
senza correzione d’errore
come al punto precedente ma con C
correzione d’errore
169
codice a quattro condizioni, ogni condizione D
rappresenta un elemento dal segnale (di uno
o più bit)
codice a più condizioni, per il resto come nel E
caso precedente
codice a più condizioni (ogni condizione o F
combinazione di condizioni rappresenta un
carattere)
qualità del suono in diffusione (mono) G
come sopra, ma stereo o quadrifonico H
qualità di suono commerciale J
come prima, ma con inversione di frequenza K
o band-splitting
come sopra, con segnali FM per controllare L
il livello del segnale demodulato
in bianco e nero M
a colori N
una combinazione di casi precedenti O
casi finora non previsti X
(5) Il quinto simbolo è relativo alla natura del
multiplexing
assenza di multiplexing N
multiplex a divisione di codice C
multiplex a divisione di frequenza F
multiplex a divisione di tempo T
multiplex a divisione combinata di tempo e W
di frequenza
altri tipi di multiplex X
170
In conclusione, per praticità d’impiego, è importante sottolineare che i primi tre
caratteri della classe di emissione sono quelli obbligatori, e nella maggior parte
delle applicazioni sono di per sé sufficienti per la classificazione del tipo di
comunicazione.
I quattro caratteri relativi all’occupazione di banda e i due supplementari della
classe di emissione vengono impiegati per una o più completa designazione nel
caso di emissioni radio di tipo complesso.
Alla pagina seguente si riporta una tabella riassuntiva dei vari tipi di emissione
contraddistinti con la vecchia e la nuova designazione internazionale.
171
172
SS TT RR AA LL CC II OO DD EE LL CC OO DD II CC EE ““ QQ ””
QAP Restare in ascolto QRA Chi sei / chi sono QSL Accusa ricevuta QRK Intellegibilità del segnale da 1(min) a 5 max) QSA Forza del segnale da 1(min) a 5 (max) QRM Interferenze sulla frequenza da 1(min) a 5 max) QRV Sono pronto QRT Cessate di trasmettere QRU Non ho messaggi QRX Prossimo appuntamento QSY Passate in trasmissione su altra frequenza QTC Quanti messaggi avete da trasmettere QTA Annulla telegramma QRO Aumentate potenza trasmettitore QRL Sono occupato QSO Potete comunicare
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II LL CC OO DD II CC EE MM OO RR SS EE
OGNI LETTERA O CIFRA E’ RAPPRESENTATA DA
UNA COMBINAZIONE DI PUNTI E LINEE.
OGNI LINEA EQUIVALE ALLA DURATA DI TRE PUNTI.
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II LL CC OO DD II CC EE II TTAA 22
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AA LL FFAA BB EE TT OO FF OO NN EE TT II CC OO II NN TT EE RR NN AA ZZ II OO NN AA LL EE
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II MM PPAATT TT OO DD EE II CC AA MM PP II EE LL EE TT TT RR OO MM AA GG NN EE TT II CC II SS UU LL LL’’ AA MM BB II EE NN TT EE
Aspetti tecnici, biofisici e normativi (ed. 2004)
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