Transcript
Page 1: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

APPUNTI

SULLE

RADIOCOMUNICAZIONI

a cura del C.V.(AN) Raffaele AZZARONE

Edizione Ottobre 2005

Page 2: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 3: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 4: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 5: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 6: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 7: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 8: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 9: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 10: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 11: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 12: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 13: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 14: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 15: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 16: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 17: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 18: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 19: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 20: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

f è la frequenza in Hz;

σ è la conduttività del suolo espressa in Siemens/m.

16

Page 21: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 22: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 23: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 24: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura 11 - Propagazione per onda di superficie su terreno cattivo conduttore.

20

Page 25: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura 12 - Propagazione per onda di superficie su terreno buon conduttore.

21

Page 26: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura 13 - Propagazione per onda di superficie su mare (ottimo conduttore).

22

Page 27: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 28: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 29: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 30: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 31: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 32: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 33: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 34: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 35: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 36: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 37: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 38: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 39: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 40: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 41: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 42: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 43: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 44: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 45: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 46: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 47: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 48: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 49: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 50: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 51: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 52: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 53: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 54: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 55: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 56: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 57: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 58: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 59: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 60: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 61: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 62: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

♦ 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

Page 63: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura 32 – Riflessione ionosferica per f < fo

Figura 33 - Riflessione ionosferica per f > fo – Distanza e zona SKIP

59

Page 64: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 65: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 66: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 67: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 68: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 69: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 70: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 71: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 72: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 73: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

- 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

Page 74: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 75: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 76: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

(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

Page 77: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 78: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 79: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 80: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 81: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 82: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

(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

Page 83: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 84: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

• 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

Page 85: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 86: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 87: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 88: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 89: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 90: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

86 86

Page 91: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

87

Page 92: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura n. 3 – Pagina “Grafex” del sito australiano www.ips.gov.au (dopo aver centrato

l’immagine selezionando 0 deg centre).

88

Page 93: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura n. 4 – Esempio di previsione ASAPS-GRAFEX

89

Page 94: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 95: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 96: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 97: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 98: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 99: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 100: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 101: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 102: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 103: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 104: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 105: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 106: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 107: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 108: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 109: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 110: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 111: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 112: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 113: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 114: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 115: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 116: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 117: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 118: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 119: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 120: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 121: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

(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

Page 122: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 123: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

(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

Page 124: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 125: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 126: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 127: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 128: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 129: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 130: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 131: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 132: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 133: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 134: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 135: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 136: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 137: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 138: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 139: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 140: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 141: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 142: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 143: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 144: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 145: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 146: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 147: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 148: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 149: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 150: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 151: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 152: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 153: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 154: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 155: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 156: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 157: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 158: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 159: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 160: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 161: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

Figura 1 – Schema di massima di un sistema di comunicazione HF/SSB adattivo per le

comunicazioni in fonia e dati.

157

Page 162: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 163: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 164: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 165: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 166: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 167: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 168: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 169: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 170: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 171: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 172: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 173: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

(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

Page 174: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 175: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

Page 176: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

172

Page 177: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

173

Page 178: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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.

174

Page 179: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

II LL CC OO DD II CC EE II TTAA 22

175

Page 180: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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

176

Page 181: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

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)

177

Page 182: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

178

Page 183: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

179

Page 184: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

180

Page 185: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

181

Page 186: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

182

Page 187: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

183

Page 188: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

184

Page 189: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

185

Page 190: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

186

Page 191: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

187

Page 192: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

188

Page 193: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

189

Page 194: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

190

Page 195: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

191

Page 196: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

192

Page 197: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

193

Page 198: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

194

Page 199: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

195

Page 200: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

196

Page 201: APPUNTI SULLE RADIOCOMUNICAZIONI - … · il valore della lunghezza d’onda, noto quello della frequenza, e viceversa. A titolo di esempio: • ad una frequenza di 3 MHz corrisponde

197


Recommended