Fondamenti di wireless: come funzionano le onde radio

Fondamenti di wireless: come funzionano le onde radio

Puoi contare quanti dispositivi usi ogni giorno grazie alle onde radio? Può essere un po’ travolgente pensare a quanto le nostre vite siano influenzate dall’utilizzo di questa tecnologia. Dagli smartphone ai computer portatili, dai GPS ai baby monitor e altro ancora, siamo arrivati a sfruttare questa forma di energia elettromagnetica per creare alcune cose sorprendenti. Ma mentre usiamo questi dispositivi ogni giorno, capiamo veramente come funzionano?

Ecco dove la nostra serie Wireless Electronic Basics vi aiuterà a capire le basi del nostro mondo wireless, e speriamo, dissipare alcuni misteri lungo la strada.

Il vasto mondo del wireless

Prima ancora di immergerci nella scienza che circonda le onde radio, dobbiamo rendere giustizia a questo argomento mostrando quanto le onde radio abbiano influenzato la nostra vita quotidiana. Cominciamo con una giornata media, e forse vi svegliate con il suono non così rilassante di una sveglia grazie al vostro smartphone. Potete ringraziare le onde radio per la scossa mattutina.

Quando ti siedi per la tua colazione mattutina, forse accendi la radio o la televisione per ascoltare cosa sta succedendo nel mondo. Come ti arrivano questi bit di informazioni audio e video? Con le onde radio, ancora una volta. E quando ti prepari per andare al lavoro, forse ti piace controllare il traffico e pianificare il percorso più efficiente, quindi usi il GPS sul cruscotto della tua auto. Ancora onde radio.

Durante il tuo pendolarismo mattutino, ti potrebbe piacere sintonizzarti sul tuo talk show mattutino preferito. La stazione radio su cui vi collegate è una delle tante frequenze specifiche delle onde radio che vengono trasmesse a tutte le ore del giorno. Quando arrivi al lavoro, forse ti metti davanti a un computer e ti connetti al world wide web, senza fili. Carichi i tuoi documenti di Google, i siti web e la posta elettronica, tutto usando le onde radio per connetterti senza fili a internet attraverso il WiFi.

Vedi, le onde radio sono usate in molte più cose che le scatole quadrate che usiamo per suonare la musica e ascoltare i talk show. La moderna comunicazione wireless si basa su un semplice design all’interno della radio convenzionale, permettendoci di connettere l’umanità in tutto il mondo con informazioni, video, audio, dati e molto altro. Ma per quanto le onde radio siano diffuse nel loro uso oggi, come funzionano esattamente, e cos’è un’onda radio? Esploriamo.

Affrontare l’elettromagnetismo

Le onde radio non sono che un tipo di onda in quello che viene chiamato lo spettro elettromagnetico, che consiste in una varietà di onde che hanno tutte una funzione specifica, come gli infrarossi, i raggi X, i raggi gamma e la radio. Tutte queste onde riescono a sfidare le barriere fisiche, sfrecciando attraverso il vuoto dello spazio alla velocità della luce.

L’organizzazione di questo spettro è classificato da due misure, frequenza e lunghezza d’onda. Ecco come si suddividono:

• Frequenza. Questo è fondamentalmente quante onde elettromagnetiche passeranno attraverso un dato punto ogni secondo. Si può misurare contando le creste di ogni onda (il punto più alto nell’onda), che fornisce un valore in Hertz.
• Lunghezza d’onda. Questa è la distanza effettiva che si può misurare tra due dei punti più alti in un’onda, o il periodo. Le lunghezze d’onda possono essere più corte della dimensione di un atomo per alcune onde, e più lunghe del diametro del nostro intero pianeta!

In questo spettro elettromagnetico, le onde radio hanno sia le lunghezze d’onda più lunghe che le frequenze più basse, il che le rende lente e costanti, i corridori a lunga distanza del gruppo. Tuttavia, quando veniamo bombardati da tutte le direzioni con onde radio FM e AM, segnali di telefoni cellulari, segnali WiFi e altro, è possibile che tutti questi segnali condividano lo stesso spazio? Lo fanno condividendo bande specifiche nello spettro delle onde radio, e queste includono:

Nome	Abbreviazione	Frequenza	Lunghezza d’onda
Extremely low-frequenza	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super bassa frequenza	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra bassafrequenza	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Molto bassa frequenza	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Bassa-frequenza	LF	30-300 kHz	10-1 km
frequenza media	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Altafrequenza	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Molto alta frequenza	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra altafrequenza	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super altafrequenza	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Estremamente altafrequenza	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Frequenza estremamente alta	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

La banda ultra alta frequenza (UHF) ha una frequenza tra 300 megahertz (MHz) e 3 gigahertz (GHz). Troverai la banda UHF usata per tecnologie specifiche come WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkie e altro. Dall’altra parte, troverai la frequenza molto bassa (VLF) nella gamma 3 – 30 hertz e questa banda è riservata esclusivamente alle stazioni radio governative, alle comunicazioni militari sicure e ai sottomarini. Gli Stati Uniti pubblicano una tabella annuale di allocazione delle frequenze dello spettro radio che mostra come tutti questi servizi radio sono allocati per frequenza.

Comunicazioni integrate

Ora vi starete chiedendo, come fanno esattamente queste onde radio nelle loro particolari frequenze ad andare da un posto all’altro? La magia di poter parlare con qualcuno sul tuo smartphone dall’altra parte del mondo si riduce ad alcuni principi molto semplici. Ogni radio, che sia una tradizionale radio AM/FM o una radio che si trova in uno smartphone, utilizza lo stesso metodo di base per trasmettere informazioni con l’aiuto di un trasmettitore e un ricevitore.

Un trasmettitore, come dice il nome, trasmette informazioni attraverso l’aria sotto forma di un’onda sinusoidale. Quest’onda vola attraverso l’aria e alla fine viene catturata da un ricevitore, che decodifica le informazioni all’interno dell’onda sinusoidale per estrarre le cose che vogliamo, come la musica, una voce umana o qualche altro bit di dati.

La cosa interessante è che una sinusoide da sola non contiene nessuno dei dati che ci servono, è fondamentalmente un segnale vuoto. Ecco perché abbiamo bisogno di prendere quest’onda sinusoidale e modularla, che è il processo di aggiungere un altro strato di informazioni utili. Ci sono tre metodi di modulazione, tra cui:

• Modulazione d’impulso. In questo metodo, state accendendo e spegnendo un’onda sinusoidale, che invierà bit di un segnale in pezzi separati. Avete mai sentito parlare del codice Morse per inviare segnali di pericolo? Usa la modulazione di impulsi.
• Modulazione di ampiezza. Questo metodo è usato sia nelle stazioni radio AM che nei vecchi segnali TV analogici. Qui, un’onda sinusoidale è sovrapposta ad un’altra onda di informazioni, come la voce di una persona. Incorporando un altro strato di informazioni in quest’onda si crea una fluttuazione nell’ampiezza della sinusoide originale, che può creare statica.

• Modulazione di frequenza. Questo metodo è usato dalle stazioni radio FM e praticamente da ogni altra tecnologia wireless là fuori. A differenza della modulazione di ampiezza che crea alcune fluttuazioni significative in un’onda sinusoidale, la modulazione di frequenza cambia un’onda sinusoidale molto poco, il che ha l’ulteriore vantaggio di provocare meno statica.

Una volta che tutte quelle sinusoidi modulate vengono inviate tramite un trasmettitore e ricevute da un ricevitore, l’onda di informazione che abbiamo incorporato viene estratta, permettendoci di farne ciò che vogliamo, come riprodurla come audio attraverso un altoparlante, o vederla come video su uno schermo televisivo.

Da qualche parte tra A e B

Nelle nostre spiegazioni precedenti su modulazione, trasmettitori e ricevitori, si potrebbe pensare che inviare un’onda radio sia un semplice processo di viaggio dal punto A al punto B, ma questo non è sempre il caso. Le onde non sempre volano attraverso l’aria sottile direttamente da un trasmettitore a un ricevitore, e il modo in cui viaggiano dipende in definitiva dal tipo di frequenza d’onda che vuoi inviare, e quando. Ci sono tre modi in cui questo viaggio può avvenire, tra cui:

Line of Sight (Space Wave)

Con questo metodo di viaggio, le onde radio sono inviate come un semplice fascio di luce dal punto A al punto B. Questo metodo era comunemente usato nelle reti telefoniche vecchio stile che dovevano trasmettere le chiamate su una lunga distanza tra due enormi torri di comunicazione.

Onda di terra (Onda di superficie)

Si possono anche inviare onde radio lungo la curvatura della superficie terrestre sotto forma di onda di terra. Troverete le onde radio AM che viaggiano in questo modo per brevi e medie distanze, ed è per questo che si possono ancora sentire i segnali radio anche quando non c’è un trasmettitore e un ricevitore nella vostra linea di vista.

Ionosfera (Onda del cielo)

Infine, puoi anche inviare onde radio direttamente nel cielo, che finisce per rimbalzare sulla ionosfera terrestre, che è una parte dell’atmosfera elettricamente carica. Quando si fa questo, le onde radio colpiscono la ionosfera, rimbalzano sulla terra e rimbalzano di nuovo verso l’alto. Questo è il processo di rispecchiamento di un’onda, che rimbalza avanti e indietro fino alla sua destinazione finale.

A questo punto abbiamo capito diverse cose sulle onde radio, cioè che viaggiano a frequenze molto specifiche, che comunicano sia con un trasmettitore che con un ricevitore, e che possono viaggiare in vari modi attraverso la terra. Ma con tutte le diverse frequenze radio che circolano, come fa il tuo smartphone o l’autoradio a sapere quale frequenza particolare ricevere e quali ignorare? Ecco dove entrano in gioco le antenne.

È tutto sulle antenne

Le antenne sono disponibili in un sacco di forme e dimensioni diverse, ma sono tutte progettate per lo stesso scopo – per raccogliere una frequenza di onde radio molto specifica. Troverete antenne che vanno dai lunghi fili di metallo che spuntano da una radio FM a qualcosa di più rotondo come un’antenna parabolica, o anche un pezzo di rame ben accordato su un PCB. In un trasmettitore, le antenne sono utilizzate per inviare onde radio, e nei ricevitori, saranno utilizzati per raccogliere una frequenza radio. Le antenne hanno tutte tre caratteristiche distinte in base alle quali vengono misurate, tra cui:

• Direzione. Per alcuni tipi di antenna, come un dipolo, l’antenna deve essere montata nella giusta direzione, rivolta verso la direzione di trasmissione delle onde radio. Alcuni tipi di antenna, come quelli che si trovano in una radio FM, non hanno bisogno di essere orientati in una direzione specifica e possono catturare segnali di onde radio da qualsiasi angolo.
• Guadagno. Il guadagno di un’antenna descrive quanto essa possa amplificare un segnale. Per esempio, se si accende una vecchia TV analogica, è probabile che si ottenga ancora un’immagine, solo sfocata. Questo è dovuto al fatto che la cassa metallica e i componenti del televisore agiscono come un’antenna. Ma collegando un’antenna direzionale vera e propria, sarete in grado di amplificare il segnale e ottenere un’immagine migliore. Più grande è il guadagno, misurato in decibel (dB), migliore sarà la ricezione.
• Larghezza di banda. Infine, la larghezza di banda di un’antenna è la sua particolare gamma di frequenze utili. Più alta è la larghezza di banda, più onde radio può captare. Questo è l’ideale per le televisioni perché permette loro di ottenere più canali. Ma per cose come il tuo smartphone che hanno bisogno solo di una specifica onda radio, una larghezza di banda completa non è così necessaria.

Tempo di telefonare a casa

Le onde radio sono ovunque! Immaginate di poterle vedere con i vostri occhi. Avresti onde radio dappertutto, emesse dal tuo router, dal tuo telefono cellulare, e tutto intorno a te dall’elettronica wireless del tuo vicino. Le onde radio hanno davvero plasmato la nostra vita moderna come nient’altro, e senza di esse non potremmo mai godere di invenzioni così utili come il GPS, il WiFi, il Bluetooth e altro ancora. Ma la radio si estende ben oltre la nostra esistenza fisica e terrena. Alcune delle zone più lontane del nostro universo conosciuto sono state esplorate attraverso l’uso della radioastronomia per scoprire quasar, molecole e altre galassie!

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