Per un’introduzione ai segnali elettrici, si veda il post segnali e segnali elettrici.

Telegrafia

La telegrafia, ovvero sia la trasmissione di segnali a distanza, avviene da tempi remoti, basti pensare alla trasmissione di un messaggio codificato attraverso un raggio di luce riflesso per mezzo di uno specchio, oppure ai segnali di fumo.

Nel 1767 la Royal Society inglese introduce il telegrafo ottico e nel 1791, in Francia, i fratelli Chappe crearono la prima torre di segnalazione a distanza, utilizzando pannelli riflettenti bianchi e neri, orologi, telescopi e un sistema di codici per la trasmissione di messaggi.

Telegrafo elettrico

Il telegrafo elettrico è stata la prima forma di telecomunicazione elettrica. Gli studi sull’elettricità avevano infatti dimostrato come i fenomeni elettrici viaggiassero a alta velocità e diversi scienziati avevano iniziato a pensare a come utilizzare l’elettricità per trasmettere messaggi a distanza.
Nel 1753 in Inghilterra venne presentato da un anonimo inventore un telegrafo elettrostatico, che utilizzava un filo per ciascuna lettera dell’alfabeto; un capo di ciascun filo veniva collegato a una bottiglia di Leida e all’altra estremità si osservava la deviazione delle lamine d’oro di un elettroscopio - un dispositivo costituito da un pomello metallico e da due lamine di ottone (vedi figura sotto) che si separano se un oggetto carico viene posto nelle vicinanze del pomello.

Nel 1830 in Inghilterra viene introdotto il primo telegrafo elettrico commerciale, il telegrafo di Cooke e Wheatstone e contemporaneamente, negli Stati Uniti venne sviluppato e brevettato un altro telegrafo elettrico, inventato da Samuel Morse nel 1837. Il suo assistente Alfred Vail sviluppò il codice Morse (vedi Figura). Il primo telegramma venne inviato nel 1838.

Codice Morse

Un rilevatore di fulmini a distanza

Alexander Popov era un fisico russo che nel 1895 a San Pietroburgo, di fronte alla Società Russa di Fisica e Chimica, presentò un articolo sulla sua invenzione di un rilevatore di fulmini, un dispositivo senza fili (wireless) in grado di rilevare il rumore elettromagnetico generato da un fulmine a distanza.
Il dispositivo era basato su un coherer (rivelatore di onde elettromagnetiche), un tubicino di vetro in cui si trovavano due elettrodi vicini tra loro ma separati da uno spazio parzialmente riempito di limatura di ferro.
Il coherer in generale mostra resistenza elettrica elevata e non permette il passaggio di una corrente, ma in presenza di radiazione elettromagentica la limatura di ferro si compatta, la resistenza del dispositivo diventa molto bassa e permette il passaggio di una corrente elettrica.

In un articolo dei primi del 1896 Popov si esprimeva con le seguenti parole: “Sono fiducioso che il mio dispositivo verrà applicato alla trasmissione a grande distanza di vibrazioni elettriche ad alta frequenza, non appena verrà realizzato un generatore sufficientemente potente di questo tipo di vibrazioni”.

Il ricevitore di onde radio a alta frequenza di Popov

Qualche mese più tardi, nel marzo 1896, Popov riuscì a creare un trasmettitore in grado di trasmettere un segnale a 250m di distanza.
Sfortunatamente per Popov Guglielmo Marconi stava lavorando su un dispositivo analogo e nel giugno del 1896 ottenne un brevetto per il suo radiotelegrafo.
Non essendoci alcuna documentazione ufficiale degli esperimenti di Popov del marzo dello stesso anno, la scoperta del telegrafo senza fili venne attribuita a Marconi.

Il teleautomaton di Nikola Tesla

Agli esperimenti di Popov e Marconi in Europa si devono aggiungere quelli svolti da Nikola Tesla negli Stati Uniti.

Tesla infatti fin dal 1892 mette a punto i primi progetti per una radio e nel 1898 brevetta una barca-robot controllata da onde radio. La barca viene presentata durante un’esposizione di progetti di elettronica al Madison Square Garden a New York e, nello stupore dei presenti, Tesla è in grado di interagire con la barca, che per esempio risponde con 4 lampi di luce alla domanda “quale è la radice cubica di 64”? Tesla stava controllando a distanza la barca con un radiocomando, in pratica il suo teleautomaton era il primo robot ad essere stato inventato.

Telegrafia senza fili

Con l’introduzione delle equazioni di Maxwell e l’esperimento di Hertz del 1887, diversi scienziati avevano iniziato a porsi la domanda se fosse possibile trasmettere a distanza un segnale senza l’utilizzo di cavi e gli esperimenti di Popov, Marconi e Tesla avevano fornito una risposta affermativa al problema e presentato dei dispositivi in grado di farlo.

Nella telegrafia senza fili il messaggio, codificato in codice Morse, veniva inviato dal trasmettitore come una serie di impulsi di durata diversa dot and dashes (punti e linee) che venivano decodificati al ricevitore.

Esempio di comunicazione telegrafica.

Gli impulsi erano trasmessi come onde radio con frequenze udibili tra 50Hz e qualche miglialio di Hertz e potevano essere uditi da un operatore in cuffia come una sequenza di beep di durata diversa.

Dal telegrafo alla radio

Il metodo di trasmissione basato sui trasmettitori a scintilla impiegato da Hertz e adottato per la trasmissione telegrafiche non era utilizzabile per trasmettere a distanza la voce umana.
D’altro canto si era a conoscenza del fatto che onde radio con lunghezze d’onda dell’ordine dei metri potevano percorrere distanze elevate.
L’idea fu dunque quella di utilizzare queste onde (a frequenza elevata) come vettori su cui far viaggiare segnali elettrici che variano molto più lentamente nel tempo (segnali con frequenza minore) come i segnali audio (20-20000Hz).
Il processo per cui l’ampiezza di un’onda portante a alta frequenza (carrier signal) viene modificata da un segnale elettrico a più bassa frequenza (information signal) si chiama modulazione di ampiezza (AM, amplitude modulation), ed è il principio alla base del funzionamento delle trasmissioni radio a distanza.

Gli sviluppi della radio subiscono un’accelerazione durante la Prima Guerra Mondiale con l’introduzione delle valvole termoioniche.
A partire dal 1920 iniziano le prime trasmissioni radiofoniche e con la Seconda Guerra Mondiale si affermano ulteriormente i sistemi di comunicazione basati sulle onde radio.

La radio

La radio è un dispositivo che utilizza le onde radio per trasmettere informazioni a distanza senza fili, attraverso la modulazione di grandezze fisiche del campo elettromagnetico che può trasmettersi a distanza come onda.
Le frequenze delle onde radio sono comprese nello spettro elettromagnetico tra i 30Hz e i 30GHz.
Le onde radio vengono generate da un dispositivo elettronico, il trasmettitore, connesso a un’antenna che irradia le onde elettromagnetiche in aria; queste onde saranno poi ricevute da un’altra antenna connessa al ricevitore, in generale connesso a un’altoparlante.
Il segnale audio in ingresso al trasmettitore può essere fornito da un microfono.

Il microfono

I primi microfoni, che vennero sviluppati per la telefonia, sono stati i microfoni a carbone.
Furono sviluppati alla fine dell'800 e la loro scoperta viene attribuita a David Edward Hughes (Inghilterra, metà del 1877), anche se il primo brevetto fu depositato da Thomas Edison negli Stati Uniti.

Il microfono a carbone è un trasduttore di pressione, ovvero sia un dispositivo in grado di trasformare il suono in un segnale elettrico.

Il microfono è costituito da due sottili piastre di metallo separate da dei granuli di carbone.
Tra le due piastre vi è una differenza di potenziale e la corrente elettrica, per chiudere il circuito, attraversa i granuli di carbone.

Una piastra è rivolta verso la persona che parla, è molto sottile e funziona come un diaframma: le onde sonore (onde di pressione) che la colpiscono la fanno vibrare.
La vibrazione causa una variazione nell’addensamento dei granuli di carbone, che vengono compattati o resi meno addensati, e di conseguenza varia la resistenza che questi offrono al passaggio della corrente.

Se nel tempo varia la resistenza del circuito, varia anche la tensione in uscita al microfono in maniera proporzionale all’intensità delle onde sonore che colpiscono il microfono.

L’antenna

Un’antenna è un dispositivo che fa da interfaccia tra le onde radio che si propagano nello spazio e le correnti elettriche che si muovono nei conduttori metallici, e può essere usata per trasmettere o per ricevere (nella figura potete vedere un’antenna dipolo che riceve onde radio).

In trasmissione un trasmettitore fornisce la corrente elettrica alternata, di una detrminata frequenza (e lunghezza d’onda) all’antenna e questa irradia quest’energia nello spazio come onde elettromagnetiche.
In ricezione un’antenna viene colpita dalla radiazione elettomagnetica di una determinata frequenza e quest’energia viene trasferita agli elettroni che si trovano nel conduttore che inziano a muoversi generando una corrente elettrica che raggiunge il ricevitore.

Il sistema radio

Il principio di funzionamento della radio si basa sul fatto che al trasmettitore le informazioni possono essere codificate come segnali elettrici e questi segnali possono essere inviati grazie a un’antenna come onde elettromagnetiche che viaggiano a distanza senza fili. L’antenna ricevente (ri)trasforma le onde in segnali elettrici e l’informazione codificata nell’onda può essere estratta al ricevitore.

I componenti principale del sistema radio sono:

• il trasmettitore, in generale connesso a un microfono che, attraverso un oscillatore, generare l’onda portante e effettua la modulazione del segnale da trasmettere;
• un’antenna, che trasforma il segnale elettrico in un’onda elettromagnetica in grado di propagarsi nello spazio;
• il ricevitore, con la sua antenna, che riceve la radiazione elettromagnetica e la converte in corrente elettrica per inviarla al demodulatore che separa il segnale originale dalla portante e lo invia a un altoparlante.
  Per selezionare la frequenza che si vuole ricevere è infine necessario un sintonizzatore.