Radiotecnica per Tecnici Audio - Prima parte

Fig. 1_ Versione integrata di stazione trasmittente (è la prima stazione “portatile” usata da Marconi negli anni 1985-96). È ben evidente l’antenna, con la lastra metallica (piano di terra) con relativa “discesa” al TX.

di Enrico ”Flynt” Mambella

Dopo vari studi e tentativi, l’8 dicembre del 1895 Guglielmo Marconi riuscì a superare con il suo segnale radio la collina in prossimità di Villa Grifone, (sua residenza). Questa data viene considerata il “battesimo” della radio in Italia. Oggigiorno consideriamo tutti Marconi l’inventore della radio, anche se ci sarebbero da fare delle precisazioni che, nel corso degli anni, hanno causato non poche diatribe sulla sua paternità dell’invenzione.

Marconi, in effetti, con naturale modestia, affermava che lui non aveva inventato niente di nuovo: si attribuiva semplicemente il merito di aver assemblato e ritoccato, con semplice intuizione, invenzioni che alcuni scienziati – come Volta, Edison, Ruhmkorff, Branly, Righi, Hertz e Popoff – avevano ideato prima di lui.

Risulta infatti che l’invio di segnali a distanza senza fili, in campo scientifico e con risultati piuttosto modesti, era stato mostrato per la prima volta nel 1866 dal Dott. Loomis. Lo stesso Alexander Popoff, scienziato russo, l’8 maggio del 1895, (sette mesi prima di Marconi), aveva trasmesso segnali fino a mezzo miglio di distanza, ma pur sempre a portata ottica e senza ostacoli. Popoff era semplicemente riuscito ad aumentare la distanza di trasmissione delle onde hertziane, già scoperte dallo stesso Hertz, col suo “oscillatore”, fin dal 1887.

Nessuno dei tre scienziati – Hertz, Loomis e Popoff – però, si rese conto che queste onde elettromagnetiche avrebbero potuto superare di gran lunga i limiti e gli ostacoli considerati insuperabili dalle loro teorie, cosa che invece riuscì a dimostrare praticamente Marconi. Dagli studi di Marconi scaturirono in seguito altre “scoperte”, tuttora perfezionate ed utilizzate, tra cui il RADAR navale, da lui annunciato nel giugno del 1922 in una conferenza a New York.

Fig. 2_ Il padiglione antenna di 400 fili, alla stazione radiotelegrafica di Poldhu attorno al 1914.

Nelle figure 1 e 2 è visibile un solo tipo di antenna, quella “marconiana”. Ma esiste anche un altro tipo di antenna usata in quegli anni: l’antenna “hertziana”.

L’antenna marconiana più diffusa oggi si chiama ground plane, ovvero a piano di terra. L’antenna hertziana più diffusa oggi è il “dipolo”. I due bracci possono anche essere disposti a “V” invertita, con un angolo compreso tra 90° e 120°. Cambiando l’angolo, varia anche l’impedenza dell’antenna.

Fig. 3_ Antenna marconiana. È caratterizzata da uno stilo di lunghezza λ/4 e da un piano conduttore. Spesso il piano conduttore è sostituito da spezzoni di materiale conduttore che si estendono radialmente rispetto allo stilo principale. Nel caso di stilo e piano ortogonali (90°), presenta una resistenza di radiazione tipica di 36,5 Ω.

Fig. 4_ Antenna hertziana. È costituita da due conduttori di lunghezza identica, aperti in direzioni opposte, ognuno dei due lungo approssimativamente λ/4. Nel caso di apertura dei conduttori ad angolo piatto (180°), l’antenna hertziana presenta una resistenza di radiazione pari a 73 Ω.

Trasmettitori

Veniamo ora a vedere come è costituito un moderno trasmettitore FM, come quelli che usiamo per gli IEM o contenuti nei radiomicrofoni palmari o bodypack trasmittenti, e le relative problematiche.

Diciamo subito che il tipo di modulazione usata è FM-Wide, la stessa delle emittenti radio, con alcune modifiche. Nella modulazione di frequenza, viene modulata (deviata) la frequenza della portante pura, proporzionalmente all’ampiezza del segnale modulante in bassa frequenza (audio) applicato all’ingresso del TX.

La risposta in frequenza è tipicamente compresa tra 40 Hz e 18 kHz, la dinamica è di circa 100 dB e la larghezza di banda del segnale, cioè la porzione di spettro effettivamente impegnato intorno alla frequenza della portante, è compresa tra circa 130 kHz e 160 kHz. La larghezza di banda dipende da un fattore molto importante: la deviazione, che varia a seconda dell’apparato e del segnale in bassa frequenza ad esso applicato, tra ±45 kHz, (stereo), o ±56 kHz, (mono). Nelle emittenti radio FM, la deviazione è fissata per legge ad un massimo di ±75 kHz.

Cercando di semplificare il concetto, la deviazione si definisce come il massimo spostamento in frequenza del segnale modulato, sopra e sotto la frequenza della portante pura (f_c).

La frequenza della portante modulata raggiunge la sua massima variazione in positivo e negativo – e quindi la massima deviazione – negli istanti in cui il segnale audio modulante raggiunge la sua massima ampiezza.

In assenza di segnale audio modulante, la larghezza di banda del segnale FM sarà idealmente nulla e la frequenza del segnale trasmesso sarà costante, pari alla frequenza della portante pura non modulata.

Fig. 5_ CARRIER: portante non modulata ad una data frequenza (f c ), ovvero la frequenza alla quale si sincronizzano trasmettitore e ricevitore.SIGNAL: segnale in bassa frequenza applicato (modulante). OUTPUT: segnale modulato in FM.

La deviazione è, istante per istante, direttamente proporzionale all’ampiezza e inversamente proporzionale alla frequenza del segnale audio da trasmettere. Questo ci fa capire come le frequenze basse nel segnale modulante (in banda audio) incidano più delle frequenze alte sullo scostamento della frequenza in trasmissione (in banda radio) rispetto alla frequenza della portante, in più e in meno.

In linea di massima, possiamo dire che:

Deviazione bassa: audio “bruttino”, piatto, sensazione di compressione.

Deviazione alta: audio “più bello” e maggiore dinamica.

La larghezza di banda, espressa in kHz, si può calcolare con la semplice “formula di Carson”:

Larghezza di banda (kHz) = 2 × (max deviazione + max frequenza audio)

Es: max deviazione in frequenza = 45 kHz

max frequenza del segnale audio modulante = 18 kHz

larghezza di banda: 2 × (45 + 18) = 126 kHz → (circa 130 kHz)

Fig. 6_ Schema a blocchi di un trasmettitore FM.

Schema a blocchi di un trasmettitore FM

Possiamo osservare subito che, appena dopo il preamplificatore audio che serve per impostare la sensibilità d’ingresso, ci sono un compressore di dinamica e un limitatore, che insieme vanno a formare il primo stadio del famoso ed indispensabile compander, (COMPressor+expANDER), sviluppato da John Nady per l’uso nei sistemi radiomicrofonici nel 1976. Ovviamente, dopo lo stadio RF di demodulazione nel ricevitore, ci sarà un expander che riporterà il segnale alla dinamica originale, come si può vedere nella figura 7.

Per trasmettere in FM un segnale con una dinamica di 100 dB o oltre, è necessario limitarla a circa 60 dB, prima di inviarlo ai successivi stadi RF, anche al fine di limitare la larghezza di banda RF senza degradare eccessivamente il rapporto S/R. Il compander si occupa di questa compressione del segnale. 

Fig. 7_ L’effetto del compander.

Appena dopo questa compressione di dinamica del segnale, segue lo stadio audio di pre-enfasi: si tratta di un procedimento atto ad esaltare le frequenze più alte (a partire da circa 1 kHz) nel segnale prima di inviarlo allo stadio modulatore RF, al fine di migliorare ulteriormente il rapporto S/R. Questo è necessario perché tutte le apparecchiature, elettroniche e non solo, generano inevitabilmente un rumore ‘casuale’ che si sovrappone al segnale da elaborare e che in un sistema FM incide particolarmente sulle frequenze alte. Questo effetto può essere compensato amplificando le alte frequenze (in banda audio) prima della modulazione e della trasmissione e attenuandole in quantità corrispondente nel ricevitore (de-enfasi). Attenuando le alte frequenze audio nel ricevitore si riduce anche il rumore ad alta frequenza generato dal sistema di trasmissione, mentre il livello di segnale nella stessa banda viene riportato al livello originario.

Fig. 8_ Enfasi e de-enfasi.

La curva di risposta in frequenza è stabilita da particolari costanti di tempo. In Europa la costante di tempo è stabilita in 50 µs, mentre in USA è di 75 µs.

Segue un filtro passa-basso, per eliminare le frequenze spurie, e poi si entra nel “cuore” del trasmettitore: il modulatore.

La modulazione è il processo col quale una portante, la cui frequenza è generata da un oscillatore, viene modulata dal segnale audio da trasmettere (segnale modulante). Molto utilizzate, proprio per la facilità con cui sono generate, sono le portanti con forma d’onda sinusoidali.

Segue poi un amplificatore RF (LNA – Low Noise Amplifier) che amplifica al valore voluto la nostra portante modulata.

In fine, c’è un filtro RF passa-banda che limita la larghezza di banda in trasmissione – limitando quindi la deviazione in frequenza della portante e conseguentemente tagliando di fatto la banda del segnale audio tra 40 Hz e 18 kHz – prima che il segnale modulato venga inviato all’antenna.

Il segnale che troviamo su questa uscita sarà del tipo multiplex. Il segnale multiplex (MPX) finale è un segnale composto che, nel caso tipico di trasmissione analogica da parte di un’emittente radiofonica FM (quasi identico a quello di un TX in-ear monitor analogico), contiene un canale principale (L+R), il tono pilota a 19 kHz, il sottocanale (L-R) e una sottoportante a 57 kHz per l’RDS (che a noi non interessa). Un ricevitore mono utilizzerà solo il segnale L+R, in modo che l’ascoltatore possa ascoltare semplicemente la somma di entrambi i canali attraverso un singolo altoparlante. Un ricevitore stereo sommerà il canale principale e il sottocanale per recuperare il canale sinistro (L+R + L-R = 2L) e sottrarrà il sottocanale dal canale principale per recuperare il canale destro (L+R - (L-R) = 2R). Il segnale del canale principale (L+R), viene trasmesso come audio in banda base limitata all’intervallo da 30 Hz a 15 kHz. Il segnale del sottocanale (L-R) è modulato in ampiezza in un segnale a portante soppressa e doppia banda laterale (DSB-SC) intorno a 38 kHz, che occupa un intervallo in banda base da 23 kHz a 53 kHz.

Nel nostro campo, le potenze in gioco quasi sempre sono nell’ordine dei milli-watt:

•    10 mW = Lo Pwr

•    30 mW = Standard Pwr

•    50 mW = High Pwr

•    100 mW = High Pwr (spesso da sbloccare via password su molti TX).

C’è anche da dire che se si ha bisogno di ulteriore potenza, molti combiner possono essere impostati (dal distributore) a +3 dB, ottenendo un raddoppio della potenza in uscita.

Recentemente, Wisycom ha introdotto TX IEM molto sofisticati e di alte prestazioni, che arrivano in maniera continua fino a 2 W, mostrando anche informazioni sul R.O.S. (Rapporto d’Onda Stazionaria, di cui parleremo più avanti) e altro.

Per concludere, vorrei parlare brevemente dei ricetrasmettitori PMR 466, volgarmente chiamati “walkie-talkie”, usati per comunicazioni di servizio o dagli staff di security.

Questi, per legge, devono essere canalizzati (no VFO o Frequenza Continua), da 8 a 16 canali, avere una potenza massima di 0,5 W in trasmissione e non consentire di cambiare l’antenna in dotazione. La modulazione è l’FM-Narrow che, per questa tipologia di apparati, si divide in FM-N e FM-NB.

FM-N

•    Massima deviazione: 5 kHz

•    Massima frequenza del segnale audio modulante: 2,5 kHz (voce)

•    Spaziatura tra i canali: 25 kHz

•    Larghezza di banda di un canale: 15 kHz

FM-NB

•    Massima deviazione: 2,5 kHz

•    Massima frequenza del segnale audio modulante: 2,5 kHz (voce)

•    Spaziatura tra i canali: 12,5 kHz

•    Larghezza di banda di un canale: 10 kHz

Questi ultimi, i più usati, avendo una spaziatura tra i canali di 12,5 kHz, anche volendo non sono purtroppo coordinabili per mezzo dei vari software.