Come funziona una radio

Se vuoi sapere come funziona una radio, ossia come avvengono le trasmissioni di segnali audio via onde radio, sei nel sito giusto. Verranno trattati gli argomenti in ordine di semplicità, quindi prima i ricevitori e poi i trasmettitori e a loro volta prima la modulazione di ampiezza e poi la modulazione di frequenza.

Le modulazioni

Perché modulare? E cosa significa modulazione? Avrete senz’altro notato che le radio che abbiano in casa o in auto riportano la dicitura AM ed FM, nelle modernissime vi è anche DAB, queste sigle stanno ad indicare come è modulato il segnale audio. Il segnale audio non può essere preso e irradiato direttamente, poiché in primis si potrebbe trasmettere una sola trasmissione alla volta e poi dal punto di vista tecnico, per segnali audio che sono compresi nel range delle basse frequenze, avremmo bisogno di enormi antenne grandi alcuni km (la voce dei radioamatori ha una larghezza di banda di 3kHz, mentre la musica trasmessa ha circa 20kHz di larghezza di banda).

La modulazione è l’alterazione di un onda portante in accordo con il segnale da trasmettere (segnale modulante), ed essa è reversibile, ossia può essere demodulata per recuperare il segnale originario.
L’onda portante è il segnale che si “carica sulle spalle” il segnale modulante e lo trasporta a distanza.
In oltre potendo scegliere a quale frequenza modulare, si potranno avere numerosi canali di trasmissione che possono essere “on-air” contemporaneamente.

Modulazione di Ampiezza

Nella modulazione di ampiezza l’onda portante è a frequenza fissa, il segnale modulante ne modula (varia) la sua ampiezza. E’ necessario però che la frequenza portante sia molto maggiore della frequenza modulante, Frequenza_(Portante) > Frequenza_(Modulante).

La larghezza di banda di un segnale AM è 2 volte la larghezza di banda del segnale modulante.
Il valore di ampiezza della portante varia in funzione del segnale modulante, indice di modulazione o profondità di modulazione < 100% Mod = Vm/Vp, indice 1 ideale, se tale indice è superiore ad 1 si ha il fenomeno della sovramodulazione, vengono generate numerose armoniche.

La modulazione da origine a due armoniche (formula di Werner) +- mVp/2 e le bande laterali.
Si può dire che la modulazione AM è una traslazione delle frequenze modulanti pari alla loro frequenza.
Il rendimento AM è basso a prescindere dall’indice di modulazione. La potenza della portante è > 50% del segnale modulato, anche in assenza di modulazione.

Dalla modulazione di ampiezza derivano altre modulazioni: la modulazione DSB a portante soppressa, la modulazione SSB a banda laterale singola e a sua volta da esse deriva la modulazione ad onda continua, il CW, usato per le trasmissioni telegrafiche.

Modulazione di Frequenza

Nella modulazione di frequenza l’onda portante ha sempre un ampiezza fissa, il segnale modulante ne modula (varia) la sua frequenza.
La banda passante è sempre molto maggiore della banda base del segnale modulante.
L’indice di modulazione in FM (Frequency Modulation) è un parametro che misura l’entità della modulazione di frequenza. Viene definito come il rapporto tra la deviazione di frequenza massima (Δf\Delta f) e la frequenza del segnale modulante. Un indice di modulazione più alto implica una maggiore variazione della frequenza portante, mentre un indice di modulazione più basso implica una minore variazione. A differenza della modulazione di frequenza, l’indice di modulazione può avere qualunque valore, a discapito però della banda passante.

Ricevitore AM

Per capire come funziona una radio, dimentichiamo le avanzate radio moderne piene di pomellini di regolazione e sistemi vari, ma partiamo dal più semplice ricevitore e dalla modulazione più semplice, la modulazione di ampiezza. Prendiamo come esempio quindi le vecchie radioline a transistor del nonno in onde medie, oppure le vecchie radiolone a valvole, esse avevano in genere 6 tubi (valvole termoioniche), ebbene, ogni valvola aveva una specifica funzione fondamentale dell’ricevitore, che vediamo nel seguente schema.

• La prima sezione o stadio di un ricevitore è il preamplificatore, ha il compito di amplificare, ossia di aumentare il livello elettrico del piccolissimo segnale percepito dall’antenna, affinché sia di un livello elettrico ideale per gli stadi successivi. Nelle vecchie radio a valvole vi era la prima valvola “preamplificatrice”, nelle radio moderne vi è uno stadio composto da uno o più transistor.
• La seconda valvola delle vecchie radio era detta “convertitrice”, aveva il compito di convertire la frequenza sintonizzata in una frequenza più bassa detta Frequenza Intermedia (IF in inglese, tal volta detta anche Media Frequenza). L’operazione di variazione della frequenza di ricezione, con il manopolone di sintonia, ha effetto in questo punto del circuito.
  Il circuito di conversione è formato da un Mixer ed oscillatore locale (LO).
  L’oscillatore locale genere un segnale periodico avente frequenza pari a quella della RF che si desidera ricevere meno il valore di media frequenza stabilito. F_(lo) = F_(rf) – F_(if).
  Nei moderni apparati riceventi ci sono moduli/circuiti integrati che fanno questa funzione, La frequenza intermedia (IF) standard per i ricevitori AM è solitamente 455 kHz. Questo valore è ampiamente utilizzato perché offre un buon compromesso tra selettività e sensibilità del ricevitore, facilitando l’eliminazione delle interferenze.
  Il mixer è un dispositivo che ricevendo due segnali fornisce in un uscita un segnale avente frequenza pari alla differenza delle due frequenze in ingresso, quando la sintonia viene spostata, anche il LO varia la sua frequenza in base alla formula Flo, di conseguenza in uscita dal mixer si avrà sempre la frequenza Fif.
  In questo modo si ha il vantaggio che dopo la conversione gli stadi successivi non hanno necessità di essere accordati in quanto la frequenza è sempre fissa.
  Questa sezione è il “cuore” della radio, verrà approfondita in un successivo paragrafo alla fine dell’articolo.
• Segue la sezione detta in gergo “media frequenza“, un amplificatore amplifica ulteriormente il segnale convertito, con lo scopo di mantenere la qualità e la stabilità del segnale.
  Talvolta su alcune radio d’epoca questa sezione non era presente.
• Il segnale arriva finalmente al Demodulatore che estrae l’informazione audio dal segnale modulato separando la componente audio dalla portante, recuperando quindi il segnale originale che era stato modulato.
  In alcuni modelli il guadagno della valvola in questo stadio era tale che rendeva superfluo l’uso della successiva.
• ultima valvola, Amplificatore Audio che amplifica il segnale audio recuperato per renderlo udibile attraverso gli altoparlanti.
  Manca una valvola all’appello? Era la “raddrizzatrice” che aveva semplicemente il compito di raddrizzare la corrente alternata di alimentazione in continua.

Ricevitore FM

Il ricevitore a frequenza modulata è molto simile al ricevitore per ampiezza modulata, cambia soltanto lo stadio di demodulazione (essendo diversa) e di aggiunge uno stadio in più, vediamo nel dettaglio:

• Stadio Amplificatore RF, già visto nel ricevitore AM
• Oscillatore locale e Mixer, funziona come per il ricevitore AM (per convenzione la frequenza intermedia IF in FM è 10.7 MHz. Questo valore è comunemente utilizzato perché offre un buon compromesso tra selettività e sensibilità del ricevitore.
  Questa sezione è il “cuore” della radio, verrà approfondita in un successivo paragrafo alla fine dell’articolo.
• Amplificatore IF (Frequenza Intermedia): ha la stessa funzione dello stesso stadio in AM, ma nei ricevitori FM in questo stadio è presente anche un filtro IF, che rimuove il rumore e le interferenze dal segnale, migliorando la qualità del segnale demodulato.
• Limitatore: il nuovo stadio, non presente nel ricevitore AM, elimina le variazioni di ampiezza del segnale. Assicura che solo le variazioni di frequenza siano presenti nel segnale, migliorando la qualità del segnale audio.
• Demodulatore FM: Estrae l’informazione audio dal segnale modulato in frequenza. Il demodulatore converte le variazioni di frequenza del segnale FM in variazioni di ampiezza, recuperando il segnale audio originale.
• Amplificatore Audio: Amplifica il segnale audio recuperato come avviene anche per il ricevitore AM.

Stereofonia ed RDS

La stereofonia nelle trasmissioni radio commerciali si ottiene modulando in ampiezza un segnale subportante stereo sulla portante principale FM. Questo processo crea due canali audio distinti, uno per canale audio destro e uno per il canale audio sinistro. L’emittente invia un segnale mono, ossia con entrami i canali audio miscelati, i due canali audio vengono combinati per creare un segnale somma (L+R) e un segnale differenza (L-R). Il segnale somma (L+R) rappresenta l’audio mono e viene trasmesso sulla portante FM principale.
Il segnale differenza (L-R) viene modulato in ampiezza su una sottoportante a 38 kHz. Questo crea un segnale modulato in ampiezza stereo che viene aggiunto alla portante FM principale. Un segnale pilota a 19 kHz viene aggiunto al segnale FM per consentire ai ricevitori FM stereo di demodulare correttamente il segnale stereo. Questo segnale pilota è utilizzato dal ricevitore per rigenerare la sottoportante a 38 kHz e separare i canali stereo. Il ricevitore FM decodifica il segnale stereo utilizzando il segnale pilota a 19 kHz e la sottoportante a 38 kHz per ricostruire i canali audio sinistro (L) e destro (R).

Il sistema RDS consente di inviare piccoli dati via radio, come il nome della stazione ed il titolo della canzone in onda, tale trasmissione dati avviene in modalità analoga a quanto già visto per la stereofonia, stavolta la sottoportante ha una frequenza di 57kHz ed i dati sono modulati in fase (PSK).

Mixer ed Oscillatore Locale (LO)

L’oscillatore locale (LO, dall’inglese Local Oscillator) è un circuito che genera un segnale a frequenza costante. Questa frequenza è regolabile in modo che possa variare in base alla stazione radio che si desidera sintonizzare. Quando si cambia la frequenza sulla radio, si sta effettivamente cambiando la frequenza dell’oscillatore locale.
Il mixer è un componente che combina il segnale dell’oscillatore locale con il segnale ricevuto dall’antenna. Questa combinazione produce due nuovi segnali: uno alla somma delle frequenze e uno alla differenza delle frequenze dei due segnali originali. Questo processo è chiamato “conversione di frequenza” o “eterodina”.
Il mixer produce un segnale alla frequenza intermedia (IF) quando la differenza tra la frequenza dell’oscillatore locale e la frequenza del segnale ricevuto è uguale alla frequenza intermedia. Abbiamo visto che sono state convenzionalmente stabilite delle frequenze intermedie per le modulazioni AM ed FM.

Approfondimenti

https://it.wikipedia.org/wiki/Modulazione_di_ampiezza
https://it.wikipedia.org/wiki/Modulazione_di_frequenza