La fisica delle telecomunicazioni


Le bande di frequenza

Fino al 1930 circa, la parte dello spettro delle onde radio sopra i 30 MHz era praticamente vuota: non esistevano segnali prodotti dall’uomo.

Ai giorni nostri, lo spettro delle frequenze radio è estremamente sfruttato e viene per comodità diviso in varie bande di frequenza dai 3 kHz delle frequenze molto basse (VLF) fino ai 300 GHz delle frequenze estremamente alte (EHF).

Le bande di frequenza sono divise in base alle caratteristiche che ne determinano l’impiego in certi settori piuttosto che in altri.

Vediamo le bande di frequenza e descriviamo le caratteristiche delle varie bande (ELF, VLF-MF, HF, VHF-UHF, SHF-EHF).


ELF:
Extremely low frequency = frequenze estremamente basse

Frequenze sotto i 3 kHz, corrispondenti a lunghezze d’onda superiori ai 100 km.

Queste onde sono usate nei sistemi di comunicazione per i sottomarini. L’acqua del mare presenta un assorbimento molto basso per onde tra i 5 e i 100 Hz.

L’effetto di queste onde sulla salute umana è sotto esame al momento. Secondo alcuni studi preliminari le onde ELF e campi magnetici oscillatori che si generano nelle vicinanze delle linee di trasmissione elettrica (o anche dalle coperte elettriche) possono avere effetti negativi sulla salute. Sono stati riportati casi nella letteratura scientifica medica per cui l’esposizione prolungata a campi magnetici di bassa intensità e di bassa frequenza pare potrebbe aumentare il rischio di leucemia, linfoma e tumori al cervello nei bambini.


VLF-LF-MF:
Very low frequency, Low frequency, Medium frequency = Frequenze molto basse, frequenze basse, frequenze medie

Frequenze dai 3 kHz ai 3 MHz, ovvero lunghezze d’onda da 100 km a 100 m.

Queste bande di frequenze sono usate per servizi di tipo analogico a stretta larghezza di banda, impiegati nella navigazione radio a lunga distanza, nel telegrafo marittimo e i canali di soccorso (per l’SOS) e per le trasmissioni radio AM (Amplitude Modulation).

Poichè la larghezza di banda per queste frequenze è insufficiente, non sono adatte per i servizi di telecomunicazioni a banda larga quali la televisione e le trasmissioni FM (Frequency Modulation).

Come conseguenza dell’alta conduttività dell’acqua salata, le comunicazioni radio marittime nella banda VLF possono propagarsi come onde di superficie per migliaia di chilometri.

La banda MF (medium frequency) e anche detta MW (medium waves= onde medie)


HF:
High Frequency = frequenze alte

Frequenze dai 3 MHz ai 30 MHz, ovvero lunghezze d’onda da 100 ai 10 m.

La banda HF alternativamente chiamata anche SW (short waves= onde corte).

La maggior parte delle radio onde nella banda HF sono allocate ai servizi di telecomunicazione vocale tra punti fissi o mobili che necessitano di larghezze di banda di meno di 12 kHz per la trasmissione.

Le trasmissioni internazionali (onde corte) avvengono in questa banda che è stata suddivisa in sette bande tra 5.9 MHz e 26.1 MHz.

Queste onde si possono propagare nonostante la curvatura della Terra e possono essere ricevute da apparecchi riceventi fuori dalla portata della linea visuale diretta con gli apparecchi trasmittenti grazie alle proprietà riflettenti della ionosfera.

A causa delle variazioni delle condizioni della ionosfera, le trasmissioni in questa banda variano durante il giorno e durante l’anno.

Di notte le comunicazioni fra posti lontani sono migliori, in quanto il solo strato ionosferico riflettente è lo strato più alto, il cosiddetto strato F situato intorno ai 300 Km di altitudine, col minimo di interferenze e assorbimento dei segnali radio.

Durante i massimi del ciclo undecennale delle macchie solari, la radiazione ultravioletta produce una maggiore densità di ioni e quindi degli ulteriori strati ionizzati irregolari che possono persistere anche per parecchi giorni. Questi fenomeni possono produrre disturbi nelle comunicazioni radio, come anche la possibilità di comunicazioni di solito impossibili.

VHF-UHF: Very High Frequency, Ultra High Frequency = frequenze molto alte, frequenze ultra alte

Frequenze dai 30 MHz ai 3 GHz, ovvero lunghezze d’onda da 10 m ai 10 cm.

Le frequenze di questa banda sono ulteriormente suddivise in bande il cui uso è stato regolamentato e allocato a vari servizi: alle trasmissioni radio FM, ai canali della televisione VHF e UHF.

La maggior parte della banda UHF è usata per i collegamenti a microonde e per la telefonia cellulare.

Parte della banda è anche usata per applicazioni di radio-navigazione (strumenti automatici di atterraggio), comunicazioni militari, e controlli radio per il traffico aereo.

Le frequenze usate dai telefonini sono fra 824 e 894 MHz per il sistema analogico AMPS e fra 1.850 e 1.990 GHz per il sistema digitale GSM.

La fascia tra i 1,227 e 1,575 GHz è utilizzata per il sistema globale di posizionamento (GPS) Navstar.

Per completezza, anche se esula dal nostro argomento: ai sistemi di allarme e ai sistemi di apertura telecomandata di porte e simili sono state riservate le frequenze attorno ai 40 MHz.

I radar del controllo del traffico aereo operano alle frequenze tra i 960 MHz e i 1,215 GHz.

Contrariamente ai segnali HF, le onde radio VHF-UHF attraversano la ionosfera senza venire riflesse e possono quindi venire usate per le trasmissioni extraspaziali con i satelliti artificiali.

Ad esempio, le comunicazioni con la stazione spaziale MIR sono fatte entro la banda di frequenza fra i 145 MHz e i 437 MHz.

Infine le onde di questa banda possono anche essere usate per trasmissioni terrestri oltre l’orizzonte utilizzando le irregolarità della troposfera (la parte bassa dell’atmosfera).

Queste irregolarità riflettono le onde in tutte le direzioni: i segnali UHF si propagano in molte direzioni e quindi si disperdono su una vasta area, cosicchè solo una frazione del segnale trasmesso viene ricevuto dal ricevitore. Inoltre, le condizioni meteorologiche variabili fanno sì che il segnale sia parecchio attutito.

L’assorbimento varia anche con la frequenza del segnale e dipende anche dal particolare percorso del segnale radio. Per questo motivo le trasmissioni che dipendono crucialmente dalla diffrazione atmosferica fanno uso di potenti trasmettitori, e di tecniche o combinazioni di tecniche atte a massimizzare la qualità del segnale ricevuto a seconda del posto, del tempo e delle frequenze usate.

SHF-EHF: Super High Frequency, Extremely High Frequency = frequenze super alte, frequenze estremamente alte

Frequenze dai 3 GHz ai 300 GHz, ovvero lunghezze d’onda da 10 cm a 1 mm.

Le onde di queste bande si propagano con forte degradazione del segnale per attenuazione e per cause atmosferiche (vengono riflesse dalle gocce di pioggia). Inoltre subiscono forti perdite di penetrazione, in particolare attorno a pareti ed edifici.

Per questi motivi, queste bande di frequenze sono le bande meno usate per comunicazioni terrestri.

Il vantaggio delle onde in queste bande è che permettono larghezze di banda di vari MHz, necessarie per le comunicazioni digitali ad alta velocità (fino ad 1 Gigabit al secondo).

La banda EHF in particolare viene utilizzata per comunicazioni fra satelliti e per la radionavigazione satellitare, applicazioni per le quali l’attenuazione atmosferica non è molto limitante.

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