Uso dell'Interfaccia Parallela
In questo articolo vedremo come si può utilizzare l'intefaccia parallela in Linux.
la discussione seguente vale per PC e Alpha, ma non per Sparc.
L'interfaccia parallela del calcolatore, nella sua forma più utilizzata, è la periferica più semplice che si possa immaginare. Non mi riferisco qui ai nuovi standard, quelli con nomi tipo EPP, ma al protocollo originale della parallela, che è supportato da tutti i PC, dall'8088 in poi.
In pratica, sul connettore a 25 piedini si trovano direttamente i segnali corrispondenti ad alcuni bit di I/O, in logica TTL (con segnali a 0V e 5V). Con "direttamente" intendo dire che i bit che vengono scritti dal processore sulle porte di output appaiono sui piedini del connettore, e i bit della porta di ingresso vengono letti dal segnale di tensione sul connettore.
Il connettore parallelo porta 12 bit di output e 5 bit di input, più 8 segnali di terra. L'interfaccia software si compone quindi di due porte di output ed una porta di input. Per rendere le cose un pò più complicate, alcuni bit subiscono una inversione tra quello che appare sul connettore e quello che viene visto dal processore.
Prima che qualcuno collegi lampadine da 20W ai segnali di output della parallela è forse il caso di dire due parole sui segnali elletrici utilizzati: TTL (Transistor-Transistor Logic) è una famiglia logica molto utilizzata, almeno in passato, che presenta specifiche di ingresso/uscita non simmetriche: mentre un'uscita bassa (0V) può assorbire una corrente significativa, un'uscita alta (5V nominali) non è in grado di erogare più di un paio di mA di corrente, e risulta spesso a tensione molto più bassa di 5V (il minimo assicurato è 2.7 V). Allo stesso modo, per abbassare un ingresso occorre assorbire tanta corrente, mentre per alzarlo basta una resistenza di 5k verso 5V.
Le porte parallele più recenti forniscono prestazioni elettriche migliori, ma la cosa non è affatto garantita; lampade da 20W non possono comunque essere collegate direttamente, e l'uso di fotoaccoppiatori è comunque consigliabile per proteggere il calcolatore (ma io personalmente non l'ho mai fatto).
Ogni porta parallela del sistema viene vista tramite tre indirizzi di I/O consecutivi: "base", "base+1", "base+2". Ad ogni porta parallela è anche associata un'interruzione, che vedremo a breve. I valori di "base" più utilizzati ed i relativi numeri di interruzione sono 0x378 (IRQ 7), 0x278 (IRQ 2) e 0x3bc (IRQ 5).
Il registro "base+1" è un registro di input, e viene usato per leggere i 5 segnali di ingresso del connettore, "base" e "base+2", invece, sono registri di output, e quando vengono letti restituiscono l'ultimo valore scritto (cioè lo stato attuale dei segnali al connettore).
L'effettiva mappatura tra i bit nei registri e i piedini del connettore è spiegata meglio con una figura che a parole.
Poichè non interessa qui spiegare come si possa controllare una stampante, non resta nient'altro da dire sulla parallela. Chi non è interessato a questioni hardware può tranquillizzarsi, in quanto non parlerò più di segnali elettrici fino agli esempi finali.
La discussione dell'uso delle porte di input/output ripete parzialmente quanto detto nel primo articolo sui device drivers, ma un minimo di introduzione mi sembra dovuta.
In Linux sono definite le seguenti funzioni per accedere alle porte:
Le funzioni precedenti sono definite sia per Intel che per Alpha, nonostante il processore Alpha non supporti uno "spazio di I/O". Alpha supporta solo l'I/O mappato in memoria, e i segnali di I/O per il bus vengono generati da circuiti che rimappano alcune locazioni di memoria sullo spazio di I/O (questo permette di usare periferiche ISA e PCI in calcolatori basati su Alpha, con l'ulteriore ausilio di un emulatore 8086 per eseguire l'inizializzatione delle schede stesse che si trova sulla loro stessa ROM in forma di codice intel).
L'architettura Sparc è differente da questo punto di vista, e non esiste nessuna delle funzioni precedenti quando Linux gira su Sparc. L'I/O per Sparc è mappato in memoria come per Alpha, e le stesse periferiche non hanno alcuna nozione di indirizzi di input/output. Poichè le nuove Sparc supportano PCI è probabile che verrà introdotto un modo per accedere al bus compatibilmente con le funzioni introdotte sopra e circuiteria simile a quella per Alpha.
E' interessante notare come le funzioni di "I/O di stringa" sono singole istruzioni sulla piattaforma Intel mentre vengono implementate da cicli software per Alpha. La versione 2.0 del kernel non esporta outsl() e insl() per Alpha, mentre linux-2.1.3 e seguenti le esportano. Questo non è comunque un problema finchè ci limitiamo ad usare porte a 8 bit.
Per alcune architetture sono anche definite delle istruzioni "con pausa" per operare su periferiche lente, ma non è questo il luogo per parlarne. Il lettore curioso può sempre guardare in <asm/io.h>
Il modo più semplice per leggere e scrivere sulle locazioni di I/O è farlo nello spazio utente. Questo però comporta alcune limitazioni:
L'unica attenzione da ricordare quanto si compilano programmi che usano le funzioni di I/O è di specificare -O tra le opzioni del compilatore. Questo perchè le funzioni di I/O sono dichiarate come " extern inline ", e le funzioni inline non vengono espanse da gcc se l'ottimizzazione non è abilitata. La problematica e' spiegata in maniera chiara nella pagine del manuale di gcc .
Il codice per accedere alle porte di I/O da parte del kernel è uguale a quello usato nello spazio utente, tranne che non occorre usare ioperm() , in quanto il codice del kernel (che gira in "modo supervisore" sul processore), ha sempre accesso a tutte le risorse hardware.
Quello che occorre per utilizzare la porta parallela è un device driver che permetta di leggere o scrivere le porte in questione. Il modulo " short " (Simple Hardware Operations and Raw Tests) permette di leggere e/o scrivere quattro porte a 8 bit consecutive: i nodi in /dev creati da short sono direttamente mappati sulle porte di I/O: /dev/short0 serve per leggere/scrivere la porta base , /dev/short1 accede a base+1 eccetera. Il valore di default di base è 0x378 e permette quindi di usare la porta parallela; una linea di comando come " insmod short.o short_base=0x278 " si può usare per accedere a porte diverse.
Inoltre, per permettere di vedere il differente comportamento di outb() , outsb() e outb_p() (la versione con pausa), il modulo crea diversi nodi in /dev a questo fine:
Il seguente esempio mostra il tempo che il dispositivo impiega a scrivere 1MB sulla porta usando i tre diversi nodi:
morgana.root# time dd bs=1k count=1000 if=/dev/zero of=/dev/short0 0.020u 2.040s 0:02.06 100.0% 0+0k 0+0io 64pf+0w morgana.root# time dd bs=1k count=1000 if=/dev/zero of=/dev/short0p 0.020u 3.510s 0:03.57 98.8% 0+0k 0+0io 64pf+0w morgana.root# time dd bs=1k count=1000 if=/dev/zero of=/dev/short0s 0.020u 1.640s 0:01.66 100.0% 0+0k 0+0io 64pf+0wCome si vede, le chiamate con pausa aggiungono un attesa di circa un microsecondo dopo ogni operazione, mentre le chiamate "stringa" sono circa il 25% più veloci dei cicli software.
Bisogna però dire che scrivere tanti dati consecutivamente sulla porta parallela è difficilmente di interesse, e il controllo di semplici periferiche esterne viene di solito effettuato scrivendo o leggendo un byte alla volta.
La porta parallela è anche in grado di generare interruzioni quando il piedino numero 10 passa da una tensione bassa ad una alta. Le interruzioni, però, a differenza delle porte, non si possono gestire nello spazio utente, e bisogna appoggiarsi a codice nel kernel. Perchè la porta parallera interrompa il processore occorre scrivere un 1 nel bit 4 della porta base+2 .
Il modulo short è in grado di gestire le interruzioni: quando il modulo viene caricato abilita l'interfaccia a riportare interruzioni.
Il device /dev/shortint riporta nello spazio utente gli istanti di tempo (in secondi e microsecondi) in cui il processore viene interrotto dall'interfaccia. La scrittura di /dev/shortint fa si che vengano scritti alternativamente 0x00 e 0xff sulla porta dat ( base+0 ). Si possono perciò generare delle interruzioni collegando insieme il piedino 9 e il piedino 10 dell connettore della parallela. Questo è quello che succede mettendo il ponticello:
morgana% echo 1122334455 > /dev/shortint ; cat /dev/shortint 50588804.876653 50588804.876693 50588804.876720 50588804.876747 50588804.876774Una trattazione approfondita della gestione delle interruzioni è fuori argomento in questa sede.
Il driver short è distribuito in formato sorgente secondo la GPL ed è composto dal sorgente , un header per risolvere alcune dipendenze dalla versione del kernel e due script per caricare e scaricare il modulo. Più, ovviamente, il Makefile .
Vediamo ora tre esempi di uso della porta parallela per il collegamento di circuiti personali.
Il primo è veramente banale, e consiste nell'applicazione di un LED (o più di uno) per la visualizzazione dello stato del (dei) bit della porta. In figura è rappresentato il monitoraggio del bit 0 della porta dati. Il ponticello tra il piedino 9 (bit 7 della porta dati) e il piedino 10 permette di giocare con le interruzioni.
Il secondo esempio riguarda il controllo di un relay ("relé"). tramite logica TTL. Per l'implementazione di questo circuito occorre un'alimentazione esterna a 5V e l'alimentazione per il relay.
In questo esempio un '244 (buffer a 8 bit) isola il segnale della parallela dalla circuiteria esterna, dove un '138 (multiplexer 3-to-8) abbassa una delle otto linee di output in base ai tre bit di indirizzo A, B, C. I tre segnali di enable del '138 sono collegati in modo da rispondere ai dati compresi tra 0x20 e 0x27 . Il relay mostrato in figura viene attivato scrivendo 0x20 e disattivato scrivendo 0x21 .
Collegare direttamente i bit della porta al relay non permette di preservare lo stato dell'interruttore quando si spegne o riaccende la macchina. L'uso dei codici 0x20-27 permette invece una persistenza dello stato comandato dal calcolatore (se non si toglie l'alimentazione esterna). Ho usato personalmente questo circuito per collegare 8 relé al mio calcolatore, tramite due '138 con i fili di enable collegati diversamente.
Il terzo esempio è una segreteria telefonica che fa uso di una scheda audio per la ripetizione del proprio messaggio e la registrazione della telefonata.
Per implementare la segreteria basta riconoscere quando il telefono squilla e quando invece il telefono viene messo giù. La porta parallela può essere usata per generare delle interruzioni quando la tensione sulla linea telefonica oscilla bruscamente, e il riconoscimento dello squillo può poi avvenire via software.
La trasmissione e la ricezione del segnale audio possono avvenire tramite accoppiamento capacitivo, mentre la cornetta può essere "sollevata" tramite un relé di segnale. Questo permette di mantenere i due circuiti elettricamente separati.
A differenza dei due esempi precedenti, non ho avuto modo di provare questo circuito in pratica, ed è quindi possibile che contenga delle sviste macroscopiche da parte mia. Prima di toccare i fili del telefono, comunque, conviene reperire le informazioni sui livelli di tensione usati ed accertarsi che i valori dei condensatori e degli zener usati siano corretti per accoppiare la scheda audio, poichè i valori mostrati sono spannometrici, in quanto non conosco i livelli di tensione della scheda audio.
le onde elettromagnetiche
Il campo elettrico
Se in una regione di spazio è presente una carica elettrica Q, questa esercita una forza sulle cariche poste in qualsiasi punto di quella regione.
Se in un punto collochiamo una carica esploratrice positiva q, tanto piccola da non alterare il campo di forza creato da Q, il rapporto tra la forza esercitata in quel punto sulla carica positiva e la stessa prende il nome di campo elettrico: un vettore che si indica con E. Quindi la forza esercitata sulla carica q è: F=qE .
La carica Q è la sorgente del campo di vettore E=K*Q/(r*r) ove K è la costante di Coulomb e r è la distanza dalla carica sorgente.
In ogni punto dello spazio esiste un vettore campo elettrico ed è possibile tracciare linee che in ogni punto siano tangenti al vettore campo: queste si dicono linee di forza del campo elettrico.
All'interno di un condensatore invece il campo elettrico è costante.
E=densità di carica / costante dielettrica del vuoto
Se questo bipolo è inserito in un circuito chiuso con un generatore in corrente continua subirà un processo di carica. Il caricamento necessita di un lavoro, nel trasporto della prima carica non avverrà alcun lavoro ma dalla seconda in poi le forze del campo crescono sempre più e sempre più elevato sarà il lavoro per incrementare la carica all'interno del condensatore.
processo di carica e scarica di un condensatore
La capacità di un condensatore è: C=Q/V
Il campo magnetico
Si osserva un campo magnetico in due casi generali:
Dall'ultima formula si ricava che la forza che agisce sul singolo elettrone è uguale a: F=eVB, chiamata forza di Lorenz. Quindi un elettrone immerso in un campo magnetico è soggetto ad una forza perpendicolare al suo vettore velocità.
All'interno di una bobina il campo magnetico ha formula: B=µ *N*i/l (applicazione del teorema di Biot-Savart)
la figura indica il campo magnetico all'interno del solenoide percorso da corrente
Le onde elettromagnetiche
Quest'ultimo caso esprime una prima relazione tra campo elettrico e un campo magnetico, ove una corrente ossia cariche in movimento, determinino la formazione di campo magnetico.
Da un campo magnetico si può ottenere una corrente e quindi un campo elettrico?
Estraendo la spira gli elettroni in essa sono in movimento e, a causa del campo magnetico, sono soggetti alla forza di Lorenz . Questo implica che nella parte di spira interna al campo magnetico si genera una differenza di potenziale, quindi una corrente e una forza elettromotrice definite indotte.
Faraday spiega la corrente indotta come la conseguenza della variazione di flusso di campo magnetico concatenato con la spira.
La f.e.m. indotta è quindi definita come: f= - dØ/dt (legge di Faraday-Neumann)
Abbiamo visto come una corrente elettrica generi un campo magnetico, basandosi su questo fenomeno Lenz afferma che la corrente indotta nella spira genera un campo indotto tale da opporsi alla variazione di flusso concatenato del campo inducente (legge di Lenz)
All'interno di una bobina, si è già visto, la corrente determina un campo magnetico proporzionale alla intensità i, quindi al variare di i varia anche il campo B. Questo implica, in base alle due leggi viste poco fa, che a causa del variare del campo magnetico si generi una f.e.m. che va a contrastare la variazione del flusso generando lei stessa un campo magnetico, sempre secondo la legge ricavata dal teorema di Biot-Savart . Il flusso è generato dalla spira stessa e per questo si definisce autoconcatenato, la f.e.m. e la corrente sono dette autoindotte.
In conclusione abbiamo visto come,noi nel caso particolare della bobina, ad una variazione dell'intensità di corrente i(1) il sistema risponda con la creazione di nuova corrente i(2), generata dalla variazione del campo magnetico B(1), e che genera a sua volta un campo magnetico B(2) che risponde alla variazione di B(1).
Il livello di autoinduzione con cui il solenoide risponde alle variazioni di campo magnetico o corrente dipende dalle caratteristiche fisiche del solenoide, si definisce così la induttanza L del solenoide, ossia un coefficiente di autoinduzione che esprime la relazione che c'è tra il lusso e l'intesità.
L=µN*N*S/l ove N=numero di spire, S=superficie di una spira, l=lunghezza della bobina.
Campo elettrico e campo magnetico sono quindi strettamente collegati e dipendenti l'uno dall'altro, in particolare sono due aspetti diversi di uno stesso campo: il campo elettromagnetico.
Le onde elettromagnetiche sono perturbazioni connesse a cariche elettriche oscillanti che generano un campo elettrico e un campo magnetico variabile, nello spazio e nel tempo. I due campi sono associati tra loro e si propagano sotto forma di onda. Le proprietà delle onde elettromagnetiche sono definite matematicamente dalle equazioni di Maxwell, che legano in maniera indissolubile campo elettrico e magnetico.
Equazioni:
• Ø S.CHIUSA (E)=Q/h Teorema di Gauss: il flusso del campo elettrico uscente da una superficie chiusa è uguale alla somma delle cariche contenute all'interno della superficie diviso per la costante dielettrica del vuoto h.
• Ø S.CHIUSA (B)=0 Teorema di Gauss per il magnetismo: il flusso dell'induzione magneticauscente da una superficie chiusa è sempre nullo.
• C L (E)=-dØ(B)/dt Legge dell'induzione elettromagnetica di faraday-Neumann: la circuitazione del campo elettrico lungo una linea chiusa è uguale alò rapporto, cambiato di segno, tra la variazione del flusso dell'induzione magnetica concatenato con il percorso considerato e l'intervallo di tempo in cui è avvenuta la variazione.
• C L (B)=k*(i+h(dØ(E)/dt)) Legge di Ampere-Maxwell: la cicuitazione dell'induzione magnetica lungo un percorso chiuso è uguale al prodotto della permeabilità magnetica del vuoto k per la somma della corrente effettiva e di quella di spostamento. La corrente di spostamento è stata introdotta da Maxwell per far valere la legge di Ampere nei circuiti RLC (circuiti con un resistore, un induttore e un condensatore ). All'interno del condensatore l'intensità passa sotto forma di intensità di spostamento, non corrisponde a cariche che si muovono ma ad un aumentare o diminuire della densità superficiale di carica delle piastre e quindi del flusso del campo elettrico.
Va tenuto conto che un campo elettrico variabile produce, in direzione perpendicolare a se stesso, un campo magnetico pure variabile e, analogamente, un campo magnetico variabile produce, in direzione perpendicolare a se stesso, un campo elettrico pure variabile. Ne risulta un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche, spesso indicata come radiazione elettromagnetica (o energia radiante).
L'intensità media della radiazione esprime quanta energia arriva in un metro quadrato nel tempo di un periodo. I due campi danno un apporto energetico equivalente, nella maggior parte dei casi però l'intensità radiante si misura considerando il campo elettrico (V/m) perché questo assume valori che si prestano maggiormente alla misurazione.
Alla base della creazione di onde elettromagnetiche adatte alla trasmissione radio, tv e cellulare sono i circuiti RCL, o, semplificando trascurando la resistenza, LC. Il prossimo paragrafo, tratto da un libro di fisica (v fonti), spiega il ciclo di oscillazione del circuito LC, ciclo che determina la formazione di onde elettromagnetiche.
OSCILLAZIONI LC, ANALISI QUALITATIVA
Esaminiamo ora la combinazione dei due elementi: il circuito LC. Vedremo che, in questo caso, carica, corrente e differenza di potenziale non variano esponenzialmente (con costante di tempo t ) ma sinusoidalmente (con periodo T e pulsazione w ). In altre parole, il circuito oscilla e le oscillazioni risultanti del campo elettrico del condensatore e de1 campo magnetico dell'induttore sono dette oscillazione elettromagnetiche.
FIGURA Otto stadi di un singolo ciclo di oscillazione di un circuito LC privo di resistenza. Gli istogrammi in ciascuna figura indicano le energie, elettrica e magnetica, possedute dal sistema in quell'istante. La freccia parallela all'asse dell'induttanza indica la corrente. Sono anche rappresentate le linee dei campi elettrico e magnetico. (a) il condensatore è completamente carico, la corrente è nulla. (b) li condensatore si sta scaricando, la corrente aumenta. (c) Il condensatore è completamente scarico, la corrente ha valore massimo. (d) Il condensatore si sta caricando con polarità opposta rispetto allo stadio (a), la corrente diminuisce. (e) lì condensatore è completamente carico con polarità opposta rispetto allo stadio (a), la corrente è nulla. (f) lì condensatore si sta scaricando, la corrente aumenta in direzione opposta rispetto a (b),(c) e (d). (g) Il condensatore è completamente scarico, la corrente ha valore massimo. (h) lì condensatore si sta caricando, la corrente diminuisce.
A qualsiasi istante l'energia dovuta al campo elettrico del condensatore è data dall'equazione:
E=q*q/(2c)
ove q rappresenta la carica nel condensatore.
L'energia dovuta al campo magnetico dell' induttore , data dall'equazione è in qualunque momento:
E=(L*i*i)/2
ove i è la corrente che attraversa l'induttanza.
Adottiamo ora una convenzione. Quando abbiamo a che fare con cariche o correnti elettriche oscillanti usiamo le lettere minuscole (q e i) per rappresentare i loro valori istantanei, mentre l'ampiezza delle oscillazioni è rappresentata in caratteri maiuscoli (Q e I). Con questa convenzione ben presente, assumiamo che la carica iniziale q nel condensatore di figura abbia il massimo valore Q e che la corrente i in quell'istante sia nulla. Questo stato iniziale è rappresentato nella figura a. L'istogramma a fianco che indica qualitativamente i valori di energia per questa situazione, in cui la corrente nel condensatore e' nulla e la carica è massima, segna un'energia Ec del campo elettrico massima e un'energia EL del campo magnetico nulla. Il condensatore inizia ora a scaricarsi attraverso l'induttanza, mentre la corrente si muove convenzionalmente in senso antiorario, come mostra la figura b. Questo significa che si stabilisce una corrente i, data da dq/dt e diretta verso il basso nell'induttanza. Al diminuire di q diminuisce anche l'energia associata al campo elettrico del condensatore . Tale energia è trasferita al campo magnetico che nel frattempo la corrente i crea attorno all'induttanza. Così, mentre il campo elettrico diminuisce, il campo magnetico aumenta e l'energia viene trasferita dal primo campo al secondo. All'istante corrispondente alla figura c, tutta la carica nel condensatore è esaurita. Il campo elettrico nel condensatore è nullo, mentre l'energia è stata interamente trasferita al campo magnetico dell'induttore. Siccome il campo magnetico ha raggiunto ora il culmine, in questo istante la corrente all'interno dell'induttanza assume il suo massimo valore I . Si sottolinea che, anche se q è eguale a zero, la corrente in senso antiorario continua perché l'induttanza impedisce che scenda bruscamente a zero. Sicché continua a trasportare carica positiva dal piatto superiore del condensatore a quello inferiore, come mostra la figura d; la carica, e quindi l'energia, ora torna dall'induttore verso il condensatore e il campo elettrico ricomincia a formarsi. Alla fine l'energia verrà completamente ritrasferita nel condensatore, come nella figura e, e la corrente è ritornata di nuovo momentaneamente nulla. La situazione di figura e è identica a quella in cui ci si trovava inizialmente, tranne per il fatto che ora il condensatore è caricato in senso opposto. Il condensatore comincerà nuovamente a scaricarsi, dando luogo a una corrente che ora ha verso orario, come in figura f. Con un analogo ragionamento, si vede che alla fine, dopo gli stati di figura g e h, il circuito torna alla situazione di partenza. Il processo poi si ripete con una determinata frequenza n alla quale corrisponde una determinata pulsazione w . Per la conservazione dell'energia, una volta iniziate le oscillazioni LC (nel caso ideale che stiamo descrivendo, in cui il circuito non contiene alcuna resistenza) proseguono all'infinito, poiché l'energia oscilla avanti e indietro tra il campo elettrico del condensatore e quello magnetico dell'induttore. Qualsiasi configurazione della figura può essere scelta come condizione iniziale. Le oscillazioni continueranno da quel punto, procedendo in senso orario attorno alla figura. Per trovare la dipendenza della carica q dal tempo, si può utilizzare un voltmetro che misuri la differenza di potenziale Vc esistente tra le piastre del condensatore e variabile con il tempo.
La relazione è:
Vc =q/C
e ci permette di trovare q. Per misurare la corrente si può inserire nel circuito una piccola resistenza R in serie e misurare la differenza di potenziale VR variabile con il tempo ai capi di essa. VR è proporzionale a i secondo la relazione
VR = iR.
Si assume qui che R sia tanto piccola che il suo effetto sul comportamento del circuito sia trascurabile.
In un circuito LC reale, le oscillazioni non continueranno all'infinito, perché è sempre presente qualche resistenza che sottrae energia al campo elettrico e a quello magnetico e la dissipa sotto forma di energia termica; il circuito si scalda. Le oscillazioni, una volta iniziate, si smorzeranno. Perché le onde continuino senza smorzamenti è necessario applicare una sorgente esterna al nostro sistema, che fornisca energia.
le onde elettromagnetiche prodotte da tale sistema si propagano nello spazio con velocità c, ossia alla velocità della luce.
Le antenne :
Esistono vari tipi di antenna, il più usato è il dipolo elettrico oscillante. Si tratta di un sistema composto da un circuito RLC (collegato ad una sorgente esterna che lo fornisce di energia), un nucleo ferromagnetico, utile ad aumentare o diminuire la tensione utilizzata, e una antenna. Il funzionamento del sistema consiste nell'accelerare le cariche lungo l'antenna, cambiando velocemente i poli le linee di campo magnetico prendono forma.
Sequenza che raffigura il campo E e il campo B concatenati, generati dalla oscillazione di un dipolo elettrico.
A) Istante t=0 Cariche ferme alla massima distanza, E massimo B nullo+
B) istante 0<t<T/4 Il campo elettrico si deforma; inizia a prodursi il campo magnetico.
C) istante t=T/4 Cariche dotate della massima velocità e in coincidenza. Il campo elettrico formato in precedenza si è staccato dal dipolo. Il capo magnetico ha il valore massimo.
D) istante T/4<t<T/2 Si riforma un campo elettrico con verso opposto al precedente. il campo magnetico vicino al dipolo diminuisce di intensità.
E) istante t=T/2 Cariche nuovamente ferme. Campo elettrico massimo, campo magnetico vicino al dipolo nullo.
F) istante T/2<t<3/4 T Ricominciano le fasi descritte nelle figure precedenti con i campi orientati in senso opposto.
Per ottenere onde elettromagnetiche ad una determinata frequenza bisogna tarare il circuito a quella frequenza. Si ottiene che la frequenza delle onde elettromagnetiche prodotte dipende esclusivamente dai componenti del circuito, prendendo un circuito LC la frequenza risulta:
v=1/(2¶(LC)½) ossia la frequenza è inversamente proporzionale alla radice quadrata di LC moltiplicata per un fattore di 2pigreco.
Ne risulta che possiamo creare onde elettromagnetiche ad una precisa frequenza scegliendo semplicemente induttore e condensatore adatti.
Lo spettro elettromagnetico
E' l'insieme di tutte le possibili gamme di onde elettromagnetiche distribuite in unzione della frequenza o della lunghezza d'onda. Quanto più elevata è la frequenza di un'onda elettromagnetica tanto maggiore è la energia in essa associata. Lo spettro è suddiviso in alcune regioni che procedendo nel senso della frequenza decrescente comprendono: raggi gamma , raggi X, raggi ultravioletti, radiazione visibile, raggi infrarossi, microonde e radioonde.
Le onde radio : 10^1m< l<10^4m l=lunghezza d'onda.
tali onde subiscono fenomeni di difrazione, se la lunghezza d'onda ha lo stesso ordine di grandezza dell'ostacolo o maggiore, e di riflessione da parte della ionosfera, di conseguenza si riesce a trasmettere onde radio a distanze molto elevate
Le onde TV : 10^-1m< l<10^1m
caratteristica di queste onde è la direzionalità, ossia non si propagano in tutto lo spazio ma in una unica direzione, l'utilizzo necessita quindi l'installazione di molti ponti televisivi.
Le microonde: 10^-3m< l<10^-1m
Le microonde sono usate per le trasmissioni cellulari , superano la ionosfera di conseguenza grazie all'utilizzo di satelliti si riescono a raggiungere distanze molto elevate.
le onde
Una onda è una oscillazione che si propaga nello spazio a partire da una sorgente, trasportando energia ma non materia. Esistono moltissimi tipi di onde: alcune si propagano in un mezzo materiale, come avviene per le onde alla superficie dell'acqua , per i suoni attraverso l'aria; altre viaggiano anche nel vuoto, come avviene per le onde elettromagnetiche (per es. la luce o le onde radio). In tutte le onde vi è una grandezza che varia periodicamente nel tempo, cioè oscilla, nella zona di spazio interessata all'onda.
I parametri che caratterizzano un'onda sono i seguenti.
Le onde danno luogo a fenomeni caratteristici:
Secondo la direzione di propagazione, le onde possono distinguersi in lineari, circolari, piane, sferiche.
Le onde lineari si propagano in una sola direzione; le onde circolari si propagano in un piano, i loro raggi di propagazione sono tutte le semirette uscenti dal centro di oscillazione; le onde piane si propagano in un piano, i loro raggi di propagazione sono semirette parallele; le onde sferiche si propagano nello spazio, i loro raggi di propagazione sono tutte le semirette uscenti dal centro di oscillazione.
Le onde si distinguono in trasversali o longitudinali secondo che il vettore che rappresenta lo spostamento istantaneo di un generico punto sia perpendicolare o parallelo al raggio di propagazione dell'onda.
L'intensità di un'onda consiste nel rapporto tra il flusso di energia trasmesso dall'onda attraverso una superficie normale alla sua direzione di propagazione e l'area della superficie
il sistema GSM
Utilizzo delle frequenze
Il sistema GSM usa:
Le condizioni necessarie al funzionamento di tale sistema sono:
La grande capacità di utenza richiesta ai moderni sistemi radiomobili non può venire realizzata solo utilizzando quantità crescenti di risorse radio, che rappresentano un bene collettivo prezioso, da condividere tra molti servizi ed utilizzatori, ma notoriamente limitato: occorre invece operare sul fronte dell' efficienza spettrale , concetto essenziale per ottenere il massimo numero possibile di canali fisici per unità di banda a radiofrequenza e di superficie territoriale. L'efficienza spettrale si misura quindi in canali/MHz.Km 2 , e dipende fortemente dalla compattezza dello spettro modulato, da efficienti tecniche di accesso multiplo e da un riuso elevato delle frequenze sul territorio da coprire.
Per garantire queste due condizioni il sistema GSM utilizza particolari tecniche:
§ Copertura del territorio : Per permettere un riuso elevato delle frequenze sul territorio da coprire il sistema GSM utilizza una metodologia di copertura cellulare: il territorio viene suddiviso in un numero elevato di celle contigue, ciascuna realizzata da una Stazione Radio Base che irradia un certo numero Cr di canali radio. Gli M canali radio di cui dispone il Gestore della rete vengono suddivisi in N gruppi, tali per cui:
N = M / Cr
Le N celle che esauriscono la disponibilità degli M canali radio costituiscono il raggruppamento elementare o cluster di celle, che si ripete con regolarità geometrica sul territorio. Celle di cluster diversi che utilizzano la stessa frequenza sono definite omologhe.
Il gruppo R di canali radio assegnato in modo univoco ad ogni N ma cella è riutilizzato più volte sul territorio: con ciò si applica il principio del riuso delle frequenze, mediante il quale uno stesso canale è riutilizzato contemporaneamente da un numero elevato di utenti che si trovano in celle omologhe di cluster diversi, separate da una distanza sufficiente a rendere accettabile l'interferenza cocanale. Se la distanza tra due trasmettitori che operano sulle stesse frequenze non è sufficientemente grande, può accadere che ad una MS arrivino, sullo stesso canale, i segnali di due o più celle, dando così origine ad un fenomeno di interferenza noto come interferenza di cocanale . La capacità di un sistema radiomobile è quindi limitata dalla capacità di riutilizzo delle frequenze. Quindi nello stesso cluster non possono esserci due comunicazioni che utilizzano la stessa frequenza nello stesso istante.
§ Multiplazione : Il sistema GSM utilizza una combinazione delle tecniche di multiplazione a divisione di frequenza (FDMA) e di tempo (TDMA) per la gestione della risorsa radio.
La multiplazione FDMA consiste nel dividere l'ampiezza di banda concessa in frequenze portanti o canali , la spaziatura delle portanti è di 200 kHz. Ad ognuna di queste è associato un numero di canale, detto ARFCN ( Absolute Radio Frequency Channel Number ), per identificarle in modo univoco. Ogni comunicazione occupa un canale.
Il GSM standard (P-GSM) divide la banda di 25 MHz in 124 portanti, numerate da 1 a 124. L'n-esima portante (ARFCN n) è definita come segue:
· F Uplink (n) = 890 + n * 0.2 (MHz), 1 <= n <= 124
· F Downlink (n) = 890 + n * 0.2 + 45 (MHz), 1 <= n <= 124
La multiplazione TDMA consiste nel dividere ogni canale in 8 intervalli di tempo ( time slot ) della durata di 0,577 ms. e l'insieme di 8 time slot, della durata di 4,616 ms., viene definito trama o frame . Il time slot k-esimo di ogni trama della i-esima portante costituisce un canale, in tutto sono 992. (ciascuno dei 124 canali ottenuti con la FDMA nell'arco di 4,616 ms sono utilizzati per 8 comunicazioni diverse, questo implica 8*124=992 canali utilizzabili).
§ Un'altra caratteristica della gestione dell'interfaccia radio è il salto di frequenza o frequency hopping, FH . Consiste nel trasmettere messaggi successivi di una stessa comunicazione su frequenze portanti diverse, mantenendo però sempre lo stesso time slot assegnato inizialmente. In questo modo si riescono a combattere efficacemente quei problemi legati direttamente alla propagazione radio, ad esempio fenomeni di fading , ossia improvvisi e momentanei affievolimenti del segnale ricevuto. Difatti la propagazione delle onde elettromagnetiche, non avvenendo in uno spazio libero ideale, è influenzata da diversi fenomeni: riflessione (contro ostacoli di dimensioni maggiori della sua lunghezza d'onda), rifrazione (nel passaggio da un mezzo trasmissivo ad un altro, ad es. aria-cemento) e diffrazione .
§ Handover : Una delle caratteristica peculiari dei sistemi cellulari è la possibilità di mantenere attiva una comunicazione pur continuando a spostarsi liberamente nel territorio. Questa mobilità può causare la necessità di cambiare frequentemente cella di servizio oppure canale di trasmissione per continuare a garantire all'utente una buona qualità del segnale. Questa commutazione automatica senza interruzione nel collegamento è chiamato handover.
Architettura del sistema
GLOBAL SISTEM FOR MOBILE COMUNICATION
PRESENTAZIONE, perché digitale?
La tecnologia digitale applicata ai cellulari, ossia basato su un sistema numerico offre numerosi vantaggi:
· Consente di utilizzare una frequenza per servire più utenti, tramite l'utilizzo di tecniche TDMA .
· Ha una capacità maggiore sia per quanto sopra detto, sia perché i sistemi digitali sono meno sensibili al rumore ed interferenze e quindi consentono di ridurre le dimensioni delle celle, aumentando il numero di utenti che possono essere serviti contemporaneamente.
· Consente alto grado di riservatezza, in quanto le informazioni trasmesse sulla radio possono essere cifrate direttamente dall'apparato utente.
· Consente alto grado di sicurezza: l'identità dell'apparato che chiede l'accesso alla rete può essere controllata tramite l'applicazione di un opportuno algoritmo e di una chiave di autenticazione segreta.
· Consente di effettuare trasmissioni dati (il segnale vocale stesso viene digitalizzato e poi trasmesso).
· Garantisce la compatibilità con la rete ISDN.
La rete GSM è composta di numerose entità funzionali che possono essere raggruppate in quattro sottosistemi:
Rappresenta la stazione mobile con la quale un utente può usufruire dei servizi offerti dal GSM. La mobile station si divide in due parti: un terminale mobile (Mobile equipment, ME ) e da una smart-card intelligente, detta SIM (Subscriver identity Module), che permette ad un utente di caratterizzare come proprio un qualsiasi terminale mobile GSM.
La SIM card contiene una memoria nella quale vengono memorizzate diverse informazioni, e un processore in grado di eseguire alcuni algoritmi di cifratura.
La SIM card contiene le seguenti informazioni:
L'IMSI è un codice che identifica l'utente che ha sottoscritto l'abbonamento al GSM. È composto da un massimo di 15 cifre (una parte di queste costituiscono il numero seriale) e contiene informazioni sulla nazione dell'operatore.
La SIM può essere di due formati diversi: tipo carta di credito o francobollo.
SIM card e ME si interfacciano (comunicano) attraverso 8 contatti, denominati da C1 a C8, i più importanti sono:
C1: tensione di alimentazione
C2: Reset
C3: clock
C7: Data input/output
Il sim locking è una funzione supportata da molti telefoni e consente ad un operatore di inibire l'utilizzo del telefono con tutte le SIM che non siano le proprie.
Mobile Equipment (ME)
L' IMEI identifica in modo univoco una ME. I codici IMEI e IMSI sono completamente indipendenti l'uno dall'altro. Questo codice dà informazioni sul luogo di produzione, assemblaggio con in più il numero seriale del cellulare.
I terminali sono suddivisi in cinque classi in base alla massima potenza con cui possono trasmettere sul canale radio.
Il sottosistema BSS si occupa della parte radio del sistema; si divide in due parti: Base Transceiver Station ( BTS ) e Base Station Controller ( BSC ).
Con il termine BTS si indica l'unità funzionale costituita dall'insieme dei transceiver e degli apparati che consentono di fornire la copertura radio ad una cella.
Base Station Controller (BSC)
La stazione base di controllo fornisce molte funzioni tutte basate sulla gestione delle BTS tra cui: gestione del settaggio dei canali radio (connessione e disconnessione), il frequency-hopping, gli handover interni. Inoltre fornisce la connessione tra MS e MSC . Una BSC solitamente gestisce molte BTS .
Network Subsystem (NS)
Il sottosistema di rete è composto da vari apparati che hanno il compito di instradare la chiamata dal mittente al destinatario.
La componente principale è il Mobile service Swiching Center ( MSC ) che svolge la sua funzione supportandosi all' Home Location Register ( HLR ) ed al Visit Location Register ( VLR ) che sono le altre due componenti del sistema.
Home Location Register (HLR)
L'HRL costituisce il database su cui un gestore di rete GSM memorizza, in modo permanente, I dati relativi agli utenti che hanno sottoscritto un abbonamento presso di lui.
Ad ogni HLR e VLR viene associato un identificativo (HLR number e VLR number) in modo da consentire alle due componenti di dialogare tra loro poter così rintracciare la MS.
Siccome la rete GSM è interconnessa con altre reti (PSTN,ISDN, altri PLMN), deve prevedere un piano di numerazione con esse compatibile. Ad ogni MS è quindi assegnato un numero di telefono chiamato MSISDN .
Questo ha una lunghezza massima di 15 cifre e si può scomporre nel seguente modo:
MSISDN = CC \ NDC \ SN ove
CC è il prefisso internazionale (Italia: 0039)
NDC identifica una PLNM GSM in un ambito nazionale (Tim: 335,338,339; Omnitel:347,348,349).
SN numero che identifica l'abbonato nel PLMN del proprio operatore.
L' HLR contiene quindi per ogni abbonato il suo IMSI , il suo MSISDN e il numero della VRL dove è attualmente registrata la MS .
I suoi compiti sono quelli di localizzare la MS , di instradare le chiamate, gestire i dati dell'utente e i relativi costi sulle chiamate e la sicurezza.
Visit Location Register (VLR)
Il registro VLR contiene e mantiene le informazioni relative alle MS che sono presenti, temporaneamente nell'area da esso servita.
Complessivamente il territorio geografico coperto da una rete GSM risulta diviso in diverse aree di servizio, ciascuna controllata da una MSC e dotata di un registro VLR, quando una MS entra nell'area coperta da un nuovo MSC viene inserito nel registro dei visitatori (VLR) di quel MSC e contemporaneamente il registro generale degli utenti ( HLR ) viene aggiornato per tenere conto della nuova posizione geografica del terminale.
Mobile service switching Center (MSC)
Un MSC ha in carico una certa area di territorio (controlla tutte le BSC in quella zona) e deva servire tutte le MS che transitano in quell'area. Per gestire la mobilità degli utenti deve scambiare continuamente informazioni con due database VRL che memorizza temporaneamente le informazioni relative alle MS che transitano in quella zona e HLR . Grazie al dialogo con questi due database il MSC riesce a instaurare, controllare, tassare le chiamate da/verso la MS presenti nell'area da esso servita. Inoltre esegue la gestione della mobilità e dell'instradamento delle chiamate.
Un particolare MSC è il Gateway MSC che fa da ponte con reti di tipo diverso da quelle GSM
Operation and Maintenance Center (OMC)
L'OMC è l'entità funzionale che permette di monitorare e controllare il corretto funzionamento della rete GSM.
Una rete radiomobile necessita di implementare alcune funzioni, come la gestione dell'interfaccia radio e la mobilità degli utenti. E necessaria quindi una fase preliminare di locazione prima di poter instradare correttamente la chiamata. La mobilità globale necessita di alcune procedure:
Possibilità di poter essere rintracciato all'estero (questo necessità di accordi roaming internazionale)
Procedura che consente di localizzare l'abbonato sul territorio per potergli inoltrare le chiamate.
Procedura che consente di proseguire una conversazione anche spostandosi da una cella ad un'altra.
Stratificazione e protocolli del modello GSM
· Physical Layer: nel livello fisico si trovano le specifiche caratteristiche del mezzo fisico di trasporto. Questo protocollo sull'interfaccia radio gestisce la modulazione, la sincronizzazione e la codifica del canale.
· Data link layer: ha il compito di fornire allo strato superiore canali di trasmissione il più possibile esenti da errori. Data la evidente particolarità dell'interfaccia radio, si è provveduto ad implementare uno specifico protocollo per gestirla.
· Message layer: gestione dei canali radio e di segnalazione utente. Questo protocollo ha la funzione di interpretare o elaborare le informazioni sulle chiamate tra BSS e MSC e tra MS e MSC .
· Radio resources management layer(RR): è incaricato di stabilire e mantenere una stabile connessione tra MSC e MS sulla quale far transitare dati e segnali. (questo servizio viene gestito dalle BSS e le BTS )
· Mobility management layer(MM): ricerca, localizza ed esegue l'autenticazione delle MS .
· Communication managenent(CM) : fornisce vari funzioni:
· Controllo chiamate
· Gestione servizi supplementari
· Servizio messaggi brevi
Instradamento delle chiamate
Un abbonato è identificato da un personale numero MSISDN , questo identifica la nazionalità e l'identità dell'operatore però non è sufficiente per instradere una chiamata. Per questo l'MSC/VRL assegna alla MS che è presente nel suo territorio un MSRN (mobile station roaming number).
Procedura di instradamento
Analizziamo ora in dettaglio la procedura di instradamento per una chiamata originata da rete fissa (PSTN o ISDN) e diretta ad un utente mobile.
1. Il chiamante, dalla rete fissa (PSTN o ISDN), compone il numero MSISDN dell'utente mobile che vuole contattare.
2. Le centrali di commutazione della rete fissa, analizzando i prefissi del numero MSISDN , instradano la chiamata verso il GMSC della rete GSM a cui appartiene la MS chiamata.
3. lì GMSC riceve il messaggio contenente il numero MSISDN di destinazione. Dalle prime cifre del numero SN, ricava l' HLR su cui è registrata la MS e gli invia un messaggio di Send routing information.
4. L' HLR , in base al numero MSISDN , rintraccia tutte le informazioni dell'abbonato, compreso il codice IMSI e l'indirizzo del VLR su cui è temporaneamente registrata la MS (VLR number). Non conosce, però, il roaming number correntemente assegnato alla MS e così invia un messaggio alla VLR indicando il codice IMSI della MS di cui richiede il numero MSRN .
5. lì VLR di destinazione fornisce al HLR dell'abbonato chiamato il numero MSRN .
6. HLR ritorna al GMSC lo stesso numero MSRN .
7. Ora il GMSC , analizzato il numero MSRN ricevuto, può instradare la chiamata fino al MSC che serve (temporaneamente) la MS , attraversando anche eventuali reti di transito.
8. Adesso è necessario localizzare la MS . il MSC , in base al codice IMSI , individua la location area corrente di registrazione. Invia quindi un messaggio ai BSC , che servono quell'area, perché trasmettano il paging.
9. I BSC comandano a tutte le loro BTS di irradiare il messaggiò di paging indirizzato alla MS chiamata.
10.La MS risponde al messaggio di paging attraverso una richiesta di accesso alla rete.
11.La rete assegna un canale dedicato alla MS e gli ordina di spostarsi immediatamente su esso per effettuare le procedure di autenticazione.
12.Conclusasi positivamente la fase di autenticazione, il MSCNLR assegna alla MS un canale di traffico.
13 Là connessione è instaurata e gli utenti possono comunicare
la radio
Gli apparecchi ideati dall'Hertz e dal Righi realizzano gia' sia pure in embrione, un sistema di telegrafia senza fili. E' infetti evidente che manovrando opportunamente un tasto telegrafico, inserito nel circuito dell' oscillatore , diviene possibile provocare allo spinterometro degli scintillii piu' o meno prolungati, ai quali corrispondono nel rivelatore altrettanti scintillii di egual durata e che, se si conviene di far corrispondere ad uno scintillio prolungato una linea e a quello breve un punto, si possono trasmettere a distanza messaggi redatti con l'alfabeto Morse. Ma i sistemi in oggetto hanno solo importanza teorica perchè essendo l'energia trasmessa limitata,le distanza collegabili risultano assi ridotte, in ogni caso, sempre contenute entro un raggio di una decina di metri o poco piu'. Tre erano le vie da seguire affinche' l'applicazione potesse divenire realmente pratica: aumentare la potenza dell'oscillatore, rendere piu' sensibile il rivelatore e sfruttare le proprieta' a diffrangersi e a riflettersi delle onde elettromagnetiche in modo che esse potessero facilmente superare l'ostacolo della curvatura della Terra e aggirare scavalcandoli, gli eventuali rilievi montagnosi interposti fra la stazione trasmittente e quella ricevente. Nonostante lo scetticismo chiaramente espresso dai fisici dell'epoca, forse troppo assorti dallo studio teorico che tendeva a dimostrare la natura elettromagnetica della luce, su queste tre vie si lancio' empiricamente Guglielmo Marconi, al cui intuiva il merito di aver praticamente realizzato una delle conquiste piu' grandiose della radiotecnica.
Fin dal 1884 il prof. Temistocle Calzecchi-Onesti, del Liceo Beccaria di Milano aveva scoperto una singolare proprieta' delle limature metalliche, non facilmente ossidabili, le quali quando non siano compresse, presentano una resistenza cosi' elevata che le correnti elettriche, di debole intensita', non riescono a passare attraverso ad esse. Dette limature, che normalmente si comportano quindi come coibenti, divengono, pero' buoni conduttori quando in prossimita' di esse, si verifica una scarica elettrica e rimangono tali anche dopo che la scarica e' avvenuta. Esse riacquistano la loro primitiva resistenza solo se, mediante un urto, si scuotono i granuli che le costituiscono in modo che essi modifichino le loro reciproche posizioni.
La causa del fenomeno e' probabilmente dovuta al formarsi di minutissime scintille fra i granuli della limatura, che funzionerebbero come minuscoli risuonatori quando l'onda elettromagnetica, generata dalla scarica, investe la limatura. Il calore svolto da tali scintille provocherebbe altrettanti principi di saldatura fra i granuli, in conseguenza del quali la limatura acquisterebbe un maggior grado di connessione, o di coerenza, che la renderebbe conduttrice. Scuotendo la polvere, i principi di saldatura verrebbero distrutti e la limatura riacquisterebbe la sua resistenza primitiva. Per tale ragione l'apparecchio mediante il quale Calzecchi pose in evidenza la proprieta' in oggetto, fu detto coesore. Esso e' costituito da un tubetto di vetro entro il quale sono fissati due blocchetti A e B di argento, o di rame, tra i quali e' collocata la limatura metallica. Detti blocchetti costituiscono gli elettrodi di un circuito nel quale sono inseriti una pila P ed un galvanometro G. Quantunque il circuito sia apparentemente chiuso, l'ago del galvanometro non segna, normalmente alcun passaggio di corrente, ma devia quando il coesore e' investito da un'onda elettromagnetica. Il coesore puo' essere impiegato come rivelatore sensibilissimo ed ha, rispetto al risonatore di Hertz e quello del Righi, il vantaggio di segnalare il sopraggiungere di onde elettromagnetiche di lunghezze diverse. Presenta pero' l'inconveniente di richiedere un dispositivo supplementare, detto decoherizzatore, che mediante urti, lo riporti, di volta in volta, nelle condizioni iniziali.
La stazione trasmittente e' costituita da un oscillatore del Righi A dotato di riflettore metallico. Detto oscillatore e' alimentato dalla corrente indotta nel secondario di un rocchetto di Ruhmkorff B, in cui il primario e', a sua volta, alimentato da un generatore elettrolitico E. Una specie di tasto Morse F consente di aprire il circuito primario e di far assumere ai treni di onde elettromagnetiche irradiate dall'oscillatore le caratteristiche dell'alfabeto Morse. la sferetta K dell'oscillatore e' posta in comunicazione con la terra, mentre la sferetta H comunica con un lungo filo di rame, detto antenna , sostenuto verticalmente nell'aria mediante un'asta.
Questo sistema antenna-terra e' un complemento importantissimo dell'impianto perche' modifica la capacita' e l'induttanza del circuito oscillante in modo tale che la lunghezza delle onde elettromagnetiche irradiate sale da pochi centimetri a qualche centinaio di metri, caratteristica che, come l'esperienza insegna, consente alle onde di superare distanze anche grandissime. Come prima spiegazione diremo che cio' accade perche', quanto maggiore e' la lunghezza, tanto facilmente l'onda puo' diffrangersi intorno alla Terra. Va poi aggiunto che ogni scarica oscillatoria genera un'onda elettromagnetica smorzata, mentre una serie di scariche genera un treno di onde smorzate che succedono l'uno all'altra a brevissimo intervallo di tempo. Manovrando opportunamente il tasto F si possono irradiare nello spazio treni d'onde piu' o meno lunghi cui si possono far corrispondere le linee e i punti dell'alfabeto Morse. La stazione ricevente e' costituita da un coesore del Calzecchi C. Gli elettrodi del coesore sono posti in comunicazione un con l'antenna A e l'altro con la terra T. Agli stessi elettrodi fanno capo gli estremi di un circuito nel quale sono inseriti un generatore di corrente P1 ed una elettrocalamita E1 capace di agire sulla leva L1. In un secondo circuito, alimentato da un generatore P2 sono invece un apparato telegrafico ricevente R e un'altra elettrocalamita E2 capace di agire sulla leva L2 che, funzionando da martelletto, scuote la limatura metallica contenuta nel coesore C. Questo secondo circuito e' interrotto in I, perche' la lva L1 e' mantenuta sollevata dalla molla M. Il funzionamento dell'apparato e' evidente.
Quando l'onda elettromagnetica irradiata dalla stazione trasmittente investe il circuito antenna-terra, rende conduttore il coesore C inserito in esso. La corrente fornita dal generatore P1 puo' allora circolare ed eccitare l'alettrocalamita E1 che attiva la leva L1 chiudendo in I il circuito alimentato dal generatore P2 e si eccita l'elettrocalamita E2 che attiva la leva L2. Quest'ultima, funzionando da decoherizzatore, batte col suo estremo libero contro il coesore C e, rimovendone la limatura, gli fa riacquistare la primitiva resistenza. Se il treno d'onde smorzate che giunge alla stazione e' piuttosto lungo, l'apparato ricevente R registra sulla zona una linea, se invece e' breve viene segnato un punto. Anche ora l'innovazione fondamentale e' costituita dal circuito antenna-terra che facilita enormemente la ricezione delle onde pur essendo minima la quantita' di energia captata.
La frequenza delle correnti indotte nel circuito antenna-terra della stazione ricevente, essendo eguale a quella delle onde che lo investono, e' sempre molto alta e pertanto dette correnti non possono essere rilevate da un microfono telefonico la cui membrana, per inerzia, rimane insensibile al succedersi troppo rapido degli impulsi e che, anche quando vibrasse, genererebbe non un suono, ma un ultrasuono non percepibile al nostro orecchio. Si puo' evitare l'inconveniente ricorrendo ad una singolare proprieta' che presentano alcuni cristalli (ad esempio la galena) i quali si lasciano attraversare dalla corrente elettrica solo in un determinato senso. Pertanto se si inserisce uno di questi cristalli in un circuito alimentato da corrente alternata, questa potendo circolare solo in un determinato senso, viene trasformata in una corrente pulsante continua, perche', in definitiva, il cristallo funziona da radrizzatore.
Se poi si tratta della corrente oscillatoria prodotta in un circuito da un treno d'onde fortemente smorzate, il cui diagramma sia, ad esempio quello della figura A inserendo il quel circuito un cristallo di galena, la corrente verra' raddrizzata come in figura B e poiche' le semionde si succedono rapidissime, produrra' sulla membrana del telefono lo stesso effetto di quello prodotto da una corrente pulsante continua il cui diagramma sia quello indicato dalla figura C e quindi di frequenza notevolmente inferiore a quella delle singole oscillazioni. Su questo principio e' basato il rivelatore a cristallo che qualche volta si usa per ricezioni da piccole distanze e quindi abbastanza intense per far funzionare un microfono telefonico. La stazione ricevente consta di un circuito antenna-terra P che funziona come il primario di un trasformatore statico nel cui secondario S sono inseriti in serie un rivelatore a cristallo R ed un microfono telefonico T. Accostando all'orecchio di odono dei suoni ora brevi ed ora prolungati, secondo la lunghezza del treno d'onda captato, cui si fanno corrispondere i punti e le linee dell'alfabeto Morse. In tal modo alla ricezione scritta sulla zona viene sostituita quella fonica.
Il triodo deriva dal diodo di Fleming e differisce da esso perche' tra il filamento F e la placca P, viene interposto un terzo elettrodo G, setto griglia, formato da una reticella di platino, o di molibdeno, che viene posta in comunicazione con uno dei poli di una terza batteria d pile B3, mentre l'altro polo e' collegato col circuito percorso dalla corrente anodica. Variando il numero degli elementi che costituiscono la batteria B3, varia anche il potenziale della griglia che puo' diventare anche negativo invertendo i collegamenti coi poli della batteria. Se la griglia e' a potenziale fortemente negativo, essa costituisce un ostacolo al passaggio degli elettroni che si staccano dal filamento, i quali, essendo tutti respinti dalla griglia, non possono giungere sulla placca. Il tal caso il galvanometro G1 inserito nel circuito di placca, non segna passaggio di corrente, come non segna alcun passaggio di corrente il galvanometro G2 inserito nel circuito di griglia. Se invece la griglia e' a potenziale leggermente negativo, essa respinge solo in parte gli elettroni che si staccano dal filamento, mentre gli altri, sia pure rallentati nel loro moto, riescono ad attraversarla e a giungere sulla placca. In tal caso il galvanometro G1 segna il passaggio di una corrente piu' debole di quella che si avrebbe se non ci fosse la griglia, mentre il galvanometro G2 continua a non segnare passaggio di corrente. Se la griglia e' a potenziale zero, essa non esercita alcuna influenza ed il funzionamento del triodo e' identico a quello del diodo. Infine se la griglia e' a potenziale positivo essa attira gli elettroni che si staccano dal filamento, accelerando il loro moto, ed il flussi che la attraversa cresce con le ovvie conseguenze sui galvanometri. Da quanto e' stato esposto si comprende facilmente che la griglia puo' essere impiegata come regolatore di corrente di placca nel senso che variando il potenziale di griglia varia anche l'intensita' della corrente anodica, regolatore che risulta pronto e sensibilissimo, perche' completamente privo di inerzia. Inoltre, poiche' a piccole variazioni di potenziale della griglia corrispondono variazioni dell'intensita' di corrente di placca assai piu' intense di quelle che si sarebbero ottenute applicando quelle variazioni di potenziale direttamente al circuito di placca, il triodo assume anche la funzione di amplificatore nel senso che le variazioni dell'intensita' della corrente di placca che si potrebbero ottenere solo con forti variazioni di potenziale direttamente applicate alla placca, si possono ottenere invece con variazioni di potenziale notevolmente inferiore applicate alla griglia. Ebbene il triodo e' il primo componente che ha permesso di costruire la radio in quanto poteva amplificare il debole segnale radio trasportato dall'altrettanto debole onda radio.
Dopo la notevole introduzione su tutte le varie scoperte che hanno portato fino a questo punto possiamo passare all'introduzione delle tecniche di trasmissione del suono. Per trasmettere un'informazione attraverso un'onda radio si utilizza la modulazione che non e' altro che un metodo per affidare informazione da trasportare alla suddetta onda . Le modulazioni possibili sono essenzialmente 3: ampiezza, frequenza e fase (la modulazione di fase non e' usata per trasmettere il suono). La modulazione di ampiezza consiste nel modulare un'onda detta portante (l'onda radio) con un'altra a frequenza piu' bassa che costituisce il suono da trasmettere. In ricezione mediante l'uso del rivelatore che abbiamo gia' visto estraiamo l'onda modulante che e' come ho gia' detto il suono e lo si inviamo ad un amplificatore che dopo averlo amplificato lo inviera' ad una cuffia per l'ascolto. Ormai la modulazione di ampiezza non e' piu' usata in quanto soffre molto ai disturbi. Oggi invece si utilizza la modulazione di frequenza che consiste nel variare la frequenza della portante a seconda delle variazioni dell'onda del suono. Si deve premettere che queste variazioni di frequenza dovranno rimanere all'interno di un certo intervallo ( banda ). Ovviamente al momento della ricezione bisogna trasformare queste variazioni di frequenza in variazioni di ampiezza. Lo schema sottostante chiarisce i concetti appena esposti senza il bisogno di ulteriori parole.
