Trasmissione dati e Onde elettromagnetiche per radio, cellulari e Internet

Lingua italianaAbbiamo visto come, attraverso la crittografia e i vari sistemi di codifica, tra cui l'RSA, è possibile cifrare un messaggio in modo da renderlo incomprensibile agli estranei. 

Ma come avviene la loro trasmissione? In passato veniva fatto largo uso del sistema postale e di corrispondenza scritta. Oggi, a causa delle grandi distanze, viene utilizzato un sistema di comunicazione estremamente rapido e pratico: le onde elettromagnetiche.

Si tratta di variazioni del campo elettrico e magnetico nel tempo, che si propagano in una certa direzione.
Un'onda elettromagnetica è generata da un campo elettrico o da un campo magnetico variabile nel tempo e quindi può essere generata da una particella carica, positivamente o negativamente, che si muove di moto armonico perché il suo movimento genera un campo elettrico variabile nel tempo. Quest'onda possiamo rappresentarla in un sistema cartesiano tridimensionale: se l'onda si propaga lungo l'asse X, il suo campo elettrico ed il suo campo magnetico oscillano, rispettivamente, lungo l'asse Z e lungo l'asse Y, perpendicolarmente tra loro.

Data transmission and electromagnetic waves for radio, mobile phones and Internet

English languageWe have seen how it is possible, by using criptograpy and some coding systems, like the RSA, to enchiper a message in order to make it incomprehensible to strangers.

But how does the actual transmission work? In the past postal system and written corrispondence were largely used. However nowadays, due to the need to cover big distances, it is used a quicker and more convenient communication system: the electromagnetic waves.

They are variations of the electric and magnetic field in time, which propagates in a certain direction.
An electromagnetic wave is generated by an electric field or a magnetic field, changing in time, so it can be generated by a charged particle, positively or negatevely, which moves of harmonic motion as its movement generates an electric field changing in time. This wave can be represented on a tridimentional cartesian system: if the electomagnetic wave propagates along the X axis, the electric and magnetic fields swing, respectively, along the axis Z and Y, perpendicularly to each other.

Onda elettromagnetica

Lingua italianaOgni onda eletromagnetica è caratterizzata da una lunghezza d'onda e da una frequenza, tra loro inversamente proporzionali secondo l'equazione:

f⋅λ=c

dove f è la frequenza, λ è la lunghezza d'onda e c è la velocità di propagazione dell'onda elettromagnetica, 299.792.458 m/s.

Le onde elettromagnetiche sono divise in sette grandi categorie a seconda della loro frequenza:

English languageEach electromagnetic wave is characterized by a wavelength and a frequency, inversely proportional according to the equation:

fλ = c

where f is the frequency, λ is the wavelength and c is the speed of propagation of the electromagnetic wave, 299,792,458 m/s.

The electromagnetic waves are divided into seven major categories according to their frequency:

Spettro d'onda

Lingua italianaAlcune di queste categorie, come i raggi gamma o X, sono estremamente pericolose data la loro radioattività, ma altre come le onde radio, le microonde e la luce visibile sono ritenute innocue.

Quando le onde elettromagnetiche sono ricevute da un'apposita antenna, vengono convertite nuovamente in corrente elettrica che può essere rilevata. A seconda del moto della carica che genera l'onda, che può essere agevolmente controllato attraverso circuiti elettrici a corrente alternata, è possibile generare facilmente onde elettromagnetiche con lunghezze d'onda e frequenze diverse, permettendo così di ottenere onde diverse, corrispondenti a messaggi diversi, dando così origine a un codice

English languageSome of these categories, such as gamma rays or X rays, are extremely dangerous because of their radioactivity, but others such as radio waves, microwaves and visible light are considered harmless.

When the electromagnetic waves are received from a specific antenna, they are converted again into electric current that can be detected. Depending on the motion of the charge that generates the wave, which can be easily controlled through electric circuits with alternated current, it is possible to easely generate electromagnetic waves with different wavelengths and different frequencies, thus allowing to obtain different waves, corresponding to different messages, giving rise to a code.

Onda elettromagnetica variabile

Lingua italianaQuando dobbiamo trasmettere un messaggio per mezzo di onde elettromagnetiche occorre, per prima cosa, procedere alla sua trasformazione in forma numerica, ad esempio ricorrendo al codice binario, con una sequenza di 0 e 1. Ogni valore, così determinato, viene poi associato a due diverse frequenze, generando un'onda elettromagnetica variabile, che è tale proprio per la variabilità delle sue frequenze.

In fase ricevente, viene rilevata tale variazione di frequenze e, passando nuovamente attraverso il codice binario, vengono riconvertite nel messaggio originario.

Oggi le onde elettromagnetiche vengono usate in moltissimi ambiti: telefoni cellulari, Internet, televisioni, radio e comandi a distanza. La gamma di frequenze utilizzabili, ovviamente non infinita, deve essere suddivisa tra i vari trasmettitori, affinché non si verifichino sovrapposizioni di segnali diversi. Pertanto norme internazionali regolano la distribuzione delle frequenze ai vari emittenti televisivi e radiofonici. A ognuno di essi tuttavia non è assegnata soltanto una singola frequenza, ma una gamma continua che si estende tra due frequenze limite.

L’ampiezza di questo intervallo, e dunque il numero di segnali diversi trasmissibili, è determinata sia dalla complessità del segnale trasmesso (un messaggio scritto è meno complesso del suono; il suono meno complesso dell’immagine fissa; questa assai meno dell’immagine in movimento), sia dalla necessità di non disturbare i canali immediatamente vicini (devono esserci delle ‘zone franche’). Se per il segnale telefonico, che deve garantire soltanto la riconoscibilità della voce umana, bastano alcune migliaia di Hertz (da 300 a 3400 Hz); per la radio invece, che necessita di trasmettere voci, suoni e musica ad alta fedeltà, occorre una banda più ampia: da 15 a 20.000 Hz; per un’emittente televisiva PAL (che trasmette audio e immagini in movimento) è indispensabile una larghezza di banda di circa 5,5 MHz.

English languageWhen we have to transmit a message with electromagnetic waves, first of all, it must be transformed into numerical form, for example with the use of the binary code, with a sequence of 0 and 1. Each number is then associated with two different frequencies, generating a variable electromagnetic wave, which has variable frequencies.

When received, this frequence variation is detected and, using again the binary code, is converted back into the original message.

Today, electromagnetic waves are used in many fields: mobile phones, Internet, television, radio and remote controls. Unfortunately the frequencies used, which are not infinite, have to be divided between the various transmitters, in order to avoid signals' overlap. Therefore international rules establish the distribution of frequencies between the various television and radio broadcasters. To each of them, however, it is not assigned only a single frequency, but a continuous range which extends between two limits.

The width of this interval, and so also the number of different signals broadcastable, is determined both by the complexity of the transmitted signal (a written message is less complex than sound, the sound less than a still image; this much less of a moving image), both by the need not to disturb the channels immediately close (there must be some 'free zones'). If for the telephone signal, which just needs to ensure the recognizability of the human voice, just a few thousand Hertz are enough (between 300 and 3400 Hz); the radio, which transmits voice, sounds and Hi-fi music, requires a wider band: from 15 to 20,000 Hz; a television broadcaster PAL (which needs to broadcast sound and moving images) needs a bandwidth of approximately 5.5 MHz.