comunicazioni

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Metodi e sistemi per trasferire informazioni a distanza

Il problema delle comunicazioni consiste nella ricerca di soluzioni idonee a trasferire l’informazione da un punto a un altro, posto anche a grande distanza. Un sistema di comunicazione utilizza un trasmettitore che invia, attraverso un canale di comunicazione, il messaggio al ricevitore che può trovarsi anche molto lontano. Le informazioni trasmesse sono molteplici: lettere e numeri (telegrafia), voce (telefonia), messaggi vocali e musica (radio), immagini fisse e in movimento (televisione). I sistemi di comunicazione attualmente più importanti sono quelli con fibre ottiche, con satelliti e con collegamenti mobili (reti cellulari)

Evoluzione storica delle comunicazioni

Il problema di trasmettere a distanza informazioni è stato uno dei più importanti fin dagli albori della civiltà. L’uomo si è servito, oltre che della voce, dei suoni emessi da oggetti naturali (canne, corna e simili) o appositamente costruiti (come tamburi e trombe). Ha anche utilizzato segnali luminosi mediante fuochi e torce e oggetti capaci di riflettere la luce, come gli specchi. Con la scoperta della conduzione elettrica nei metalli, si cominciò a trasmettere a distanze crescenti dati e informazioni – prima semplici e poi sempre più complessi – usando linee elettriche e cavi; in questo modo si estese notevolmente la portata della propagazione diretta di suoni o segnali luminosi. Si giunse così alla realizzazione di trasmissioni di dati (lettere e numeri) a distanza: era la telegrafia (telegrafo) Morse (1837). A breve distanza di tempo veniva scoperto anche il telefono. Fin dal 1856, infatti, lo scienziato italiano Antonio Meucci aveva effettuato esperimenti di trasmissione a distanza (su filo) della voce. Rapidamente, telegrafia e telefonia si diffusero in tutto il globo, permettendo di collegare fra loro anche luoghi lontanissimi e portando quindi un contributo notevole al progresso della civiltà e delle relazioni fra i popoli. All’inizio dello scorso secolo, quando già telegrafo e telefono erano assai diffusi, comparve la radio, che segnò un immenso progresso nel campo delle telecomunicazioni, perché permetteva di irradiare onde elettromagnetiche su cui erano inserite, come modulazione, le informazioni. Le telecomunicazioni si estesero largamente soprattutto per quanto riguarda la radiodiffusione; tale sviluppo era favorito anche dai metodi sempre più perfezionati di amplificazione (amplificatori), che l’elettronica rendeva disponibili. Nel secolo scorso si sono ampiamente affermate le comunicazioni sia su filo (cavi transoceanici sottomarini, fibre ottiche) sia senza filo (radio ad alta frequenza, ponti radio, microonde).

Le nuove frontiere delle telecomunicazioni

Negli ultimi cinquanta anni la messa in orbita di satelliti artificiali, prima per studiare le caratteristiche fisiche dello spazio attorno alla Terra, poi per le telecomunicazioni, ha segnato una svolta decisiva nello sviluppo delle trasmissioni a grande distanza. I satelliti hanno dimostrato di poter largamente competere con i metodi tradizionali, offrendo soluzioni innovative e convenienti dal punto di vista economico. Le comunicazioni spaziali sono state collaudate con gli esperimenti portati a termine dalle sonde interplanetarie, che hanno aperto all’uomo la conquista dello spazio. Mediante le telecomunicazioni si può seguire lo sviluppo di una missione interplanetaria e ricevere le informazioni raccolte (misure, segnali, immagini) con apparati di trasmissione e di ricezione lontanissimi tra loro. In parallelo, sono divenute sempre più competitive, sulla superficie terrestre, le comunicazioni con fibre ottiche, sottilissimi fili di vetro (silice), dello spessore inferiore a un capello, che permettono l’invio di segnali ottici per centinaia e anche migliaia di chilometri. Nell’ultimo decennio si sono espanse, con rapidità impressionante, le comunicazioni mobili (telefonia cellulare), che sono ormai divenute una componente caratteristica della vita moderna. Oltre alla voce e ai dati, si possono ricevere sul terminale mobile (o inviare da esso) immagini a colori, fisse o in movimento. Le comunicazioni moderne sono digitali o numeriche, cioè i messaggi informativi sono trasferiti nel linguaggio binario (tipico dei computer) e risultano rappresentati da successioni di 0 e 1.

Mezzi di trasmissione

I mezzi di trasmissione impiegati variano con la distanza fra trasmettitore e ricevitore. Nei collegamenti con filo sono usate fibre ottiche, cavi terrestri e sottomarini, linee aeree. Queste ultime sono adatte per distanze non molto grandi e sono in genere realizzate con conduttori di bronzo, acciaio, leghe di alluminio. I cavi terrestri e sottomarini sono usati per collegamenti a distanza piccola, grande e grandissima (un esempio sono i lunghissimi cavi sottomarini transoceanici). Possono essere collocati sottoterra oppure sospesi in aria, sorretti da corde d’acciaio o disposti su appositi sostegni.

I continenti più lontani sulla Terra sono stati messi in comunicazione, nella seconda metà del 19° secolo, tramite lunghissimi cavi telegrafici (nel 1853 fu inaugurato il primo collegamento telegrafico sottomarino) e dai primi anni del Novecento tramite altrettanto lunghi cavi telefonici. Vi è stato un continuo progresso sia nei cavi per telegrafia (cablografia) che per telefonia (cablofonia). Il primo collegamento effettuato con i cavi usando sistemi di amplificazione del segnale, incorporati nei cavi stessi, a una certa distanza è avvenuto nel 1956 con il cavo transatlantico TAT1 fra Gran Bretagna da un lato e Stati Uniti e Canada dall’altro.

I collegamenti radio vengono generalmente effettuati in modo diverso a seconda delle distanze. Per distanze limitate vengono usati ponti radio, assai diffusi nelle comunicazioni telefoniche e televisive sui territori nazionali. In questi casi l’onda elettromagnetica, emessa dal trasmettitore, viene captata da una stazione ripetitrice, che riceve, amplifica e riemette il segnale verso un’altra stazione ricevente. Con la radio si sono sviluppate notevolmente la radiotelegrafia e radiotelefonia nonché la radiodiffusione e la televisione. Le stazioni radio sono dotate di complessi sistemi di antenne direttive, per concentrare l’energia irradiata in una determinata direzione in trasmissione e raccogliere in ricezione il segnale solo nella direzione utile, eliminando al massimo il rumore e le interferenze.

Comunicazioni con satelliti

I mezzi di telecomunicazione più tradizionali (cavi terrestri e sottomarini e radiocomunicazioni) si sono rivelati da tempo insufficienti a sostenere l’incalzante sviluppo delle telecomunicazioni; per garantire capacità elevatissima e prontezza d’impiego si usano da alcuni decenni sistemi a microonde con stazioni ripetitrici poste su satelliti artificiali.

I primi satelliti iniziano ad apparire alla fine degli anni Cinquanta del secolo scorso. Nel dicembre 1958 l’aeronautica statunitense lancia con un missile Atlas il primo satellite per telecomunicazioni, denominato Score. Intanto venivano effettuate comunicazioni a grandissime distanze con le sonde interplanetarie americane e sovietiche lanciate verso la Luna, Venere e Marte, come la sonda Pioneer V che nel 1960 ha interrotto le trasmissioni solo dopo essere arrivata a 32.209.000 km dalla Terra. Alla fine del 1966 è avvenuta la messa in servizio da parte INTELSAT di due satelliti sincroni sull’Atlantico e sul Pacifico, nel 1968 la copertura globale con tre satelliti sincroni.

Dal punto di vista della posizione dell’orbita rispetto alla Terra si possono avere satelliti equatoriali e satelliti polari. I primi hanno l’orbita che giace nel piano equatoriale terrestre o poco inclinata rispetto a esso. Se ha un moto in senso concorde con quello di rotazione della Terra, il satellite appare immobile quando osservato da questa. Si parla perciò di satellite sincrono o geostazionario. I satelliti polari, detti anche satelliti a bassa altezza, descrivono un’orbita inclinata rispetto al piano equatoriale che, in particolare, può giacere in un piano contenente l’asse terrestre, e in questo caso passano praticamente in prossimità dei Poli. L’altezza media di un satellite polare può variare fra 4.000 km e 10.000 km, come compromesso fra una sufficiente visibilità e una buona stabilità dell’orbita.

L’evoluzione delle telecomunicazioni grazie ai satelliti

Si prevedono sviluppi nelle telecomunicazioni con satelliti e stazioni spaziali di ogni genere. Ciò è possibile avendo a disposizione energia a bordo per lunghissimo tempo e in notevole quantità, fornita per esempio da appositi reattori nucleari e da pile chimiche (in sostituzione delle attuali batterie solari corrodibili in alcuni anni).

Anche l’uso di razzi vettori sempre più potenti consentirà lo sviluppo delle comunicazioni per la loro capacità di trasportare in orbita satelliti sempre più pesanti e quindi a maggior potenza di trasmissione. Fuori dell’atmosfera terrestre, fortemente assorbente, i fasci laser (radiazioni ottiche coerenti) si stanno rivelando adattissimi per trasmissioni di enormi quantità di informazioni.

D’altra parte, il miglioramento dei sistemi di comunicazione consente di fare passi in avanti nella straordinaria esplorazione dello spazio: infatti si possono predisporre sonde interplanetarie che si spingono sempre più lontano dalla Terra e che restano collegate a essa con speciali sistemi di telecomunicazione. Fra le applicazioni dei satelliti connesse a quelle dei sistemi di comunicazione stanno divenendo di grande rilievo quelle relative alla localizzazione sulla superficie terrestre di persone e mezzi in movimento e quelle che permettono di effettuare misure caratteristiche della superficie terrestre (geodesia, cartografia).

Comunicazioni su fibre ottiche

Le fibre ottiche sono in genere costituite da sottili fili di vetro (formato da silice pura), del diametro di circa 100 mm (100 milionesimi di metro). Le tecnologie di produzione delle fibre ottiche si sono raffinate in modo straordinario negli ultimi decenni, permettendo di realizzare fibre sempre più pure, cioè costituite da silice non contaminata da altre sostanze. Queste fibre sono capaci di trasmettere la luce a distanze grandissime (centinaia e anche migliaia di chilometri), praticamente senza attenuazione (diminuzione dell’intensità del segnale trasmesso). In questo modo, le informazioni più diverse (voce, dati, immagini) possono viaggiare sotto forma di impulsi di luce codificati in forma binaria. Un’altra proprietà delle fibre ottiche, operando con segnali luminosi, consiste nella loro completa insensibilità alla interferenza di onde elettromagnetiche presenti nell’ambiente.

Le fibre ottiche sono subito apparse come una soluzione tecnologica valida per risolvere uno dei più grandi problemi delle comunicazioni: la limitata disponibilità di bande di frequenza necessarie per la trasmissione dalle informazioni. Il passaggio dalle tecniche di rappresentazione e trasmissione dell’informazione di tipo analogico (cioè con segnali elettronici o fotonici che riproducono il ‘profilo’ dell’informazione) a quelle di tipo numerico (con segnali elettronici o fotonici equivalenti di tipo binario) ha acuito la necessità di sistemi di trasmissione a larga banda. In effetti, nei sistemi con fibra ottica, la larghezza di banda utile è praticamente illimitata. I moderni sistemi di comunicazione in fibra ottica sono in grado di inviare informazioni con velocità di trasmissione dai megabit/s (milioni di bit inviati ogni secondo) ai gigabit/s (miliardi di bit al secondo) e anche alle decine di gigabit/s su grande distanza (anche collegamenti transoceanici).

Comunicazioni mobili

Le comunicazioni mobili si sono rapidamente evolute negli ultimi decenni. Dai primi sistemi di comunicazioni radio con apparati di trasmissione-ricezione (terminali) in movimento (tipicamente utilizzati dalle forze di polizia o dai radioamatori), si è passati negli ultimi venti anni a sistemi di comunicazione sempre più potenti, efficienti e piccoli. I sistemi di comunicazione fra persone (telefonia mobile) – PCS, Personal communication systems – sin dall’inizio si sono orientati alla tecnologia digitale. In Europa si è sviluppato il sistema GSM(Global system for mobile communication), operante a velocità di alcune migliaia di bit al secondo, per trasmissione di voce e dati; oltre al sistema GSM, in Europa sono in funzione: il GPRS (General packet radio system), operante a velocità fino a centomila bit al secondo, per trasmissione di voce, dati e anche immagini; l’UMTS (Universal mobile telecommunication system), operante fino a due milioni di bit al secondo, per trasmissione di voce, dati e immagini (anche in movimento). In Giappone, invece, si è straordinariamente sviluppata la telefonia digitale (JDS, Japanese digital cellular). Le capacità di comunicazione (voci, dati, immagini) crescono dal GSM al GPRS e all’UMTS, insieme ai relativi costi. Si sono sviluppati anche i sistemi cellulari con satelliti, che, anche se più costosi, assicurano una copertura praticamente totale del territorio.

Attraverso i sistemi di localizzazione satellitare un terminale mobile può essere identificato con precisione nella sua posizione al fine di fornirgli servizi aggiuntivi quali l’accesso a banche dati del territorio, a servizi di emergenza e simili.

Al di là dello sviluppo straordinario degli SMS, la telefonia cellulare è diventata di vitale importanza per tutte le attività lavorative. In effetti, già con il GSMe ancor più con il GPRS e l’UMTS si può aggiungere al segnale vocale l’invio di dati, di immagini a colori fisse e in movimento e il collegamento alla rete Internet. Queste comunicazioni si sono rapidamente evolute negli ultimi anni tanto che il sogno dell’uomo moderno di ricevere messaggi di ogni tipo (voce, dati, immagini) e comunicare con altri in ogni luogo, in ogni istante, in ogni condizione ambientale, sembra prossimo a realizzarsi.

Reti di comunicazione

I sistemi di comunicazione sono sempre più interconnessi tra loro, costituendo quelle che si chiamano reti di comunicazioni. Queste reti vengono anche classificate in base alla loro disposizione ed estensione geografica: le reti locali (LAN – local area networks) sono tipicamente costituite da reti di calcolatori collegati fra loro in un edificio; le reti metropolitane (MAN – metropolitan area networks) sono costituite da reti in città o aree urbane; le reti geografiche (WAN – wide area networks) sono estese su ampie zone territoriali (tipicamente una regione). Una rete MAN contiene molte reti LAN, una rete WAN collega molte reti MAN. Certamente la rete di comunicazione più importante di oggi è Internet, nata negli Stati Uniti e cresciuta in modo impressionante negli ultimi anni. Tale crescita è dovuta alla facilità di accesso, alla disponibilità di software applicativo e all’efficace processo di standardizzazione.

Teoria dell’informazione

Nel 1948 Claude E. Shannon ha presentato i fondamenti della teoria dell’informazione. Questa teoria, ancora oggi perfettamente valida, definisce molti importanti concetti connessi all’informazione e alla sua trasmissione efficiente.

La quantità di informazione di un messaggio viene collegata alla probabilità del messaggio stesso, cioè al numero di volte in cui il messaggio si presenta in un determinato intervallo di tempo. In sostanza un messaggio che si presenta in un determinato intervallo di tempo più volte di un altro (cioè è più probabile dell’altro) arreca minore quantità di informazione. La teoria definisce i criteri con cui un qualunque messaggio può essere trasformato in forma equivalente (contenente cioè la stessa quantità di informazione), ma più semplice. Per esempio è molto più facile trasferire le complesse informazioni sulla forma e sul colore contenute in un’immagine dopo averle trasformate in forma binaria, cioè come successione di 0 e 1. Apposite codifiche possono ridurre ulteriormente il numero di 0 e 1, trasmessi al secondo, che rappresentano una determinata immagine.

Shannon definisce anche i criteri (e relativi limiti) con cui il messaggio informativo può essere protetto dal rumore e dai disturbi introdotti nel canale di comunicazione, cioè il mezzo fisico che separa il trasmettitore dal ricevitore.

Vengono così realizzati sistemi di comunicazione numerica, caratterizzati da elevatissima efficienza e sicurezza, capaci di ridurre drasticamente gli errori (numero di 0 e 1 sbagliati ricevuti) e di ricostruire in modo pressoché perfetto il messaggio inviato dal trasmettitore.