il principio di eterodina

IL PRINCIPIO DI ETERODINA
di Giuseppe Zella
EVOLUZIONE E RIVOLUZIONE DELLE
TELECOMUNICAZIONI
Il processo di miscelazione del debole segnale proveniente
dall'antenna ricevente con quello dell'oscillatore locale del radio
ricevitore, al fine di produrre una nuova frequenza o una frequenza
intermedia, è noto come processo di eterodina o "supereterodina".
Le sezioni di entrata ( front end ) di quasi tutti i ricevitori radio, TV
e radar sfruttano questa tecnica che viene anche usata nei ricevitori
per comunicazioni ottiche.
Secondo l'Oxford English Dictionary fu John Erskine Murray a
coniare la parola heterodyne, eterodina, per descrivere la più
interessante tra le molte invenzioni del Professor FESSENDEN.
Egli
si
riferì
senza
dubbio
al
Ricevitore
Telefonico
Elettrodinamico che il Professor Reginal Aubrey FESSENDEN
(1866-1932) brevettò nell'anno 1913.
Secondo un'altra interpretazione dei documenti tecnici dell'epoca
John Erskine Murray sarebbe stato solo una fonte di riferimento e
non l'autore della parola eterodina, la cui paternità sembra essere
stata direttamente attribuita allo stesso Fessenden.
Nell'appendice della sua traduzione dal tedesco del libro di Ernst
Ruhmer sulla Radio Telefonia, nella sezione dedicata alla
descrizione dettagliata del lavoro di Fessenden, Erskine Murray
afferma che "una delle più interessanti tra le molte invenzioni del
Professor Fessenden è quella che egli chiama heterodyne
receiver", ricevitore eterodina.
Il Professor Reginald Fessenden è a tutti gli effetti il padre di quella
geniale invenzione che, con qualche variante, è ancora
odiernamente utilizzata in tutti i sistemi di telecomunicazione, ma
anche altri sperimentatori prima di lui tentarono di giungere a
questo risultato.
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Uno di questi fu Rudolf GOLDSCHMIDT, ingegnere tedesco che
realizzò un curioso sistema eterodina di tipo meccanico che egli
stesso denominò TONRAD o Ruota del Suono.
RUDOLF GOLDSCHMIDT E LA
RETTIFICAZIONE CON LA RUOTA
DEL SUONO
Rudolf Goldschmidt si laureò ingegnere elettrotecnico nell'anno
1900, venne assunto dalla " AEG " come ingegnere di laboratorio ed
operò prima a Berlino e poi a Praga.
Nel 1907 lasciò l'industria per assumere l'incarico di lettore
all'Università Tecnica di Darmstad e fu proprio qui che nacque la
sua più importante invenzione che brevettò nell'anno 1909:
l'ALTERNATORE AD ALTA FREQUENZA.
Figura 1 - La tecnica di eterodina come ci è odiernamente nota. Il
segnale in arrivo dall'antenna, Fs, e il segnale F0 generato
dall'oscillatore locale del ricevitore, sono inviati al circuito di
miscelazione (Mixer), all'uscita del quale è presente un terzo segnale
ottenuto dalla differenza tra Fs e F0, segnale a tutti gli effetti generato
dal processo di eterodina.
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Gli alternatori ad alta frequenza di Goldschmidt vennero usati nel
servizio radio telegrafico per le comunicazioni tra la Germania e gli
Stati Uniti d'America iniziato nel 1913.
L'alternatore installato a Tuckerton nel New Jersey (U.S.A.) forniva
la potenza di 120 kW alla frequenza di 50 kHz; quello installato in
Germania ad Eilvese, vicino ad Hannover, forniva la potenza di 150
kW alla stessa frequenza di 50 kHz.
Questo collegamento si rivelò di vitale importanza, nei primi mesi
della Prima Guerra Mondiale e almeno sino a poco prima dell'entrata
in guerra degli stessi Stati Uniti nell'anno 1917, dopo che gli inglesi
isolarono le comunicazioni da e per la Germania tagliando i cavi
telefonici sottomarini transatlantici.
La sua curiosa ed altrettanto geniale invenzione, la TONRAD, fu il
cuore di un radio ricevitore eterodina per la demodulazione di
segnali cw.
Lo schema elettrico funzionale di tale radio ricevitore è illustrato
dalla Figura 2.
Il segnale ricevuto dall'antenna è applicato all'ingresso di un circuito
LC , sintonizzato alla frequenza del segnale Fs.
Per mezzo di una presa effettuata sull'avvolgimento L, induttanza
del circuito risonante, il segnale viene trasferito all'ingresso della
TONRAD, che altro non è che un commutatore con N segmenti
che ruota alla velocità angolare 2fo/N
La frequenza Fo è la frequenza dell'oscillatore locale del radio
ricevitore.
La TONRAD di Goldschmidt dispone di 800 segmenti e compie
3750 giri al minuto.
La sua funzione è quella di collegare le cuffie auricolari alla sorgente
di radio frequenza, solamente per metà del tempo, alla frequenza
F0.
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Facendo in modo che la frequenza F0, frequenza dell'oscillatore
locale o di battimento, risulti identica a quella del segnale ricevuto
Fs, quest'ultimo viene sottoposto a rettificazione, o rivelazione,
sincrona.
In tale condizione, negli auricolari ad alta impedenza non può
essere prodotto alcun suono, poichè il valore medio della corrente
circolante tende a divenire costante.
Figura 2 - Schema del ricevitore eterodina di Goldschmidt
dell'anno 1913, realizzato con la TONRAD. Il segnale proveniente
dall'antenna è applicato ad un circuito LC, sintonizzato alla
frequenza del segnale Fs, da qui prelevato mediante una presa
sull'avvolgimento dell'induttanza L, e inviato alla TONRAD.
La ruota del suono svolge la funzione di un commutatore con N
settori, che ruota alla velocità angolare di ω0 = 2 F0 / N, in cui F0 è
la frequenza dell'oscillatore locale.
La Tonrad è costituita da 800 settori e compie 3750 giri al minuto.
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Se la velocità di rotazione della TONRAD viene invece lentamente
ridotta, il valore medio della corrente che scorre negli auricolari
varierà alla frequenza della nota di battimento originata dalla
condizione Fs – F0.
Nel sistema originale la frequenza risultante dal battimento Fs – F0
è di 1000 Hz valore corrispondente alla maggiore sensibilità uditiva
dell'orecchio umano.
Le cuffie auricolari, del tipo ad alta impedenza con membrana
risonante, potevano così essere sintonizzate per la massima
sensibilità alla frequenza della nota di battimento.
Demodulazione sincrona, eterodina, supereterodina sono
terminologie che identificano funzioni odiernamente molto familiari
e facilmente ottenibili mediante componenti elettronici di
commutazione di frequenza, che operano a valori che raggiungono
tranquillamente i GHz, hanno le dimensioni dei micro circuiti
integrati e le caratteristiche tipiche della tecnologia cmos.
Figura 3 - La Tonrad, ruota alla velocità angolare " ω0 = 2 fs / N ".
Se la frequenza F0 dell'oscillatore locale risulta identica a quella
del segnale ricevuto, Fs, quest'ultimo viene sottoposto al
processo di rivelazione (demodulazione) sincrona.
In questo caso, negli auricolari non viene prodotto alcun suono
poichè non si verifica alcun battimento tra le frequenze dei due
segnali che sono identiche.
Il valore medio della corrente che circola negli auricolari, " iout " ,
tende a divenire costante.
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Nell'anno 1913, tutte le funzioni di commutazione dei segnali
dovevano essere svolte da sistemi meccanici, esattamente come di
tipo meccanico erano i rettificatori utilizzati nella produzione di
corrente continua a bassa tensione per la carica di batterie di
accumulatori e per procedimenti di trattamento e ricopertura dei
metalli mediante elettrolisi (cromatura, argentatura, doratura.).
Goldschmidt, da ingegnere molto esperto nella tecnica dei sistemi di
potenza nei quali fece largo uso di rettificatori meccanici, senza
dubbio considerò la possibilità di estendere questa ben consolidata
tecnica della rettificazione meccanica anche alle radio frequenze,
realizzando così la TONRAD.
Pur essendo un progetto meccanico ed una realizzazione di
primordine, la Tonrad non introdusse alcuna idea realmente
innovativa e per questa ragione non venne mai brevettata.
L'alternatore ad alta frequenza venne invece considerato come un
radicale passo in avanti nella tecnica delle radio trasmissioni e
venne quindi brevettato in molti paesi.
Figura 4 - La velocità di rotazione della Tonrad viene lentamente
ridotta, sino a raggiungere la velocità angolare " ω0 < 2 Fs / N ".
In questo caso la corrente " iout " che circola negli auricolari
presenta un valore medio che varia alla frequenza della nota di
battimento ( eterodina ) originata dalla condizione " Fs - F0 ".
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Dopo circa un anno dall'entrata in servizio della TONRAD nel traffico
di comunicazioni radio telegrafiche tra Germania e Stati Uniti
d'America, fece la sua comparsa nella letteratura tecnica un tipo di
circuito eterodina completamente differente, Figura 5.
In esso vi era un circuito d'ingresso sintonizzato alla frequenza del
segnale Fs e un oscillatore locale a frequenza Fo, accoppiato al
circuito di un diodo.
Figura 5 - Dopo circa un anno dall'entrata in servizio della
TONRAD, fece la sua comparsa nella letteratura tecnica un tipo di
circuito eterodina completamente differente. In esso vi era un
circuito d'ingresso sintonizzato alla frequenza del segnale " Fs " e
un oscillatore locale a frequenza " F0 ", accoppiato al circuito di
un diodo.
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L'intensità del segnale era tale da portare in conduzione il diodo
durante metà dei cicli alternati del segnale a radio frequenza.
La TONRAD di Rudolf Goldschmidt era stata realizzata
elettronicamente, sostituendo al lento commutatore meccanico un
potenzialmente ben più veloce commutatore elettronico, il diodo,
aprendo così la strada a tutte quelle applicazioni in alta frequenza
che ci sono odiernamente così familiari.
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