IL PRINCIPIO DI ETERODINA

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Fabriciano Cappelletti
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1 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 ( ) brevettò nell'anno 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. 1

2 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 F 0 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 F 0, segnale a tutti gli effetti generato dal processo di eterodina. 2

3 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 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 2f o /N La frequenza F o 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 F 0. 3

4 Facendo in modo che la frequenza F 0, 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 F s, 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 ω 0 = 2 F 0 / N, in cui F 0 è la frequenza dell'oscillatore locale. La Tonrad è costituita da 800 settori e compie 3750 giri al minuto. 4

5 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 F 0. Nel sistema originale la frequenza risultante dal battimento Fs F 0 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 " ω 0 = 2 f s / N ". Se la frequenza F 0 dell'oscillatore locale risulta identica a quella del segnale ricevuto, F s, 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, " i out ", tende a divenire costante. 5

6 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 " ω 0 < 2 Fs / N ". In questo caso la corrente " i out " che circola negli auricolari presenta un valore medio che varia alla frequenza della nota di battimento ( eterodina ) originata dalla condizione " F s - F 0 ". 6

7 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 F s e un oscillatore locale a frequenza F o, 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 " F s " e un oscillatore locale a frequenza " F 0 ", accoppiato al circuito di un diodo. 7

8 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. 8

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