Approfondimento Fisica - la Televisione

Approfondimento Fisica

la Televisione

La trasmissione di immagini a distanza poté essere concepita solo quando si trovò un mezzo per convertire, in segnali elettrici, una variazione di luminosità dell'immagine da diffondere. Dopo la scoperta (1873) delle proprietà fotoelettriche del selenio, si pensò di collocare migliaia di queste cellule nel punto di formazione immagine, collegandole ad altrettante lampadine in ricezione disposte in modo analogo. Successivamente, si pensò di utilizzare una sola linea di trasmissione impiegando commutatori rotativi sincroni, che raccogliessero i segnali in partenza e li distribuissero all'arrivo. Si cercò poi di ottenere un miglioramento della trasmissione ricorrendo all'esplorazione per punti e per linee dell'immagine mediante due specchi rotanti, uno sul piano verticale e l'altro su quello orizzontale. Il progetto più completo fu sviluppato dal tedesco Nipkow che, nel 1884, propose di utilizzare, per l'analisi dell'immagine, un disco dotato di fori equidistanti disposti lungo una spirale. In trasmissione, dietro al disco si trovava la cellula fotoelettrica che riceveva l'immagine analizzata attraverso i fori in rotazione. Il segnale trasmesso agiva, all'arrivo, sull'accensione di un tubo al neon posto dietro un analogo disco in rotazione sincrona con quello trasmittente, in modo che la luce modulata in intensità fosse vista solo attraverso la successione dei fori, creando così l'immagine. Lo scozzese Baird realizzò parecchio tempo dopo questo progetto, valendosi però anche di tubi elettronici che consentivano un'adeguata amplificazione dei deboli segnali emessi dalla cellula. Nel 1926, egli fece a Londra una dimostrazione con un televisore rudimentale, che trasmetteva una minuscola immagine analizzata su 28 linee in ragione di 12,5 volte al secondo. Tre anni dopo il trasmettitore inglese di Daventry iniziò emissioni regolari, nel campo delle onde lunghe, con un'immagine esplorata su 30 linee. Ricerche analoghe a quelle del Baird erano compiute in parecchi paesi tra cui l'Italia (Banfi e Castellani), la Francia, gli Stati Uniti e la Germania. Tuttavia il sistema di analisi meccanica, con il disco di Nipkow, la ruota di Weiller o altri, creava gravi problemi di definizione e di sincronismo, per cui ci si dovette orientare su nuovi principi derivati dall'elettronica.

Fin dal 1907 il fisico B.Rosing aveva proposto l'impiego del tubo di Braun sia per l'emissione sia per la ricezione, sfruttando la rapidità di esplorazione propria del fascio catodico che non ha inerzia. Il passo decisivo si ebbe tuttavia per merito di Zworykin, il quale finì un dispositivo pratico per l'analisi elettronica dell'immagine (1934). Tale dispositivo fu poi notevolmente perfezionato, fino all'attuale image-orthicon che permette un'analisi molto particolareggiata dell'immagine. La televisione elettronica fece la sua comparsa negli anni che precedettero la seconda guerra mondiale: anche in Italia, dal 1934, furono realizzate apparecchiature ed effettuate trasmissioni sperimentali. Dopo la fine delle ostilità le emissioni ripresero negli Stati Uniti e nei paesi europei, dapprima in Gran Bretagna, poi in Francia e nel 1954 anche in Italia. Il 2 giugno 1953 in occasione dell'incoronazione della regina Elisabetta d'Inghilterra, funzionò per la prima volta la rete Eurovisione e nel luglio 1962 si ebbe la prima trasmissione in mondovisione attraverso il satellite artificiale "Telstar".

Parallelamente allo sviluppo delle trasmissioni in bianco e nero fu finita la tecnica della televisione a colori. Fin dal 1928 Baird aveva concepito l'idea fondamentale facendo appello al principio classico della tricromia: l'immagine è decomposta mediante filtri nei tre colori fondamentali (rosso, blu e verde) e ciascun segnale è trasmesso separatamente; in ricezione le tre immagini monocromatiche sono sovrapposte per ricomporre quell'originale. Nei sistemi moderni il cinescopio è dotato di tre cannoni elettronici, uno per ogni colore, che emette fasci separati; lo schermo è formato da fosfori dei tre colori disposti secondo una precisa geometria; di fronte allo schermo si trova una maschera forata con un numero elevatissimo di fori di piccolo diametro; la maschera indirizza ogni fascio sul fosforo del proprio colore. La trasmissione dei segnali è effettuata con particolari accorgimenti, in modo da consentire la compatibilità che permette di ricevere il programma anche in bianco e nero. I programmi di televisione a colori, già attuati negli Stati Uniti, ebbero inizio in Europa nel 1967. La Francia, l'URSS e i paesi dell'Est adottarono il sistema francese SECAM; gli altri si valsero di quello tedesco PAL; entrambi derivati dal NTSC, primo sistema a colori adottato negli Stati Uniti. L'Italia fu tra i paesi che adottarono il sistema Pal.

** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ***** Le norme in base alle quali sono stabilite i sistemi di televisione non coincidono nei vari paesi del mondo, e differiscono sia per il sistema di analisi, sia per la forma dei segnali di sincronismo e di modulazione adottati. In genere tuttavia l'immagine ha un rapporto di quattro a tre fra larghezza e altezza dell'immagine. L'analisi è sempre effettuata mediante linee 'interlacciate', per cui con 30 immagini al secondo o con 25, si hanno rispettivamente 60 o 50 quadri al secondo (la frequenza è uguale a quella della rete di energia elettrica per evitare interferenze). Il numero di linee esplorate ogni secondo è di 525 negli Stati Uniti, 625 nello standard italiano ed europeo, 405 in quello inglese e 819 in quello francese. Nello standard americano ed europeo il segno (polarità) della modulazione è negativo, ossia il massimo di ampiezza dell'onda portante corrisponde ai punti meno brillanti dell'immagine, mentre è positivo in quello francese. Nel primo caso i disturbi parassiti si visualizzano come punti neri, nel secondo come bianchi.

La larghezza di banda delle frequenze occupate dal segnale video è proporzionale al quadrato del numero di linee standard.

Il sincronismo è ottenuto mediante impulsi che avviano sia l'analisi di linea sia quella di quadro, le cui caratteristiche variano da uno standard all'altro. Il segnale audio è trasmesso in modulazione di frequenza, mentre nello standard francese è trasmesso in modulazione d'ampiezza.

La ripresa è effettuata mediante telecamere dotate di tubi image-orthicon. La scansione del fascio elettronico è ottenuta mediante tensioni variabili a dente di sega, generate dalla "base dei tempi", che forniscono una frequenza di 15.625 impulsi al secondo per l'analisi di linea e di 50 oscillazioni al secondo per il sincronismo di quadro. La corrente in uscita dalla tubo-immagine, che traduce fedelmente la luminanza degli elementi successivamente esplorati, si chiama corrente video. Con l'aggiunta dei segnali di sincronismo e audio essa modula l'alta frequenza che deve essere irradiata.

In ricezione il segnale d'antenna è amplificato sfruttando il principio della supereterodina. Dopo la demodulazione si ottiene la corrente video, che è amplificata prima di giungere al cannone del cinescopio per regolarne l'intensità del fascio elettronico. Contemporaneamente tale fascio è deviato da due basi dei tempi, un'orizzontale o di linea e una verticale o di quadro, in sincronismo con quelle del trasmettitore attraverso i segnali emessi. Il pennello elettronico esplora quindi lo schermo fluorescente con modalità analoghe a quelle con cui in trasmissione il fascio elettronico esplora il tubo da ripresa, producendo variazioni d'intensità corrispondenti a quella dell'immagine ripresa.

I ricevitori televisivi, sia in bianco e nero sia a colori, hanno fruito dei progressi dell'elettronica e in particolare degli sviluppi dei circuiti integrati. Si è così notevolmente ridotto lo spazio necessario per ospitare i circuiti, e i consumi d'energia elettrica, mentre l'ingombro dell'apparecchio è ora dato quasi totalmente da quello del cinescopio. Dal punto di vista dell'utilizzatore vi è stato un tentativo di semplificare i comandi. Con la diffusione di ricevitori raffinati si è esteso l'impiego del telecomando (che opera con il ricevitore attraverso ultrasuoni o talvolta mediante raggi infrarossi); inoltre, la proliferazione delle emittenti ha anche richiesto di poter disporre di un maggior numero di canali da poter ricevere, perciò la selezione diretta di un certo numero di canali avviene tramite un circuito elettronico che memorizza il valore di frequenza che si vuole prefissare per un vasto numero di emittenti (fino a 99): basta allora con la tastiera richiamare il numero prescelto per ottenere la sintonizzazione voluta.

In considerazione dell'ampiezza della banda di frequenza richiesta dal segnale video, che occupa parecchi megahertz, l'onda portante deve avere una frequenza molto elevata perciò si deve ricorrere alle onde metriche. Esse hanno una propagazione ottica (cioè si propagano in linea retta), quindi la loro portata è limitata; una rete nazionale deve quindi essere costituita da molte emittenti, che sono collegate tra loro da ponti- radio.

Alla fine degli anni Ottanta la telediffusione è stata estesa oltre che agli Stati Uniti anche all'Europa.

Dopo una serie di prove pratiche condotte, nei primi anni Ottanta, con satelliti sperimentali, si è adottato per i programmi di telediffusione europea la banda dagli 11,3 ai 12,5 Ghz; la ricezione dei programmi a terra avviene con speciali antenne paraboliche di 90 cm ca. di diametro.

In luogo dei sistemi PAL e SECAM è stato adottato un unico tipo di emissione, definito tecnicamente con gli accordi internazionali del 1977 e denominato C-MAC, che permette una banda di informazioni più ampia e un funzionamento dei sincronismi nettamente più stabile.

Per le riprese televisive si usano telecamere che comprendono, oltre al tubo elettronico, i circuiti che non possono essere lontani da questo (ad es. l'unità di comando e gli alimentatori si trovano nella sala di controllo), il gruppo ottico simile a quelli delle cineprese e un piccolo monitor per il cameraman. Per le riprese esterne si impiegano anche telecamere portatili, tenute a spalla dall'operatore. Per l'audio i microfoni sono montati su una "giraffa", supporto mobile che consente di avvicinarli alle persone dall'alto in modo che non si vedano in campo. Telecamere e giraffe sono montate su carrelli con ruote gommate che ne consentono lo spostamento e le manovre a mano. In uno studio televisivo, particolare cura deve essere dedicata all'illuminazione, ottenuta in genere con sorgenti mobili e sospese dall'alto. Le riprese sono controllate dalle regie, locali isolati dallo studio con ampie vetrate su di lui: nella regia video si ricevono su monitor i segnali delle varie telecamere, se ne stabilisce l'invio in onda e si comandano gli effetti speciali; nella regia audio sono miscelati i segnali dei vari microfoni e delle altre sorgenti; la regia luce controlla l'illuminazione dello studio, mentre il controllo tecnico provvede alla regolazione dei circuiti delle telecamere. Tutte le regie e i tecnici in studio sono collegati tra loro da sistemi di intercomunicazione che consentono di scambiare ordini e informazioni mediante cuffie e microfoni. I segnali audio e video sono inviati separatamente al trasmettitore e agiscono su apparecchiature distinte: due segnali modulati in alta frequenza e amplificati sono poi combinati da un apposito apparecchio, detto diplexer, e irradiati insieme dall'antenna.

Gli sviluppi più recenti delle telecomunicazioni e dell'informatica e il conseguente sorgere della telematica sta modificando il ruolo e la funzione che il ricevitore televisivo è chiamato a svolgere nell'ambito dell'utenza privata. Un primo sintomo di questo nuovo modo di vedere un oggetto domestico che finora era considerato esclusivamente nella funzione passiva di ricevere un segnale dall'esterno è fornito dal sorgere dei giochi televisivi. Si tratta di circuiti elettronici che sono collegati all'ingresso d'antenna di un ricevitore televisivo e che sono in grado di generare delle immagini relative a un gioco. Tali apparati sono dotati di comandi che consentono allo spettatore di intervenire per lo svolgimento del gioco: in taluni casi il dispositivo consente di effettuare un numero limitato e non modificabile di giochi, mentre in altri casi l'apparecchio è semplicemente un piccolo elaboratore di comando al quale possono essere applicati, mediante cassette o schede, i programmi relativi a un numero in sostanza illimitato di giochi. Seguendo il medesimo concetto il ricevitore televisivo può essere reso adatto per ricevere anche altri tipi di segnali provenienti da fonti diverse, senza qui considerare l'ovvio accoppiamento con un videoregistratore per registrare o riprodurre programmi televisivi. A esempio, nel caso del teletext è la stessa emittente televisiva che invia dei segnali che possono essere memorizzati in un dispositivo particolare e consentirne poi la riproduzione sul cinescopio. Nel caso del videotex, l'invio del segnale è effettuato invece sulla rete telefonica e sempre memorizzato per essere riprodotto sullo schermo. In questo caso i televisori sono dotati internamente dei circuiti di decodifica e di memorizzazione o che possono essere inscritti nei circuiti, mediante dispositivi aggiuntivi, che l'utente stesso utilizza al momento dell'impiego (come si può fare per i giochi).

Oltre alle emissioni circolari destinate a tutto il pubblico dei telespettatori, la televisione può essere impiegata per trasmissioni a breve distanza, spesso nell'ambito del medesimo edificio, effettuate con collegamenti via filo o cavo coassiale, senza che occorra modulare un portante d'alta frequenza, ma utilizzando direttamente la banda video. La televisione in circuito chiuso si può impiegare per ragioni di sicurezza: controllo di processi pericolosi, di locali radioattivi, di caldaie, ecc. Gli studenti possono assistere in aula ad interventi chirurgici; si può sorvegliare il traffico cittadino o controllare a distanza gli sportelli di una banca o anche verificare a distanza l'autenticità della firma sugli assegni.

La CATV è nata in Pennsylvania a metà degli anni Cinquanta per l'esigenza di fornire un buon segnale televisivo in zone d'ombra: essa era, infatti, costituita da un ripetitore posto in luogo dominante dal quale, mediante cavi coassiali, il segnale era portato al domicilio degli utenti. All'inizio degli anni Settanta essa contava 25 milioni d'utenti negli Stati Uniti, con 2500 reti, e si era trasformata dalla destinazione originaria in un sistema per diffondere localmente, oltre ai programmi pubblici captati da un'antenna centralizzata, programmi d'interesse locale generati sul posto. Un impianto CATV è sostanzialmente simile ad un gran centralizzato d'antenna, e anzi con lui integrabile (ad es. nelle zone residenziali di Milano-San Felice e Milano due); è invece diverso da un impianto di televisione in circuito chiuso perché quest'ultimo trasmette lungo i cavi la bassa frequenza dei segnali non modulata e quindi può irradiare un solo canale per volta; la CATV, può consentire la ricezione di decine di canali contemporaneamente, a scelta. Tecnicamente un impianto CATV richiede, come quelli d'antenna, un cavetto coassiale per la distribuzione, amplificatori del segnale per i percorsi lunghi, diramazioni e prese per i normali televisori. In fase di generazione dei programmi, sono sufficienti la telecamera per le riprese, un videoregistratore, il quale consente le emissioni differite e un modulatore, che serve per generare un segnale che possa essere ricevuto dai televisori (la telecamera funziona in bassa frequenza e non effettua la modulazione). Il problema principale è rappresentato dalla rete di cavi che devono raggiungere gli utenti: il sistema più razionale sembra sia costituito da una rete unica a carattere locale gestita da un concessionario pubblico e alla quale, grazie alla molteplicità dei canali, sia dato accesso a tutti gli emettitori privati a ciò autorizzati.

Con quest'espressione, tradotta dall'inglese High Definition TV (HDTV), s'indica un sistema di trasmissione televisiva di qualità molto superiore a quell'attuale. Giappone, Stati Uniti ed Europa hanno iniziato a lavorare a questo sistema nel 1986. I primi prototipi sono stati utilizzati per la trasmissione e la ricezione delle Olimpiadi del 1992 a Barcellona. Il problema più rilevante ancora da risolvere, rimane quello di riuscire a convogliare tutte le informazioni necessarie in una banda relativamente stretta d'onde elettromagnetiche. I due sistemi ideati, il MAC e il MUSE, infatti, prevedono il primo la trasmissione di immagini a 1250 linee con una frequenza di 50 quadri al secondo, l'altro 1125 linee per immagine con una frequenza di 60 quadri al secondo. Le immagini ad alta definizione contengono circa cinque volte più dati delle immagini normali, per trasmettere le quali sui canali di trasmissione dei satelliti si è reso necessario ideare nuove tecniche per modulare e comprimere i segnali.

Questi sistemi sono basati ancora su quello analogico; sembrano avere maggiori probabilità di successo invece i sistemi digitali, collettivamente chiamati DTV, verso cui si sono indirizzati quasi tutti i paesi. Si tratta di sistemi ad alta definizione in formato digitale (numerico), la cui possibilità era già stata dimostrata nel 1988 dal programma europeo Eureka 256 (il primo esperimento di trasmissione digitale a distanza avvenne nel 1990 in Italia, in occasione dei campionati mondiali di calcio). Le trasmissioni digitali dipendono dall'esistenza di sistemi efficienti di compressione del segnale numerico: gli algoritmi più usati sono quelli MPEG (Moving Pictures Experts Group). Il recente MPEG-2, adottato negli Stati Uniti, permette la compressione delle informazioni di un'immagine ad alta definizione in un canale da 6 Mhz di ampiezza, che elabora circa 20 milioni di bit al secondo, contro circa un miliardo di bit al secondo di un'immagine non compressa.

Trasmissioni digitali sono già effettuate in diversi paesi.

I sistemi digitali sono in grado di ospitare anche dati da servizi di telecomunicazioni e di trasmettere quindi informazioni; potranno essere utilizzati quindi anche come videotelefono, come notiziari on-line, come monitor per computer: un altro passo verso l'integrazione fra informatica e telecomunicazioni.