Dopo aver preso confidenza con le modulazioni di base – ampiezza, frequenza e fase – si è fatto un primo passo fondamentale: abbiamo capito che un segnale radio può essere modellato per trasportare informazione. Fin qui, però, siamo ancora in un mondo in cui tutto varia in modo continuo, un po’ come accade nella voce o nella musica.
Quando entriamo nel campo dei modi digitali, il paradigma cambia.

Non si tratta più di seguire fedelmente un’onda che varia nel tempo, ma di trasmettere informazione sotto forma di stati ben definiti, riconoscibili anche in presenza di rumore, fading e disturbi tipici delle comunicazioni radio. Ed è proprio qui che entrano in gioco due concetti chiave: il simbolo e la costellazione.
Un simbolo, in ambito digitale, è qualcosa di molto concreto: è come appare il segnale in un certo intervallo di tempo. Possiamo immaginarlo come una sorta di lettera dell’alfabeto radio. Durante ogni intervallo simbolo, il trasmettitore imposta la portante con una precisa combinazione di ampiezza, fase e/o frequenza – e quella combinazione rappresenta un’informazione.

A questo punto è importante chiarire una distinzione fondamentale: quella tra bit e simbolo. Il bit è l’unità minima di informazione (0 o 1), mentre il simbolo è ciò che effettivamente viaggia sul canale radio. Un simbolo può rappresentare uno o più bit, a seconda di quanti stati distinti siamo in grado di trasmettere e distinguere. In generale, con M simboli possibili si trasportano log₂(M) bit per simbolo: 2 simboli → 1 bit, 4 simboli → 2 bit, 8 simboli → 3 bit, e così via.
Questa distinzione è cruciale perché introduce un concetto operativo molto importante: non aumentiamo la velocità trasmissiva solo mandando simboli più velocemente, ma anche facendo in modo che ogni simbolo trasporti più informazione. È esattamente qui che le modulazioni diventano più complesse.

La velocità con cui i simboli vengono trasmessi si misura in baud (simboli al secondo), mentre il throughput informativo – ciò che ci interessa davvero – si misura in bit/s. I due valori coincidono solo quando ogni simbolo trasporta un singolo bit: è il caso, ad esempio, del classico RTTY a 45 baud, dove ogni simbolo corrisponde a un bit. Con modulazioni più dense, gli stessi 45 baud diventano un multiplo di bit/s: a 4 simboli possibili, 45 baud equivalgono già a 90 bit/s. È un concetto che chi ha lavorato con i vecchi modem HF conosce bene, anche se non sempre con questo nome.

Per visualizzare e organizzare questi simboli si utilizza la costellazione: una rappresentazione grafica in cui ogni simbolo è un punto su un piano definito da due assi – la componente in fase (I, dall’inglese In-phase) e quella in quadratura (Q, Quadrature). In questo spazio, ogni punto descrive esattamente come devono essere ampiezza e fase del segnale per trasmettere quel determinato simbolo.

Guardando una costellazione¹, si capisce subito il compromesso in gioco: pochi punti, ben distanziati, significano robustezza; molti punti, ravvicinati, significano maggiore efficienza ma anche maggiore sensibilità al rumore. È il classico equilibrio che ogni radioamatore conosce bene quando lavora in HF: segnale debole e banda stretta favoriscono schemi semplici, mentre condizioni migliori permettono modulazioni più “dense”.

Ed è proprio questo passaggio – dal bit al simbolo, e dalla variazione continua a un insieme finito di stati – che ci porta a sfiorare uno dei concetti più profondi della teoria delle comunicazioni: il teorema di Shannon. Senza entrare in dettagli matematici, questo teorema stabilisce il limite massimo teorico di informazione che possiamo trasmettere su un canale, dato il rapporto segnale/rumore e la banda disponibile. In forma verbale: raddoppiare la banda o migliorare il rapporto S/N aumenta la capacità del canale, ma in modo logaritmico – ogni “salto” successivo costa sempre di più in termini di risorse. Per dare un’idea concreta: passare da un S/N di 10 dB a 20 dB non raddoppia la capacità del canale, ma la aumenta di poco più della metà. Arrivare a 30 dB aggiunge ancora meno. È il motivo per cui inseguire QAM-1024 in HF ha poco senso: il guadagno in bit/s richiede un miglioramento del S/N che le condizioni ionosferiche raramente garantiscono.

Le modulazioni digitali moderne, lavorando con simboli e costellazioni sempre più sofisticate, cercano proprio di avvicinarsi a quel limite. Aumentando il numero di simboli (cioè la densità della costellazione), si riesce a trasmettere più bit per secondo nella stessa banda.
Ma il prezzo da pagare è evidente: serve un segnale più pulito, una migliore stabilità, una maggiore linearità del trasmettitore e tecniche di ricezione più raffinate. Le modulazioni ad alta densità di costellazione, come QAM-64 o QAM-256, sono infatti molto sensibili alle non-linearità degli amplificatori: una distorsione che su una trasmissione in BPSK sarebbe quasi trascurabile può compromettere seriamente la ricezione su uno schema più denso. Il motivo è geometrico: nelle modulazioni ad ampiezza variabile, una compressione o saturazione dell’amplificatore sposta i punti della costellazione dai loro posti teorici – e simboli che dovevano essere ben distinti diventano ambigui da decodificare. È per questo che le modulazioni a fase costante come BPSK e FSK sono preferite in HF e sulle vie satellite con amplificatori ad alta efficienza, mentre QAM trova il suo terreno ideale nei sistemi in cui la linearità è controllabile, come le dorsali in fibra o il digitale terrestre.

In altre parole, tutta l’evoluzione delle modulazioni digitali può essere vista come un tentativo continuo di spingersi il più vicino possibile a quel limite teorico, senza essere travolti dal rumore.

Le modulazioni digitali non introducono nulla di “magico”: sfruttano esattamente ampiezza, fase e frequenza della portante, ma le organizzano in un linguaggio discreto, fatto di simboli ben definiti, ottimizzato per trasportare informazione nel modo più efficiente possibile.
Con questi strumenti – simboli, bit, baud e costellazioni – possiamo finalmente affrontare con maggiore consapevolezza le modulazioni più diffuse nei modi digitali: dalla FSK (Frequency Shift Keying), usata ad esempio nel classico RTTY, alla PSK (Phase Shift Keying) e alla QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Capiremo non solo come funzionano, ma anche perché vengono scelte in base alle condizioni operative.

E da qui, il passo verso i modi digitali che usiamo ogni giorno in stazione è davvero breve.

Info

1) In questa rappresentazione a costellazione di una trasmissione reale DRM (Digital Radio Mondiale) in modulazione QAM-16, si osserva come i simboli ricevuti si disperdano attorno ai punti ideali della costellazione teorica – che corrispondono ai centri di ciascun raggruppamento. È evidente come tale dispersione sia causata dalle distorsioni introdotte dal canale di propagazione (rumore, fading, interferenze multipath). La scelta dell’ordine di modulazione – ovvero la densità dei punti nella costellazione – rappresenta quindi un compromesso fondamentale: modulazioni di ordine elevato aumentano la capacità trasmissiva, ma richiedono un rapporto segnale/rumore più elevato per garantire una corretta decodifica dei simboli.