I quarant'anni del SRC: Il Segnale orario RAI Codificato

Valerio Pettiti (Dicembre 2019)

Sommario

1 - Introduzione ........................................................................................................................................... 3 2 - Un po’ di storia ....................................................................................................................................... 3 3 - Dettaglio del codice SRC.......................................................................................................................... 6 4 - Gli orologi generatori del SRC.................................................................................................................. 8 5 - Utilizzo del SRC sul territorio nazionale ..................................................................................................10 6 - Utilizzo del SRC per la riferibilità di laboratori metrologici ......................................................................13 7 - Il SRC per applicazioni specifiche e per esperimenti scientifici ................................................................14 8 - Elettronica associata ai SRC ....................................................................................................................15 9 - Alcune curiosità sul Segnale Orario ........................................................................................................17 10 - Convenzioni tra INRIM e RAI ................................................................................................................18 11 - Controllo remoto del SRC da parte dell’INRIM ......................................................................................19 12 - Altri esperimenti, eventi e mostre ........................................................................................................21 13 - Eventi più recenti .................................................................................................................................23 14 - Cessazione della collaborazione INRIM - RAI ........................................................................................26 15 - Considerazioni finali .............................................................................................................................29

2

1 - Introduzione Nel maggio del 2019 sono state introdotte, a livello internazionale, alcune nuove definizioni di grandezze fondamentali del Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI). Questo evento, piuttosto eccezionale, potrebbe essere utilizzato come pretesto per richiamare alla mente un piccolo contributo, fornito alla Metrologia del Tempo in Italia, che proprio nel 2019 compie quarant’anni: il Segnale orario RAI Codificato (SRC), generato dall’INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica) e distribuito in esclusiva dalla RAI. Tale segnale è legato strettamente all’attività metrologica svolta dall’INRIM, Istituto che fino al 2006 era denominato IENGF (Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris) e che nel 2006, dalla fusione dell’IENGF e dell’IMGC (Istituto di Metrologia Gustavo Colonnetti), diventa appunto INRIM. Nel seguito però, riferendosi all’Istituto, si utilizzerà comunque per semplicità la dicitura “INRIM” a prescindere dall’epoca a cui ci si riferisce.

Può essere curioso sottolineare che spesso, parlando con qualcuno di IENGF o di INRIM, si sia osservata un po’ d’incertezza nell’identificarlo; sovente però, continuando nella descrizione dell’Istituto, si è assistito ad una specie di rivelazione: “… ma è quello del segnale orario!! …”.

Il SRC, che ha integrato un segnale orario già esistente e diffuso fin dagli anni ’40 del secolo scorso fornendo, in aggiunta a quest’ultimo, anche la possibilità di codificare ora e data, ha accompagnato per diversi decenni gli ascolti radiofonici di milioni di persone anche se attualmente, per “raggiunti limiti di età”, assume un ruolo un po’ secondario. Negli anni è stato comunque protagonista di attività professionali ed amatoriali, oltre che rappresentare un noto richiamo sonoro che per molti è ancora vivo nella memoria.

Nel seguito sarà tracciata a grandi linee la storia di tale segnale, sottolineando anche alcune curiosità ad esso collegate. Saranno messe in luce la genesi, le finalità e le applicazioni del SRC, seguendo il percorso dal punto di vista di un protagonista che ha partecipato totalmente alle attività di progetto, di realizzazione e di utilizzo pratico. Si potrebbe affermare che il SRC sia stato un po’ il suo compagno di viaggio, il quale l’ha seguito in tutto l’arco della sua attività professionale.

2 - Un po’ di storia Come già anticipato il 2019 è l’anno in cui sono state ridefinite alcune grandezze fondamentali del Sistema Internazionale delle Unità di Misura (SI), cioè il kilogrammo [kg] (in termini della costante di Planck “h”), l’ampere [A] (basato sulla carica elementare “e”), il kelvin [K] (a partire dalla costante di Boltzmann “k”) e la mole [mol] (riferita alla costante di Avogadro “NA”). Rimangono invece inalterate le altre tre già definite a partire da costanti fondamentali cioè il secondo [s] (frequenza della transizione iperfine dell’atomo di cesio “C”), il metro [m] (in base alla velocità della luce “c”) e la candela [cd] (riferita all’efficacia luminosa “Kcd”).

L'INRIM, facendo parte del Sistema Nazionale di Taratura quale Istituto Metrologico Primario, ha il compito di realizzare e mantenere per l'Italia i vari campioni di riferimento SI, ed in particolare il Campione Nazionale di Tempo [s], curandone anche la sua “disseminazione” sul territorio nazionale. L’Istituto realizza infatti la “Scala di Tempo Nazionale UTC(IT)”, in pratica “l’Ora Esatta Italiana” cioè il “Tempo Universale Coordinato” per l'Italia, oltre a contribuire con i propri orologi anche alla generazione della Scala di Tempo internazionale UTC (Universal Time Coordinated), calcolata dal BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) su una media pesata di circa 450 orologi atomici custoditi in più di 80 laboratori metrologici internazionali.

Molti Italiani, specialmente quelli non proprio giovanissimi, conoscono bene il segnale orario che da molti decenni viene diffuso dalla RAI sulle reti radiofoniche e televisive. Non era raro infatti negli anni passati, grazie ad un minor inquinamento acustico e non solo, ascoltare via radio il suono inconfondibile degli impulsi sonori che precedono l'annuncio vocale dell'ora esatta.

3

Fin dagli anni ‘40 del secolo scorso, l’INRIM ha generato uno speciale segnale di riferimento di tempo noto come “Segnale Orario”. Tale riferimento, prodotto con continuità a partire dagli orologi campione dell’Istituto ed inviato alla RAI, veniva poi diffuso periodicamente da quest’ultima su base nazionale.

A partire dagli anni ‘50, la struttura del Segnale Orario si consolidava in una sequenza di sei impulsi acustici della durata di 100 millisecondi, ciascuno dei quali era costituito da 100 cicli sinusoidali completi di una nota a 1000 Hz, l’inizio di ciascuno era sincrono con i secondi 54, 55, 56, 57, 58 e 00 di ogni minuto. In quegli anni il suo utilizzo era prevalentemente di tipo acustico: richiamava infatti l'attenzione dell’ascoltatore sull'annuncio vocale dell'ora trasmesso, a cura della RAI, al termine dell’ultimo impulso sonoro. [1] In tempi più recenti poi (anni ’60 e ’70), furono sviluppati e si diffusero anche sistemi per sincronizzare orologi elettronici remoti a partire dal riconoscimento automatico di tali segnali. In questo caso però, per un corretto funzionamento, era necessario che l'orologio da sincronizzare fosse preventivamente in passo almeno entro mezzo minuto, e il sistema provvedeva poi ad azzerare automaticamente i secondi.

Nella seconda metà degli anni ’70 stava diventando sempre più pressante, in analogia a quanto realizzato da altri laboratori metrologici internazionali, l’esigenza di associare ai segnali orari emessi un ulteriore messaggio che, mediante un’opportuna codifica sempre di tipo acustico, in quanto doveva transitare all’interno dei canali audio sui quali veniva veicolata, consentisse di trasmettere a distanza anche l’ora e la data corrente. Si trattava in pratica di mettere a disposizione degli utenti un messaggio contenente l’ora e la data della Scala di Tempo Nazionale UTC(IT), in modo che una volta interpretato da un opportuno decodificatore, consentisse di mettere in passo completamente e automaticamente un orologio elettronico remoto rispetto a tale riferimento.

Tra il 1978 e il 1979 il sottoscritto si occupò dello sviluppo di tale codifica, cioè della realizzazione di un codice mediante un’opportuna successione di due suoni che rappresentassero i livelli logici di un’informazione binaria. Si trattava in pratica di realizzare una modulazione FSK (Frequency Shift Keying) a due toni che, dovendo essere costituita da un segnale audio a tutti gli effetti, doveva rispettare alcuni canoni di “udibilità”. Ad esempio non doveva essere percepita come una sequenza “martellante” tale da infastidire l’ascoltatore. È noto infatti che per un suono, quando è di durata molto breve (decine di millisecondi), la sua reale frequenza viene percepita dall’orecchio con difficoltà e la sensazione sonora che ne deriva è più vicina a quella di un veloce “ticchettio” piuttosto che a quella di una nota. Una sequenza troppo breve di tali tipi d’impulsi avrebbe pertanto potuto risultare fastidiosa all’ascolto. Queste motivazioni fecero sì che, anziché orientarsi verso l’uso di uno degli standard FSK esistenti, ad esempio quelli dei “Modem” telefonici che utilizzavano appunto la banda telefonica audio per la trasmissione di dati, si cercasse una modalità di codifica originale con caratteristiche acustiche il più possibile tollerabili dall’ascoltatore. Inoltre, la successione di toni dell’intera codifica, contenente tutta l’informazione che si intendeva trasmettere, non doveva avere una lunghezza eccessiva in modo da mantenere limitata la durata del messaggio.

A tale fine furono sperimentati alcuni prototipi di generatori adatti a realizzare tale codifica, sottoposti poi al giudizio dei Servizi Tecnici RAI, al fine di individuare quello che risultasse più idoneo allo scopo e con il minor impatto sull’ascoltatore.

Dopo diverse valutazioni tecniche ed estetiche fu scelto di utilizzare un codice costituito dall’alternarsi di due note, una a 2000 Hz e l’altra a 2500 Hz. [2] La scelta di tali frequenze presentava alcuni vantaggi: erano [1]

In quegli anni il segnale orario era spesso preceduto da un particolare segnale sonoro, una specie di cinguettio tale da essere talvolta indicato come “l’uccellino della radio”. Si trattava di un segnale ottenuto mediante un generatore meccanico, azionato da un meccanismo ad orologeria, del tipo di quello riportato nella figura accanto. Tale segnale era già usato da molti anni dalla RAI come stacco tra un programma e l'altro o come riempitivo in attesa del segnale orario.

Negli anni ’40 a tale segnale era stata dedicata anche una canzone dal titolo: “l’uccellino della radio”.

[2] Si può segnalare come curiosità che tali note corrispondono all’incirca ad un intervallo musicale di terza maggiore della scala temperata (Si6 – Re#7), queste frequenze infatti coincidono con le suddette note a livello dell’un per cento, mentre il relativo intervallo corrisponde ad una “terza maggiore” entro pochi cent (centesimo di semitono).

4

ben centrate all’interno della banda acustica delle trasmissioni radiofoniche, inoltre potevano essere facilmente ricavate per semplice divisione da un tipico segnale di riferimento d’ingresso a 10 MHz, uno di quelli forniti abitualmente dagli oscillatori campione degli orologi di un laboratorio.

Queste due note, organizzate in “pacchetti” della durata di 30 millisecondi ciascuno, rappresentano rispettivamente il livello logico "0" e "1" di una informazione binaria elementare (bit). In pratica il “pacchetto” a 2000 Hz (“0” logico) contiene 60 cicli completi di tale nota, quello a 2500 Hz (“1” logico) ne contiene 75 e gli insiemi delle sinusoidi iniziano e terminano in corrispondenza del passaggio per lo zero delle stesse.

Inizialmente, volendo contenere la lunghezza del messaggio entro un secondo, si decise di limitare la codifica a quella dell’ora e di una parte della data corrente cioè: ore, minuti, mese, giorno del mese, numero del giorno della settimana (1 = lunedì, 7 = domenica) e una segnalazione della presenza dell’ora solare o di quella estiva; in questo modo si assumeva nota a priori l’informazione dell’anno. L’informazione del secondo era contenuta implicitamente nell’istante d’inizio e fine del segnale (dal secondo 52,00 al 52,96). Questo segnale, che contemplava una successione di 32 “bit” per una durata complessiva di 960 millisecondi, rappresentava quindi una codifica “acustico/numerica” di ora e data, informazione che precedeva l’emissione della sequenza di sei impulsi del Segnale Orario già in vigore in quegli anni.

Questa innovazione introdotta sul segnale di tempo generato in precedenza, e che da allora fu identificato nel suo complesso come SRC (Segnale RAI Codificato), apriva quindi la strada allo sviluppo di dispositivi automatici di decodifica che potevano ricevere il segnale via radio, acquisire e convertire l'informazione completa di ora e data ed aggiornare automaticamente un orologio elettronico remoto.

Dopo diverse sperimentazioni iniziali, tale segnale cominciò ad essere emesso regolarmente dalla RAI nel 1979, proprio quarant’anni fa, ed il nuovo servizio fu anche presentato ufficialmente alla comunità internazionale di Tempo e Frequenza in occasione del CIC (Congrés International de Chronométrie) tenutosi a settembre di quell’anno a Ginevra. In Fig. 1 è riportato, a titolo di esempio, il sommario della pubblicazione predisposta per l’occasione e presentata alla comunità scientifica in tale congresso.

In anni successivi, anche su sollecitazione di alcuni utenti del servizio i quali lamentavano la mancanza dell'informazione relativa all'anno all'interno del SRC, non introdotta a suo tempo per limitare la durata complessiva

Fig. 1 – Sommario dell’articolo sul SRC presentato al “CIC 1979” del messaggio, fu predisposto un segmento aggiuntivo di codice, costituito questo da un’ulteriore successione di 16 “bit”, della durata di 480 millisecondi, generata a partire dal secondo 53 e che terminava al secondo 53,48.

A partire dagli anni ‘90 quindi la struttura completa del SRC, come apparirebbe sullo schermo di un oscilloscopio, diventava quella riportata in Fig. 2.

Il segmento aggiuntivo, generato in corrispondenza del secondo 53 forniva, con modalità di codifica del tutto analoghe a quelle utilizzate per il segmento precedente, l'indicazione mancante dell'anno (unità e decine, assumendo note a priori le centinaia e le migliaia), un preavviso attivato sei giorni prima del prossimo passaggio dall'ora solare a quella estiva o 5

52

53

54

55

56

57

58

59

00

Fig. 2 – Sequenza temporale del SRC dal 1994

viceversa, oltre ad una segnalazione sulla eventuale introduzione nella Scala di Tempo Nazionale, entro il mese corrente, di un secondo intercalare.[3] Quest'ultima innovazione, sperimentata a lungo per evitare che interferisse con il codice precedente, entrò in servizio regolare nel 1994, cioè circa 25 anni fa.

In questo modo il SRC assunse la struttura attuale che presenta due segmenti di codice di caratteristiche analoghe ma di durata diversa (rispettivamente di 960 e 480 millisecondi), generati ogni minuto in corrispondenza dei secondi 52 e 53, oltre ai sei impulsi preesistenti di una nota a 1000 Hz sincroni con i secondi dal 54 allo 00, ad eccezione del secondo 59.

Al termine di tutto questo lungo processo, si giunse quindi a definire un tipo di codice FSK del tutto originale, probabilmente unico a livello internazionale. Esso consentiva infatti di veicolare su una normale emissione radiofonica o televisiva, mediante segnali acustici tollerabili dall’orecchio dell’ascoltatore e con una durata totale limitata (circa 1,5 secondi), le informazioni complete di ora e data che potevano essere utilizzate per una sincronizzazione automatica remota di orologi elettronici.

3 - Dettaglio del codice SRC Come già indicato in precedenza, i pacchetti elementari di segnale che costituiscono i due segmenti di codice di data SRC, sono formati da note a 2000 e 2500 Hz, hanno una durata di 30 millisecondi ciascuno e costituiscono rispettivamente il livello logico "0" e "1" di una informazione binaria elementare (bit). Uno schema più dettagliato di tale segnale è riportato in Fig. 3.

Ognuno dei due segmenti di codice, generati rispettivamente a partire dal secondo 52 e 53, è preceduto da un “precursore” cioè due bit di identificazione, il primo è caratterizzato dalla sequenza "0 1" e il secondo dalla sequenza "1 0", identificativi che, seppure non distinguibili dall'orecchio, consentono ad un circuito elettronico di riconoscerli in modo univoco e prevedere quali tipi di informazioni seguiranno.

Il primo segmento di 32 bit, oltre all'identificatore (“0 1”) contiene in codice binario decimale l'ora in vigore in Italia (due bit per le decine e quattro per le unità), il minuto (tre bit per le decine e quattro per le unità), la segnalazione della presenza dell'ora solare (CET – Central Europe Time = UTC + 1) o di quella legale estiva (CEST – Central Europe Summer Time = UTC + 2). Queste due condizioni sono codificate con un bit posto rispettivamente a “0” oppure a “1”. Segue poi un bit di controllo di parità P1 (di tipo dispari) relativo alla prima parte del messaggio, cioè tale da rendere dispari il numero di bit che in queste 17 informazioni elementari si trovano a livello "1".

[3] Il “secondo intercalare” (in inglese: leap second) è un meccanismo di aggiustamento adottato a livello internazionale, coordinato dall’IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service). Esso ha lo scopo di mantenere un accordo, entro 0,9 s, tra la Scala di Tempo Internazionale Coordinata UTC e l'ora UT1 indicata dalla posizione angolare della Terra, cioè la Scala Rotazionale Terrestre, la quale è soggetta, rispetto a quella atomica TAI (International Atomic Time), ad andamenti più irregolari.

La scala TAI è calcolata dal BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) su una media pesata di circa 450 orologi atomici (circa 2/3 sono campioni al cesio e 1/3 maser all’idrogeno), custoditi in più ottanta laboratori metrologici di tutto il mondo. Da questa poi il BIPM stabilisce la scala UTC introducendo i secondi intercalari quando richiesto.

Da quando fu adottato il meccanismo dei secondi intercalari (1972) la Terra ha sempre rallentato, e la durata del suo giorno medio è stata sempre un po’ superiore a quella indicata dagli orologi atomici richiedendo pertanto, come si deduce anche dalla figura riportata a lato, che i secondi intercalari fossero sempre aggiunti. Al 1 gennaio 2019, i secondi intercalari così accumulati risultavano in totale 37.

6

0,96 s 0,48 s

Primo segmento del codice

51

52

53

0,1 s

54

55

56

57

58

59

00

01 secondi

Impulsi di riferimento acustico 960 ms ID

OR

MI

OE P1

20 10 8 4 2 1 402010 8 4 2 1

ME

GM

GS P2

480 ms

10 8 4 2 1 20 10 8 4 2 1 4 2 1

1 0

0

2

4

6

8

SE SI P3 PA

AN

ID

80 40 20 10 8 4 2 1 4 2 1 2 1

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

1 2 kHz 30 ms ID: OR: MI: OE: P1: ME: GM: GS: P2:

2,5 kHz

0

Secondo segmento del codice

30 ms

identificatore del segmento di codice ore (decine e unità) minuti (decine e unità) "0" ora solare, "1" ora estiva parità (dispari) del primo gruppo di informazioni (dal bit 0 al 15) mese (decine e unità) giorno del mese (decine e unità) giorno della settimana parità (dispari) del secondo gruppo di informazioni (dal bit 17 al 30)

ID: AN: SE:

SI:

P3 PA:

0

2

4

6

8

10 12 14

identificatore del segmento di codice anno (decine e unità) preavviso cambio ora solare/estiva 111 nessun cambio nei prossimi 7 giorni 110 previsto un cambio entro 6 giorni ... ...

001 previsto un cambio entro 1 giorno 000 alle 02:00 si passa all'ora estiva oppure alle 03:00 si passa all'ora solare preavviso secondo intercalare 00 nessun secondo intercalare entro il mese 10 ritardo di 1 s a fine del mese 11 anticipo di 1 s a fine mese parità (dispari)

Fig. 3 – Schema temporale completo del SRC (dopo il 1994) Successivamente si trova il numero del mese (un bit per le decine e quattro per le unità), il giorno del mese (due bit per le decine e quattro per le unità), il numero del giorno della settimana (tre bit), dove il numero uno corrisponde al lunedì, ed infine un ulteriore bit di parità P2 analogo al precedente per le ultime 15 informazioni elementari.

Il secondo segmento di 16 bit, oltre all'identificatore (“1 0”), contiene l'informazione dell'anno (quattro bit per le decine e quattro per le unità), un codice di preavviso attivato sei giorni prima del passaggio da ora solare ad estiva o viceversa (tre bit), un codice di preavviso sull'introduzione del secondo intercalare attivato nel mese al termine del quale è previsto l'evento (due bit), infine un bit di controllo di parità P3 analogo ai precedenti relativo a questi 16 bit. Per quanto riguarda il preavviso del passaggio ora solare/ora estiva o viceversa, i tre bit sono mantenuti nella condizione "1 1 1" fino a sette giorni prima dell'evento; successivamente, l'equivalente decimale di questi tre bit si decrementa di una unità al giorno alle ore 00:00 UTC. Quando questi tre bit diventano zero ed è in vigore l'ora solare, significa che alle ore 02:00 si passerà alle 03:00 entrando in vigore l'ora estiva; nel caso opposto in cui sia in vigore l'ora estiva, il passaggio sarà dalle ore 03:00 alle 02:00. Per quanto riguarda il preavviso del secondo intercalare, se i due bit sono "0 0" significa che non sono previsti eventi per quel mese, se sono nella condizione "1 0" è previsto il ritardo di un secondo a fine mese, mentre la condizione "1 1" segnala l'anticipo di un secondo. [4] Lo schema di segnale SRC riportato come esempio in Fig. 3, si riferisce alla codifica di una specifica ora e data, l’informazione contenuta in tale codifica risulta: Sabato 01 Maggio 2010 ore 13:26:52 nessun preavviso cambio ora solare/estiva

Ora Estiva, nessun secondo intercalare

[4] Per convenzione internazionale, il secondo intercalare può essere introdotto solamente in corrispondenza delle ore 00:00 UTC del 1 gennaio oppure del 1 luglio di ogni anno.

7

4 - Gli orologi generatori del SRC I segnali orari SRC, come schematizzato in Fig. 4, generati presso l'INRIM con cadenza di un minuto da tre dispositivi indipendenti (GSO A, GSO B e GSO C), anche se con apparecchiature di diversa generazione, sono sempre stati realizzati secondo uno schema di tipo “ridondante” come riportato in figura.

Cs A

10 MHz

Campione atomico a fascio di cesio

Norm Ris

GSO A

SRC A

Generatore SRC 1s

Cs B

10 MHz

Campione atomico a fascio di cesio

Norm Ris

SRC B

GSO B Generatore SRC 1s

Cs C

10 MHz

Campione atomico a fascio di cesio

Norm Ris

C o m m u t a t o r e

a u t o m a t i c o

S R C M o n i t o r

Alla RAI (via cavo) SRC

Alla RAI (via ponte radio)

SRC C

GSO C Generatore SRC 1s

Al sistema automatico di misura

Fig. 4 – Schema semplificato di generazione e controllo del SRC Ognuno dei tre generatori riceve due segnali di riferimento d’ingresso a 10 MHz forniti da campioni atomici al cesio, uno (Norm) è quello principale, l’altro (Ris) è quello di riserva che entra automaticamente in funzione in caso di assenza del primo. Gli orologi ad essi associati sono mantenuti all'origine in accordo entro pochi microsecondi rispetto alla Scala di Tempo Nazionale UTC(IT). Per verificare tale accordo il loro segnale di riferimento temporale di uscita, con cadenza di 1s, è inviato al sistema automatico di misura del Laboratorio e confrontato periodicamente con UTC(IT).

Le uscite SRC dei tre generatori vengono quindi inviate ad un “Commutatore Automatico” il quale confronta la presenza, il contenuto dell’informazione codificata nei tre segnali (SRC A, SRC B e SRC C), la loro fase relativa e, in base ad una logica di “maggioranza”, invia in uscita il segnale del dispositivo ritenuto più idoneo; per quanto riguarda la fase dei segnali, questa deve essere contenuta entro circa ±50 microsecondi.

Tale logica, come descritto in Tabella 1, prevede che se tutti i confronti sono positivi (SI) viene inviato in uscita il primo segnale (A), se solo due sono positivi viene selezionato uno di quelli concordi, se nessun confronto è positivo, nell’incertezza non viene inviato alcun segnale in uscita per evitare informazioni anomale. Il segnale così selezionato viene applicato ad un’apparecchiatura di controllo (SRC Monitor) che consente di riprodurre acusticamente e visualizzare come ampiezza e forma d’onda il segnale selezionato. Questo, almeno in passato, veniva inviato alla sede RAI di Torino via cavo e ponte radio da dove era distribuito alle sedi regionali.

Tabella 1 – Logica di selezione del Commutatore Automatico

Dal Centro Produzione RAI di Roma, al momento opportuno, tali segnali vengono diffusi sulle reti radiofoniche a modulazione di ampiezza (AM) e a modulazione di frequenza (FM), abitualmente prima dei notiziari; dopo tali emissioni viene inserito, a cura della RAI, anche un annuncio vocale che identifica l’ora.

La ridondanza nella generazione dei segnali e la selezione automatica descritta, unitamente al fatto che i diversi dispositivi coinvolti sono alimentati da differenti gruppi di alimentazione di continuità, sono ispirati a

8

motivi di affidabilità e sicurezza al fine di mettere sempre a disposizione un segnale metrologicamente “corretto”.

In passato i segnali erano emessi abitualmente dalle tre reti radiofoniche: Radio 1, Radio 2 e Radio 3, in tempi più recenti la sua diffusione su Radio 2 fu sostituita con un anonimo segnale acustico, mantenendo le emissioni del SRC su Radio 1 (da 20 a 38 volte al giorno) e su Radio 3 (da 7 a 12 volte al giorno).

Per molti anni tali segnali sono stati presenti, alcune volte al giorno, anche sulle reti televisive. La Fig. 5 riporta alcune immagini TV che precedevano l’emissione del segnale e dell’annuncio sonoro dell’ora.

Fig. 5 – Immagini televisive che precedevano, in epoche diverse, l’emissione del SRC Per quanto riguarda le apparecchiature per generare e controllare i SRC (secondo lo schema di Fig. 4), in Fig. 6 sono riprodotte le immagini di tre tipi di “Generatori di SRC” utilizzati presso il Laboratorio di Tempo e Frequenza dell’INRIM in epoche diverse.

Fig. 6 – Tre tipi di generatori SRC utilizzati all’INRIM in epoche diverse (anni ’70, ’90 e 2010) 9

La Fig. 7 invece riporta, come esempio, l’immagine di un “Commutatore automatico” (richiamato sempre nella Fig. 4) che seleziona il segnale più idoneo da inviare alla RAI, seguendo le regole di controllo descritte in precedenza al fine di garantire sicurezza sul segnale emesso.

Fig. 7 – Commutatore automatico per SRC (anni 2000) La Fig. 8 riporta infine, a titolo di esempio, l’immagine di un “SRC Monitor” (con riferimento sempre allo schema di Fig. 4) che consente all’operatore di riprodurre acusticamente, analizzare le forme d’onda e le ampiezze di uscita dei segnali selezionati, segnali che vengono poi inviati alla RAI. Tale dispositivo consente inoltre all’operatore di effettuare operazioni di commutazione sui segnali stessi.

Fig. 8 – Apparecchiatura di monitoraggio del SRC (anni 2000)

5 - Utilizzo del SRC sul territorio nazionale Il SRC dell’INRIM, nel corso degli anni, è stato utilizzato diffusamente sul territorio nazionale e, anche se non è stato possibile avere un resoconto puntuale sul tipo e sul numero di applicazioni pratiche tuttavia, da valutazioni basate sulla quantità di richieste di informazioni e di consulenze da parte di utenti, oltre che dal numero di decodificatori realizzati da diverse aziende, si può stimare che i numeri siano stati significativi interessando un arco temporale di diversi decenni.

Solo in alcuni casi è stato possibile dedurre il tipo specifico di utilizzo del SRC, ad esempio per sistemi di controllo orario di parcheggi, di timbratura ingresso/uscita nelle aziende, di rilevazione della velocità di veicoli, di distribuzione dell’ora all’interno di complessi aziendali o strutture pubbliche. Alcune applicazioni poi si sono indirizzate in particolare alla datazione di eventi all’interno di esperimenti di tipo scientifico, in particolare presso Osservatori Astronomici, stazioni di telecomunicazioni (Telespazio), laboratori del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e molto altro ancora.

Naturalmente, molti decodificatori del segnale SRC sono stati installati presso le varie sedi RAI. In generale, un generico dispositivo sviluppato per l’utilizzo di questo tipo di servizio, è costituito da un ricevitore radiofonico, da un opportuno decodificatore ed abitualmente da un orologio elettronico locale.

Se è presente l'orologio locale, questo può essere rimesso in passo automaticamente ad ogni segnale ricevuto e decodificato, in caso contrario l'informazione di data viene fornita in uscita verso un altro dispositivo elettronico mediante un’opportuna interfaccia. Dal momento che il ritardo di propagazione del SRC dall'INRIM all'utilizzatore, in base all’ubicazione di quest’ultimo, può variare tipicamente da 10 a 40 millisecondi nel caso di ponti radio terrestri, ed è dell’ordine di centinaia di millisecondi per collegamenti satellitari, i decodificatori sono abitualmente in grado di compensare automaticamente tale ritardo che di norma è abbastanza costante. Ovviamente, nel conteggio dei ritardi aggiuntivi, va considerato anche quello del ricevitore radio e quello di elaborazione del segnale da parte del decodificatore. L'accuratezza delle 10

compensazioni dei ritardi dipende, oltre che dalla stabilità dei segnali ricevuti, anche dal fatto che questi siano stati determinati sperimentalmente oppure semplicemente stimati.

Nel corso degli anni sono stati sviluppati anche dispositivi professionali più complessi che oltre a decodificare i segnali, misurano ed elaborano statisticamente lo scarto di tempo fra l'orologio locale e gli impulsi ricevuti, controllano poi dinamicamente la frequenza di un oscillatore al quarzo o al rubidio e la rendono disponibile come segnale di riferimento locale. L’incertezza con cui viene mantenuto il tempo di questi dispositivi verso UTC(IT) può essere dell’ordine del millisecondo, mentre l’incertezza relativa di frequenza può essere a livello di unità di 10-9.

Un generico decodificatore per SRC, comprendente anche un orologio/calendario da sincronizzare, può essere realizzato, seguendo una delle possibili metodologie utilizzate, come descritto sinteticamente nello schema a blocchi di Fig. 9.

Orologio calendario

FSK decoder (2000 Hz) Ricevitore radio

Audio

Uscita dati

Dispositivo di controllo FSK decoder (2500 Hz)

Shift register

Fig. 9 – Schema di principio di un decodificatore per SRC Il segnale audio di un ricevitore radiofonico FM o AM è applicato a due decodificatori FSK e questi, mediante la tecnica PLL (Phase Locked Loop), hanno la capacità di agganciarsi ad una delle due frequenze che costituiscono la modulazione FSK (2000 e 2500 Hz). Quando viene individuata, entro una certa banda di aggancio, una delle due note di modulazione, se questa ha una durata opportuna (~30 ms) rappresenta un probabile elemento (bit) del segnale SRC. Il dispositivo di controllo, ad esempio un microprocessore, individua in modo univoco, in base alla frequenza di aggancio, se si tratta di un livello di modulazione “0” oppure “1”.

Se poi la successione delle modulazioni è regolare, senza interruzioni e rispetta il protocollo del segnale SRC, la corrispondente sequenza di bit viene inviata ad un registro a scorrimento (shift register) che accumula tutti i 48 bit del messaggio completo.

Al termine del processo, oppure durante l’acquisizione, vengono verificati automaticamente alcuni dati cruciali come i corretti “identificativi” del primo e del secondo segmento, i bit di controllo di parità e la congruenza totale dell’informazione. Se vengono superati tutti questi controlli il segnale viene assunto come valido e, individuando opportunamente i campi che contengono le varie informazioni trasmesse, cioè le posizioni iniziali e finali dei bit d’interesse all’interno del registro, queste vengono selezionate quindi “forzate” verso la catena di divisione dell’orologio/calendario per la sua messa in passo.

Per quanto riguarda la sincronizzazione del secondo, informazione non contenuta esplicitamente nel messaggio SRC, si utilizza il fatto che questo inizia al secondo 52,000 e termina al 53,480. Considerando poi la necessità di compensare il ritardo di propagazione e di elaborazione del segnale, la fase del secondo che dovrà essere “forzata” sulla catena di divisione dell’orologio, dovrà tener conto anche di questi ritardi aggiuntivi.

Nel caso in cui il sistema non sia adibito alla sincronizzazione diretta di un orologio, il dispositivo di controllo provvede ad inviare in uscita, su un’opportuna interfaccia, i dati decodificati.

Infine, nel caso in cui il sistema abbia la funzione di “agganciare” al SRC la frequenza di un oscillatore locale, particolare non riportato nello schema a blocchi di Fig. 9, il dispositivo di controllo provvede ad eseguire una statistica sui dati ricevuti, a sincronizzare l’orologio e ad applicare, con un’opportuna costante di tempo, una tensione di controllo ad un oscillatore VCO (Voltage Controlled Oscillator) in modo da 11

mantenere minimo lo scarto di tempo accumulato tra i segnali ricevuti e l’orologio locale. In questo modo l’oscillatore, quindi anche l’orologio, risultano “disciplinati” dal SRC, mettendo a disposizione dell’operatore segnali riferibili ad UTC(IT).

In Fig. 10, a titolo di esempio, sono riprodotti diversi tipi di decodificatori di segnale SRC sviluppati nel corso degli anni. Alcuni di questi, come descritto in precedenza, possono anche essere dotati della funzione di “aggancio” dell’oscillatore locale ai segnali ricevuti.

Fig. 10 – Esempio di alcuni tipi di decodificatori SRC (anni 2000) Per quanto riguarda i vari tipi di decodificatori realizzati in tempi diversi da alcune aziende nazionali, si è trattato quasi sempre di apparecchiature di tipo professionale, in alcuni casi sviluppate su precise specifiche del cliente, quindi destinate ad una produzione in piccole serie. Per il SRC non sono mai stati sviluppati dispositivi di decodifica semplici e a basso costo per una diffusione di massa, come è successo ad esempio per le emissioni di segnali campione da parte della Stazione DCF77 (PTB – Physikalisch-Technische Bundesanstalt - Germania).

Occorre osservare a questo proposito che, nonostante i due sistemi (SRC e DCF77) siano paragonabili in termini di tipo di informazione trasmessa, DCF77 ha un vantaggio fondamentale: quello di utilizzare segnali ad “Onda Lunga” (77,5 kHz) con una portante “campione” dedicata esclusivamente ad attività metrologiche.

Questa tipo di frequenza, unita alla potenza utilizzata in trasmissione e grazie anche alla riflessione ionosferica, consente di coprire vaste aree a livello europeo (un raggio di circa 2000 km dal trasmettitore). Di conseguenza i ricevitori per DCF77 che possono lavorare a frequenza fissa, e sono abbastanza diffusi in Europa, risultano molto semplici, economici e a basso consumo, quindi facilmente utilizzabili per applicazioni di massa come orologi radiocontrollati domestici.

Per il SRC invece, non disponendo in Italia di una emittente dedicata a questo tipo di segnali, ma condividendo invece una emissione radiofonica AM o FM, occorre realizzare, come è stato fatto in pratica, sistemi che a seconda della località possano selezionare automaticamente o manualmente la frequenza locale di ricezione. Di conseguenza i ricevitori risultano più complessi e con maggiori consumi, quindi non adatti a realizzare semplici apparecchiature alimentate a batteria.

Per questo motivo le apparecchiature sviluppate in Italia per la decodifica del SRC, si sono indirizzate principalmente verso applicazioni professionali con caratteristiche più evolute rispetto al semplice orologio radiocontrollato domestico, oppure verso realizzazioni amatoriali. Si ha notizia che tali dispositivi siano stati sviluppati, in diversi casi, ad esempio in attività didattiche sperimentali di Istituti Tecnici o Professionali.

12

6 - Utilizzo del SRC per la riferibilità di laboratori metrologici A partire dagli anni 2000 questo tipo di segnale è stato anche censito dal BIPM all’interno dei “BIPM Annual Report on Time Activities”, nella sezione “Time Dissemination Services”, come strumento di diffusione dell’ora di riferimento in Italia (https://www.bipm.org/en/bipm/tai/annual-report.html).

La Fig. 11 riporta, a titolo di esempio, un estratto di tale documento dove, tra i vari servizi di disseminazione dell’INRIM, è messa in evidenza la frase che dichiara appunto la disponibilità di questi segnali SRC. Proprio grazie alle possibilità offerte da questo servizio, l’INRIM ha utilizzato il SRC anche per la riferibilità di alcuni Laboratori Metrologici nell’ambito del Servizio Nazionale di Taratura, almeno nei casi in cui i livelli d’incertezza richiesti fossero contenuti a livello del millisecondo per il tempo e di unità di 10-9 per la frequenza.

Tenendo conto che i Laboratori Metrologici presenti in Italia, collegati all’INRIM mediante ACCREDIA (Ente Italiano di Accreditamento) al fine di garantirne la loro riferibilità locale per la grandezza Tempo, oppure per quella derivata cioè la Frequenza, richiedono quasi sempre di avere riferibilità per quest’ultima grandezza, le catene metrologiche utilizzate a questo scopo hanno sempre privilegiato i sistemi “agganciati” al SRC, in grado di fornire appunto un segnale locale riferito a UTC(IT), ad esempio una frequenza a Fig. 11 – “BIPM Annual Report” - Servizi dell’INRIM 10 MHz, anche se in generale il sistema, mediante una taratura del ritardo di propagazione, può fornire anche la riferibilità di tempo.

A titolo di esempio in Fig. 12 sono riportati i grafici trimestrali, associati ad un certificato di taratura dell’INRIM, emesso a questo scopo di riferibilità nei confronti di un Laboratorio metrologico nazionale. Si tratta dell’andamento dello scarto di tempo medio giornaliero x = UTC(IT) – Lab + k e del corrispondente scarto relativo di frequenza y, di un sistema agganciato al SRC, riferiti in modo remoto alla scala di tempo nazionale UTC(IT). Per ottenere queste certificazioni, il Laboratorio utilizza un’apparecchiatura opportunamente predisposta in grado di agganciare l’oscillatore locale sul SRC, eseguire e raccogliere automaticamente opportuni dati di misura che vengono poi inviati periodicamente all’INRIM per l’elaborazione e la certificazione remota.

Fig. 12 – Grafici di un certificato INRIM per la riferibilità di un Laboratorio Metrologico mediante SRC 13

Per quanto riguarda lo scarto di tempo x riportato sul grafico di Fig. 12, questo è fornito a meno di una costante additiva k, inessenziale ai fini del calcolo dello scarto di frequenza, la quale dipende anche dal fatto che sia stato valutato o meno il ritardo di propagazione e di decodifica del SRC. Dalla statistica sui dati riportati sui grafici di Fig. 12 risulta che i valori medi dello scarto di tempo xm, dello scarto di frequenza ym, le corrispondenti deviazioni standard x e y ed il numero di dati considerati n, sono quelli riportati di seguito: xm = - 0,1 ms x = 0,3 ms n = 92

ym = 0,1·10-9 y = 1,2·10-9 n = 92

7 - Il SRC per applicazioni specifiche e per esperimenti scientifici Nel corso degli anni, oltre ad applicazioni amatoriali ed industriali del SRC, ci sono stati diversi utilizzi prettamente di tipo scientifico. Prima dell’affermarsi dei sistemi di radionavigazione satellitare GNSS (Global Navigation Satellite System), come ad esempio il GPS (Global Positioning System - USA), il GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System - Russia), il sistema Europeo GALILEO ed altri ancora come BEIDOU (Cina) e IRNSS (India), per una riferibilità di tempo remota ci si basava abitualmente su sistemi di disseminazione di tipo terrestre che utilizzavano emissioni radio in differenti bande di frequenza. Pertanto, diversi laboratori di misura dislocati sul territorio nazionale, hanno utilizzato il SRC per la datazione automatica di eventi rilevati localmente, eventi che necessitano di una riferibilità temporale al fine di poter essere correlati con osservazioni svolte in altre località. Nel seguito si accennerà ad alcune di queste molteplici applicazioni.

Si può segnalare, a titolo di esempio, l’attività di taratura dei ritardi del segnale orario svolta dall’INRIM presso alcune stazioni dell’ENEL fin dagli anni ’70. Per localizzare guasti sulle linee ad alta tensione, l’ENEL utilizzava una particolare tecnica basata su una “trilaterazione/triangolazione” ottenuta determinando i ritardi con cui gli eventi anomali venivano rilevati presso alcune centrali elettriche di coordinate note, in questo modo si poteva stimare da remoto la posizione dell’evento stesso, quindi la località in cui si era verificato il guasto. Questo procedimento richiedeva che gli orologi che datavano gli eventi fossero sincronizzati tra di loro e a questo scopo, per le stazioni in oggetto equipaggiate con decodificatori del segnale orario, veniva determinato il corrispondente ritardo di propagazione. In quegli anni, come segnale di riferimento, si utilizzava ancora il predecessore del nuovo SRC. Si possono ancora ricordare, come altro esempio, le collaborazioni svolte tra l’INRIM e l’INFN che in passato ha utilizzato diffusamente il SRC per la datazione di eventi rilevati in laboratori per lo studio della fisica di astroparticelle e per il rilevamento dei neutrini. Si tratta di laboratori di superficie, di alta quota o sotterranei, situati in varie località, tra i quali il più importante è il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso.

In Italia, prima dell’utilizzo intensivo dei GNSS, per datare eventi verso UTC in campo scientifico, il SRC rappresentava una comoda soluzione. In questi casi però era fondamentale la taratura del ritardo di propagazione del segnale, al fine di ridurre l’incertezza associata a tali datazioni.

Queste attività di “trasporto di orologio campione” per confronti remoti, allora abbastanza diffuse a livello internazionale, richiedevano l’utilizzo di orologi atomici portatili, alimentati a batterie, studiati in modo da avere pesi, consumi e dimensioni adatte allo scopo. A titolo di esempio, la Fig. 13 riportata l’immagine di uno di questi dispositivi utilizzati dall’INRIM negli anni ’80.

14

Fig. 13 – Trasporto di orologio atomico

Nel 1980, nell’ambito di un progetto finanziato dal CNR, utilizzando allo scopo il satellite geostazionario italiano per telecomunicazioni SIRIO 1, l’INRIM eseguì esperimenti di trasmissione e ricezione del SRC utilizzando sia un “transponder” VHF (Very High Frequency, 30 – 300 MHz) che uno SHF (Super High Frequency, 3 – 30 GHz) del satellite stesso. Gli esperimenti furono svolti in collaborazione con Telespazio S.p.A. presso le stazioni satellitari del Fucino (AQ) e Gera Lario (CO).

In Fig. 14 è riportato l’andamento del ritardo di propagazione “stazione - satellite - stazione” del SRC, rilevato durante uno di questi esperimenti.

ms

Fig. 14 – Ritardo di propagazione del SRC attraverso il transponder SHF di SIRIO 1 Questo tipo di andamento rappresenta il ritardo di propagazione vero e proprio (andata e ritorno) più quello del transponder di bordo e degli strumenti di terra, in figura è anche associata la barra dell’incertezza di misura; i dati riportati sul grafico, come in precedenza, sono forniti a meno di una costante additiva k. I punti riportati sul grafico sono valori medi di serie di 60 misure consecutive; per l’occasione il SRC veniva generato con una cadenza di 10 s anziché di 1 minuto.

Dalla figura si può notare come mediante il “transponder”SHF”, che forniva migliori risultati in termini di rapporto segnale/rumore rispetto a quello VHF, seppure utilizzando un canale a banda stretta e come modulante il semplice SRC, che non era proprio il segnale più adatto per questo tipo di indagini, si aveva comunque la possibilità di avere risoluzioni di misura a livello delle decine di microsecondi.

Dalla figura si può ancora dedurre come il ritardo vari lentamente a causa del moto residuo del satellite geostazionario, come evidenziato dalla linea tratteggiata riportata sul grafico stesso, esso denuncia un moto di allontanamento che, in quel momento, può essere stimato a livello di circa 5 ns/s e che, trattandosi di una variazione di ritardo di “andata + ritorno” corrisponde in pratica ad una velocità radiale media di circa 0,7 m/s, un valore tipico per tali tipi di satelliti. [5]

8 - Elettronica associata ai SRC Nella storia della generazione e della decodifica del SRC, può essere interessante accennare anche al fatto che nei decenni passati le tecnologie utilizzate per la realizzazione dei vari dispositivi hanno subito diverse trasformazioni.

Tanto per fare un esempio negli anni ’70 del secolo scorso, quando si sperimentarono i primi generatori e i primi decodificatori del codice di data contenuto nel SRC, i circuiti integrati disponibili sul mercato erano del tipo SSI (Small Scale Integration) e MSI (Medium Scale Integration), oggetti che potevano contenere al massimo l’equivalente di 10 o 100 porte logiche rispettivamente, che corrispondevano in pratica ad un centinaio o ad un migliaio di transistor. A chi, in quegli anni, ha utilizzato quel tipo di elettronica, saranno [5] Un tipico satellite geostazionario per telecomunicazioni, è collocato su un’orbita equatoriale a circa 36 000 km dalla Terra, posizione che gli consente di avere un periodo di rivoluzione pari alla durata del giorno siderale, quindi una velocità angolare pari a quella terrestre; esso appare pertanto fisso sull’equatore in corrispondenza di una certa longitudine. Nonostante questo, il satellite è comunque soggetto a complessi moti residui giornalieri che lo fanno periodicamente avvicinare e allontanare dalla Terra, di conseguenza il ritardo di propagazione di un segnale radioelettrico, inviato da terra e ritrasmesso dal satellite, presenta una fluttuazione giornaliera che, a seconda del tipo di satellite, può essere in totale anche dell’ordine delle centinaia di microsecondi.

15

probabilmente familiari le sigle del tipo “SN7400, SN7404, …, SN74160, …”, tanto per citare alcuni del circuiti integrati utilizzati allora, e ricorderà anche i primi “display” a stato solido a 7 segmenti.

Per il cablaggio di tali componenti in laboratorio invece, quando si trattava di realizzare dei prototipi, si utilizzava spesso una tecnica denominata “wrire-wrapping” che consentiva montaggi rapidi, facilità di verifiche funzionali e di modifiche circuitali all’occorrenza (una specie di “debug hardware”). [6] Nella realizzazione dei prototipi degli orologi per generare e per decodificare il segnale SRC, furono utilizzati ampiamente questi componenti e queste tecniche di montaggio. Per curiosità, in Fig. 15 è riportato l’esempio di quanto realizzato dal sottoscritto, come primo generatore di SRC, nel 1979.

Fig. 15 – Prototipo del generatore SRC realizzato all’INRIM (fine anni ’70) In seguito poi, per l’Istituto, furono realizzati dispositivi più professionali come già descritto in precedenza, quelli riportati in Fig. 6 per quanto riguarda i generatori e altri del tipo di quelli di Fig. 10 per quanto riguarda i decodificatori.

Con l’evolvere della tecnologia i circuiti integrati divennero sempre più complessi, una svolta decisiva avvenne con l’avvento dei microprocessori cioè dei dispositivi VLSI (Very Large Scale Integration) e dei circuiti programmabili FPGA (Field Programmable Gate Array). Questi consentirono di realizzare apparecchiature sempre più complesse, con un numero ridotto di componenti discreti e sistemi di visualizzazione e controllo più sofisticati, come ad esempio gli schermi LCD (Liquid Crystal Display) dotati anche di funzioni tattili “Touch Screen”.

[6] La tecnica di cablaggio “wire-wrapping” (si tratta di “archeologia elettronica”), consiste nell’utilizzare componenti elettronici inseriti su speciali “zoccoli” con piedini allungati, di sezione quadrata e a spigoli vivi. Le connessioni tra i diversi piedini, secondo lo schema elettrico da realizzare, avviene mediante fili isolati rigidi che vengono avvolti strettamente attorno ai piedini mediante un apposito avvolgitore elettrico. L’operazione provoca una parziale incisione del filo da parte degli spigoli dei piedini e garantisce un ottimo contatto elettrico. In qualunque momento poi è possibile apportare modifiche al circuito svolgendo e riavvolgendo un nuovo filo di collegamento.

Questo procedimento, abbastanza flessibile in quanto consente di creare e modificare rapidamente i collegamenti in base alle esigenze sperimentali, in molti casi veniva utilizzato non solo per prototipi ma anche per apparecchiature definitive. In questo modo si poteva realizzare qualcosa di equivalente ad un circuito stampato partendo da una semplice piastra forata dove erano alloggiati gli zoccoli dei componenti.

La figura riportata a lato rappresenta una scheda realizzata appunto mediante questa tecnica di cablaggio.

16

Per quanto riguarda i decodificatori per SRC, persino il sottoscritto si cimentò nella realizzazione di un prototipo basato su uno dei primi microprocessori; si trattava ovviamente del “nonno” di quelli attualmente in commercio.

Può essere curioso ricordare che in qualche modo, il SRC, ha beneficiato negli anni di tecnologie di diverse generazioni. E può essere ancora più interessante sottolineare che, mentre i primi dispositivi per generare o decodificare il SRC furono realizzati mediante circuiti integrati SSI e MSI che contenevano l’equivalente di centinaia o migliaia di transistor, i microprocessore più recenti dispongono al loro interno di qualcosa che equivale a milioni di transistor e, per alcuni dispositivi, si arriva anche ai miliardi.

Anche per quanto riguarda la realizzazione dei circuiti stampati, con gli attuali programmi di CAD (Computer-Aided Design) e CADD (Computer-Aided Design and Drafting), si possono disegnare sullo schermo del PC, verificandone anche dinamicamente il funzionamento, circuiti complessi che saranno poi realizzati industrialmente su supporti multistrato; questi, rispetto ai prototipi dei primi dispositivi utilizzati in Istituto, risultano estremamente compatti. Un esempio dell’interno di un generatore SRC realizzato con queste modalità è riportato in Fig. 16.

Fig. 16 – Interno di un generatori SRC (anni 2010)

9 - Alcune curiosità sul Segnale Orario Negli anni ’80 del secolo scorso un’azienda di Roma, che per inciso realizzò anche i primi sistemi di votazione elettronica per Camera e Senato, realizzò un sistema di timbratura, basato sul SRC, per il personale di una centrale elettrica del Centro Italia. In quegli anni il segnale orario non era ancora completo dell’indicazione dell’anno, cosa che avvenne solo negli anni ’90. Tale limitazione però era nota ai responsabili dei sistemi di controllo della centrale, come lo era anche la necessità di provvedere manualmente all’aggiornamento dell’anno corrente nel sistema al momento opportuno. All’alba del 1 gennaio del 1983, il responsabile dell’azienda costruttrice dei decodificatori fu interpellato con urgenza: tutti i tesserini d’ingresso dei lavoratori del primo turno in centrale non erano più funzionanti. Evidentemente, l’aggiornamento manuale previsto non era stato fatto ...

Può essere curioso ricordare quanto accadde in occasione di una campagna di misure di ritardo di propagazione, svoltasi a metà degli anni ’80. Si trattava di un trasporto di orologio atomico, mantenuto in funzione mediante batterie, dall’INRIM al laboratorio INFN di Cervinia (Testa Grigia, a circa 3400 m) dove era installato un sistema di datazione basato sul SRC. Lo scopo era sempre quello di tarare il ritardo del segnale ricevuto localmente rispetto ad UTC(IT). All’andata, il viaggio in automobile e poi in funivia si svolse regolarmente, fu incontrata qualche difficoltà solo nel breve tragitto dalla stazione della funivia al Laboratorio dove, con le nostre apparecchiature in funzione, si sprofondava facilmente nella neve fino al ginocchio. Il giorno successivo però, quando si trattava di tornare in sede, essendosi levato un forte vento, l’ultima tratta di funivia non poteva es sere operativa per motivi di sicurezza. Dovendo però rientrare in tempi brevi per 17

poter chiudere correttamente la taratura, si ripiegò sull’utilizzo, in alternativa, di un “gatto delle nevi” venuto in soccorso ai malcapitati, sul quale imbarcammo in modo un po’ precario le apparecchiature e l’orologio atomico funzionante. Naturalmente le preziose apparecchiature furono collocate in cabina mentre, per ragioni di spazio, noi dovemmo affrontare il tragitto all’esterno della cabina, in balìa del vento e del nevischio.

Come già detto, a quei tempi i trasporti di orologio atomico per campagne di taratura erano abbastanza diffusi a livello internazionale, essi si svolgevano abitualmente utilizzando automobili, treni e aerei. Forse quello di Cervinia fu uno dei pochi, o magari l’unico, trasporto di orologio su “gatto delle nevi” di cui si abbia notizia …

Sempre negli anni ’80 si verificò un evento particolare, della cui pericolosità si era a conoscenza in quanto già verificatosi in passato. Il titolare dell’azienda di Roma citata in precedenza, in seguito alla ricezione di un segnale orario, constatò che i decodificatori locali si erano sincronizzati tutti su un’ora e una data diversa da quella corrente, e l’annuncio vocale trasmesso confermava tale errore. Preoccupato per l’evento si recò immediatamente presso la sede RAI di Via Asiago a Roma, per cercare di chiarire le motivazioni di quanto accaduto. Si presentò, come racconta lo stesso protagonista, in “pantaloncini e canottiera” con evidenti difficoltà nel farsi ricevere all’ingresso. Superate le prevedibili diffidenze iniziali, un solerte funzionario riuscì a ricostruire l’accaduto: era stato trasmesso un segnale orario “registrato”, quindi “sbagliato” per definizione.

Su questo rischio di trasmettere un segnale che ha validità in “tempo reale” ma non in “differita”, come appunto nel caso del SRC, la RAI stessa aveva già emanato una direttiva interna secondo la quale non dovevano essere trasmessi segnali orari registrati, direttiva che, evidentemente, era stata disattesa …

Attorno agli anni 2000 infine il sottoscritto, mentre era in ufficio, ricevette una telefonata dal collega della portineria dell’Istituto in questi termini: “… qui c’è la Polizia di Stato che chiede di te …”. Naturalmente la prima reazione fu quella di analizzare rapidamente le mie azioni passate al fine di scoprire se avevo compiuto qualche azione illegale che giustificasse tale intervento … Quando i funzionari giunsero in ufficio capii immediatamente, con un certo sollievo, che i timori non erano giustificati: si trattava semplicemente di una richiesta di informazioni legate alla datazione di un evento che coinvolgeva informazioni di ora e data e, in ultima analisi, dove era coinvolto sempre il SRC.

10 - Convenzioni tra INRIM e RAI A partire dagli anni ’90, con la consapevolezza da parte della RAI e dell’INRIM della necessità e dell’importanza di garantire costantemente la massima qualità e correttezza nell’emissione del SRC, fu introdotta tutta una serie di criteri di controllo sullo stato del segnale, sulla sua disponibilità con “continuità” e sul suo monitoraggio, per evitare emissioni erronee dovute a problemi legati alle apparecchiature. Inoltre, per garantire un pronto intervento nel caso di possibili anomalie, si rese necessario predisporre servizi di “reperibilità” tali da garantire un intervento rapido in caso di necessità. Alcuni di questi criteri di sicurezza venivano già garantiti da una generazione dei segnali di tipo “ridondante” come descritto in precedenza, per altri occorreva predisporre una serie di presidi adatti ad evitare il più possibile inconvenienti. Occorre sottolineare che il servizio SRC è di tipo “continuo”, cioè deve essere disponibile 24 ore su 24 e 7 giorni su 7 festività comprese, quindi i criteri di controllo devono essere severi e sempre attivi.

La realizzazione di questi presidi portò anche a riconsiderare l’impegno economico che comportavano nei confronti dell’INRIM, e di conseguenza la necessità di richiedere alla RAI un contributo che coprisse, almeno in parte, i costi necessari a garantire la manutenzione e il rinnovo delle apparecchiature. [7]

[7]

A titolo di esempio si può assumere che attualmente (2019), considerando le apparecchiature riportate nello schema di generazione di Fig. 4, un singolo campione a fascio di cesio abbia un costo di circa 100 000 € e necessiti di interventi di ripristino del risuonatore, mediamente ogni cinque anni, con costi dell’ordine di 50 000 €. Per quanto riguarda poi i generatori, il commutatore automatico e le apparecchiature accessorie, essendo in generale dispositivi costruiti su specifica richiesta e in piccole serie, possono avere un valore totale che si aggira sugli 80 - 100 000 €. Occorre poi tener conto del fatto che il Laboratorio di Tempo e Frequenza ha tutta una serie di sicurezze, ad esempio le alimentazioni di continuità per evitare interruzioni della rete elettrica, i sistemi di controllo e di climatizzazione utilizzati anche dalle catene SRC, senza contare poi l’impegno di personale per la gestione normale e per la reperibilità.

18

Si fecero quindi valutazioni realistiche sul costo delle apparecchiature utilizzate per la generazione del SRC, anche se non sempre erano dedicate completamente a tale servizio ma erano condivise con altre attività istituzionali. In base a tali considerazioni economiche, fu proposto un prospetto di “Convenzione” tra l’INRIM e la RAI che prevedeva di coprire, almeno parzialmente, i costi reali del servizio.

Alla fine si giunse alla firma di una serie di Convenzioni, di durata triennale e parzialmente riaggiornate nel corso degli anni, che indicavano le condizioni economiche, i diritti e i doveri dei due enti interessati; tali Convenzioni si protrassero fino al 2016 quando la RAI comunicò la disdetta unilaterale di tali accordi.

11 - Controllo remoto del SRC da parte dell’INRIM Dal momento che l’emissione del SRC rappresentava a tutti gli effetti un mezzo di disseminazione della Scala di Tempo UTC(IT) a livello nazionale, l’INRIM predispose anche una struttura di controllo remoto del segnale in modo da verificare che lo stesso venisse trasmesso regolarmente e ricevuto ai livelli d’incertezza attesi.

Intanto, per agevolare la sorveglianza da parte dell’operatore “reperibile”, fu predisposto un sistema di monitoraggio con segnalazione automatica di anomalie via cellulare. Da remoto poi, opportuni dispositivi connessi via rete potevano fornire in tempo reale dati essenziali sul funzionamento del laboratorio e, mediante telecamere, un’osservazione qualitativa e preventiva remota delle apparecchiature.

Come schematizzato in Fig. 17, il SRC generato dall’INRIM è sempre stato inviato alla sede RAI di Torino che lo inoltrava poi al Centro di Produzione RAI di Roma Fig. 17 – Percorso del SRC: TO-RM-TO e da questo, al momento opportuno, veniva inserito nei programmi radiofonici prima dei notiziari. Per ottenere un controllo metrologico remoto presso l’INRIM, si trattava quindi di valutare anche la stabilità del segnale lungo tutto il percorso. Per eseguire tale valutazione, il segnale veniva ricevuto nuovamente, via radio, a Torino e confrontato con quello generato in origine. Il valore assoluto del ritardo globale di propagazione così determinato è inessenziale, in quanto può essere compensato dai ricevitori SRC, quella che è importante invece è la sua stabilità nel tempo che è indice di una emissione e di un percorso regolari.

A tale scopo un’apposita apparecchiatura automatica istallata all’INRIM, in grado di ricevere i due canali radiofonici di Radio1 e Radio3, decodificava i SRC ricevuti, verificava la loro congruità e li confrontava con UTC(IT). I dati raccolti consentivano così di valutare l’andamento del ritardo, quindi la qualità del segnale ricevuto a valle dell’intero percorso. Eventuali anomalie (assenze di segnali, variazioni del numero medio di emissioni, cambiamenti significativi del ritardo misurato), servivano come segnalazione all’INRIM di qualche malfunzionamento nella generazione o nella trasmissione del segnale. La Fig. 18 riporta l’immagine di tale tipo di apparecchiatura.

Fig. 18 – Ricevitore per il controllo remoto all’INRIM del SRC

19

In Fig. 19 invece sono riportati due grafici che rappresentano l’andamento temporale del ritardo del SRC ricevuto a Torino, sia su Radio1 che su Radio3, confrontato con quello generato all’origine.

Fig. 19 – Andamento del ritardo di propagazione sul percorso: TO - RM - TO Il periodo considerato è quello dal 1 gennaio 2016 (MJD 57388) al 28 febbraio 2017 (MJD 57812), ma tale andamento è comunque indicativo del comportamento abituale relativo anche ad altri periodi analizzati.

Le date riportate in ascissa sulle figure sono espresse, come succede spesso nella metrologia del Tempo e della Frequenza, in termini di MJD (Modified Julian Date). [8] Da una semplice statistica sui dati riportati in Fig. 19 si possono dedurre i seguenti risultati: Radio 1 media = sigma = min = max = n. dati =

1,2 ms 0,6 ms –1,1 ms 4,8 ms 12748

Radio 3 media = sigma = min = max = n. dati =

–5,2 ms 0,6 ms –6,9 ms –2,8 ms 4326

Per valutare invece la quantità di segnali emessi e ricevuti giornalmente si può far riferimento alla Fig. 20 che analizza, con altri criteri cioè mediante istogrammi, gli stessi dati riportati in Fig. 19. Dalla stessa figura si può anche dedurre il numero di emissioni giornaliere che cambia a seconda della rete considerata: per Radio 1 varia da 20 a 38, con valori più probabili attorno a 32 – 34, mentre per Radio 3 varia da 7 a 12 con valori più probabili attorno a 10 – 11.

Nel periodo considerato si è visto inoltre che la frequenza delle emissioni giornaliere è pressoché costante, entro poche unità, a prescindere dal giorno della settimana preso in considerazione.

[8]

Esprimere una data del calendario in MJD (Modified Julian Date) oppure DGM (Data Giuliana Modificata), è una convenzione utilizzata a livello Internazionale per ”decimalizzare” l’espressione delle date. Si tratta di un sistema di datazione degli eventi consistente in una numerazione progressiva dei giorni a partire da una certa origine, in molti casi molto più comoda da utilizzare della datazione corrente, adottato in sede internazionale ed ampiamente usato nell'ambito scientifico e commerciale. La MJD è sincrona con l’ora e la data UTC (Universal Time Coordinated).

L'origine della scala MJD è fissata alle ore 00:00 del 17 novembre 1858; da quell’origine il conteggio dei giorni raggiunge, ad esempio, il valore di 57023 per il 1 gennaio 2015 ed il valore di 58849 per il 1 gennaio 2020.

Esiste anche una datazione analoga, con origine molto più remota: la Data Giuliana (JD -Julian Date). Questa ha origine alle ore 12:00 del 1 gennaio del 4713 A.C. La MJD e la JD sono legate da semplici relazioni: MJD = JD – 2 400 000,5 JD = MJD + 2 400 000,5 Il fatto che le due datazioni differiscano di un numero non intero deriva dalla definizione dell’origine del giorno che in passato era alle ore 12:00 anziché alle 00:00 come avviene attualmente.

La MJD o la JD possono essere espresse come numeri interi o frazionari, in quest’ultimo caso la parte decimale rappresenta la frazione di giorno e si può ottenere a partire dall’ora d’interesse convertendo ore, minuti e secondi in frazioni di giorno.

20

Radio 1

Radio 3

Fig. 20 – Istogrammi del numero di emissioni giornaliere (Gen 2016 – Feb 2017) Per quanto riguarda invece le ore in cui vengono emessi mediamente i segnali occorre sottolineare che in generale, per Radio 1, questo avviene al minuto “00”, anche se spesso l’emissione si ripete anche al minuto “30”. Per Radio 3 invece le emissioni avvengono abitualmente ai minuti “45”, anche se talvolta si ripetono ai minuti “00” o “15”. A titolo di esempio, in Fig. 21, è riportato lo schema di cadenza delle emissioni nel caso sia di Radio 1 che di Radio 3, dal grafico si può valutare come nel primo caso la distribuzione all’interno della giornata è piuttosto uniforme, mentre per il secondo si ha una maggiore concentrazione di segnali nelle ore centrali.

Radio 1

Radio 3

Fig. 21 – Diagramma delle emissioni giornaliere del SRC

12 - Altri esperimenti, eventi e mostre L’utilizzo del SRC in Italia suscitò interessi anche da parte di altri Enti posti al di fuori del territorio nazionale. A titolo di esempio si possono ricordare due collaborazioni rispettivamente con il Laboratorio di Tempo e Frequenza di TUG (Università Tecnica di Graz - Austria) e con l’istituto IREE-CSAS (Institute of Radio Engineering and Electronics) di Praga.

Nel primo caso fu installato un decodificatore del SRC di tipo commerciale presso il Laboratorio di Graz il quale, grazie alla sua posizione relativamente vicina all’Italia, poteva ricevere le emissioni radiofoniche della RAI a modulazione di ampiezza, in particolare quelle di Siziano (Milano 1). A motivo della distanza (quasi 700 km) e della frequenza di trasmissione (900 kHz), i soli segnali utilizzabili erano quelli notturni ricevuti mediante “Onda di Spazio”. Il SRC ricevuto a Graz fu confrontato con la Scala di Tempo UTC(TUG) e all’INRIM con UTC(IT), per un periodo di circa due anni. Le misure consentirono di valutare la stabilità del ritardo differenziale di propagazione tra le due località che, nonostante la distanza, il rapporto segnale/rumore sfavorevole nel caso di Graz e l’impossibilità di ricevere un segnale come “Onda Diretta”, risultò comunque dell’ordine del millisecondo.

21

Nel secondo caso, nell’ambito di un apposito Contratto di Collaborazione tra Italia e Repubblica Ceca svoltosi negli anni ‘80 – ’90, fu possibile attivare una intensa collaborazione con i responsabili della Scala di Tempo dell’IREE di Praga. Nel corso delle diverse attività previste, e delle ripetute visite reciproche presso i rispettivi Istituti, i colleghi di Praga apprezzarono e studiarono il nostro SRC, tanto che fu anche proposta una sua replica nella Repubblica Ceca. Progetto che poi non andò a buon fine per motivi diversi.

Fin dall’introduzione in Italia del SRC (1979), si presentarono molte opportunità per l’INRIM di fornire al grande pubblico informazioni relative alla propria attività, mediante eventi di divulgazione in occasione di mostre, articoli su quotidiani o riviste, partecipazione a programmi radiofonici o televisivi. L’elemento che faceva da catalizzatore in quegli anni era molto sovente il SRC, attraverso il quale poi si poteva introdurre un discorso più generale sulla metrologia e sulle altre attività dell’INRIM. Nel 1992, tanto per richiamare uno dei possibili esempi, l’INRIM fu presente al “Salone Internazionale dell’Orologeria” di Vicenza con un punto espositivo ed un opuscolo illustrativo preparato per l’occasione, dove si presentava l’attività svolta dall’Istituto e si evidenziava l’utilizzo del SRC. Per molti anni, sull’inserto settimanale del quotidiano “La Stampa” di Torino “Tuttoscienze”, furono pubblicati servizi riferiti all’attività dell’INRIM, e in molte occasioni veniva richiamato in modo esplicito il servizio di segnale orario.

Nel corso degli anni l’INRIM, con i suoi orologi di riferimento ed in particolare con il SRC, fu protagonista di trasmissioni televisive della RAI. Sono state numerose le riprese televisive e le interviste fatte in varie occasioni presso il Laboratorio di Tempo e Frequenza, andate poi in onda all’interno di determinati programmi; in questi casi il SRC rappresentava sempre uno specifico richiamo. Negli anni ‘90, sempre a proposito dell’attività dell’INRIM e con riferimento al segnale orario, ci fu anche una partecipazione al “Salone del Libro” di Torino, ospiti del padiglione della RAI. Negli anni ‘2000 fu installato un punto espositivo permanete presso il “Laboratorio della Curiosità: xké” di Torino, dedicato alle varie metrologie, dotato di orologi e sistemi sincronizzati dal SRC. In occasione del capodanno 1999/2000, quando si verificarono due eventi particolari: la transizione al nuovo millennio e il “millennium bug”, ci furono molte occasioni per chiamare in causa l’Istituto.

Intanto il passaggio al nuovo millennio (tra venerdì 31 dicembre 1999 e sabato 1 gennaio 2000), che di per sé non aveva nessun particolare significato concreto, scatenò molte discussioni sia sul fatto che il nuovo millennio iniziasse effettivamente a gennaio del 2000 e non invece, come affermavano altri, con il 2001. Ma aprì anche altre questioni: il 2000 era un anno bisestile oppure no? In effetti, per la regola sugli anni bisestili introdotta nel XVI secolo, il 2000 lo era pur essendo un anno “secolare”, cioè un anno che invece abitualmente non lo è. [9] In corrispondenza di tale evento, l’INRIM fu naturalmente protagonista di servizi radiotelevisivi, di articoli su quotidiani, riviste ed altro ancora. A titolo di esempio in Fig. 22 è riportato un articolo di “Repubblica” (del 31 dicembre 1999) dove un certo personaggio veniva un po’ pomposamente definito come “il Grande Orologiaio” e dove, tra l’altro, non si mancava di citare le attività dell’Istituto e, naturalmente, il segnale orario dell’INRIM.

[9] Con la Riforma di Gregorio XIII del calendario (1582), fra le altre questioni fu definita anche la regola degli anni bisestili la quale prevede che tali anni siano quelli multipli di “4”, ad eccezione di quelli secolari, a meno che non siano anche multipli di “400”. A motivo di questo, mentre il 1900 e il 2100 non sono bisestili, il 2000 lo è stato.

A causa di questa particolarità dell’anno 2000 molti “software”, utilizzati in tutto il mondo per le normali attività scientifiche e commerciali, non erano predisposti a riconoscere questo evento “anomalo” per quanto riguarda l’anno bisestile e potevano fornire datazioni errate, si trattò del cosiddetto “millennium bug”. Uno dei motivi di questi comportamenti derivava dal fatto che i software più vecchi, per ragioni varie, mantenevano l’informazione dell’anno solo in termini di unità e decine, assumendo note a priori le centinaia e le migliaia, e questo non consentiva di individuare il secolo in modo univoco.

Questo fatto creò abbastanza panico a livello internazionale, in effetti poi la ricaduta fu meno pesante di quanto previsto e i software più recenti consentivano già un funzionamento regolare.

22

Sempre in occasione di tale capodanno si verificò un fatto curioso che coinvolse un collega, in servizio di “reperibilità” proprio a capodanno.

Allo scoccare della mezzanotte, mentre si trovava a casa di amici per festeggiare l’evento, fu rintracciato telefonicamente e condotto dai Carabinieri in Istituto perché era stata segnalata da più parti una preoccupante anomalia relativa alla datazione, e sul sito web dell’Istituto era apparsa una data sbagliata.

Il collega ebbe la possibilità di constatare che in effetti c’era stato questo tipo di problema, dovuto probabilmente al “millennium bug” e ad un malfunzionamento di un software commerciale, il quale però aveva interessato solamente la presentazione dell’ora sul sito dell’Istituto, mentre tutto il resto era perfettamente funzionante.

Fig. 22 – Articolo di Repubblica del 31 dicembre 1999

Il problema fu individuato e risolto rapidamente, e fu interessante constatare che gli altri servizi, ed in particolare il SRC, avevano svolto regolarmente il loro compito a dispetto dei timori descritti in precedenza.

13 - Eventi più recenti Nel 2007, in occasione della prima edizione della manifestazione nazionale “La Notte dei Ricercatori”, L’INRIM organizzò uno spazio espositivo in Piazza Vittorio a Torino. In questo contesto, accanto alla presentazione di alcune attività dell’Istituto, fu predisposta una postazione dove veniva descritto il SRC e dove i visitatori potevano svolgere alcuni esperimenti di tipo interattivo.

Nel 2014, ricorrendo i 35 anni dall’inizio delle emissioni del SRC, fu organizzata una manifestazione congiunta INRIM - RAI per celebrare l’anniversario, questo avvenne nell’ambito dell’evento “Prix Italia 2014”.

In quell’occasione fu allestita anche una postazione, dove venivano delineate le collaborazioni tra i due enti e descritti nel dettaglio la storia e il funzionamento del SRC. Fu anche predisposto un “pieghevole” esplicativo dei vari servizi di cui in Fig. 23, a titolo di esempio, sono riportate alcune pagine.

Fig. 23 – Esempio del “pieghevole” predisposto in occasione dell’evento INRIM – RAI 23

Sempre nel 2014, in occasione dell’annuale “Festival della Scienza” di Genova, che quell’anno aveva come tema proprio “Il Tempo”, l’INRIM contribuì alla manifestazione con una serie di punti espositivi, alcuni dei quali anche di tipo interattivo. Furono presentati alcuni orologi storici, informazioni sulle tecniche della misura del tempo, i campioni atomici di frequenza, i sistemi di radionavigazione e, in particolare, una descrizione dettagliata ed interattiva del SRC. In Fig. 24 sono riportate alcune immagini relative alla manifestazione di Genova, quella sulla destra della figura, in particolare, ritrae la postazione che riguardava il funzionamento del SRC. Qui i visitatori potevano verificare la genesi e la propagazione del segnale e, alla fine in modo sperimentale, osservare l’effetto che il segnale ricevuto via radio provocava su un orologio elettronico, messo volontariamente fuori passo e sincronizzato automaticamente dal primo SRC disponibile.

In occasione invece del progetto europeo DEMETRA (DEMonstrator of EGNSS services based on Time Reference Architecture), nell’ambito di “H2020 - European Research and Innovation Program“ avviato nel 2016, l’INRIM fu capofila di tale iniziativa, realizzando anche un apposito laboratorio per le diverse sperimentazioni, dove furono ospitate anche attività di Enti esterni. Lo scopo era quello di studiare servizi avanzati di sincronizzazione e certificazione dei segnali di tempo per il mondo della finanza, dei trasporti, dell’energia e dei media.

Nell’ambito di questo progetto, accanto ad altri otto temi di investigazione su tecniche differenti, furono svolte indagini dettagliate anche sull’uso del SRC, utilizzato sia localmente che ricevendolo via radio (FM) oppure DAB (Digital Audio Broadcasting). In questo caso fu anche possibile quantificare meglio, come sarà dettagliato nel seguito, i problemi di ritardo aggiuntivi dovuti alla codifica DAB del segnale audio.

In Fig. 25, a titolo di esempio, è riportata un’immagine parziale del laboratorio DEMETRA, dove si possono vedere anche le apparecchiature coinvolte negli esperimenti con il SRC svolti nel 2016.

Fig. 24 – Alcuni punti espositivi dell’INRIM al Festival della Scienza di Genova del 2014 24

Fig. 25 – Apparecchiature destinate agli esperimenti sul SRC in ambito DEMETRA Da molti anni l’INRIM è meta di visite di studio, di tipo divulgativo e di tipo ricreativo per gruppi di diversa natura. Per quanto riguarda le scuole si tratta abitualmente di Istituti Primari, Secondari ed Università, in altri casi si ha a che fare con gruppi organizzati oppure di semplici cittadini.

Spesso i gruppi in visita chiedono di avere accesso al Laboratorio di Tempo e Frequenza e, in questo caso e specialmente in passato, era interessante vedere la sorpresa dei presenti al momento in cui veniva descritto il SRC e, immancabilmente, si poteva ascoltare il caratteristico “trillo” proveniente dai generatori del laboratorio.

Negli ultimi 10-15 anni c’è stata una crescita notevole del numero di visitatori del Laboratorio di Tempo e Frequenza, passando da circa 50 persone all’anno (4 gruppi) del 2005 ad una media di circa 700-800 persone all’anno (40-50 gruppi) per il 2017/18. In Fig. 26, a titolo di esempio, è riportata l’immagine di una di queste visite per ragazzi di Scuola Media.

Fig. 26 – Visita di una scuola presso il Laboratorio di Tempo e Frequenza 25

14 - Cessazione della collaborazione INRIM - RAI La situazione descritta a grandi linee in precedenza, a proposito del SRC, si è protratta regolarmente e con risultati positivi fino al 2016 quando, su iniziativa unilaterale da parte della RAI, fu decisa la cessazione della collaborazione tra i due Enti che era durata per molti decenni. I motivi che stavano alla base di tale evento potevano essere molteplici, alcuni di carattere strettamente tecnico, di cui si accennerà nel seguito, altri risultavano di diversa natura.

Era noto da tempo che per le emissioni del SRC, mediante normali stazioni radiofoniche terrestri (ad esempio FM), oppure mediante un canale satellitare, l’andamento dei ritardi di propagazione erano contenuti rispettivamente a livello di decine o centinaia di millisecondi, inoltre risultavano relativamente stabili quindi facilmente compensabili. Utilizzando invece emissioni DAB, tali ritardi diventavano molto più elevati e difficilmente predicibili. Questo fatto fu valutato in dettaglio anche nel corso del progetto DEMETRA, e l’evidenza sperimentale metteva in cattiva luce l’uso futuro di questi segnali digitali per ottenere segnali di riferimento temporali. Anche se in pratica la maggior parte delle emissioni attuali dei segnali radiofonici avviene mediante ponti radio terrestri in FM, per il futuro il panorama avrebbe potuto essere differente e meno favorevole.

Da prove sperimentali svolte nel 2016 risulta che i ritardi, con cui un utente può ricevere localmente il SRC, possono essere sintetizzati secondo quanto riportato in Tabella 2.

Tabella 2 - Ritardi tipici del SRC Segnale utilizzato

Ritardo

Fluttuazione

Ripetitori terrestri (FM)

10 – 40 millisecondi

millisecondi

Canali satellitari

300 – 600 millisecondi

millisecondi

Reti digitali terrestri

1 – 2 secondi

secondi

DAB (Digital Audio Broadcasting)

3 – 4 secondi

secondi

Questi risultati denunciano chiaramente che nel caso del DAB le caratteristiche del segnale, in termini di riferibilità ad UTC(IT) ad esempio, risulterebbero fortemente deteriorate, quindi sarebbe fortemente penalizzato l’uso del SRC in questo contesto. [10] Comunque, se da una parte appare squalificato l’uso metrologico del SRC, non sarebbe comunque da condannare definitivamente. Intanto si tratta pur sempre di un segnale riferito all’ora legale nazionale, contenente oltre all’ora e alla data anche informazioni accessorie, non sempre disponibili in altri tipi di segnale, come il preavviso del cambio di ora da solare a estiva o viceversa e dell’introduzione del secondo intercalare. Inoltre, anche se tale possibilità avrebbe richiesto indagini dettagliate, probabilmente si sarebbe potuto studiare un meccanismo che attenuasse o compensasse l’entità di tali ritardi. Purtroppo, su quest’ultima ipotesi non è stato possibile eseguire ulteriori indagini.

Nel marzo del 2016 la RAI, con una comunicazione unilaterale, informava l’Istituto della propria intenzione di non prorogare ulteriormente la Convenzione INRIM-RAI per la diffusione del SRC, adducendo a tale decisione ragionamenti del tipo di quelli riportati di seguito: [10] I segnali radiotelevisivi che vengono inviati su canali di tipo digitale, come nel caso delle emissioni radiofoniche DAB, subiscono una elaborazione di tipo numerico al fine di un miglior utilizzo della banda di trasmissione, consentendo di “multiplare” più emissioni contemporanee sullo stesso supporto, e garantendo allo stesso tempo un’ottima qualità del segnale. Questo procedimento però introduce dei “tempi di latenza” che, anche se non interferiscono ai fini della corretta ricezione di un messaggio sonoro, ne deteriorano sensibilmente la riferibilità se a tale segnale è affidato un riferimento temporale come nel caso del SRC. Una semplice verifica sperimentale di tale “latenza” si ha quando, ad esempio durante un collegamento televisivo con un corrispondente remoto, le risposte della persona interpellata non sono immediate ma giungono con un ritardo di alcuni secondi rispetto alla domanda dell’intervistatore.

Un’altra verifica può essere fatta ascoltando contemporaneamente, la stessa emissione radiofonica, mediante un ricevitore FM ed uno DAB: i messaggi sonori ricevuti da quest’ultimo risultano temporalmente sfasati in ritardo di alcuni secondi rispetto a quelli del primo.

26

“… il segnale oggetto della Convenzione … non appare più compatibile con la programmazione radiofonica odierna. … la caratteristica preminente del servizio, cioè quella di rendere il segnale disponibile in modo capillare sul territorio nazionale, risulta oggi assai meno utile, … attualmente, mediante nuove modalità alternative e gratuite, l'intera popolazione può disporre infatti dell'ora esatta ….

Per la verità da tempo venivano segnalate, in modo non ufficiale da parte della RAI, alcune debolezze del SRC sulle quali però si sarebbe potuto aprire un confronto tuttavia, questa comunicazione, creò un po’ di disorientamento anche se le motivazioni tecniche potevano essere condivise.

In passato i rapporti di collaborazione tra i due Enti erano sempre stati molto stretti e produttivi, i referenti principali e qualificati per l’Istituto erano rappresentati dai “Servizi Tecnici” e dal “Laboratorio Ricerche” della RAI di Torino. Questa situazione tuttavia cambiò in modo sostanziale quando le competenze su questo tipo di servizi fu trasferita da Torino a Roma.

Nell’aprile 2016, a seguito della lettera di “cessazione” richiamata prima, furono inviate al “Responsabile Radio” RAI di Roma alcune valutazioni di carattere generale da parte dell’INRIM, richiedendo inoltre esplicitamente di poter intavolare una collaborazione per trovare soluzioni alternative, tale replica tuttavia non ebbe riscontro. [11] A tale proposito, nel giugno del 2016, furono inviate anche opportune segnalazioni, a scopo informativo, al MISE (Ministero dello Sviluppo Economico) e al MIUR (Ministero Università e Ricerca), ma anche queste non provocarono alcun effetto.

Questa scelta della RAI, anche se in qualche modo un po’ “preannunciata”, creò immediatamente problemi ed incertezze, almeno per quanto riguarda il personale INRIM direttamente coinvolto in queste attività.

Occorre intanto ricordare che, già da diversi anni, si era a conoscenza che la RAI si era attrezzata con generatori SRC autonomi, i quali ricevevano il segnale di riferimento di ora e data dall’INRIM attraverso il SRC stesso, ma potevano eventualmente utilizzare in alternativa altri tipi di riferimento temporale esterno.

Questa necessità di generazione in autonomia era scaturita dal fatto che in alcuni rari casi, il segnale originale dell’INRIM poteva temporaneamente non raggiungere la sede RAI di Torino, oppure giungervi deteriorato, a causa di guasti o anomalie legati al tragitto via cavo o via radio che non dipendevano dall’Istituto. Questa scelta di avere generatori autonomi rappresentava quindi un’ulteriore sicurezza per la qualità del segnale stesso ma, allo stesso tempo, rendeva di fatto autonoma la RAI ai fini della generazione del SRC.

[11]

Le valutazioni dell’INRIM, relative ai punti a), b) e c) richiamati dalla lettera dalla RAI, erano le seguenti:

a) Tipo di segnale “superato” se confrontato con altre tecnologie attualmente disponibili. b) Scarsa flessibilità nella messa in onda del segnale: essendo emesso al secondo 52, comporta una certa rigidità nell’introdurlo al momento giusto all’interno delle altre informazioni. c) Esigenza, da parte della RAI, di ridurre i costi di esercizio.

Per quanto riguarda il punto a), la motivazione era fondata. Si potrebbe comunque sottolineare che abitualmente, il segnale radiofonico è ricevibile più facilmente di altri in condizioni estreme, ad esempio all’interno di edifici o in zone ad alto inquinamento elettromagnetico. In alcuni casi infatti non è possibile ricevere segnali satellitari, e non sempre si può disporre di connessioni Internet. Anche se attualmente le reti di telefonia cellulare forniscono informazioni di ora e data di buona qualità, potrebbe però essere un valore aggiunto quello che questi segnali provengano dall’INRIM che genera la Scala di Tempo Nazionale. Si può ancora sottolineare che il SRC, censito anche a livello internazionale tra i “Time Dissemination Services” dal BIPM, si trova in “buona compagnia” con molte decine di altri servizi radio elettrici terrestri gestiti da Enti Metrologici sparsi un po’ in tutto il mondo. Di questi servizi, che svolgono regolarmente il loro compito e sono utilizzati anche per scopi metrologici, una decina hanno caratteristiche molto simili a quelle del SRC. Per quanto riguarda il punto b), l’osservazione era ovviamente condivisibile. Proprio per venire incontro a tale esigenza si sarebbe potuto proporre di modificare l’attuale cadenza del segnale, passando da 1 minuto a 10 secondi ad esempio. Questo avrebbe consentito di avere a disposizione un segnale più frequente e più facilmente inseribile all’interno delle altre informazioni.

Per quanto riguarda il punto c) invece, la motivazione sembrava un po’ “forzata”. Il servizio ha una sua valenza propria ed è disponibile 365 giorni l’anno (alla RAI giungevano infatti annualmente circa 52 600 segnali campione riferiti ad UTC(IT)).

Non va dimenticato poi che la RAI, spesso, utilizza il SRC all’interno di uno spot pubblicitario a pagamento …

27

A seguito poi della cessazione della Convenzione ci si poneva anche una domanda fondamentale, cioè se in seguito il segnale avrebbe continuato ad essere trasmesso oppure no, e questo creava tutta una serie di altri interrogativi come elencato più in dettaglio nel seguito, sui quali non fu mai possibile un confronto. a) b) c) d) e)

Come avrebbero reagito gli utilizzatori del SRC nel caso in cui il segnale non venisse più trasmesso?

L’INRIM avrebbe dovuto continuare ad inviare comunque il segnale di riferimento alla RAI? Se il segnale continuava ad essere emesso, chi l’avrebbe controllato dal punto di vista metrologico?

Dal momento che il SRC era notoriamente un segnale di riferimento dell’INRIM, in caso di anomalie chi sarebbe stato il responsabile?

Il SRC è un segnale a tutti gli effetti di proprietà dell’INRIM, come censito anche dal BIPM, era lecito/opportuno che venisse emesso in modo del tutto identico da un altro Ente?

In pratica poi i fatti dimostrarono che il segnale, in seguito alla comunicazione richiamata prima, continuò ad essere trasmesso dalla RAI in modalità del tutto analoghe a quanto avveniva in precedenza.

L’INRIM, d’altronde, non ebbe mai informazioni da parte della RAI sulle modalità, sui criteri di generazione del segnale e sui programmi futuri.

Tutta questa vicenda creò una discreta incertezza, anche i diretti interessati dell’INRIM si trovarono spiazzati, senza sapere come comunicare agli utenti la nuova situazione, né prevedere cosa sarebbe successo negli anni a venire.

Per quanto riguarda l’invio del segnale alla RAI da parte dell’INRIM, si continuò ancora per alcuni mesi con le modalità precedenti, anche a Convenzione scaduta, sempre in attesa che la situazione potesse essere chiarita in modo ufficiale.

A fine dicembre 2016, mentre il segnale dell’INRIM giungeva ancora regolarmente alla RAI a titolo gratuito, un po’ inspiegabilmente si scatenò tutta una serie di interviste e servizi su quotidiani, riviste e pagine web, i cui titoli avevano i toni riportati nel seguito: “Addio al segnale orario RAI, il 31 dicembre va in soffitta …”

“Il digitale spegne il segnale orario RAI: domani l'ultimo trillo …”

“Ultimo giorno, addio al segnale orario RAI …”

Agli inizi del 2017, quando la trasmissione del segnale da parte della RAI continuava con modalità inalterate, l’INRIM decise di sospendere l’invio del segnale di riferimento alla RAI e, come poteva essere facilmente previsto, non successe nulla. Il segnale continuò ad essere emesso in modo del tutto analogo a quanto avveniva prima. l’INRIM continuò tuttavia a monitorare il segnale ricevuto per verificarne le caratteristiche e la riferibilità ad UTC(IT).

In Fig. 27, a titolo di esempio, è riportato l’andamento dello scarto di tempo tra il segnale ricevuto a Torino e UTC(IT), misurato a cavallo del periodo in cui fu sospeso l’invio del riferimento alla RAI. Dai grafici si può vedere immediatamente come non ci siano discontinuità significative nella misura di tale ritardo di propagazione.

Fig. 27 – SRC ricevuto all’INRIM prima e dopo la sospensione del riferimento INRIM 28

D’altra parte si può giungere a tale conclusione anche analizzando la statistica sui segnali ricevuti, la quale fornisce dati comparabili prima e dopo l’evento, e che corrispondono anche a quelli di misure eseguite negli anni precedenti.

Negli ultimi due anni la situazione è rimasta praticamente immutata: il segnale ha continuato ad essere emesso regolarmente dalla RAI, e i ritardi registrati dall’INRIM si sono mantenuti sempre sugli stessi livelli registrati in precedenza.

In Fig. 28 infatti, a titolo di esempio, è riportato un grafico relativamente recente (agosto 2019) dei ritardi del SRC verso UTC(IT), da questi si possono individuare andamenti del tutto comparabili con quelli di anni precedenti, ad esempio quelli di Fig. 19 e di Fig. 27.

Fig. 28 – Andamento del ritardo del SRC ad agosto 2019 Dal punto di vista dell’INRIM, il fatto che il segnale orario abbia continuato ad essere emesso regolarmente non rappresenterebbe di per sé un problema, anzi sarebbe un evento positivo.

A parte il fatto però che sia lecito o meno, da parte della RAI, continuare ad utilizzare un segnale di proprietà dell’Istituto, rimane comunque una domanda che probabilmente resterà senza risposta: “se il Segnale Orario, diversi anni fa, veniva giudicato dalla RAI non più idoneo a svolgere la funzione per cui era stato progettato, come mai ancora oggi continua ad essere trasmesso?”.

15 - Considerazioni finali Al termine di questa analisi della storia antica e recente del SRC, accanto ad un po’ di rimpianto personale per un’attività che, almeno negli anni passati, è stata piuttosto vivace e ha fornito anche risultati soddisfacenti sul piano divulgativo e scientifico, si possono fare in generale diverse considerazioni.

Intanto il SRC ha svolto egregiamente il suo compito per molti decenni. Si consideri semplicemente che anche se, come segnale codificato, è un servizio di sola “mezza età”, cioè ha quarant’anni di vita, mettendo insieme anche i segnali di riferimento temporale trasmessi nei decenni precedenti, si costruisce una storia ben più lunga e significativa. I primi riferimenti temporali forniti dall’Istituto e utilizzati dalla RAI risalgono infatti agli anni ’40 del secolo scorso, si tratta quindi di una storia di collaborazione tra i due Enti di quasi ottant’anni.

Buona parte dello sviluppo dell’attività dell’INRIM, in particolare per quanto riguarda la metrologia del Tempo, in qualche misura ha ricevuto un piccolo supporto anche dal fatto che l’Istituto era abbastanza conosciuto in Italia come “… quello del Segnale Orario …”. Molti decenni fa, quando le emissioni di segnali di tempo via radio stavano facendo i primi passi, e quando i servizi GNSS non erano ancora concepiti, molti utenti usufruirono proprio di tali segnali per attività scientifiche e professionali, oppure talvolta anche solo semplicemente per mettere in passo l’orologio a pendolo di casa, quello da taschino o quello da polso.

L’esperienza svolta dal sottoscritto durante i 45 anni di servizio presso l’INRIM, e poi ancora negli anni successivi in quanto i “vizi” acquisiti sono difficili da estirpare, ha beneficiato fortemente anche del fatto di essere stato coinvolto in prima persona nell’evoluzione del SRC, evento di cui non può che essere grato.

In questa lunga storia però non si può dimenticare il supporto, la collaborazione e l’amicizia di tante altre persone che, in misura diversa, si sono occupate di tale attività in precedenza e hanno supportato e 29

incoraggiato il lavoro svolto sul SRC in tutti questi anni. Con il solito rischio di dimenticare qualcuno vorrei solo ricordare: Ernesto Angelotti, Sigfrido Leschiutta, Piergiorgio Galliano, Franco Cordara, Roberto Costa, Patrizia Tavella…

La conclusione della storia pluridecennale del SRC, che tuttavia al momento non sembrerebbe ancora definitivamente completata, consente tuttavia di richiamare alla mente la quantità di persone, attività, esperienze, insegnamenti e molto altro ancora, di cui è stato possibile beneficiare nel corso degli anni. Non si può dimenticare inoltre la cortese collaborazione dei Servi Tecnici della RAI di Torino, oltre alla disponibilità e alla competenza di alcune aziende, che non vorrei citare in questo contesto per evitare dimenticanze, che hanno lavorato alla realizzazione dei generatori e degli orologi sincronizzati dal SRC. Al termine di questa carrellata di notizie, curiosità, dati e considerazioni, alle quali se ne potrebbero aggiungere molte altre omesse per brevità, espresse in un linguaggio un po’ tecnico e un po’ no, e talvolta raccontate in modo sommario e un po’ confuso specialmente per chi è estraneo a tali attività, iniziata con il pretesto dell’introduzione delle nuove Unità SI, mi sembra opportuno concludere con un augurio.

A tutti quelli che sono impegnati in diversi campi della ricerca, o che lo saranno in futuro, vorrei augurare di poter beneficiare, come nel mio caso, della disponibilità, dei consigli e della competenza delle tante persone incontrate sul mio cammino professionale.

Auguro loro di poter realizzare al meglio i progetti in cui credono e sui quali spendono le proprie energie, anche quando il contesto non è troppo favorevole come, purtroppo, talvolta può anche succedere …

INRIM - Torino

30