“Le comodità della vita moderna poggiano su sistemi elettronici di straordinaria complessità: dai radar avionici agli ecografi 3D, fino alle unità di controllo per la robotica industriale. Questi sistemi operano catturando dati ambientali tramite sensoristica avanzata, elaborandoli istantaneamente attraverso architetture di calcolo ad alte prestazioni per generare mappe, immagini o movimenti millimetrici. Una delle sfide cruciali dell’ingegneria elettronica moderna è l’integrazione armonica tra circuiti analogici ad alta sensibilità e potenti processori digitali”.

È con queste parole che il professore Stefano Ricci, ingegnere elettronico e docente all’Università di Firenze, ha iniziato a raccontare alla Società Italiana di Elettronica di quanto sia stimolante lavorare nel settore dell’elettronica digitale, capace di attraversare ambiti diversi, mantenendo sempre lo stesso entusiasmo e la stessa curiosità.

“Mi occupo principalmente di elettronica digitale per cui ho da sempre una grande passione perché non si limita alla sola elaborazione numerica o ai computer, ma include anche aspetti fondamentali legati all’acquisizione e alla riproduzione di segnali analogici. In questo ambito rientrano per esempio, i convertitori analogico-digitali (ADC) e digitale-analogici (DAC), oltre ai sistemi a basso rumore per l’acquisizione dei segnali, dove la componente analogica gioca ancora un ruolo cruciale. A questa si affianca la dimensione più propriamente digitale, che comprende dispositivi ad alte prestazioni come FPGA e processori avanzati, utilizzati per elaborazioni complesse e in tempo reale. Nel corso degli anni ho avuto modo di applicare queste competenze anche nel settore biomedicale, lavorando su sistemi per l’acquisizione e l’elaborazione di segnali fisiologici, un ambito in cui precisione e affidabilità sono essenziali”.

La comunicazione a luce visibile

“Attualmente mi sto dedicando a un campo emergente e particolarmente promettente come quello delle comunicazioni a luce visibile (VLC). Si tratta di sistemi di comunicazione che utilizzano la luce visibile come mezzo trasmissivo, aprendo scenari innovativi rispetto alle tradizionali tecnologie basate su radiofrequenze. Un esempio concreto sono le cuffie utilizzate nei musei, che possono essere pilotate direttamente dalle lampade presenti nelle sale, eliminando la necessità di contenuti pre-registrati. Un’altra applicazione riguarda l’ambito domestico, dove parte della trasmissione dati del Wi-Fi potrebbe avvenire attraverso la luce emessa dalle lampade, o ancora in campo veicolare, dove auto e rete potrebbero scambiarsi informazioni tramite l’illuminazione stradale”.

Si tratta di una tecnologia che si sta sviluppando soprattutto per via della crescente saturazione dello spettro radio. Le frequenze disponibili, infatti, sono ormai molto sfruttate, rendendo estremamente interessante qualsiasi alternativa che non le utilizzi.

“La luce può essere usata per trasmettere dati, proprio come le radiofrequenze, perché rappresenta un mezzo ideale per la trasmissione di informazioni, un potenziale già intuito nell’antichità con i segnali luminosi tra i vascelli e che oggi trova la sua massima espressione nelle fibre ottiche, infrastrutture che abilitano servizi essenziali come la TV on-demand e lo smart-working. Attualmente, la ricerca mira a estendere questo paradigma integrando la comunicazione nei comuni sistemi di illuminazione, dalle lampade domestiche ai proiettori automobilistici. Questa evoluzione è resa possibile dalla diffusione della tecnologia LED che, a differenza delle lampade a incandescenza o a fluorescenza, permette di modulare l’intensità luminosa con estrema rapidità. L’informazione viene infatti codificata variando l’emissione luminosa: in uno schema binario elementare, una lieve diminuzione di intensità rappresenta il bit 0, mentre un incremento corrisponde al bit 1. Queste variazioni avvengono a frequenze così elevate da risultare impercettibili all’occhio umano, analogamente a quanto accade con la sequenza di fotogrammi statici che compone un film. Per massimizzare le prestazioni, si adottano schemi di modulazione più sofisticati, come la QAM (Quadrature-Amplitude Modulation). In questo caso, vengono variate caratteristiche quali l’ampiezza e la fase di una portante sinusoidale, adottando logiche simili a quelle utilizzate nelle trasmissioni RF per la telefonia cellulare o il Wi-Fi domestico”.

Il prof. Ricci ha inoltre spiegato come cambia l’elettronica nella trasmissione di dati tra lo spettro radio e la luce.

“L’implementazione di sistemi VLC richiede l’integrazione sinergica di sezioni analogiche e digitali. Nel front-end di trasmissione, è fondamentale il ruolo del driver LED, mentre in ricezione è indispensabile un amplificatore a transimpedenza (TIA) per convertire la corrente del fotodiodo in segnale di tensione. A differenza dei sistemi a radiofrequenza (RF), la radiazione non viene irradiata da un’antenna, ma emessa da un LED e captata da un fotorilevatore. La sfida ingegneristica cruciale risiede nella massimizzazione della larghezza di banda: a tal fine, si impiegano tecniche di pre- e post-distorsione (sia nel dominio analogico che in quello digitale) abbinate a schemi di modulazione avanzati, indispensabili per superare i limiti fisici intrinseci del canale ottico. Parallelamente, una seconda sfida fondamentale riguarda la gestione di scenari ad elevata dinamicità. Un esempio emblematico è rappresentato dalla comunicazione tra veicoli (Vehicle-to-Vehicle o V2V) che procedono in direzioni opposte su strade extraurbane: in questo contesto, la rapidità di variazione del canale e i tempi di connessione estremamente ridotti richiedono algoritmi di sincronizzazione e puntamento di eccezionale reattività, campo ove dispositivi di processing digitale quali FPGA o GPU fanno la differenza”.

Dal punto di vista tecnico e applicativo, i sistemi VLC offrono diversi vantaggi.

“Innanzitutto, consente comunicazioni localizzate perché la luce emessa da una sorgente è confinata a uno spazio ben definito, come una stanza, rendendo la trasmissione intrinsecamente più sicura e difficile da intercettare. Inoltre, non genera interferenze con ambienti o dispositivi vicini, caratteristica particolarmente rilevante in contesti sensibili come quello ospedaliero. Le prospettive si applicano anche agli ambienti outdoor. In futuro, le infrastrutture stradali potrebbero comunicare direttamente con i veicoli attraverso la luce, ad esempio segnalando in tempo reale la presenza di un semaforo rosso o altre condizioni di traffico, contribuendo allo sviluppo della mobilità intelligente. Sebbene dal punto di vista commerciale queste soluzioni siano ancora poco diffuse, l’interesse sia nel mondo accademico sia in quello industriale è molto elevato, e lascia intravedere sviluppi significativi nei prossimi anni”.

Il futuro degli ingegneri elettronici

Secondo il prof. Ricci, l’ingegneria elettronica oggi vive una situazione paradossale: da una parte un campo in continua evoluzione grazie alle tecnologie che avanzano in ogni settore poggiandosi sull’elettronica e dall’altra la scarsa presenza sul mercato di figure qualificate.

“L’ingegneria elettronica è poco conosciuta e le aziende sono in difficoltà perché non riescono a trovare ingegneri elettronici. Parliamo di un professionista capace di progettare, sviluppare e ottimizzare sistemi elettronici complessi. Ai giovani vorrei dire di non lasciarsi spaventare perché con il giusto approccio non ci sono difficoltà nello studio della materia. Inoltre, un aspetto distintivo del corso di laurea in ingegneria elettronica è la capacità di muoversi tra teoria e applicazione: oltre alla progettazione, l’ingegnere elettronico svolge attività di simulazione, testing e validazione dei sistemi, spesso utilizzando strumenti avanzati di misura e software specialistici. Nel campo emergente delle comunicazioni a luce visibile (VLC), ad esempio, questo professionista si occupa di sviluppare nuovi sistemi di trasmissione dati basati su sorgenti luminose, progettando sia la parte elettronica che gestisce i segnali sia gli algoritmi che ne permettono la codifica e la decodifica. Ciò richiede competenze trasversali che includono l’elaborazione dei segnali, l’ottica, le comunicazioni digitali e la progettazione di dispositivi innovativi”.

Al di là delle competenze tecniche, sono fondamentali curiosità, aggiornamento continuo e attitudine alla risoluzione dei problemi. L’ingegnere elettronico può operare in contesti diversi: dall’industria high-tech ai centri di ricerca, contribuendo allo sviluppo di tutte le tecnologie che hanno un impatto diretto sulla vita quotidiana.

“Nel corso di laurea del nostro ateneo si presta grande attenzione a fornire una preparazione ampia e non limitata ai soli aspetti dell’elettronica. L’ingegnere elettronico deve saper lavorare in team, scrivere progetti, costruire sistemi e molto altro. Non insegniamo a progettare circuiti integrati, ma a realizzare sistemi elettronici utilizzando componenti progettati da altri, da integrare in dispositivi come smartphone e altre tecnologie. Quello che utilizziamo oggi nel nostro lavoro non è ciò che abbiamo studiato all’università, perché negli anni la rivoluzione tecnologica è stata molto ampia e continua a evolversi. Allo stesso modo, ciò che insegniamo oggi agli studenti non sarà necessariamente quello che utilizzeranno nel loro futuro professionale. Per questo è fondamentale sviluppare un metodo solido e una capacità di adattamento continuo”.