Nel secondo articolo di questa mini serie sul SNR abbiamo visto come si rappresentano graficamente i segnali nel dominio del tempo. E’ ora giunto il momento di passare all’analisi spettrale e ad alcune considerazioni su cosa effettivamente rappresenta il rapporto segnale rumore.
Queste considerazioni sono di vitale importanza soprattutto per quei radioamatori che si applicano alle comunicazioni digitali. In trasmissioni in modalità FT8 o JT65, ad esempio, dopo ogni periodo di trasmissione e ricezione appare sempre il rapporto segnale rumore dell’emissione di un certo corrispondente. A domanda diretta, la stragrande maggioranza non sa cosa quel numero rappresenti concretamente (ed è un po’ una vergogna, non vi pare?). Sarebbe come parlare della difficoltà di nuotare in mezzo alle onde senza mai aver fatto il bagno, senza mai essersi immersi nel problema: non si fa!
Quindi spero di fare cosa gradita mostrando quanto sia utile l’analisi spettrale in determinate situazioni anziché quella nel dominio del tempo. Anche questo è un aspetto che oggi molti sottovalutano perché fa tutto la radio, sul display colorato appare di tutto, anche lo spettrogramma. Ma cosa ci indica realmente?
Mettetevi comodi, concedetevi del tempo ancora una volta e buona visione.
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Nel primo articolo di questa mini serie sul SNR abbiamo visto come si può simulare praticamente qualunque tipo di segnale. In particolare abbiamo visto come generare una sinusoide e del rumore gaussiano. In questa seconda parte ci occuperemo invece di come poter visualizzare questi segnali, cioè come crearne la rappresentazione grafica che più ci permetterà di comprenderne le caratteristiche.
Come già visto, il tool utilizzato per questo lavoro di simulazione si chiama Scilab e vi consiglio veramente di imparare ad utilizzarlo. Si può simulare praticamente di tutto, è sufficiente essere in grado di descrivere il nostro sistema, chiamiamolo così, con un modello matematico. In rete si trovano tante guide, quindi provate, ne vale la pena.
Ma veniamo alla seconda parte: qui sottro trovate il video che spiega come sono stati creati i grafici. Sembrerà un esercizio inutile ma non è assolutamente così: se non lo seguirete poi farete fatica a comprendere quanto sarà mostrato nella terza ed ultima parte (dietro ogni cosa c’è una logica).
Mettetevi comodi, concedetevi del tempo e buona visione.
Nel prossimo ed ultimo articolo parleremo di come interpretare i risultati ottenuti al variare del SNR: state con me!
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Sempre più spesso, anche grazie ai modi digitali quali FT8 e JT65 usati per le comunicazioni radio amatoriali, si sente parlare di rapporto segnale rumore. La sua sigla è SNR e sta per Signal To Noise Ratio, cioè il rapporto tra la potenza del segnale e quella del rumore. In generale è espresso in dB e la sua equazione è la seguente.
Quindi fondamentale è capire come calcolare le due potenze, quella del segnale, al numeratore, e quella del rumore, al denominatore. In nostro aiuto possiamo trovare un simulatore numerico chiamato Scilab (ce ne sono anche altri, ma questo è free, e la cosa non guasta, hi!). L’obbiettivo è quello di comprendere come può apparire in un oscilloscopio e/o in un analizzatore di spettro un dato segnale al variare del SNR.
Così mi sono scritto del codice per fare qualche simulazione e mostrarvi quando è utile utilizzare l’analisi nel tempo e quando nel dominio delle frequenze.
Ho diviso questo lavoro in tre parti, per la precisione in 3 mini video lezioni.
Nella prima, questa, vi spiego come è stato scritto il codice con il quale ho effettuato le simulazioni. In particolare vi mostro come generare i segnali per i test.
Mettetevi comodi, concedetevi del tempo e partiamo col primo video.
Nel prossimo articolo parleremo di come visualizzare i vari segnali, non ve lo perdete.
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A prescidere dal tipo di radio che utilizziamo, sia essa SDR o “tradizionale”, avremo sempre a che fare con almeno un osccilatore. La sua precisione e la sua stabilità influenzano in modo importante le prestazioni del nostro apparato e per questo è bene poterlo controllare ed eventualmente mettere a punto.
Ho voluto così testare un ricevitore SDR, uno che utilizzo frequentemente, anche in abbinamento alla scheda IFace con la quale è possibile estrarre la IF da una qualsiasi radio così da poter realizzare un panadapter SDR. Ho voluto testarlo cercando di capire quanto fosse preciso e stabile in frequenza.
La cosa più semplice è quella di collegarlo ad un’antenna e andare a cercare qualche stazione radio che trasmetta un riferimento di frequenza. Ce ne sono diverse, in internet si trovano diversi elenchi. Io mi sono basato su di un documento pubblicato dalla ITU (fate click qui per scaricarlo), ma trovate indicati altri, per esempio fate click qui.
Mi metto subito alla ricerca di un segnale a 10 MHz che sia certo, ben identificabile e stabile, così da poterlo confrontare col quello che vedo a video del mio ricevitore.
In realtà ho utilizzato un software per analizzatore di spettro, si riesce ad avere una risoluzione migliore e delle funzioni di misura altrimenti assenti in quelli per la demodulazione (ad ognuno le sue, hi).
Il risultato, appena acceso, non è stato assolutamente deludente, ovvero un +6 Hz rispetto al reale. Il ricevitore, o meglio, il convertitore A/D che ho utilizzato impiega un TCXO da 0,5 ppm, e in effetti è molto stabile e preciso: vedi l’immagine seguente.
La freccia rossa in basso a destra mostra il settaggio relativo alla correzione della frequenza dell’oscillatore di riferimento: 0 ppm, cioè nessuna regolazione. In pochi secondi però si può correggere la misura e portare il segnale esattamente a 10 MHz.
E’ stato sufficiente inserire una correzione di -0,6 ppm per ottenere la frequenza corretta. Infatti, se fate un rapido calcolo, 6 Hz / 10 MHz = 0,6.
Quindi, applicando la stessa correzione anche nei software per la ricezione, si può ottenere una calibrazione del nostro ricevitore molto buona e con una spesa nulla (cioè senza andare ad utilizzare, ad esempio, oscillatori esterni controllati da GPS).
In un mio precedente articolo vi ho raccontato di come sono riuscito a mettere a punto l’antenna bibanda VHF-UHF della Maldolo, la HS-FOX727.
Ora, dato che qualcuno me l’ha chiesto, vi metto a disposizione il suo manuale di montaggio così che chi l’abbia perso può averne una copia. In questo caso il lavoro è stato poco, in pratica si tratta di due paginette, ma sarebbe bella cosa se tutti noi potessimo mettere online i manuali delle nostre apparecchiature. Questi, col passare degli anni, tendono a perdersi e, soprattutto acquistando nel mercato dell’usato, a volte diventa importante poterne reperire una copia.
Vi siete mai trovati a dover tarare dei componenti per filtri RF/IF del tipo, ad esempio, mostrato nell’immagine qui sopra?
Se siete qui è probabile quindi che sappiate bene il perché ho intitolato questo articolo proprio “Giravite dielettrico”, o almeno me lo auguro, e quindi forse quello che troverete non avrà un grande impatto su di voi. Per quelli a cui invece il motivo fosse sconosciuto, allora posso dire che ciò che vi sto per raccontare potrà esservi utile.
All’interno di quelle bobine e trasformatori è posta una vite di materiale ferromagnetico. E’ un oggetto di pochi millimetri di diametro e di lunghezza ma che opera una funzione molto importante: permette di “sintonizzare” il filtro del quale fa parte. Si ottiene, girando questa vite, un induttore variabile e quindi si può variare la frequenza di risonanza del nostro circuito.
L’operazione di taratura è molto delicata per tre motivi fondamenti:
la vite in ferrite è molto piccola e fragile, serve una punta per il nostro giravite di dimensioni e durezza adeguate;
spesso rotazioni di pochi gradi fanno variare di molto le prestazioni RF, quindi il gioco della punta del giravite deve essere il minore possibile così da avere una maggiore sensibilità;
punte metalliche non possono essere utilizzate perché impattano in modo importante sulle prestazioni dell’induttore in quanto modificano temporaneamente le dimensioni fisiche del nucleo ferromagnetico.
Il punto 3) merita qualche piccola aggiunta. Quando si tara un filtro RF è necessario poterlo fare con gli strumenti giusti perché la cosa può essere anche molto complicata. In generale occorre un analizzatore scalare di reti (ex. un analizzatore di spettro + tracking generator), meglio se vettoriale ma non è necessario, ed una serie di utensili per poter manipolare correttamente certi componenti. Capita infatti che al termine della taratura, se si è utilizzato uno strumento errato (ex. giravite metallico), rimuovendo l’utensile la taratura non è più corretta. Questo accade con gli avvolgimenti mostrati all’inizio dell’articolo quando si utilizzano comunici giravite metallici.
Per questo sono stati inventati degli appositi utensili in ceramica o in materiale plastico. Li vedete nella seguente immagine.
Può capitare però di non avere a disposizione quello giusto, ovvero che le dimensioni della punta non siano adeguate. Niente paura, una soluzione si trova facilmente. In laboratorio ho diversi residui della lavorazione industriale di circuiti stampati, delle sottili strisce di PCB senza metallizzazione(vedi parti “E”), quindi puro materiale dielettrico e sicuramente non ferromagnetico. Bingo!
Con una lima da ferro si modella la punta di uno di questo ed il gioco è fatto: si ottiene un perfetto giravite per impiegi in RF (in generale quel tipo di bobine non è molto sensile alle variazioni di costante dielettrica). Le dimensioni giuste della punta erano quelle del giravite “D”, ma come vedete è in parte di plastica (impugnatura) e in parte di metallo (la punta): non va assolutamente bene per tarature RF. Gli altri, “A”, “B” e “C” hanno la punta troppo larga e non riescono ad inserirsi nell’incavo delle viti in ferrite.
Il materiale delle barrette “E” è la classica FR4: è sufficientemente resistente e facilmente modellabile.
Con poco ho risolto un piccolo grande problema, ora posso dedicarmi tranquillamente a mettere a punto praticamente ogni circuito RF.
Chi fosse impossibilitato a realizzarselo da solo o semplicemente volesse un bel set da laboratorio, può trovare il tutto comodamente in Amazon.
Anni fa, tanti anni fa, Riccardo IK0YUJ mi regalò un’antenna direttiva bibanda per le bande VHF e UHF, la Maldol HS FOX-727. L’aveva acquistata per sé ma non funzionava, il ROS era alto in entrambe le bande pur seguendo minuziosamente le istruzioni di montaggio e utilizzo. Così me la diede con la speranza che io ne potessi riuscire a fare qualcosa di utile. Prove su prove, il ROS era sempre alto e non c’era modo di tararla. Cercando in rete trovai tanti altri con lo stesso problema. E così la misi da parte per un po’.
Oggi, dopo anni, mi è venuto in mente di fare una prova utilizzando un VNA. La monto come da istruzioni e la collego al mio miniVNA Tiny. Lascio a voi i commenti sull’andamento del return loss (vedi figura seguente).
I due marker sono alla frequenza di 145 MHz il primo e 433 MHz il secondo. Come si vede l’antenna non funziona assolutamente, non c’è risonanza né in banda 2 m né in banda 70 cm.
Conscio anche della mia formazione ingegneristica, stavolta decido di non arrendermi e così ho smonto letteralmente il gamma match. L’ho messo sul tavolo da lavoro e l’ho aperto andando a dissaldare tutto ciò che poteva essere dissaldato. Questa operazione non l’ho fatta tanto per passare il tempo ma per andare ad indagare quali fossero i componenti utilizzati e se questi fossero ancora in ottime condizioni. Subito però mi accorgo di qualcosa che non va, il circuito mi sembrava strano, ovvero due condensatori erano collegati in modo un po’ poco “intuitivo”, diciamo così. Vi riporto lo schema qui di seguito: in nero il dipolo per VHF e in blue quello per UHF, con i rispettivi circuiti del gamma match.
Lo schema vede il condensatore Cu, quello per il gamma match della banda UHF, collegato dopo quello per la banda VHF, il Cv. Questo non va bene.
Allora l’ho dissaldato e collegato direttamente al centrale del coassiale, o meglio del connettore, secondo questo schema.
Per chi fosse curioso, ho effettuato anche delle misure sui condensatori ceramici presenti nel circuito di adattamento ed alloggiati nel parallelepipedo con connettore che vedete nella seguente immagine (si vede bene lo stub per UHF.
Cu = 6,2 pF 300 V
Cv = 10 pF 300 V
Così passo all’operazione di taratura: dallo schermo del computer già intravedo delle risonanze. Per la banda VHF è più semplice che per la UHF: spostamenti sub millimetrici a volte fanno variare di molto il ROS (e il RL). Nella figura seguente trovate indicata la posizione del corto circuito tra dipolo e gamma match per la banda VHF: 38 mm dalla fine dello stub. Per la banda UHF la distanza è di 20 mm.
Con le misure sopra indicate sono riuscito ad ottenere un grafico del return loss più che soddisfacente, soprattutto in banda VHF. Date un’occhiata all’immagine che segue e confrontatela con quella iniziale.
In VHF ho ottenuto un RL di -39 dB, il che equivale ad un SWR (ROS) di 1,02: eccellente. La banda è abbastanza stretta, ma si può operare su tutta la porzione CW e SSB senza problemi.
In UHF l’adattamento è un po’ meno marcato, ma con un buon RL di -18 dB si ottiene comunque un SWR di 1,27. Il ROS è molto basso in tutta la porzione da 430 a 434 MHz.
Finalmente quindi funziona, finalmente potrò usarla per delle attività in portatile in abbinamento, ad esempio, al mio FT-817. Evidentemente quando l’avevano assemblata qualche operaio commise un errore, quello di saldare il condensatore per la banda VHF nel posto sbagliato. Tutto è bene quello che finisce bene!
