A cura di F.C. Labbrozzi i3vle della sezione ARI Marcon - Venezia

Nonostante la notevole letteratura tecnica, per molti radioamatori la comprensione delle specifiche tecniche e la comparazione delle caratteristiche dei ricetrasmettitori è spesso difficile.
Alcune specifiche di un apparato possono essere migliori di un altro, sebbene le prestazioni complessive possono non essere altrettanto buone.
La vasta offerta di apparati con funzioni accessorie spesso complesse rende difficile la comprensione delle specifiche tecniche e delle reali prestazioni.
La conoscenza di alcuni standard ed alcune tecniche di misura possono permettere una comparazione ed una valutazione più precisa ed attendibile dei ricevitori e dei trasmettitori, permettendoci di capire meglio lo sviluppo delle prestazioni dei moderni apparati anche in relazione alle nuove tecniche di modulazione.

 

1- Prove sui Ricevitori

Tra le misure più importanti che sono eseguite per qualificare un ricevitore, vi sono: la sensibilità, la dinamica di blocco, la dinamica di intermodulazione a due toni (IMD Intermodulation Distorsion dinamic range), la risposta audio, la precisione e la stabilità in frequenza.

1.1- La sensibilità

La sensibilità di un ricevitore è la capacità di ricevere segnali deboli. Vi sono diversi metodi per esprimere la sensibilità, ma ciò non deve essere motivo di confusione perché i concetti di base rimangono sempre gli stessi.
Potremmo definire la sensibilità di un ricevitore come il livello del segnale d'ingresso che produce un dato segnale in uscita.
Le sole variabili sono quindi le unità di misura dei segnali d'ingresso e d'uscita.
La sensibilità è tipicamente espressa in microvolt ( µV), dBm e talvolta in dBµV.
Il dBm è un'unità di misura logaritmica della potenza, esprime cioè un livello di potenza in decibel rispetto ad un milliWatt.
Il dBµV è invece un'unità di misura del livello di tensione ed esprime il valore di una tensione in decibel rispetto ad un microVolt.
Queste unità di misura logaritmiche non sono particolarmente pratiche per confrontare diversi apparati, la loro maggiore utilità si manifesta quando devono essere calcolate attenuazioni o amplificazioni o confrontati livelli di segnali estremamente diversi.
Una delle misure della sensibilità più comunemente usate per i ricevitori CW o SSB è indicata col metodo MDS (Minimum Discernible Signal o minimo segnale percepibile).
MDS è il livello del segnale d'ingresso di un ricevitore che produce un segnale d'uscita uguale al livello del rumore generato internamente.
MDS quindi è riferito al rumore di fondo del ricevitore stesso.
Tipicamente nei moderni ricevitori HF per esempio su una banda passante di 500Hz si hanno MDS di -135 dBm – 140dBm che sull'impedenza ormai standard di 50 Ohm corrispondono a 1-0,5 µV.
La conversione tra dBm e µV è spesso tabulata ma può essere interessante ricordare le formule applicative in appendice.
Un altro metodo per esprimere la sensibilità di un ricevitore radio, è quello di indicare il livello del segnale al connettore d'antenna che produce un aumento del segnale più il rumore ricevuto rispetto al solo rumore di fondo pari a 10 dB o, come si suol indicare, 10dB (S+N)/N; talvolta si parla anche di sensibilità a 10 dB segnale rumore 10dB S/N.
La procedura e le misure sono identiche a quella del MDS, in pratica s'incrementa il segnale d'ingresso finché l'uscita del ricevitore non produce un aumento di 10 dB per 10 dB (S+N)/N o 9,5dB per 10 dB S/N.
Per i ricevitori in AM normalmente si utilizza un segnale modulato al 30% con un tono ad 1KHz.
Durante la misura la modulazione è rimossa ed attivata regolando il livello del segnale RF fino a quando l'uscita audio non raggiunge i suddetti valori.
In FM si preferisce esprimere la sensibilità in SINAD, acronimo di Signal plus Noise And Distorsion.

formula SINAD

Dove tale rapporto in decibel esprime una misura della qualità del segnale ricevuto.
Per gli apparati amatoriali in FM a banda stretta si parla di sensibilità per 12 dB SINAD.
Tale valore normalmente è composto da un 25% di distorsione armonica totale (THD) e da un rapporto S/N di 4: 1 e cioè 12 dB SINAD = 20log(1/25%)= 20log 4.
Il sistema di misura per la sensibilità SINAD è simile a quello per MDS, solo che in uscita al ricevitore è collegato un distorsiometro invece del Voltmetro AC di Bassa Frequenza.
In pratica viene misurato il livello RF del segnale d'ingresso al ricevitore, modulato a 1000Hz per una deviazione di 3KHz di picco, che produce una risposta audio col 25% di distorsione di bassa frequenza.Valori tipici in VHF sono di 0,5- 0,1 µV per 12 dB SINAD.

misura sensibilità

Figura 1 - Misura della sensibilità

1.2- Campo (o range) dinamico

La dinamica di un ricevitore è la differenza tra il segnale più debole e quello più forte che esso può ricevere contemporaneamente senza degradare le sue caratteristiche.
Si considerano in genere due campi dinamici: la dinamica di blocco (blocking DR: dinamic range) ed il campo dinamico per l'intermodulazione del terzo ordine (IMD DR.Intermodulation Dinamic Range).
Il Range dinamico di blocco è la capacità di un ricevitore di mantenere la propria sensibilità inpresenza di un forte segnale indesiderato su una frequenza vicina.
Il range dinamico di intermodulazione misura invece la capacità di un ricevitore di nongenerare falsi segnali come risultato di due forti segnali su frequenze esterne alla banda passante.
Entrambi i range dinamici sono espressi in decibel riferiti al rumore di fondo.

misura intermodulazione

 

Figura 2 - Misura dell'intermodulazione

1.3- Valutazione della dinamica

La dinamica di un ricevitore può essere il parametro più critico, specialmente quando si deve operare in un'area urbana o con forti interferenze.
Quando si superano i livelli dinamici di un apparato, sono ricevuti insieme ai segnali desiderati anche segnali spuri.
Quando si supera la dinamica di blocco, il ricevitore inizia a perdere la sua capacità di ricevere i segnali deboli, perde in pratica la sua sensibilità.
Maggiore è la dinamica di un ricevitore, migliore è la sua qualità.
Valori tipici per IMD Dinamic Range per ricevitori amatoriali sono 85 dB con una dinamica di blocco maggiore di 120 dB.
La dinamica di blocco di molti apparati viene spesso dichiarata "limitata dal rumore".
Significa in pratica che la misura non può essere eseguita perché il rumore di fase (rumore generato dall'oscillatore locale) o i prodotti d'intermodulazione corrompono (inquinano) la misura.
Per esempio, nella dinamica di blocco si potrebbero verificare le condizioni per cui al diminuire di 1 dB del segnale, si vedrebbe aumentare di 1 dB il rumore di fase.
Il range dinamico di blocco è in pratica maggiore della misura limitata dal rumore.
Questo normalmente è un indice che il ricevitore ha un forte rumore di fase.
Un range dinamico particolarmente alto, limitato dalrumore, indica sia una buona dinamica sia un basso rumore di fase.
In tale caso il rumore ha lameglio sulla desensibilizzazione.
Se il punto di limitazione del rumore non è specificato, non può essere tratta alcuna conclusione.
Ma, se è vero che il range dinamico non è mai abbastanza, è altrettanto vero che non è necessario averne più di quello di cui si ha bisogno.
Per esempio, a parità di altri parametri un ricevitore con 85 dB di dinamica non si comporterà peggio di uno che ne ha 92 dB se non sono richiesti più 60 dB.
Un'eccessiva dinamica può essere ottenuta in alcuni apparati a discapito della sensibilità.
La quantità di dinamica necessaria, dipende dalla presenza dei forti segnali all'ingresso del ricevitore.
Sono da considerarsi tutte le sorgenti RF, ma specialmente i trasmettitori vicini.
L'antenna stessa modifica la risposta dinamica del ricevitore.
Il guadagno e la direttività (dell'antenna) possono accentuare il segnale desiderato ed attenuare quelli disturbanti.
Un accordatore d'antenna può ridurre talvolta notevolmente i segnali interferenti.
Piccole loop magnetiche con il loro alto Q, possono attenuare notevolmente i segnali indesiderati.

1.4- Punto di intercettazione del terzo ordine

Un altro parametro utilizzato per quantificare le caratteristiche di un ricevitore, è il punto d'intercettazione del terzo ordine (IP3).
Esso è definito come il punto estrapolato a cui la risposta desiderata e la risposta dell'intermodulazione del terzo ordine s'intersecano.
In pratica, poiché l'ampiezza dei prodotti d'intermodulazione, cioè i segnali generati dal battimento di due frequenze F1 e F2, aumenta all'aumentare di tali segnali in modo non lineare, cioè di 3 dB per ogni dB d'aumento di F1 e F2, le curve della risposta lineare e quella dei prodotti d'intermodulazione del terzo ordine su un diagramma Potenza d'ingresso/Potenza d'uscita, tendono ad incontrarsi in un punto detto appunto Punto d'Intercettazione del terzo ordine (IP3).
Si parla di prodotti di intermodulazione del terzo ordine quando il segnale ricevuto è uguale a 2F1-F2 oppure 2F2-F1.
Il punto IP3 può essere solo estrapolato e non misurato direttamente, in quantonella maggioranza dei casi si trova 10 o 20 dB oltre il punto di compressione,cioè il livello di saturazione dello stadio d'ingresso del ricevitore (vedi figura 1).
Ovviamente, maggiore è IP3, migliori saranno le caratteristiche del ricevitore.
La misura è effettuata accoppiando all'ingresso del ricevitore due generatori con segnali della medesima ampiezza e frequenze F1 e F2 diverse tra loro di 20 o 30 KHz , (in alcuni casi anche 5 KHz ) e tali da soddisfare le relazioni suddette.
I generatori e l'ingresso del ricevitore devono essere adattati in impedenza, per cui sarà necessario un Power Combiner formato da tre resistenze a stella da 16,7 Ohm.
E' fondamentale che i due generatori siano il più possibile lineari, poichè un'eventuale non linearità all'uscita degli stessi, può corrompere la misura.

prodotti di intermodulazione

Figura 3 - I prodotti di intermodulazione

distorsione del 3° ordine di un
amplificatore

Figura 4 - Distorsione del 3° ordine di un amplificatore

1.5- Punto d'intercettazione del secondo ordine

Al fine di valutare meglio la linearità di un ricevitore, è stata introdotta la misura della dinamica relativa all'intermodulazione del secondo ordine.
I segnali spuri, in questo caso, sono generati dal battimento di due frequenze F1 e F2, tali che la frequenza ricevuta è pari a F1-F2 oppure F2-F1.
Questi prodotti d'intermodulazione, come quelli del terzo ordine, possono essere generati all'interno del ricevitore e con gli ambienti elettromagnetici odierni possono, in particolari condizioni, limitare notevolmente la ricezione.
Si pensi al caso di due forti stazioni "broadcast" in due differenti bande di frequenza, tali che la loro somma è pari al segnale DX che si sta provando a ricevere.
Se i prodotti d'intermodulazione sono sufficientemente forti, la ricezione sarà impossibile per diversi KHz, a causa delle modulazioni a larga banda.
La misura dell'IP2 si effettua con gli stessi strumenti dell'IP3, curando la linearità del sistema d'accoppiamento dei generatori e dell'ingresso del ricevitore.

1.6- Attenuazione della frequenza immagine e della IF

Le immagini sono risultati indesiderati del processo di miscelazione che è presente in ogni ricevitore eterodina.
Esse appaiono come falsi segnali sintonizzati dal doppio della frequenza dell'oscillatore locale. Una stazione che opera alla frequenza intermedia (IF) del ricevitore, può scombussolare ogni operazione se la reiezione dell'IF è insufficiente.
Il segnale disturbante apparirà su ogni frequenza indipendentemente dalla sintonia.
Si consideri molto attentamente la reiezione IF di un transceiver se si hanno trasmettitori o sorgenti RF di potenza prossime alle frequenze IF.
La reiezione dell'immagine della IF, si effettua misurando il livello del segnale che su tali frequenze provoca un MDS e poi rapportando tale valore in dB alla sensibilità del ricevitore.

1.7- Potenza audio

La capacità di un ricevitore di riprodurre un segnale audio è normalmente espressa come potenza in Watt su un dato carico, usualmente 4 o 8 ohm avendo specificata la massima distorsione armonica (THD) ammissibile.Una distorsione armonica inferiore al 10%, per l'uso amatoriale non pregiudica né la comprensibilità né la qualità dei segnali ricevuti.
La potenza ottimale in un buon ricevitore dipende da molti fattori: l'efficienza dell'altoparlante, il rumore dell'ambiente in cui si opera, le abitudini personali.
In un ambiente silenzioso o nel caso si operi in cuffia, 1 Watt può essere sufficiente per una ricezione confortevole con un altoparlante di media efficienza, ma se si opera in "/mobile" magari in luoghi trafficati e senza cuffie, è necessaria una potenza ben maggiore, è opportuno pensare ad un amplificatore audio esterno.

1.8- Precisione e stabilità in frequenza

Le moderne tecniche di modulazione hanno riproposto problematiche che per qualche decennio sembravano superate.
Le modulazioni digitali a banda ultra stretta per es. PSK31 ecc, richiedono una precisione della sintonia ed una stabilità nel tempo della frequenza che eccede le prestazioni dei VFO.
In pratica, per ottenere anche sotto i 30 MHz letture attendibili con risoluzioni di 10 Hz e segnali che restino stabili con la stessa precisione, è necessario che gli apparati riferiscano tutti gli oscillatori interni ad una o al massimo due oscillatori ad alta stabilità (TCXO).
Negli apparati delle ultime generazioni, si riescono ormai facilmente ad ottenere errori inferiori a 10-6 o anche 10-7 o come si suole dire 1 o 0,1 parte per milione p.p.m., cioè 1 Hz o 0,1 Hz ogni MHz.

2- Prove sui trasmettitori

Le principali misure utilizzate per qualificare un trasmettitore sono: la potenza d'uscita, la purezza spettrale, l'intermodulazione su due toni, la soppressione della banda passante indesiderata, la soppressione della portante e le prove dei tempi di manipolazione (keying) e di commutazione o di recupero (turnaround).

2.1- Potenza d'uscita

Molti transceiver HF amatoriali sono della classe dei 100W, alcuni di loro eccedono largamente le loro specifiche ma, tali differenze non sono significative, perché in nessun caso pratico un interlocutore potrà apprezzare differenze nel segnale ricevuto in conseguenza di variazioni di 5 o 10 W su 100W.
La potenza d'uscita viene misurata su un carico fittizio, controllando attraverso un attenuatore la purezza spettrale del segnale emesso.
Parametro importante è invece il "duty cycle" del trasmettitore, in pratica il rapporto dei tempi di ricezione rispetto a quelli di trasmissione ammissibili.
Specialmente se si intende operare in RTTY o nei moderni modi digitali (PSK31 ecc.), è molto importante che il trasmettitore sia in grado di restare per periodi abbastanza lunghi in trasmissione senza degradare le caratteristiche.
Sia operando in QRP, che con modulazioni meno standard, è importante poter regolare la potenza partendo da valori molto bassi.
La potenza massima di picco (PEP) è soggetta a limitazioni legali per ciascuna banda di frequenze.

2.2- Purezza spettrale

Tutti i trasmettitori emettono altri segnali oltre quello desiderato.
Questi segnali sono chiamati "emissioni spurie", termine che include tutti i segnali che non sono alla frequenza fondamentale ed alla sua modulazione desiderata.
Le spurie includono le armoniche, le frequenze parassite, i prodotti di intermodulazione, i rumori ed i prodotti di conversione di frequenza.
La purezza spettrale, come si è detto, viene misurata in laboratorio insieme alla potenza RF ed è uno dei parametri, insieme alla potenza massima di picco, soggetto alle limitazioni delle autorità di controllo delle telecomunicazioni.
Per livelli di potenza dell'ordine dei 100W, è richiesta una attenuazione di tutti i segnali spuri di almeno 40 dB rispetto al livello della portante.Ovviamente, maggior è tale valore maggiore sarà il pregio dell'apparato.

2.3- Intermodulazione su due toni

Come per il ricevitore (e qualunque amplificatore), anche il trasmettitore genera prodotti d'intermodulazione(IMD).
Per misurare l'IMD si usa un generatore audio.
Il generatore produce due toni, uno a 700Hz , l'altro a 1900Hz.
Modulando in SSB si misura la potenza su un Wattmetro e la purezza spettrale con un analizzatore di spettro.
Normalmente, la misura si effettua sia in USB che in LSB, verificando i livelli dei prodotti armonici dei due toni.
I prodotti di basso ordine, al di sotto del quinto, dei due toni trasmessi sono normalmente sotto i 25 dB rispetto il PEP (Peek Envelope Power) , gli altri devono essere molto più in basso.

2.4- Bande laterali indesiderate e soppressione della portante

Modulando il trasmettitore SSB con un singolo tono, si possono misurare il livello della banda laterale soppressa e della portante.
Il sistema di misura è lo stesso di quello utilizzato per la PEP, normalmente si pone il picco del segnale emesso sul riferimento dell'analizzatore di spettro e si leggono direttamente i livelli d'attenuazione delle bande e della portante soppresse.
I moderni apparati HF garantiscono facilmente 50 dB d'attenuazione di tali segnali.

2.5- Tempi di manipolazione e di commutazione

La forma d'onda di un segnale modulato in CW, dipende notevolmente dal tempo di manipolazione, il tempo cioè che intercorre da quando è premuto il tasto a quando la potenza RF raggiunge il suo valore massimo.
Viceversa, è altrettanto importante che in tempi altrettanto limitati la potenza si annulli al rilascio del Keyer (tasto).
Tali tempi sono legati anche alla purezza spettrale della trasmissione, tipicamente negli apparati amatoriali di pregio essi sono entrambi di circa 20 msec. e sono gli stessi tempi che in SSB e FM intercorrono tra la commutazione del PTT e l'emissione di RF in antenna.
Tali tempi possono divenire critici utilizzando particolari modi di modulazione digitali.
La misura dei tempi di commutazione viene effettuata con un oscilloscopio doppia traccia ed un generatore che controlla l'ingresso di Keying o il PTT.
In SSB è necessario anche un generatore audio.Il tempo di commutazione fra trasmettitore e ricevitore (Turnaround time), è definito come il tempo tra il 50% dell'impulso di Keying al 50% della salita dell'uscita audio.
Anche tale tempo è importante ed alcuni tipi di modulazioni digitali, per esempio l'AMTOR richiede per i collegamenti a lunga distanza, un Turnaround Time minore di 35 msec altrimenti non funziona.

2.6- Rumore composito e di fase

In prossimità del segnale generato vi sono sempre dei rumori d'ampiezza e di fase generati dal trasmettitore.
Normalmente comunque, si assume che la maggior parte del rumore vicino alla portante sia rumore di fase.Esso è il principale rumore di un trasmettitore ben progettato, si manifesta come un fruscio quando si è sintonizzati su un canale adiacente ed è dovuto al rumore di fase e dei PLL degli oscillatori interni.
Per misurare tale rumore, poiché si eccede la dinamica di molti analizzatori di spettro, si converte con un mixer esterno ed un generatore a basso rumore un campione della portante a frequenza zero, filtrando i prodotti della miscelazione ed amplificando quelli in bassa frequenza con un amplificatore a basso rumore, prima di visualizzarli su un analizzatore di spettro a bassa frequenza.

Conclusioni

La tecnologia dei materiali e le nuove tecniche digitali hanno permesso negli ultimi anni di migliorare notevolmente le caratteristiche dei ricetrasmettitori e di aggiungere computers e sistemi di visualizzazione complessi alla miriade di funzioni presenti negli apparati d'amatore.
Il mercato offre una scelta tra innumerevoli modelli più o meno recenti, ma solo con misure obiettive ed attendibili è possibile valutare le differenze, comprendere le specifiche tecniche ed apprezzare gli sforzi dei progettisti nel migliorare le prestazioni evitando luoghi comuni e speculazioni commerciali.

Appendice

Conversione di -140 dBm in microvolt su 50 Ohm.

140 dBm = 10 log P2/P1= 10( log P2-log P1) = 10 log P2 - log 10-3 = 10 log P2+3 (2)
essendo P1= 1 mW = 10-3 W (-140 -3 )/10 = log P2 = -14,3 da cui P2= 10-14,3 = 5 10-15 Watt(3)
Sulla impedenza z = 50 Ohm la potenza P= V2/z V2= P*50 = 5*10-15 *50 quindi V= formula= 5 *10-7 = 0,5 µV (4)


 

Nota bibliografica, circa l'autore , F.C. Labbrozzi i3vle

Nato a Frisa (CH) il 2.1.1953 laureato in ingegneria elettronica ad Ancona nel 1976, è stato progettista di impianti di controllo e telecomunicazioni militari e direttore del controllo qualità di una ditta romana di 220 dipendenti, certificata per produzioni NATO. Dal 1982 funzionario ispettore dell'Autorità italiana di certificazione e controllo dell'aviazione civile (RAI oggi ENAC). Radioamatore dal 1971, ha pubblicato numerosi articoli sui sistemi di radio navigazione e gli impianti degli aeromobili civili. E' autore di una Informazione Tecnica RAI, riferimento nazionale per "La protezione degli apparati elettronici dalle scariche elettrostatiche" durante le manutenzioni aeronautiche. Sul numero commemorativo del centenario del brevetto inglese della radio da parte di G. Marconi, su Electronics World/Wireless World (rivista fondata dallo stesso ), ha visto pubblicato con un articolo di 6 pagine : "Designing for spectrum analysis" il progetto di un analizzatore di spettro. Ha approvato e collaudato migliaia di modifiche elettroniche ad aeromobili civili e certificato imprese e personale tecnico di pressocchè tutte le ditte e gli operatori aeronautici che hanno operato del nord est d'italia negli ultimi venti anni. Risiede a Preganziol (TV), è vice presidente della Sezione ARI di Marcon e si diverte progettando e realizzando applicazioni radio ed elettroniche.

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