Rumore:
cos'è realmente e alcuni concetti sbagliati a esso collegati.
Rumore:
cos'è realmente e alcuni concetti sbagliati a esso collegati.
L'argomento del rumore è molto variegato, quindi questa pagina è un po' più lunga del solito, avendo all'interno molti contenuti strettamente legati fra loro e che non è possibile esporre su diverse pagine. La pagina inoltre sarà aggiornata periodicamente con nuovi contenuti che hanno lo scopo di essere un riferimento per comprendere ed individuare le varie tipologie di rumore radio e che a loro volta è necessario conoscere per comprendere particolari fenomeni e il funzionamento delle apparecchiature.
E' oltretutto un argomento non è facile da spiegare in parole povere e comprensibili a tutti, quindi è necessaria qualche spiegazione in più, magari ripetuta per cercare di comprenderlo meglio.
IL RUMORE.
Chiunque abbia fatto un minimo di esperienza con il mondo delle radio, ha anche sentito parlare o avuto a che fare col rumore.
Che sia chiamato semplicemente rumore, disturbo, QRM o QRN, una cosa è chiara a tutti, è un elemento che disturba le radiocomunicazioni.
Però, raccontata in questo modo, la questione del rumore è troppo semplicistica e non è sufficiente a spiegare molte altre situazioni che sono parte integrante dell'attività radio.
E' da premettere che spesso si fa confusione fra rumore, disturbi e interferenze, sono tre fenomeni che danno fastidio alla ricezione, ma sono fenomeni distinti e determinati da cause diverse.
Qualche esempio che aiuti a comprendere:
- Un esempio è la sensibilità di un ricevitore che viene espressa in microvolt per un determinato rapporto fra segnale e rumore (es. 1μV per 10dB S/N); non è difficile comprendere che non si sta parlando del classico rumore che entra dall’antenna.
- Un altro esempio è una situazione ricorrente fra molti radioamatori, circa la valutazione di alcune radio, le quali vengono etichettate come "radio rumorose" senza comprendere cosa c'è dietro.
- Ma ancora è importante specificare che alcune forme di rumore sono dovute a sovrapposizioni di segnali e possono essere presenti nell'etere come interferenze oppure generati all'interno del ricevitore a causa delle sue caratteristiche.
E' improprio chiamare "rumore" le interferenze presenti nell'etere o le sovrapposizioni di segnali all'interno di un ricevitore a causa delle sue caratteristiche e se nel primo caso è qualcosa che entra dall'antenna e basta, nel secondo è senz'altro un problema della radio stessa.
È chiaro che non sono esempi riconducibili allo stesso fenomeno e della stessa tipologia, quindi di cosa si sta parlando?
È bene fare anche una prima distinzione fra "rumore" e "segnali radio interferenti" e per il momento si andrà a prendere in esame solo il rumore, mentre alcuni fenomeni legati ai segnali readio interferenti saranno spiegati nel paragrafo dedicato alle RADIO RUMOROSE..
TIPI DI RUMORE.
1 - È mai capitato di tenere una radio accesa senza averla collegata a un'antenna e sentire un leggero soffio uscire dall'altoparlante?
2 - È mai successo attaccare l'antenna alla radio e di notare un insolito soffio a momenti piuttosto marcato che ha un'intensità che varia molto a volte molto lentamente e in altre come degli scrosci e si sente solo nella parte alta delle HF, in VHF, in UHF e in SHF?
3 - È mai successo di sentire un rumore insistente, altalenante, a volte anche scoppiettante, scrosciante o come un ululato o ancora come una mitragliatrice?
4 - È mai successo di notare un rumore che compare e scompare passando dal giorno alla notte o durante le attività domestiche quotidiane?
Tralasciando certe trasmissioni che “sembrano” rumore ma non lo sono e considerando quelli che effettivamente sono vari tipi di rumore, per comprendere a fondo tutto quello che comporta per le radiocomunicazioni è necessario conoscerli bene tutti.
I quattro esempi sopra elencati corrispondono ad altrettante tipologie di rumore:
1 - Rumore termico
2 - Rumore spaziale
3 - Rumore meteorologico
4 - Rumore elettromagnetico dovuto ad attività antropica.
Preamplificatore Yaesu FT-991A.
1 - IL RUMORE TERMICO
È dovuto all'agitazione termica (spontanea) degli elettroni all'interno della materia.
Questo tipo di rumore è ovunque, quindi anche nelle stesse radio, in tutto quello che le compone, ma la parte più incisiva interessa soprattutto i conduttori e i semiconduttori soggetti a differenze di potenziale.
Come è facile immaginare, si tratta di un tipo di rumore di livello estremamente basso, ma che comunque costituisce un limite alla possibilità di ricevere segnali al di sotto della soglia del rumore stesso.
Il livello di questo tipo di rumore è determinato dall'agitazione termica e dal movimento degli elettroni all'interno dei componenti attivi in una radio, in particolare dei primi stadi di amplificazione in un ricevitore, quindi dipende principalmente dalla qualità di tali componenti.
È quindi una sorgente di disturbo interna alla radio e definisce il limite massimo di sensibilità, per questo quando si parla di sensibilità di un ricevitore, esso stabilisce la capacità di ricevere segnali piccoli, ma con un certo rapporto rispetto al rumore termico.
Il rapporto fra segnale e rumore viene anche chiamato "noise ratio" (cifra di rumore o figura di rumore) e indicato con "S/N" (signal/noise).
Se si deve fare una comparazione fra un ricevitore la cui sensibilità è di 1μV per 10dB S/N e un ricevitore la cui sensibilità è di 1μV per 20dB S/N, è chiaro che il secondo è più sensibile rispetto al primo, cioè in grado di ricevere un segnale pari a 1μV, ma con un livello di rumore più basso, quindi volendolo equiparare al primo, sicuramente sarà in grado di ricevere segnali più bassi si 1μV per un rapporto di 10dB S/N (secondo il rapporto segnale/rumore del il primo ricevitore).
Per comprendere l'effetto che può avere il rumore termico all'interno di un ricevitore, senza tirare fuori formule e spiegare in parole povere il fenomeno, basta sapere che partendo dall'energia degli elettroni in agitazione termica nella materia e calcolando il livello in base alla temperatura, si è calcolato un minimo teorico di -140dBm, valore inteso per i materiali non soggetti a passaggio di corrente elettrica, quindi non attivi..
A questo andrebbe aggiunto il rumore dovuto ai primi stadi di amplificazione, (preamplificatore RF e 1° Mixer) in quanto essendo i primi stadi con componenti attivi nella catena di amplificazione di un ricevitore, il loro rumore interno viene amplificato dagli stadi successivi, quindi se tale rumore è ipoteticamente di 10dB, il limite teorico di -140dBm si sposta a -130dBm e considerando il livello di amplificazione e un buon livello di dinamica di un buon ricevitore, questo diventa già un livello percepibile all'orecchio sotto forma di un leggero soffio.
La differenza fra il limite teorico dei -140dBm e i -130dBm, cioè i 10dB, è chiamata "cifra di rumore" o "figura di rumore (noise figure).
Seguendo quanto detto sopra, per ricevere un segnale utile con 10dB di rapporto S/N, questo deve essere di -120dBm (-130dBm +10dBm), quindi "dovrebbe" essere un segnale indicato dallo S-Meter, poco sopra S1.
Da quanto detto sopra, è evidente che minore sarà la cifra di rumore e minore è la rumorosità “reale” di un ricevitore.
Questo parametro dei 10dB portato in esempio come introdotto dai primi stadi di amplificazione è solo un valore indicativo e quei 10dB non indicano che ci troviamo di fronte a una cattivo ricevitore.
E' importante non dimenticare che tutto questo discorso è intrinseco al ricevitore stesso, quindi si parla di un ricevitore collegato a un carico fittizio e che non abbiamo ancora collegato all'antenna.
Preamplificatore Icom IC-7700.
Preamplificatore Yaesu FT-1000.
2 - IL RUMORE SPAZIALE
È un rumore che proviene dallo spazio ed è dovuto a varie sorgenti e a vari fenomeni spaziali in grado di generare energia elettromagnetica.
Partendo dal rumore della galassia e dello spazio profondo, dovuto ai vari corpi celesti, per finire a tutti i fenomeni legati al nostro Sole, il rumore spaziale può assumere livelli anche rilevanti e in grado di condizionare sensibilmente le radiocomunicazioni, in base alle varie frequenze.
Naturalmente il sole è la fonte più vicina per i fenomeni di rumore spaziale, per il quale i livelli di rumore possono raggiungere in casi estremi anche livelli piuttosto alti durante le ore di luce.
Puntualizzando che le cause del rumore dovuto all’attività solare, il rumore termico irradiato, il vento solare, i flare e le espulsioni di massa coronale, oltre al fatto che possono causare tempeste geomagnetiche, proiettano verso la terra un po' di tutto, dal flusso di elettroni alle radiazioni cosmiche, tutti questi fenomeni generano ulteriore rumore e sono in grado di influenzare negativamente le radiocomunicazioni in maniera diversa in base alla frequenza.
Riportando il discorso nel campo dei radioamatori ed appassionati di radio, questo genere di rumore, a differenza del rumore termico che è intrinseco ai circuiti elettronici, compare in particolari condizioni quando l'antenna è collegata alla radio.
Il rumore spaziale interessa solitamente le bande di frequenza comprese fra i 100MHz e i 40GHz, ma occasionalmente può arrivare ad interessare frequenze molto più basse fino alla parte alta delle HF.
Verso gli inizi degli anni '80 si registrarono livelli di rumore spaziale proveniente dal sole prossimi a -75dBm (quasi S9 sullo S-Meter) su frequenze intorno ai 20MHz per una durata di alcune ore, quindi un livello di rumore in grado di disturbare pesantemente le attività radioamatoriali.
3 - IL RUMORE METEOROLOGICO
Come dice l'aggettivo è dovuto alla situazione meteorologica locale.
La forma più nota di rumore meteorologico sono le scariche che si sentono nella radio nel momento in cui si verifica un fulmine nel corso di un temporale.
In realtà per ogni fulmine che si scarica, non finisce tutto nel momento in cui lo avvertiamo nella radio o visivamente, perché in realtà c'è tanto altro rumore radio di livello inferiore che viene generato dal movimento di elettroni sulla superficie terrestre e dalla sommità delle celle temporalesche fino all'elettrosfera, poco prima e un po' dopo la scarica del fulmine stesso.
Oltre a questa forma molto evidente di rumore radio, le condizioni meteorologiche possono generarne tanto altro.
Il vento, che sia umido o asciutto, tramite le turbolenze fra le masse di aria che circolano a velocità e temperature diverse, è in grado di ionizzare l'aria stessa.
In questo turbinio di masse d'aria, ogni elettrone che viene sottratto al suo atomo è in grado di creare una piccolissima irradiazione elettromagnetica, così come la ricrea nuovamente nel momento in cui si ricombina con un altro atomo, perciò si può facilmente immaginare che un numero inimmaginabile di elettroni in movimento e agitazione, possono generare tutti insieme un rumore tale da essere ricevuto da un ricevitore radio.
Non si tratta di un rumore che può arrivare a livelli particolarmente alti, ma in alcune condizioni può condizionare le radiocomunicazioni quando si sta lavorando con segnali bassi.
Chi ha fatto l'esperienza di portare per lunghi periodi un apparato HF in macchina, non può non aver notato che si ascoltano diversi tipi di rumore in base alle condizioni meteorologiche, soprattutto sulle frequenze oltre i 20MHz.
Il tipo di rumore meteorologico che più di tutti gli altri è facile notare usando un apparato HF in macchina, sono i guizzi di rumore, visibili anche sullo S-Meter, che durante le giornate di vento molto asciutto proveniente da nord, si sentono distintamente ogni qualvolta che si passa con l'auto su oggetti metallici, come tombini, griglie di scolo, le travi in cemento armato dei ponti, ecc.
Un fenomeno più o meno simile accade quando con le stesse condizioni meteorologiche, si sta fermi con l'auto in una panchina di sosta di una strada a scorrimento veloce e le altre auto che passano a velocità sostenuta a pochi metri di distanza dalla nostra automobile; ad ogni passaggio producono un guizzo di rumore nella radio.
È opportuno porre l'attenzione a queste particolari condizioni meteorologiche, perché sono le condizioni perfette per prendere la scossa quando si scende dall'auto.
Il fenomeno in queste condizioni meteorologiche è dovuto al rotolamento delle ruote dell'auto in marcia, il quale crea un effetto simile a quello del "generatore van der graaf", strappando elettroni ai materiali della carrozzeria dell'auto e provocando uno stato di “carica positiva” rispetto al terreno; appena scendiamo dall'auto, nel momento in cui appoggiamo un piede a terra e tocchiamo uno sportello, andremo a fare da ponte per il passaggio di una scarica elettrica di qualche migliaio di volts.
Inutile aggiungere che molte auto in movimento contribuiscono con fenomeni simili alla ionizzazione dell'aria, dove buona parte degli ioni negativi spostandosi nell'aria con la brezza o con il vento teso, si vanno a posizionare su tutti i conduttori appuntiti, comprese le antenne radio.
Con queste stesse condizioni meteorologiche, il vento teso è la causa primaria della ionizzazione dell'aria e se si ha la fortuna di abitare in una zona dove non c'è rumore urbano, si può notare distintamente nelle radio un rumore come un soffio che può arrivare anche a -100dBm, quindi è facile identificarlo.
Con una situazione meteorologica con vento umido, questi fenomeni sono molto meno evidenti, ma ogni tanto qualche rumore simile a un soffio può comparire a causa di grossi accumuli di cariche elettriche che si spostano sulla superficie terrestre nella direzione di qualche temporale anche distante alcune decine di Km di distanza.
Da tutti questi fenomeni è facile comprendere che le condizioni meteorologiche, in qualche modo mettono in movimento grandi masse di aria che si ionizza e muove elettroni, i quali in tanti modi diversi generano rumore radio.
È importante ricordare che le masse d'aria in continuo spostamento, contribuiscono agli accumuli di elettroni sulle punte delle antenne, dove anche qui con la continua agitazione e migrazione verso l’aria, vanno ad aumentare il rumore di fondo per determinati tipi di antenne (direttive, verticali, e tutte le antenne con terminali a punta).
4 - IL RUMORE ELETTROMAGNETICO DOVUTO AD ATTIVITA’ ANTROPICA
Altro non è che il risultato dell'attività poco attenta all'ambiente da parte degli esseri umani.
Ogni centro urbano ne è afflitto e ovunque sia presente questo tipo di rumore radio, le attività radio sono pesantemente limitate, tanto che in condizioni più estreme, è completamente impossibile ogni attività radio.
In condizioni di rumore elettromagnetico di natura antropica spesso non è possibile nemmeno osservare tutti gli altri tipi di rumore, quindi oltre alla forte limitazione per le attività radio in generale, è impossibile fare osservazioni e sperimentazioni sugli altri tipi di rumore.
Le cause e le sorgenti di questo tipo di rumore sono trattati nelle seguenti pagine di questo sito:
QRM... una brutta bestia per tutti gli appassionati della radio
QRM... Brutta bestia 2: Cause e possibili rimedi
Gli effetti del rumore elettromagnetico dovuto ad attività antropica sono molteplici, ma uno dei peggiori effetti che si verificano sulle antenne in cui non c'è un corretto equilibrio delle strutture radianti, è quello di permettere al rumore elettromagnetico di creare correnti nelle stesse strutture ed accentuare il rumore nel ricevitore in maniera esponenziale.
Giusto per fare qualche esempio, basta pensare alla differenza di rumore che si verifica fra un dipolo ben bilanciato o una ground plane con tutti gli elementi risonanti e una verticale con piano di terra non risonante o una long-wire; le prime risultano molto più silenziose rispetto alle seconde.
E adesso con i tipi di rumore spiegati prima insieme a quest’ultima specificazione, si può incominciare a parlare di...
CONCETTI SBAGLIATI LEGATI AL RUMORE:
LE ANTENNE RUMOROSE
sono un argomento affrontato spesso da molti appassionati della radio, ma il problema serio è che senza le dovute osservazioni, senza le giuste competenze e senza la dovuta attrezzatura, si arriva a commettere errori piuttosto grossolani di valutazione.
Un'antenna è un trasduttore elettromagnetico e la sua capacità di trasduzione ne determina il guadagno.
Per un'antenna che ha un buon guadagno, significa che la trasduzione avviene in maniera efficace sia in trasmissione che in ricezione e se un'antenna è immersa in un campo di rumore elettromagnetico, trasducendolo lo porta direttamente in ingresso al ricevitore, quindi più alto è il guadagno e maggiore sarà il rumore nel ricevitore.
Per un'antenna che ha un guadagno scarso, avviene il fenomeno al contrario, quindi una trasduzione meno efficace porterà una quantità di rumore elettromagnetico inferiore nel ricevitore rispetto all'esempio precedente.
In ogni caso, se insieme al rumore c'è un segnale che intendiamo ricevere, a prescindere dal guadagno dell'antenna, il rapporto di intesità fra i due resta sempre lo stesso, dal momento tale rapporto dipende dall'intensità dei campi elettromagnetici del rumore e del segnale che si vuole ricevere, i quali sono presenti nell'etere nel punto dove si trova l'antenna ricevente, già prima che questi vengano convertiti dall'antenna in segnali elettrici.
Quindi come si fa a dare un giudizio negativo ad un'antenna con un buon guadagno che purtroppo porta più rumore al ricevitore e poi giudicare positivamente un'antenna di scarse qualità, ma che porta minor rumore al ricevitore?
È ovvio che se si usano le due antenne in trasmissione, l'antenna con un guadagno più alto sarà favorita, ma purtroppo le leggende metropolitane nate intorno a questo errore di valutazione, portano molti operatori a credere che l'antenna con un guadagno inferiore sia la migliore.
Addirittura c'è chi vorrebbe stabilire la qualità di un'antenna "silenziosa" facendo dei test su QSO fatti con l'aiuto della propagazione.
Ma come si può pretendere di fare valutazione di un'antenna se la differenza di guadagno fra due antenne potrebbe essere di pochi decibel e il QSB in propagazione ha fluttuazioni anche di 30-40 decibel?
Si può arrivare a comprendere che non si valutano le antenne durante i QSO in propagazione e nemmeno per i QSO locali oltre una certa distanza, perchè fra antenna trasmittente e antenna ricevente, l'intensità del campo elettromagnetico viene influenzata da molteplici cause.
Il vento, le riflessioni e l'assorbimento di oggetti in movimento come la vegetazione e le linee elettriche, il coefficiente di umidità e la ionizzazione dell'aria, il pulviscolo atmosferico, sono in grado di falsare notevolmente l'intensità di campo già dopo qualche chilometro, anche di diversi decibel.
La bontà di un'antenna va valutata solo ed esclusivamente con l'impiego di un misuratore di campo la cui antenna (o sonda) di rilevazione è posta fra le distanze di 1 onda e 3 o 4 onde intere (distanze maggiori non permettono misure stabili a causa dei tanti fenomeni legati all'aria).
L'uso di loop risonanti in certe occasioni è preferibile rispetto ai sistemi a larga banda per il fatto che escludono eventuali campi elettromagnetici interferenti su altre frequenze.
Il metodo classico usato fino ai giorni nostri per misurare il campo elettromagnetico è di spostare una sonda di rilevazione in cerchio e a varie altezze intorno all'antenna da testare mediante apposite strutture in ambienti dedicati, in questo modo è possibile verificare il lobo di radiazione e quindi anche l'angolo di radiazione.
Con la comparsa dei droni gestiti da computer si stanno incominciando ad impiegare quest'ultimi come mezzo per portare le sonde di rilevazione nello spazio circostante all'antenna da testare, riducendo notevolmente i costi delle strutture mobili usate fino ad ora, aumentando la precisione dei test grazie a un volume di dati maggiore e riducendo i tempi necessari alle operazioni.
E' possibile comunque comparare le qualità di due antenne anche con metodi casalinghi (non QSO) ed ottenere un responso attendibile.
Utilizzando un'antenna risonante (anche una mini loop) come sonda e un raddrizzatore di RF, la cui tensione di uscita può essere letta da un comunissimo tester; la tensione letta più alta fra le due, determina qual'è l'antenna più efficiente.
Comunque la questione del rumore ricevuto (o non ricevuto) non ha alcun fondamento e non può essere usato come parametro di valutazione di un'antenna.
È anche vero però, che se si incomincia a parlare di antenne a loop, c'è una risposta diversa circa il rumore, ma il fatto è dovuto a un diverso sistema di equilibrio, dove si lavora con risonanza pura e la corrente di modo comune è pressoché nulla, senza dimenticare che il loop è un circuito chiuso, quindi non presenta punte dove è possibile l'accumulo di cariche elettriche e di conseguenza minor rumore di natura atmosferica e meteorologica.
Partendo dall'esempio delle antenne rumorose, si è potuto comprendere che se non si conoscono le origini del rumore radio e la sua natura, è possibile commettere errori di valutazione sulle antenne e che vanno di conseguenza a compromettere l'attività radiantistica.
Un'altra leggenda metropolitana nata a causa del rumore è quella delle
RADIO RUMOROSE.
Capitava già molti anni fa' e capita ancora adesso di ascoltare molti radioperatori che demonizzano alcune radio perché "estremamente rumorose".
Capita infatti di sentire frasi come queste:
- "Ho avuto quel modello di radio, ma l'ho dato via subito perché era molto rumorosa",
- "Ma quella radio è una porcheria, non si può sentire, ti fa venire mal di testa",
- "Una radio così nella mia stazione non ci entrerà mai...".
Cosa significa realmente quando una radio è rumorosa?
Come già spiegato nel paragrafo in cui si fa riferimento al "Rumore Termico", una radio è realmente rumorosa se ha una "cifra di rumore" alta (Noise Figure), quindi è una radio che fa rumore anche se viene collegata a un carico fittizio.
Ma se diversamente una radio collegata a un carico fittizio non fa rumore ed ha una "cifra di rumore" bassa e dopo essere stata collegata ad un'antenna (che magari ha un buon guadagno) riceve parecchio rumore, con buona probabilità sta ricevendo qualcosa che è nel suo range di sensibilità, quindi va ad amplificare quello che c'è realmente all'uscita del connettore d'antenna; in parole povere: "sta facendo il suo dovere".
Oltretutto se all'uscita del connettore di antenna è presente un rumore (di qualsiasi natura) di -85dBm, una radio che fa il suo dovere, deve segnare un rumore di intensità S7, diversamente se indica un rumore basso o molto più basso, è una radio che non sta facendo il suo dovere ed in qualche modo sta amplificando poco quello che entra dall'antenna.
Questo significa che se quella radio fosse in una condizione di assenza di rumore captato dall'antenna, amplificherebbe in modo scarso anche i segnali utili da ricevere.
Con questi dati alla mano è chiaro che si è davanti a concetti sbagliati circa il funzionamento di una radio.
Per comprendere fino in fondo perché si è davanti a concetti sbagliati, bisogna ripercorrere la strada evolutiva delle radio dall'inizio, fino alle radio moderne per le radiocomunicazioni.
Per le prime radio, dopo l'avvento dei tubi elettronici che hanno visto l’introduzione degli stadi di amplificazione, si è già incominciato a fare i conti con la dinamica, l'impiego dei primi stadi amplificatori ha incominciato a mostrare alcuni problemi legati all'intensità del segnale ricevuto, cioè la saturazione e la conseguente distorsione in presenza di segnali particolarmente forti in antenna.
Agli inizi si è cercato di tentare dei compromessi, cioè un'amplificazione non troppo alta per non causare saturazione per una radio posta a poca distanza dal trasmettitore e non troppo bassa per riservare un minimo di ricezione in caso di una maggiore distanza dal trasmettitore, ma questa soluzione non si è rivelata adottabile, perché la distanza del trasmettitore dalla stazione emittente, provoca un decadimento del campo elettromagnetico per via dell'attenuazione sferica, quindi per una ricevente posta a notevole distanza dalla stazione trasmittente, era necessario avere un amplificazione con maggior guadagno per poter lavorare in maniera efficiente i segnali bassi, una soluzione quindi non valida per concepire la produzione di radio commerciali.
Gli studiosi dell'epoca sono arrivati a fare il primo sistema a "retroazione positiva", chiamato anche "super-reazione", un amplificatore che amplificava se stesso fino ad arrivare al livello di sensibilità voluta e che poteva essere introdotto sulle radio commerciali.
Era un sistema che prevedeva un "dosaggio" della reazione in base all'intensità del segnale da ricevere, soprattutto per compensare l'enorme differenza dell'intensità del segnale in onde medie fra il giorno e la notte.
Il sistema comunque ha richiesto più o meno subito la necessità di evoluzione, perché proprio nelle ore notturne, la presenza del fading (QSB) imponeva di aumentare e diminuire continuamente la reazione della radio.
Oltretutto la quantità di reazione variava al variare della frequenza, quindi le radio non presentavano le stesse caratteristiche su tutte le frequenze operative, quindi maggior sensibilità e selettività sulle frequenze basse e minor sensibilità e selettività su quelle alte.
Regolando la distanza fra i due solenoidi (anelli) al centro della radio, era possibile dosare la quantità di reazione positiva.
Le cose rimasero più o meno così fino all'invenzione del sistema "supereterodina" dove erano presenti degli stadi amplificazione di media frequenza dove si poteva stabilire il livello di amplificazione voluto e il livello di selettività necessario per avere caratteristiche costanti su tutte le frequenze operative.
Ma mancava ancora un accessorio per compensare il fading e non tenere qualcuno incollato alla radio per alzare ed abbassare l'amplificazione degli stadi di media frequenza; mancava il "Controllo Automatico di Guadagno" (CAG o AGC) che all'epoca si chiamava "Controllo Automatico del Volume (CAV).
Una volta giunti ad un prodotto che semplificava le procedure di uso e poteva essere utilizzato da chiunque senza regolazioni critiche, la radio ha incominciato ad essere impiegata anche per le "radiocomunicazioni bidirezionali", cioè sono nate le prime radio "ricetrasmittenti".
Quando le radio ricetrasmittenti sono arrivate ad essere utilizzate in vari impieghi oltre a quelli radioamatoriali, sono state oggetto di un progressivo perfezionamento, fino all'adozione di alcuni parametri standard con precise caratteristiche il cui lo scopo era di mantenere l'efficienza nell'utilizzo.
Nel caso di quelle dedicate per la parte ricevente erano i seguenti:
- Cifra di Rumore,
- Sensibilità per un rapporto di segnale/rumore,
- Selettività e larghezza di canale,
- Reiezione della frequenze indesiderate,
- Reiezione della frequenza immagine,
- Resistenza all'intermodulazione,
- Resistenza alla modulazione incrociata,
- Dinamica del ricevitore.
E proprio su quest'ultima caratteristica, la "Dinamica", è il caso di soffermarsi per poter spiegare per bene il perché dei concetti sbagliati sulle radio rumorose e per arrivare allo scopo occorre comprendere bene cos'è la dinamica legata al livello di amplificazione di un ricevitore.
La dinamica di un ricevitore è la capacità di ricevere segnali estremamente bassi e segnali estremamente alti, con una qualità utilizzabile dall'operatore, senza risentire quindi dei sovraccarichi da segnali forti presenti sulla frequenza in uso e sulle frequenze adiacenti.
Il range dei segnali che entrano dall'antenna di un ricevitore e che sono utilizzabili dal più basso al più alto, si misura in decibel ed è effettivamente la dinamica di un ricevitore..
L'estensione del range dei segnali utilizzabili (dinamica) è determinato dalla linearità dei circuiti di amplificazione e dal livello di amplificazione stesso che è controllato dall'AGC, quindi (in dB) è la differenza fra il segnale più forte e il segnale più debole, senza fenomeni di saturazione, distorsione, intermodulazione e modulazione incrociata (fenomeni di interferenza anomali che disturbano la ricezione di cui si è parlato nell'introduzione).
Siccome nel campo radioamatoriale il range di segnali presenti in antenna lavorabili da un ricevitore cadono grosso modo sempre fra un livello minimo e un livello massimo abbastanza ricorrenti, nasce la necessità di avere una misura del campo elettromagnetico ricevuto, proprio per valutare perciò come il segnale di un corrispondente giunge all'antenna.
Tenendo conto che la tecnologia costruttiva dei componenti elettronici negli anni ha permesso la costruzione di componenti più precisi e con una cifra di rumore sufficientemente bassa ed ha permesso inoltre la progettazione di circuiti con una buona linearità, i segnali lavorabili possibili sono diventati parte di uno standard adottato per le attività radioamatoriali (standard IARU), che va da -121dBm corrispondenti 0,195μV, fino a -13dBm corrispondenti a 50mV, quindi per capire quanto è ampio questo range, basta pensare al rapporto di grandezza fra il segnale più grande e il segnale più piccolo che è pari a 1:256.410,26.
Per avere quindi un parametro di misura univoco per tutti i radioamatori, si è adottato uno standard logaritmico per lo strumento che misura l'intensità del campo ricevuto; lo S-Meter, composto da 9 divisioni da 6dB e 6 altre divisioni da 10dB per i segnali molto forti.
Nella figura sono riportati i valori per il Segnale, in dBm e in Volts.
Questo significa che se un ricevitore collegato ad un'antenna, rispetta i parametri dello standard adottato per le attività radioamatoriali, circa la sensibilità e la dinamica di ricezione per una lettura dell'intensità di campo affidabile, in assenza di segnali forti su frequenze adiacenti dovrebbe leggere il rumore captato dall'antenna allo stesso identico modo in cui lo legge un altro ricevitore, quindi partendo dal punto fermo che ormai tutti i ricevitori per radioamatori hanno una cifra di rumore sufficiente bassa, se in antenna ci sono -91dBm di rumore pari a 6,25uV, cioè S6, tutti i ricevitori che si vanno a collegare su quella stessa antenna, dovrebbero segnare più o meno la stessa lettura considerando plausibile una tolleranza di qualche tacca sullo S-Meter, per il fatto che non tutte le radio sono costruite allo stesso modo e con lo stesso livello di precisione, oppure che possono avere un po' di anni e lavoro sul groppone.
E' importante poi specificare che la maggior parte delle radio in commercio, per livelli di segnale basso da S1 a S3, hanno letture sullo strumento totalmente sbagliate.
Stabilito quanto detto sopra, non è ammissibile una differenza di lettura di parecchi punti sullo S-Meter fra ricevitori posti a lavorare nelle stesse condizioni e con gli stessi livelli di segnale in antenna, quindi non è possibile che una radio segni S8 di rumore ricevuto e un'altra connessa sulla stessa antenna segni S1 o S2.
A questo punto è chiaro che fra i due ricevitori c'è qualcosa che non quadra, soprattutto se uno dei ricevitori non rispetta di parecchio i livelli in dBm legati all'indicazione dello S-Meter.
La prova definitiva che queste anomalie portano a concetti sbagliati, si ha quando ci si trova in QSO con un altro corrispondente su una banda come i 40m dove il rumore radio "naturale" della banda non scende mai sotto S6-S7 e ci viene dato un rapporto al nostro segnale di S4-S5.
Ma come è possibile?
Cosa sta leggendo il ricevitore del corrispondente?
Le risposte possono essere due:
- La radio del corrispondente è guasta (starata, smanettata),
- La radio del corrispondente è stata deliberatamente desensibilizzata, quindi è fuori dal range per i livelli dBm corrispondenti ai punti dello S-Meter e i rapporti che legge l'operatore non hanno senso.
Considerando perciò lo standard adottato nel mondo dei radioamatori e da tutte le case costruttrici, è evidente che non esistono (o quasi) radio rumorose, ma la questione del rumore è semplicemente una tendenza dell'operatore a non voler sentire il rumore captato dall'antenna.
In questo caso poi c'è un'altra affermazione "classica" che scuote la mente di chi sta da questa parte della radio:
"Nella mia zona non ho rumore in 40m"...
L'operatore da questa parte della radio pensa:
"Ma come?"
"Ma se prendo una radio e me ne vado lontano da qualsiasi forma di presenza di attività antropica, nemmeno se uso un'antenna di fortuna il rumore di fondo mi scende mai sotto S1!
Ma dove ha la stazione questo? In paradiso?"
A prescindere dalle giustificazioni che il corrispondente può avere circa la volontà di non voler sentire il rumore e quindi avere poi letture errate del campo elettromagnetico del segnale ricevuto, nella questione relativa allo standard per i radioamatori (standard IARU) dello S-Meter legato al livello di amplificazione e alla dinamica dei ricevitori rientra un altro fattore che contribuisce a complicare le cose: il preamplificatore di antenna e i livelli di attenuazione.
Tutte le radio per radioamatori, da quelle più vecchie a quelle più nuove, hanno almeno un preamplificatore disattivabile e un attenuatore, quelle più nuove hanno più livelli di preamplificazione e più livelli di attenuazione.
Per le radio di buona fattura prodotte fra gli anni '90 e i primi anni del nuovo millennio, la lettura dello S-Meter corrisponde con una buona approssimazione allo standard adottato per le attività radioamatoriali (salvo per i segnali più bassi), quando il preamplificarore è in funzione.
Se per quelle radio il preamplificarore attivo è necessario per avere un funzionamento secondo gli standard, perché è stata prevista la possibilità di disattivarlo?
Per lo stesso motivo per cui sulle radio è presente anche un attenuatore, cioè proteggere il ricevitore dai forti sovraccarichi provocati dai segnali molto forti che vanno oltre il range standard, in particolare i numerosi segnali delle broadcasting dell'epoca che si trovavano su frequenze vicinissime alle bande radioamatoriali.
Durante gli anni '70 e '80, un periodo in cui le bande per la radiodiffusione in onde corte erano piene di emittenti da tutto il globo e in molti casi c’erano condizioni di sovraffollamento, molte emittenti adottavano potenze estremamente alte, ma quelle che hanno raggiunto livelli record di potenza, erano quelle che conducevano propaganda per i due schieramenti nel periodo della guerra fredda.
Con livelli di segnali estremamente alti, che raggiungevano spesso livelli molto oltre i -13dBm, quindi oltre S+60dB, anche i migliori ricevitori incominciavano ad avere problemi di dinamica, quindi era necessario spegnere prima il preamplificatore e poi addirittura attenuare il segnale in arrivo dall'antenna per non saturare il primo mixer e poter operare nelle bande radioamatoriali vicine.
Quindi seguendo questa logica è chiaro che i comandi del preamplificatore e dell'attenuatore hanno un significato diverso da "un comando per abbassare il rumore", anche se alla fine ognuno poi li usa come gli pare.
Come scritto prima, nelle radio più recenti sono presenti più livelli di preamplificazione e più livelli di attenuazione e se sulle radio di buona fattura degli anni '80-'90 lo standard dello S-Meter adottato per le attività radioamatoriali, corrispondeva alla radio con preamplificatore acceso, per le radio più recenti questo non è specificato, per cui anche questo è un motivo di ulteriore confusione il quale contribuisce ad alimentare teorie e concetti sbagliati circa le radio rumorose.
Tutto il discorso affrontato non cambia per le radio ibride (analogico/SDR) e nemmeno per le radio SDR pure, lo standard della sensibilità e della dinamica per lo S-Meter dovrebbe essere sempre quello e i parametri di valutazione della sezione ricevente sono comunque sempre gli stessi, anche perché sia per le radio ibride, che per le radio SDR, esattamente come per tutte le radio analogiche, il primo stadio a ricevere i segnali dall’antenna è sempre un preamplificatore analogico, il quale essendo quello interessato prima di tutti i circuiti che vengono dopo nella lavorazione del segnale, deve avere una cifra di rumore più bassa possibile e deve essere di una linearità altissima.
Altro problema tecnico che ogni tanto ha demonizzato alcune radio (questa volta a ragione), le quali prendevano l’etichetta di rumorose, è stata la cura con cui venivano realizzati i circuiti di AGC.
Si sa che l’intervento dell’AGC deve avere caratteristiche diverse in base al modo di emissione con cui si va ad operare; se si opera in AM o FM è necessario un intervento veloce, se si opera in RTTY o modi digitali è necessario un intervento un po’ più lento o veloce in base al QSB, se invece si opera in SSB è necessario un intervento rapido in fase di carica e molto lento in fase di scarica.
Purtroppo essendo questo un fattore che implicava una cura particolare nelle scelte tecniche da parte delle case costruttrici, per realizzare un AGC veramente efficiente in tutte le condizioni di utilizzo, o per qualche radio “entry level” o per le radio dove è stata mal valutata l’efficienza di questo circuito in fase progettuale, di fatto sono comparse sul mercato delle radio non proprio soddisfacenti per l’utenza radioamatoriale.
Così si sono potute vedere in commercio alcune radio in cui la velocità di intervento dell’AGC era un vero disastro e la poca cura con cui sono stati realizzati gli stadi di bassa frequenza dopo la rivelazione, hanno contribuito a completare il giudizio su un prodotto che non ha soddisfatto la parte di pubblico radioamatoriale più attenta a questi particolari.
Il risultato più evidente che poteva essere notato su queste radio, era che all’arrivo di un segnale forte in SSB, la radio tardava a caricare l’AGC e invece lo scaricava velocemente, restituendo una ricezione che sembrava strappata e piena di rumore.
Una condizione peggiore si verifica se l’AGC non ha un intervento che segue una curva logaritmica, ottenendo una ricezione abbastanza irregolare e che porta ad una enfatizzazione del rumore radio.
Due esempi di radio con entrambi i difetti sopra citati, erano il TS-140S e il TS-680S della Kenwood, dove a ragione, secondo l’opinione di molti, la casa costruttrice aveva realizzato dei prodotti veramente di basso livello.
Volendo essere pignoli nella valutazione della reazione col rumore per queste radio, se alla fine l’AGC avesse avuto un intervento più idoneo e consono allo standard logaritmico IARU, sicuramente queste radio non sarebbero state poi così cattive, perché facendo le dovute misurazioni in condizioni statiche di segnale e rumore, i parametri non sono poi molto differenti da quelli di molte altre radio messe nella stessa situazione di staticità dei segnali e che hanno avuto largo consenso fra i radioamatori.
Alla fine, un po’ per l’AGC progettato male e un po’ per la qualità dell’audio di ricezione, quindi dettagli che si sarebbero potuti correggere con poco, molte delle radio Kenwood di quell’epoca sono state etichettate in maniera molto spiccia, come “estremamente rumorose”.
Si sarebbero potuti correggere questi difetti con poco perchè una volta progettata e realizzata la parte RF analogica con una buona risposta di amplificazione, di linearità, resistenza alla saturazione, all'intermodulazione e una buona cifra di rumore, significa che tutta la parte critica per una radio è stata messa alle spalle e sarebbe bastato un minimo sforzo in più per ottenere una radio che avrebbe riscosso sicuramente successo.
C’è anche da dire che da sempre i marchi costruttori di radio per radioamatori (non solo Kenwood), hanno prodotto ogni tanto delle radio con lacune qualitative, quindi le 2 radio menzionate prima non sono state le uniche ad avere lacune di progettazione.
Volendo essere più precisi, c’è anche da dire che dagli anni ‘90 in poi nelle radio finalmente si sono potuti vedere i circuiti AGC progettati con più cura e volendo infine spezzare una lancia per le radio Ibride ed SDR, la risposta dell’AGC è diventato estremamente precisa grazie al controllo DSP e si è arrivati ad un livello dove la natura del rumore è diventata più semplice da osservare e capire.
by Saverio IK7IWF