Dal laboratorio all’antenna reale – RR

Sulla sensibilità reale dei
ricevitori V-UHF

Introduzione

Il tema non è certo nuovo e da molti anni dibattuto, specie per i ricevitori per le HF o quelli più usati da chi partecipa a contest in VHF e superiori. In più di una occasione infatti, si è evidenziata una diversa percezione di sensibilità delle radio utilizzate sul campo, ben al di là delle differenze dei dati dichiarati nel manuale. In questo studio, per quanto amatoriale, cercheremo di indagare la situazione studiando quattro ricetrasmettitori bibanda molto popolari e di due generazioni sostanzialmente differenti.

Le radio scelte per i test

Prima di addentrarci oltre, è bene precisare come la scelta degli apparecchi sottoposti ad analisi sia stata guidata da mera curiosità tecnica e disponibilità degli stessi. Nulla di quanto sarà espresso nel seguito vuole in alcun modo suonare a critica o approvazione dell'uno o dell'altro marchio o modello considerato.

Gli eventi scatenanti l'indagine sono state le evidenze d'utilizzo di due recenti apparecchi di fabbricazione cinese e di costo contenuto. In particolare:

Surecom KT-8900D: collegato in vettura o ad una verticale a casa, pare essere "sordo" in 2m

Baofeng UV-5R: collegato ad una antenna esterna o comunque differente da quella di serie, pare diventare molto insensibile in 2m e 70cm

Per paragone, ho preso due apparati in mia disponibilità quali:

ICOM IC-2350 e Kenwood TH-D72E

che da anni utilizzo senza aver notato evidenti decadimenti di prestazioni pur cambiando località d'utilizzo e impianto d'antenna collegato.

Le misure

Misurare la sensibilità al banco

La prima verifica, la più naturale ed istintiva, è quella di verificare i dati dichiarati dal costruttore. Nel caso dei recenti modelli cinesi, le specifiche fanno riferimento alla norma ​​ ETS300086, mentre per i modelli del Sol levante non viene indicata, ma pare verosimile che il metodo di valutazione sia sostanzialmente equivalente, salvo che la misura identifica il livello di segnale in ingresso che produce solo 12dB di SINAD in luogo dei 20 dello standard sopra citato.

In estrema sintesi, il setup di misura è così composto:

Illustrazione 1: Schematizzazione del sutup di misura secondo la EN300086

dove:

  • il generatore è settato alla frequenza di ricezione

  • la modulazione è a 1kHz

  • la deviazione è pari ad 1,5kHz, quale 60% dei 2,5kHz previsti come massimo dal comma 4.1.4.1 della citata norma, per apparati canalizzati a 12,5kHz

  • il ricevitore è settato per erogare almeno metà della potenza audio dichiarata

  • la misura è eseguita riducendo il livello del generatore a partire da 6dBμV fino a trovare il valore che produce solo 20dB di SINAD in uscita

  • nel mio laboratorio domestico ho ricostruito il setup di norma come segue:

 

Illustrazione 2: Schematizzazione del setup di misura realizzato seguendo la EN300086

dove:

  • il generatore è il Fluke 6060A, controllato da riferimento a Rubidio

  • la Sound blaster è una vecchia Aureon 5.1

  • il software di misura è quello della ComTekk (vedi bibliografia)

     

Chiosa sul SINAD

Il SINAD (dall'inglese Signal-to-noise and distortion ratio) è un parametro descrittivo della qualità del segnale uscente da un dispositivo, nel nostro caso un radioricevitore, ed è definito come:

SINAD=Psegnale+Prumore+PdistorsionePrumore+PdistorsioneSINAD= {P rsub segnale + P rsub rumore + P rsub distorsione} over {P rsub rumore + P rsub distorsione}

Per praticità, il SINAD è solitamente espresso in dB ed è impiegato per dare una valutazione quantitativa della sensitibilità di un ricevitore, indicando il rapporto tra la potenza del segnale audio complessivo (in cui vi è "diluito" quello utile) e la potenza dei soli rumore più distorsione, ottenuta rimuovendo il segnale audio modulante di partenza.

Nella pratica, quando il segnale radio si affievolisce, diventa vieppiù indistinguibile dal rumore di fondo e dalla distorsione generati dai circuiti di ricezione e il valore del SINAD tende a diventare sempre più piccolo.

A titolo di riferimento, si considera sufficientemente intellegibile una comunicazione vocale trasmessa tramite modulazione di frequenza se il SINAD è di almeno 12 dB, da cui i valori di sensibilità indicati per gli apparti Kenwood e Icom. 20dB assicurano invece in genere un ascolto confortevole e una ricezione "solida".

A differenza del forse più noto rapporto segnale/rumore, questo parametro assume sempre un valore maggiore di uno (ossia un valore sempre positivo se valutato in dB). Quindi in assenza di segnale ricevuto il SINAD vale 1 o 0dB.

 

I risultati al banco

Con le premesse sopra espresse, vediamo ora in maniera sintetica i risultati ottenuti:

Marca

Modello

2m

70cm

μV dichiarati

μV misurati

dB differenza

μV dichiarati

μV misurati

dB differenza

Surecom

KT-8900D

0,25

0,26

-0,2

0,25

0,22

1,1

Baofeng

UV-5R

0,25

0,31

-2,0

0,25

0,22

1,1

ICOM

2350

0,16*

0,29

-5,0

0,16*

0,25

-3,8

KENWOOD

TH-D72E

0,22*

0,31

-3,1

0,22*

0,33

-3,5

* sensibilità dichiarata a 12dB di SINAD

Prima di esprimere affrettati giudizi, occorre ricordare come le sensibilità dichiarate per i due gruppi di ricetrasmettitori non siano omogenee in termini di "qualità" del segnale riprodotto (12 Vs 20dB di SINAD) per un certo segnale ricevuto. Questo fatto giustifica i 3-5dB di peggior risultato rispetto al dichiarato che i due apparati giapponesi mostrano. Sostanzialmente, con qualche accettabile approssimazione, è ragionevole concludere che tutti e quattro gli apparati sottoposti a misure di laboratorio mantengono quanto promesso nelle specifiche commerciali.

Misurare la sensibilità "sul campo"

Le misure prima eseguite, sono tanto ripetibili quanto lontane dalla reale situazione operativa del ricevitore. Nell'uso quotidiano, collegando un'antenna (e non più un semplice generatore) all'apparato, si veicolano al suo ingresso una molteplicità di segnali, anche molto ampi e di frequenza lontana da quella da ricevere. Questo fatto, di difficile quantificazione, può generare una quantità di effetti negativi sulla qualità del segnale riprodotto, come già fatta esperienza da decenni ad esempio da chi opera sulle decametriche.

Per misurare la sensibilità "reale" di un ricevitore, intesa come quella realmente disponibile in un dato sito (luogo e sistema d'antenna), si potrebbe applicare il capitolo 8.2 della già citata ETS300086. Purtroppo però:

  • il metodo proposto in norma prevede una configurazione di misura ben al di là delle mie capacità strumentali ed organizzative

  • restituisce un risultato funzione delle caratteristiche dell'antenna

  • restituisce un risultato (V/m in luogo di μV) non immediatamente comparabile con quello misurato precedentemente al banco

Per queste ragioni, ho definito una differente modalità di valutazione, tale che:

  • espone il ricevitore al campo reale di segnali presenti nel sito di misura

  • offre un risultato dimensionalmente comparabile con quello di sensibilità condotta

 

Vediamo nell'illustrazione seguente la configurazione scelta:

Illustrazione 3: Schematizzazione del setup di misura sensibilità "sul campo" ispirato alla EN300086

dove:

  • l'antenna è una Diamond X30N a 14m da terra, nel mio QTH

  • l'accoppiatore direzionale è un HP caratterizzato per le frequenze di test

  • generatore, sound blaster e misuratore SINAD sono gli stessi delle precedenti misure

  • tutti i cavi e connessioni sono stati caratterizzati prima delle misure e le loro perdite compensate nei calcoli

Per minimizzare la possibilità di errore nella misura ho impiegato un accoppiatore direzionale ad alto isolamento e riverificato i valori misurati in precedenza col solo generatore, sostituendo all'antenna un carico adattato.

I risultati "on air"

Dopo le premesse sopra narrate, vediamo ora in maniera sintetica e tabulare i risultati ottenuti:

Marca

Modello

2m

70cm

μV dichiarati

μV misurati

dB differenza

μV dichiarati

μV misurati

dB differenza

Surecom

KT-8900D

0,25

0,89

-11,1

0,25

0,34

-2,66

Baofeng

UV-5R

0,25

33,1

-42,4

0,25

3,91

-23,9

ICOM

2350

0,16

0,46

-9,2

0,16

0,31

-5,6

KENWOOD

TH-D72E

0,22

1,05

-13,6

0,22

0,37

-4,6

Già a prima vista i valori misurati sono "preoccupanti". Una migliore percezione della situazione è però possibile averla valutando il degrado di sensibilità fra il test di norma e quello sul campo. Nella tabella seguente i risultati.

Marca

Modello

Perdita sensibilità in 2m

Perdita sensibilità in 70cm

Surecom

KT-8900D

-10,8 dB

-3,8 dB

Baofeng

UV-5R

-40,5 dB

-25 dB

ICOM

2350

-4,2 dB

-1,8 dB

KENWOOD

TH-D72E

-10,5 dB

-1,1 dB

In alcuni casi, le differenze sono "abissali" e rendono ragione di quanto si prova nell'utilizzo sul campo degli apparati.

Ipotesi di spiegazione

Come mai questi risultati? Al momento credo che la spiegazione vada ricercata nella "quantità" (intesa come numerosità e potenza) dei segnali fuori banda che nell'uso reale sono presenti all'ingresso del ricevitore e dalla sua più o meno buona capacità di gestirli senza desensibilizzarsi.

Ma quali segnali realmente una nostra antenna riceve e porta all'ìngresso del ricevitore? La risposta non può ovviamente essere univoca per tutti: dipende dall'antenna, dal sito, dall'installazione... Però, per dare un esempio concreto e correlato a quanto misurato prima, vediamo la situazione nel mio QTH, posto "in mezzo a tutto, lontano da tutto", ovviamente in senso radioelettrico. Non ho infatti ripetitori o trasmettitori radio e TV nelle vicinanze, parliamo di 30-40km i più vicini, ma essendo aperto in ogni direzione, sono nell'area di copertura di molteplici siti di diffusione.

Spettro ricevuto nel mio QTH da 0 a 500MHz, riferimento 0dBm

Spettro ricevuto nel mio QTH da 0 a 1GHz, riferimento 0dBm

Le misure eseguite collegando l'analizzatore di spettro al posto del ricevitore in prova non lasciano dubbi. Nonostante le premesse di lontananza del mio QTH da centri trasmissione, i segnali sono ingenti, specie in banda 88-108MHz dove il livello medio è di oltre -20dBm. Abbastanza "tranquilla" la situazione invece fino ad 1GHz, fatta salva la banda GSM a 900MHz, dove ho una BTS a soli 270m in linea d'aria.

Di seguito invece la situazione misurata in un classico ambiente "di periferia metropolitana" (QTH di Claudio IK4MTS)

Spettro ricevuto in prima periferia di Bologna con antenna X-300, da 0 a 500MHz, riferimento 0dBm

Spettro ricevuto in prima periferia di Bologna con antenna X-300, da 0 a 1GHz, riferimento 0dBm

La situazione in ambito suburbano è come prevedibile peggiore di quanto registrato nel mio QTH. Le broadcasting FM hanno livelli paragonabili a quanto da me registrato. L'aggravante sono i molteplici segnali di elevata intensità in banda VHF dovuti a segnali TV e altri servizi di comunicazione. Facile prevedere come, in questi contesti, gli apparati radio analizzati possano mostrare un grado di desensibilizzazione ancora più evidente.

Conclusioni

Credo che questo studio, pur nella sua semplicità e modestia, abbia portato un po' di luce su alcuni aspetti che mi sento di riassumere come segue:

  • gli apparati commerciali rispecchiano i dati dichiarati di sensibilità

  • nell'uso pratico, la sensibilità "reale" è sempre inferiore a quella misurata nelle condizioni "ottimali" di un laboratorio

  • la perdita di sensibilità sul campo, può essere anche molto cospicua, al limite da far sospettare all'utente un guasto all'apparecchio in uso

  • perdite di sensibilità di qualche dB, non sono facilmente riconoscibili "ad orecchio" e pur se presenti, non generano dubbi o lamentele

  • così come per le HF, verosimilmente il degrado è generato dalla presenza di forti segnali fuori dalla banda di ricezione, in primis le broadcasting FM, ma anche DAB, digitale terrestre in banda 3° e simili possono essere causa di problemi

  • credo interessante proseguire lo studio valutando le curve di degrado del SINAD al variare di segnali fuori banda per diversi apparati e configurazioni circuitali

  • credo utile provare ad immaginare soluzioni possibili al problema

Insomma, come spesso accade, ogni risposta genera nuove domande. Ma questo, in fondo, è il bello della nostra attività!

Ringraziamenti

Ora e come sempre, in conclusione mi corre il piacevole obbligo di ringraziare quanti mi hanno aiutato, stimolato e collaborato a vario titolo nello sviluppo di questo lavoro. In particolare ricordo Claudio IK4MTS per le stimolanti discussioni tecniche e misure dal suo QTH e Piero IU4HOI per la messa a disposizione dell'apparato Surecom coinvolto nei test.

Bibliografia

https://it.wikipedia.org/wiki/SINAD

http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/rf-noise-sensitivity/sinad.php

http://www.etsi.org/deliver/etsi_i_ets/300001_300099/300086/01_60/ets_300086e01p.pdf

http://psirep.com/system/files/All%20You%20Need%20to%20know%20about%20SINAD%20and%20its%20Measurement%20Using%202023%20Signal%20Generators%20App%20Note.pdf?width=900&height=675&iframe=true

http://www.comtekk.us/sinad.htm