Come mettere in crisi un sistema ricevente con una semplice telefonata….

Scopo di questo studio non è mettere alla gogna o promuovere gli oggetti analizzati, quanto studiarne e conoscerne i limiti ed i relativi impatti, talora non sempre evidenti…

Illustrazione 1: Pattern pubblicato della 432LFA23

I fatti

Nel 2010 decisi di montare nel mio QTH un paio di antenne, una per i 144MHz ed una per 430MHz.

Per le UHF, decisi di provare una 432LFA23 acquistata da Hamradio.es (http://www.hamradio.es/product.php?id_product=1218).

I dati pubblicati mostrano un andamento del lobo di radiazione molto pulito, con livelli fuori da quello principale ben al di sotto di 30dB rispetto al picco. In altre parole, l’antenna fuori dalla direzione principale si comporta almeno 10dB “peggio” di un dipolo. Questo almeno in simulazione ed alla frequenza nominale…

A queste buone premesse, aggiungo che il progettista di queste antenne mi scrisse come il suo particolare “antenna balun” avesse fra gli altri, anche un effetto di filtro, migliorando ulteriormente la reiezione della struttura ai segnali fuori banda.

A ridosso dell’antenna, installai il preamplificatore, un P432VDG della Advanced Receiver Research, di medie prestazioni, basato sull’arcinoto MGF1302, ottimo comunque per cominciare a sperimentare con una spesa molto contenuta.

Le incongruenze di misura

Una volta completato il montaggio, cominciai a fare alcune misure per verificare le prestazioni del sistema. La procedura è molto comune e consiste nel comparare il rumore ricevuto quando l’antenna punta certe direzioni rispetto a quello con il front end chiuso su 50Ohm.

A seconda delle direzioni, il risultato deve cambiare, con un rapporto maggiore dell’unità se punto verso una sorgente di rumore (i.e. Sole, Terra, etc) e inferiore all’unità quando l’antenna punta verso una zona “fredda” del cielo. Questo almeno in teoria.

La differenza fra mondo ideale e reale sta nel fatto che l’antenna, qualunque essa sia non riceve solo da una direzione e che le sorgenti di rumore non sono solo quelle naturali quali Terra e radiosorgenti ma sempre più di origine umana, dovute all’impiego diffuso di dispositivi elettronici.

Comunque sia, quello che generalmente ci si aspetta a queste frequenze è che alzando l’antenna verso il cielo, il rumore ricevuto si riduca…

Nel mio caso, proprio questa misura mi dava di che pensare… infatti vari e costanti puntamenti dell’antenna verso alcune direzioni della volta celeste, davano come risultato un significativo ed apparentemente inspiegabile aumento del rumore raccolto dal sistema ricevente.

Le prime ipotesi

Ovviamente molte possono essere le cause di un siffatto comportamento del sistema e di una in particolare parleremo oggi.

Una delle prime misure che mi accinsi a fare, fu di verificare cosa l’antenna realmente ricevesse, in particolare nelle direzioni “sospette”.

Collegai così il mio analizzatore di spettro in stazione, senza preamplificatore e scoprii che…

le broadcasting FM attorno a 100MHz arrivavano a circa -40dBm, con scarse variazioni al mutare del puntamento

Illustrazione 2: Dipolo campione per banda GSM 900 MHZ

 
I vari ponti civili a 150-180MHz arrivavano al massimo a -55dBm
Le televisioni in banda 4° e 5° non superavano i -60dBm circa.
Nessun segnale in banda 70cm era particolarmente visibile
Il segnale più forte che si presenta al front-end è invece a 950MHz, circa, piena banda GSM. Il livello massimo è di circa -20dBm e l’antenna si comporta un po’ come una “margherita” con molti lobi di elevata e simile sensibilità.

Pur non avendo trovato nulla di “particolarmente sconvolgente”, decisi di approfondire l’analisi coi pochi elementi di sospetto emersi.

Anzitutto, mi costruii un “dipolo campione” per i 930 MHz, lo installai al posto dell’antenna UHF e ripetei le misure.

I risultati comparativi sono visibili nel parallelo qui sotto:

Spettro 0-1GHz ricevuto con la 23LFA432 (senza correzione perdite del cavo)

Spettro 0-1GHz ricevuto con dipolo per 930MHz (senza correzione perdite del cavo)

Considerazioni

A parte una significativa differenza dei livelli delle radio FM attorno ai 100MHz e ovviamente

Illustrazione 3: Misura a larga banda della potenza ricevuta dalle due antenne

dei segnali in banda 70cm, le due antenne paiono abbastanza simili in quanto a sensibilità per frequenze superiori ai 500 MHz. A riprova di quanto misurato con l’analizzatore di spettro, ho eseguito una misura comparativa con un bolometro a larga banda. Sia con il dipolo 900 MHz sia con la LFA i livelli complessivi erano molto simili e pari a circa -21 dBm.

Illustrazione 4: Cartina della posizione delle BTS (fonte: sito ARPA RE)

Visitando le opportune pagine web del sito dell’ARPA della mia provincia, rilevai la posizione della BTS ricevuta così forte, posta a solo 285m da casa mia. La distanza è relativamente bassa considerando la “location rurale”, ma non poi così infrequente da riprodurre in situazioni di alta densità abitativa, quali le grandi città. A pessimizzare un poco le cose, concorre il fatto che la stessa installazione eroga il servizio per due gestori, aumentando così il numero di canali impiegati contemporaneamente.

Nota ora la sorgente, provavo a stimare l’intensità del segnale disponibile su un dipolo tarato per la banda GSM, montato al posto della mia 23LFA432.

Potenza Tx= 39 dBm

Guadagno antenna BTS = 15 dB

Attenuazione di tratta @930 MHz, 285m= 81dB

Guadagno antenna rx (dipolo)= 2,14dB

Perdite del cavo @930MHz= 3dB

Segnale atteso = -27dBm

Insomma… circa ci siamo e la misura pare credibile.

Ma come questo dato di realtà poteva essere collegato con le mie strane misure iniziali?

La simulazione in laboratorio

Per tentare di rispondere a questa domanda, ho provato a riprodurre in laboratorio quanto accade sul campo, cercando di mettere in evidenza una eventuale relazione fra rumore del front end e segnale in banda GSM.

Ecco il setup realizzato per questa particolare indagine:

Illustrazione 5: Setup di misura

llustrazione 6: Banda passante (S21) del filtro impiegato. Notare l’attenuazione di ben 90dB @ 432MHz

Il tutto è simile a quanto di solito si impiega per la misura di cifra di rumore, ma con l’aggiunta di una fonte di disturbo che simuli all’ingresso del preamplificatore il segnale fuori banda della cellula di telefonia mobile. In particolare il generatore è stato impostato a 895 MHz con modulazione AM dell’80%. Il filtro passabanda che segue il generatore è di origine telefonica e serve con la sua elevatissima reiezione dei segnali ad eliminare ogni rumore a 430MHz eventualmente prodotto dal generatore. Il segnale disturbante viene introdotto nella catena di misura tramite un accoppiatore direzionale a larga banda, caratterizzato.

La misura sul mio preamplificatore ARR ha dato i seguenti risultati:

Real inj NF gain
0 1,53 15,1
-65 1,55 15,1
-55 1,53 15,1
-45 1,57 15,1
-40 1,58 15,1
-35 1,66 15,1
-30 2,02 15,1
-25 3,16 15,1
-20 5,7 15,1
-15 6,9 14,7

Illustrazione 7: Andamenti di guadagno e cifra di rumore in funzione del segnale disturbante su preamplificatore ARR

I numeri sono preoccupanti ma danno, nella loro severità, ragione dei sospetti: un segnale anche molto fuori banda, può ridurre e di molto le prestazioni del sistema ricevente.

In dettaglio, i problemi iniziano già a -35dBm e diventano veramente seri a -20dBm, dove la cifra di rumore del sistema è pesantemente degradata.

Non soddisfatto ho provato un altro preamplificatore disponibile nel mio shack, di produzione DG0VE e basato su di un moderno HEMT.

Real inj NF gain
0 0,86 17,7
-64,5 0,88 17,68
-54,5 0,88 17,68
-44,5 0,89 17,68
-34,5 0,88 17,67
-24,5 0,88 17,66
-19,5 0,9 17,65
-14,5 0,91 17,6
-9,5 0,93 17,47
-4,5 1,23 15,77
-1,5 1,5 13,98

Illustrazione 8: Illustrazione 6: Andamenti di guadagno e cifra di rumore in funzione del segnale disturbante su preamplificatore DG0VE

Le cose vanno meglio, ma il fenomeno si verifica ugualmente, pur se a livelli d’ingresso circa 20dB più elevati.

Una possibile soluzione

Non potendo né cambiare casa né segare il palo della BTS, una soluzione possibile è filtrare a monte del preamplificatore. La soluzione, facile a dirsi, nasconde qualche insidia quali:

il filtro deve presentare minima attenuazione a 432MHz per non degradare la sensibilità
il filtro deve attenuare almeno 20-30dB su tutta la banda GSM 900 MHz
il filtro deve essere magari poco ingombrante, economico e di facile costruzione
Visto che il problema da risolvere è localizzato in un campo di frequenze ragionevolmente ristretto e ben definito (i 2 canali BTS), uno dei metodi più appropriati per eliminare il disturbo è applicare un filtro di tipo “elimina-banda” anche detto “notch”.

Questo lo schema suggerito:

Illustrazione 9: Schema del filtro notch proposto

Il filtro è pensato con filosofia “KISS” (Keep it simple stupid!).

La cella notch (MS3 e MS4) è realizzata con uno spezzone di cavo coassiale di ottima qualità (RG188 o equivalente), di lunghezza pari ad un quarto d’onda (considerando il fattore di velocità del cavo, circa 58mm @ 900 MHz), posta in parallelo alla linea di segnale e aperta all’altra estremità. Per le proprietà delle linee di trasmissione, detta struttura si comporta come un corto circuito per i segnali di lunghezza d’onda pari a 4 volte quella di taglio del cavo.

Dato che nel mio caso i segnali disturbanti a 900MHz erano due, troppo spaziati per essere abbattuti da una singola cella notch, ho pensato di porne un paio in parallelo (da cui MS3 e 4).

Il condensatore variabile C1, di ottima qualità e da pochi pF di valore, serve a compensare la reattanza induttiva che la rete di filtro presenta a 432MHz e quindi in definitiva a mantenere elevato il return loss visto dall’ingresso del preamplificatore.

Il risultato mostrato dall’analizzatore di reti è il seguente:

A 432 MHz, la rete è sostanzialmente “trasparente”, con una attenuazione di soli 0,1dB ed un return loss di quasi 30dB. Nella zona critica della BTS invece, si ottengono valori variabili da 17 a 26dB. Nel caso probabile di trasmissione anche a 1800 MHz, il filtro offre ancora 13dB di attenuazione.

Conclusioni

I fatti accaduti sono stati un’ottima occasione per indagare su aspetti poco noti (almeno all’autore) relativi alle prestazioni di antenne e front end esposti a forti segnali molto fuori banda.

L’antenna in uso per i 430 MHz, a dispetto delle velate promesse di selettività e pulizia, si è sorprendentemente mostrata sensibile anche a 900MHz, alla stregua di un dipolo tagliato per quella frequenza.

Sarebbe interessante indagare in questa area oscura delle specifiche delle antenne: come vanno altri modelli nelle medesime condizioni?

Non da meno sono le responsabilità dei preamplificatori, pur con marcate differenze fra modello e modello.

La soluzione proposta è semplice e facilmente scalabile per altre frequenze.

Bibliografia

http://www.iss.it/binary/publ/publi/0121.1109757471.pdf

http://www.canarina.eu/itradiacion.htm