“Questo ripetitore riceve benissimo.”
“Quanto?”
“Molto bene.”
Questa non è una misura.
Nel mondo radioamatoriale si parla spesso di ricevitori:
- sensibili;
- molto sensibili;
- sordi;
- eccezionali;
ma senza indicare come sia stata misurata la sensibilità.
Un ricevitore professionale non viene giudicato chiedendo semplicemente:
“Fino a quanto sento una portatile?”
La sensibilità viene misurata applicando all’ingresso del ricevitore un segnale RF calibrato e riducendolo progressivamente fino a raggiungere un determinato criterio di qualità.
In analogico il criterio classico è spesso:
12 dB SINAD.
In digitale possiamo invece utilizzare:
BER, Bit Error Rate.
Vediamo quindi come si misura realmente la sensibilità di un ricevitore e, soprattutto, perché la sensibilità da laboratorio può essere molto diversa dalla sensibilità reale di un ripetitore installato su una montagna.
Prima domanda: che cos’è la sensibilità?
Possiamo definirla in maniera pratica come:
il livello minimo di segnale RF all’ingresso del ricevitore necessario per ottenere una prestazione specificata.
La parte fondamentale è:
prestazione specificata.
Non possiamo dire semplicemente:
sensibilità = -120 dBm
senza spiegare cosa accade a -120 dBm.
Per esempio:
-120 dBm @ 12 dB SINAD
oppure:
-120 dBm @ 5% BER
sono misure significative.
Il concetto generale di sensibilità del ricevitore viene infatti definito proprio in relazione al livello RF minimo che permette di ottenere un determinato SINAD, BER o altra prestazione d’uscita specificata.
dBm e microvolt
La sensibilità viene frequentemente indicata in:
µV
oppure:
dBm
Per esempio:
0,22 µV
oppure circa:
-120 dBm
quando il valore è interpretato come tensione RMS su un sistema da 50 Ω.
Per convertire una tensione in potenza:
P = V² / R
Se:
V = 0,22 µV
R = 50 Ω
otteniamo approssimativamente:
P ≈ -120 dBm
Bisogna però fare attenzione alle convenzioni con cui un produttore dichiara la tensione; per confrontare apparati diversi è spesso più sicuro verificare direttamente le condizioni di prova indicate nella scheda tecnica.
Un esempio reale: Motorola SLR 5500
La scheda tecnica del ripetitore professionale Motorola MOTOTRBO SLR 5500 dichiara:
Sensibilità analogica:
0,22 µV @ 12 dB SINAD
Sensibilità digitale:
0,22 µV @ 5% BER
oltre a specifiche separate per selettività, reiezione d’intermodulazione e reiezione spurie.
Questo è molto istruttivo.
Lo stesso ricevitore non viene semplicemente descritto come:
“0,22 µV.”
Viene specificato:
0,22 µV → quale risultato?
Analogico:
12 dB SINAD
Digitale:
5% BER
Perché non basta dire “apre lo squelch”?
Supponiamo di diminuire il generatore fino a:
-125 dBm
e lo squelch si apre ancora.
Possiamo dire che la sensibilità è:
-125 dBm?
No.
L’audio potrebbe essere completamente inutilizzabile.
Allo stesso modo un ricevitore DMR potrebbe riconoscere qualche frame a un determinato livello ma produrre:
BER 30%
e audio praticamente incomprensibile.
La sensibilità deve quindi essere riferita a un criterio ripetibile.
Sensibilità analogica: il SINAD
SINAD significa:
Signal + Noise + Distortion / Noise + Distortion
In termini concettuali misura quanto il segnale utile domina rispetto a:
- rumore;
- distorsione.
È normalmente espresso in dB.
Uno standard molto comune per ricevitori FM è:
12 dB SINAD
La misura viene effettuata introducendo un segnale RF modulato noto e riducendone il livello fino al punto in cui il rapporto SINAD raggiunge 12 dB.
Come si effettua una misura SINAD?
Servono almeno:
- generatore RF calibrato;
- modulazione audio nota;
- connessione 50 Ω;
- SINAD meter o service monitor;
- ricevitore sotto test.
Schema:
GENERATORE RF
│
│ segnale calibrato
▼
RICEVITORE
│
│ audio
▼
SINAD METER
Il generatore produce:
frequenza RX del ripetitore
con una modulazione standard definita dalla procedura utilizzata.
Il livello RF viene progressivamente ridotto.
Per esempio:
-100 dBm
-105 dBm
-110 dBm
-115 dBm
-118 dBm
-120 dBm
Il SINAD diminuisce progressivamente.
Quando raggiunge:
12 dB
leggiamo il livello RF del generatore.
Quella è la sensibilità secondo quel criterio.
Un esempio
Generatore:
-115 dBm
SINAD:
20 dB
Riduciamo.
-118 dBm
→ 15 dB SINAD
Riduciamo ancora:
-120 dBm
→ 12 dB SINAD
Quindi possiamo dichiarare:
Sensibilità RX:
-120 dBm @ 12 dB SINAD
Non:
“Il ricevitore sente fino a -125.”
Perché 12 dB?
È un criterio standardizzato molto diffuso che permette di confrontare apparati utilizzando la stessa condizione di qualità.
Non significa che sotto 12 dB SINAD:
la radio smetta improvvisamente di funzionare.
Possiamo magari capire ancora una voce a:
8 dB SINAD
o perfino meno.
Ma non stiamo più utilizzando lo stesso criterio di misura.
Nel digitale cambia tutto: arriva il BER
Per un ricevitore DMR è più significativo misurare:
Bit Error Rate.
In questo caso il generatore produce un segnale DMR noto.
Il ricevitore tenta di decodificarlo.
Confrontiamo ciò che doveva ricevere con ciò che ha realmente ricevuto.
Otteniamo:
BER = bit errati / bit totali
Rohde & Schwarz descrive il BER proprio come una misura fondamentale per determinare la sensibilità dei ricevitori nei sistemi digitali.
La procedura digitale
Schema:
GENERATORE DMR
│
│ segnale RF calibrato
▼
RICEVITORE DMR
│
▼
BER TEST
Partiamo da un segnale forte:
-90 dBm
BER 0%
Riduciamo:
-105 dBm
BER 0%
Poi:
-115 dBm
BER 0,5%
Poi:
-118 dBm
BER 2%
Poi:
-120 dBm
BER 5%
Possiamo quindi dichiarare:
Sensibilità = -120 dBm @ 5% BER
se quello è il criterio previsto.
Perché proprio 5% BER?
Molte specifiche professionali DMR utilizzano:
5% BER
come punto di riferimento per la sensibilità digitale.
Il Motorola SLR 5500 ne è un esempio concreto.
Attenzione però.
Questo non significa:
BER 5% = audio ideale
Significa semplicemente:
la sensibilità è stata specificata utilizzando quella precisa condizione di prova.
Nell’uso quotidiano vogliamo generalmente stare molto più lontani dalla soglia.
Sensibilità e digital cliff
Questo si collega direttamente all’articolo precedente.
A:
-115 dBm
potremmo avere:
BER 0,5%
e audio praticamente perfetto.
A:
-119 dBm
potremmo avere:
BER 3%
ancora utilizzabile.
A:
-121 dBm
potremmo rapidamente passare a:
BER 10%
con:
- robotizzazione;
- drop;
- perdita della comunicazione.
La sensibilità viene quindi misurata in prossimità della zona nella quale il ricevitore si avvicina al proprio limite.
Perché un generatore RF è indispensabile?
Una portatile non è uno strumento di misura.
Supponiamo di posizionare una radio a 5 km e diminuire la potenza:
5 W
1 W
500 mW
Non conosciamo con precisione:
- potenza realmente erogata;
- guadagno dell’antenna;
- perdite;
- fading;
- multipath;
- polarizzazione;
- percorso.
Non possiamo quindi dire:
“Il ricevitore ha una sensibilità di X.”
Possiamo soltanto dire:
“In quella situazione, quella radio veniva ancora ricevuta.”
Sono due cose completamente differenti.
Il generatore deve essere calibrato
Se il generatore indica:
-120 dBm
dobbiamo poterci fidare che all’ingresso del ricevitore arrivino realmente circa:
-120 dBm
Per questo servono:
- strumentazione calibrata;
- cavi noti;
- attenuatori noti;
- terminazioni 50 Ω.
A livelli di:
-120 dBm
stiamo misurando potenze estremamente piccole.
Una perdita sconosciuta di:
2 dB
è già significativa.
La schermatura diventa importantissima
Immaginiamo di voler inviare:
-120 dBm
al ricevitore.
Ma nella stanza esiste un altro segnale sulla stessa frequenza che arriva attraverso l’antenna, il case o un cavo con:
-90 dBm
Il nostro test è completamente falsato.
Il segnale indesiderato è:
30 dB
più forte di quello che stiamo cercando di misurare.
Per questo le misure di sensibilità richiedono attenzione a:
- schermatura;
- leakage;
- accoppiamenti;
- carichi;
- cablaggio.
Il classico falso risultato
Generatore impostato a:
-130 dBm
e la radio continua a ricevere perfettamente.
Il tecnico esclama:
“Fantastico! Questo ricevitore fa -130!”
In realtà il segnale del generatore potrebbe entrare nel ricevitore:
- attraverso irradiazione diretta;
- attraverso un cavo non schermato;
- attraverso la massa;
- bypassando l’attenuatore.
Il ricevitore non sta realmente lavorando con -130 dBm all’ingresso.
È uno degli errori tipici quando si misurano segnali estremamente bassi.
Prima misura: direttamente sul ricevitore
Per conoscere la sensibilità intrinseca del ricevitore dobbiamo prima eliminare il resto dell’impianto.
Schema:
GENERATORE
↓
RX
Niente:
- antenna;
- duplexer;
- cavità;
- cavi lunghi;
- preamplificatori.
Misuriamo così:
la radio.
Supponiamo:
RX diretto
-120 dBm @ 5% BER
Adesso sappiamo cosa può fare il ricevitore in condizioni controllate.
Poi misuriamo il sistema completo
Inseriamo:
GENERATORE
↓
DUPLEXER
↓
CAVO
↓
RX
Ora potremmo misurare:
-118 dBm @ 5% BER
Abbiamo apparentemente perso:
2 dB
È plausibile che siano dovuti a:
- insertion loss del duplexer;
- cavi;
- connettori.
Sensibilità del ricevitore e sensibilità del sistema non sono la stessa cosa
Questa distinzione è fondamentale.
Possiamo avere:
RADIO:
-120 dBm
ma:
SISTEMA:
-116 dBm
perché davanti alla radio esistono:
duplexer
cavo
filtri
connettori
Ogni elemento introduce perdite.
Per il radioamatore che vuole raggiungere il ripetitore conta il valore del sistema completo, non soltanto quello pubblicato nel datasheet della radio.
Un esempio con il duplexer
Ricevitore:
-120 dBm
Duplexer RX insertion loss:
1,5 dB
Cavo e connettori:
0,5 dB
Perdita totale:
2 dB
Affinché al ricevitore arrivino:
-120 dBm
all’ingresso del sistema serviranno circa:
-118 dBm
Quindi la sensibilità vista dall’antenna è peggiorata di circa 2 dB.
Ma il vero ripetitore sta trasmettendo contemporaneamente
Finora abbiamo misurato:
TX OFF
Questo non basta.
Un ripetitore deve ricevere mentre il proprio trasmettitore sta erogando:
20 W
30 W
50 W
a pochi MHz di distanza.
La domanda veramente importante diventa:
Quanto è sensibile il ricevitore mentre il ripetitore sta trasmettendo?
Il test decisivo: TX OFF contro TX ON
Misuriamo:
TX OFF
Sensibilità = -118 dBm @ 5% BER
Accendiamo il trasmettitore del ripetitore.
Ripetiamo.
Otteniamo:
TX ON
Sensibilità = -112 dBm @ 5% BER
Abbiamo perso:
6 dB
Questa è:
desensibilizzazione.
Il ripetitore possiede un ricevitore eccellente, ma il sistema installato perde 6 dB ogni volta che trasmette.
Perché 6 dB sono tantissimi?
In termini di potenza:
3 dB ≈ ×2
Quindi:
6 dB ≈ ×4
Una stazione deve arrivare con circa quattro volte la potenza ricevuta rispetto alla condizione precedente per produrre lo stesso risultato.
In termini di copertura può essere una differenza enorme.
Un esempio pratico
Stazione lontana:
RX antenna = -115 dBm
Con TX OFF:
sensibilità sistema -118 dBm
Margine:
3 dB
Funziona.
Con TX ON il sistema diventa:
-112 dBm
La stazione da:
-115 dBm
è ora 3 dB sotto la soglia.
Risultato:
BER alto
↓
audio robotico
↓
drop
Ecco perché un ripetitore può sembrare ricevere bene fino a quando non deve ripetere davvero il segnale.
Sensibilità e duplexer
Il duplexer deve contemporaneamente:
- far passare la frequenza RX;
- far passare la TX;
- isolare fortemente TX e RX.
Dobbiamo quindi misurare almeno:
RX insertion loss
TX insertion loss
TX→RX isolation
Un duplexer può avere buona attenuazione ma troppa insertion loss.
Oppure:
insertion loss ottima
ma:
isolamento insufficiente.
Entrambi i problemi possono ridurre le prestazioni reali.
Il ruolo del noise floor
Supponiamo che il ricevitore da laboratorio misuri:
-120 dBm
Portiamolo sul sito.
Colleghiamo l’antenna.
Il rumore ambientale potrebbe essere:
-110 dBm
La sensibilità teorica del ricevitore non serve praticamente più a nulla.
Il limite è diventato:
il rumore della postazione.
Possiamo avere il miglior ricevitore del mondo, ma non possiamo estrarre facilmente un segnale:
-118 dBm
da un ambiente con forti interferenze nella stessa banda.
Sensibilità intrinseca e sensibilità utilizzabile
Possiamo quindi distinguere:
Sensibilità intrinseca
Misurata:
generatore → RX
Sensibilità dopo il duplexer
Misurata attraverso la catena RF.
Sensibilità con TX attivo
Tiene conto del desense interno.
Sensibilità reale di sito
Tiene conto anche di:
- rumore ambientale;
- altri trasmettitori;
- intermodulazione;
- PIM;
- interferenze.
È quest’ultima che determina la vera copertura.
Un ricevitore da -125 dBm non è necessariamente migliore
Immaginiamo:
Ricevitore A
sensibilità -125 dBm
reiezione intermod modesta
Ricevitore B
sensibilità -120 dBm
eccellente selettività e linearità
In laboratorio A sembra migliore.
Su una montagna piena di trasmettitori il ricevitore A potrebbe venire completamente desensibilizzato.
B potrebbe funzionare perfettamente.
Per questo le schede tecniche professionali riportano, oltre alla sensibilità:
- selettività;
- intermodulation rejection;
- spurious rejection.
Per esempio l’SLR 5500 dichiara 0,22 µV di sensibilità, ma anche valori specifici di selettività, reiezione intermodulazione e reiezione spurie.
La “gara dei microvolt” ha quindi poco senso
Dire:
“La mia radio fa 0,18 µV mentre la tua 0,22 µV.”
senza considerare altro può essere fuorviante.
Su un sito reale sono fondamentali:
sensibilità
+
selettività
+
blocking
+
intermod rejection
+
noise floor
+
duplexer
Un solo numero non descrive il ricevitore.
Misurare un ricevitore DMR con il BER
Una procedura pratica potrebbe essere:
1. Collegare il generatore direttamente alla RX
50 Ω, livelli calibrati.
2. Generare un segnale DMR compatibile
Con:
- Color Code appropriato;
- Time Slot;
- pattern di test o segnale previsto dallo strumento.
3. Partire da un livello sicuro
Per esempio:
-90 dBm
4. Verificare BER prossimo allo zero
5. Ridurre progressivamente
-100
-105
-110
-115
-118
-120 dBm
6. Trovare il livello corrispondente al criterio
Per esempio:
5% BER
7. Ripetere più volte
Per verificare la ripetibilità.
Non modificare due parametri contemporaneamente
Se durante il test cambiamo:
livello RF
e contemporaneamente:
frequenza
non sappiamo più quale modifica abbia prodotto il risultato.
La metodologia corretta è:
una variabile alla volta.
Verificare anche l’errore di frequenza
Un ricevitore potrebbe apparire poco sensibile semplicemente perché:
generatore
o:
ricevitore
non sono perfettamente allineati in frequenza.
Per questo un service monitor permette normalmente di controllare anche:
- frequenza;
- deviazione;
- modulazione;
- errore.
Prima di dichiarare:
“Il ricevitore è sordo.”
assicuriamoci di essere veramente sul centro canale.
Sensibilità su tutta la banda
Un ricevitore potrebbe misurare:
-120 dBm
a:
430 MHz
ma:
-117 dBm
a:
439 MHz
Un controllo accurato dovrebbe quindi essere effettuato sulla frequenza effettivamente utilizzata.
Questo diventa particolarmente importante con:
- filtri;
- preselector;
- cavità;
- front-end accordati.
Temperatura
La prestazione di un sistema RF può cambiare con la temperatura.
Un ripetitore di montagna può passare da:
-15 °C
in inverno a temperature interne dell’armadio molto più elevate in estate.
Oscillatori, filtri ed elettronica possono subire variazioni.
In un sistema ben progettato il margine deve essere sufficiente a garantire il funzionamento nell’intero intervallo previsto.
Preamplificatore RX: soluzione miracolosa?
Non sempre.
Aggiungere un preamplificatore può migliorare il noise figure complessivo quando il sistema è limitato dal rumore interno del ricevitore.
Ma su un sito RF difficile può creare nuovi problemi.
Amplifichiamo non soltanto:
segnale desiderato
ma anche:
interferenze
e potremmo ridurre la linearità del sistema.
Un preamplificatore installato senza filtri adeguati può peggiorare:
- blocking;
- intermodulazione;
- desense.
Prima di aggiungerlo bisogna capire quale sia realmente il limite del sistema.
Come capire se serve un preamplificatore?
Se abbiamo:
noise floor di sito molto basso
ma elevate perdite di linea RX, un buon preamplificatore opportunamente posizionato può essere utile.
Se invece:
noise floor già alto
amplificarlo non migliora il rapporto segnale/rumore.
Otteniamo semplicemente:
rumore più forte.
Misurare l’intero percorso antenna → RX
Una misura completa dovrebbe permetterci di costruire una sorta di bilancio:
ANTENNA
↓
jumper -0,2 dB
↓
protezione -0,2 dB
↓
duplexer -1,3 dB
↓
cavo -0,5 dB
↓
RX
Perdita:
2,2 dB
Se il ricevitore misura:
-120 dBm
il sistema ideale potrebbe aspettarsi circa:
-117,8 dBm
all’ingresso antenna per ottenere il medesimo livello sulla radio.
Se misuriamo invece:
-111 dBm
esiste un problema aggiuntivo.
Abbiamo circa:
7 dB
da spiegare.
Ed è qui che inizia la vera diagnostica
Quei 7 dB potrebbero provenire da:
- desense;
- rumore;
- duplexer mal tarato;
- filtro danneggiato;
- intermodulazione;
- PIM;
- cavo difettoso.
Adesso non stiamo più dicendo:
“Il ponte riceve male.”
Stiamo dicendo:
“La catena dovrebbe fare -118 dBm ma in condizioni reali fa -111 dBm: stiamo perdendo circa 7 dB.”
Questa è diagnostica.
Creare un report della postazione
Per ogni manutenzione possiamo registrare:
DATA
FREQUENZA RX
SENSIBILITÀ RX DIRETTA
SENSIBILITÀ DOPO DUPLEXER
SENSIBILITÀ TX ON
BER
NOISE FLOOR
TX POWER
ISOLAMENTO DUPLEXER
INSERTION LOSS
Esempio:
RX diretto:
-120,2 dBm @ 5% BER
RX dopo duplexer:
-118,6 dBm
TX ON:
-118,1 dBm
Desense:
0,5 dB
Se sei mesi dopo troviamo:
TX ON:
-112 dBm
sappiamo immediatamente che qualcosa è cambiato.
Quanto desense è accettabile?
Non esiste un valore universale valido per qualunque impianto.
L’obiettivo progettuale è naturalmente:
il meno possibile.
Un sistema nel quale l’attivazione del TX produce una perdita importante di sensibilità merita un’indagine.
La cosa importante è misurare sempre nello stesso modo.
Solo così possiamo confrontare:
prima
vs
dopo
Misurare la copertura non è misurare la sensibilità
Questa distinzione chiude il cerchio.
Guidare per il territorio e verificare dove il ripetitore funziona è:
coverage testing.
Collegare un generatore calibrato e trovare il livello corrispondente a:
5% BER
è:
receiver sensitivity testing.
Entrambe le misure sono utilissime.
Ma rispondono a domande differenti.
La prova definitiva di un buon ripetitore
Un ottimo ripetitore dovrebbe avere:
RX diretto
Sensibilità vicina alle specifiche del produttore.
RX attraverso duplexer
Poca perdita aggiuntiva.
TX acceso
Desense minimo.
Antenna collegata sul sito
Noise floor sufficientemente basso.
In condizioni operative
BER basso anche sulle stazioni con margine ragionevole.
Solo allora possiamo affermare:
“Il ricevitore della postazione funziona bene.”
Un esempio completo
Supponiamo di installare un DMR UHF.
Test 1 — Ricevitore diretto
-120 dBm @ 5% BER
Ottimo.
Test 2 — Attraverso duplexer
-118,5 dBm
Perdita:
1,5 dB
Plausibile.
Test 3 — TX acceso
-118 dBm
Desense aggiuntivo:
0,5 dB
Buono.
Test 4 — Antenna reale
Il noise floor risulta equivalente a:
-105 dBm
Problema enorme.
La radio e il duplexer sono perfetti.
La postazione no.
Dobbiamo cercare:
- rumore;
- interferenza;
- PIM;
- altri trasmettitori.
Senza avere effettuato i primi tre test avremmo probabilmente iniziato a tarare inutilmente il duplexer.
Sensibilità significa sapere dove cercare
Questo è forse il vantaggio principale di una misura corretta.
Se:
RX diretto = cattivo
indaghiamo il ricevitore.
Se:
RX diretto = buono
RX dopo duplexer = cattivo
indaghiamo la catena RF.
Se:
TX OFF = buono
TX ON = cattivo
indaghiamo desense e isolamento.
Se:
tutto buono su dummy load
antenna reale = cattivo
indaghiamo il sito RF.
In pochi test abbiamo diviso un problema enorme in quattro sezioni.
La strumentazione minima ideale
Per lavorare seriamente su un ripetitore sarebbe molto utile disporre di:
- RF service monitor;
- generatore RF calibrato;
- power meter;
- attenuatori;
- dummy load;
- VNA;
- spectrum analyzer;
- strumenti per BER/SINAD.
Non serve necessariamente possedere contemporaneamente strumenti da laboratorio da decine di migliaia di euro.
Ma bisogna sapere cosa stiamo cercando di misurare e conoscere l’accuratezza dell’attrezzatura utilizzata.
Conclusione
La sensibilità di un ricevitore non è:
“Quanto lontano riesco a entrare nel ponte.”
È una misura precisa:
il minimo livello RF necessario per ottenere una prestazione definita.
In analogico possiamo utilizzare:
12 dB SINAD
Nel DMR è comune trovare specifiche riferite a:
5% BER
Ma la sensibilità della radio rappresenta soltanto l’inizio.
Un vero ripetitore comprende:
ANTENNA
↓
CAVO
↓
DUPLEXER
↓
FILTRI
↓
RICEVITORE
e deve funzionare mentre:
TRASMETTITORE = ON
in una postazione dove possono esserci altri potenti segnali RF.
Per questo dovremmo distinguere sempre:
sensibilità del ricevitore
da:
sensibilità del sistema
e soprattutto dalla:
sensibilità reale della postazione.
Un ricevitore che sul banco misura:
-120 dBm
ma sul sito riesce a lavorare soltanto fino a:
-110 dBm
non è un sistema da -120 dBm.
Da qualche parte stiamo perdendo:
10 dB.
La domanda corretta non è più:
“Il ponte riceve bene?”
Diventa:
“Dove sono finiti quei 10 dB?”
Ed è esattamente da quella domanda che comincia la vera tecnica delle postazioni radio.