Un ripetitore installato in montagna può avere:
- un’ottima antenna;
- un duplexer perfettamente tarato;
- 50 watt di potenza;
- un ricevitore molto sensibile;
- un ottimo collegamento Internet;
e continuare comunque a ricevere male.
Il problema potrebbe manifestarsi in maniera apparentemente inspiegabile:
ripetitore libero
↓
ricezione perfetta
si attiva un altro trasmettitore della postazione
↓
BER improvvisamente alto
↓
audio robotico
↓
stazioni deboli non più ricevibili
Oppure potrebbe comparire una portante o un rumore su una frequenza sulla quale nessuno sta realmente trasmettendo.
Uno dei possibili responsabili è l’intermodulazione.
È uno dei fenomeni più insidiosi nelle postazioni radio condivise perché può generare segnali completamente nuovi a partire da trasmissioni perfettamente legittime presenti sul sito.
In una postazione con:
- ripetitori radioamatoriali;
- ponti civili;
- reti professionali;
- trasmettitori broadcast;
- collegamenti dati;
- sistemi cellulari;
possono essere presenti contemporaneamente numerosi segnali RF molto forti.
Se due o più di questi segnali incontrano un elemento non perfettamente lineare, possono mescolarsi.
Il risultato è la comparsa di nuove frequenze che non erano presenti nei trasmettitori originali.
Benvenuti nel mondo dell’intermodulazione.
Che cos’è l’intermodulazione?
Immaginiamo due trasmettitori:
TX1 = f1
TX2 = f2
In un sistema perfettamente lineare dovremmo trovare soltanto:
f1
f2
Ma se i due segnali attraversano o raggiungono un elemento non lineare possono comparire prodotti come:
f1 + f2
f1 - f2
2f1 - f2
2f2 - f1
2f1 + f2
2f2 + f1
3f1
3f2
...
Questi sono i cosiddetti:
prodotti di intermodulazione.
Il problema nasce quando uno di questi prodotti cade:
- sulla frequenza di ingresso di un ripetitore;
- vicino alla frequenza di ingresso;
- all’interno della banda passante del ricevitore.
A quel punto il ripetitore può ricevere un segnale indesiderato che nessun trasmettitore della postazione sta generando direttamente.
La formula generale
Un prodotto di intermodulazione può essere espresso schematicamente come:
fIM = |m·f1 ± n·f2|
dove:
m e n = numeri interi
L’ordine del prodotto è generalmente:
ordine = |m| + |n|
Particolarmente importanti sono i prodotti di terzo ordine:
2f1 - f2
e:
2f2 - f1
Perché?
Perché tendono a comparire relativamente vicini alle frequenze originali e possono quindi cadere facilmente all’interno delle bande utilizzate dai ricevitori.
Un esempio pratico
Supponiamo che nella stessa postazione esistano due trasmettitori:
TX A = 433,000 MHz
TX B = 435,500 MHz
Calcoliamo:
2 × 433,000 - 435,500
otteniamo:
430,500 MHz
Quindi:
2f1 - f2 = 430,500 MHz
Ora immaginiamo che:
430,500 MHz
sia proprio la frequenza d’ingresso di un nostro ricevitore.
Abbiamo creato una situazione potenzialmente molto problematica.
Nessuno sta trasmettendo volontariamente su 430,500 MHz.
Eppure il ricevitore potrebbe trovarsi davanti un segnale su quella frequenza prodotto dalla combinazione dei due trasmettitori.
Perché il terzo ordine è particolarmente fastidioso?
Prendiamo due frequenze vicine:
f1 f2
│ │
│ │
I prodotti:
2f1 - f2
e:
2f2 - f1
appaiono sui lati:
IM3 f1 f2 IM3
│ │ │ │
Quindi rimangono relativamente vicini ai segnali originali.
Per questo possono finire facilmente all’interno della banda operativa del ricevitore.
I prodotti di ordine superiore spesso risultano più lontani o più deboli, anche se non devono essere automaticamente ignorati.
Dove nasce l’intermodulazione?
Qui bisogna distinguere almeno due grandi famiglie.
Intermodulazione attiva
Può nascere dentro dispositivi elettronici non perfettamente lineari.
Per esempio:
- amplificatori;
- finali RF;
- preamplificatori;
- mixer;
- ricevitori sovraccaricati;
- dispositivi semiconduttori;
- amplificatori a larga banda.
Se due segnali molto forti entrano contemporaneamente in un amplificatore fuori dalla sua regione lineare, il dispositivo può generare prodotti indesiderati.
Intermodulazione passiva: PIM
Esiste poi la:
Passive Intermodulation
abbreviata:
PIM.
È particolarmente subdola perché può nascere in componenti che teoricamente dovrebbero essere passivi e lineari.
Per esempio:
- connettori;
- cavi;
- giunzioni;
- filtri;
- combinatori;
- protezioni contro sovratensioni;
- antenne.
Anritsu descrive la PIM proprio come intermodulazione generata in elementi normalmente considerati passivi quando forti segnali RF incontrano una non linearità; tra le possibili sorgenti vengono citati anche connettori sporchi, corrosi o non correttamente serrati.
Il famoso “rusty bolt effect”
Una delle espressioni classiche è:
rusty bolt effect
cioè:
effetto bullone arrugginito.
Immaginiamo due superfici metalliche ossidate che si toccano in maniera imperfetta.
Quella giunzione può comportarsi, almeno parzialmente, come un elemento non lineare.
Arrivano due potenti segnali RF:
f1
+
f2
la giunzione li miscela e produce:
2f1-f2
2f2-f1
...
La sorgente di intermodulazione potrebbe quindi essere qualcosa di apparentemente innocuo come:
- un bullone ossidato;
- una fascetta;
- un connettore corroso;
- una struttura metallica;
- un contatto meccanico imperfetto.
È uno dei motivi per cui trovare una sorgente PIM può diventare estremamente difficile.
Non deve essere per forza dentro il nostro impianto
Questo è importante.
Possiamo avere:
ANTENNA TX
↓
campo RF molto forte
↓
struttura metallica arrugginita
↓
PIM
↓
ANTENNA RX
La sorgente potrebbe trovarsi:
- sulla torre;
- sulla recinzione;
- su un’altra antenna;
- in una struttura vicina;
- su componenti di un altro operatore.
Per questo la ricerca della PIM può diventare una vera investigazione RF.
Intermodulazione e desensibilizzazione
Uno degli effetti più pericolosi è il:
receiver desense
ovvero la desensibilizzazione del ricevitore.
Un ricevitore che normalmente riesce a decodificare:
-118 dBm
potrebbe, quando compare un forte disturbo, comportarsi come se la sua sensibilità fosse soltanto:
-108 dBm
Abbiamo perso:
10 dB
di sensibilità effettiva.
Le stazioni forti continuano a funzionare.
Quelle marginali spariscono.
La PIM può proprio produrre un innalzamento del rumore apparente o segnali indesiderati nella banda RX, con conseguente desensibilizzazione del ricevitore.
Come appare dal punto di vista dell’utente?
Un radioamatore potrebbe riferire:
“Quando il ripetitore è tranquillo entro perfettamente.”
Ma:
“Quando parte il ponte sulla frequenza X, divento robotico.”
Oppure:
“La sera funziona, durante il giorno no.”
Oppure ancora:
“Il segnale del ripetitore è fortissimo, ma lui non mi riceve.”
Queste segnalazioni sono preziose.
Possono indicare che il problema non è:
downlink
ma:
ricezione della postazione
Il sintomo classico nel DMR
Immaginiamo una stazione che normalmente entra con:
BER 0,5%
Si attiva un altro trasmettitore della postazione.
Improvvisamente:
BER 7%
Il secondo trasmettitore termina.
Torniamo a:
BER 0,4%
Questo è un fortissimo indizio.
Non dimostra automaticamente che si tratti di intermodulazione, perché potrebbero esistere anche:
- desense diretto;
- rumore broadband;
- isolamento insufficiente;
- blocking;
ma abbiamo almeno scoperto una correlazione precisa.
Intermodulazione e desense diretto non sono la stessa cosa
È importante non confondere i due fenomeni.
Desense diretto
Un trasmettitore molto potente è troppo vicino al ricevitore.
La sua energia:
TX
↓
RX
entra direttamente nella catena ricevente e ne degrada il funzionamento.
Intermodulazione
Due o più segnali:
f1 + f2
vengono miscelati da una non linearità e producono:
fIM
che cade nella banda interessata.
I due fenomeni possono naturalmente coesistere.
Blocking del ricevitore
Un ricevitore può inoltre essere disturbato da un segnale molto forte anche quando questo non genera direttamente un prodotto sulla frequenza desiderata.
Il front-end può essere portato in condizioni sfavorevoli.
È il problema del:
blocking
o della riduzione della sensibilità in presenza di segnali forti fuori canale.
Per questo una buona specifica di un ricevitore non comprende soltanto la sensibilità.
Comprende anche parametri come:
- selettività;
- reiezione intermodulazione;
- reiezione spurie;
- blocking.
Un ripetitore professionale come il Motorola SLR 5500, per esempio, dichiara non soltanto la sensibilità, ma anche una reiezione all’intermodulazione pari a 82 dB secondo TIA603E e 73 dB secondo ETSI.
Questo ci fa capire quanto il parametro sia importante nella progettazione di un ricevitore professionale.
Come facciamo a sapere se esiste un prodotto IM?
Il primo strumento è semplicemente:
la matematica.
Creiamo un elenco delle frequenze TX presenti sulla postazione.
Per esempio:
433,000
435,500
438,000
145,600
...
Poi calcoliamo i principali prodotti:
2f1-f2
2f2-f1
per ogni coppia.
Se troviamo un risultato vicino alla nostra frequenza RX, abbiamo un candidato.
Una tabella di intermodulazione
Una postazione complessa dovrebbe idealmente avere un vero e proprio:
intermodulation study
con tutte le frequenze TX.
Esempio:
| TX1 | TX2 | 2×TX1−TX2 | 2×TX2−TX1 |
|---|---|---|---|
| 433,000 | 435,500 | 430,500 | 438,000 |
| 433,000 | 438,000 | 428,000 | 443,000 |
| 435,500 | 438,000 | 433,000 | 440,500 |
Una frequenza sospetta può emergere immediatamente.
Oggi questo calcolo può essere automatizzato facilmente con un foglio elettronico o un piccolo script.
Ma il calcolo da solo non basta
Il fatto che matematicamente esista:
2f1-f2 = frequenza RX
non significa automaticamente che il prodotto reale sia abbastanza forte da creare problemi.
Dipende da:
- potenza dei trasmettitori;
- distanza;
- isolamento;
- antenna;
- linearità dei componenti;
- accoppiamento;
- filtri;
- caratteristiche del ricevitore.
Il calcolo serve a identificare i candidati.
Poi bisogna misurare.
Il test più semplice: correlazione temporale
Una prima prova molto utile consiste nel registrare il BER mentre differenti trasmettitori della postazione vengono attivati.
Per esempio:
NESSUN ALTRO TX
BER 0,4%
TX A acceso:
BER 0,5%
TX B acceso:
BER 0,5%
TX A + TX B accesi:
BER 8%
Questa situazione è estremamente interessante.
Il problema compare soltanto quando entrambi i trasmettitori sono attivi.
È esattamente il comportamento che ci aspetteremmo da un prodotto di intermodulazione.
Lo spettro è nostro amico
Uno spectrum analyzer permette di osservare direttamente ciò che accade.
Possiamo verificare la banda intorno alla frequenza RX.
Condizione normale:
noise floor
____________________
TX A:
____________________
TX B:
____________________
TX A + TX B:
|
__________|_________
fIM
È comparso un segnale dove prima non esisteva.
Abbiamo un fortissimo indizio di intermodulazione.
Attenzione alla dinamica dello strumento
Questo è un punto spesso trascurato.
In una postazione con trasmettitori da decine o centinaia di watt lo spectrum analyzer potrebbe essere a sua volta sovraccaricato.
E un analizzatore sovraccaricato può creare internamente i propri prodotti di intermodulazione.
Rischiamo quindi di cercare un’intermodulazione che esiste soltanto dentro lo strumento di misura.
Servono:
- attenuatori appropriati;
- filtri;
- livelli corretti;
- strumenti con sufficiente dynamic range.
Una misura RF vale soltanto se conosciamo i limiti dello strumento.
Il test con carico fittizio
Un metodo diagnostico particolarmente utile consiste nell’isolare progressivamente i componenti.
Supponiamo di sospettare TX A.
Colleghiamo il trasmettitore, dove tecnicamente appropriato e in condizioni controllate, a un:
dummy load da 50 Ω
invece dell’antenna.
Se il problema scompare potremmo sospettare che la generazione o l’accoppiamento coinvolga:
- antenna;
- linea;
- ambiente esterno;
- strutture della torre.
Se rimane potrebbe essere più vicino:
- al trasmettitore;
- ai combinatori;
- ai filtri;
- alla distribuzione RF.
Non è una prova conclusiva, ma aiuta a dividere il problema in sezioni.
Testare un trasmettitore alla volta
Una diagnosi deve essere sistematica.
Creiamo una tabella:
| TX A | TX B | TX C | BER RX |
|---|---|---|---|
| OFF | OFF | OFF | 0,3% |
| ON | OFF | OFF | 0,4% |
| OFF | ON | OFF | 0,3% |
| OFF | OFF | ON | 0,4% |
| ON | ON | OFF | 8,1% |
| ON | OFF | ON | 0,5% |
Adesso abbiamo un’informazione enorme.
Il problema sembra collegato alla combinazione:
A + B
Non al trasmettitore C.
Test a due toni
Per caratterizzare l’intermodulazione si utilizzano anche test controllati con due segnali RF.
Si generano:
f1
f2
a livelli noti e si osservano i prodotti:
2f1-f2
2f2-f1
La stessa logica è utilizzata dagli strumenti professionali per test PIM: Anritsu descrive sistemi che iniettano due portanti continue e misurano i prodotti di terzo, quinto o settimo ordine che cadono nella banda ricevente.
In una postazione radioamatoriale questi test vanno eseguiti con strumentazione adeguata, carichi e attenuazioni corretti, evitando di irradiare inutilmente segnali di prova.
Come trovare fisicamente una sorgente PIM?
Una volta dimostrata l’esistenza della PIM inizia spesso la parte più difficile:
dove nasce?
Possibili candidati:
- connettori N;
- connettori DIN;
- adattatori;
- jumper;
- cavi;
- scaricatori;
- duplexer;
- combinatori;
- antenne;
- contatti metallici;
- bulloneria;
- strutture ossidate.
Gli strumenti professionali possono utilizzare tecniche come:
Distance-to-PIM
per stimare la posizione della sorgente lungo la linea o nell’ambiente circostante.
Un connettore può sembrare perfetto e creare PIM
Questa è la parte frustrante.
Un connettore potrebbe avere:
VSWR ottimo
ma:
PIM pessima
Perché Return Loss e PIM misurano problemi differenti.
Un collegamento può essere elettricamente ben adattato a bassa potenza ma diventare non lineare quando attraversato da forti segnali RF.
Quindi:
VSWR basso ≠ assenza di PIM
Corrosione
La corrosione è particolarmente pericolosa perché può creare giunzioni non lineari.
Controllare:
- acqua nei connettori;
- ossidazione;
- metalli differenti a contatto;
- guarnizioni;
- nastro autoagglomerante deteriorato;
- schermature danneggiate.
Una postazione esposta per anni a:
- pioggia;
- neve;
- gelo;
- sole;
può sviluppare problemi che non esistevano quando è stata installata.
Serraggio eccessivo o insufficiente
Anche la coppia di serraggio conta.
Un connettore troppo lento può creare un contatto instabile.
Uno eccessivamente serrato può danneggiare superfici e geometria del connettore.
I sistemi PIM professionali citano infatti anche connettori non correttamente serrati tra le sorgenti da ricercare.
La soluzione non è quindi:
“stringere tutto più forte possibile.”
Ma:
montare tutto secondo le specifiche del produttore.
Materiali ferromagnetici
Vicino ad antenne e linee RF ad alta potenza è buona pratica prestare attenzione a componenti metallici che possono contribuire a fenomeni non lineari.
In installazioni professionali la compatibilità PIM dei materiali è una vera considerazione progettuale.
Questo spiega perché componenti apparentemente insignificanti possono diventare importanti in siti multi-trasmettitore.
Il ruolo dei duplexer
Il duplexer ha il compito di permettere:
TX
e
RX
contemporaneamente sulla stessa antenna mantenendo un’elevata separazione.
Se l’isolamento non è sufficiente, il trasmettitore del nostro stesso ripetitore può degradare il ricevitore.
Ma il duplexer aiuta anche a ridurre l’energia indesiderata proveniente da altre parti dello spettro.
Una corretta taratura deve quindi considerare:
- insertion loss;
- isolation;
- return loss;
- risposta fuori banda.
Non basta verificare che:
“passi la frequenza.”
Filtri passa-banda e notch
In una postazione complessa possono servire:
- cavità;
- preselector;
- band-pass;
- band-reject;
- combinatori selettivi.
Lo scopo è ridurre l’energia indesiderata prima che raggiunga dispositivi non lineari o il front-end del ricevitore.
Ma attenzione:
un filtro non elimina un prodotto già generato sulla stessa frequenza del segnale desiderato.
Se l’intermodulazione cade esattamente su:
RX = 430,500
non possiamo semplicemente filtrare 430,500 senza filtrare anche il segnale che vogliamo ricevere.
Dobbiamo impedire che il prodotto venga generato.
Prevenire è molto meglio che curare
Quando una postazione viene progettata è opportuno eseguire prima un’analisi delle frequenze.
Dovremmo conoscere:
TX1
TX2
TX3
TX4
...
e calcolare almeno:
- prodotti di terzo ordine;
- prodotti particolarmente vicini alle frequenze RX;
- armoniche significative.
Installare dieci sistemi e chiedersi successivamente perché il ricevitore è sordo è molto meno efficiente.
La posizione delle antenne
L’isolamento tra antenne può essere migliorato attraverso:
- separazione verticale;
- separazione orizzontale;
- differenze di polarizzazione;
- diagrammi direttivi;
- posizionamento sulla torre.
La separazione verticale è spesso particolarmente efficace nelle installazioni sulla stessa struttura.
Ogni dB di isolamento ottenuto prima del ricevitore è prezioso.
Intermodulazione nel ricevitore stesso
Non dimentichiamo che il colpevole può essere il ricevitore.
Due forti segnali fuori banda entrano nel front-end.
Il ricevitore non ha sufficiente linearità.
Il mixer o un amplificatore interno genera:
2f1-f2
esattamente sulla frequenza ascoltata.
In questo caso il segnale di intermodulazione non esiste necessariamente sulla linea d’antenna.
Viene generato dentro il ricevitore.
Questo è precisamente ciò che cerca di descrivere una specifica come:
intermodulation rejection.
Come distinguere PIM esterna e IM nel ricevitore?
Non sempre è semplice.
Un metodo consiste nel:
- misurare lo spettro prima del ricevitore;
- utilizzare filtri selettivi;
- variare i livelli dei segnali interferenti;
- verificare se il prodotto esiste già fisicamente sulla linea;
- sostituire temporaneamente il ricevitore con uno strumento o un secondo ricevitore.
Se il prodotto appare soltanto su un determinato ricevitore potrebbe essere generato internamente.
Se è misurabile sulla linea RF prima del ricevitore, la sorgente è altrove.
Intermodulazione e BER nel DMR
Per un ripetitore DMR il BER è un eccellente indicatore.
Potremmo costruire:
TX interferenti OFF
BER = 0,4%
poi:
TX interferenti ON
BER = 6,5%
ma il livello della stazione desiderata rimane:
RSSI = -85 dBm
praticamente invariato.
Questo significa:
non abbiamo perso il segnale desiderato.
Abbiamo peggiorato la capacità del ricevitore di decodificarlo.
È esattamente il tipo di problema che intermodulazione e desense possono produrre.
Il noise floor della postazione
Un ottimo test consiste nel misurare il rumore ricevuto:
tutti i TX spenti
e confrontarlo con:
TX attivi
Supponiamo:
TX OFF
noise floor -123 dBm
TX ON:
noise floor -112 dBm
Abbiamo perso circa:
11 dB
di margine.
Una stazione da:
-115 dBm
prima era ricevibile.
Adesso è praticamente sommersa.
Perché le stazioni forti non notano il problema?
Perché hanno margine.
Stazione A:
-75 dBm
Stazione B:
-115 dBm
Se il noise floor aumenta di 10 dB:
Stazione A continua a essere fortissima.
Stazione B sparisce.
Per questo il sysop potrebbe usare personalmente il ponte da sotto la torre e dire:
“Funziona perfettamente.”
Mentre gli utenti a 40 km non riescono più a entrare.
Una procedura sistematica per il sysop
Quando sospettiamo intermodulazione:
1. Stabilire una sorgente di prova
Un generatore RF calibrato o una stazione di riferimento stabile.
2. Misurare il BER di base
Con tutti i trasmettitori non indispensabili spenti.
3. Attivare un trasmettitore alla volta
Annotare il BER.
4. Provare combinazioni
A+B, A+C, B+C.
5. Osservare lo spettro
Verificare eventuali prodotti.
6. Calcolare le frequenze IM3
Confrontarle con la RX.
7. Isolare progressivamente i componenti
Antenne, combinatori, filtri, linee.
8. Controllare meccanicamente l’installazione
Connettori, corrosione, acqua, bulloneria.
9. Ripetere la misura
Ogni modifica deve essere dimostrata numericamente.
Non affidarsi al “mi sembra”
Prima:
BER 7,2%
Dopo sostituzione connettore:
BER 0,6%
Questa è una prova.
Dire:
“Adesso mi sembra un po’ meglio”
non lo è.
Un impianto digitale offre proprio il vantaggio di poter registrare:
- BER;
- RSSI;
- noise floor;
- eventi.
Utilizziamoli.
Intermodulazione e manutenzione preventiva
Una postazione perfetta oggi non rimarrà necessariamente tale per dieci anni.
Con il tempo:
- guarnizioni invecchiano;
- entra umidità;
- i metalli ossidano;
- i connettori si allentano;
- vengono installati nuovi trasmettitori;
- cambiano le frequenze.
Di conseguenza un controllo periodico dovrebbe comprendere:
- Return Loss;
- insertion loss;
- isolamento;
- noise floor;
- BER;
- ricerca di eventuali nuovi prodotti indesiderati.
Un nuovo ripetitore può “rompere” quelli vecchi
Supponiamo che una postazione funzioni perfettamente.
Arriva un nuovo operatore e installa:
TX NEW
Il suo trasmettitore è tecnicamente perfetto.
Nessuna armonica fuori norma.
Eppure da quel giorno il nostro ricevitore ha problemi.
Il nuovo trasmettitore potrebbe essere soltanto il secondo ingrediente necessario per creare un prodotto di intermodulazione con un trasmettitore già presente.
Quindi:
“Il nuovo TX è pulito.”
non esclude un problema di intermodulazione di sito.
Conclusione
L’intermodulazione è uno dei problemi più difficili da diagnosticare in una postazione radio perché genera segnali che nessuno ha intenzionalmente trasmesso.
Due portanti:
f1 + f2
incontrano una non linearità.
Compaiono:
2f1-f2
2f2-f1
...
Uno di questi prodotti cade nella nostra banda RX.
Il risultato può essere:
noise floor più alto
↓
BER crescente
↓
desense
↓
audio robotico
↓
perdita delle stazioni deboli
Le sorgenti possono essere:
- elettroniche;
- connettori;
- cavi;
- filtri;
- antenne;
- strutture ossidate;
- perfino il nostro stesso ricevitore.
La diagnosi richiede metodo:
calcolare, isolare, misurare e confrontare.
In una postazione multiservizio non basta quindi chiedere:
“Qual è la frequenza del mio ripetitore?”
Bisogna sapere anche:
“Quali altre frequenze stanno trasmettendo intorno a lui?”
Perché in RF, qualche volta:
1 + 1
non produce soltanto due segnali.
Può produrne un terzo che nessuno aveva invitato.