Cinque watt.
La potenza tipica di una radio portatile.
Può sembrare impossibile pensare che una potenza così modesta possa permettere di raggiungere un ripetitore distante:
80, 100 o perfino più chilometri.
Eppure, in VHF e UHF, con le giuste condizioni geometriche e un buon sistema d’antenna, è assolutamente possibile.
La ragione è semplice:
nelle comunicazioni VHF/UHF la distanza da sola conta molto meno di quanto si pensi.
Sono fondamentali soprattutto:
- altezza delle antenne;
- visibilità radio;
- ostacoli;
- zona di Fresnel;
- guadagno delle antenne;
- perdite dei cavi;
- sensibilità del ricevitore;
- rumore della postazione;
- fading;
- interferenze.
Una portatile da 5 W su una collina può quindi arrivare molto meglio di una stazione da 50 W situata in fondo a una valle.
Per capire perché dobbiamo smettere di pensare soltanto ai watt e iniziare a ragionare in termini di:
link budget.
5 watt sembrano pochi soltanto se ragioniamo in watt
Nel mondo RF è molto più utile utilizzare i:
dBm.
La conversione è:
P(dBm) = 10 log10(P in mW)
Cinque watt equivalgono a:
5 W = 5000 mW
quindi:
10 log10(5000) ≈ 37 dBm
Possiamo quindi dire:
5 W ≈ +37 dBm
Questo numero sarà molto utile quando costruiremo il nostro link budget.
Cosa succede al segnale mentre viaggia?
L’energia RF si distribuisce progressivamente nello spazio.
All’aumentare della distanza diminuisce la densità di potenza ricevuta.
Nel caso ideale di spazio libero possiamo calcolare la cosiddetta:
Free Space Path Loss
abbreviata:
FSPL.
Una forma molto utilizzata della formula, con distanza in chilometri e frequenza in MHz, è:
FSPL(dB) =
32,44
+ 20 log10(d km)
+ 20 log10(f MHz)
La Recommendation ITU-R P.525 tratta proprio il calcolo dell’attenuazione in spazio libero, parametro fondamentale nei bilanci di collegamento radio.
Quanto perdiamo realmente a 100 km?
Facciamo due esempi radioamatoriali.
VHF — 145 MHz
Distanza:
100 km
Frequenza:
145 MHz
La perdita in spazio libero è circa:
115,7 dB
UHF — 430 MHz
Alla stessa distanza:
100 km
ma a:
430 MHz
otteniamo circa:
125,1 dB
Quindi a parità di distanza l’UHF presenta circa:
9,4 dB
di perdita in spazio libero in più rispetto ai 145 MHz.
125 dB sembrano un’enormità
Ed effettivamente lo sono.
Ma il trasmettitore parte da:
+37 dBm
e il ricevitore DMR di un buon ripetitore può essere in grado di lavorare con segnali estremamente piccoli, dell’ordine di:
-115
-118
-120 dBm
a seconda dell’apparato, delle condizioni e del criterio BER utilizzato.
Questo significa che fra:
+37 dBm
e:
-118 dBm
abbiamo potenzialmente:
155 dB
di differenza disponibile.
Naturalmente una parte verrà consumata dalla propagazione e dalle perdite dell’impianto.
Ma il margine è molto più grande di quanto il semplice numero “5 watt” lasci immaginare.
Facciamo un vero link budget
Immaginiamo una stazione mobile UHF.
Potenza trasmettitore:
+37 dBm
Antenna mobile:
+2 dBi
Perdite cavo/connettori lato TX:
-1 dB
Perdita spazio libero a 100 km e 430 MHz:
-125 dB
Antenna ricevente del ripetitore:
+8 dBi
Perdite cavo, duplexer e connettori:
-3 dB
Il livello teorico al ricevitore diventa:
37
+ 2
- 1
- 125
+ 8
- 3
ovvero circa:
-82 dBm
Un segnale da:
-82 dBm
è enormemente superiore alla sensibilità tipica di un ricevitore DMR.
Naturalmente questo è un esempio ideale di spazio libero.
La realtà aggiunge:
- terreno;
- vegetazione;
- edifici;
- fading;
- diffrazione;
- multipath;
- polarizzazione;
- interferenze.
Ma il calcolo dimostra una cosa importantissima:
il problema dei 100 km non è necessariamente avere abbastanza watt.
Molto spesso il vero problema è:
avere un percorso radio sufficientemente libero.
Aggiungiamo 20 dB di perdite extra
Supponiamo che alla precedente situazione aggiungiamo:
20 dB
di perdite dovute complessivamente a:
- fading;
- ostacoli moderati;
- imperfezioni;
- condizioni reali.
Il segnale diventerebbe circa:
-102 dBm
Un buon ricevitore potrebbe ancora decodificarlo tranquillamente.
Abbiamo quindi un’idea del perché cinque watt possano essere sufficienti.
Allora perché con 5 W da casa non raggiungo un ponte a 30 km?
Perché il problema potrebbe non essere la potenza.
Immaginiamo:
CASA
│
│
████ COLLINA ████
│
▼
RIPETITORE
Tra noi e il ripetitore esiste una collina.
Il percorso diretto è ostruito.
Aumentare:
5 W → 10 W
fornisce soltanto:
+3 dB
Aumentare:
5 W → 50 W
fornisce:
+10 dB
Ma se l’ostacolo introduce decine di dB di perdita, potremmo non risolvere il problema.
Dieci volte la potenza sono soltanto 10 dB
Questo è un concetto fondamentale.
Passare da:
5 W
a:
10 W
significa:
+3 dB
Da:
5 W
a:
20 W
circa:
+6 dB
Da:
5 W
a:
50 W
circa:
+10 dB
Da:
5 W
a:
500 W
abbiamo:
+20 dB
Quindi aumentare enormemente i watt produce guadagni molto meno spettacolari quando ragioniamo in decibel.
Alzare l’antenna può valere molto più di aumentare la potenza
Immaginiamo due configurazioni.
Configurazione A
50 W
antenna a 2 m
dietro una collina
Configurazione B
5 W
antenna a 1000 m di quota
ripetitore visibile
La configurazione B può facilmente risultare superiore.
Perché?
Perché in VHF/UHF la geometria della propagazione è determinante.
L’orizzonte radio
Per collegamenti terrestri VHF/UHF possiamo utilizzare, come approssimazione in atmosfera standard, il concetto di:
radio horizon.
Una formula pratica frequentemente utilizzata è:
d ≈ 4,12 √h
dove:
d = distanza in km
h = altezza in metri
Il coefficiente considera il comportamento medio della rifrazione troposferica attraverso il modello della Terra con raggio efficace.
Per due antenne:
d ≈ 4,12 (√h1 + √h2)
È una semplificazione progettuale: le condizioni atmosferiche reali possono modificare il risultato.
Un ripetitore a 1000 metri
Supponiamo:
antenna ripetitore = 1000 m
e:
antenna mobile = 2 m
Otteniamo approssimativamente:
d ≈
4,12 × (√1000 + √2)
cioè circa:
136 km
di orizzonte radio teorico combinato.
Quindi un collegamento a:
100 km
non è affatto sorprendente se il profilo del terreno è favorevole.
Un ripetitore a 500 metri
Con:
500 m
e una stazione a:
2 m
otteniamo circa:
98 km
Siamo già nell’ordine di grandezza dei 100 km.
E questo senza invocare propagazioni particolari.
“Ma io non vedo il ripetitore”
La visibilità ottica non coincide perfettamente con quella radio.
Una piccola quantità di diffrazione e rifrazione permette al segnale di comportarsi in maniera più complessa di un semplice raggio laser.
Ma non bisogna andare all’estremo opposto:
VHF e UHF non attraversano magicamente qualsiasi montagna.
Gli ostacoli contano moltissimo.
La Recommendation ITU-R P.526 tratta proprio i meccanismi di propagazione per diffrazione dovuti agli ostacoli e al terreno.
La zona di Fresnel
Un altro concetto essenziale è:
Fresnel zone.
Non basta che la linea geometrica tra le due antenne sia libera.
Attorno a quella linea esiste una regione ellissoidale all’interno della quale gli ostacoli possono interferire significativamente con la propagazione.
La prima zona di Fresnel può essere rappresentata così:
TX RX
●------------------●
\ /
\ /
\____________/
Il raggio della prima zona di Fresnel è:
r1 =
√(λ d1 d2 / (d1 + d2))
dove:
λ = lunghezza d'onda
d1 = distanza dall'ostacolo al TX
d2 = distanza dall'ostacolo al RX
Quanto è grande a 100 km?
Prendiamo un collegamento da:
100 km
e guardiamo il punto centrale.
A 430 MHz
La lunghezza d’onda è circa:
0,70 m
Il raggio della prima zona di Fresnel al centro è circa:
132 m
A 145 MHz
La lunghezza d’onda è circa:
2,07 m
Il raggio diventa circa:
227 m
Sono valori molto più grandi di quanto molti radioamatori immaginino.
“Quindi devo avere 227 metri completamente liberi?”
Non necessariamente.
Il Fresnel non è una parete rigida oltre la quale il collegamento smette di funzionare.
Ma una forte invasione della prima zona può causare perdite importanti.
Una regola progettuale molto utilizzata nei collegamenti line-of-sight consiste nel cercare di mantenere libera una parte significativa — spesso circa il 60% — della prima zona di Fresnel.
La progettazione professionale dei link terrestri line-of-sight considera proprio geometria del percorso, ostacoli, diffrazione e clearance della zona di Fresnel.
Una collina sotto la linea può comunque disturbare
Immaginiamo:
TX ---------------------------- RX
▲
COLLINA
La collina non tocca la linea geometrica.
Potremmo quindi pensare:
“Ho visibilità.”
Ma se entra profondamente nella zona di Fresnel può provocare:
- attenuazione;
- interferenza;
- fading.
Questa è la differenza tra:
line of sight geometrica
e:
buona clearance radio.
L’antenna del ripetitore fa metà del lavoro
Quando diciamo:
“Sono arrivato al ponte con 5 watt”
non significa che l’intero merito sia della nostra radio.
Il ripetitore potrebbe possedere:
- antenna collineare da 8-10 dBi;
- antenna a 30 metri dalla sommità;
- ottimo ricevitore;
- cavo a bassa perdita;
- preselector;
- postazione senza rumore.
Il nostro segnale viene quindi raccolto da un sistema molto più efficiente rispetto a una normale portatile.
L’uplink e il downlink sono differenti
Potremmo ascoltare il ripetitore:
S9
ma non riuscire ad entrarvi.
Perché?
Il downlink è:
RIPETITORE
50 W
antenna +8 dBi
↓
nostra radio
L’uplink è:
nostra radio
5 W
antenna +2 dBi
↓
ripetitore
I due bilanci non sono necessariamente identici.
La portatile con antenna originale è un altro mondo
Finora abbiamo immaginato:
5 W
+
antenna efficiente
Ma una portatile utilizzata all’interno dell’automobile con il classico gommino può subire:
- perdita dell’antenna;
- schermatura della carrozzeria;
- schermatura del corpo;
- polarizzazione non ideale.
Potremmo perdere facilmente diversi dB.
Un’antenna sul tetto dell’auto può quindi produrre un miglioramento enorme senza modificare la potenza della radio.
Esempio: 5 W con antenna esterna contro 20 W dentro l’auto
Radio A:
5 W
antenna esterna sul tetto
Radio B:
20 W
antenna all'interno dell'abitacolo
La radio A potrebbe risultare migliore.
Perché la differenza:
5 W → 20 W
vale soltanto:
6 dB
Una pessima posizione dell’antenna può facilmente consumare buona parte di quel vantaggio.
Polarizzazione
I ripetitori VHF/UHF FM e DMR utilizzano normalmente polarizzazione verticale.
Se utilizziamo l’antenna:
verticale
otteniamo il massimo accoppiamento previsto.
Se la incliniamo:
orizzontale
introduciamo una perdita di polarizzazione che può diventare molto significativa.
In un collegamento marginale anche questo può decidere se:
BER 1%
oppure:
BER 10%
La vera importanza del ricevitore
Supponiamo che un ripetitore riesca a decodificare bene fino a:
-118 dBm
Un altro, disturbato dalla postazione, abbia una sensibilità reale di:
-105 dBm
La differenza è:
13 dB
Per compensarla dal nostro lato dovremmo moltiplicare la potenza per circa venti.
Quindi un buon ricevitore di postazione può valere più di centinaia di watt lato utente.
Il rumore RF può distruggere il vantaggio
Un ricevitore potrebbe teoricamente essere:
-120 dBm
ma trovarsi in una postazione con rumore a:
-105 dBm
La sua sensibilità da laboratorio diventa praticamente irrilevante.
Il limite è il sito.
Ecco perché una postazione radio silenziosa è preziosissima.
100 km non sono sempre uguali
Confrontiamo:
Percorso A
100 km
cime elevate
visibilità
Fresnel libera
Potrebbe funzionare con:
1-5 W
Percorso B
20 km
due montagne in mezzo
Potrebbe non funzionare nemmeno con:
50-100 W
Questa è forse la frase più importante:
La radio non misura la distanza stradale. Vede il percorso elettromagnetico.
Il terreno conta più della cartina
Due punti distanti 100 km possono avere:
profilo perfetto
oppure:
tre dorsali montuose
Per valutare seriamente il collegamento dobbiamo osservare il:
terrain profile.
Possiamo rappresentarlo come:
TX
│ /\ RX
│ / \ │
│______/ \________________│
e verificare:
- linea diretta;
- curvatura terrestre;
- Fresnel;
- ostacoli.
La curvatura terrestre a 100 km conta
Su distanze di pochi chilometri possiamo quasi dimenticarla.
A:
100 km
no.
La superficie terrestre curva progressivamente sotto il percorso radio.
Nei calcoli di propagazione terrestre si utilizza frequentemente un raggio terrestre efficace che tiene conto della rifrazione media troposferica; le raccomandazioni ITU per link terrestri line-of-sight trattano questi aspetti nella progettazione dei percorsi.
La troposfera può aiutarci
In determinate condizioni atmosferiche la rifrazione può estendere la portata.
Possono verificarsi fenomeni come:
- super-rifrazione;
- ducting troposferico.
In queste condizioni VHF e UHF possono percorrere distanze molto superiori al normale orizzonte radio.
Ma un collegamento stabile non dovrebbe essere progettato contando su un’apertura troposferica occasionale.
Il collegamento da 100 km deve funzionare senza miracoli
Per una rete affidabile dobbiamo ragionare su condizioni normali:
altezza
+
antenne
+
link budget
+
terrain profile
+
Fresnel
+
margine
La propagazione eccezionale sarà un bonus.
Il fade margin
Non vogliamo progettare un collegamento in cui:
segnale ricevuto = sensibilità RX
Perché al primo fading:
collegamento perso.
Vogliamo un margine.
Per esempio:
segnale RX = -95 dBm
sensibilità = -118 dBm
Margine teorico:
23 dB
Questo ci permette di assorbire:
- fading;
- vegetazione;
- riflessioni;
- variazioni atmosferiche.
Perché il DMR può sembrare perfetto a 100 km?
Per il digital cliff.
Finché il BER rimane basso:
audio perfetto
Non sentiamo necessariamente che siamo lontani.
Una stazione a 100 km potrebbe sembrare identica a una a 5 km:
BER 0,3%
Poi il segnale cala di qualche dB:
BER sale
↓
robotizzazione
↓
drop
L’orecchio non è quindi un buon misuratore della distanza.
Un esempio realistico
Immaginiamo:
Ripetitore:
quota 1000 m
antenna 8 dBi
buon ricevitore
Stazione:
5 W
antenna veicolare 2 dBi
Distanza:
100 km
Percorso:
quasi ottico
Il link budget mostra che esiste teoricamente un grande margine.
In queste condizioni 5 W non rappresentano affatto una potenza sorprendentemente bassa.
Potrebbero essere più che sufficienti.
Cambiamo soltanto una cosa: spostiamo la stazione in valle
Stessa radio:
5 W
Stessa distanza:
100 km
Ma:
montagna in mezzo.
Il collegamento può scomparire completamente.
Non abbiamo perso watt.
Abbiamo perso:
geometria.
La morale: altezza prima della potenza
Quando una stazione VHF/UHF non raggiunge un ripetitore, prima di comprare un amplificatore dovremmo controllare:
- antenna;
- posizione;
- altezza;
- cavo;
- ostacoli;
- polarizzazione;
- profilo del terreno.
Solo successivamente ha senso valutare più potenza.
Un metro di cavo può valere watt
A UHF un cavo scadente e molto lungo può introdurre perdite importanti.
Supponiamo:
TX = 5 W
e perdiamo:
3 dB
nel cavo.
All’antenna arrivano circa:
2,5 W
Se perdiamo:
6 dB
arriviamo a circa:
1,25 W
Spendere denaro in un amplificatore senza correggere una linea coassiale pessima è spesso controproducente.
Il guadagno d’antenna funziona in entrambe le direzioni
Un’antenna con maggiore guadagno migliora:
trasmissione
ma anche:
ricezione.
Aggiungere:
+6 dB
di guadagno d’antenna equivale idealmente, nella direzione interessata, a un enorme aumento di potenza in trasmissione.
Da:
5 W
+6 dB corrisponde all’effetto equivalente di circa:
20 W
nella direzione favorita.
Ma otteniamo contemporaneamente anche un miglioramento lato ricezione.
Per questo le antenne sono più importanti dei watt
Un watt perso in un amplificatore può essere recuperato soltanto trasmettendo di più.
Un dB guadagnato attraverso:
- antenna;
- cavo;
- posizione;
migliora l’intero sistema.
La radiofrequenza premia l’efficienza.
Conclusione
Cinque watt possono raggiungere un ripetitore a 100 km perché la potenza trasmessa è soltanto uno degli elementi del collegamento.
Il vero bilancio è:
POTENZA TX
+
GUADAGNO ANTENNA TX
-
PERDITE TX
-
PATH LOSS
+
GUADAGNO ANTENNA RX
-
PERDITE RX
Se il risultato rimane sufficientemente sopra la sensibilità del ricevitore:
il collegamento funziona.
A 100 km la perdita in spazio libero è circa:
116 dB a 145 MHz
e:
125 dB a 430 MHz.
Sono valori elevati, ma perfettamente compatibili con un collegamento da 5 W quando abbiamo:
- antenne efficienti;
- buona quota;
- percorso libero;
- Fresnel accettabile;
- ricevitore sensibile;
- basso rumore di sito.
La domanda giusta non è quindi:
“Come può un segnale da soli 5 watt percorrere 100 km?”
La domanda giusta è:
“Quanto del mio segnale riesce realmente ad arrivare all’ingresso del ricevitore?”
Ed è proprio qui che scopriamo una delle lezioni più importanti della radio:
un’antenna alta nel posto giusto vale spesso molto più di cento watt nel posto sbagliato.