Un ripetitore può sembrare perfettamente funzionante.
La potenza di uscita è corretta.
Il ROS dell’antenna è buono.
Internet funziona.
Il DMR è collegato al master.
Eppure gli utenti continuano a segnalare:
- ricezione intermittente;
- portata ridotta;
- audio digitale che “sgancia”;
- BER anomalo;
- disturbi soltanto in alcuni momenti della giornata;
- perdita di sensibilità quando altri trasmettitori del sito entrano in funzione.
In situazioni del genere uno degli strumenti più interessanti che un Sysop può aggiungere alla propria valigia è un ricevitore SDR — Software Defined Radio.
Non sostituisce un analizzatore di spettro professionale o un service monitor calibrato.
Ma permette di fare qualcosa di estremamente importante:
vedere lo spettro radio in tempo reale.
GNU Radio indica proprio la realizzazione di uno spectrum analyzer come una delle applicazioni di base e più utili di un ricevitore SDR; i suoi strumenti FFT e Frequency Sink permettono di trasformare il segnale campionato nel dominio della frequenza e visualizzarlo graficamente.
Che cos’è realmente un SDR?
In una radio tradizionale gran parte delle funzioni viene realizzata attraverso circuiti dedicati:
ANTENNA
↓
FILTRI
↓
MIXER
↓
IF
↓
DEMODULATORE
↓
AUDIO
In un SDR una parte significativa dell’elaborazione viene effettuata digitalmente.
In forma molto semplificata:
ANTENNA
↓
FRONT-END RF
↓
ADC / CONVERSIONE
↓
I/Q
↓
SOFTWARE
Il software può quindi mostrare contemporaneamente una porzione di spettro e permetterci di:
- cambiare frequenza;
- zoomare;
- demodulare;
- filtrare;
- registrare;
- misurare;
- confrontare segnali.
Spectrum e waterfall: due modi di guardare la stessa RF
La visualizzazione più intuitiva è lo spettro.
Asse orizzontale:
FREQUENZA
Asse verticale:
LIVELLO
Se siamo sulla banda 430 MHz potremmo vedere:
potenza
│
│ █
│ █
│ █ █
│_____|____|____________ frequenza
A B
A e B rappresentano due segnali differenti.
La FFT è il meccanismo matematico che permette al software di passare dai campioni temporali alla rappresentazione in frequenza; GNU Radio mette a disposizione sia blocchi FFT sia visualizzatori dedicati.
Il waterfall aggiunge il tempo
Lo spettro ci dice:
cosa sta succedendo adesso?
Il waterfall ci dice:
cosa è successo negli ultimi secondi o minuti?
Possiamo immaginarlo come:
FREQUENZA →
tempo ..............
↓ .....██.......
.....██.......
..............
..██..........
..██..........
..██..........
Un segnale continuo produce una linea verticale.
Una trasmissione intermittente produce segmenti.
Un disturbo impulsivo produce invece tracce differenti.
Questa rappresentazione è potentissima per un Sysop.
Primo utilizzo: scoprire segnali che non dovrebbero esserci
Immaginiamo che il ricevitore del ripetitore sia su:
430.xxx MHz
Guardiamo qualche MHz attorno.
Potremmo scoprire:
segnale desiderato
+
portante sconosciuta
+
spurie
+
rumore largo
che una normale radio non ci avrebbe mostrato.
La radio tradizionale ci dice:
“sento male”.
L’SDR può mostrarci:
“esiste energia RF 40 kHz più in alto che compare ogni volta che il trasmettitore X viene acceso”.
Ed ecco che abbiamo una pista concreta.
Secondo utilizzo: misurare il noise floor
Il noise floor, osservato con configurazione e guadagno costanti, permette di confrontare due situazioni.
Per esempio:
Ripetitore TX spento
rumore apparente
────────────
Ripetitore TX acceso
rumore apparente
████████████
Se l’intero fondo dello spettro aumenta sensibilmente quando attiviamo un trasmettitore della postazione, potrebbe esserci un problema di:
- desensibilizzazione;
- rumore prodotto dall’apparato;
- alimentatore rumoroso;
- accoppiamento RF;
- filtraggio insufficiente.
L’SDR non ci fornisce automaticamente la diagnosi.
Ci dice però:
quando nasce il problema.
Desense: il nemico invisibile delle postazioni condivise
Il fenomeno più frustrante è questo:
TX OFF
→ ricevitore sensibile
TX ON
→ ricevitore quasi sordo
Il trasmettitore non deve necessariamente essere sulla stessa frequenza del ricevitore.
Un segnale molto forte presente nel sito può sovraccaricare una parte della catena ricevente.
Con un SDR possiamo confrontare:
TX OFF
e:
TX ON
osservando cosa succede allo spettro.
Un test semplicissimo
Registriamo la situazione normale:
SCREENSHOT A
TX OFF
Attiviamo il trasmettitore:
SCREENSHOT B
TX ON
Confrontiamo:
- noise floor;
- segnali nuovi;
- spurie;
- segnali fantasma;
- variazione del livello.
Possiamo ripetere il test con:
TX DMR
TX FM
TX LINK
TX altra postazione
e capire quale apparato produce il cambiamento.
Terzo utilizzo: cercare intermodulazione
Nei siti radio importanti possono essere presenti contemporaneamente:
VHF
UHF
link
broadcast
servizi professionali
telefonia
telemetria
Quando più segnali forti interagiscono con componenti non perfettamente lineari possono apparire prodotti indesiderati.
L’SDR può aiutarci a individuare frequenze sospette che:
- compaiono soltanto quando due trasmettitori sono attivi;
- scompaiono quando uno dei due viene spento;
- non corrispondono ad alcun trasmettitore reale del sito.
La prova sperimentale diventa:
TX A ON
TX B OFF
→ nessun disturbo
TX A OFF
TX B ON
→ nessun disturbo
TX A ON
TX B ON
→ disturbo
Questa informazione vale moltissimo.
Quarto utilizzo: guardare la forma di un segnale
Con un waterfall possiamo confrontare trasmettitori differenti.
Un apparato ben regolato produce una traccia coerente con il tipo di modulazione utilizzato.
Un apparato problematico potrebbe mostrare:
- eccessiva larghezza;
- forte asimmetria;
- componenti laterali inattese;
- instabilità;
- deriva.
Attenzione però:
un SDR economico non calibrato non deve essere trasformato arbitrariamente in uno strumento certificato di misura.
Può essere eccellente per confrontare e diagnosticare, ma le misure definitive di conformità richiedono strumentazione appropriata.
DMR visto con un SDR
Un segnale DMR non appare come una normale emissione FM analogica.
Possiamo osservare:
occupazione del canale
modulazione digitale
inizio e fine burst
attività temporale
e, utilizzando software più avanzato, analizzare ulteriormente il segnale.
L’utilità pratica per il Sysop è soprattutto comparativa:
RIPETITORE A
contro:
RIPETITORE B
oppure:
PRIMA DELLA TARATURA
contro:
DOPO LA TARATURA
Possiamo vedere i due Time Slot?
Bisogna distinguere dominio RF e struttura logica TDMA.
Con una normale vista spettrale osserviamo principalmente energia nel dominio della frequenza.
Per analizzare seriamente:
TS1
TS2
burst
timing
serve invece software capace di interpretare la struttura temporale e il protocollo.
L’SDR ci fornisce però i campioni I/Q necessari per effettuare analisi molto più sofisticate rispetto a una normale radio.
Registrare l’I/Q: congelare la RF nel tempo
Questa è una delle caratteristiche più potenti.
Supponiamo che un disturbo compaia alle:
03:17
per trenta secondi.
Se abbiamo registrato soltanto l’audio, perdiamo molte informazioni.
Registrando i campioni I/Q possiamo invece conservare una porzione di spettro.
Successivamente possiamo:
riaprire il file
↓
cambiare frequenza all'interno della banda registrata
↓
cambiare filtro
↓
cambiare demodulazione
↓
analizzare lo spettro
È come avere una piccola registrazione della RF.
GNU Radio utilizza comunemente file contenenti campioni radio proprio per poter elaborare successivamente segnali precedentemente acquisiti.
Il Sysop diventa investigatore
Immaginiamo un report:
“Ogni giorno tra le 18:00 e le 18:15 il ponte diventa sordo.”
Possiamo lasciare:
SDR
+
PC/Raspberry
+
registrazione
e acquisire quella fascia oraria.
Il giorno successivo analizziamo.
Potremmo scoprire una trasmissione che compare esattamente:
18:02
e termina:
18:14
La ricerca del guasto cambia completamente.
Attenzione al guadagno
Un SDR normalmente permette di modificare il guadagno del ricevitore.
Se utilizziamo troppo guadagno:
segnale forte
↓
front-end sovraccarico
↓
spettro pieno di segnali fantasma
Potremmo convincerci che il sito abbia cinquanta spurie quando in realtà stiamo soltanto saturando il nostro ricevitore.
Quindi durante una diagnosi:
partire con gain moderato
↓
ridurlo
↓
aumentarlo gradualmente
e osservare cosa cambia.
Un vero segnale RF e un artefatto generato dal sovraccarico possono comportarsi diversamente al variare del guadagno e dell’attenuazione.
Un attenuatore è uno degli accessori più importanti
Se lavoriamo vicino a un ripetitore da decine di watt, l’SDR può ricevere un segnale enormemente più forte rispetto a quello per il quale viene normalmente utilizzato.
Un semplice:
ATTENUATORE RF
può diventare indispensabile.
Per esempio:
ANTENNA DI TEST
↓
ATTENUATORE
↓
SDR
oppure, con strumentazione adeguata:
LINEA TX
↓
COUPLER
↓
ATTENUAZIONE
↓
SDR
Mai collegare direttamente il TX del ripetitore all’SDR
Questo punto è fondamentale.
NON:
TX 25/50 W
│
└────────→ SDR
Un ricevitore SDR è progettato per ricevere segnali estremamente piccoli.
La potenza di un trasmettitore può distruggere immediatamente il front-end.
Per osservare direttamente una linea trasmittente servono dispositivi appropriati:
- directional coupler;
- attenuatori RF dimensionati;
- dummy load;
- sampler;
- strumentazione con limiti di potenza conosciuti.
Se non conosciamo esattamente i livelli, utilizziamo semplicemente un’antenna di ricezione posta a distanza adeguata.
Una piccola antenna vicino al rack può essere più utile di quella sul traliccio
Per cercare rumore generato localmente possiamo utilizzare una piccola antenna.
Muovendola vicino a:
alimentatore
router
switch
Raspberry
monitor
inverter
UPS
possiamo osservare quando il rumore aumenta.
È una sorta di:
sonda RF molto rudimentale.
Non produce una misura calibrata.
Ma può individuare il colpevole.
Alimentatori switching
Uno dei test che farei sempre:
postazione normalmente alimentata
registriamo lo spettro.
Poi, dove tecnicamente possibile e in condizioni sicure:
sostituzione temporanea alimentatore
oppure:
spegnimento singolo dispositivo
Se una serie di righe nello spettro scompare quando togliamo corrente a un determinato apparato, abbiamo ottenuto un’informazione utilissima.
Anche Ethernet può produrre RF indesiderata
Un moderno sito contiene:
switch
router
PoE
Ethernet
USB
HDMI
La diagnosi non deve quindi fermarsi agli apparati radio.
Possiamo disconnettere temporaneamente, uno alla volta:
switch
Raspberry
router secondario
telecamera
e osservare cosa cambia.
SDR remoto
Perché mettere l’SDR nella postazione e non in laboratorio?
Perché molti problemi esistono soltanto nella postazione.
Possiamo installare:
SDR
↓ USB
Raspberry / mini-PC
↓
VPN
↓
SYSOP
e osservare lo spettro da casa.
A quel punto la postazione dispone permanentemente di un piccolo sensore RF.
Uno spectrum monitor 24/7
Possiamo persino creare:
SDR
↓
FFT
↓
software
↓
database
↓
Grafana
e registrare nel tempo:
noise floor
livello di determinate frequenze
presenza di interferenze
occupazione del canale
GNU Radio permette di elaborare direttamente lo spettro mediante FFT e blocchi di potenza logaritmica, rendendo possibile costruire strumenti personalizzati oltre ai normali waterfall.
Una heatmap dello spettro
Immaginiamo un grafico:
ORA →
00 01 02 03 ... 23
FREQUENZA
↓
dove il colore indica il livello RF.
Dopo una settimana potremmo scoprire:
“Il disturbo compare ogni giorno dalle 08 alle 18.”
Questo suggerisce immediatamente una sorgente legata ad attività lavorativa, impianti, inverter o altri apparati temporizzati.
Analizzare il duplexer indirettamente
Un SDR economico non sostituisce un tracking generator o un VNA per misurare correttamente le caratteristiche di un duplexer.
Può però aiutarci a capire se esiste un problema operativo.
Esempio:
TX ON
e sul ricevitore di monitoraggio compare una quantità enorme di energia vicino alla frequenza RX.
Possiamo confrontare:
prima
e:
dopo intervento duplexer
e verificare se la situazione migliora.
Per una misura reale di isolamento:
dB
utilizzeremo però strumentazione calibrata.
SDR e antenna dedicata
Una configurazione permanente potrebbe essere:
ANTENNA MONITOR
│
FILTRO
│
ATTENUATORE
│
SDR
│
RASPBERRY
│
VPN
Il filtro è particolarmente utile nei siti con segnali estremamente forti fuori dalla banda di interesse.
Perché filtrare prima dell’SDR?
Supponiamo di voler osservare:
430–440 MHz
ma vicino alla postazione esista un segnale molto forte su un’altra banda.
Anche se quel segnale è fuori dalla schermata, può comunque sovraccaricare il front-end.
Un filtro esterno può ridurre ciò che entra realmente nel ricevitore.
È una differenza importante:
software filter
agisce dopo il front-end.
RF filter
agisce prima.
Se il front-end è già saturo, il software non può “desaturarlo”.
Frequenza di riferimento
Gli SDR economici possono mostrare errori o deriva di frequenza.
Prima di dichiarare:
“il ripetitore è fuori frequenza di 700 Hz”
dobbiamo essere certi che non sia:
il nostro SDR a essere fuori frequenza.
Per misure precise occorre un riferimento adeguato o uno strumento calibrato.
L’SDR resta comunque eccellente per osservare:
deriva relativa
instabilità
confronto tra segnali
Il test A/B è la tecnica più potente
Quando non abbiamo uno strumento calibrato possiamo comunque effettuare confronti.
Per esempio:
CONFIGURAZIONE A
vecchio alimentatore
CONFIGURAZIONE B
nuovo alimentatore
Oppure:
A
antenna precedente
B
antenna nuova
Oppure:
A
duplexer prima taratura
B
duplexer dopo taratura
Manteniamo:
stesso SDR
stesso gain
stessa antenna
stesso software
e confrontiamo.
Questo rende il test molto più significativo.
Kit SDR del Sysop
Nella mia valigia terrei:
□ SDR USB
□ laptop
□ adattatori SMA/N
□ cavetti corti
□ attenuatori 10/20/30 dB
□ filtro passa-banda
□ piccola antenna UHF
□ piccola antenna VHF
□ carico fittizio appropriato
□ power bank
e, quando serve:
□ directional coupler
purché correttamente dimensionato.
Software utile
Un Sysop può utilizzare software semplici per visualizzare rapidamente lo spettro oppure strumenti più avanzati come GNU Radio per creare analizzatori personalizzati.
GNU Radio permette, per esempio, di costruire un flowgraph:
SDR SOURCE
↓
FILTER
↓
FFT
↓
FREQUENCY DISPLAY
oppure:
SDR
↓
record I/Q
per analisi successive.
Non trasformiamo un dongle da 30 euro in un Rohde & Schwarz immaginario
Questo è il limite che bisogna sempre ricordare.
Un SDR economico è meraviglioso per:
- cercare;
- confrontare;
- visualizzare;
- registrare;
- diagnosticare.
Non è automaticamente uno strumento calibrato per certificare:
potenza
deviazione
occupied bandwidth
spurious emissions
frequency accuracy
con precisione professionale.
Se troviamo un’anomalia:
SDR → INDIZIO
la confermiamo poi, quando necessario, con:
SERVICE MONITOR
SPECTRUM ANALYZER
VNA
POWER METER
L’SDR come “stetoscopio RF”
È probabilmente la definizione migliore.
Un medico usa lo stetoscopio non perché esso sostituisca:
TAC
risonanza
analisi
ma perché in pochi secondi gli permette di capire dove cercare.
L’SDR svolge un ruolo simile.
Prima:
“Il ripetitore va male.”
Dopo:
“Quando il TX del link parte, il noise floor della banda RX sale.”
Questa seconda frase è già una diagnosi enormemente più utile.
Conclusioni
L’SDR ha democratizzato qualcosa che un tempo richiedeva strumentazione estremamente costosa:
la possibilità di vedere una porzione relativamente ampia dello spettro in tempo reale.
GNU Radio considera proprio lo spectrum analyzer una delle applicazioni fondamentali di un ricevitore SDR.
Per il Sysop significa poter investigare:
interferenze
noise floor
desense
spurie
intermodulazione
occupazione
instabilità
disturbi intermittenti
con strumenti economici e facilmente trasportabili.
La regola resta però fondamentale:
usiamo l’SDR per capire dove si trova il problema; utilizziamo strumenti calibrati quando dobbiamo quantificarlo con precisione.
Il più grande vantaggio di un SDR non è quindi trasformare il nostro PC in un analizzatore di spettro professionale.
È trasformare un problema invisibile in qualcosa che finalmente possiamo vedere.