Collegamenti radio in portata ottica

L'orizzonte radio

Quando si parla di “linea di vista”, si immagina che tutto ciò che sta oltre l'orizzonte visibile terrestre non possa essere veduto. Questo, per nostra fortuna, non è vero in quanto i segnali radio, oltre l’orizzonte ottico, vengono diffratti ottenendo un aumento di portata del 15 % rispetto alla luce.

Le onde radio viaggiano in tutte le direzioni. Prendendo quella in particolare tra due punti, essa diventa una linea retta.

Altra caratteristica fondamentale: le antenne devono vedersi dal punto di vista radio; il limite si è visto che è un pò più in là dell'orizzonte ottico. E più sono in alto, più lontano sarà l'orizzonte coperto.

Aumentando l’altezza delle antenne, si ottiene in corrispondenza un aumento della portata. L'orizzonte radio è dato dalla formula:

dr = 4.12 x √h

Dove:

• dr = distanza radio in [km]

• h = altezza delle antenne in [m] (somma)

Due portatili, a un metro e mezzo di altezza, daranno una portata massima teorica di circa 7 km. Questo perchè si andrà a creare una zona d'ombra via via che ci allontaneremo, oltre l'orizzonte radio.

 

Scatter terrestre e Multipath Fading

Sulla terraferma ci saranno inoltre molti ostacoli attorno a noi che potranno riflettere in modo caotico i segnali a frequenza molto alta (dalle VHF in su). Minore sarà la lunghezza d’onda, maggiore sarà l’effetto di riflessione.

Queste riflessioni creano dei percorsi multipli che, una volta arrivati al ricevitore, si sommano vettorialmente causando evanescenze e distorsioni del segnale.

Minore sarà la lunghezza d’onda e maggiore sarà l’effetto di riflessione.

 

Zona di Fresnel

Non ci devono essere tuttavia ostacoli tra le due antenne, neanche nelle immediate vicinanze: la loro presenza attenua, anche fortemente, il segnale a causa delle rifrazioni e conseguente generazione di multipath fading.

Si definisce zona di Fresnel la zona a forma di ellisse tra le due antenne dove le riflessioni delle onde radio non sono fattore di disturbo nella propagazione del segnale. Si calcola con la formula

Rf = ½ √λd x 0.6

dove Rf è il raggio visto alla distanza d dall'antenna più vicina.

 

Diffrazione “knife edge”

Un altro fenomeno della propagazione è la diffrazione a lama di coltello (knife edge diffraction).

E’ noto, sin dagli studi di Huygens nel 1600, che la luce si diffonde oltre uno spigolo secondo uno schema di interferenza. Essa è legata alla zona di Fresnel e crea, oltre all’ostacolo dello spigolo, una zona dove la ricezione può essere ancora possibile.

E’ evidente che molta parte del segnale viene persa, ma una situazione di questo tipo può risolvere o spiegare problemi di collegamento dovuti ad ostacoli.

 

Link Budget

Chi lavora con moduli radio ricetrasmittenti ha a che fare con un dato, reso dal costruttore, che è il Link Budget. Esso è la differenza, in decibel, tra la potenza massima trasmessa e la sensibilità del ricevitore, antenne e cavi compresi.

Si ricava con la formula:

Link Budget = Ptrasm1 + Gant1 + Gant2 - Sens2

dove:

• Ptrasm1 = Potenza del trasmettitore in dBm;

• Gant1 = Guadagno dell'antenna trasmittente in dB;

• Gant2 = Guadagno dell'antenna ricevente in dB;

• Sens2 = Sensibilità del ricevitore in dBm.

 

L'attenuazione di tratta

Il segnale deve percorrere una certa tratta in aria per arrivare dal trasmettitore al ricevitore. Ed in questo percorso subisce una attenuazione, la cosiddetta attenuazione di tratta.

Si calcola matematicamente con la formula di Friis:

At = 32.4 + 20 Log10(f) + 20 Log10(Dr)

dove:

• At = Attenuazione di Tratta in dB

• f = Frequenza in MHz

• Dr = Distanza in km

 

Questo in teoria, ma in pratica?

Mettendo insieme questi dati potremo così stimare la nostra copertura radio. Si dovrà tuttavia tener conto anche di:

• rumore;

• condizioni meteorologiche.

Il ricevitore aggiunge all'ascolto del rumore termico quando è connesso ad una antenna. Rumore generato dai componenti elettronici e dall'antenna stessa, magari emesso da dispositivi elettronici nelle vicinanze o dall'apparecchiatura ricevente stessa, dovuto a fenomeni atmosferici, rumore galattico prodotto nel profondo spazio (QRN), oppure generato artificialmente (QRM).

Questo va a sommarsi al segnale utile ricevuto, diminuendo la sensibilità del sistema, e quindi anche la portata. Potrebbero aggiungersi all'attenuazione di tratta, ovvero togliersi dal link budget, anche 20 o 30 dB.

Anche la presenza di pioggia, neve, temporali o grandine potrebbe influire, attenuando o talvolta rafforzando il segnale, condizionando così la portata stessa.

Rimanendo entro la copertura radio delle antenne, sottraendo quindi al link budget prima calcolato l'attenuazione di tratta e tenuto conto del rumore e dei disturbi di propagazione, ciò che rimane è il segnale utile. Se si tratta di fonia analogica, ci devono essere almeno 12 dB positivi rispetto alla sensibilità del ricevitore. Se stiamo al di sotto di questa soglia, riceviamo solo fruscio.

 

Cosa fare per aumentare la portata?

Con la potenza a disposizione fissa e la sensibilità non modificabile, potremo agire sugli altri dati.

• Antenne. Usiamo antenne migliori, magari con un certo guadagno. Almeno 3 dB di guadagno iniziano a fare la differenza. Con 6 dB raddoppiamo la portata.

• Posizione delle antenne. Se sono in vista, devono stare nella stessa posizione (polarizzazione): verticale. In presenza di riflessioni, si dovrà trovare la posizione ottimale.

• Posizione degli operatori. Spostiamoci più in alto, quadruplicare l'altezza significa raddoppiare la portata.

• Sfruttiamo eventuali riflessioni. Sono aleatorie, vanno trovate sperimentalmente.

• Agendo sulla potenza non otterremo un granchè. Al massimo i portatilini potrebbero dare 8...10 W. Per ottenere un raddoppio della portata, dovremmo quadruplicare la potenza (6 dB). Altrimenti otterremo solo un inutile consumo maggiore di batterie.

• Usare la fonia analogica piuttosto che il digitale. Un canale analogico permette una sensibilità maggiore rispetto ad uno digitale, almeno come quantità di errori ricevuti. Meglio un segnale comprensibile con fruscio che uno comprensibile a tratti.

• Usare una larghezza di banda inferiore. Magari operare in NFM (modulazione di frequenza a banda stretta, ovvero a più bassa deviazione di frequenza e canale più stretto) può aiutare.

Tutto questo ovviamente senza sfruttare eventuali fenomeni di propagazione troposferica, come inversioni termiche e presenza di duct più o meno grandi.

73 de Andy IV3ONZ

Link utili e bibliografia:

• Silicon Labs Si4464-63-61-60 Sub GHz RF Transceiver
• A. Barter, "International Microwave Handbook", RSGB 2008
• ARRL, "Antenna Book", 21st Edition
• G. Gerzelka, "Manuale dell'operatore DX", F. Muzzio & C Editore
• S.W. Best, "Il vademecum DX", F. Muzzio & C Editore
• I. Poole, "Radio propagation", RSGB 2004