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Due ricetrasmettitori, collegati alla stessa antenna, ricevono perfettamente un segnale debolissimo. Poi, a pochi kilohertz di distanza, compare una stazione molto potente. Il primo continua a ricevere senza difficoltà. Il secondo sembra improvvisamente diventato sordo.
Eppure entrambi dichiarano un’eccellente sensibilità.
Entrambi dispongono di DSP, filtri selettivi e caratteristiche tecniche apparentemente molto simili.
Perché questa differenza?
La risposta potrebbe nascondersi in un parametro di cui si parla relativamente poco, ma che può fare un’enorme differenza nelle prestazioni di un ricevitore:
il rumore di fase, o Phase Noise.
È uno di quei fenomeni che ci ricordano come la qualità di un apparato radio non possa essere giudicata soltanto dal numero di funzioni, dal display o dalla sensibilità dichiarata dal costruttore.
Vediamo come funziona, perché è importante e come possiamo riconoscerne gli effetti.
1. La sensibilità non racconta tutta la storia
Quando acquistiamo un ricetrasmettitore, uno dei primi parametri che osserviamo è la sensibilità.
Per esempio:
- Sensibilità SSB: 0,15 µV
- Sensibilità FM: 0,20 µV a 12 dB SINAD
- Noise Figure: 6 dB
Sono valori che ci aiutano a comprendere quanto piccolo possa essere un segnale rilevabile dal ricevitore, nelle condizioni di misura specificate.
Ma nascondono un problema.
Cosa succede quando, contemporaneamente al segnale debole, ne arriva un altro estremamente forte?
È una situazione tutt’altro che rara.
Pensiamo a un contest HF, dove numerose stazioni trasmettono a pochi kilohertz di distanza.
Oppure a una postazione VHF/UHF situata su un traliccio condiviso con altri impianti radio.
Un ricevitore deve essere capace non soltanto di ascoltare segnali molto piccoli, ma anche di continuare ad ascoltarli mentre ne riceve altri molto più potenti.
Qui entrano in gioco caratteristiche come:
- dinamica del ricevitore;
- selettività;
- linearità;
- resistenza al blocking;
- intermodulazione;
- rumore di fase.
Quest’ultimo merita un approfondimento particolare.
2. Cos’è il rumore di fase?
Immaginiamo un oscillatore elettronico ideale che generi una frequenza di:
10.000.000 Hz
Se fosse perfetto, produrrebbe una sinusoide assolutamente stabile, senza alcuna fluttuazione.
Osservandolo idealmente nel dominio della frequenza vedremmo una singola riga, infinitamente sottile, esattamente a 10 MHz.
Ma gli oscillatori perfetti non esistono.
Quelli reali presentano inevitabilmente piccole variazioni casuali della fase istantanea.
Queste fluttuazioni possono derivare da diversi fattori:
- rumore dei componenti elettronici;
- caratteristiche dell’oscillatore;
- rumore introdotto dai circuiti PLL;
- alimentazioni rumorose;
- vibrazioni e sollecitazioni fisiche;
- qualità del sistema di sintesi della frequenza.
Il risultato è che, intorno alla frequenza nominale, compare una distribuzione di energia indesiderata.
Non abbiamo più soltanto una riga spettrale ideale.
Abbiamo una portante circondata da una sorta di gonna di rumore, spesso chiamata noise skirt.
Più elevato è questo rumore, più problematica può diventare la presenza di segnali forti vicini alla frequenza che vogliamo ricevere.
Una precisazione importante: il rumore di fase non coincide semplicemente con l’errore di frequenza di un oscillatore.
Un apparato può essere molto preciso come frequenza media e presentare comunque un rumore di fase non particolarmente buono.
Precisione, stabilità nel tempo e purezza spettrale sono caratteristiche correlate, ma differenti.
3. Come si misura il Phase Noise?
Il rumore di fase viene comunemente espresso in:
dBc/Hz
Questa unità indica la densità di potenza del rumore, riferita alla potenza della portante, in una banda normalizzata di 1 Hz.
Il dato viene specificato a una certa distanza dalla frequenza centrale, detta offset.
Per esempio, un oscillatore potrebbe avere:
| Offset dalla portante | Rumore di fase |
|---|---|
| 1 kHz | -105 dBc/Hz |
| 10 kHz | -125 dBc/Hz |
| 100 kHz | -145 dBc/Hz |
Valori puramente illustrativi, non riferiti a un oscillatore reale.
Come dobbiamo interpretarli?
Prendiamo:
-125 dBc/Hz a 10 kHz
Significa che a 10 kHz dalla portante la densità di rumore, misurata in una banda equivalente di 1 Hz, si trova 125 dB sotto la potenza della portante.
Attenzione: il valore non rappresenta tutta la potenza di rumore contenuta in un canale radio.
Per determinarla dobbiamo considerare anche la larghezza di banda.
A parità di condizioni, un valore di -145 dBc/Hz rappresenta un rumore inferiore rispetto a -125 dBc/Hz.
La differenza è di 20 dB, cioè un fattore 100 nella densità di potenza.
È una differenza enorme.
4. Il Reciprocal Mixing: quando un segnale forte produce rumore dove non dovrebbe esserci
Arriviamo al fenomeno più interessante.
Si chiama:
Reciprocal Mixing
In italiano possiamo definirlo miscelazione reciproca.
Per comprenderlo dobbiamo ricordare come funzionano molti ricevitori supereterodina.
Un segnale proveniente dall’antenna viene combinato, attraverso un mixer, con un oscillatore locale.
Questa operazione permette di trasferirlo su una frequenza intermedia, dove il segnale può essere filtrato ed elaborato.
Immaginiamo questa situazione:
- segnale desiderato: 14.020 kHz;
- segnale interferente molto forte: 14.025 kHz;
- separazione fra i segnali: 5 kHz.
Il ricevitore è sintonizzato sulla prima stazione.
La seconda dovrebbe essere sufficientemente attenuata dalla selettività del ricevitore.
Ma cosa succede se l’oscillatore locale presenta un rumore di fase eccessivo?
Il segnale forte interferente viene convertito dal mixer insieme alle componenti di rumore dell’oscillatore.
Una parte dell’energia risultante finisce proprio nella banda del segnale che vogliamo ascoltare.
Il rumore all’uscita del ricevitore aumenta.
Il segnale debole rimane presente, ma può diventare praticamente indistinguibile.
Non è necessariamente un problema di guadagno.
Non significa necessariamente che l’apparato sia saturo.
È il rumore generato dal processo di conversione a mascherare il segnale utile.
Ed ecco il paradosso: un ricevitore eccellente nel rilevare segnali deboli in assenza di interferenze può comportarsi molto peggio quando nelle vicinanze compare una portante potente.
5. Facciamo un esempio numerico
Supponiamo di avere un ricevitore con le seguenti caratteristiche ipotetiche:
- Noise Figure: 6 dB
- Larghezza di banda di ricezione: 500 Hz
- Rumore di fase a 5 kHz: -120 dBc/Hz
Immaginiamo poi che all’ingresso del ricevitore arrivi un segnale interferente da:
-30 dBm
a 5 kHz dalla frequenza desiderata.
Possiamo stimare il rumore prodotto dalla miscelazione reciproca utilizzando la relazione approssimata:
Pᵣₘ ≈ Pᵢ + L(Δf) + 10 log₁₀(B)
Dove:
- Pᵣₘ è la potenza equivalente del rumore generato;
- Pᵢ è la potenza dell’interferente in dBm;
- L(Δf) è il rumore di fase in dBc/Hz;
- B è la banda equivalente di rumore in Hz.
Nel nostro caso:
10 log₁₀(500) ≈ 27 dB
Quindi:
Pᵣₘ ≈ -30 – 120 + 27 = -123 dBm
Il rumore equivalente prodotto dal Reciprocal Mixing sarebbe quindi circa:
-123 dBm
Ma qual è il normale rumore termico del ricevitore?
Possiamo stimarlo mediante:
N ≈ -174 + 10 log₁₀(B) + NF
Da cui:
N ≈ -174 + 27 + 6
N ≈ -141 dBm
Abbiamo dunque:
| Grandezza | Livello |
|---|---|
| Rumore termico equivalente | -141 dBm |
| Rumore da Reciprocal Mixing | -123 dBm |
| Differenza | 18 dB |
Il rumore aggiuntivo è circa 18 dB più elevato rispetto al normale rumore termico.
Un peggioramento estremamente significativo.
Questi calcoli sono semplificati: assumono, tra le altre cose, un rumore di fase approssimativamente costante sulla banda considerata e l’assenza di un’attenuazione RF significativa dell’interferente prima del mixer.
Servono però a dimostrare un principio fondamentale:
anche una portante che si trova fuori dalla banda audio desiderata può compromettere gravemente la ricezione.
6. Phase Noise, Blocking e intermodulazione: non confondiamoli
Spesso questi fenomeni vengono accomunati perché producono effetti apparentemente simili.
Ma tecnicamente sono differenti.
Blocking
Un segnale molto forte può portare uno o più stadi del ricevitore verso la compressione, riducendo il guadagno disponibile per il segnale desiderato.
Il risultato è una perdita di sensibilità.
Intermodulazione
Due o più segnali forti possono attraversare circuiti non perfettamente lineari e generare prodotti indesiderati.
Per esempio, con due frequenze f₁ e f₂ possono comparire prodotti del terzo ordine:
- 2f₁ – f₂
- 2f₂ – f₁
Queste nuove componenti possono cadere su frequenze dove, in realtà, non sta trasmettendo nessuno.
Reciprocal Mixing
Qui il problema è differente.
Un segnale forte interagisce con il rumore di fase dell’oscillatore locale, generando rumore all’interno della banda di ricezione.
Non è necessario avere due interferenti distinti.
Può bastarne uno.
| Fenomeno | Effetto caratteristico |
|---|---|
| Blocking | Compressione e perdita di guadagno |
| Intermodulazione | Comparsa di prodotti spettrali indesiderati |
| Reciprocal Mixing | Aumento del rumore nella banda ricevuta |
Nella pratica possono verificarsi contemporaneamente.
Per questo una diagnosi tecnica seria deve cercare di distinguerli.
7. Il parametro RMDR: Reciprocal Mixing Dynamic Range
Per valutare questo aspetto dei ricevitori esiste un parametro specifico:
RMDR — Reciprocal Mixing Dynamic Range
Il laboratorio ARRL utilizza prove dedicate per misurare il comportamento dei ricevitori in presenza di una portante interferente.
Il principio è osservare quale livello debba raggiungere un segnale vicino alla frequenza desiderata per provocare un determinato incremento del rumore di fondo, normalmente 3 dB.
Le misure vengono effettuate a separazioni definite, per esempio:
- 2 kHz;
- 5 kHz;
- 20 kHz.
Questa distinzione è fondamentale.
Un ricevitore può ottenere un risultato eccellente con l’interferente distante 20 kHz, ma comportarsi decisamente peggio quando lo stesso interferente si trova a 2 kHz.
Per esempio, immaginiamo due ricevitori ipotetici:
| Ricevitore | RMDR a 2 kHz |
|---|---|
| Apparato A | 95 dB |
| Apparato B | 115 dB |
A parità di condizioni di misura, il secondo tollera un interferente più forte di 20 dB prima di raggiungere la soglia di incremento del rumore prevista dalla prova.
È una differenza che può cambiare radicalmente l’esperienza durante un contest CW.
Questo spiega perché leggere soltanto la sensibilità dichiarata da un costruttore è insufficiente per valutare la qualità complessiva di un ricevitore.
8. E nei ricevitori SDR?
A questo punto qualcuno potrebbe pensare:
“Ma tutto questo vale soltanto per i vecchi ricevitori supereterodina!”
Non esattamente.
Gli SDR non sono tutti uguali.
Alcuni impiegano conversioni analogiche prima del campionamento digitale.
Altri utilizzano architetture a campionamento diretto, nelle quali il segnale RF raggiunge un convertitore analogico-digitale (ADC), eventualmente attraverso opportuni filtri.
Nel primo caso il comportamento del rumore di fase può essere simile a quello dei ricevitori convenzionali.
Nel secondo, il quadro cambia.
Non necessariamente esiste un oscillatore locale analogico responsabile del Reciprocal Mixing nella forma tradizionale.
Diventano però importanti:
- qualità e rumore del clock ADC;
- jitter temporale;
- linearità degli stadi analogici;
- gamma dinamica del convertitore;
- eventuale saturazione o clipping;
- caratteristiche dei filtri posti prima dell’ADC.
Alcuni SDR a campionamento diretto possono mostrare prestazioni eccellenti nel test RMDR, fino al limite imposto da altri fenomeni, come il sovraccarico dell’ADC.
Questo significa che non possiamo affermare che un SDR sia automaticamente migliore o peggiore.
Dobbiamo conoscere la sua architettura e misurarne le prestazioni reali.
Un apparato SDR con uno splendido display panoramico non è necessariamente un ricevitore con una grande gamma dinamica.
Il waterfall ci mostra i segnali.
Non garantisce che il circuito che li acquisisce sia in grado di gestirli correttamente.
9. I filtri DSP possono risolvere il problema?
Dipende dalla causa del disturbo.
Un filtro DSP molto selettivo può eliminare efficacemente componenti indesiderate che si trovano fuori dalla banda elaborata.
Ma se il rumore è già stato trasferito nella banda utile durante una precedente conversione, la situazione diventa diversa.
Il DSP riceve un segnale nel quale il rumore indesiderato si sovrappone a quello che vogliamo ascoltare.
Può ridurne alcuni effetti.
Può migliorare la percezione acustica.
Ma non può garantire il recupero dell’informazione ormai mascherata.
Questo ci porta a una considerazione importante:
un eccellente progetto RF non può essere sostituito semplicemente da un software sofisticato.
L’elaborazione digitale è una risorsa straordinaria, ma deve ricevere dati di qualità sufficiente.
10. Attenuatori, preamplificatori e preselettori: cosa può migliorare la situazione?
Se il problema è provocato da segnali molto forti, possiamo valutare alcune contromisure.
Disattivare il preamplificatore
Un preamplificatore non serve sempre.
In presenza di segnali elevati può peggiorare il comportamento complessivo del front-end, soprattutto se favorisce il sovraccarico degli stadi successivi.
Sulle HF, dove il rumore esterno può essere già molto elevato, il preamplificatore può risultare inutile o controproducente.
Inserire un attenuatore
Un attenuatore riduce il livello dei segnali all’ingresso.
Questo può migliorare le situazioni di saturazione e intermodulazione.
Attenzione però a un dettaglio: un attenuatore riduce tanto il segnale desiderato quanto quello interferente.
Quando il limite è costituito esclusivamente dal Reciprocal Mixing, l’attenuazione comune dei due segnali non ne migliora automaticamente il rapporto segnale/rumore.
Può anzi peggiorarlo quando il rumore interno del ricevitore diventa dominante.
Non è dunque una cura universale.
Utilizzare preselettori RF
Un preselettore, collocato prima dello stadio problematico, può attenuare selettivamente i segnali fuori dalla porzione di spettro desiderata.
È una soluzione molto efficace quando gli interferenti sono sufficientemente distanti in frequenza.
Se invece si trovano a soli 2 kHz dal segnale desiderato, un normale filtro passa-banda per l’intera banda radioamatoriale difficilmente riuscirà a separarli.
Scegliere un ricevitore con oscillatori migliori
È la soluzione progettuale più importante.
Un oscillatore locale caratterizzato da rumore di fase molto basso riduce direttamente il contributo del Reciprocal Mixing.
Non si tratta semplicemente di aggiungere un filtro software.
È necessario intervenire sulla qualità della catena di generazione e conversione della frequenza.
11. Un esperimento pratico per il radioamatore
Possiamo osservare alcuni di questi fenomeni anche senza possedere un laboratorio professionale.
Occorre però distinguere un esperimento dimostrativo da una misura certificabile del rumore di fase.
Per una prima osservazione possiamo utilizzare:
- un ricevitore HF o SDR;
- una sorgente di segnale debole e stabile;
- una seconda sorgente RF regolabile;
- attenuatori e componenti di accoppiamento adeguati;
- un carico fittizio e collegamenti schermati.
L’esperimento deve essere svolto tramite un sistema di misura cablato, con livelli RF controllati.
Non dobbiamo collegare direttamente l’uscita di un trasmettitore all’ingresso di un ricevitore o di un SDR. È necessario utilizzare attenuazione, isolamento e strumenti compatibili con i livelli di potenza.
Prima prova: soltanto il segnale debole
Impostiamo il ricevitore su una frequenza libera e introduciamo un segnale debole.
Annotiamo:
- livello del segnale;
- rumore di fondo;
- rapporto segnale/rumore;
- impostazioni del ricevitore.
Seconda prova: introduciamo l’interferente
Facciamo comparire una seconda portante a una distanza di alcuni kilohertz.
Incrementiamone gradualmente il livello entro i limiti sicuri del banco di misura.
Osserviamo se:
- aumenta il rumore ricevuto;
- diminuisce la comprensibilità del segnale debole;
- compaiono prodotti indesiderati;
- il ricevitore segnala sovraccarico.
Terza prova: modifichiamo la separazione
Ripetiamo l’esperimento a separazioni differenti:
- 20 kHz;
- 10 kHz;
- 5 kHz;
- 2 kHz.
Manteniamo costanti, per quanto possibile, tutte le altre condizioni.
È interessante osservare come cambia il comportamento del ricevitore.
Ma attenzione alle conclusioni
Il solo aumento del rumore non dimostra che la causa sia necessariamente il Phase Noise dell’oscillatore locale.
Potrebbe dipendere da:
- rumore laterale del generatore utilizzato;
- saturazione del front-end;
- prodotti di intermodulazione;
- rumore introdotto dai circuiti di prova;
- altri limiti della catena RF.
Per una vera misura RMDR occorrono sorgenti con rumore di fase sufficientemente basso, strumentazione calibrata e una procedura di laboratorio ripetibile.
L’esperimento amatoriale serve soprattutto a comprendere quanto un segnale forte possa modificare le prestazioni della ricezione.
12. Quando il problema diventa evidente nella pratica?
Un caso classico è il contest HF.
Stiamo ricevendo una stazione CW molto debole.
A 2 kHz di distanza compare un operatore con un segnale estremamente forte.
Improvvisamente il rumore aumenta e il segnale desiderato scompare.
Aumentiamo la selettività.
Riduciamo il filtro a poche centinaia di hertz.
Ma non otteniamo il miglioramento sperato.
Se la causa è il Reciprocal Mixing prodotto prima del filtro selettivo, restringere ulteriormente la banda può non bastare.
Un altro esempio riguarda i ricevitori installati in siti radio molto affollati.
La presenza di trasmettitori vicini richiede apparati e sistemi di filtraggio adeguati.
In questi ambienti non possiamo valutare il ricevitore esclusivamente attraverso la sua sensibilità nominale.
Dobbiamo considerarne il comportamento in presenza di interferenti e il contributo dell’intero sistema RF.
Va ricordato, naturalmente, che nei siti condivisi il degrado può avere molte altre cause: rumore trasmesso, isolamento insufficiente, intermodulazione passiva e problemi di cablaggio. Non tutto ciò che desensibilizza un ricevitore è rumore di fase.
13. Come scegliere davvero un buon ricevitore?
Quando confrontiamo due ricetrasmettitori, soprattutto se destinati ad attività impegnative, vale la pena cercare misure indipendenti di laboratorio.
Oltre alla sensibilità, sarebbe opportuno verificare:
- RMDR a 2 e 20 kHz;
- Blocking Gain Compression;
- dinamica di intermodulazione del terzo ordine;
- Noise Figure;
- comportamento con preamplificatore e attenuatore;
- prestazioni dei filtri RF;
- eventuali limiti di clipping ADC negli SDR.
È essenziale confrontare dati ottenuti con procedure equivalenti.
Un numero isolato, senza conoscere la frequenza, la distanza dell’interferente, la banda di misura e le impostazioni dell’apparato, può avere scarso significato.
I test pubblicati da laboratori indipendenti, come quello ARRL, sono particolarmente utili proprio perché permettono confronti molto più rigorosi delle semplici impressioni d’ascolto.
Conclusioni: non basta sentire un segnale debole, bisogna continuare a sentirlo
Nel mondo radioamatoriale siamo abituati a inseguire l’ultimo decibel.
Acquistiamo antenne migliori.
Riduciamo le perdite nei cavi.
Installiamo preamplificatori a basso rumore.
Cerchiamo ricetrasmettitori sempre più sensibili.
Tutto giusto.
Ma esiste un’altra domanda che dovremmo porci più spesso:
quanto è capace il nostro ricevitore di continuare a funzionare correttamente quando lo spettro radio diventa affollato?
È qui che parametri come il rumore di fase, il Reciprocal Mixing e la gamma dinamica assumono un’importanza fondamentale.
La qualità di una radio non si misura soltanto da quanto piccolo sia il segnale che riesce a ricevere in condizioni ideali.
Si misura anche dalla capacità di distinguerlo mentre tutt’intorno arrivano segnali molto più potenti.
E forse è proprio questo uno degli aspetti più affascinanti della tecnica radio.
Dietro una manopola, un display e qualche filtro digitale continua a esserci un mondo di oscillatori, mixer, rumore, matematica ed elettronica che merita di essere conosciuto.
Perché il vero radioamatore non dovrebbe limitarsi a sapere quale pulsante premere. Dovrebbe essere curioso di comprendere che cosa accade dopo averlo premuto.
73 de IZ1XBB
Fonti e approfondimenti tecnici
- Rohde & Schwarz — Measuring Phase Noise
- Analog Devices — Specifications and Measurement of Local Oscillator Noise
- ARRL — Evoluzione delle misure di Blocking e Reciprocal Mixing