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IV3PRK Pierluigi “Luis” Mansutti

160 Meters: DXing on the Edge

S.N.R. - Rapporto Segnale/Rumore… e molto di più sul rumore.

Quando si effettua un raffronto, è importante notare che per i contatti DX in 160 metri entrano in gioco due fattori: - l'intensità del segnale e il rumore - o, in combinazione, - il rapporto segnale/rumore. Pertanto, esiste un rapporto segnale/rumore minimo per la riuscita di un QSO: se il QSO non viene effettuato, o il rumore era troppo forte rispetto all'intensità del segnale, oppure l'intensità del segnale è diventata troppo debole rispetto al livello di rumore prevalente. La parte relativa all'intensità del segnale nel rapporto segnale/rumore è stata ampiamente trattata in questa pagina del mio sito:

Lì troverete tutti i fattori che influiscono sulle perdite in un percorso multi-hop: perdite di distanza, perdite per assorbimenti ionosferici e perdite per riflessioni al suolo. Con le formule di K9LA e di K. Davies tratte dal suo testo di base “Ionospheric Radio Propagation”, ho compilato un semplice foglio Excel per eseguire tutti questi calcoli. Non riuscendo a caricarlo su questo sito, posso inviarlo via e-mal su semplice richiesta a: luis@iv3prk.it

Onestamente, questo calcolatore di perdite deve essere inteso come uno strumento didattico per spiegare i principi di propagazione di K. Davies, che sono ancora validi ma risalgono a sessant'anni fa. Questi principi descrivono la classica modalità di propagazione tramite riflessioni ionosferiche e terrestri, come in tutte le bande HF. Tuttavia, negli ultimi anni, si è scoperto che sui 160 metri, i migliori DX spesso avvengono attraverso la speciale modalità del “ducting”, una canalizzazione che a volte si forma tra gli strati E ed F.

Oggigiorno, programmi avanzati su computer potenti gestiscono questi calcoli. Il motore di ray-tracing in 3D di Proplab-Pro versione 3 calcola direttamente le densità elettroniche ionosferiche e i gradienti degli strati in forma tridimensionale, invece di basarsi su profili predefiniti. Grazie al suo database topografico globale ad alta risoluzione (con una risoluzione inferiore a un chilometro quadrato), può anche calcolare con precisione le riflessioni del terreno, determinando anche altitudini e pendenze sulle catene montuose. Un ray-tracing tridimensionale è molto complesso e richiede molto tempo anche su computer potenti. Durante l'avanzamento del raggio, scorre a lato l'aggiornamento di molti dati: distanza in km, altezza e angolazione del raggio, assorbimento ionosferico in dB e intensità del segnale in ogni punto di riflessione del terreno.

Questo è il dato più importante dell'analisi ed è espresso in dBµV per metro, ovvero una tensione di campo, che è conveniente convertire in potenza dBm (sotto 1 milliwatt). La corretta formula di conversione mi è stata fornita da Carl, K9LA: dBm = dBµV/m - 77,21 - 20*LOG(MHz) + Guadagno dell'antenna ricevente (questa, per semplicità, è tenuta a zero, simulando un'antenna isotropica anche in ogni punto di riflessione), e ho aggiunto queste relazioni, calcolate per la frequenza di 1,8 MHz, alla seguente tabella:

La tabella mostra le relazioni tra tensione e potenza dei segnali RF rilevati all'ingresso del ricevitore e può essere utilizzata per convertire le diverse unità di misura utilizzate per esprimere l'intensità del segnale. È possibile verificarle anche con il foglio di calcolo Receiver_Levels.xls incluso nel CD con la quinta edizione di "Low-Band DXing" di ON4UN.

La tabella può essere utile per seguire l'analisi dei percorsi con la modalità di propagazione in “ducting ” riccamente illustrata nei seguenti documenti PDF contenenti le analisi con ray tracing in 3D effettuate con Proplab Pro sulle DXpeditions di S21XX e P29VXX del 1997 (Parti 1, 2 e 3). La parte 4 analizza l'operatività in FT8 di S21DX nel dicembre 2024 e, grazie ai rapporti S/N in dB che rimangono stampati, è possibile capire come vengono calcolati in questa modalità da WSJT e, soprattutto, la propagazione SPOTLIGHT.

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IL RUMORE

Ora che abbiamo trattato tutti gli aspetti riguardanti l'intensità del segnale in ingresso nel nostro sistema ricevente a 50 ohm – la prima parte del rapporto segnale/rumore – diamo un'occhiata più da vicino al secondo elemento: il rumore. Nell'ampia categoria del "rumore" rientrano due aspetti chiave: la sensibilità del ricevitore (rumore interno) e il rumore esterno. Gran parte di quanto segue è tratto da un articolo pubblicato su WorldRadio, agosto-settembre 2005, di Carl Luetzelschwab, K9LA, disponibile sul suo sito:

ed anche dal Cap. 3 di “Low-Band DXing” di ON4UN, quinta edizione, 2010, un must per ogni vero Topbander.

Sensibilità del ricevitore e soglia del rumore.

La sensibilità è la capacità del ricevitore di rilevare segnali deboli. Il concetto più importante relativo alla sensibilità è il rapporto segnale/rumore (SNR o S/N). La ricezione sarà buona o cattiva a seconda dell'intensità del segnale in relazione al "rumore". È generalmente accettato che una ricezione SSB confortevole richieda un rapporto segnale/rumore di 10 dB. In CW si richiede un rapporto inferiore e qualsiasi operatore CW moderatamente esperto può gestire senza problemi un SNR di 0 dB. Un operatore davvero bravo può estrarre dal rumore segnali con un SNR di -10 dB in una larghezza di banda di 500 Hz, principalmente perché il suo "filtro cerebrale" integrato restringe ulteriormente la larghezza di banda del rumore. Questo dimostra il vantaggio intrinseco del CW rispetto all'SSB per i DX con segnali deboli.

Al giorno d'oggi, con FT8 e le nuove tecnologie, l'operatore “computer” può gestire un rapporto segnale/rumore di -24 dB e sembra tutto più facile, ma questa è un'altra storia...

Una misura della sensibilità di un ricevitore è il suo MDS (segnale minimo discernibile), che corrisponde alla soglia del rumore. In altre parole, il livello del segnale RF genera la stessa potenza di uscita audio del rumore generato internamente dal ricevitore (per l'esattezza, è definito con 3 dB di guadagno).

I nostri ricevitori non sono perfetti: presentano rumore termico, generato internamente in modi diversi. È il rumore che sentiamo quando non c'è un'antenna, ma un carico fittizio collegato al ricevitore. Il rumore interno del ricevitore è prodotto dal movimento degli elettroni in qualsiasi sostanza (come resistenze, transistor e FET che fanno parte del circuito del ricevitore) che abbia una temperatura superiore a 0 Kelvin assoluto (0 K o -273 °C). Lo zero assoluto è il punto in cui tutti gli elettroni hanno smesso di muoversi. Sopra 0 K, gli elettroni si muovono in modo casuale, scontrandosi con ioni relativamente immobili che costituiscono la maggior parte del materiale. I loro impulsi casuali producono quello che viene chiamato rumore di agitazione termica, o semplicemente rumore termico.

Soprassediamo sulle equazioni di Boltzmann, che esprimono la potenza di rumore, e passiamo a un esempio: a una temperatura ambiente di 27 °C (~300 K), in un sistema a 50 ohm con una larghezza di banda del ricevitore di 3 kHz, la potenza di rumore termico è: p = 1,38 × 10^–23 × 300 × 3000 = 1,24 × 10^–17 W.

Ciò equivale a -10 LOG (1,24 × 10^–17) = –169 dBW o –139 dBm (139 dB sotto 1 milliwatt) ed è equivalente a 32 dB sotto 1 µV o –32 dBµV. Questa è la sensibilità massima teorica del ricevitore in una determinata larghezza di banda (3.000 Hz) e temperatura, come evidenziato nella tabella sovrastante.

Una maggiore sensibilità può essere ottenuta riducendo la larghezza di banda o raffreddando l'apparecchiatura. Se in questo esempio la larghezza di banda viene ridotta a 300 Hz, il livello di rumore di fondo diventa -149 dBm, semplicemente perché c'è una potenza di rumore 10 volte inferiore in una finestra 10 volte più stretta. Abbiamo guadagnato 10 dB riducendo il rumore di 10 dB! Questo spiega il grande vantaggio del CW rispetto all'SSB quando i segnali sono deboli. Nel mio DXing CW in 160 metri io utilizzo sempre un filtro a 150 Hz, guadagnando quindi altri 3 dB, come risulta da questo calcolo:

-149 dBm -10 LOG (300/150) = -149 -10 LOG (2) = -149 - 3 dB = -152 dBm.

…e che dire dell'FT8?

Oggigiorno molta attività si svolge in modalità digitale. L'FT8 è composto da 8 toni, di cui è attivo uno solo alla volta ed è separato dal successivo di 6,25 Hz. Insieme occupano 50 Hz, ma la larghezza di banda del rumore equivalente di un tono rilevato dall'FT8 è di soli 6,25 Hz e questo è da utilizzare nei calcoli.

Quindi, passando dal mio filtro CW a 150 Hz alla modalità FT8, potrei guadagnare altri 14 dB, calcolando:

-152 dBm -10 LOG (150/6,25) = -152 -10 LOG (24) = -152 -14 dB = -166 dBm.

Si tenga presente che l'SNR per l'FT8 in WSJT è calcolato sulla base di una banda passante di 2.5 kHz, poiché il ricetrasmettitore funziona in modalità USB. Ecco perché si vedono numeri come -20 dB. In realtà, il rapporto S/N rilevato su una larghezza di banda di 6,25 Hz è più alto di un fattore 2500/6,25, ovvero 26 dB. (Info da Jim Wolf, KR9U, su Topband Reflector, agosto 2019).

Ora sorge una domanda: qual è l'MDS, o il rumore di fondo, del mio ricevitore?

L'ARRL misura l'MDS nelle sue recensioni. Ad esempio, nella recensione del mio Icom IC-7610, pubblicata su QST di ottobre 2018, l'MDS a 1,9 MHz in una larghezza di banda di 500 Hz è di -132 dBm.

(Solo per fare un confronto, questi erano i test MDS simili su altri miei precedenti apparati: Yaesu FT-1000MP -123,2 dBm; Ten-Tec Orion 565 -122,8 dBm; Icom IC-756 Pro II -131,1 dBm; Kenwood TS-870 -124 dBm).

Cosa significa? Esso ci dice che un segnale di -132 dBm aumenta l'uscita audio del ricevitore, rispetto a quella in assenza di segnale, di 3 dB quando si utilizza il filtro a 500 Hz. L'MDS varia con diverse larghezze di banda del filtro? Sì, varia di 10 volte il logaritmo del rapporto delle larghezze di banda.

Un filtro a 3 kHz per SSB lascia entrare più rumore, quindi ci si aspetta che l'MDS in SSB sia peggiore di 10 volte il logaritmo di 3 kHz/500 Hz = 7,8 dB. Pertanto, l'MDS sarebbe -124,2 dBm con un filtro IF a 3 kHz. In altre parole, con un filtro SSB più largo, un segnale deve essere più forte di quasi 8 dB per essere copiato.

D'altra parte, se si passa al CW restringendo il filtro a 150 Hz, si limiterà il rumore di 10 volte il logaritmo di 500 Hz/150 Hz = -5,2 dB, abbassando l'MDS a -137 dBm. Pertanto, si potranno copiare segnali più deboli, fino a 5 dB, ovvero 13 dB in più rispetto all'SSB.

Un'altra domanda da porsi è: "Come si confronta l'MDS del mio Icom IC-7610 con il più basso livello (o potenza) di rumore teorico?"

La minima potenza di rumore teorica risulta essere, a temperatura ambiente (25°C = 298°K) in una larghezza di banda di 1 Hz, -174 dBm.

Se l'Icom IC-7610 avesse un filtro a 1 Hz, l'MDS migliorerebbe il valore di -132 dBm di 10 volte il logaritmo di 500 Hz/1 Hz = 27 dB (è migliore perché il filtro a 1 Hz lascia entrare meno rumore). Questo si traduce in un MDS di -159 dBm in una larghezza di banda di 1 Hz. Si noti che ci vorrebbero solo altri 15 dB per essere "perfetti", cioè al limite teorico di -174 dBm - e questa differenza di 15 dB - è la figura di rumore dell'Icom IC-7610.

Si può verificare l'intero processo utlizzando un foglio di calcolo (RX_Noise_Factor_and MDS_calculator.xls) disponibile sul CD allegato alla quinta edizione di "Low-Band DXing" di ON4UN. Ecco uno screenshot che mostra i risultati dell'esempio qui trattato ===>>

Ma ora, apprese le nozioni sul rumore interno, la figura di rumore e il rumore di fondo (o Minimo Segnale Discernibile), sorge un'altra domanda: l'MDS è davvero un parametro molto importante per il ricevitore sulle bande basse? No, non lo è!

Perché di solito il livello del rumore in ingresso al ricevitore - rumore atmosferico e artificiale - è relativamente alto, e generalmente molto più alto del livello di rumore interno del ricevitore. Il vero banco di prova, per quanto riguarda la sensibilità del ricevitore, è il seguente: se si sente un aumento molto evidente del rumore quando si connette un'antenna al ricevitore, il ricevitore è sufficientemente sensibile!

È meglio controllare la sensibilità nel momento di minor rumore con la selettività più stretta utilizzata per ogni antenna connessa. Una sensibilità maggiore renderà solo più difficile per il ricevitore gestire segnali molto forti, causando problemi di intermodulazione.

Rumore esterno.

Finora abbiamo parlato del ricevitore e del suo rumore interno. Ora colleghiamolo a un'antenna per vedere come il rumore esterno influisce sulla nostra capacità di ascolto. Poiché il rumore esterno ha un impatto notevole sulla propagazione, è stato ampiamente studiato. Un ottimo riferimento sul rumore è la Raccomandazione ITU-R P.372-7 (il vecchio Rapporto CCIR 322), opportunamente intitolata "Rumore radio". Esistono tre fonti di rumore esterno che possono influire sulle nostre operazioni HF: rumore artificiale (derivante dalle attività umane), rumore galattico e rumore atmosferico dovuto alle scariche elettriche. Diamo prima un'occhiata al rumore artificiale e a quello galattico. Il documento ITU include un grafico del rumore artificiale e del rumore galattico in funzione della frequenza, riprodotto nella Figura 1. Tutte le potenze di rumore, in -dBm, sono valori mediani mensili e sono state misurate con corte antenne verticali. Come indicato nella legenda sull'asse verticale, si riferiscono a una larghezza di banda di 1 Hz.

In Figura 1 sono presenti diverse informazioni importanti relative all'operatività in HF:

- In primo luogo, l'ambiente in cui si vive determina l'impatto del rumore di origine umana sul QTH. Idealmente, si preferirebbe trovarsi in un ambiente rurale tranquillo (D).

- In secondo luogo, scendendo di frequenza, il rumore aumenta. Quindi, se si è appassionati delle bande basse, il rumore diventa un elemento fondamentale.

- In terzo luogo, a meno che non si viva in un ambiente rurale tranquillo e si operi sulle bande HF più alte, il rumore galattico (la curva E) non è un problema (il rumore galattico generalmente non scende sotto i 10 MHz dato che non attraversa la ionosfera).

- In quarto luogo, trattandosi in questo caso di un Ten-Tec OMNI VI (l'apparato di K9LA) con il suo MDS estrapolato di -162 dBm per una larghezza di banda di 1 Hz (la linea F tratteggiata che presuppone che l'MDS sia costante su tutte le bande radioamatoriali), è evidente che il solo limite alla capacità di ascolto è costituito dal rumore prodotto dalle attività umane.

Traducendo i dati sul mio Icom IC-7610, l'MDS sarebbe di -159 dBm (linea tratteggiata rossa), appena 3 dB in più, una differenza non eccessiva. Qui capiamo perché anche un MDS migliore (ovvero abbassando la linea tratteggiata) non aiuterebbe, poiché a 1,8 MHz qualsiasi tipo di rumore esterno è sempre molto più forte di quello interno, meglio noto come rumore di fondo. In altre parole, è inutile una sensibilità maggiore.

Parliamo adesso del rumore atmosferico dovuto alle scariche di fulmini, meglio noto come QRN.

Ciò che rappresenta è il costante sciame di rumore che viene propagato nel nostro QTH dalle scariche di fulmini anche molto lontani (si stima che in qualsiasi momento si verifichino duemila temporali in tutto il mondo). Il documento ITU contiene mappe mondiali del rumore atmosferico medio mensile in periodi di 4 ore per le quattro stagioni. Ogni mappa fornisce il rumore in dB superiore a -174 dBm (il più basso livello teorico di rumore) a 1 MHz, insieme ad altri due grafici che consentono di calcolare il rumore su altre frequenze e di mostrare come varia statisticamente. Essendo troppo complicato, riassumiamo alcuni commenti di K9LA:

- Nelle ore serali dei mesi invernali, il rumore in relazione alla frequenza si colloca all'incirca a metà strada tra la curva C (rurale) e la curva D (rurale remota) nella Figura 1 fino a circa 10 MHz.

- Come prevedibile, il rumore atmosferico che si propaga nel mio QTH in zona temperata è maggiore durante i mesi estivi (molti temporali).

- E poiché si tratta di un fenomeno che interessa principalmente le basse frequenze, è maggiore quando ci troviamo completamente al buio (il rumore atmosferico si propaga proprio come i nostri segnali a RF).

Ora disponiamo di tutte le informazioni sulla sensibilità del nostro ricevitore e di stime del rumore esterno nel nostro QTH. Anche nel mio piccolo villaggio di campagna, purtroppo, il rumore prodotto dalle attività umane è aumentato negli ultimi anni e non posso più considerarlo "rurale tranquillo"... ma solo a metà strada, come indicato nella Figura 2.

I dati sul rumore sono gli stessi di quelli in Fig. 1, ma convertiti da una larghezza di banda di 1 Hz a 500 Hz con la consueta relazione (10 volte il logaritmo di 1/500) = 27 dB di rumore in più, alzandolo a -93 dBm.

Aumentando il filtro IF a 150 Hz per il DXing in CW, otteniamo una riduzione del rumore di 5,2 dB, a -98 dBm, mentre in FT8 (6,25 Hz) guadagneremmo 13,8 dB in più, raggiungendo -112 dBm, che è ancora quasi 20 dB al di sopra del segnale minimo percepibile, confermando che sui 160 m il problema è il rumore esterno e non l'MDS.

Riepilogo e commenti finali di Tom W8JI.

Carl, K9LA, ha concluso il suo articolo con questa affermazione: «Ci sono un paio di problemi che non ho affrontato qui, e la chiave potrebbe essere "la tua situazione locale può variare". Un problema è che potresti avere una fonte di rumore fastidiosa che domina il rumore in arrivo: una linea elettrica vicina (ci sono già passato), la coperta elettrica del gatto di un vicino (anche in questa ci sono già passato), ecc. Finché il problema non verrà risolto, i dati nella Figura 1 potrebbero essere inutili».

Concludiamo questo trattato sul rumore con le parole di Tom Rauch, W8JI, dal suo sito web:

—una delle migliori fonti di informazioni sulle bande basse—citate esattamente come appaiono anche nella quinta edizione di "Low-Band DXing" di ON4UN:

«Il rumore che limita la nostra capacità di ascoltare un segnale debole sulle bande basse è quasi sempre un accumulo di numerose fonti di disturbo. Al di sotto dei 18 MHz, il rumore che sentiamo sui nostri ricevitori (anche nei siti più silenziosi) proviene da sorgenti terrestri. Questo rumore è generalmente una miscela proveniente da onde di superficie e da altre propagate dalla ionosfera, sebbene alcuni di noi soffrano di sorgenti di rumore preponderanti situate molto vicino alle nostre antenne.

«Nelle aree urbane, il rumore proviene da molteplici sorgenti casuali tramite la propagazione diretta e delle onde di terra da sorgenti locali. Alcune di esse possono trovarsi nel campo induttivo delle nostre antenne (nella maggior parte dei casi il campo induttivo prevale a distanze inferiori a 1⁄2 λ). Le aree urbane sono le meno desiderabili perché il rumore esterno tipico è in media 16 dB più alto rispetto alle aree suburbane. Spesso non si percepisce un aumento del rumore notturno invernale in 160 metri, poiché i rumori propagati dalla ionosfera vengono sovrastati dalla combinazione di più sorgenti di rumore locali. Gran parte delle sorgenti di rumore sono linee di distribuzione dei servizi pubblici, a causa della grande quantità di hardware necessaria per servire più utenti. Altre sorgenti di rumore sono alimentatori switching, segnali da scintille elettriche e altre apparecchiature che emettono involontariamente rumore.

«Le aree suburbane sono in media circa 16 dB più silenziose rispetto alle aree urbane e circa 20 dB più rumorose rispetto alle aree rurali. Il rumore è generalmente direzionale, proveniente principalmente dalle aree più densamente popolate o dalle linee elettriche più rumorose. Le linee di trasmissione ad alta tensione sono spesso problematiche a distanze superiori a due chilometri, e occasionalmente anche le linee di distribuzione possono essere problematiche. Il recente afflusso di computer e alimentatori switching ha aggiunto una nuova dimensione al rumore suburbano. Spesso si verifica un leggero aumento del rumore notturno invernale in zone suburbane eccezionalmente silenziose. Questo aumento si verifica quando il rumore terrestre propagato è pari o superiore alle sorgenti di rumore locali.

«Le zone rurali, soprattutto quelle a chilometri di distanza da qualsiasi centro abitato, offrono l'ambiente più silenzioso per la ricezione sulle bande basse. I livelli di rumore diurni in 160 metri sono in genere circa 35-50 dB più bassi rispetto a quelli urbani, e oltre 20 dB più bassi rispetto alle zone suburbane. La notte porta un netto aumento del rumore sulle bande basse, poiché il rumore si propaga attraverso la ionosfera da più sorgenti distanti, allo stesso modo dei segnali DX.

«Le principali fonti di rumore locale sono recinzioni elettriche, alimentatori switching e linee elettriche. I loro livelli di rumore tipici diurni, misurati su una verticale omnidirezionale di 60 metri, sono intorno a -113 dBm in una larghezza di banda di 350 Hz (nella posizione molto tranquilla di Tom).

La potenza del rumore aumenta di circa 5-15 dB di notte, quando la banda si "apre". Come nel caso dei sistemi suburbani, le antenne direzionali riducono la potenza del rumore. La notte funge da "equalizzatore" che riduce il vantaggio della posizione, poiché anche i rumori distanti aumentano con una migliore propagazione».

Nelle zone tranquille, il rumore totale sarà più elevato durante la notte, poiché il rumore aggiuntivo arriva tramite propagazione atmosferica, aggiungendosi al rumore artificiale locale rilevato durante il giorno. Nelle aree residenziali urbane, il rumore artificiale locale è così elevato che non è mai possibile udire tale rumore propagato. Ciò significa che la sensibilità del ricevitore è essenzialmente un punto controverso. Quasi tutti i ricevitori sono sufficientemente sensibili in un ambiente così ostile! I livelli di rumore possono variare notevolmente da una posizione all'altra. Ci sono molte posizioni con pessime possibilità in 160 metri, e solo poche con ottime. In effetti, la differenza nei livelli di rumore prodotto dalle attività umane può arrivare fino a 50 dB!

Supponendo che nella maggior parte delle circostanze tutto il rumore sia distribuito uniformemente in tutte le direzioni, un'antenna ricevente ben progettata riceverà fino a 12-15 dB di rumore in meno rispetto a un'antenna omnidirezionale. Per beneficiare di questo vantaggio di direttività, il ricevitore richiederà una figura di rumore migliore di 12-15 dB (maggiore sensibilità).

Inoltre, queste antenne direttive per ricezione sono solitamente a bassa uscita (come le Beverages con un guadagno tipico di -10 dB) e spesso utilizzate con linee di alimentazione "con perdite" (ad esempio, 1 dB di perdita). Sommando tutto questo si ottiene: 12 + 10 + 1 = 23 dB (fattore di rumore inferiore), quindi gran parte della sensibilità in eccesso per i 160 metri scompare.

A volte potrebbe essere necessario un preamplificatore (in genere con un guadagno di 10-15 dB). L'uscita delle piccole loop è molto più bassa - persino -55 dB come la mia Waller Flag - per cui ho bisogno di un preamplificatore KD9SV a basso rumore con guadagno variabile di 50 dB. Non si dimentichi, però, che il preamplificatore amplifica anche il rumore oltre al segnale, quindi il rapporto rimarrà invariato. Pertanto tali preamplificatori dovrebbero essere utilizzati solo per compensare le perdite e non per ricevere un segnale più forte.