Presentazione estrapolata dal Meeting Nazionale

PARAMETRI di
CONFRONTO tra
RICEVITORI
HDR
HDR
SDR
SDR
Gianfranco Verbana
I2VGO
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Segnali e Rumore
Una radioricezione è la selezione, in una determinata banda di
frequenza, con una prefissata finestra, detto canale, di un
segnale voluto.
La presenza sia nello stesso canale (co-canale) che fuori,
(etero-canale) di segnali non voluti disturbano la ricezione del
segnale voluto.
L’insieme dei segnali non voluti si chiamano “Rumore o
interferenti“.
Ciò che conta non è l’intensità del segnale ricevuto ma il
rapporto segnale rumore, S/N
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Qualità di ricezione
La misura della qualità di un servizio radioelettrico è diversa per :
• Demodulazioni analogiche realizzate con apparati
analogici o digitali (previa conversione A/D e riconversione D/A)
Monoportanti - SSB, AM, FM, CW
Multiportanti – FDM
Minimo rapporto S/N accettato alla
minima potenza di segnale ricevuto
• Demodulazioni digitali (numeriche) realizzati con apparati
digitali
Monoportanti: n-PSK, n-FSK, n-QAM ecc ecc
Multiportanti: OFDM, COFDM
Minimo tasso d’errore,BER, accettato
alla minima potenza di segnale
ricevuto
Noi tratteremo solo demodulazioni analogiche.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Qualità per noi Radioamatori
E’ la comprensione del più piccolo segnale, in una piccola
porzione di spettro, dove sia possibile decifrare il contenuto
spesso disturbato da molti indisciplinati operatori.
Qualsiasi ricevitore perde di sensibilità quando vi sono forti segnali etero –
canali.
Per confrontare i ricevitori servono metodi misurabili e
ripetibili e possibilmente standardizzati.
Dagli albori del radiantismo fino agli anni settanta si è parlato solo di sensibilità
(microvolt per un dato S/N ) e di selettività (tipo di filtro). E’ solo dalla fine anni
80 che si sono diffusi i banchi e metodi per le misure di distorsioni (contest
sovraccarico): IMDn, IPn ecc.
L’obiettivo di queste note è quello di semplificare mettendo
in evidenza che sono sufficienti solo due misure per rendersi
conto della robustezza verso sovraccarichi di un ricevitore e
della qualità dei suoi oscillatori locali.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Rumori ineliminabili
Abbiamo rumori generati dall’uomo ed i rumori naturali
• I rumori naturali sono:
Il rumore termico
il rumore atmosferico (prevalente fino alle HF).
Inserendo una resistenza al posto dell’antenna sarà presente
all’ingresso del ricevitore una tensione elettrica casuale data
dall’agitazione termica degli elettroni. Dal 1927 conosciamo
il valore della potenza elettrica, come fosse un segnale
deterministico:
Densità di potenza di rumore
= KTB = -174
dBm/Hz
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A 20°C . Da 0°C a 40 °C l’ errore è <-0,2dB
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Il Filtro di Canale
L’unico filtro ineliminabile in un ricevitore è la “Finestra”cioè
il “Filtro di rumore o di canale o filtro di selettività”.
• Deve essere il più stretto possibile per ridurre la potenza di rumore
termico a monte della demodulazione (Solo per i sistemi digitali coerenti può essere
inserito a valle ) ma non troppo stretto da distorcere
SSB,250 Hz CW ,10KHz DRM Audio , 8MHz DVBDVB-T-H-S).
il segnale
(2400 Hz
• Il ricevitore sarà tanto più selettivo quanto più il filtro di canale
approssima una risposta “ampiezza @ frequenza” di forma
rettangolare (Nelle ricezioni digitali il filtro di canale deve obbedire in ampiezza e fase ai criteri di
Nyquist ).
Il Filtro di canale determina la selettività e ottimizza la
sensibilità (MDS) di un Ricevitore.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
ELIMINABIILI
Ricevitore e filtri
INELIMINABILI
fondamentali
BW
1° IF
DEM
AM
2° IF
BW
DEM
SSB
BW
DEM
?
eg
s
N.
li
na
no
n
ti
lu
o
v
Psk-31
Olivia
Fr
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Recenti
modulazioni
digitali in HF
ze
n
ue
eq
WinDrm
BW
12 KHz- DRM
6-8 KHz – AM
1,8-3KHz - SSB
200-500 Hz-.CW
30-50 Hz -PSK31
Chirp64
Rrsf2400
JT65A
PcAle
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
M inimum D iscernible S ignal
Rumore Atmosferico Medio -Nord Italia.
Metri
NF=12 dB
10
NF=21 dB
15
NF=26 dB
20
40
80
160
Pmax ??
N=NF+(- 174) = dBm/Hz
N=NF+(- 147) = dBm/500Hz
N=NF+(- 140) = dBm/2400Hz
NF=30 dB
D
I
N
A
M
I
C
A
NF=36 dB
NF=45 dB
NF = Cifra di rumore
dB
Limite assoluto
S
Rumore
di fondo =
Termico
Potenza segnale ingresso ricevitore
dBm
Pmin (MDS)
Noise floor =N
MDS @ S+N/N=3dB corrisponde ad un S/N 0dB cioè S =N
- 174 dBm/ Hz
-147dBm/500 Hz
-140dBm/2400 Hz
L’MDS può essere considerato come il limite inferiore se l’antenna non introducesse altro Rumore
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Dinamica di un ricevitore
La dinamica di un ricevitore è la capacità di ricevere un
piccolo segnale senza perdere in comprensibilità quando è
presente uno o più segnali forti fuori banda. Senza,ovviamente
nessun intervento di operazioni di commutazione d’attenuazioni o regolazioni.
In pratica ottenere lo stesso valore di MDS alla più forte
(ampiezza) e vicina (frequenza) interferente possibile.
Mentre abbiamo visto come misurare il valore minimo, MDS,
come determiniamo il valore massimo ?
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Le tre dinamiche di un ricevitore
1: Un solo segnale, quello voluto.
2: Un segnale voluto alla soglia più un segnale interferente
etero-canale.
3: Due segnali interferenti, di uguale ampiezza, etero-canali
più il segnale voluto.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
1: Un solo segnale “quello voluto”
Aumentando l’intensità di un solo
segnale desiderato si entra in zona non
lineare.
Abbiamo solo distorsione armonica.
La massima potenza del segnale è
determinata dal valore di distorsione
accettato sul segnale desiderato.
OUTPUT
Zona di distorsione
Zona
INPUT
Lineare
Distorsione 20 %
MDS
dBm
Range Dinamico un solo segnale
Fs
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F
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
3: Due forti segnali interferenti
E’ nota come due toni etero-canale
misura i prodotti d’intermodulazione
che ricadono nel canale voluto,
ricavando l’I.P.
I.P, punto ipotetico dove le ampiezze
dei segnali voluti spuri eguagliano il
segnale voluto .
eterocanale (I.P)
Fs
I prodotti che ricadono nel canale
voluto sono del secondo IM2,terzo,
IM3,quinto,IM5 e settimo ordine:2f1f2,2f2-f1,3f1-2f2,3f2-2f1,ecc ecc.
IP
X KHz – n Ordine DR, la differenza in
IM3 dB tra il livello di un segnale a 2toni che produce un livello di IMD d’
ordine n pari alla MDS del ricevitore e
l'MDS stesso.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Perché non misuriamo l’IP.
La semplicità del banco diffuso all’inizio degli anni 90 va
bene per ricevitori con IP fino a - 10 e 10 dBm .
• Oggi i migliori SDR hanno IP di circa 1 watt e oltre con DR
maggiori di 100 dB.
Il banco per misure di DR ≥ 100 dB è critico
• Si possono commettere notevoli errori, richiede non solo
conoscenza ma anche “arte”.
Non fornisce nessuna indicazione riguardo il rumore degli
oscillatori dei ricevitori.
Nei SDR a campionamento diretto perde di significato.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Nei SDR a campionamento diretto, (senza FrontEnd) l’IP perde di significato.
Output
Number N bit
IP
Output
Resolution
Hard Limiter
1111111
Tra 10 e 16 dB
Livello P1
dBm Input
Comportamento amplificatori a bipolari, Fet- MosFet
– Mixer Analogici ,diodi etc
000000
Livello clipping
Input
Comportamento approssimato di un A/D
Sistema noto, con classici sviluppi in serie di potenze.
L’entità della non linearità è fornita dai costruttori di ADC e sono:
Se l’amplicatore è davanti a un ADC, per alti
Errore di guadagno, Errore di offset , Non linearità differenziale
valori di distorsione (prima del clippper), l’RX SDR si
Isteresi, Monotonicità, Interazioni tra non linearità e monotonicità.
comporta come fosse un analogico.
Tutte queste cause riducono i bit effettivi.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
2: Solo segnale voluto + un interferente, BDR
Quantifica come un segnale forte fuori canale
degrada l’ascolto di un segnale voluto.
Il segnale interferente ad alto livello abbassa il
guadagno degli stadi a monte del filtri di canale e
causa la perdita di sensibilità fino a bloccare la
ricezione.
Fint.
Ampiezza
B
Offset
Fs
Blocking DR è (era) la differenza in dB tra MDS ed
un segnale fuori dal canale che causa (va) 1dB di
compressione al ricevitore (P1dB - Punto di
Frequenza
F Interferente
Compressione)
Nei contests, fine anni 80, si utilizzavano RX con
alti IP che tolleravano livelli d’interferenti elevati.
Nonostante ciò prima di vedere diminuire di un
dB il segnale ci si accorse della perdita di
sensibiltà causata dal rumore dell’oscillatore
locale ( LO) del RX. Perchè?
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
a = Guadagno
F voluto
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Il Reciprocal Mixing
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
Fint.
Ampiezza
Il mixaggio reciproco di un forte
segnale interferente con il rumore
del LO degrada la sensibilità del
ricevitore .
Il segnale debole desiderato resta
inevitabilmente degradato dalle
bande laterali del tono interferente
generate dal rumore di fase
dell’oscillatore locale.
Se predomina la non linearità si
vedrà diminuire il segnale voluto,
se predomina il rumore del LO si
vedrà peggiorare il rumore, Noise
floor.
Comunque vada il ricevitore si
desensibilizza.
IF
F LO
FsOffset
Fs
RF
Fint.
Ampiezza
Fs
Offset
IF
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Allora come misuro il BDR ?
Negli anni 60-70. Avevamo ricevitori con bassi IP, gli
oscillatori erano quarzati. Effetto predominante “non
linearità”.
Negli anni 90, il complesso ricevente usato dai big
(IK2CFR) dei contest VHF, aveva alti IP, basse NF e
Oscillatori a PLL . Effetto predominante era il Reciprocal
Mixing (Se ne è parlato, sull’
sull’organo ufficiale nazionale, per la prima volta,dal 1924, solo nel
nel febbraio
1990. Vedi il CD AriAri-Brianza.)
Brianza.)
OGGI ? Mi sembra corretto misurare il BDR come: la
differenza in dB tra il livello di un segnale interferente
(offset minimo 10KHz) che peggiora di 1 dB il rapporto S/N
del MDS senza interferente.
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Banco segnale composito
Dalle antenne di IQ2LS
0-110dB
Generatore
Hp 8640B
0-11dB
Attenuatore
Ai
banchi
Ricevitori
B
Attenuatore
BNC 50 ohm
1
Fi=Fs ± 10-20 KHz
hp 8196P
hp 8194B
2
ZSI
Splitter
Misura livelli RF
0-120dB
Ricevitore &
Generatore
SPM15
Wandel G.
0-11dB
4
Switch
Attenuatore
Attenuatore
A
hp 355D
3
5
hp 8194B
Fs=7040,00KHz
BJS
SW Keyer
Lpt
S
Psegnale
da 0 a − 181 dBm
=
=
=
I Pinterferente da 0 a − 121dBm
18
Da
ZSI
Splitter
Banco Test Apparati
i2ZSI
RF
Input
1
Soft Rock
I
Stereo
Uscita
Audio
mono.
SWITCH
Q
RF
Input
2
RF
Input
3
i2PHD
SDR-14
Uscita
Audio
mono
Uscita
Audio
mono
I
Stereo
hp 3561A
Uscita
Audio
mono
IV3NWV
Perseus
4
3KHz,
3
Q
RF
Input
hp 3400A
USB
i2ILS
SDR-X
Registrazione
Audio
30 Watt
USB
4
IK3VIG
5
Flex-5000A
USB
Uscita
Audio
mono
5
RF
Input
i2HLY
TR7
Uscita
Audio cuffia
6
7
FT 1000
Mark-V
I2BJS
Uscita Audio Cuffia
19
Le Misure che faremo sono:
Oggettive
•
•
•
•
•
Misura errore lettura Smeter e frequenza
Misura del MDS da cui ricaviamo il Noise Floor e la Noise Figure NF.
Misure di BDR con interferente a 10 e 20 KHz dal segnale voluto.
Misura del livello di A/D clipping, solo per RX SDR.
A richiesta qualsiasi altra misura /ascolti con le antenne di sezione.
Soggettive
• Registrazione in un file audio di un segnale telegrafico, voluto, di livello di
-115 dBm in presenza di un segnale interferente di livello e offset pari al
miglior valore misurato dai ricevitori sotto test.
• I file audio saranno disponibili nel sito ARI Lissone.
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
APPENDICE
I ricevitori dilettantistici nel corso degli anni
S-Meter “Standard “
Misure splitter ZSI
Grafico S/N verso (S+N)/N
Strumenti usati
Acronimi
Biografia
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
I ricevitori dilettantistici
nel corso degli anni.
Anni 20-30 = Ricerca della massima sensibilità. Misura livelli, distanza dalla
cuffia, in metri
Anni 30-40 = Selettività Filtri L-C. Iniziano misure dei livelli soggettivi, scala
RST.
Anni 50-60 = Largo uso di quarzi -Stabilità in frequenza - Miglioramento
selettività con Filtri meccanici ed a quarzo.
Anni 70-80 = Nuovo grosso mercato CB. Ipersensibilità e peggioramento IMD.
Apparati non usabili in contest, scala Smeter inservibile se non per
sintonizzarsi. Perdita del preselector
Anni 90 = Ricevitori a banda continua . 1° IF > di 40 MHz , notevole
miglioramento immagine. OL da VCO a DDS . Si inizia a diffondere la cultura
delle misure: MDS, IMD, lP, DR e BDR. Per la prima volta si parla di potenza
all’ingresso dei ricevitori ( dBm ) e non di tensione ( microvolt) .
Anni 2000 = La rivoluzione SDR. Alte prestazioni ed uso del ricevitore come
analizzatore di spettro e misura delle potenze ricevute, dopo oltre 80 anni.
Molta resa con poca spesa .
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
24-28 Aprile 1978-IARU
Region I– Conference
MiSKOLC-Tapolca –
Ungheria
Annex 5 –Document M/T
63 - Proposal “VERON”
Societies should advise their
member about equipment
adhering to this
reccomendation and shall try to
avoid pubblication of receivers
designes which do not in
principle use the recommended
standards.
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
S-Meter Standard
S
HF bands
dBm
HF >30Mhz
dBm
V over 50
V over 50
9+40 dB
-33
(5 mV)
mV)
-53
9+30 dB
-43
(1,6mV)
-63
9+20 dB
-53
(0,5 mV)
mV)
-73
9+10dB
-63
(158 µV)
-83
9
-73
(50µ
(50µV)
-93
8
-79
(25µ
(25µV)
-99
7
-85
(12,6µ
(12,6µV)
-105
6
-91
(6,30µ
(6,30µV)
-111
5
-97
(3.2µ
(3.2µV)
-117
4
-103
3
-109
2
-115
(0.4µ
(0.4µV)
-135
1
-121
(0.21µ
(0.21µV)
-141
(1.6µ
(1.6µV)
(0.8µ
(0.8µV)
-123
-129
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Caratteristiche ZSI- Splitter
1
Isolamento tra uscite splitter
2
80
A
75
70
3
65
B
dB
60
4
55
50
45
40
35
30
5
0
5
10
15
20
25
30
25
30
MHz
Risposta Ampiezza @Frequenza
Ingresso A o B e una qualsiasi uscita
Isolamento tra ingressi A e B
60
14
55
13,5
45
dB
dB
50
13
40
12,5
35
30
12
0
5
10
15
MHz
ARI - BRIANZABRIANZA- 20/9/2008
20
25
30
0
5
10
15
20
MHz
Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Quando (S+N)/N è ≥ di 10 dB
tende ad essere uguale al
valore di S/N .
S/N verso (S+N)/N
S/N
dB
S/N verso S+N/N
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
Per (S+N)/N di 3 dB,abbiamo
un S/N di 0dB
0
2
3dB
4
6
8
(S+N)/N dB
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
10
Strumenti usati
Alcuni strumenti sono certificati in data 2004.
1 Attenuatore HP 355 dc to 1 GHz 0-120,10 dB steps
2 Attenuatori HP 8494B dc to 18 GHz, 0-11 , steps 1 dB
1 Attenuatore HP 8496 B dc to 18 GHz 0-110 ,10 dB steps
Generatore RF HP 8640B
Generatore RF Wandel & Gotterlmann SPM 15
Voltmetro HP3400A
Analizzatore di segnali HP3561A
Power meter HP 437B.
Sensor Power HP 8484 A: -70 to -20dBm
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Acronimi Usati
AM
Amplitude Modulation
CW
Continuous Wavelength
BDR
Blocking Dynamic Range
BER
Bit Error Rate
BW
Band Width
DDS
Digital Direct Synthesis
DX
Distance eXtreme
LO
Local Oscillator
NF
Noise Figure
IMDn
Intermodulation of n° order …
IP
Intercept Point.
MDS
Minimum Discernible Signal
PSK
Phase Shift Keing
QAM Quadrature Amplitude Modulation
SSB
Single Side Band
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO
Biografia
SM 5 BSZ - Receiver dynamic range measurements Marzo 2002
Marco Bruno IK1ODO -Considerazioni e difficoltà delle misure, chiaccherate
“de visu “ ed Email. http://www.spin-it.com/download/misure_SDR.zip
The Radioamateur Handbook 1992.
Siti Web :
• www.w8ji.com,
• others: sherweng.com/table. html;
• [email protected];
• www.tentec.com; www.elecraft.com;
• Elecraft mailing list [email protected].
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Parametri di confronto Ricevitori –I2VGO