Sensibilità di un ricevitore

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IW5AFV
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Sensibilità di un ricevitore

Messaggio: #37076 IW5AFV
27/07/2020, 22:53

Buonasera,
l’argomento di cui vorrei parlare è noto a tutti i radioamatori, ma forse vale la pena di ragionare su alcuni concetti che spesso sono male interpretati.
Spesso si sente dire che il tale ricevitore è rumoroso, perché “soffia troppo”, mentre il talaltro è silenzioso, perché “soffia poco”. Con queste affermazioni si confonde la sensibilità con il guadagno del ricevitore.
La sensibilità si può misurare solo in un modo, e cioè misurando il livello di segnale necessario per ottenere in uscita del ricevitore un certo rapporto tra la potenza del segnale S e quella del rumore di fondo N (rapporto S/N).
Personalmente misuro la sensibilità fissando lo S/N a 10 volte, o 10dB; su alcuni manuali di ricevitori americani utilizzati da noi rottamai è specificato un S/N di 4 volte, o 6dB.
La procedura di misura è semplice, e se interessa posso descriverla in un prossimo post.
Ma quali sono i fattori che determinano la sensibilità ? Sostanzialmente sono 4, che stabiliscono il livello di rumore di fondo che si genera all’ingresso dell’apparecchio:
1. La temperatura T a cui lavora il ricevitore
2. La costante di Boltzmann (K) che in, insieme alla temperatura, definisce la densità di potenza di rumore ( termico) all’ingresso del ricevitore
3. La banda passante B del ricevitore
4. La figura di rumore (F) che in pratica definisce il rumore introdotto dalla circuiteria del ricevitore.
In formula N = KTBF
Sui primi 3 fattori il progettista del ricevitore non ci può fare niente:
La temperatura T è legata alle condizioni operative dell’apparecchio.
La costante K è appunto una costante e non può cambiare.
La banda passante B è legata alla modalità di lavoro dell’apparecchio: se deve ricevere l’AM, normalmente deve avere una banda di almeno 6KHz, se invece lavora in CW, potrebbero bastare 100Hz.
Il progettista quindi può solo cercare di abbassare la figura di rumore, che come valore minimo vale 1 o 0dB.
0dB significa che il ricevitore non aggiunge rumore a quello che comunque nasce al suo ingresso (che è dovuto alla costante K).
Ad esempio, un ricevitore con una banda passante di 10KHz e figura di rumore di 0dB, alla temperatura ambiente di 20°C genererebbe un rumore di fondo riferito all’ingresso di circa -134dBm o 0.04 microvolt su 50 Ohm. Il segnale necessario per ottenere un S/N di 10dB sarebbe -124dBm.
Quindi la sensibilità di questo teorico ricevitore sarebbe -124dBm o 0.14 microvolt su 50 Ohm.
Mica male come ricevitore vero? Ma allora perché un AR18 ha una sensibilità intorno al microvolt nonostante lavori alla stessa temperatura ambiente e con la stessa banda del ricevitore teorico?
Perché ha una cifra di rumore di 100, o 20dB , e quindi genera con i suoi circuiti un rumore di fondo 100 volte maggiore di quello teorico.
I circuiti responsabili di questo disastro sono quelli di testa, l’amplificatore RF ed il convertitore. L’amplificatore IF contribuisce solo in maniera marginale, sia con la sua figura di rumore che con il suo guadagno; quello di BF praticamente non contribuisce per niente.
Il ricevitore è come il pesce: puzza dalla testa. Il perché è chiaro: il rumore generato dal primo stadio viene amplificato dal guadagno di tutta la catena ricevente, quindi pesa di più di quello generato dagli stadi a valle.
Spiegare come si fa ad abbassare la figura di rumore dell’amplificatore RF, ed in generale di qualunque stadio, esula da questo argomento. Posso solo accennare che le valvole, più griglie hanno, più rumorose sono, ed un triodo come amplificatore RF è più adatto di un esodo.
Comunque combattere per abbassare oltre un certo livello la cifra di rumore non è così importante per un ricevitore HF, perché come tutti sanno il rumore atmosferico (a cui purtroppo sempre più spesso si somma quello prodotto dalle attività umane) supera quello prodotto all’interno del ricevitore. In VHF invece la F è importante perchè il rumore atmosferico diminuisce all'aumentare della frequenza.
La misura strumentale in HF allora non ha più senso: se quando si collega l’antenna il rumore di fondo aumenta vuol dire che il ricevitore è sufficientemente sensibile !
Paolo IW5AFV

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iz0mfi
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Re: Sensibilità di un ricevitore

Messaggio: #37082 iz0mfi
28/07/2020, 12:46

Grazie Paolo e complimenti vivissimi, al solito hai in poche righe sintetizzato la questione
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i5upn
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Re: Sensibilità di un ricevitore

Messaggio: #37084 i5upn
28/07/2020, 15:28

concordo con mfi descrivi in maniera sintetica ma molto chiara ed efficace, per quello che riguarda la sensibilita' dei
ricevitori si sente dire di tutto quello e' sordo!! spesso solo perche' avendo basso rumore generato produce poco
baccano in uscita ma fa' ascoltare i segnali presenti a basso livello altri che sembrano piu' vivi alla prova pratica hanno
un ascolto peggiore a causa del livello di rumore in entrata. in particolare nelle bande basse hf la sensibilita' molto
spinta e' quasi sempre controproducente es. con un s5 si ottiene un ascolto migliore che un (s 9 o9+ per chi ha il manometro)
a parte le misure strumentali che pero' non tutti possono fare come dice Paolo se il ricevitore
senza antenna collegata non soffia e collegandola il rumore di fondo aumenta ha sensibilita' sufficente
da prove fatte ho riscontrato che sensibilita' sotto i 3uv in am co banda 6khz non da buoni risultati mentre in ssb
il livello scende senza problemi a 1 uv la maggior parte dei cassoni che utiliziamo ha queste caretteristiche !!
buoni ascolti a tutti.
73 i5upn

iw5cai
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Re: Sensibilità di un ricevitore

Messaggio: #37086 iw5cai
28/07/2020, 18:31

Sensibilità di un ricevitore? Da ragazzo, quando non possedevo alcuna strumentazione, neppure l'agognato generatore di segnali, per me, la prova principe per misurare il funzionamento e la sensibilità del cassone di turno, appena portato a casa, era quella di toccare con un dito il contatto d'antenna, se aumentava o compariva il rumore significava che il cassone era in una qualche misura "vivo", nessuna reazione, il cassone era "morto". Confesso, vergognandomi, che ancora oggi questa è la prima prova che faccio, solo che allora, in entrambi i casi, il successivo tentativo di migliorare la situazione "smanettando" a casaccio, ed in assenza di strumenti, si risolveva quasi sempre in un disastro totale e definitivo, oggi, fortunatamente, questo accade in misura minore. Grazie ad IW5AFW per la sua trattazione teorica ma, sopratutto per la conclusione pratica che alla fine ne trae, conclusione che, con i pareri concordanti di iz0mf1 ed i5upn, mi fa sentire finalmente legittimato a continuare in questa "vergognosa" pratica di controllo preliminare.
giorgioiw5cai

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IK0QDQ
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Re: Sensibilità di un ricevitore

Messaggio: #37097 IK0QDQ
30/07/2020, 0:42

Ciao Paolo,
quanto tu esponi è Vangelo ed è predicato anche molto bene. Conciso chiaro e lapidario.
A parte il piccolo particolare, che all'epoca il rapporto S/N doveva essere 20 e non 10 dB, quanto da te esposto e stato programma di insegnamento al quinto anno di ogni ITIS, sezione Radiotecnica (poi diventata telecomunicazioni) della Repubblica. ..............questo fino al "68, poi è arrivato Marco Capanna e tutto il resto.Ma questo è un altro discorso. Adesso non ho idea cosa sappiano.
Disquisire sulla percezione dell'alito delle mosche è proprio di due sole categorie: gli Astrofisici (a cui per un certo periodo sono stato "vicino di stanza" io mi occupavo di laser, ma a mensa andavamo insieme!!) e i Radioamatori (categoria a cui appartengo dal 1963) gli uni, hanno i soldi per immergere i primi stadi dei loro ricevitori in azoto liquido, ma ancora vanno cercando di migliorare, perché vorrebbero arrivare a violare il principio di indeterminazione ed "ascoltare il singolo fotone"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
I secondi hanno il "vezzo" di provare a "pizzicare" l'emissione dall'isola di "Vattela a pesca" che esce con un watt e mettere in mostra la cartolina dell'avvenuto collegamento.
I militari (con tutti i loro difetti) hanno un problema molto più prosaico, più concreto, più pratico: realizzare comunicazioni stabili. "Se devono parlà a tutti i costi", diceva un vecchio maresciallo istruttore che cercava di istruire le reclute che poi dovevano usare le GRC-3 in una caserma di Bracciano.
Sono pertanto le loro esigenze che hanno portato a stabilire criteri di valutazione diversi da quelli che tu descrivi, per avere dati di riferimento congrui con le loro esigenze nel valutare la funzionalità o meno di un apparato ed eventualmente poterla paragonare ad altri apparati. Ma non sono superate da quelle moderne,sono semplicemente diverse.
Come te, giustamente facevi notare, ai nostri tempi dobbiamo combattere con un inquinamento di campi elettromagnetici che alle volte "Assorda" completamente i nostri apparati ed altre entra con potenze tali da coprire tutte le eventuali comunicazioni di nostro interesse.
Di come rimediare (almeno in parte) a queste catastrofi esula da questo argomento, eventualmente apriremo un altro post.
Adesso arriviamo al "nocciolo" della questione: La sensibilità come valore assoluto di un apparato non è una caratteristica che interessa molto agli standard militari. E' invece fondamentale conoscere la minima tensione in ingresso che produce un segnale utile (ciè molto più ampio del rumore generato dall'apparato e........dal Padreterno!!!!!!!!
E' per questo che all'epoca, alla nostra aviazione interessava sapere quanti uV sevivono per produrre un segnale certamente udibile in cuffia (50 mW) e gli americani si accontentavano di conoscere quanti uV servissero ad un BC-348 per produrre in cuffia 15 mW. C'è chi ha fatto le misure in assoluto, cioè dentro una gabbia di Faraday, così il problema del rumore di fondo introdotto dall'ambiente è eliminato. Ma a che serve questa misura????
Se vogliamo "scientificamente" parlare di apparati militari mi sembra ragionevole continuare ad usare il "metro" con cui venivano misurati da chi li ha progettati e usati . Anche perché, con i dati riportati e l'uso di un poco di algebra, è possibile fare un paragone congruo tra due apparati provenienti da culture così diverse come quella italica e quella anglosassone.
Altrimenti la "buttiamo in caciara e ci facciamo una foietta" (battuta romanesca per dire che tutto finisce a tarallucci e vino).
Per tornare alla strumentazione di Giorgio, scriva in maiuscolo "IO" in risposta a questo post, chi non ha mai usato il"ditometro" per saggiare, in maniera grossolana, ma indicativa, la sensibilità di un ricevitore!!!!!!!!!!!!!

Edoardo
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Re: Sensibilità di un ricevitore

Messaggio: #37101 IW5AFV
30/07/2020, 19:12

Ciao Edoardo,
la tua citazione che dello S/N se ne parlava al quinto anno dell’ITIS, mi fa ripensare, con nostalgia, a più di 50 anni fa, quando appunto frequentavo il quinto anno di Telecomunicazioni all’ITIS di Pisa.
Allora si studiava sul libro del Malatesta “Radiotecnica generale”, che per noi rottamai valvolari è un testo ancora molto valido, e che consiglio a tutti (anche perché è in italiano).
Poi sono andato a fare il militare (nelle Trasmissioni), e per fortuna non ho dovuto vivere come scolaro le note vicende del 68. Dal 68 ad ora ho sempre lavorato nel campo delle apparecchiature radio militari e civili.
Ho letto la tua spiegazione che ai militari interessava principalmente sapere quanti microvolt erano necessari per produrre in cuffia un segnale certamente udibile, e la condivido, ma penso che ci sia bisogno di una precisazione.
Mi piacciono i tuoi interventi ( e degli altri fondatori del Crosem) specialmente quando parlate di fatti storici militari e/o dello sviluppo degli apparati; non sono sufficientemente acculturato su questi argomenti e quindi mi limito a leggere con interesse e magari ad intervenire solo se qualche argomento tecnico mi stuzzica: il mio è un difetto professionale che ormai non posso più eliminare.
Nel tuo intervento leggo “La sensibilità come valore assoluto di un apparato non è una caratteristica che interessa molto agli standard militari” E questo mi lascia perplesso…
Poi dici : “E' invece fondamentale conoscere la minima tensione in ingresso che produce un segnale utile (cioè molto più ampio del rumore generato dall'apparato e...” E questo mi torna, perché leggo la parolina “utile” nel mezzo!!!
Il segnale per essere “utile” deve essere come tu dici più ampio del rumore generato dall’apparato ….
Quanto utile lo richiede l’applicazione: 10dB sopra il rumore per la comprensibilità di una comunicazione AM è un valore forse anche troppo buono, per una comunicazione in CW forse bastano 3dB, per una trasmissione radiofonica di musica ci vogliono almeno 20dB.
Ecco che è rientrata dalla finestra la misura della sensibilità fatta con un certo S/N, come avevo scritto nel mio post.
In fondo è quello che dici anche tu, ma non vorrei che chi legge, senza questa precisazione, pensasse di poter misurare la sensibilità semplicemente iniettando un segnale all’ingresso del ricevitore e verificando che la potenza in cuffia abbia un certo valore, senza curarsi del livello di rumore.
Questa sarebbe una misura di guadagno, non di sensibilità.
D’altronde nella procedura di misura della sensibilità in AM di tutti i ricevitori è scritto che prima bisogna misurare la potenza del rumore di fondo con il generatore di segnali RF in assenza di modulazione e poi aumentare la potenza del generatore fino ad ottenere, in presenza di modulazione la potenza del segnale specificata.
Nel caso dello AR18 la procedura specifica una potenza di segnale di 50mW a fronte di una potenza di rumore di 2mW. Quindi richiede di fare la misura con un S/N di 14dB.
Nel manuale AN 08-10-112 del BC348 leggo invece che la misura è fatta con una potenza di segnale di 10mW a fronte di una potenza di rumore di 2,5mW. Quindi con un S/N di 6dB.
Anche se la procedura non parla esplicitamente di S/N, in pratica lo S/N è un parametro di misura!!!
In sostanza non è importante quale sia il valore di S/N corretto per la misura, ma di fare la misura il corrispondenza dello S/N specificato.
Per quanto riguarda il rumore introdotto da Padreterno vale quanto detto nel mio post precedente.
Paolo IW5AFV


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