Trabalhando com sinais fracos em VHF
Entendendo sinais extremamente fracos
Sempre falamos em comunicação de sinais fracos, débeis, realmente o que define um sinal fraco, ….o que não é forte.. Que é pequeno… não meche o S meter…, ou esta no nível de ruído, certamente se pretendemos preparar uma estação para weak signals devemos saber se o é necessário para fazer isso.
Vou fazer um resumo pratico do que é mais importante saber nesse assunto. Se o colega quiser detalhes mais completos recomendo o livro do Ian While G3SEK,THE VHF/UHF DX BOOK.
Isso é muito importante porque vemos uma estação trabalhando um DX e outra estação semelhante não tendo o mesmo sucesso. É muito fácil culpar a localização e ou o operador , mas isso não é necessariamente verdade. Na maioria das vezes as parte necessárias são simplesmente conectadas entre si sem realmente entendermos como elas vão interagir entre elas. Na verdade muitas estações nunca trabalharam corretamente. O radioamador nem suspeita que tem alguma coisa errada porque na verdade nunca entendeu os resultados que deveria obter com sua estação.
Porque os resultados nos outros países parecem tão diferentes? Vamos verificar isso.
Em uma comunicação entre A e B temos os seguintes componentes
1 - Informação a ser transmitida pelo modulador,……………………….....TXMOD
2 -Energia entregue a antena e a antena transmissora …………………….TXANT
3 -Caminho percorrido pelo sinal propagação..……………………………PATH
4 -Antena receptora………………………………………………………..RXANTENA
5 -Pre amplificador e filtros com alta seletividade…….…..........................FRONTEND
6 -Receptor e de modulador………………………………………………..RX
7 -Recebimento da mensagem , ouvido humano ou computador…………RXDEMOD.
É mais simples explicar os módulos acima começando pelo objetivo final o ouvido humano.
Relação sinal ruído,(SNR) o que realmente conseguimos escutar?
A habilidade de copiar um sinal fraco depende da relação sinal ruído, é simplesmente a diferença entre o sinal recebido e o ruído presente no amplificador do receptor ou “ noise floor “. A habilidade de escutar varia para cada pessoa mas de maneira geral podemos disser que para copiar-se um sinal em SSB o sinal tem que estar 3 Db acima do ruído. Na pratica isso depende do tipo de modulação utilizada. Vamos considerar todos os 7 blocos acima como constantes e vamos variar o modo usado.
Qual seria relação sinal ruído necessária para se copiar o DX que estamos tentando trabalhar?
MODO---------Min sinal acima do ruido.--------- Largura de faixa
FM…………………….10 DB………………………15 kHz
AM…………………….6 DB………………………..5 kHz
SSB……………………3 DB……………………….2.5 kHz
CW…………………….0 DB ………………………100 Hz
Limite do ouvido humano , abaixo já é o computador na realidade se usa olho humano
PSK31…………………-10 Db……………………….10 Hz ( não tenho certeza desse numero)
FSK441………………..-10 Db……………………….2.5 kHz
JT44……………………-20 Db……………………….2 Hz
JT65……………………-25 Db……………………….1 Hz
Pela tabela acima poderia se chegar a conclusão que FM não é um modo adequado para DX em VHF.
A realidade é muito longe disso, FM permite o maior nível de legibilidade de um sinal, um sinal de 10db acima do ruído é muito mais inteligível em FM do que AM ,SSB ou mesmo CW. O problema com FM é que abaixo desse nível o discriminador do receptor para de funcionar , entregando ao auto falante somente ruído.
Nos demais modos o demodulador funciona com sinais abaixo de 10 DB, mas se o SSB é comprovadamente melhor que AM porque AM é usado na aviação civil??? Não seria melhor FM ou SSB?
A resposta é simples,SEGURANÇA DE VOO.O AM é o único modo que permite demodular varias estações ao mesmo tempo, se dois aviões chamarem a torre ao mesmo tempo na mesma frequência, o operador da torre vai escutar os dois ao mesmo tempo, se fosse FM somente o sinal mais forte passaria pelo modulador. Se fosse SSB qualquer diferença de frequência seria difícil de entender o sinal mais fraco.
A recepção de CW pode variar , e conforme a pessoa,é possível copiar sinais bem abaixo de 0db.
Um ponto muito importante quando se fala de ruído é a banda passante. O ruído é sempre provocado por elétrons em movimento. Um condutor elétrico tem elétrons que se movimentam de maneira aleatória devido a temperatura. Esse movimento aleatório de elétrons resulta em uma flutuação da corrente oque é detectada como ruído aleatório do inglês(“randon noise”).
Qualquer temperatura acima do zero absoluto causa ruído elétrico em um condutor. A temperatura absoluta é medida em graus Kelvin Para converter graus centígrados em Kelvin é só somar 273,16.
A formula básica para calculo de ruído é
Pr = K T B
Pr é a potencia do ruído em W
K é a constante de Boltzman 1.38 10 elevado a-23.
T é a temperatura em Kelvin
B é a banda passante.
Qual o ruído gerado por um resistor a temperatura ambiente?
Da para notar que na formula acima o valor do resistor não entra. O resultado para uma banda passante de 2.5 khz seria de Pr=1 x 10 (elevado a –27) W .Usando a lei de ohms para calcular a tensão dá 22.4 nV sim isso mesmo NANOVOLTS
Portando o mínimo sinal que podemos receber a temperatura ambiente com uma banda passante de 2.5 kHz é de 22.4 nV.Na pratica a sensibilidade de um receptor é limitada pelo ruído que o receptor gera internamente. O modo mais simples de definir a sensibilidade é NOISE FIGURE ou NF. Imagine um receptor ideal com ruído zero conectado a uma resistência na temperatura ambiente. Adicione um Pré-amplificador O. NF seria quanto o ruído iria aumentar devido ao ruído interno do pré-amplificador. Porem os fabricantes gostam de definir tudo por “Noise Foor” ou MDS ,menor sinal detectado, medido em potencia DBM .
Isso confunde muito, porem aqui vai a solução. Para se comparar receptores devemos primeiro verificar a banda passante, Por exemplo, a ARRL usa 500hz a RSGB usa 2.5kHz.No caso da ARRL usando BW= 500 HZ, para se achar o NF a formula é NF = 147 – MDS
Um MDS de –138dBm representa um NF de 147-138 = 9 Db NF=9db
Aqui vai alguns valore para os rádios mais comuns de VHF em 144 MHz tudo em Db
Radio NF(PRÉ ON) IP3
IC910 5 -6.4
IC746 PRO 5 -3,1
IC746 8 -2.4
FT847 5 -19
IC706 5 -16
E qual é a sensibilidade de um transverter, ou qual será a sensibilidade final se eu adicionar um pré-amplificador?
Nada vem sem custo, se adicionar um pré-amplificador de 1db NF na entrada de um IC746, duas coisas vão acontecer ao mesmo tempo, a primeira é que vamos aumentar a sensibilidade e a segunda é que diminuímos a capacidade de receber um sinal fraco na presença de um sinal forte, ou na pratica diminuímos o IP3. A coisa funciona assim, o ganho do pré-amplificador praticamente se subtrai do IP3 do receptor.
Na pratica, para uma localidade rural, o IP3 só seria problema com a presença de sinais de repetidoras locais, no caso de um local alto, com uma torre com estações comerciais, você estaria frito, um valor aceitável para contestes e operação em locais de pouco ruído seria 0 DB de IP3., se você em uma cidade grande , provavelmente você vai precisar de uns 60db de IP3 para não sofrer saturação ou dessensibilização no receptor.
Mas como calculamos o NF (noise-figure) do seu radio?
Isso é muito importante para entender o desempenho de uma estação de VHF DX.
Tsys=Tant + Tpre + Trec/Ganho do Pre.
Tsys é a temperatura do sistema, temos que converter em NF
NF= 10 log( 1 + ( T/290))
Um IC746 com o pré-amplificador desligado tem um NF de 12 e um IP3 de 1.5 , se adicionarmos um pré-amplificador de NF=04db com um IP3 out de 20db o sistema ficaria com um NF = .78 DB e com um IP3 de –23db ,com o pré-amplificador interno ligado NF=-29db. o que seria um péssimo receptor para conteste, ou na presença de outros sinais fortes, como estações comerciais , TV, FM etc.
O uso de transverter com um receptor de HF é largamente empregado por esse motivo, você consegue um NF baixo com um IP3 auto. Na pratica isso também não é simples, pois usando um receptor de HF como IF em 28 MHz, temos que saber quanto é o NF e o IP3 do mesmo em 28 MHz.
Hoje em dia é muito comum se falar no novo radio da Icom ou Yaesu com 40 Db de IP3, mas é mais importante saber para que frequência isso vale. O IC7800 em um IP3 de 37db em 80 metros com o pré-amplificador desligado, mais em 50Mhz com o pré-amplificador 2 tem um IP3 de -4.4db com um NF=5db em 50Mhz, o que é parecido com um IC746, e inferior a um bom sistema com transverter.
Vamos rever um caso de um FT1000MP e um transverter com NF=1db IP3= 17 Db ,sem pré-amplificador eterno.
Em 28 MHz o FT1000MP tem um NF = 21.8 Db com IP3 = 2 24 Db é abaixo de 14 MHz, mas com o pré ligado ( tipo Tuned) o NF= 6 e o IP3 fica –9 Db.
Portanto um transverter e um radio de HF para IF, funciona bem somente se o radio tiver um NF menor que 10db com um IP3 de 20db e isso , é muito é difícil de encontrar.
Imagine um pré-amplificador na frente de um transverter com um receptor ruim em 28 MHz. O IP3 vai para –50db!
A solução é usar o mínimo ganho possível na entrada com uma FI(frequência intermediaria) mais seletiva possível.
Mas qual é na pratica a sensibilidade do receptor que eu preciso para fazer DX em VHF?
A sensibilidade de um receptor na pratica, fica limitada ao ruído total que a antena recebe, podemos concluir como aceitável que a sensibilidade do receptor seja igual ao menor temperatura de ruído que a antena esteja recebendo. Não tem nenhuma melhora se a sensibilidade do receptor for maior que o nível do seu ruído local.
Na pratica, levando-se em conta somente o ruído atmosférico, e não o ruído provocado por equipamentos elétricos, podemos afirmar que para comunicações terrestres, devemos ter com objetivo os seguintes valores
Banda Temperatura equivalente NF
50 MHz 4000K 12 Db
144 MHz 200K 2.2 Db
432 MHz 150K 1.8 Db
Portanto para 6 metros, a maioria dos transceptores modernos tem sensibilidade mais que adequada. Isso para um QTH rural.
Sensibilidade Efetiva do Receptor ERS
De um modo geral é fácil entender o ERP, potencia efetiva irradiada. Um transceptor com 100W com uma antena de 10dbd ( relação sobre uma dipolo padrão no espaço ) , tem uma potencia ERP de 10 x 100 = 1000W sobre uma dipolo. Deixando tudo em DB a matemática fica mais fácil, só temos que somar ou subtrair.
ERP ( DBW ) = Potencia do transmissor – perda no cabo + ganho da antena.
Para entender DBW, cada vez que você dobra a potencia você sobe 3 Db. cada10 Db representa multiplicar a potencia por 10. Se você esta escutando um sinal s9+5 Db, se a estação que você estiver recebendo aumentar a potencia de 100w para 1kw o sinal recebido vai subir 10db indo para S9 + 15db, Cada unidade S representa aproximadamente 6 Db, ou seja para subir ou descer uma unidade S você precisa ou aumentar a potencia 4 vezes ou diminuir a potencia 4 vezes. Se a estação que você estive recebendo passar de 100 para 25 w ela vai cair uma unidade S, se ela passar para 10W vai cair menos que duas unidades S. se passar de 100w para 1 w, vai passar de S9 para S5ou S6. Portanto messe caso a potencia não ajuda muito.
O ERP é muito importante quando o sinal esta fraco e no nível do ruído, ai com mais 3 db você consegue sair do ruído, dobrando a potencia.
Do lado do receptor vamos definir ERS que é a sensibilidade efetiva do receptor. Entendendo os dois termos fica fácil saber como se comporta o sinal recebido em “A” para um sinal transmitido em “B” estimando a atenuação do caminho entre o ponto geográfico “A” e ponto geográfico “B”.
O que você poderia melhorar na sua estação para ser ouvido melhor ou para receber melhor?
Essa formula embora complicada mereça atenção pois ela vai responder a pergunta acima.
ERS = 10 log { k(Trx+ Tant ) B } ( dbW ) - ( Rx antenna gain, Dbi )
Trx é o Noise figure+ a perda cabo em Db, convertido par temperatura
Tant é o ruido que a antena recebe um todas as direções convertido em temperatura
Rx antena gain é o ganho frontal da antena de recepção.
O que você precisa saber sobre essa formula é que a antena contribui com dois valores diretos e que a perda no cabo tem a mesma importância que a sensibilidade do receptor.
Uma antena na recepção tem dois valores muito importantes, o ganho de frente e o que chamamos de temperatura da antena, que é a soma de todos os lóbulos em todas as direções que só contribuem para receber ruído. Para medir isso usamos o termos G/T , relação ganho temperatura. Esse valor na pratica só da para calcular por computador e esta disponível no trabalho do VE7BQH e disponível em vários sites.
Visite o site abaixo.
https://www.vhfdx.net/VE7BQH.html
Vamos entender melhor esse tema. Uma antena unidirecional recebe ruído de todos os lados, tanto uma vertical como um loop horizontal. O ganho na direção do sinal recebido é unitário, porem a antena é extremamente ruidosa. A vertical é considerada a pior antena de recepção que existe, mas se empilharmos 4 verticais , ai melhora..?O ganho melhora para ate 9 db mais esse ganho é em todas da direções e não muda a temperatura da antena que continua , o sinal recebido vai ser somado com o ruído atmosférico de todas as direções.
É logico que uma antena unidirecional tem seu valor. E é por isso que usamos, não temos que nos preocupar com a direção que o sinal vem. Tenho uma antena com um G/T muito bom e perco muito quando tem aberturas e minha antena esta apontada para outro lugar, ai eu fiz uma array com 4 loops empilhados e coloquei a 18 metros de altura, Localmente funcionou uma beleza, escuto os colega que chamam do sul ou do norte, sem problemas. O ganho esta perto de 9 Db. uma beleza, Na primeira abertura eu esperava copiar sinais de outras direções onde eu não estava esperando abertura, a minha antena a 30 metros e com 15 Db de ganho , deveria funcionar uns 6 a 8 Db melhor que os 4 loops. SURPRESINHA na primeira Es do ano , copiava as estações com S2 S3 na yagi sinais muito bons, para um Dx, porem nos loops nada NADA NADINHA……… somente quando o sinal do Dx estava em S9 e que eu escutava o cara no loops. Isso sem nenhum ruído local, um silencio, tinha chovido e não tinha nenhuma QRM de linha. Os loops foi um investimento caro e totalmente inútil, só funciona para bater papo loca e não precisa virar a antena como ventilador para falar com a turma,. Também fiz o teste ao contrario transmitindo com o loop e recebendo com a Yagi, fui muito bem escutado, Portando a parte do ganho da antena estava perfeito.
A conclusão é que se você quiser ter sucesso com sinais fracos é recomendado você ter uma antena ressonante e muito bem calculada, pois antenas fora de comprimento de onda(não ressonantes como 5/8 de onda 3/4 de onda casadas com bobinas) antenas de banda larga ou mal calculada você perde muita eficiência em sua estação .
Imagine você a dificuldade que era projetar uma antena a 20 ou 30 anos atrás, tudo era no corta, mede, tenta de novo, corta mede , tenta de novo, um trabalho imenso, Temos que dar valor aos pioneiros que tanto trabalharam para que pudéssemos ter as primeira antenas com bom desempenho. Hoje em dia um programa como YO pode simular mais 2000 modelos em poucos segundos, algumas antenas da M2, por exemplo, usando computadores modernos, duraram meses de trabalho para chegar ao desempenho atual.
Mas que antena usar, isso fica muito caro?
A maioria das estações de DX usam antenas da M2, ou os projetos do K1FO ou do DJ9BV. O melhor site para projetos de antena é o seguinte
https://www.ifwtech.co.uk/g3sek/diy-yagi/
Uma antena de VHF é fácil de fazer mas para funcionar bem tem que ser exatamente reproduzida em todos os detalhes, milimetricamente.
Voltando ao nosso ERS ainda não respondemos a pergunta inicial. Mas já sabemos o que a antena representa, na verdade lembre-se do que sempre falam os veteranos,
PARA TER UMA ESTAÇAO BEM MONTADA VOCE TEM QUE GASTAR 10% NO RADIO E 90% NA ANTENA
Isso é físico e não somente um conselho ou um reclame do fabricante de antena. O outro elemento tão importante quanto o NF do seu radio ( que pode ter custado U$1000 ) é o cabo da antena com os conectores
Vamos começar pelos conectores, temo tipo N e o PL259, conhecido como VHF ou simplesmente conector de antena de radioamador, PX etc. O conector N foi projetado para não permitir vazamento ou entrada de interferência, ele tem uma atenuação de 0,1 DB aproximadamente O valor da perda de TODOS os conectores mais a perda do cabo é somada ao NF do receptor, a conta é só de somar!
Exemplo
4 conectores x .1DB =0.4DB mais a atenuação de 30 metros de cabo RGC213 = 1 Db TOTAL 1,4 Db somando isso ao seu receptor de NF=5db resulta em NF=6.4 Db
Isso parece muito bonitinho, mas na prática uma gota de água em um conector a atenuação passa de 0,1 para 0,5 pra um único conector, tipo N ou VHF. Ai vezes o numero de conectores a coisa começa a ficar ruim, se o conector oxidar, a atenuação no conector pode chegar facilmente a 1DB. E se continuar entrando água no cabo a coisa vai para mais de3 Db… Só ai quando você começa a receber reportagens que o seu sinal esta um pico fraco, meia unidade S mais baixa, ( difícil de se detectar ) ou que sua SWR ( estacionaria esta subindo , também difícil de detectar pois um atenuação maior no conector não aumenta a SWR se a impedância continuar 50 ohms.
VOCE ESTA SURDO E NEM SABE DISSO.
A solução é usar fita alta fusão, em um dia seco você pega 20 cm da fita, estica ate 40 cm , enrola no conector começando no painel e vai ate o cabo, isso de 8 a 10 cm, Ai sim o seu cabo e conector fica protegido.
Evite tubo termo retrátil, com cola ou sem cola, ele não protege a entrada de água.
Como saber se você esta ficando surdo?? Pode ser complicado se você não usar uma boa antena, Nas antenas boas o mais comum é usar um balum coaxial de 4:1, passar de 50 para 200 ohms e alimentar um dipolo dobrado. Nesse caso é possível medir a isolação do pino central do VHF contra a massa, isso no terminal que chega ao radio. Você precisa ter um Multímetro que chegue a 200.000 Mohms, , hoje tem muito desses produtos a um preço bom, mas antes de comprar lembre que os de 20.000 Mohms não serve.
O seu cabo deve apresentar uma isolação maior que 200,000 M ohms, uma única gota d’água, já é abaixa esse valor par 180.000 ou 150.000. Se chegar a < 20.000 é melhor você providenciar uma manutenção.
Manter uma estação de DX para VHF da muito trabalho mesmo, se você quiser manter o desempenho do seu sistema com o você planejou , o trabalho é constante.
Para você saber o ruído recebido pelo seu sistema, sem presença de ruído local, você deve fazer o seguinte. Ligar a saída do radio em uma carga fantasma, e conectar um voltímetro AC na saída do auto falante do radio, ajustar o nível de ruído (com o squelch aberto) para uma leitura de uns 2% da escala e depois conectar a antena. Cada vez que a leitura do ruído dobrar de valor, o ruído subiu 3DB. Você pode então fazer um pequeno gráfico do nível de ruído que você tem na sua casa.
Em um QTH rural o nível medido dificilmente vai chegar perto de 2DB de NF, portando nesse caso você pode chegar ate a uma sensibilidade de 2DB , incluindo a perda do cabo. Se a perda do cabo for de 1DB e o NF do receptor deve estar perto de 4 DB para um total de NF de 5 DB.
Na pratica se você conectar a antena no seu radio e o ruído aumentar você já tem sensibilidade suficiente para a sua localidade. Para a grande maioria dos casos os rádios novos com NF perto de 5DB são perfeitamente adequados.
Polarização
O principal efeito da polarização é a atenuação quando as antenas estão em planos diferentes, se a diferença for de 45 graus a atenuação será de 3DB, o sinal cai pela metade, se diferença for de 90 graus a atenuação cai mais de 27DB chegando a alguns casos a mais de 40 DB.
Portanto a antena transmissora e a antena receptora devem esta no mesmo plano. Tudo o que falamos sobre antena e ERS são valido para as duas polarizações,. O que muda é o ruído local, O “carma” de quem mora na cidade. 99% do ruído local são de polarização vertical. A grande maioria dos sinais fortes na faixa vem de repetidoras com alta potencia, em locai muito altos, e com antenas de alto ganho. É muito comum receber uma repetidora com mais de 60db , principalmente se você tiver uma antena direcional.
O sinal muito forte causa vários danos no receptor, como:
INTERMODULAÇAO Isso é quando dois sinais de dois transmissores geram no seu receptor um terceiro ou quarto sinal, que aparece como um carrier ou outro sinal, Também existe outros ruídos que você tem na faixa devida soma de dois sinais de estações comerciais na faixa de 136 a 175MHz que geram o mesmo efeito, outro causador de ruídos e intermodulação pode ser rádios com saídas fuçadas para aumentar a potencia que na realidade não tem ganho nenhum de potencia mas sim aumento de harmônicas de saída que acaba prejudicando outras estações, quando o radio sai de fabrica e forma de onda de saída é senoidal (quase pura ) no caso de alterações (a famosa palitada ou alterações no menu de serviço ) deixa a forma de onda de saída quadrada ou seja a saída saturada o que gera muitas harmônicas prejudicando o colega que tem uma estação sensível.
DESENSIBILIZAÇAO ou bloqueio, isso é a perda de sensibilidade pela presença de um sinal forte próximo á frequência de operação.
Isso tudo é complicado de explicar, mas fácil de entender , principalmente se você mora em uma cidade grande. O resultado é catastrófico.
Usando polarização horizontal , todo esse lixo some, ate mesmo os telefones clandestinos na faixa de amador, tudo fica de 27 a 40 DB mais baixo.
Esse assunto já foi amplamente discutido, vou aqui fazer referencia ao excelente artigo da EP de 1982 o PY2BBL foi brilhante nas suas explicações.
Eletrônica Popular Maio de 1982 (E.P. 2039)
Folhas 87,88 e 89
Polarizando Antenas
Sabemos agora com mais detalhes como uma antena influencia em uma estação de VHF. E que as antenas modernas são medidas não só pelo ganho, mas pelo ruído total que recebe junto com o sinal desejado. Em geral ha mais um aspecto muito importante a considerar quanto a escolha do projeto.
Escolher a antena certa já é um bom começo. Devemos notar que uma antena não muda a sensibilidade do seu receptor. O NF do receptor continua o mesmo, porem o ganho da antena e o G/T tem grande influencia na sensibilidade efetiva do receptor, além do cabo e conectores.
Porem não há nada mais fácil do que estragar o desempenho da sua estação, montando sua antena na torre no lugar errado!
Uma antena yagi funciona pelos sinais refletidos por todos os elementos diretores, e pelo refletor, somados no elemento irradiante “DRIVEN ELEMENT”. Todo corpo metálico dentro da área de captura da antena de uma forma ou outra reflete os sinais que a antena esta transmitindo, tornando-se parte da antena.
Uma yagi vertical, só pode ser montada em um mastro metálico na horizontal, ou a antena deve ser montada totalmente na frente do mastro. O mastro no meio da antena com a mesma polarização simplesmente destrói o diagrama de irradiação da antena, o ganho cai muito e os lóbulos laterais crescem muito. O resultado acaba ficando quase o mesmo de usar uma antena vertical unidirecional.
A regra usada para evitar a interação entre antenas na mesma torre é a seguinte, manter uma distancia de metade da gondola da antena de maior frequência. Para antenas com mais de 144MHZ com mais de 6 metros, usar a metade da distancia ideal para empilhamento.