ARLA/CLUSTER: Entendendo Weak Signals por Jose Carlos M da Silva N4IS-PY2DP

[João Gonçalves Costa]

Entendendo  Weak Signals 

Por :   Jose Carlos M Da Silva N4IS-PY2DP       

Sempre falamos em comunicação de sinais fracos, débeis e weak signals. Mas realmente o que define um sinal fraco, ....o que não é forte.. que é pequeno...não mexe o S meter..., certamente  se pretendemos preparar  uma estação para weak signals devemos saber  o que 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. Ë 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 correctamente. O radiamador 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,.............................   TX MOD
2  -  Energia entregue á antena e a antena transmissora .........................TX ANT
3  -  Caminho percorrido pelo sinal (propagação)...................................PATH
4  -  Antena receptora.................................................................RX ANTENA
5  -  Pré amplificador..................................................................FRONT END
6  -  Receptor e desmodulador........................................................RX
7  -  Recebimento da  mensagem , ouvido humano ou computador............RX DEMOD.


Ë mais simples explicar os módulos acima começando pelo objectivo final  O ouvido humano.

Relação sinal ruído, o que realmente conseguimos escutar?

A habilidade de  copiar um sinal fraco depende da relação sinal ruindo, é simplesmente a diferença entre o sinal recebido e o ruído presente na saída do receptor ou  " noise floor ". A habilidade de escutar varia para cada pessoal 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 varia o modo usado. 

Qual seria relação sinal ruído necessária para se copiar o DX que estamos tentando trabalhar? 

MODO                          Min sinal acima do ruído.    Banda passante

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 ( nao 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 fácil de copiar em FM do que em SSB e mesmo CW.  O problema com FM é que abaixo desse nível o discriminador rapidamente PARA de funcionar , entregando ao alto-falante somente ruído. Essa característica é muito usada para ajustar o Noise Figure dos pre-amplificadores quando não se tem o equipamento adequado. Tem muito DX em FM e é um modo muito usado.

Nos demais modos o modulador ainda funciona com sinais abaixo de 10 db, mas por exemplo se o SSB é comprovadamente tão 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 desmodular 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 eléctrons em movimento. Um condutor eléctrico tem electons que se movimentam de maneira aleatória devido a temperatura. Esse movimento aleatório de eléctrons resulta em uma flutuação da corrente o que é detectada como ruído aleatório ou  "randon noise".

Qualquer temperatura acima do zero absoluto causa ruído eléctrico em um condutor. A temperatura absoluta é medida em graus Kelvin K  Para converter graus centígrados em Kelvin é só somar 273.16.

A formula básica para ruído é

Pr = K T B


Pr  é a potência do ruído em W
K é a constante de Boltzman 1.38 10 elevado a-23.
T é a temperatura em Kelvim
B é a banda passante.

Qual o ruído gerado por uma  resistência a temperatura ambiente?

Dá para notar que na formula acima o valor da resistência 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 á 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 Pre-amplificador o zero NF seria quanto o ruído iria aumentar devido ao ruído  interno no pre-amplificador. Porem os fabricantes gostam de definir tudo por  "Noise Foor" ou  MDS  ,menor sinal detectado, medido em potência 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 radios mais comuns de VHF  em 144 Mhz tudo em db

Radio            NF ( Pre on  )       IP3

IC910		5		-6.4
IC746 PRO	5		-3.1		
IC746		8		-2.4
FT847		5		-19
IC-706		5		-16

E qual  é a sensibilidade de um transverter, ou qual será a sensibilidade final se eu adicionar um preamplicador??

Nada vem sem custo, se adicionar um pre-amplificador de 1db NF na entrada de um IC746, duas coisa 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 pre-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 site tipo montanha , 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 morar perto da Paulista , provavelmente você vai precisar de uns 60db de IP3 para não sofrer saturação ou dessensibilização no receptor.

Mas como calculamos o NF figure do sistema?

 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 desligado tem um NF de 12 e um IP3 de 1.5 , se adicionarmos um pre de NF=0,4db com um IP3 out de 20db o sistema ficaria com um NF = .78 db e com um IP3 de -23db ,com o pré interno ligado NF=-29db. o que seria um péssimo receptor para contest, 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 pre desligado, mais em 50Mhz com o pre 2  tem um IP3 de  -4.4db com un 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 pre externo.
Em 28 Mhz o MP tem um NF = 21.8 db com IP3 = 2... isso mesmo 2  ...24db é abaixo de 14 Mhz com o pre ligado ( tipo Tuned) o NF= 6 e o IP3 fica -9 db. O NF do sistema fica em


Pre do MP	NF	IP3

Off		5.2	-16
FLAT		2.5	-16
Tuned		2.1	-30

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 , muito é difícil de encontrar.

Imagine um pré 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 IF mais robusta 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, Usando ruído medido em temperatura  ou db, pois ai podemos simplesmente somar os resultados quando temos bolos em cascata, podemos concluir como aceitável que a sensibilidade do receptor seja igual á 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 eléctricos, "man-made noise" podemos afirmar que para comunicações terrestres, devemos ter com objectivo os seguintes valores


Banda		Temperatura  equivalente		NF

50 Mhz		             4000K				12db

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,.

Vamos falar mais adiante sobre ruído local "man-made noise" , mas antes disso tem uma ultima formula que é muito importante entender seus resultados.

Sensibilidade Efectiva do Receptor  ERS

De um modo geral é fácil entender o ERP , potência efectiva irradiada. Um tranceiver com 100W com uma antena de 10dbd ( relação sobre uma dipolo padrão no espaço ) , tem uma potência 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 ) =  Potência do transmissor - perda  no cabo + ganho da antena.


Para entender dbW, cada vez que você dobra a potência você sobe 3 db. cada10 db representa multiplicar a potência por 10. Se você está escutando um sinal s9+5 db, se a estação que você estiver recebendo aumentar a potência 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 potência 4 vezes ou diminuir a potência 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 S5 ou S6.  Portanto neste caso a potência não ajuda muito.

O ERP é muito importante quando o sinal está fraco e o nível do ruído, ai com mais 3 db você consegue sair do ruído, dobrando a potência.

Do lado do receptor vamos definir ERS que é a sensibilidade efectiva 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 cainho entre o ponto geográfico "A" e ponto geográfico "B". mesmo que você não tenha esse valor mas esta presenciando uma abertura, ...

O que você poderia melhorar na sua estação para ser ouvido melhor ou para receber melhor??

Essa formula embora complicada merece atenção e não só a aplicação mas principalmente a conclusão é que vai ajudar voe a 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 parA temperatura 

Tant é o ruido que a antena recebe um todas as direcções convertido em temperatura

Rx antenna 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 directos e que a PERDA NO CABO TÊM A MESMA IMPORTANCIA 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 direcções que só contribuem para receber ruído. Para medir isso usamos o termos G/T , relação ganho temperatura.  Esse valor na pratica só dá para calcular por computador e está disponível no trabalho do VE7BQH e disponível em vários sites. Esse trabalho ajuda a escolhe que projecto de antena fazer ou comprar.

Visite o site abaixo. 

http://www.vhfdx.net/VE7BQH.html

Vamos entender melhor esse tema. Uma antena omnidirecional , recebe ruído de todos os lados, tanto uma vertical como um loop horizontal. O ganho na direcção 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 até  9 db  mas esse ganho é em todas da direcções e não muda a temperatura da antena que continua , o sinal recebido vai ser somado com o ruído atmosférico de todas as direcções.

Ë lógico que uma antena omnidirecional tem seu valor  e é por isso que a usamos, não temos que nos preocupar com a direcção que o sinal vem. Tenho uma antena loop com um G/T muito bom e perco muito quando tem aberturas e minha antena direccional está apontada para um outro lugar, ai eu fiz um 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 está perto de 9 db. .... uma beleza,  Na primeira abertura eu esperava copiar sinais de outras direcções 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 nos loops. Isso sem nenhum ruído local, um silencio, tinha chovido e não tinha nenhum QRM de linha eléctrica . Os loops foi um investimento caro e totalmente inútil, só funciona para bater papo local e não precisar virar a antena como ventilador para falar com a turma,. Também fiz o teste ao contrario transmitindo com o loop e recebendo com a Yagy, 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 moderna , projectada com computador depois dos anos 90, ou o mais actual possível 


EVITE AO MAXIMO PROJETOS ANTIGOS

Imagine você a dificuldade que era projectar uma antena á 20 ou 30 anos atras, 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 com o YO pode simular mais 2000 modelos em poucos segundos, algumas antenas da M2 por exemplo usando computadores modernos , durou meses de trabalho para chegar ao desempenho actual

Mas que antena usar, isso fica muito caro?

A maioria das estações por aqui usam antenas da M2, ou os projectos do K1FO ou do DJ9BV. O melhor site para projectos de antena é o seguinte

http://www.ifwtech.co.uk/g3sek/diy-yagi/


Uma antena de VHF é fácil de fazer mas para funcionar bem tem que ser exactamente 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 Física Elementar e não somente um conselho  ou um reclame do fabricante de antena.  O outro elemento tão importante que o NF do seu radio  ( que pode ter custado U$1000 ) é o cabo da antena com os conectores

Vamos começar pelos conectores, temos tipo N e o PL259, conhecido como VHF ou simplesmente conector de antena de radioamador. O conector N foi projectado para não permitir vazamento ou entrada se sinais na faixa de 1 Ghz, ele tem uma atenuação de 0,01 db em 1 Ghz e ~.0,005 em 144 Mhz. Na pratica conector N soldado no cano, levando em conta que você aqueceu muito o cabo, tem uma parda de 0,05 db. O conector VHF, tem uma perda de 0.1 db. 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

4 conectores x .01 = .0,4db  mais a atenuação de 30 metros de cabo RG 213 = 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 pratica uma gota de agua em um conector a atenuação passa de 0,1 para 0,5 para 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 agua no cabo a coisa vai para -3 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 uma atenuação maior no conector não aumenta a SWR e se a impedancia continuar a 50 ohm pior.


VOCE ESTÁ SURDO E NEM SABE DISSO.

A solução é usar o método do Pereira-PU2WDV, fita scott 23(fita vulcanizada) , auto-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 + conector fica protegido, O Pereira já exportou conectores com mais de 10 anos, ainda com a aparência de novo. Evite fita  termoretatil, com cola ou sem cola, ele não protege a entrada de agua.

Como saber se você está ficando surdo??  Pode ser complicado se você não usar uma antena moderna com elementos isolado do boom.., Nas antenas modernas o mais comum é usar um balum coaxial de 4:1, passar de 50 para 200 ohms e alimentar um dipolo dobrado isolado do boom.. Nesse caso  é possível medir o isolamento do pino central de VHF contra a massa, isso no terminal que chega ao radio. Você precisa ter ou pedir emprestado um Multimetro que chegue a 200.000 M ohms, hoje tem muito desses produtos a um preço bom, mas antes de comprar lembre que os de 20.000 M ohms  não serve.
O seu cabo deve apresentar um isolamento maior que 200,000 M ohms, uma única gota de agua , já  abaixa esse valor para 180.000 ou 150.000. se chegar a < 20.000 é melhor você providenciar uma manutenção.

Manter uma estação de DX para VHF dá muito trabalho mesmo, se você quiser manter o desempenho do seu sistema como o planeou , o trabalho  é constante.

Para você saber o ruído recebido pelo seu sistema , sem a presença de ruído local , você deve fazer o seguinte. 

Ligar a saída do radio em uma carga fantasma, e conectar um voltimetro AC na saída do autofalante do radio, ajustar o nível de ruído 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 3 db,. 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 2 db de NF, o normal é estar acima de 5db.
Portando, nesse caso você pode chegar até a uma sensibilidade de 2 db , incluindo a perda do cabo. Se a perda do cabo for de 1 db 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 5 são perfeitamente adequados. 

Vejam que até esse ponto não falamos de polarização vertical contra horizontal. Mas aqui vamos a algumas conclusões. Unidos os conceitos apresentados acima.

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 3 db, o sinal cai pela metade , se diferença for de 90 graus a atenuação cai mais de 27 db 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 é 99% do ruído local é de polarização VERTICAL,  A grande maioria dos sinais fortes na faixa vem de repetidoras com alta potência, em locais muito altos , e com antenas de alto ganho,. Ë  muito comum receber uma repetidora com mais de 60db , principalmente se você tiver uma direccional. 

O sinal muito forte causa vários danos no receptor , como:

 INTERMODULAÇAO -  Isso é quando dois sinais de duas repetidoras geram no seu receptor um terceiro ou quarto sinal , que aparece como um carrier ou outro sinal, Também existem outros ruídos que você tem na faixa devido á soma de dois sinais de estações comerciais na faixa de 136  a 175 Mhz.  

DESENSIBILIZAÇAO - ou bloqueio, isso é a perda de sensibilidade pela presença de um sinal forte na faixa.

Isso tudo é complicado de explicar mas fácil de entender , principalmente se você mora em uma cidade com SP. O resultado é catastrófico.

Usando polarização horizontal , todo esse lixo some, até mesmo os telefones clandestinos, os clandestinos na faixa de amador, tudo fica de 27 a 40 db mais baixo,

A antena fica silenciosa..................huuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu!!!!!!!! Para você poder escutar os Weak Signals.