Idee per una modulazione digitale con il Rain Scatter Camillo Bellomo IT9LTA Congressino Microonde: Modena 28/10/2018

Rain Scatter L’attività a microonde spesso sfrutta il fenomeno del Rain Scatter, ovvero la riflessione/rifrazione del segnale radio per effetto della pioggia Ma quali sono le condizioni migliori per sfruttare questo effetto ?

Che forma ha una goccia di pioggia che cade ? La forma dell’acqua Per scoprirlo dobbiamo partire dallo studio del fenomeno e da tutte le variabili che lo influenzano, quali ad esempio la forma delle gocce d’acqua, la loro dimensione, la loro disposizione nello spazio, la velocità con cui si muovono, etc. Che forma ha una goccia di pioggia che cade ?

La forma dell’acqua In realtà la forma della goccia di pioggia che cade dipende dalla sua dimensione e di conseguenza dall’intensità della precipitazione. Per piogge leggere generalmente le gocce hanno una forma sferica di diametro <1,5 mm, ma per piogge più intense cresce la dimensione (fino a 5 mm) e la forma assume una forma schiacciata simile ad una ciambella.

La velocità della pioggia Nel suo viaggio dalla sommità della nuvola alla superficie terrestre la goccia di pioggia dopo poche centinaia di metri raggiunge una velocità di equilibrio (per effetto dell’attrito dell’aria) che dipende dall’intensità della precipitazione: pioggia debole: D = 450 micron,  V = 2m /sec; pioggia moderata: D =  1 mm; V= 4 m/sec; pioggia forte:  D = 1.5 mm; V = 5 m/sec; acquazzone:  D = 2 mm; V=  6 m/sec; nubifragio:  D = 3 mm;  V = 8 m/sec; chicco di grandine: D = 1 cm; V = 50 m/sec La velocità e la direzione di spostamento orizzontale invece dipendono in larga parte da quella del vento che solitamente accompagna il fenomeno meteorologico. E’ quest’ultima componente che è più importante per i collegamenti in Rain Scatter perché in genere produce un effetto Doppler.

Piccola curiosità statistica Durante la ricerca di informazioni mi sono imbattuto in una piccola curiosità che sembra essere derivata da osservazioni statistiche sulle precipitazioni piovose fatte in varie parti del mondo: tra durata (d) e intensità (i) di una precipitazione esiste una relazione di proporzionalità inversa che è stata mediamente quantificata in: i = 14.3/ 𝑑 dove i = intensità in mm/h d = durata in h Quindi se piove forte ed i segnali sono buoni, sbrigatevi a fare il QSO !!!

Effetti della forma e della dimensione Per effetto della forma e della dimensione delle gocce d’acqua la rifrattività alle microonde (ovvero la capacità di riflettere le onde radio) varia in funzione della frequenza e della polarizzazione. Con piogge leggere possono essere riflessi solo segnali a frequenza maggiore di 5 GHz, mentre con piogge intense è possibile osservare riflessioni anche in banda S (2,3 GHz). La polarizzazione del segnale incidente invece determina il modo con cui il segnale viene riflesso: se il segnale incidente sulla goccia è polarizzato in verticale il segnale riflesso avrà un diagramma di irradiazione omnidirezionale simile a quello di una ground plane. Segnale riflesso Segnale incidente Polarizzazione V

Effetti della polarizzazione Se invece il segnale incidente sulla goccia è polarizzato in orizzontale il segnale riflesso avrà un diagramma di irradiazione simile a quello di un dipolo orizzontale. Segnale riflesso In questo caso la riflessione verso la direzione perpendicolare al segnale incidente sarà assente o notevolmente attenuata. Nessun Segnale riflesso Goccia Diagramma di irradiazione Segnale riflesso Segnale incidente Polarizzazione H

Effetto di depolarizzazione Se la goccia d’acqua non ha l’asse di simmetria orientato perfettamente perpendicolare al terreno (ad esempio per effetto delle correnti ascensionali e del vento all’interno della nube), il segnale riflesso avrà una componente la cui polarizzazione è anch’essa ruotata rispetto al segnale incidente. L’effetto finale è quello di depolarizzazione del segnale riflesso che avrà sia componenti in polarizzazione Verticale che in Orizzontale. Asse di simmetria Segnale riflesso con polarizzazione mista H + V Segnale incidente Polarizzazione V

Effetto di scattering Limitando l’analisi ai soli effetti lineari fin qui descritti possiamo immaginare che il segnale risultante sia la somma delle riflessioni di milioni/miliardi di piccole gocce d’acqua in movimento, ognuna con una posizione diversa rispetto alle due stazioni. Questo genera il noto effetto di scattering che tutti conosciamo. Se analizziamo il segnale somma che arriva sull’antenna della stazione ricevente utilizzando la rappresentazione fasoriale possiamo immaginare che il segnale sia composto da una componente coerente con il segnale trasmesso e da una componente additiva la cui ampiezza e fase varia in maniera casuale Stazione B Stazione A Componente coerente Componente casuale

Analisi nel dominio delle frequenze Se trasportiamo l’analisi del segnale sul ricevitore nel dominio delle frequenze osserviamo che l’effetto dello scattering si traduce in una modulazione di ampiezza e fase del segnale trasmesso. Immaginando di trasmettere una portante fissa questa verrà trasformata in un segnale simile ad una modulazione DSB di un rumore bianco. f Segnale trasmesso Segnale ricevuto L’effetto dello scattering è quindi quello di un allargamento della banda tanto più pronunciato quanto più piccola è la lunghezza d’onda del segnale. In queste condizioni le informazioni contenute nell’ampiezza e nella fase del segnale originario vengono seriamente compromesse.

Come sfruttare al meglio il Rain Scatter ? Da quello che abbiamo visto e dalle numerose esperienze fatte sul campo è evidente che se vogliamo utilizzare come ricevitore il nostro orecchio la miglior modulazione analogica è il caro vecchio CW che in presenza di Rain Scatter diventa un rumore modulato dal messaggio trasmesso. Nei casi in cui il rapporto S/N lo permette è anche possibile utilizzare la modulazione FM. Se però vogliamo sfruttare al meglio questa modalità di propagazione dobbiamo ricorrere a modulazioni numeriche. Il primo passo può essere quello di sfruttare l’ottimo di lavoro di David Rowe VK5DGR con il quale è possibile codificare la voce utilizzando una trasmissione dati a bitrate molto bassi. La codifica CODEC 2 infatti prevede numerosi bitrate che vanno dai 700 bps ai 3200 bps che consentono di trasmettere la voce con valori di banda e S/N bassi. Questo codec è infatti già utilizzato con successo in HF dal software «FreeDV»

Quale schema di modulazione adottare ? Con un modello di canale come quello che si realizza in presenza di Rain Scatter quale potrebbe essere il miglior schema di modulazione utilizzabile per una trasmissione dati ? Dato che sulle frequenze > 1GHz la larghezza di banda non rappresenta un vincolo, probabilmente il più semplice schema di modulazione utilizzabile è un FSK o mFSK con un indice di modulazione >> 1 Segnale trasmesso Segnale ricevuto in RS Mark Space f In questo modo è possibile separare i due (o più) toni trasmessi facendo in modo che anche con lo spreading della potenza dovuto al RS i segnali non si sovrappongano.

Ulteriori benefici Nel campo delle modulazioni numeriche possiamo anche utilizzare ulteriori elaborazioni tra la sorgente ed il modulatore al fine di conseguire ulteriori benefici. Tra queste possiamo sicuramente ottenere un guadagno utilizzando una codifica a correzione di errore (ad esempio Reed Solomon) con FEC e la distribuzione delle informazioni su simboli differenti (es. interleaving) dello spazio dei segnali. Codifica CODEC2 FEC Interleaver Symbol Mapper Modulatore mFSK In questo modo è possibile recuperare ulteriori dB di margine in ricezione.

E il ricevitore ? Come ricevitore è possibile utilizzare un LNB con SDR ed il solito Software GNURadio. Riguardo il discriminatore ci sono almeno un paio di alternative: la prima consiste nell’utilizzare un discriminatore in quadratura con soglia definita sulla frequenza centrale di trasmissione (che come abbiamo visto può essere affetta da effetto doppler); La seconda consiste nell’utilizzare due (o più) filtri passa banda centrati sulle frequenze dei toni trasmessi facendo poi l’inviluppo del segnale in uscita da ciascun filtro e scegliendo il maggiore. Filtro adattato Segnale ricevuto in RS Filtro di canale Mark Space fc f Questo secondo metodo dovrebbe consentire di ridurre la banda di rumore in ingresso al demodulatore e di conseguenza migliorare le prestazioni a parità di rapporto S/N, sfruttando tutta la potenza del segnale riflesso dalla pioggia.

Schema di principio del SW del ricevitore Filtro F1 Rivelatore Inviluppo Sync Comparatore CODEC2 Decoder Fonia FEC Decoder Filtro F2 Rivelatore Inviluppo Dati NCO La modulazione digitale si presta anche all’inserimento tramite submultiplazione di un canale di servizio a bassa velocità attraverso il quale è possibile veicolare informazioni statiche quali, ad esempio, il proprio nominativo ed il QTH Locator. Con lo stesso principio è possibile immaginare un canale digitale del Software Defined Beacon specifico per il monitoraggio della propagazione via Rain Scatter.

Conclusioni Per poter sfruttare al meglio il Rain Scatter conviene trasmettere in polarizzazione verticale ma ricevere in polarizzazione circolare o comunque mista. La riflessione da pioggia impatta pesantemente l’ampiezza e la fase del segnale producendo un allargamento di banda del segnale ricevuto e una forte distorsione. Sfruttando modulazioni numeriche a banda larga è possibile minimizzare l’effetto di spreading del segnale. Anche la semplice demodulazione incoerente del segnale digitale offre prestazioni superiori a quello di un qualunque segnale analogico (es. FM o CW). L’utilizzo di tecniche di codifica del segnale e la maggiore ampiezza di banda del canale consentono di ottenere buone prestazioni anche con bassi rapporti S/N

Grazie !