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A cura di Flavio Falcinelli

Il radiometro è un ricevitore che misura la potenza media della radiazione captata dall'antenna all'interno della sua “finestra” di ricezione, mostrando come varia nel tempo la potenza del segnale ricevuto. Come si vede dalla seguente figura, il processo di rivelazione quadratica e di successiva integrazione non conserva le caratteristiche spettrali del segnale: fornisce un singolo valore che rappresenta la sua potenza media entro la banda passante del ricevitore.

Se si utilizzano ricevitori a larga banda e stabili (il fattore di amplificazione del sistema e la caratteristica del rivelatore non dovrebbero variare durante la misura), si raggiungono sensibilità molto elevate, soprattutto grazie alla possibilità di integrare il segnale rivelato (operazione di media mobile utilizzando molti campioni di segnale) con lunghe costanti di tempo, ammesso che il fenomeno da studiare sia sufficientemente stazionario nel tempo.

Per studiare il segnale nel dominio della frequenza, evidenziando la sua “firma” spettrale e individuando le varie componenti di diversa frequenza distribuite all'interno della banda passante del ricevitore, è necessario adottare una differente struttura.

 Architetture basilari di ricevitori utilizzati in radioastronomia: radiometri e radio-spettrometri.

 

Architetture basilari di ricevitori utilizzati in radioastronomia: radiometri e radio-spettrometri.

 

Trascurando la complessa e costosa architettura del radio-spettrometro con banchi di filtri a banda stretta, obsoleta e di scarso interesse, le due tipologie utili sono il radio-spettrometro a scansione di frequenza e il radio-spettrometro FFT.

Il primo è un ricevitore a conversione di frequenza (principio dell'eterodina) dove è periodicamente scansionata la sua “finestra” di ricezione tramite un oscillatore locale a frequenza variabile che trasla, all'interno del canale a frequenza intermedia, una stretta porzione delle frequenze ricevute. Ad ogni passo di scansione è calcolata la potenza di segnale come in un radiometro. Terminata la scansione, avremo una rappresentazione completa dello spettro di potenza del segnale ricevuto.

Questa rappresentazione sarà tanto più accurata (e più lenta) quanto più stretta sarà la banda passante del filtro di canale a frequenza intermedia rispetto alla banda di ricezione. Inoltre, maggiore sarà la costante di integrazione che esegue la media della potenza di canale, minore sarà l'ampiezza di rumore visibile nella traccia e ancora più lenta sarà la scansione. Questi parametri si ottimizzano in funzione delle caratteristiche di stazionarietà nel tempo del segnale misurato e della sensibilità richiesta per il sistema ricevente.

Per ottenere anche l'informazione di fase delle varie componenti spettrali, come accade negli analizzatori vettoriali da laboratorio, sono necessari circuiti aggiuntivi.

Un radio-spettrometro a scansione di frequenza non analizza in tempo reale tutta la banda di ricezione: durante ogni periodo di scansione è misurata solo la piccola porzione di frequenze selezionata dall'oscillatore locale, ampia quanto la banda passante del filtro di canale a frequenza intermedia. Per catturare eventuali rapide variazioni spettrali è necessario prevedere una scansione sufficientemente “agile”, a svantaggio della sensibilità legata all'integrazione del segnale rivelato.

Molti radiotelescopi dilettantistici che analizzano il profilo della riga dell'idrogeno a 1420 MHz, ad esempio, operano secondo questo principio, utilizzando ricevitori per radioamatori come analizzatori di spettro a scansione di frequenza.

Non sono richieste prestazioni particolarmente spinte nell'elaborazione dei dati: l'uscita contiene già l'informazione sull'intensità di ogni componente spettrale. Si tratta di “digitalizzare” il segnale rivelato ad ogni passo di scansione con un convertitore analogico-digitale (ADC) non particolarmente veloce, gestendo il processo di misura tramite software dedicato su PC.

Un radio-spettrometro efficiente utilizza tecniche numeriche per calcolare istantaneamente lo spettro del segnale presente all'interno della banda passante del ricevitore. Ciò è possibile grazie all'evoluzione dei moderni dispositivi elettronici e alla potenza di calcolo dei Personal Computer (PC).

Come si vede dallo schema a blocchi, la struttura del radio-spettrometro FFT è concettualmente molto semplice, anche se tecnologicamente avanzata: tutta la banda passante del ricevitore (direttamente o dopo una traslazione in frequenza) è acquisita tramite un convertitore analogico-digitale veloce e i relativi campioni nel dominio del tempo sono convertiti in campioni spettrali (nel dominio della frequenza) da un processore (è quasi sempre un PC gestito da software dedicato) che utilizza l'algoritmo matematico DFT (Discrete Fourier Transform), una versione numerica della trasformata veloce di Fourier (FFT).

Si ottiene, così, lo spettro istantaneo dei segnali presenti all'interno della banda passante dello strumento. E' ovvio che, nel caso sia presente uno stadio di conversione (eterodina) della frequenza di ricezione, l'oscillatore locale (fisso) debba essere caratterizzato da elevata purezza spettrale e stabilità per non degradare le prestazioni dello strumento.

L'evidente vantaggio di questo sistema è la possibilità di analizzare, in tempo reale (latenze di calcolo a parte), ampie larghezze di banda nel dominio della frequenza. Naturalmente, le effettive prestazioni del sistema sono funzioni della capacità tecnologica dei dispositivi utilizzati (ADC veloci) e della potenza di calcolo del processore che esegue la DFT.

Lo strumento è molto utilizzato nel monitoraggio dei disturbi presenti nelle bande di frequenza di interesse radioastronomico, nel monitoraggio dei detriti spaziali e degli eventi meteorici (tecniche di tracciatura con radar bi-statico), nello studio delle righe molecolari, nelle ricerche SETI e in molte altre applicazioni.

Nei prossimi capitoli descriveremo un radio-spettrometro da noi realizzato (prototipo RALSpectrum) per lo studio della riga spettrale dell'idrogeno neutro a 21 centimetri e un analogo ricevitore costruito per esperimenti Meteor Scatter in banda VHF.

Grazie alla diffusione delle architetture SDR (Software Defined Radio), all'incremento nella potenza di calcolo dei PC e alla possibilità di reperire sul web ottimi programmi gratuiti per l'analisi spettrale, è oggi possibile realizzare economici radio-spettrometri utilizzabili in applicazioni di radioastronomia amatoriale.

Ancora una volta, navigando sul web si trovano numerosi esempi e fantasiose applicazioni, che spaziano dalla ricezione della radiazione sporadica di Giove e delle radio-tempeste solari nella banda di frequenze da 20 MHz fino ad oltre 40 MHz, alla ricezione dei radio-echi di meteore in banda VHF, fino allo studio della riga dell'idrogeno neutro a 1420 MHz e alle ricerche SETI.

Questo è un settore in continua e rapida evoluzione: anche nelle nostre pagine presenteremo progetti, esperimenti e prodotti dedicati allo studio nel dominio della frequenza di segnali radioastronomici.

 

 

Un esempio molto noto (e documentato sul web) di radio-spettrometro “minimale” ed economico utilizzabile per esperimenti di radioastronomia amatoriale: si tratta di una chiavetta USB originariamente prodotta come USB 2.0 DIGITAL TV TUNER RECEIVER, da noi modificata per migliorare la dissipazione termica e l'immunità ai disturbi esterni. Abbinando a questo dispositivo antenne, amplificatori RF a basso rumore (LNA) ed, eventualmente, filtri di banda per migliorare la dinamica di ricezione e ottimizzare l'immunità alle interferenze esterne, si possono sintonizzare frequenze da circa 20 MHz fino a circa 1500 MHz con una banda passante istantanea fino a 10 MHz. Sono reperibili e scaricabili gratuitamente sul web driver e software per trasformare questi dispositivi in “radio-scanner”.