Stazione ricevente

In questa sezione è presentata una stazione ricevente analogica per satelliti meteorologici polari e geostazionari. Si compone dei seguenti oggetti:

Antenna QHA: utilizzata in banda 137 MHz le trasmissioni APT
Preamplificatore 137 MHz: necessario per migliorare il rapporto S/N
Antenna parabolica: necessaria per ricevere le immagini dal satellite Meteosat
Preamplificatore/Convertitore: da 1.7 GHz a 137 MHz posto nelle vicinanze della parabola, permette un più comodo trasferimento del segnale
Ricevitore FM UHF: demodula i segnali a radiofrequenza e fornisce la bassa frequenza da inviare al computer
PC con software di decodifica: permette la corretta decodifica del segnale e quindi la visualizzazione delle immagini

7.1 Antenna QHA

Come si è visto in precedenza i satelliti polari trasmettono le immagini APT sui 137 MHz: dunque un'antenna adatta a tali frequenze potrebbe essere una semplice ground-plane. E' però evidente che un'antenna così ha un modestissimo guadagno e non è certo indicata per segnali satellitari molto deboli. Un primo miglioramento si ha impiegando un'antenna a doppio V, che garantisce un discreto guadagno, ma osservando il diagramma di radiazione, si nota che è piuttosto irregolare e presenta notevoli "buchi". Da esperienza diretta si è verificato che la migliore antenna con elevato guadagno e con diagramma di radiazione uniforme risulta essere un particolare tipo, denominata QHA: ovvero Quadrifilar Helix Antenna. I suoi pregi non sono unicamente quelli appena esposti, ma ne sono presenti almeno altri due: anzitutto il diagramma di radiazione verticale risulta leggermente appiattito così da amplificare maggiormente i segnali provenienti dai punti bassi sull'orizzonte (laddove aumenta il rumore); inoltre essendo composta da due dipoli ripiegati, ai quali è stata applicata una torsione di 90° e collegati in quadratura, si comporta come un'antenna per segnali polarizzati circolarmente, e in effetti la trasmissione dei satelliti polari avviene in polarizzazione circolare destrorsa. La foto in alto a sinistra mostra l'antenna, autocostruita, installata sul tetto di casa mia.

Le immagini qui sotto evidenziano come cambiando antenna migliori il risultato, tenendo presente che sono state ricevute nelle medesime condizioni e con lo stesso ricevitore. In ogni caso sono state le primissime immagini da me ricevute, con il ricevitore non ancora perfettamente tarato.

Antenna Ground-Plane		Antenna QHA

7.2 Preamplificatore 137 MHz

Il segnale a radiofrequenza presente ai capi dell'antenna deve essere trasferito al ricevitore per mezzo di un cavo coassiale (tipo RG58 o superiore). Per garantire un buon rapporto segnale/rumore è consigliabile, se non addirittura indispensabile inserire un preamplificatore. Le caratteristiche che questo apparato dovrebbe avere possono essere così riassunte:

Basso rumore: si ottiene utilizzando come componente attivo un Mosfet a basso rumore
Alta selettività: per raggiungere questo obiettivo la soluzione più semplice è quella di inserire più circuiti accordati sia in ingresso sia in uscita
Elevata stabilità termica: è necessaria poiché dovendo essere installato all'aperto è soggetto a violenti e repentini sbalzi di temperatura e umidità

Il preamplificatore che impiego attualmente utilizza un Mosfet tipo BF.966 e ben tre circuiti accordati così da ridurre la banda passante a meno di un Megahertz. E' consigliabile montare il circuito seguendo i classici canoni dei montaggi a radiofrequenza: assemblato "in aria" e racchiuso in una scatoletta metallica, in modo da schermarlo da disturbi elettromagnetici. L'alimentazione può essere prelevata direttamente dalla linea di discesa utilizzando la cosiddetta telealimentazione: si tratta di immettere sul cavo coassiale anche la tensione continua destinata ad alimentare l'amplificatore, avendo cura di separarla dall'alta frequenza per mezzo di capacità e induttanze.
L'alta selettività richiesta come parametro è necessaria per limitare il rumore, che, com'è noto, è direttamente proporzionale alla larghezza di banda considerata.

7.3 Antenna parabolica

L'antenna parabolica è necessaria per ricevere le immagini trasmesse dal satellite Meteosat. Si potrebbe utilizzare anche una Yagi fortemente direttiva, ma l'esperienza consiglia un riflettore parabolico di almeno un metro di diametro, per garantire immagini prive di rumore (i fastidiosi puntini bianchi o neri). Sarebbe inoltre auspicabile un riflettore primo fuoco, anche se una parabola tipo offset funziona ugualmente, a patto di posizionare molto accuratamente l'illuminatore nel fuoco dell'antenna. Considerato che non sempre è possibile installare una parabola di queste dimensioni, soprattutto se si abita in un condominio, è altresì una valida soluzione l'utilizzo di un riflettore parabolico a griglia (come quello fornito da Nuova Elettronica).
L'illuminatore impiegato per queste frequenze (si ricordi che il Meteosat trasmette il polarizzazione orizzontale a 1,7 GHz) può essere essenzialmente di due tipi: a barattolo o corner-reflector. Indipendentemente dal tipo di illuminatore utilizzato, è importante che sia posto esattamente nel fuoco della parabola e, se possibile, ruotato sperimentalmente per correggere il problema dello screw.

7.4 Preamplificatore/Convertitore

Il segnale captato dall'antenna parabolica, deve essere necessariamente abbassato di frequenza e amplificato per poter raggiungere il ricevitore. A questo scopo l'illuminatore è connesso da un cavo per altissima frequenza (tipo RG.11 ad esempio), il più corto possibile, al convertitore che funge anche da amplificatore. La frequenza di conversione è ovviamente prossima ai 137 MHz, così da sfruttare lo stesso ricevitore sia per i satelliti polari che per il Meteosat. Personalmente credo che questo dispositivo sia l'unico che convenga acquistare, a causa della complessità circuitale e soprattutto dell'estrema criticità, provocata dalla frequenza di lavoro dell'ordine dei GHz. Nuova Elettronica produce un ottimo esemplare, utilizzabile sia per il Meteosat sia per le trasmissioni digitali HRPT dei NOAA. Caratteristiche degne di nota sono il guadagno davvero elevato, circa 50 dB e la figura di rumore molto contenuta, inferiore a 0,9 dB.

7.5 Ricevitore FM

A prima vista sembrerebbe che il ricevitore sia il fulcro di tutto il sistema ricevente, e in parte lo è, ma non bisogna trascurare alcuna sezione, in quanto tutte contribuiscono al risultato finale. Anche, e soprattutto, un mezzo metro di cavo coassiale non idoneo può pregiudicare la qualità dell'intero sistema. In ogni caso al ricevitore è d'obbligo dare un occhio di riguardo. Il ricevitore che utilizzo, del tipo supereterodina, è in gran parte da me progettato, interamente autocostruito, e possiede le seguenti caratteristiche (esposte in maniera non proprio formale, ma assai efficaci e desunte empiricamente):

Alta selettività: garantita dal circuito d'ingresso estremamente selettivo, e dalla presenza di ben cinque compensatori che provvedono ad una precisa taratura dello stadio di accordo/conversione
Elevata sensibilità: questo parametro si evince dal confronto con altri ricevitori sintonizzati sullo stesso segnale
AGC e AFC: ovvero, del controllo automatico di guadagno e di frequenza, che garantiscono una demodulazione più corretta e fedele
S-Meter: il segnale di controllo dell'intensità del segnale (prima della demodulazione) è prelevato direttamente dall'integrato LM3089 (demodulatore FM)
Canali predefiniti: attraverso otto trimmer è possibile definire le frequenze di ricezione per altrettanti canali, selezionabili in via digitale
Sintonia fine: un potenziometro multigiri permette una accurata sintonia anche sui segnali debolissimi, e quindi con una stretta larghezza di banda
LINE OUT indipendente: il ricevitore è provvisto di una uscita di bassa frequenza, per inviare il segnale demodulato al PC, separata dallo stadio di BF che pilota l'altoparlante. Ciò consente di regolare in modo differente i due livelli di volume, al fine di garantire un ascolto confortevole e, al tempo stesso, una corretta intensità di segnale sull'ingresso della scheda audio
Uscita 10,7 MHz: un BNC posto sul retro del ricevitore, permette di prelevare il segnale a media frequenza, in modo da sfruttare lo stadio di ingresso e rivelare la trasmissione con un altro apparecchio. Inoltre con un'apposita scheda di decodifica è possibile ricevere le immagini digitali trasmesse dai NOAA e dal Meteosat (in fase di sviluppo)
Uscita 15 V: è un'uscita supplementare, utilizzabile per alimentare ulteriori strumenti direttamente dal ricevitore. Ad esempio, si rivela utilissima nel caso si voglia impiegare un altro preamplificatore e non si dispone della tensione continua, oppure ancora per alimentare un'eventuale scheda di decodifica digitale. In ogni caso l'assorbimento dell'apparecchio da alimentare non deve superare il valore indicato sul retro del ricevitore.

    La selezione dei canali è necessaria, poiché le trasmissioni delle immagini APT avvengono in banda 137 MHz, ma a poche centinaia di KHz di distanza. E' quindi ovvio che, per sintonizzarsi su un singolo canale, occorra disporre di un ricevitore altamente selettivo, caratteristica questa egregiamente assolta dai circuiti accordati d'ingresso. La sintonia grossa viene effettuata per mezzo di otto trimmer, che fungendo da partitori di tensione, regolano la differenza di potenziale da applicare al diodo varicap. Così varierà la frequenza dell'oscillatore locale e, di conseguenza, la frequenza di sintonia. La sintonia fine è invece regolabile attraverso un potenziometro multigiri, inserito in un partitore di tensione accuratamente dimensionato, che provvede a far variare la tensione di alimentazione dei trimmer di poche centinaia di millivolt. In questo modo la sintonia fine si rivela estremamente efficace.
     Una scheda da me progettata permette di attivare in sequenza gli otto canali, premendo semplicemente un pulsante. Il funzionamento è piuttosto semplice anche se non proprio banale: come si vede dallo schema elettrico ogni trimmer è individuato da due multiplexer analogici, così che siano alimentati uno alla volta. Questo impedisce che si "carichino" a vicenda, e garantisce una separazione fra il circuito di controllo e la sezione dell'oscillatore locale. Gli indirizzi dei multiplexer, tre in tutto, due per selezionare i trimmer, uno per visualizzare quello attivo mediante un LED, sono pilotati da un contatore binario. Quest'ultimo è comandato da un pulsante, così da incrementare il conteggio ad ogni pressione. Una semplice interfaccia composta da tre transistor in configurazione ON-OFF, permette una conversione fra i livelli TTL e C/MOS. Infine, in parallelo al pulsante è presente un condensatore, la cui funzione è unicamente quella di ripulire il fronte d'onda generato dalla chiusura del contatto meccanico, al fine di impedire che eventuali impulsi spuri pregiudichino il corretto conteggio.
    L'uscita a 10,7 MHz è prelevata dall'ingresso del 3089 e trasferita sul BNC per mezzo di un separatore a FET. Così facendo, si rendono indipendenti le due uscite. La media frequenza così disponibile all'esterno può essere utilizzata per vari scopi: uno prettamente pratico, cioè la taratura dello stadio di media frequenza di un altro ricevitore, sfruttando questo stadio d'ingresso particolarmente sensibile e selettivo; inoltre consente di sfruttare il presente ricevitore come sintonizzatore per le trasmissioni digitali, che richiedono un'apposita scheda di acquisizione e decodifica del segnale.
    Sul pannello frontale sono presenti due manopole di regolazione del volume, con la dicitura: "Speaker" e "Line OUT". La possibilità di regolare in modo indipendente il volume dell'altoparlante e della linea di uscita jack, permette un comfort di ascolto non condizionato dal livello di segnale richiesto dal PC al quale il ricevitore è collegato. Per il solo altoparlante è prevista inoltre la funzione di mute, non presente invece per l'uscita di bassa frequenza poiché lo stesso effetto si ottiene più comodamente via software.

7.6 PC e software di decodifica

Il segnale di bassa frequenza, composto, come già detto, da una sottoportante a 2400 Hz modulata in AM, contiene, riga per riga, l'immagine trasmessa dal satellite. Per poterla visualizzare sullo schermo, in passato si utilizzavano schede di conversione e macchine fac-simile dall'ingombro notevole, dalla scarsa flessibilità e dalla mediocre qualità dei risultati. Oggi è possibile, disponendo di un comune PC compatibile, acquisire il segnale attraverso la scheda audio e di demodularlo con software che, sfruttando l'elaborazione DSP, permettono una conversione in tempo reale e un'elevata flessibilità. Il software, forse, più diffuso è WxSat, disponibile in versione freeware su Internet. Questa applicazione provvede alla demodulazione di segnali APT dei satelliti NOAA, Meteor, Meteosat e, inoltre, consente la ricezione delle immagini FAX trasmesse via radio. E' dotato di numerose funzioni dedicate alla ricezione e memorizzazione automatica delle immagini e, addirittura, del file wave. E' infatti comodo disporre ti tale file, poiché si può così elaborarli e verificare i risultati in modo immediato.