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Un Ricevitore Low-Noise SDR-Based per l’Emissione a 21cm dell’Idrogeno Neutro

Abstract : dopo l’articolo sulla antenna piramidale a corno : Antenna per l’Emissione a 21cm dell’Idrogeno Neutro, passiamo ora a descrivere la progettazione, la realizzazione e l’analisi del sistema hardware per la ricezione della radio-emissione a 21cm dell’idrogeno neutro.

Progetto

Quello che ci proponiamo di realizzare è un ricevitore centrato sulla frequenza di 1420 MHz, con una larghezza di banda di circa 50 MHz. Il segnale che dobbiamo ricevere è molto debole, prevediamo un guadagno complessivo di circa 50dB, ed è praticamente indistinguibile dal rumore elettronico, per questo motivo è necessario utilizzare guadagni elevati e nel contempo mantenere il rumore il più basso possibile al fine di massimizzare il rapporto segnale – rumore. Il primo componente sarà quindi un amplificatore a basso rumore (LNA) con una figura di rumore < 1dB.
Dopo lo stadio di amplificazione sarà necessario inserire un filtro passa-banda centrato a 1420 MHz al fine di selezionare soltanto la porzione di spettro che ci interessa.
Il ricevitore vero e proprio sarà un modulo SDR (software defined radio) collegato alla porta USB del computer. Il modulo SDR dovrà avere una buona stabilità di frequenza nel tempo al fine di ottenere spettri di segnale ben definiti e ripetibili.
Questi vincoli ci hanno portati a delineare il seguente progetto di ricevitore.

I componenti che abbiamo individuato sono i seguenti :

  • Amplificatore LNA prefiltrato a 1420MHz, gain=30-40dB, FN<1dB
  • Amplificatore larga banda, gain=10-20dB
  • Filtro passa banda (banda passante di circa 50MHz) centrato a 1420MHz

LNA Prefiltrato a 1420 MHz

Il primo componente della catena di ricezione del segnale è l’amplificatore a basso rumore (LNA), è il componente più critico e più importante perchè la sua cifra di rumore (NF) determina la cifra di rumore di tutto l’apparato. E’ importante scegliere quindi un buon LNA con un basso fattore di rumore in modo da massimizzare il rapporto S/N.
Nel nostro ricevitore abbiamo adottato un amplificatore della NooElec appositamente progettato per la ricezione della frequenza di 1420MHz. NooElec SAWbird+ H1m è un modulo amplificatore a bassissimo rumore (LNA) con filtro SAW premium connesso a cascata. L’amplificatore, centrato alla frequenza di 1420 MHz, è progettato per la ricezione della linea a 21cm dell’idrogeno neutro.
L’immagine sotto mostra l’amplificatore nel suo contenitore di alluminio con i due connettori SMA e la presa USB per l’alimentazione.

L’immagine seguente, tratta direttamente dalla documentazione NooElec, mostra lo schema dell’amplificatore. Il filtro è connesso tra i due stadi di amplificazione. Va notato che l’uscita RF è connessa direttamente alla parte di alimentazione, questo significa che l’amplificatore può essere anche alimentato tramite un bias-T direttamente dallo stadio ricevitore a valle dell’amplificatore. Per convenienza noi abbiamo alimentato il componente tramite presa USB, così facendo però sulla uscita RF è presenta una tensione continua (DC) di circa 5V che va filtrata con un opportuno DC-Block (oppure con un buon condensatore).

Dati Tecnici :

  • +40dB of RF gain at 1420MHz
  • 65MHz 3dB bandwidth
  • 0.8dB noise figure at 1420MHz
  • 50Ω gain block
  • +3.3V-5V single supply
  • 122mA Current Draw

La tabella sotto ed il diagramma seguente mostrano la risposta in frequenza dell’amplificatore. Si vede come la banda passante vada da un minimo di 1380MHz fino ad un massimo di 1440MHz, con un guadagno di 40dB. Al di fuori della banda il guadagno si riduce fino a -20dB.

Frequency (MHz) Gain (dB)
1300 -7
1420 40
1500 0

Amplificatore Wideband

Questa unità HAB-FLTNOSAW della UPUTRONICS è un preamplificatore progettato per stare tra un ricevitore SDR e l’antenna. L’LNA utilizzato all’interno è un MiniCircuits PSA4-5043. In questo particolare modello il filtro SAW è stato rimosso per coprire una banda più ampia da 0,1MHz a 4GHz. Ci sono 2 opzioni per alimentare l’unità : tramite il connettore USB o tramite bias-tee. Dispositivi come Airspy possono abilitare il bias-tee e alimentare il dispositivo. In alternativa è possibile utilizzare qualsiasi cavo mini USB per alimentare il dispositivo. Noi abbiamo scelto di alimentare l’unità tramite linea USB.

Dati Tecnici :
Gain 24db @ 100MHz -> 15.2db @ 1415MHz
NF 0.75dB
Supply Voltage USB or Bias tee 5V

Le immagini sotto mostrano l’unità nel suo contenitore di alluminio e la risposta in frequenza dell’amplificatore.

Frequency (MHz) Gain (dB)
1300 16
1420 15
1500 14

Filtro Passa Banda a 1420 MHz

Questo filtro è dedicato ai radioastronomi dilettanti interessati alle osservazioni della linea dell’idrogeno a 21cm. Utilizza il componente SAW TA2494A e misura solo 50 x 10 mm. È dotato di bordi per una facile saldatura di uno schermo RF. La perdita per inserzione è in genere inferiore a 3,5 dB ed ha una larghezza di banda di 80 MHz.

Dati Tecnici :
Frequenza Centrale 1420MHz
Banda utile 1380-1460MHz
Perdita per inserzione, 1380-1460 MHz 3.5dB
Ripple, 1380-1460 MHz 1.0 dBpp
VSWR, 1380-1420 MHz 1.9:1
Reiezione riferita a 0dB :
DC-1300 MHz 28dB
1550-3000 MHz 30dB
Impedenza 50Ω
Max Potenza di ingresso 10 dBm

Nelle immagini sottostanti mostriamo l’unità e la sua risposta in frequenza. Abbiamo saldato due fili tra i connettori femmina SMA e abbiamo avvolto il filtro con nastro di alluminio allo scopo di schermare il filtro.

Frequency (MHz) Gain (dB)
1300 -50
1420 -3.5
1500 -50

Ricevitore SDR AirSpy R2

Dal sito del produttore : Airspy R2 stabilisce un nuovo livello di prestazioni nella ricezione delle bande VHF e UHF grazie alla sua architettura low-IF basata sul chip Rafael Micro R820T2 e un ADC Oversampling a 12 bit di alta qualità e DSP all’avanguardia. In modalità Oversampling, Airspy R2 applica filtri RF e IF analogici al percorso del segnale e aumenta la risoluzione fino a 16 bit utilizzando la decimazione software. La copertura può essere estesa alle bande HF tramite l’up-converter companion SpyVerter (non utilizzato da noi). Airspy R2 è compatibile al 100% con tutto il software esistente, incluso lo standard di scansione SDR #, ma anche con una serie di popolari applicazioni radio definite dal software come SDR-Radio, HDSDR, GQRX e GNU Radio. E’ inoltre importante per la nostra applicazione la stabilità e precisione del clock per l’oscillatore locale, data a 0.5ppm.

Caratteristiche principali del ricevitore SDR AirSpy:
● Continuous 24 – 1700 MHz native RX range, down to DC with the SpyVerter option (non utilizzato)
● 3.5 dB NF between 42 and 1002 MHz
● Maximum RF input of +10 dBm
● Tracking RF filters
● 35dBm IIP3 RF front end
12bit ADC @ 20 MSPS (10.4 ENOB, 70dB SNR, 95dB SFDR)
● 10MSPS IQ output
0.5 ppm high precision, low phase noise clock
● 10 MHz panoramic spectrum view with up to 9 MHz alias/image free
No IQ imbalance, DC offset or 1/F noise at the center of the spectrum1 x RF Input
● 4.5v software switched Bias-Tee to power LNAs and up/down-converters (non utilizzato)
● Operating temperature: -10°C to 40°C

Nella configurazione dell’apparato (fatta attraverso il driver osmocom in GnuRadio) il guadagno RF viene impostato su 0 (impostazione predefinita), mentre i guadagni IF e BB sono posti ciascuno a 10 dB. Questi valori di guadagno molto bassi mostrano l’efficacia dei componenti posti a monte del ricevitore : dalla antenna agli amplificatori LNA e Wideband. Viene inoltre disabilitata l’opzione bias-T.

Il Ricevitore Completo

Tutti i componenti del ricevitore sono stati collocati in una scatola a tenuta, rivestita internamente con nastro di alluminio allo scopo di aumentare la schermatura contro interferenze RF. Come si vede tutti i moduli sono provvisti di contenitore metallico quindi in questo modo abbiamo realizzato una sorta di doppia schermatura. L’antenna è collegata direttamente al modulo LNA e, in cascata sono collegati tutti gli altri moduli fino al ricevitore SDR Airspy. Per il collegamento tra i moduli abbiamo utilizzato connettori SMA male-male e male-female diritti e ad angolo retto ed uno spezzone di cavo. L’alimentazione degli amplificatori viene ottenuta via USB da una batteria “power bank” collocata esternamente, mentre il ricevitore Airspy viene alimentato dal PC via USB. Per il collegamento al PC abbiamo utilizzato un cavo USB con prolunga, il PC laptop viene utilizzato con la batteria scollegato dalla alimentazione : abbiamo preso tutti gli accorgimenti per diminuire al massimo il rumore e le interferenze RF. L’immagine sotto mostra il ricevitore dalla antenna al modulo Airspy.

Analisi del Sistema Ricevitore

Guadagno

Per ognuno dei componenti sommiamo il guadagno :

Frequency (MHz) Gain (dB)
1300 -7+16-50 = -41
1420 40+15-3.5 = 51.5
1500 0+14-50 = -36

Si vede come il guadagno alla nostra frequenza abbia il valore di circa 50dB mentre le frequenze adiacenti siano notevolmente ridotte dalla operazione di filtrazione. Dato il guadagno piuttosto elevato bisognerà fare attenzione a non lavorare in regime di saturazione. Notiamo inoltre che quanto sopra non tiene conto del “guadagno” della antenna e della sua ulteriore operazione di filtrazione rispetto alle altre frequenze (l’antenna funziona da filtro passa alto).

Naturalmente a questi valori va aggiunto il contributo del ricevitore SDR, nel quale può essere configurato il guadagno RF, il guadagno IF ed il guadagno BB. Nel nostro caso poniamo il guadagno RF pari a 0, mentre gli altri due parametri li poniamo a 10dB.

Cifra di Rumore

Per la cifra di rumore bisogna utilizzare la formula di Friis :

Dove i valori di F e G non sono espressi in dB ma come rapporti.

G1 = 40db = 10000
F1 = 0.8dB = 1.2
F2 = 0.75dB = 1.2

Ftotal = F1 + (F2 – 1) / G1 =1.2 + (1.2-1)/10000 ≅ 1.2 ⇒ Ftotal = 0.8dB

Si vede come la cifra di rumore sia praticamente uguale al valore della cifra di rumore dell’LNA. Si capisce quindi l’importanza del primo stadio nella catena di amplificazione del segnale RF. Alla parte RF va inoltre aggiunto il contributo di rumore del ricevitore SDR che viene dato pari a 3.5dB, dato però l’elevato guadagno della catena RF questo contributo è trascurabile.

Con questi dati possiamo anche calcolare la temperatura equivalente di rumore Te del nostro ricevitore. La temperatura di rumore è un concetto teorico e si riferisce al rumore che verrebbe generato da un resistore portato alla temperatura Te. La temperatura Te è legata alla cifra di rumore dalla seguente relazione :

Te = (F-1)*To

Dove To è la temperatura di riferimento di 290°K. Per il nostro sistema si ottiene Te = 58°K. Si tratta di una valutazione forse un pò ottimistica, probabilmente il valore reale è più elevato.

Riferimenti

In rete si trovano numerosi esempi di antenne e ricevitori per l’emissione dell’idrogeno neutro a 21 cm. Al seguente link c’è la descrizione di un ottimo progetto simile : probe-the-galaxy-on-a-shoestring-with-this-diy-hydrogen-line-telescope, e questa è la relativa documentazione : Hydrogen Line Project Documentation. Un sito molto ricco di informazioni (direi indispensabile ..) è il seguente DSPIRA

Passo Successivo

Il passo successivo consiste nel mettere a punto la parte software GNU Radio di ricezione, registrazione ed analisi dei dati : Un Ricevitore Low-Noise SDR-Based per l’Emissione a 21cm dell’Idrogeno Neutro

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