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La ricezione delle onde radio sotto 22 kHz

da | 4 Nov, 21 | Design, RF/Wireless, Technology & Science |

Nella banda delle frequenze radio sotto 22 kHz non si riceve musica, parole, notiziari, canzoni. Vi sono solo rumori o segnali prodotti da diverse fonti come, ad esempio, sottomarini, apparecchiature elettriche, relè, radar, segnali astronomici e, soprattutto dalla Terra. Sono molti, infatti, i segnali elettrici prodotti dal nostro amato pianeta e, continuamente, essa emette impulsi di vario genere. Si tratta di fenomeni naturali che influenzano anche il campo elettrico e magnetico, vista anche la grandezza degli episodi. Essi interessano il magnetismo terrestre, l’elettricità atmosferica, varie emissioni e, persino, quelle emesse dal pianeta prima e dopo i terremoti. Per tale motivo le emissioni sono definite anche Radio Natura. Si tratta, spesso, di rumori radio con origini naturali, come fulmini, nuvole, meteore e altro ed è possibile ascoltare crepitii, cinguettii, fischi e altro. Si può parlare di attività noiosa? Assolutamente no. Questo tipo di rilevazioni sono affascinanti e interessanti e, spesso, riservano tante sorprese.

La banda di frequenze

La banda che andiamo ad “ascoltare” è collocata nella frequenza compresa tra 0 e 22 kHz. Come si può osservare dalla tabella sottostante, si tratta di frequenze molto basse, corrispondenti alle frequenze audio ascoltabili dall’uomo, ma che prevedono anche emissioni di onde elettromagnetiche. Se la generazione di un segnale a queste frequenze è molto semplice, non è altrettanto semplice costruire le antenne accordate, in quanto la lunghezza d’onda corrispondente è pari a centinaia e migliaia di chilometri. Ad esempio un dipolo mezz’onda accordato sulla frequenza di 1500 Hz dovrebbe possedere un braccio lungo circa 50 chilometri. Una realizzazione impossibile. Su queste basse frequenze non esistono ricevitori commerciali soddisfacenti e le antenne devono essere preparate con molta cura. La scheda audio del nostro computer si comporta come un ottimo ricevitore ma deve essere collegata a una antenna adatta. Oltre alla scheda audio è necessario un software per la visualizzazione, la registrazione e l’analisi del segnale ricevuto. La banda VLF è una frazione molto piccola di tutto lo spettro radio. Essa regala sicuramente tante soddisfazioni, anche utilizzando mezzi di emergenza, a basso costo. Probabilmente anche gli animali e l’uomo riesce a ricevere alcuni segnali di questo tipo e il nostro cervello potrebbe essere sensibile maggiormente alla banda ULF.

Banda Frequenza
ELF 3 Hz – 30 Hz
SLF 30 Hz – 300 Hz
ULF 300 Hz – 3 kHz
VLF 3 kHz – 30 kHz
LF 30 kHz – 300 kHz

Ascoltare o leggere?

In queste bande a bassa frequenza non si ascoltano i segnali in altoparlante o cuffia, o meglio, l’emissione di suoni potrebbe avvenire ma non è l’attività principale, come avviene normalmente su altre frequenze. Al contrario, le varie emissioni si “ascoltano” decodificando e interpretando opportunamente uno spettrogramma (vedi in figura 1). Un software o hardware che analizzi lo spettro prende il posto delle nostre orecchie ed è il mezzo principale per analizzare e registrare i segnali in questa banda. Come si può notare dalla registrazione sul dominio del tempo, l’asse X rappresenta i secondi trascorsi e l’asse Y rappresenta la frequenza nella quale il segnale viene registrata. Una diversa colorazione o intensità del grafico (asse Z) descrive la sua potenza.

Figura 1: un tipico spettrogramma monocromatico nella banda 0-24 kHz

Oggi è molto semplice ricevere i segnali radio a bassa frequenza e non è necessario possedere un costoso ricevitore. E’ sufficiente avere un Personal Computer dotato di scheda audio ed un software, per ottenere un’analisi della banda osservata. In uno spettrogramma a queste frequenze si possono osservare segnali di ogni tipo, naturali e umani. Gli ultimi sono sempre codificati e digitali per cui una loro interpretazione risulta spesso complicata. La banda 0-22KHz è ancora uno spazio misterioso e poco esplorato. In essa vi sono segnali naturali di qualsiasi tipo, esterni e interni generati dalla Terra e impulsi trasmessi anche da stazioni umane di varia natura. Purtroppo la frequenza di rete (50 Hz o 60 Hz) è molto presente negli spettrogrammi e spesso costituisce un piccolo ostacolo da superare, per via delle interferenze prodotte e rumori generati. Proprio per questo motivo è utile eseguire gli studi in aperta campagna, lontano dal centro abitato, dove i disturbi elettrici sono di minore intensità. Dopo aver acquisito una certa esperienza, è utile creare un ricco database dei segnali ricevuti in formato WAV, contrassegnando anche la data e la frequenza radio in cui è avvenuta la registrazione. E’ possibile, ad esempio, memorizzare il materiale audio su CD-ROM o DVD per una archiviazione di lunga durata.

Una stazione minimale

Come detto in precedenza, realizzare la propria stazione di ascolto nella banda delle VLF è molto semplice. Osservando la figura 2, i componenti principali da utilizzare sono i seguenti:

  • un luogo elettricamente tranquillo e silenzioso;
  • antenna;
  • preamplificatore;
  • scheda audio;
  • personal computer;
  • software.

Si noti che la maggior parte del lavoro è svolto dal software. Esistono programmi (anche in versione freeware) di ottima qualità che svolgono anche funzione di amplificatore e di filtro. Per le prove iniziali, il preamplificatore e il filtro possono essere omesse.

Figura 2: una tipica stazione di ascolto a basso costo e realizzabile da chiunque

Antenna

L’antenna è l’elemento principale in qualsiasi stazione radio, trasmittente o ricevente. In teoria, viste le basse frequenze utilizzate e le relative enormi lunghezze d’onda, occorrerebbe una antenna dalle dimensioni gigantesche, anche centinaia e migliaia di chilometri. Per l’antenna vi sono almeno tre soluzioni da seguire (vedi figura 3), secondo la difficoltà del lavoro da eseguire, i risultati che si vogliono ottenere e lo spazio disponibile in casa:

  • antenna filare random (random wire);
  • antenna Loop;
  • antenna in ferrite;
  • dipolo di terra (per ascoltare l’interno della Terra).

Figura 3: diversi tipi di antenna

L’antenna può essere costruita in molti modi. Il filo deve essere isolato con una copertura di plastica, oppure può essere usato un filo smaltato. L’antenna filare random è un tipo di antenna costituita da un cavo sospeso sopra al suolo, la cui lunghezza non è correlata alla lunghezza d’onda desiderata ma adattata secondo lo spazio disponibile. Per la sua natura elettrica, questo tipo di antenna raccoglie molto rumore. L’antenna Loop è composta da uno o più spire e risulta molto “silenziosa” nelle bande interessate. Essa deve costituire un circuito risonante, quindi necessita di un condensatore variabile collegato in parallelo. Nel nostro caso il numero di spire deve essere molto elevato. Il numero di giri, il diametro del filo e l’area della bobina determinano la sua induttanza e la sua resistenza. A differenza della antenna random, l’antenna loop oppure quella a telaio non ha bisogno di un collegamento a terra. Per l’antenna in ferrite occorre avvolgere molto filo smaltato attorno a un nucleo di ferrite. Le dimensioni dell’antenna devono essere abbastanza elevate. C’è chi ha usato 14 km di filo smaltato. Infine il dipolo di terra è utilizzato per ascoltare i segnali elettrici provenienti direttamente dal nostro pianeta. E’ costituito da due picchetti conficcati nel terreno e alimentati al centro. La lunghezza del filo è nell’ordine delle centinaia di metri. E adesso qualche raccomandazione sulle scariche elettrostatiche e l’alta tensione. Se si realizza una antenna con un lungo filo (diciamo maggiore di 100-200 metri) aumenta la probabilità della presenza di una pericolosa elettricità statica. Sarebbe anche consigliabile abbassare l’’impedenza con un accordatore d’antenna a Pi-Greco. Il filo, direttamente o indirettamente, si deve collegare alla presa jack del microfono della scheda audio del computer. Tale connessione potrebbe risultare rischiosa per il chip audio, se i livelli di elettricità statica sono elevato. Con tutto quel filo, infatti, oltre che all’impedenza è bene preoccuparsi delle tensioni statiche. Il pericolo è rappresentato non solo dalla caduta di un fulmine nelle vicinanze o sull’antenna, ma anche da un campo di elettricità statica meno potente. favorito dall’aria secca. La tensione elettrostatica si immagazzina sull’antenna e, assieme al suolo, quest’ultima si comporta come un condensatore. E consigliabile, quindi, realizzare un sistema che possa scaricare a terra questi campi elettrici. Uno di questi metodi prevede il collegamento dell’antenna a terra tramite una resistenza di elevato valore, diciamo di circa 5-10 MegaOhm (vedi figura 4). Oppure ancora i possono collegare due diodi in antiparallelo all’ingresso della linea.

Figura 4: un esempio di antenna Random con la relativa impedenza approssimativa

Preamplificatore

Spesso è utile amplificare il segnale dell’antenna, specialmente se le prove di ascolto si fanno in aperta campagna, dove il segnale è molto “silenzioso” e si ricevono effettivamente i messaggi utili, senza interferenze aziendali o domestiche da attenuare.Un amplificatore di frequenza audio adatto per l’uso con un’antenna VLF è facile da costruire. Un guadagno di circa +15 dB contribuisce a rendere leggermente più forte il segnale proveniente dall’antenna. Dal momento che l’impedenza dell’antenna è molto alta, si consiglia la realizzazione di un preamplificatore a FET. Uno a BJT andrebbe ad abbassare drasticamente il segnale, vista la sua impedenza d’ingresso di circa 1000-4000 Ohm. Un FET, invece, possiede una impedenza d’ingresso pari a 8-10 MegaOhm e il rumore interno è quasi nullo. Uno schema elettrico di principio, ma perfettamente funzionante, è mostrato in figura 5. Esso è realizzato con il FET 2N3819 (J1), facilmente reperibile in qualunque negozio di elettronica. Le resistenze R1 e R2 polarizzano il transistor in modo che la tensione di Drain possa oscillare liberamente senza un’eventuale distorsione. Il trimmer R5 da 22 kOhm decide l’amplificazione del circuito, compresa tra 1.5X e 4.5X.

Figura 5: schema elettrico del preamplificatore d’antenna

Il circuito elettrico dell’amplificatore lavora a basse frequenze, quelle audio. La sua realizzazione non è critica e si può affrontarla con molta disinvoltura. Il grafico della figura 6 mostra il segnale in entrata e in uscita con l’amplificazione massima, insieme alla sua risposta in frequenza. Il segnale di uscita è in opposizione di fase, rispetto l’ingresso. Il consumo dell’amplificatore è molto basso. La corrente richiesta è di circa 2.7 mA e utilizzando una batteria da 9 V, l’autonomia è di circa 100 ore.

Figura 6: il segnale d’ingresso dell’amplificatore (traccia gialla) e il segnale di uscita (traccia verde) e la risposta in frequenza

Scheda audio

La scheda audio è il dispositivo che sostituisce il ricevitore radio, nella banda compresa tra 0 e 22 kHz. Il limite di 24 kHz dipende dalla larghezza di banda e dalla frequenza di campionamento della scheda audio del PC. Se la scheda consente frequenze di campionamento fino a 192.000 campioni al secondo, è possibile osservare segnali fino a 96kHz. Nel suo utilizzo si deve dosare con cura la sua amplificazione, per evitare possibili intermodulazioni. Per le sperimentazioni di questo articolo è stata utilizzata la scheda audio esterna USB Tascam 2×2 (visibile in figura 7), con frequenza di campionamento di 96 kHz. Essa permette di scegliere due diverse impedenze d’ingresso, tramite un interruttore sul pannello frontale: 10 kOhm e 1 Mohm.

Figura 7: la scheda audio esterna Tascam 2×2

Personal computer

Per il PC non vi sono particolari raccomandazioni, e si può usare un PC da tavolo oppure un computer portatile. L’alimentazione elettrica a batterie contribuisce a isolare il sistema dalla rete AC 50 Hz o 60 Hz. SI consiglia di montare un hard disk molto capiente, per contenere le numerose registrazioni WAV che saranno effettuate.

Il software

Il software costituisce il tassello dedicato alla registrazione dei segnali, alla relativa rappresentazione su monitor e alla eventuale registrazione su Hard Disk. Esistono tantissimi programmi dedicati a questa attività di ascolto, ma quelli utilizzati per l’articolo (vedi figura 8) sono i seguenti:

  • HDSDR;
  • WASP;
  • SoX.

Figura 8: i software HDSDR, WASP e SoX.

In breve, HDSDR è un programma freeware (SDR) per Microsoft Windows. Le sue applicazioni tipiche sono radio ascolto, SWL, radio astronomia, e analisi dello spettro. WASP è un programma gratuito per la registrazione, la visualizzazione e l’analisi delle tracce audio. Con esso è possibile anche visualizzare spettrogrammi. SoX legge e scrive file audio nei formati più diffusi e può applicare effetti. Tutte le funzionalità sono disponibili usando solo il comando SoX. E’ uno strumento molto potente di elaborazione audio da riga di comando, particolarmente adatto per apportare modifiche rapide e semplici e per l’elaborazione in batch. Con esso è possibile visualizzare spettrogrammi ad altissima risoluzione.

E adesso, ascoltiamo…

In questa banda molti segnali appartengono a dispositivi elettrici situati nelle vicinanze della stazione radio. E’ normale ricevere disturbi causati da TV, radio, lampade, relais, motori, lavatrici, ascensori e altro. Configurando correttamente l’ingresso audio nel software di acquisizione è possibile osservare subito i primi segnali. Occorre prestare a selezionare correttamente il canale audio, tra destro e sinistro (vedi figura 9). Spesso, infatti, il cavo utilizzato è monofonico e solo una traccia è attiva.

Figura 9: la prima operazione da compiere è quella della scelta del canale audio del segnale

Molti segnali resteranno misteriosi, altri potranno essere svelati anche con l’aiuto di Internet. La figura 10, ad esempio, mostra il segnale elettrico prodotto dall’ascensore del palazzo. E’ facilmente riconoscibile sulla banda degli 8 kHz. Lo spettrogramma mostra cinque attività dell’ascensore:

  • la prima della durata di 15.4 secondi;
  • la seconda della durata di 15.4 secondi;
  • la terza della durata di 19.5 secondi;
  • la quarta della durata di 7 secondi;
  • la quinta della durata di 11 secondi.

Figura 10: lo spettrogramma del segnale di un ascensore sulla frequenza di 8 kHz

Altre osservazioni possono essere eseguite sull’intero spettro di frequenza. Molti segnali sono sicuramente provenienti da fonti umane: neon, TV, radiocomandi, interruttori, alimentatori switching e lampade, come quelli osservabili in figura 11.

Figura 11: alcuni segnali elettrici registrati nello spettrogramma

Anche la Terra e l’Atmosfera emettono suoni, e con un po’ di fortuna è possibile assistere ad alcuni interessanti fenomeni:

  • sferics;
  • tweeks;
  • static;
  • whistlers;
  • e tanti altri.

Precursori sismici

E’ possibile eseguire interessanti esperimenti anche sui precursori sismici. Non esiste ancora una scienza certa, ma in questi casi è meglio realizzare un “dipolo di terra”, utile per il monitoraggio delle correnti superficiali del suolo. Esistono, al momento, degli studi che affermano che è possibile prevedere un forte terremoto qualche ora prima, ma la stazione ricevente deve essere a una distanza minore di 100 Km dall’epicentro. Inoltre gli ascolti e le registrazioni non possono avvenire a casa in città ma devono essere effettuate in un luogo di campagna, con i sensori direttamente collegati con il terreno.

Conclusioni

L’osservazione degli spettrogrammi nella banda VLF è, sicuramente, un’attività molto affascinante e misteriosa, che vi terrà incollati al PC anche di notte, almeno nei primi giorni di attività. Con l’esperienza si migliora la propria sensibilità nel riconoscere i vari segnali, elettrici e naturali. Molti segnali viaggiano in questa banda estremamente bassa e testimoniano come le onde di terra siano capaci di trasportare i messaggi anche su lunghe distanze. L’attività di ascolto e di osservazione dei segnali dovrebbe essere anche finalizzata alla ricerca e alla scoperta delle sorgenti che li hanno generati. In caso di temporali e fulmini (vedi figura 12) ricordate di disconnettere l’antenna dalla scheda audio.

Figura 12: i fulmini potrebbero risultare pericolosi per gli apparecchi elettronici

Leggi l’articolo originale qui

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