Radiogeofonia di A.Nardi da Geologia 2000 [http://www.anisn.it/geologia2000]

SWL connection


La strumentazione necessaria per esplorare la banda E/VLF


Ecco una panoramica su ciò che si può utilizzare per studiare il mondo delle bassissime frequenze: dall'autocostruzione alle apparecchiature commerciali alle tecniche elementari di acquisizione ed elaborazione dei dati.

Il principio su cui ci si basa è la coincidenza (come range di frequenze) tra lo spettro audio e lo spettro radio U/E/VLF. Sarà dunque sufficiente convertire il segnale elettromagnetico in segnale elettrico per ottenere, senza alcuna demodulazione, un suono udibile e registrabile su semplici audiocassette. Si tratta in altre parole di ascoltare direttamente l'onda portante, ovvero l'onda radio, che in questo caso non è "portante" ma rappresenta in sé stessa il segnale utile.
Il limite di questo sistema è che si potranno udire, appunto, solo le frequenze radio che rientrano nel range dello spettro acustico, ovvero quelle comprese tra circa 15 Hz e 20 kHz, con tutte le eccezioni del caso dovute all'età dell'ascoltatore e alla sensibilità personale... come diceva una vecchia canzone: «Bisogna avere orecchio!»
Ma chi meglio di un radioamatore SWL è in grado di riconoscere in mezzo al peggior QRM anche il più piccolo segnale discreto?

Per tutti i casi che verranno descritti raccomando di tenere a mente che l'alimentazione delle apparecchiature dovrà essere tassativamente a batteria perché la frequenza di 50 Hz della corrente di rete rientra nello spettro utile e disturba la ricezione. L'apparecchiatura va infatti usata nel corso di spedizioni in luoghi lontani da centri abitati.
Devo inoltre chiedere ai radioamatori di comprendere che queste spiegazioni sono rivolte anche agli astrofili che non sono necessariamente (non ancora) dei radioastrofili. Per questo motivo qualche volta mi soffermerò a chiarire cose apparentemente ovvie. Allo stesso modo pregherei gli astrofili di tenere duro fino alla fine, anche se l'argomento dovesse apparire fuori portata.
Prima di iniziare raccomando a tutti la lettura dell'inquadramento della banda ELF (usare la freccia del browser per tornare qui) in modo da avere bene chiara la collocazione nello spettro radio della gamma su cui lavoreremo. Il diagramma è riferito in particolare alla copertura del mio ricevitore.



La strada più semplice

Se avete intenzione di costruire un ricevitore E/VLF, la configurazione più semplice è: antenna - preamplificatore audio a FET - filtro passa basso - microcuffia per CD.
Si utilizza un'antenna di grande lunghezza (random) senza una precisa risonanza, basterà trovare un compromesso per evitare il QRM industriale pur mantenendo la massima sensibilità possibile. A questa si applica direttamente (tramite un condensatore) un preamplificatore audio per strumenti musicali, possibilmente un circuito Hi-Fi a basso rumore e sensibile sulla massima estensione spettrale. A questo punto è già possibile l'ascolto in cuffia ma un filtro passa basso è raccomandabile per tagliare fuori tutto il mondo della radio. Il limite superiore dello spettro acustico è a 20-30 kHz, quindi conviene stabilire una soglia intorno ai 20 kHz, se non ci sono stazioni VLF troppo vicine, altrimenti un po' più in basso. Un filtro taglia-banda centrato su 50 Hz è anche consigliabile se si ascolta in luoghi "contaminati" (sarà comunque inefficace in città) ma se si vuole ricevere anche i segnali sismici è bene che sia escludibile.
La cuffia da utilizzare deve essere molto sensibile e possibilmente di qualità CD, per esaltare al massimo gli estremi dello spettro audio ai quali siamo più sordi.
Vi sarete accorti che parliamo in realtà non di una radio ma di un ricevitore di campo.


Ricevitore a circuito risonante

L'alternativa più canonica sarebbe quella di introdurre tra antenna e preamplificatore un semplice circuito risonante L-C. Si può utilizzare a tal scopo una grossa bobina di quelle usate per i cross-over ed un condensatore di grande capacità, ceramico o in poliestere (un condensatore non polare). I calcoli per la risonanza L-C corrisponderanno ad una frequenza media, ma in realtà l'instabilità del condensatore farà si che il circuito si sintonizzerà non su una precisa frequenza ma su un range abbastanza esteso da rendere l'ascolto appagante. Basterà commutare tra tre o quattro condensatori di diversa capacità per coprire tutta la banda. Si avrà in definitiva una sintonia semifissa.


Ricevitore a circuito pseudorisonante

Il difetto del circuito risonante è che su queste frequenze richiede componenti grandi, pesanti, abbastanza costosi o di difficile costruzione (parliamo in particolare dell'induttanza). Un circuito pseudorisonante evita appunto l'uso della bobina rendendo l'apparecchiatura più economica e portatile. Si tratta, in due parole, di un circuito R-C la cui impedenza è molto alta ma precipita in corrispondenza di determinate frequenze, simulando in un certo senso una sintonia.
Circuiti di questo tipo sembrano essere i più usati in questo campo. In Internet sono reperibili alcuni schemi completi di semplici ricevitori V/ULF che utilizzano appunto una configurazione R-C accoppiata ad un preamplificatore. Il più semplice è il BBB-4 di Mc.Grevy [http://www.triax.com/vlfradio/bbb4.htm] che comprende già un filtro e utilizza un transistor FET per l'amplificazione. Ci sono poi schemi che utilizzano circuiti integrati, come l'ICWR di Davis [http://users.aol.com/lwcanews/naturadio/whistlrx.html] e l'MKIV di Payne [§§§§§§§].
Esiste poi una versione commerciale (e più raffinata) del ricevitore di Mc.Grevy, il WR3-E [http://www.triax.com/vlfradio/BBB4RX3.HTM].
Questi ricevitori sono ad ampio spettro ed hanno anche il vantaggio di poter utilizzare antenne molto piccole, da una stilo telescopica a una frusta di 3 metri.


Ricevitore convenzionale

Le soluzioni viste fin ora sono anche le più economiche. Esistono naturalmente anche ricevitori convenzionali ma il loro prezzo solitamente è superiore al milione di lire (lo dico per gli astrofili). Molti ricevitori HF (ric. per Onde Corte) infatti raggiungono la banda VLF. Quasi tutti in teoria partono da 30 MHz per arrivare a 100 kHz, 50 kHz o addirittura 0 Hz (!) ma in realtà, anche nei modelli più costosi, la sensibilità si abbassa notevolmente in VLF fino ad essere praticamente nulla in ELF. Non bisogna quindi fidarsi del display. Se il ricevitore risulta sordo alle basse frequenze, si può rimediare con un convertitore, cioè un'apparecchiatura ulteriore (chiarisco sempre per gli astrofili) che si collega tra antenna e ricevitore convertendo la banda E/VLF in frequenze che ricadono generalmente nella gamma 28/30 MHz. Qusto apparecchio accessorio non è molto costoso se confrontato al ricevitore (tipicamente 150-200 Klire) ed eventualmente consente l'uso di un ricevitore di base anche non costosissimo, purchè operante sulla banda dei 10 mt. Per gli appassionati di autocostruzione segnalo il progetto del convertitore ad alte prestazioni di Brannon reperibile in rete all'indirizzo [http://users.aol.com/part15/lfconvtr.htm].
Va detto comunque che un ricevitore convenzionale tenterà di demodulare il segnale radio (presumibilmente in modulazione di ampiezza) e quindi suppongo che il risultato acustico non sarà identico a quello "naturale" dei ricevitori visti precedentemente.
Raccomando inoltre (parlo agli astrofili) di diffidare assolutamente degli scanner palmari che sono certamente molto più pratici da usare in "spedizione" ma risulteranno assolutamente sordi alle basse frequenze. Quando dichiarano un'estensione da 0 a 1200 Mhz, bisogna leggere "30/1200 Mhz" (almeno fino ad oggi). Non vi fate tentare.

In ultima analisi, anche se non sono proprio "convenzionali", segnalo i ricevitori per uso strettamente astronomico. Esistono infatti rari modelli commerciali di apparecchiature per lo studio dell'attività solare in VLF. Uno di questi è descritto al seguente indirizzo: [http://www.nitehawk.com/rasmit/jml0.html].


Antenne

L'antenna più semplice e pratica per queste apparecchiature è la filare random, cioè un filo alzato il più possibile ed esteso per la massima lunghezza possibile. Per gli astrofili ricordo che la lunghezza di un'antenna e la sua altezza minima dal suolo sono funzioni della lunghezza d'onda e danno il miglior rendimento al valore di 1/2 onda. Ma la lunghezza d'onda aumenta al diminuire della frequenza secondo una legge che qui ottimizziamo in metri e kHz: m=300.000/kHz. Ciò significa che per frequenze tanto basse come quelle che intendiamo utilizzare, l'antenna ideale avrebbe dimensioni proibitive. Un kHz richiederebbe 150 km di filo teso a non meno di 150 km di quota, ecco perché in fin dei conti qualsiasi lunghezza per noi fa lo stesso, purchè sia la massima che ci possiamo materialmente permettere.
I più esigenti però potranno dilettarsi nella costruzione di grandi antenne a telaio; "grandi" come risonanza, perchè comunque dovranno essere trasportabili almeno in automobile. A questo proposito è reperibile in rete il progetto della Octoloop di Payne [http://users.aol.com/us66soft/octoloop.htm], una loop ottagonale del diametro di due metri. Altre informazioni teoriche sulla costruzione di megaloop si possono trovare nel trattatello scritto sempre da Payne, all'indirizzo: [http://users.aol.com/us66soft/looptheo.htm] o in formato Word.DOC (86 Kb) prelevabile all'indirizzo [ftp://members.aol.com/us66soft/looptheo.doc]. Il cavo di collegamento (nel caso dei megaloop) sarà un semplice coassiale a 600 ohm.
I ricevitori ad alta impedenza, cioè quelli a circuito pseudorisonante, potranno invece utilizzare antenne più corte, cioè pratiche antenne telescopiche o "fruste" veicolari per onde corte.


Acquisizione ed elaborazione dei dati

La frase suona come qualcosa di altamente sofisticato ma in realtà, dovendo manipolare dei suoni, il campionatore sarà nient'altro che un comune registratore a cassette, anche vecchio e di recupero. La prima cosa di cui ci si deve assicurare (per gli astrofili) è che l'ingresso audio sia compatibile con il livello di uscita del ricevitore. Per evitare il panico consiglio di effettuare diverse prove di registrazione partendo con il volume regolato al minimo ed alzandolo via via poco alla volta. Appena la registrazione sarà soddisfacente (senza eccedere) si può bloccare il volume in qualche modo (magari rimuovendo la manopola). A dire il vero l'ideale sarebbe disabilitare il circuito AGC (controllo automatico di guadagno) che normalmente permette una registrazione ottimale ma nel nostro caso ci impedisce di ottenere dati confrontabili. La sua azione infatti è quella di livellare l'ingresso compensando le differenze tra i segnali più bassi e quelli più alti.
Il cavetto di collegamento con il registratore dovrà essere assolutamente schermato (600 ohm). Il registratore stesso dovrà essere schermato: se ha un telaio metallico, questo dovrà essere collegato a massa (fare riferimento al polo negativo del vano batterie, ovvero dove è saldata la molla). Se lo chassis è di plastica (lo è sicuramente) allora l'interno va foderato di fogli di rame (in vendita in cartoleria) a loro volta foderati di adesivo (o di qualsiasi cosa isolante) sul lato rivolto all'interno (questo evita cortocircuiti). I fogli devono essere collegati a massa con un filo. L'accorgimento è tanto semplice quanto importante perchè altrimenti si rischia che il ricevitore possa sentire il rumore elettromagnetico prodotto dal registratore. Conviene prima provare al naturale, poi eventualmente schermare il registratore o comprarne uno nuovo e buono.

Una volta registrato, il campione sonoro può essere equalizzato e pulito da eventuali frequenze sgradite con idonee apparecchiature elettroniche... lo stereo di casa!
Questo processo in termini tecnici si chiama "filtraggio analogico".
Un ulteriore passo avanti si può fare con l'uso del computer che può fungere da campionatore, equalizzatore e analizzatore di spettro. Si tratta comunque di operazioni "offline" da svolgere dopo l'acquisizione in tutta tranquillità. Non è molto ragionevole infatti portarsi sul campo un computer, anche portatile, sia per problemi di autonomia che per l'immancabile rumore elettromagnetico.
Riguardo il computer probabilmente non occorrono spiegazioni. È chiaro che è necessaria una scheda sonora della quale si userà l'ingresso MIC per segnali a bassissimo livello o l'ingresso LINE per segnali medi (livello cuffie). Il campionamento digitale si può fare con qualsiasi programma che consente la registrazione di suoni in formato WAVE, con il vantaggio, rispetto al registratore, di poter ascoltare facilmente il segnale anche con velocità superiori e inferiori a quella reale, rendendo agevolmente udibili le frequenze estreme.
L'equalizzazione si può effettuare con appositi programmi, tra i quali segnaliamo (per MS-Windows) lo shareware PARAMETRIC EQUALIZER PRO di Andrea Forlani e Massimiliano Tonelli, del quale sono reperibili in rete due versioni:

Entrambe le versioni demo, limitate a campioni di durata inferiore a 15 secondi, possono essere già sufficienti ad elaborare i nostri dati.

Ma il vero asso nella manica del computer è la possibilità di effettuare analisi spettrali che apriranno nuovi orizzonti: segnali apparentemente identici saranno resi distinguibili mentre suoni nettamente differenti potranno presentare interessanti analogie. Un ottimo programma freeware per questo lavoro è SPECTROGRAM di Richard Horne, reperibile in rete al seguente URL: [ftp://volftp.tin.it/pub/pc/windows/win98/progs/musica/gram42.zip]. La dimensione del file.ZIP è di 165 kb e anche questo programma è adatto a MS-Windows.


Conclusioni

Per gli astrofili che ancora non si sono mai avvicinati alla radioastronomia amatoriale posso assicurare che una stazione ricevente E/VLF è certamente più semplice da realizzare rispetto ad un radiotelescopio UHF e i potenziali risultati sono certamente più appaganti del guizzo della lancetta di un millivoltmetro (senza nulla togliere alla radioastronomia tradizionale). Inoltre questo approccio può essere notevolmente più economico.
Se non si ha nessuna esperienza con l'elettronica consiglio però di optare per il ricevitore WR3-E oppure di coinvolgere qualche amico radioamatore.

Ai radioamatori dirò soltanto che se lo spirito marconiano dell'"Old Man" è quello di sperimentare nuove apparecchiature e studiare il comportamento delle onde radio, bene, in E/VLF c'è un gran bel da fare! Si tratta di esplorare un mondo ancora sconosciuto in cui per la prima volta si può essere alla pari, se non addirittura in anticipo, rispetto alla ricerca scientifica ufficiale.


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