Szum bazowy, czyli dlaczego najczulszy odbiornik nie zawsze jest najlepszy

Radioamatorzy lubią porównywać parametry techniczne. Karty katalogowe obejmują intermodulację intermodulacyjną (IMD), zakres dynamiki blokowania, szum fazowy, architekturę przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), filtry dachowe, DSP, a bardzo często również MDS – minimalny sygnał rozróżnialny. Nierzadko można spotkać dyskusje, w których argumentuje się, że odbiornik z MDS na poziomie -132 dBm musi być automatycznie lepszy niż model z MDS na poziomie -125 dBm.

Ale rzeczywistość amatorskiego radia poza laboratorium wygląda inaczej. Jeśli Twoja antena generuje szum do odbiornika przy -116 dBm, to pytanie jest proste: dlaczego Twój odbiornik jest w stanie odbierać -132 dBm?

Tu zaczyna się różnica między parametrami laboratoryjnymi a rzeczywistym odbiorem DX.

MDS kontra rzeczywistość: co tak naprawdę słyszysz?

Zacznijmy od konkretnego przykładu.

Wyobraźmy sobie odbiornik z zadeklarowaną wartością:

• MDS = -132 dBm

A jednocześnie system antenowy, który wprowadza szum otoczenia na danym paśmie:

• Poziom szumów = -116 dBm

Różnica jest taka:

16 dB

Oznacza to, że szum zewnętrzny jest o 16 dB silniejszy niż wewnętrzna granica odbiornika. Innymi słowy: odbiornik nie słucha już własnego szumu. Słucha tego, co wysyła do niego antena.

W takim przypadku najsłabszy sygnał, który można praktycznie wykryć, nie będzie wynosił -132 dBm. Będzie on mniej więcej na poziomie szumu zewnętrznego lub tuż poniżej, w zależności od użytego trybu.

Praktycznie:

• SSB: sygnał musi być zazwyczaj o kilka dB wyższy od poziomu szumów
• CW: można go używać nawet bliżej poziomu szumów
• FT8/MSK144/Q65: dekodowanie możliwe nawet przy szumie dzięki wzmocnieniu integracji DSP

Oznacza to:

Odbiornik o MDS równym -132 dBm w środowisku o poziomie szumu -116 dBm nie ma żadnej realnej przewagi nad odbiornikiem o MDS równym -125 dBm.

Oba są ograniczone przez otoczenie, a nie elektronikę.

Czym właściwie jest hałas?

Słowo „hałas” jest często używane w hamshack, ale technicznie odnosi się ono do kilku różnych zjawisk.

Na pasmach spotykamy mieszankę:

• szum termiczny
• hałas atmosferyczny
• hałas kosmiczny
• przemysłowe i cyfrowe RFI
• lokalny smog elektromagnetyczny

W pasmach HF szum własny odbiornika jest w większości normalnych sytuacji niższy niż szum otoczenia odbierany przez antenę. To podstawowa obserwacja. W pasmach HF typowy limit jest często definiowany przez otoczenie, a nie przez czułość urządzenia wejściowego.

Szum termiczny

Każdy rezystor generuje szum termiczny. Każdy MOSFET, bipolárny tranzistor či iný aktívny prvok vo vstupnom stupni prijímača zvyšuje šumové číslo. ADC v SDR Odbiorniki mają swój własny poziom szumów. Procesor DSP może pomóc w dekodowaniu, ale nie może wyeliminować zakłóceń fizycznych.

Jest to hałas, który producenci minimalizują podczas projektowania TCVR.

Hałas atmosferyczny

Dominuje na KV. Źródłem są burze i wyładowania elektryczne w dowolnym miejscu na planecie. Jonosfera przenosi te impulsy na duże odległości. Dlatego w okresie letnim obszary o głębokości 160 i 80 m są często zalewane ładunkami elektrostatycznymi. Jest to zjawisko całkowicie naturalne.

Kosmiczny hałas

Szum kosmiczny to kolejny naturalny składnik. Jest on obecny w paśmie HF, ale zazwyczaj mniej dominujący niż szum atmosferyczny. W paśmie VHF/UHF jego znaczenie ulega zmianie. Operatorzy EME doskonale o tym wiedzą.

Hałas naturalny a hałas wywołany przez człowieka

Być może jest to najbardziej praktyczny temat na dziś.

Naturalny hałas

Ma pochodzenie fizyczne:

• aktywność burzowa
• zjawiska jonosferyczne
• zasoby galaktyczne
• kosmiczne tło RF

To jest niezbędne. Nie filtrujesz tego, wyłączając wyłączniki w domu.

Sztuczny hałas

To jest dzisiejszy zabójca dochodów. Współczesne środowisko miejskie generuje ogromne zapotrzebowanie na informacje zwrotne:

• zasilacze impulsowe
• Oświetlenie LED
• falowniki słoneczne
• ładowarki
• VDSL
• adaptery sieciowe
• Przetwornice DC/DC
• tanie zasilacze SMPS
• ładowanie indukcyjne
• fotowoltaika

Obecnie w wielu miejscach dominującym czynnikiem są miejskie zakłócenia elektromagnetyczne.

Zarówno pomiary hałasu w środowisku, jak i specjalistyczne badania EMC wykazują, że miejskie środowisko elektromagnetyczne może być znacznie bardziej hałaśliwe niż środowisko wiejskie.

Mestská stanica vs stanica na vidieku: prečo remote station dáva zmysel

Doskonałym przykładem praktycznym jest porównanie dwóch identycznych stacji FLEX-8600.

Stacja miejska:

• FLEX-8600
• HF-6V pionowy
• 40 metrów

Stacja wiejska:

• FLEX-8600M
• 40 m poziomo EFHW na wysokości ~10 m

Obaj słuchali tego samego sygnału. Sygnał miał natężenie około: S6. Różnica w poziomie szumu wynosiła jednak około 10 dB w odległości 40 m.

A przy 20 m nawet: ok. 20 dB

To drastyczna różnica. Bo liczy się SNR, a nie absolutna czułość odbiornika. Jeśli operator miejski straci 20 dB SNR, może mieć odbiornik nagrodzony Nagrodą Nobla i nadal przegrać z prostą stacją wiejską.

Jaki wpływ ma antena na odbiór szumów?

Duży. Ogromny. I często większy niż sam odbiornik.

Anteny pionowe

Vertikály sú výborné DX antény. Majú nízky vyžarovací uhol, fungujú dobre na lov DXCC, CQ WW contest aj low-band prevádzku. Ale majú reputáciu hlučných antén. Prečo? Pretože sú citlivé na:

• szum spolaryzowany pionowo
• interferencja fal powierzchniowych
• lokalny EMI

Dipole poziome

Dipol poziomy jest często cichszy. Preferuje polaryzację poziomą i jest mniej wrażliwy na pionowe zakłócenia miejskie. Nie oznacza to, że automatycznie rozwiąże miejskie zakłócenia RFI. Praktyczny test FLEX wyraźnie to pokazał. Nawet poziomy dipol EFHW w mieście może być zaszumiony.

Anteny tylko odbiorcze

To tutaj zaczyna się poważne DX-owanie. Napój, małe pętle, K9AY, fazowane anteny odbiorcze. Te anteny często nie radzą sobie z przebijaniem się przez pile-upy, ale znacząco poprawiają SNR. I o to właśnie chodzi.

Lepszy odbiór ≠ silniejszy sygnał.

Lepszy odbiór = lepszy stosunek sygnału do szumu.

S-metr On kłamie częściej niż myślisz.

IARU Region 1 definuje:

S9 = -73 dBm

Każdy stopień S: 6 dB

Więc: S1 ≈ -121 dBm

Ale S-metr Mierzy wąskopasmowy, skalibrowany sygnał. Szum jest szerokopasmowy. Porównywanie S-metra z rzeczywistym szumem może być mylące. Zwłaszcza w przypadku SDR. waterfall displejoch.

Dlaczego superczuły odbiornik może nie być zaletą

Jeżeli odbiornik obniży własny poziom szumów poniżej poziomu szumów otoczenia, dalsza poprawa czułości staje się bezcelowa.

Dodatkowo pojawiają się inne problemy:

• przeciążenie odbiornika
• intermodulacja
• Przycinanie ADC
• problem z silnymi sygnałami radiowymi
• szum fazowy odbiornika
• Pompowanie AGC

Pre contest operátora môže byť dôležitejší:

• BDR
• RMDR
• szum fazowy bliski
• Odporność na IMD

Nie jest to skrajny MDS. Dlatego nie oceniamy urządzeń K3S, IC-7610, FLEX, FTDX101, SunSDR i podobnych wyłącznie pod kątem czułości.

Cyfrowe mody zmieniają zasady, ale nie fizykę

FT8, FT4, Q65, MSK144 tvrdia, že potrafią dekodować sygnały poniżej poziomu szumuTo nie magia. To wynik:

• integracja czasu
• Korelacje DSP
• Zasady FEC
• wąskie pasmo

Ale nadal obowiązuje zasada: mniejszy hałas zewnętrzny = więcej zdekodowanych stacji.

Czy zatem najczulszy odbiornik jest zawsze najlepszy?

Nie. I bardzo często zupełnie nie.

Najlepszy odbiornik to taki, który zapewnia najlepszy współczynnik SNR, odporność na przeciążenia i praktyczną użyteczność w określonym środowisku elektromagnetycznym.

Odbiornik o MDS wynoszącym -132 dBm w bloku mieszkalnym o poziomie szumów tła wynoszącym -100 dBm działa jak teleskop astronomiczny skierowany przez brudne okno.

Potencjał jest, ale medium go niszczy. Wręcz przeciwnie, prostszy odbiornik w cichym QTH z dobrą anteną odbiorczą może dać fenomenalne rezultaty.

Wniosek

Jeśli masz odbiornik z MDS na poziomie -132 dBm, a antena generuje szum na poziomie -116 dBm, to ogranicza Cię w zasadzie sam szum, a nie odbiornik. Różnica między papierową kartą katalogową a rzeczywistym DX jest widoczna gołym okiem. Największym ulepszeniem w hamshacku często nie jest nowy TCVR.

To jest:

• lepsza lokalizacja
• cichsza antena odbiorcza
• Eliminacja RFI
• remote station

Dlatego doświadczony operator DX nie szuka tylko najczulszego odbiornika. Szuka najcichszego systemu. I to jest fundamentalna różnica.