Immagini TV instabili a causa del clima? Ecco come rimediare

Ci sono casi in cui si hanno immagini Tv instabili a causa di un non perfetta ricezione dei segnali TV. Questo accade soprattutto in alcune ore del giorno o in particolari condizioni climatiche.

Il fenomeno, conosciuto come “fading” avviene per effetto di un calo di intensità dei segnali a causa di fattori ambientali che alterano le condizioni di propagazione elettromagnetica via etere. Il calo anomalo e temporaneo di intensità dei segnali digitali ricevuti può generare l’effetto “soglia” con squadrettamenti dell’immagine digitale o, addirittura, provocare la mancata ricezione.

Il segnale che giunge alle nostre case è il risultato del contributo di potenza dato dalla sorgente principale, il trasmettitore/ripetitore di zona, e dalle riflessioni nell’ambiente circostante, edifici, costruzioni, colline rocciose, laghi e mare. Questo comportamento viene definito tecnicamente come “multipath” o “cammini multipli”.

La nostra antenna, infatti, riceve lo stesso segnale proveniente da direzioni diverse con lunghezze di percorso diverse e quindi con ritardi multipli rispetto al segnale principale. Ognuna di queste “copie” del segnale principale, compiendo percorsi diversi, subisce attenuazioni diverse.

In aggiunta, il ritardo di ognuna di esse è diverso al punto che si crea uno sfasamento tra i segnali, sfasamento che può diventare distruttivo o costruttivo. Il caso peggiore lo si ha nei territori dove sono presenti grandi aree lacustri oppure il mare. Soprattutto dove c’è il mare tra l’antenna trasmittente e quella ricevente, si hanno i fenomeni più imprevedibili e problematici.

La propagazione nell’ambiente reale

Da un punto di vista strettamente teorico, basterebbe avere un’antenna ricevente in vista ottica con quella trasmittente per ottenere una ricezione priva da disturbi. Nella realtà, invece, ci sono fenomeni che si manifestano nell’ambiente circostante che producono degrado del segnale ricevuto in termini di attenuazione e interferenze.

Il primo fenomeno degradante è causato dagli ostacoli che si frappongono nel percorso del segnale. Ogni ostacolo crea un impatto del segnale elettromagnetico che produce attenuazione, riflessioni e rifrazioni. Anche il suolo stesso, investito dall’onda elettromagnetica, si comporta come un riflettore e la troposfera produce rifrazioni.

Le riflessioni che si producono nella stessa direzione di quella di ricezione arrivano alla nostra antenna in ritardo rispetto al segnale diretto mentre le rifrazioni diventano nuovi punti di emissione in tutte le direzioni, compresa quella di ricezione. Citiamo lo studio Radiopropagazione di un segnale DVB-T in UHF. Aspetti teorici e pratici di un collegamento con alta percentuale di propagazione sul mare. Quale correlazione con i parametri atmosferici? condotto da Giuseppe Sofia del Ministero dello Sviluppo Economico – Comunicazioni Ispettorato Territoriale Calabria sulla propagazione di un segnale TV Digitale Terrestre in ambiente marino, considerando il solo piano verticale che influenza maggiormente la ricezione.

Si evince che la disomogeneità della troposfera e la variazione dell’indice di rifrazione (a causa delle variazioni dei parametri atmosferici) producono due fenomeni di fading: lento e veloce. Il fading lento deriva dalla disomogeneità globale che genera l’incurvamento dei cammini e il conseguente contatto dell’ellissoide di Fresnel con ostacoli e con il mare provocando riflessioni. Il fading veloce deriva dalle disomogeneità locali per effetti di pioggia, umidità, nebbie. Entrambi i tipi di fading causano variazioni del livello di campo elettromagnetico.

Nello stesso studio sono state misurate le variazioni di pressione atmosferica, temperatura e umidità. Tra queste quelle più rilevanti che hanno provocato attenuazioni più significative di campo elettromagnetico sono state individuate le diminuzioni rapide del tasso di umidità. Il fading più grande ottenuto nella fase di studio ha toccato punte di attenuazione di 30 dB.

La zona di Fresnel

Dobbiamo ad Augustin Fresnel, fisico francese dell’ottocento, gli studi sulla propagazione della luce dai quali derivano, per analogia, i fenomeni che si verificano nella propagazione elettromagnetica via etere.

La sua teoria viene applicata ai collegamenti a radiofrequenza evidenziando che la qualità del collegamento radio non dipende solamente dalla perfetta vista ottica tra le antenne trasmittente e ricevente ma anche dall’energia irradiata che si trova intorno alla linea ottica in uno spazio definito “Zona di Fresnel” che ha una forma definita ellissoide e deve restare libera da oggetti ed elementi come: montagne o colline, edifici o altre costruzioni; piante o boschi e perfino, a grandi distanze, la curvatura terrestre.

Se un oggetto solido invade la zona di Fresnel, l’onda elettromagnetica viene deviata per riflessione e/o attenuazione di livello per effetto di assorbimento o di cammini multipli del segnale. Le dimensioni dell’ellissoide di Fresnel sono variabili e dipendenti dalla frequenza e dal percorso del segnale.

Attenuazione nello spazio libero

I trasmettitori TV sono collocati in zone favorevoli alla ricezione tenendo conto che la situazione ottimale è quella in cui si ha la vista ottica tra le antenne, ovvero la nostra antenna è in vista diretta dell’antenna trasmittente. La distanza fisica tra le antenne viene chiamata “Spazio Libero” e produce un’attenuazione del segnale quantificabile secondo la formula:

ASL (dB) = 20log₁₀(D) + 20log₁₀(F) + 32,45

Dove ASL = Attenuazione Spazio Libero, D = Distanza (km), F= Frequenza (MHz)

Si può dire, semplificando, che un segnale subisce un’attenuazione di 6 dB a ogni raddoppio di distanza e subisce un’ulteriore perdita di 6 dB a ogni raddoppio di frequenza. All’attenuazione nello spazio libero si aggiungono fenomeni di fading che possono avere un carattere temporaneo e fenomeni di riflessione che produco ritardi e sfasamenti

Contromisure

Di fronte ai risultati dello studio citato prima, possiamo ipotizzare possibili soluzioni nel caso in cui la ricezione dei segnali sia così instabile. La prima è quella di cercare la posizione migliore dell’antenna ricevente in modo che sia in piena vista ottica dell’antenna trasmittente e fissata all’altezza che garantisce la minore influenza delle riflessioni da terra, dal mare e da edifici circostanti posti nella direzione di puntamento dell’antenna.

Si può calcolare il raggio dell’ellissoide di Fresnel in modo da verificare che non tocchi il piano del terreno o del mare ed eventuali ostacoli non diretti che possono creare diffrazioni e riflessioni distruttive. Le riflessioni laterali sono meno influenti perché già attenuate dalla direttività dell’antenna. Tutti questi accorgimenti sono finalizzati a ridurre il più possibile le riflessioni ambientali.

Altre strategie sono da adottare, invece, per ridurre l’influenza del fading. In questo caso le azioni preventive riguardano la possibilità di compensare i cali lenti e rapidi di livello causati dal fading di origine locale e troposferico. Ci possono aiutare quindi antenne attive con elevato guadagno valutando il margine di funzionamento dell’impianto tra i limiti di ricevibilità minima e massima. Valutare che in condizioni di umidità normale dell’atmosfera locale, con mare calmo ed edifici circostanti non troppo caldi, il segnale fornito dall’antenna, relativo ai canali più forti, sia quello più vicino possibile al massimo ricevibile. In tale condizione si deve dimensionare l’impianto in modo da arrivare alle prese TV più favorite con un livello di 74 dBµV.

Così facendo si può avere un calo di segnale dovuto al fading pari a 74-45 dBµV = 29 dB senza avere problemi di livello di ricezione perché il livello di segnale fornito al decoder rimane entro i limiti stabiliti dalle norme di 45 dBµV. Ovviamente, se l’antenna ricevente fornisce segnali molto diversi di livello tra i vari canali ricevibili in zona, la massima attenuazione da fading che si può avere nell’impianto è pari alla differenza tra il canale con il livello più basso e il limite prescritto di 45 dBµV.

Facciamo un esempio. Se il livello del canale più forte fornito dalla presa è di 74 dBµV mentre il canale più debole ha un livello di 60 dBµV il margine di fading compensabile dall’impianto è di 60-45 dBµV = 15 dB.

Amplificare si può

Nel caso in cui i segnali forniti dall’antenna siano deboli, nonostante l’antenna sia quella che ha il guadagno maggiore disponibile, si potrà usare un amplificatore che dovrà avere due requisiti importanti, come una bassa cifra di rumore e un alto livello di uscita. Si deve considerare, inoltre, che qualunque amplificatore TV nel quale debbano transitare più canali, vede ridursi il massimo livello di uscita in funzione del numero di canali amplificati secondo la formula:

Riduzione livello di uscita (dB) = 10·log(numero di canali-1)

Per esempio se i canali ricevuti sono 10, dove quello più debole ha un livello di 60 dBµV e quello più forte ha un livello di 70 dBµV, il margine di fading è 60 – 45 dBµV = 15 dB. Considerando 30 metri di cavo che in gamma TV perdono circa 20 db/100m ovvero 0,2 dB/m, si ha una perdita totale del cavo pari a 6 dB. A questo punto per rispettare il principio di compensazione del fading visto prima, possiamo calcolare quale deve essere il livello di segnale fornito dall’amplificatore: è pari alla somma tra il livello massimo fornito dalla presa TV, 74 dBµV,  e le perdite del cavo, 6dB.

L’amplificatore dovrà quindi garantire un livello di uscita di 80 dBµV. Visto che ci sono 10 canali da amplificare, applicando la formula si ottiene una riduzione del livello di uscita pari a 9,5 dB. Sceglieremo quindi un amplificatore che al minimo abbia un livello massimo di uscita uguale o superiore a 80+9,5=89,5 dBµV approssimiamo a 90 dBµV. Il guadagno dell’amplificatore dovrà essere pari al massimo segnale richiesto in uscita meno il massimo segnale in entrata ovvero 90-70 = 20 dB.

Dimensionato l’amplificatore, possiamo valutare cosa accadrebbe nel caso di un forte fading di 20 dB. I segnali in entrata si abbasserebbero tutti di 20 dB quindi il segnale più debole diventerebbe 60-20 = 40 dBµV. Il valore è molto basso, ma potrebbe essere ancora amplificato, pertanto alla presa di utente si avrebbe 40+20-6=54 dBµV. Valore decodificabile senza problemi. Con segnali in arrivo più deboli occorre adottare altre strategie come per esempio antenne attive e amplificatori a controllo automatico di guadagno che saranno oggetto di un prossimo articolo.