Segnale TV debole? Ecco come amplificarlo

Di guadagno abbiamo parlato in più occasioni, dando per assodate diverse nozioni di base. Tuttavia, in quest’ultimo periodo ci sono arrivate alcune richieste sul tema che ci hanno fatto capire che tali nozioni tanto scontate poi non sono. Per cui abbiamo ritenuto utile fare un po’ di chiarezza. E questo sia sul guadagno (e quindi su come amplificare un segnale TV) sia sulla funzione opposta, ovvero l’attenuazione.

Amplificare un segnale TV

Come si intuisce dal nome, il guadagno è la funzione che permette di ottenere un incremento, detto amplificazione, di un segnale portandolo a un livello più elevato rispetto a quello originario.

Facciamo un esempio: se usiamo un sistema audio per aumentare il volume della voce, con un microfono e un sistema di amplificazione sonora, di fatto introduciamo un guadagno, ovvero rendiamo la voce più forte di intensità con la conseguenza di poter essere sentiti a distanze maggiori rispetto alla distanza che potrebbe coprire la voce originaria non amplificata.

Misurando l’intensità sonora in termini di potenza, si potrebbe dire che a ogni raddoppio di potenza si ha un incremento di guadagno, che viene espresso in decibel con un numero pari a multipli di 3 (si indica 3 dB). La distanza alla quale si ha quindi una potenza doppia corrisponde a un guadagno di 3 dB se la distanza diventa quadrupla, il guadagno è di 6 dB, se diventa ottupla il guadagno è 9 dB e via via può aumentare mantenendo sempre con questa successione. Questa notazione viene spesso chiamata regola dei 3 dB.

Nel caso invece che con la voce si abbia a che fare con segnali elettrici, come la potenza e la tensione, si ha un guadagno quando, usando un dispositivo elettronico, si ottiene una potenza in uscita (P_out) maggiore di quella in entrata (P_in) oppure una tensione in uscita V_out più grande di quella in ingresso V_in. Il rapporto tra P_out e P_in si chiama amplificazione di potenza, il rapporto tra V_out e V_in si chiama amplificazione di tensione. Entrambe prendono il nome generico di guadagno (di potenza o di tensione). Esiste anche il guadagno di corrente, ma nell’ambito dei segnali TV e SAT ci si riferisce sempre alla tensione.

Il decibel

L’uso del decibel semplifica i calcoli e le valutazioni, pertanto si preferisce descrivere il guadagno esprimendolo in decibel (dB). Il decibel è una forma di espressione logaritmica quindi per ottenere valori espressi in dB a partire da valori espressi in watt o in volt si applicano le seguenti formule:

Amplificazione di tensione (dB) = 20×log (V_out / V_in)

Amplificazione di potenza (dB) = 10×log (P_out / P_in)

La differenza tra il moltiplicatore 10, per la potenza, e 20, per la tensione, è dovuta al fatto che la potenza dissipata da un dispositivo alimentato in tensione è proporzionale al quadrato della tensione pertanto usando le proprietà dei logaritmi per non operare con valori da elevare al quadrato ogni volta si converte il rapporto tra due tensioni al quadrato in un incremento del moltiplicatore che da 10 passa a 20 usando un semplice procedimento matematico di conversione.

In pratica, il guadagno in tensione sarebbe uguale a 10×log (V_out / V_in)², applicando le regole sui logaritmi si può esprimere invece con la formula equivalente 10×2log(V_ou/ V_in) che diventa 20×log(V_out / V_in).

Il livello in dBµV

Negli impianti TV e SAT si ha a che fare con segnali di bassissima potenza tant’è che invece di parlare di Volt si preferisce addirittura parlare di sottomultipli della tensione come i millesimi di Volt, milliVolt (mV), o i milionesimi di Volt, ovvero i microVolt (µV). Basti pensare che un segnale SAT ricevuto con un’antenna parabolica e misurato all’uscita dell’LNB può assumere valori di circa 70 dBµV, che convertito in Volt diventa un valore molto piccolo pari a poco più di 3 millesimi di Volt.

V = 10^{(dBµV – 120)/20} = 10^{(70 – 120)/20} = 0,00323 Volt = 3,23 mV

L’uso quindi del decibel semplifica i calcoli e le valutazioni in quanto tutti i valori in dB si possono sommare. Per esempio: se un segnale TV fornito da un’antenna è pari a 50 dBµV e usiamo un amplificatore TV che ha un guadagno di 20 dB, per ricavare quanto vale il segnale all’uscita dell’amplificatore basta fare 50 + 20 per ottenere 70 dBµV. In altre parole, il segnale da 50 dBµV amplificato di 20 dB diventa 70 dBµV.

Chiarito l’ambito nel quale il termine guadagno viene utilizzato possiamo ora applicarlo alla pratica quotidiana degli impianti TV e SAT. D’ora in poi non servirà più fare calcoli con i logaritmi pertanto avremo dispositivi e apparecchiature usate negli impianti TV-SAT che saranno confrontabili tra loro soltanto per un valore numerico intero che corrisponde al guadagno (oppure all’attenuazione). Diciamo per chiarezza che il termine guadagno sarebbe l’opposto di attenuazione. Quindi se entrambi sono espressi in dB si possono sommare o sottrarre.

Facciamo un esempio: come abbiamo visto prima se un segnale in antenna di 50 dBµV, passa in un amplificatore da 20 dB, diventa più alto ovvero pari a 70 dBµV. Se però all’uscita dell’amplificatore ci sono 50 metri di cavo coassiale, che ha una perdita tipica di 0,2 dB al metro, alla fine del cavo il segnale diminuisce di circa 10 dB, ovvero 60 dBµV.

Infatti, si può applicare la formula universale che prevede la somma di valori “attivi”, ovvero di valori che esprimono un guadagno, e la sottrazione di valori “passivi” ovvero quelli che esprimono un’attenuazione o una perdita. Vale quindi la regola generare che valori di guadagno e di perdita espressi in decibel si possono sommare o sottrarre a valori di segnale espressi in dBµV.

I dispositivi che introducono un guadagno

Nell’impianto TV-SAT abbiamo oggetti o dispositivi che guadagnano altri che, invece, attenuano. Gli unici “oggetti” che guadagnano sono le antenne mentre i dispositivi che guadagnano sono quelli che contengono un amplificatore elettronico.

Qualcuno si potrà stupire che un oggetto costruito solamente da elementi metallici come un’antenna possa di fatto introdurre un’amplificazione del segnale TV. E in effetti questa analogia è vera solo in parte, ovvero si basa sul fatto che un’antenna dotata, per esempio, di 40 elementi, riesca a produrre al suo connettore di collegamento (posto nel suo elemento principale, il dipolo) un segnale più grande di 15 dB rispetto a quello che produrrebbe un’antenna minimale senza elementi e avente il solo dipolo (chiamata antenna di riferimento) che invece sarebbe trasparente al segnale fornendo al suo connettore, un guadagno nullo pari a 0 dB.

Partendo da questa considerazione si preferisce usare il termine guadagno identificando quelle antenne che possono maggiormente concentrare la loro capacità ricettiva verso una direzione introducendo di fatto un incremento della tensione, ovvero del segnale TV, disponibile al connettore.

Il guadagno regolabile

Nelle centrali di testa dell’impianto TV–SAT vi è frequentemente una regolazione di guadagno che permette di equilibrare i segnali che dovessero giungere da più antenne con intensità differenti.

In fase di installazione, la regolazione finale avviene proprio agendo sulle manopole dei diversi regolatori di guadagno per fare in modo che alla sua uscita il centralino fornisca livelli di segnale paragonabili su tutte le bande amplificate.

In questo modo se il segnale TV proveniente da una direzione, ovvero da una delle antenne, dovesse essere più alto o più basso di tutti gli altri segnali, si potrà fare una regolazione una tantum a fine installazione per riequilibrare i segnali. Sovente la regolazione presente nei centralini è, nei modelli più economici, un attenuatore di ingresso. Solo i modelli più sofisticati hanno un vero regolatore di guadagno.

Il guadagno automatico

Grazie all’elettronica applicata alla radiotecnica, nei cataloghi dei costruttori per impianti TV-SAT sono presenti dispositivi e antenne classificate con la caratteristica guadagno automatico. Per essere più precisi, questi dispositivi dispongono di un sistema di controllo automatico del guadagno contraddistinto dall’acronimo AGC (Automatic Gain Control).

Si tratta di un amplificatore elettronico a tutti gli effetti che, invece di offrire un guadagno prefissato permette di variare la sua capacità di amplificazione per guadagnare di più o di meno compensando le variazioni inaspettate di un segnale in entrata.

Il concetto di controllo automatico implica il fatto che deve esserci un sistema che misura il segnale TV e lo amplifica di più o di meno in funzione di quanto vale la sua intensità originaria.

Facciamo un esempio: un amplificatore a controllo automatico di guadagno misura costantemente il livello del segnale in entrata e regola di conseguenza il guadagno applicato in modo da mantenere il livello di uscita costante. Se un segnale in entrata varia durante la giornata per l’effetto fading, come accade nelle località marine dove si abbassa in alcune ore del giorno di 10 dB, esso viene amplificato di 10 dB in più per apparire all’uscita del dispositivo con la stessa intensità che aveva prima della diminuzione dovuta alle condizioni atmosferiche. Lo stesso accade se per una maggiore propagazione elettromagnetica in alcune ore del giorno il segnale giunge all’antenna con un’intensità più alta di 10 dB, In questo caso il sistema abbassa automaticamente il guadagno per mantenere il livello di uscita costante.

Questo comportamento è applicato a tutti i canali ricevuti, realizzando un efficace compromesso per la regolazione automatica, perché viene fatta la media dell’energia disponibile da tutti i segnali ricevuti e di conseguenza viene fatta una regolazione di guadagno su tutti i canali della banda di ricezione dell’antenna.

La funzione di controllo automatico di guadagno può anche essere gestita da un amplificatore con lo stesso principio di funzionamento. È opportuno verificare con prove sul campo l’efficacia delle antenne e degli amplificatori a controllo automatico di guadagno in quanto il sistema può essere influenzato dalla presenza di segnali indesiderati che possono transitare attraverso l’antenna TV, come per esempio i segnali LTE del 4G.

In questi casi può essere utile aggiungere un filtro LTE all’ingresso dell’amplificatore, mentre in antenna non si può fare nulla a posteriori, deve essere il costruttore ad aver inserito nel circuito elettronico AGC dell’antenna un filtro LTE 4G efficace.

Cos’è e come di produce l’attenuazione

L’attenuazione è un concetto importante, negli impianti TV e SAT, perché riguarda quella condizione in cui si ha una riduzione del livello di tensione o di potenza dei segnali. In tutto il loro percorso, dal punto di trasmissione fino a quando raggiungono i nostri televisori e decoder, i segnali subiscono attenuazione. Come il guadagno, si misura in dB (decibel).

L’attenuazione più grande è provocata dallo spazio libero ovvero dallo spazio che c’è tra l’antenna trasmittente e quella ricevente. Per esempio, alla frequenza di trasmissione terrestre 600 MHz si ha un’attenuazione nello spazio libero ASL = 88 dB al chilometro, alla frequenza di trasmissione satellite 11 GHz considerando la distanza tipica dell’Italia dal satellite di circa 36.000 km si ha un’attenuazione complessiva di 205 dB.

Dopo la “ricezione”, ovvero a partire dall’antenna ricevente, entra in gioco l’attenuazione del cavo coassiale che collega l’antenna ricevente alla centrale di testa dell’impianto condominiale.

Da questa centrale i segnali proseguono nella rete coassiale incontrando dispositivi di ripartizione dei segnali (divisori e derivatori) utili a creare le ramificazioni necessarie per raggiungere tutti gli utenti. Tutti i cavi della rete condominiale e i dispositivi di ripartizione introducono attenuazione in quantità voluta per bilanciare la potenza dei segnali che devono raggiungere tutti i televisori e i decoder collegati con valori paragonabili.

Le attenuazioni calcolate e volute sono quelle che caratterizzano un impianto ben progettato. Le attenuazioni indesiderate sono quelle causate da guasti o da un eccessivo decadimento di qualità che si verifica nelle zone molto umide o quando si usano materiali scadenti in origine. Ci sono casi in cui si manifestano attenuazioni indesiderate anche quando i connettori non sono montati sul cavo coassiale a regola d’arte per effetto di falsi contatti o deficienza di schermatura.