CAPITOLO 5 STRUMENTAZIONE PER LA MISURA DI CAMPI

CAPITOLO 5 STRUMENTAZIONE PER LA MISURA
DI CAMPI ELETTROMAGNETICI AD ALTA
FREQUENZA
5.1 APPARATI DI MISURA
Un tipico apparato per misure di campi elettromagnetici (CEM) a
radiofrequenze (RF) e microonde (MW) può essere schematizzato come
in figura 25:
Figura 25 Struttura tipica di un apparato per misure a RF e MW
Si evidenziano tre elementi fondamentali: il sensore, la linea di
collegamento e l’apparato di misura e visualizzazione.
Il sensore costituisce l’elemento che si accoppia ai campi in cui è
immerso:
esso
genera
ai
suoi
terminali
una
grandezza
elettrica
(tensione e/o corrente) istantaneamente proporzionale al campo in
cui si trova.
La
linea
di
collegamento
trasporta
il
segnale
dal
sensore
all’ingresso dell’apparato di misura.
L’apparato di misura elabora elettronicamente il segnale ricevuto e
fornisce
all’operatore
un’indicazione
dell’agente misurato.
81
quantitativa
dell’intensità
5.2 ESIGENZE DI MISURA
La scelta dello strumento da utilizzare per una specifica misura va
fatta tenendo in considerazione diversi fattori. La banda passante
caratterizza ogni strumento e specifica l’intervallo di frequenza
all’interno del quale il dispositivo presenta una risposta corretta,
entro
determinati
sorveglianza
operare
a
margini
emette
banda
di
errore.
contemporaneamente
stretta
o
a
banda
Se
su
la
più
larga.
sorgente
frequenze
Nel
primo
sotto
si
caso
può
la
strumentazione ha una ridottissima banda passante, centrata attorno
a ciascuna delle frequenze a cui la sorgente emette. Nel secondo
caso
lo
strumento
è
caratterizzato
da
una
banda
passante
che
comprende tutto lo spettro emesso dalla sorgente e fornisce una
misura globale dell’intensità dei campi o della radiazione presente
nel sito di misura.
Per
un
corretto
dimensionamento
della
strumentazione
un
fattore
molto importante è la potenza emessa dalla sorgente. I parametri
nelle
specifiche
di
questo
sono:
la
sensibilità,
che
indica
il
livello del minimo segnale misurabile, mentre la gamma dinamica è il
rapporto tra il minimo e massimo segnale misurabile.
5.3 COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA
Un altro fattore da tenere in considerazione è la compatibilità
elettromagnetica,
sia
sotto
l’aspetto
dell’emissione
che
quello
della suscettibilità. Un qualunque strumento elettronico contiene al
suo interno sorgenti di potenziali disturbi elettromagnetici (come
oscillatori
locali,
generatori
di
segnali
e
temporizzazione);
schermando l’elettronica dello strumento con pannelli metallici si
evita che tali disturbi raggiungano il sensore e causino errori di
misura. Per quanto riguarda la linea di collegamento, se trasporta
un segnale a corrente continua, vengono utilizzate linee ad alta
resistenza
terminate
con
filtri
passa
basso,
se
trasporta
direttamente il segnale a RF captato dal sensore si deve ricorrere
82
all’utilizzo del cavetto schermato o del doppino ritorto (coppia di
fili strettamente intrecciati).
5.4 SENSORI PER LA ZONA DI INDUZIONE
Nella zona di induzione (campi reattivi) non esiste alcuna semplice
relazione tra campo elettrico e magnetico, perciò sono necessari
sensori che rispondano o solo ad uno o solo all’altro, in modo tale
da
effettuare
essere
misure
presenti
indipendenti
notevoli
di
variazioni
entrambi.
spaziali
Dato
delle
che
possono
intensità
dei
campi, il sensore deve poter effettuare misure puntuali.
Quando l’interazione tra sensore e campo si verifica tramite il solo
campo elettrico o magnetico si parla di accoppiamento reattivo e si
usa
il
termine
di
sensore
Si
reattivo.
ha
un
accoppiamento
capacitivo se interessa il campo elettrico; induttivo se interessa
il campo magnetico.
Un esempio di sensore capacitivo è il dipolo corto costituito da due
bracci
metallici
isolati,
allineati
e
contrapposti,
di
lunghezza
totale piccola rispetto alla lunghezza d’onda: i terminali di uscita
del
segnale
sensori
sono
sono
risoluzione
gli
estremi
insensibili
spaziale.
al
Lunghezza
vicini
dei
campo
suddetti
magnetico
limitata
ed
e
bracci.
offrono
impedenza
Tali
buona
elevata
si
riflettono in maniera negativa sulla sensibilità del dipolo.
Una delle principali limitazioni di tutti i sensori ad accoppiamento
induttivo
è
la
scarsa
sensibilità.
Il
più
semplice
esempio
di
sensore ad accoppiamento induttivo è la spira piccola. Essa è una
spira metallica circolare piana di circonferenza piccola rispetto
alla
lunghezza
ricavati
d’onda;
interrompendo
Caratteristica
i
terminali
in
un
principale
di
punto
di
uscita
qualunque
questa
famiglia
del
la
segnale
spira
di
sono
stessa.
sensori
l’insensibilità al campo elettrico e la buona risoluzione spaziale.
83
è
5.5 SENSORI PER LA ZONA DI RADIAZIONE
Nella zona radiativa è sufficiente misurare il solo campo elettrico
oppure il solo campo magnetico, oppure la densità di potenza: le
grandezze
determinate
non
direttamente
possono
essere
ricavate
tramite semplici relazioni algebriche da quella misurata.
Nella
zona
radiativa
si
vicina
utilizzano
sensori
ad
alta
risoluzione spaziale (circa un quarto di lunghezza d’onda) poiché vi
sono
notevoli
variazioni
spaziali
delle
ampiezze
dei
campi.
Si
utilizzano perciò sensori di piccole dimensioni (ad accoppiamento
reattivo)
impiegati
iniziare
ad
Fresnell
antenne
anche
utilizzare
in
nella
nella
zona
parte
particolare
a
di
più
banda
induzione.
“lontana”
larga
ed
Si
della
possono
zona
operanti
di
alle
frequenze più basse della loro gamma utile, dove il rapporto tra le
dimensioni lineari e la lunghezza d’onda è minore.
5.6 STRUMENTI DI MISURA
Gli strumenti di misura sono classificati in: strumenti a banda
larga e strumenti a banda stretta.
5.6.1 STRUMENTI DI MISURA A BANDA LARGA
La strumentazione a banda larga è costituita dai seguenti elementi
fondamentali:
•
Il sensore che risponde o all’intensità del campo elettrico E
(dipolo) o all’intensità del campo magnetico H (spira);
•
Il trasduttore che trasforma la risposta del sensore in un
segnale
proporzionale
ad
E
(o
E2)
o
ad
H
(o
H2)
o
alla
temperatura;
•
Il cavo di collegamento;
•
Il circuito di processamento e lettura che dà la risposta in
termini di intensità di campo elettrico E (V/m) o di intensità
di campo magnetico H (A/m) o di densità di potenza S (W/m2).
84
Figura 26 Esempio di strumentazione a banda larga
In
funzione
delle
caratteristiche
del
trasduttore
utilizzato
si
possono identificare tre tipologie di strumentazione:
•
A diodo;
•
A bolometro;
•
A termocoppia.
Negli strumenti a banda larga il sensore è composto rispettivamente:
da uno o più dipoli se si misurano campi elettrici o da uno o più
spire se si misurano campi magnetici. Seguono: il trasduttore che
converte la risposta del sensore in un segnale proporzionale al
campo elettrico o al suo quadrato, al campo magnetico o al suo
quadrato o agli effetti termici prodotti dal campo elettromagnetico
sul sensore; i cavi di connessione; l’unità di analisi che elabora e
visualizza il campo elettrico in V/m, o il campo magnetico in A/m, o
la densità di potenza in W/m2.
Può
essere
utilizzato
un
singolo
sensore
sensibile
ad
una
sola
componente del campo oppure tre sensori ortogonali per rendere la
misura
indipendente
polarizzazione:
in
dalla
questo
direzione
caso
si
del
parla
campo
di
e
dalla
strumentazione
isotropica.
La strumentazione a banda larga deve essere in grado di misurare il
campo elettromagnetico in tempo reale, di calcolare il valor medio
della grandezza misurata in un intervallo di tempo regolabile, di
85
poter applicare un opportuno fattore di correzione dipendente dalla
risposta in frequenza. Inoltre deve permettere la misura di campo
elettrico (V/m), di campo magnetico (A/m) e densità di potenza (W/m2
o
mW/m2).
risultano
Di
estrema
essere
utilità
alcune
durante
funzioni
tra
l’esecuzione
cui:
la
delle
misure
memorizzazione
del
massimo valore della grandezza di campo raggiunta durante la misura;
la visualizzazione delle grandezze in condizione di campo lontano
utilizzando la grandezza oggetto della misura; la possibilità di
eseguire una operazione di media tra diversi punti di misura.
Un’ulteriore
caratteristica
è
l’estrema
maneggevolezza
e
trasportabilità, grazie alla dotazione di alimentazione propria.
5.6 2 STRUMENTI DI MISURA A BANDA STRETTA
La strumentazione a banda stretta permette di conoscere le singole
componenti del campo sulle varie frequenze all’interno della banda
di interesse.
Figura 27 Componenti di strumentazione a banda stretta
È costituito dai seguenti elementi fondamentali:
•
Il sensore che risponde o all’intensità del campo elettrico E o
all’intensità del campo magnetico H;
•
Il trasduttore che trasforma la risposta del sensore in un
segnale proporzionale ad E o ad H;
•
Il cavo di collegamento;
86
•
L’analizzatore
di
spettro
che
visualizza
su
un
display
la
tensione o la potenza in funzione della frequenza, oppure il
misuratore di intensità di campo (ricevitore selettivo) che
attraverso
un
circuito a sintonia visualizza il segnale di
tensione ricevuto ad una selezionata frequenza.
5.6 2.1 ANALIZZATORE DI SPETTRO
Nella figura 28 è riportato lo schema a blocchi dell’analizzatore di
spettro.
Figura 28 Schema a blocchi analizzatore di spettro
Il circuito di ingresso è molto simile a quello dell’oscilloscopio:
è
costituito
da
un
partitore
resistivo,
che
ha
il
compito
di
attenuare il segnale da esaminare, qualora di ampiezza eccessiva; da
un
preamplificatore
che
fa
aumentare
il
livello
del
segnale
da
analizzare; da un filtro passa basso che limita al minimo possibile
il rumore indesiderato e nello stesso tempo impedisce l’ingresso a
segnali indesiderati.
Segue
una
conversione
supereterodina,
mediante
di
il
frequenza
quale
il
attuata
segnale
tramite
a
RF
il
metodo
ricevuto
è
trasformato in un segnale a frequenza più bassa detta frequenza
intermedia FI. Un circuito con funzione di moltiplicatore lineare
tra il segnale a RF (fRF) e l’oscillatore locale (fOL) genera due
nuove
componenti
dello
spettro
ricevuto
aventi
rispettivamente
frequenza somma (fRF + fOL) e frequenza differenza (fRF - fOL) tra i
87
due segnali che hanno interagito. Ne risulta che FI = fRF - fOL oppure
-
fOL
fRF
(la
frequenza
somma
cade
ampiamente
fuori
dalla
gamma
utilizzabile; la differenza tra le due soluzioni indicate sopra è
funzione della posizione dell’oscillatore locale al di sopra o al di
sotto della RF). Una volta fissata la FI è possibile cambiare il
canale da ricevere semplicemente spostando la frequenza dell’OL.
In
successione
gli
altri
elementi
dell’analizzatore
sono:
il
rivelatore e l’amplificatore verticale a bassa frequenza che pilota
le placche di deflessione verticale.
L’amplificatore verticale può essere usato nella funzione lineare o,
in quella logaritmica, originando sullo schermo queste due distinte
scale.
L’oscillatore a dente di sega fa variare con continuità la frequenza
dell’oscillatore
variabile,
che
agendo
sul
trasla
mixer,
in
frequenza il segnale da analizzare, mantenendone costanti le altre
caratteristiche informative.
Il
segnale
dell’oscillatore
l’amplificatore
orizzontale,
a
dente
determina
la
di
sega,
attraverso
deflessione
orizzontale
del pannello sullo schermo.
Il mixer è seguito da un filtro al quarzo e da un amplificatore
selettivo a frequenza intermedia che permette la selezione di una
strettissima banda di frequenza del segnale che, rivelata e poi
opportunamente amplificata, si presenta alle placche di deflessione
verticale per la sua rappresentazione sul tubo catodico.
I parametri impostabili sull’analizzatore di spettro sono:
•
START-STOP: si impostano separatamente le frequenze di inizio e
fine della scansione;
•
CENTER
FREQUENCY:
con
questo
comando
si
imposta
il
valore
centrale della banda da esplorare e, con SPAN la larghezza
della stessa, simmetrica rispetto al center frequency.
•
FULL SCAN: realizza la scansione dell’intera banda operativa
dello strumento.
88
•
ZERO SCAN: è la condizione opposta, ossia non c’è scansione nel
dominio della frequenza, ma del tempo, e quindi il display
mostra
nel
tempo
l’andamento
del
segnale
rivelato;
l’analizzatore si comporta come un ricevitore, il display come
un oscilloscopio.
•
RBW
(Resolution
indica
BandWidth):
la
selettività
dello
strumento, ovvero la larghezza di banda a 3 dB del filtro IF.
Due
segnali
molto vicini possono essere discriminati se si
sceglie un valore di RBW inferiore alla loro distanza.
•
VBW (Video BandWidth): è il filtraggio realizzato in banda base
(video)
che
permette
di
filtrare
il
segnale
dopo
la
rivelazione.
•
SWEEP TIME: è il tempo di passaggio di una singola traccia sul
display.
•
SENSITIVITY:
indica
la
minima
ampiezza
che
l’analizzatore
riesce a rivelare. La sensitività dipende sostanzialmente dal
rumore proprio dello strumento, che a sua volta dipende dalla
larghezza del filtraggio a frequenza intermedia (IF).
5.7 NORMATIVA DI RIFERIMENTO PER LA MISURA
Il decreto del presidente del consiglio dei ministri 8 luglio 2003
e, ancor prima, il D.M. n.381 del 10 settembre 1998, stabiliscono
che le tecniche di misurazione e rilevamento da adottare sono quelle
indicate
nella
norma
CEI
211-7
e/o
specifiche
norme
emanate
successivamente dal CEI.
Le norme CEI 211-7 Gennaio 2001 forniscono le linee “guida per la
misura
e
per
la
valutazione
dei
campi
elettromagnetici
nell’intervallo 10 kHz – 300 GHz, con riferimento all’esposizione
umana”; la variante 1 alle norme CEI 211-10 Gennaio 2004 aggiunge
nello specifico un’appendice H: “Metodologie di misura per segnali
UMTS”.
89
5.7.1 SELEZIONE DEGLI STRUMENTI E DEI METODI DI MISURA
In funzione delle finalità di misura deve essere fatta una selezione
fondamentale tra strumentazione a banda larga e strumentazione a
banda stretta.
Viene utilizzata strumentazione a banda larga se le misure sono
finalizzate
all’individuazione
di
eventuali
punti
critici
in
presenza di più sorgenti o per analisi esplorative preliminari, o se
il valore del campo misurato risulta inferiore allo 0.75 del più
piccolo tra i valori limite delle sorgenti presenti che irradiano a
frequenze differenti.
La strumentazione a banda stretta si utilizza se le misure a banda
larga
hanno
consentito
ed
mostrato
è
uno
necessario
sforamento
conoscere
del
il
limite
contributo
legislativo
delle
varie
sorgenti presenti al fine di operare una riduzione a conformità, o
se il valore di campo misurato a larga banda risulta superiore allo
0.75 del più piccolo tra i valori limite delle sorgenti presenti che
irradiano a frequenze differenti.
Se sono stati effettuati i due tipi di misure e vi è discrepanza tra
i valori ottenuti, sono da ritenere validi ai fini della conformità
i risultati ottenuti con le misure a banda stretta.
Se le differenze ottenute tra le due misure sono superiori al 50% si
consiglia di approfondire le cause di tale differenza e di riportare
i risultati dell’indagine.
In base ai diversi tipi di sorgenti, in particolare alle differenti
frequenze
esistono
coinvolte
criteri
e
alle
specifici
diverse
di
scelta
delle metodologie di misura.
90
caratteristiche
della
catena
del
segnale,
strumentale
e
5.7.2 METODOLOGIE DI MISURA PER SEGNALI UMTS
5.7.2.1 MISURE IN BANDA LARGA
Le modalità di misura dei segnali a RF per telefonia mobile in banda
larga può essere estesa anche alla generazione UMTS.
Per quanto riguarda i requisiti della strumentazione a banda larga
le norme CEI 211-10 stabiliscono che:
•
La
sonda
deve
essere
isotropica,
costituita
da
sensori
disposti su tre rami reciprocamente ortogonali;
•
I sensori devono essere sensibili al valore efficace del
modulo di campo elettrico anche in presenza di modulazioni
impulsive;
•
Il misuratore deve calcolare il valore efficace del modulo
di campo elettrico totale, ricavandolo dalla misura delle
tre componenti ortogonali, secondo la relazione:
2
E =
•
Ex + E y
2
+ Ez
2
(5.1)
Il misuratore deve rendere possibile l’effettuazione di una
media
temporale
dei
valori
efficaci
di
campo
elettrico
misurati puntualmente.
I limiti di esposizione sono espressi dalla normativa di riferimento
in termini di medie spaziali e temporali del campo elettromagnetico.
Per quanto riguarda la distribuzione spaziale, deve essere esaminato
un numero di punti adeguato alla lunghezza d’onda del campo e alle
dimensioni della sonda, per garantire che la misura possa rilevare
valori approssimati sia massimi che minimi. L’indagine spaziale deve
permettere
anche
di
valutare
la
variazione
di
campo
lungo
una
superficie equivalente alla sezione verticale del corpo umano. Nel
caso
si
all’altezza
utilizzi
media
un’antenna
del
corpo
di
umano
piccole
per
ogni
dimensioni
punto
di
rispetto
misura
è
necessario generalmente considerare tre misure ad altezza standard
di 1.1 m, 1.5 m e 1.9 m da terra o dal livello dei piedi, se l’area
91
di interesse è al di sopra del livello del terreno: infatti a tali
altezze possono essere esposti gli organi più critici di una persona
adulta.
Lo
strumento
è
collocato
all’estremità
di
un
cavalletto
fisso a terra e isolato, in modo da evitare effetti di campi statici
o quasi statici.
Con riferimento alla distribuzione temporale, la durata di ciascuna
misura
deve
essere
scelta
in
modo
tale
da
poter
caratterizzare
adeguatamente la variazione del segnale in esame: per tener conto di
segnali
molto
variabili
nel
tempo
la
normativa
di
riferimento
definisce la durata di 6 minuti.
5.7.2.2
VALUTAZIONE
DELL’INCERTEZZA
NELLA
MISURA
DEI
CAMPI
ELETTROMAGNETICI A RADIOFREQUENZA CON SONDA A BANDA LARGA
All’incertezza nella misura dei campi elettromagnetici tramite sonda
a banda larga contribuiscono vari fattori 6:
•
Incertezza
calcolata
di
tra
è
ripetibilità:
tutti
i
la
valori
di
deviazione
campo
standard
mediati
dallo
strumento su un intervallo di 6 minuti.
•
Incertezza sull’anisotropia (Di): i certificati di taratura
generalmente forniscono, per varie orientazioni della sonda,
gli scarti dalla ideale risposta isotropica. Se non ci sono
informazioni contrarie, si suppone che i valori degli scarti
siano distribuiti con uguale probabilità in un intervallo di
valori avente come semilunghezza lo scarto massimo rilevato
(distribuzione rettangolare).
•
Incertezza sulla risposta in frequenza (Ri)
•
Incertezza sulla linearità (Li)
•
Incertezza
tipo
6
“Guida
per
sulla
digitale
si
la
e
misura
risoluzione
ipotizza
per
la
del
una
lettore: per lettori di
distribuzione
valutazione
dei
campi
rettangolare
elettromagnetici
nell’intervallo di frequenza 10 kHz-300 GHz con riferimento all’esposizione umana”
CEI 211-7, Gennaio 2001, I edizione, pag. 42.
92
pari alla metà della risoluzione. L’incertezza percentuale
varia in funzione dell’intensità di campo misurata. Si può
considerare
il
caso
più
sfavorevole
corrispondente
all’intensità del campo pari alla soglia di rilevabilità.
A ciascun fattore corrisponde un’incertezza tipo ui, e l’incertezza
tipo composta uc sul valore del campo elettrico misurato si ottiene
come
radice
quadrata
della
sommatoria
dei
quadrati
dei
singoli
contributi ui:
∑u
uc =
i
2
i
.
(5.2)
L’incertezza
di
ripetibilità,
classificata
come
incertezza
essendo
di
di
tipo
A;
tipo
gli
statistico,
altri
viene
fattori
di
incertezza vengono classificati come incertezze di tipo B essendo di
tipo
non
statistico
in
quanto
sono
reperiti
da
certificati
di
taratura e manuali di strumentazione 7.
Quando si conoscono i limiti superiore ed inferiore di variabilità
ma
non
è
nota
la
dell’intervallo,
si
distribuzione
ipotizza
una
di
probabilità
distribuzione
all’interno
rettangolare.
Lo
scarto tipo di una distribuzione rettangolare si ottiene dividendo
la semilarghezza a della distribuzione rettangolare per la radice
quadrata di 3:
ui =
a
.
(5.3)
3
Lo scarto tipo di una distribuzione normale si ottiene dividendo la
semilunghezza a della distribuzione normale per 2:
ui =
a
.
2
(5.4)
L’incertezza standard combinata espressa in V/m è data da:
Uc =
ln 10
× Eletto ×
20
∑u
i
2
i
.
(5.5)
Ad ogni valore di misura viene quindi associata l’incertezza estesa
con un fattore di copertura k=2 per cui si avrà:
7
“Guida all’espressione dell’incertezza di misura” UNI CEI ENV 13005, Luglio 2002.
93
Emis = (Eletto ± 2⋅Uc) [V/m].
(5.6)
Il fattore di copertura k viene scelto sulla base del livello di
sicurezza
(confidenza)
tipicamente
k
distribuzione
si
desiderato,
trova
normale,
da
associare
nell’intervallo
scegliendo
k=2
tra
si
2
e
all’intervallo:
3.
definisce
Nel
un
caso
di
intervallo
avente un livello di confidenza pari al 95%, mentre per k=3 si
definisce un livello di confidenza pari al 99%.
5.7.2.3 MISURE IN BANDA STRETTA
Le misure in banda stretta possono essere realizzate mediante due
classi di strumentazione:
1. Analizzatore di spettro, adottando opportuni accorgimenti per
l’impostazione dei parametri di acquisizione e della catena
strumentale;
2. Analizzatore
di
segnali
vettoriali,
con
la
possibilità
di
effettuare misure nel dominio dei codici.
Caratteristiche tipiche del sistema UMTS, per quanto riguarda la
misura
di
potenza
irradiata
dalle
stazioni
radio
base
sono:
l’inviluppo di potenza continuo (anche se non del tutto costante) su
tutti i canali e la presenza di pochi canali per ogni operatore (ad
esempio due o tre in tecnica FDD ed uno in tecnica TDD); il segnale
trasmesso ha chip rate di 3.84 Mchip/s e occupa un canale di 5 MHz.
I requisiti della strumentazione a banda stretta impongono che:
•
Le
antenne
utilizzate
debbano
disporre
di
un’adeguata
documentazione contenente il fattore d’antenna sull’impedenza
caratteristica del banco e sul campo di frequenze considerato,
inoltre occorre sommare le perdite del cavo e degli eventuali
attenuatori interposti tra l’uscita dell’antenna e l’ingresso
dell’analizzatore di spettro. Il fattore d’antenna complessivo
delle attenuazioni (K) è:
K=KA+A
[dB/m]
(5.7)
KA: fattore d’antenna;
A: attenuazione del collegamento tra l’antenna e l’analizzatore
94
di spettro espressa in dB comprensiva di cavi e attenuatori
inseriti ed eventuali disadattamenti.
•
Le antenne utilizzate possono essere di tipo direzionale o a
dipolo.
•
L’analizzatore
di
spettro
dispone
di
un
rivelatore
di
inviluppo.
•
L’analizzatore di spettro deve disporre di un certificato di
taratura attraverso cui sia possibile definire la precisione
della misura dal punto di vista della frequenza e dell’ampiezza
dei
segnali
ricevuti,
considerazione
anche
tenendo
in
l’incertezza
questo
del
ultimo
fattore
caso
in
d’antenna
dichiarato.
•
Il banco deve preferibilmente essere gestito da un PC, che
sulla base delle grandezze misurate, dia immediata evidenza dei
livelli di campo corrispondenti. Le relazioni utilizzate nelle
elaborazioni richieste sono:
E = PR + K + 90 + 10 ⋅ log10 Z i ng
[dBμV/m]
(5.8)
Zing è l’impedenza di ingresso dell’analizzatore di spettro (50
Ohm).
−6
E = 10 ⋅ 10 E
⎡ dBμV
⎢ m
⎣
⎤
⎥ / 20
⎦
[V/m]
(5.9)
PR: potenza ricevuta espressa in dBm.
K: espresso in dB/m.
Per
effettuare
misure
con
analizzatore
di
spettro
è
preferibile
utilizzare una tra le seguenti due opzioni, che garantiscono pari
prestazioni:
•
Utilizzare uno strumento con filtri di canale IF numerici di
tipo rettangolare, definiti secondo le specifiche spettrali
dei segnali UMTS, con banda a 5 MHz. L’utilizzo di tale
strumento rende possibile sia la misura nel dominio della
frequenza che in quello del tempo (modalità “Zero Span”).
95
•
Effettuare la misura in modalità “Channel Power” integrando
su tutta la banda del canale radio; tale strumento rende
possibile unicamente la misura nel dominio della frequenza.
Lo strumento acquisisce la traccia ed effettua l’operazione
descritta dall’equazione:
⎡ B
CP = 10 ⋅ log10 ⎢ s
⎣ NBW
⎛1
⋅⎜
⎝N
∑10 (
Pi −α i ) / 10
i
⎞⎤
⎟⎥
⎠⎦
(5.10)
CP è la potenza misurata sul canale, in unità logaritmiche;
Bs è la banda di integrazione (5 MHz);
NBW è la banda equivalente di rumore sull’analizzatore di
spettro;
N
è
il
numero
di
pixel
contenuti
nella
banda
di
integrazione;
Pi è la potenza associata a ciascun pixel, misurata in unità
logaritmiche;
αi
è
un
parametro
differisce
pixel
per
di
correzione
pixel
e
(espresso
tiene
conto
in
dB)
della
che
pesatura
effettuata da eventuali filtri digitali implementati dallo
strumento e utilizzati durante la misura.
Negli analizzatori di nuova generazione è disponibile anche
l’opzione di misura di “Channel Power” in “Time Domain” che
permette
senza
di
misurare
ricorrere
direttamente
alla
la
procedura
di
potenza
di
calcolo
canale,
descritta
precedentemente, garantendo vantaggi in termini di velocità
di calcolo.
•
In
assenza
“Channel
della
Power”
possibilità
e
di
di
filtri
effettuare
di
canale,
la
è
misura
in
possibile
effettuare la misura mantenendo i valori consigliati di RBW,
VBW, SPAN e SWEEP TIME e predisponendo un banco di misura
che consenta di calcolare il valore della potenza spettrale
associato alla traccia acquisita risolvendo in modo autonomo
96
l’equazione:
⎡ B
CP = 10 ⋅ log10 ⎢ s
⎣⎢ NBW
⎛1
⋅ ⎜⎜
⎝N
∑10
i
Pi
10
⎞⎤
⎟⎥
⎟
⎠⎦⎥
(5.11)
CP è la potenza misurata sul canale, in unità logaritmiche;
Bs è la banda di integrazione (5 MHz);
NBW è la banda equivalente di rumore sull’analizzatore di
spettro;
è
N
il
numero
di
pixel
contenuti
nella
banda
di
integrazione;
Pi è la potenza associata a ciascun pixel, misurata in unità
logaritmiche.
Mediante
l’analizzatore
istantanee,
di
spettro
si
possono
su
tutta
la
banda
integrando
effettuare
del
misure
canale
radio
appartenente alla SRB che si intende esaminare. Il rivelatore deve
essere del tipo “Sample” o “RMS” e non “Peak” o “Negative Peak”.
E’ opportuno utilizzare rivelatori di tipo Sample o RMS, in quanto
sono
i
soli
rivelatori
che
forniscono
risultati
che
rendono
possibile il calcolo della potenza complessiva. I rivelatori di tipo
picco non sono adatti per misura di segnali noise-like, tra cui
rientrano i segnali UMTS, in quanto non può essere stabilita la
correlazione tra la tensione video rilevata e il segnale di potenza
in input.
Per
la
rappresentazione
all’impostazione
del
sul
detector
display
si
del
possono
pixel
n-esimo
visualizzare
in
il
base
valore
medio (Average), il primo valore della serie (Sample), il valore
massimo
(Max
Peak)
ed
il
valore
minimo
(Min
Peak),
il
valore
efficace dei campioni (RMS).
Siccome
i
segnali
traccia
ottenuta
con
con
modulazione
un
detector
digitale
Sample
sono
è
noise-like,
soggetta
a
la
grandi
variazioni.
Il detector RMS dà risultati più stabili, perché la potenza per
pixel è calcolata sulla base di diversi valori misurati, ed inoltre
97
il tempo di misura può essere aumentato per permettere la media
della
traccia.
Il
detector
RMS
è
quindi
in
genere
una
scelta
migliore per misure in channel power.
Per quanto riguarda la media su 6 minuti, la procedura opportuna é
quella di effettuare una media delle potenze di canale calcolate in
vari istanti successivi (su analizzatore o in post-elaborazione),
valutando il numero di tracce necessario per garantire un tempo
totale di misura di almeno 6 minuti.
Le linee guida CEI 211-10 forniscono specifiche valide per le misure
UMTS
per
quanto
riguarda
le
condizioni
generali
di
misura,
la
disposizione e le caratteristiche della strumentazione passiva e la
ricostruzione spaziale del campo elettrico, mentre sono necessarie
alcune precisazioni per le procedura da seguire per l’allestimento e
le elaborazioni con analizzatore di spettro o vettoriale.
•
Le misure possono essere effettuate sia nel campo lontano
che nel campo vicino delle sorgenti esaminate, stimando come
distanza limite R la più stringente tra quelle determinate
con le relazioni:
R≥3λ
e
R≥2D2Probe/λ
λ: lunghezza d’onda espressa in metri;
DProbe: dimensione massima dell’antenna ricevente utilizzata,
trasversale alla direzione, espressa in metri.
•
In accordo ai limiti sopra indicati, il punto di misura è
generalmente
conseguente
all’indagine
panoramica
eseguita
con gli strumenti a banda larga.
•
Le misure possono essere di tipo direzionale o isotropo.
•
Nel caso di misure direzionali si possono utilizzare antenne
genericamente direttive. Le misure devono essere effettuate
in
condizioni
di
puntamento,
quindi
di
visibilità
delle
sorgenti, per due condizioni di polarizzazione ortogonali
dell’antenna
ricevente.
Il
98
modulo
del campo totale viene
ricavato secondo la relazione:
ET = E 2 x + E 2 y
•
La
misura
[V/m]
direzionale
riflessione
non
tiene
elettromagnetica
conto
(5.12)
di
provenienti
effetti
su
di
direzioni
lontane dall’asse di trasmissione dell’antenna ricevente o
di
eventuali
depolarizzazioni
presenti
sull’asse
di
propagazione del campo ricevuto.
•
Nel
caso
di
misure
isotrope,
devono
essere
utilizzate
antenne di tipo dipolo; possono effettuarsi misure anche in
condizioni
di
non
visibilità
delle
sorgenti,
per
tre
posizioni reciprocamente ortogonali dell’antenna ricevente
imperniate sul relativo centro di fase. Il modulo del campo
totale viene ricavato tramite la formula:
ET = E 2 x + E 2 y + E 2 z
•
La
misura
[V/m]
isotropa
contempla
gli
effetti
(5.13)
di
riflessioni
elettromagnetiche genericamente distribuite nell’intorno del
punto
di
misura
e
di eventuali depolarizzazioni presenti
sull’asse di propagazione del campo ricevuto.
Nella
tabella
16
sono
riportati
i
parametri
da
sull’analizzatore di spettro.
Tabella 16
PARAMETRI IMPOSTATI
MISURA CANALI UMTS NEL
SULL’ANALIZZATORE DI SPETTRO
DOMINIO DELLA FREQUENZA
RBW
≥ 50 kHz
VBW
≥ 3*RBW
CENTER FREQ
n MHz
FREQ SPAN
5 MHz
SWEEP TIME
100-500 ms
TRIGGER
_
TRACE
_
MARKER
NORMAL
CHANNEL SPACING
5 MHz
CHANNEL BANDWIDTH
5 MHz
99
impostare
La
resolution
larghezza
del
bandwidth
canale
(RBW)
deve
(soprattutto
essere
per
piccola
rispetto
discriminare
tra
alla
canali
adiacenti). La migliore RBW è tipicamente l’1%-3% della larghezza di
canale (se è troppo piccola, lo sweep time aumenta troppo).
Quando si usa un detector Sample o RMS, la video banwidth (VBW) deve
essere almeno 3 volte l’RBW, al fine di evitare l’effetto di media
sulla tensione video, con conseguente sottostima dei segnali noiselike.
Può essere una buona scelta fissare lo span più piccolo possibile in
relazione
alla
larghezza
di
banda,
al
fine
di
avere
il
maggior
numero di pixel possibile nella banda su cui si calcolerà il channel
power
(prestando
attenzione
alla
discriminazione
di
eventuali
segnali adiacenti).
5.7.2.4
VALUTAZIONE
ELETTROMAGNETICI
A
DELL’INCERTEZZA
NELLA
RADIOFREQUENZA
CON
MISURA
STRUMENTI
DEI
CAMPI
A
BANDA
STRETTA
Il valore del campo elettrico in V/m non deriva da una lettura
diretta
dello
strumento
ma
deve
essere
calcolato
mediante
la
seguente formula:
V=10(dBm+AF+CA-13.01)/20
(5.14)
dBm è l’ampiezza del segnale letto sull’analizzatore;
AF (dB) è il fattore d’antenna;
CA (dB) è l’attenuazione del cavo.
Per il calcolo dell’incertezza standard combinata Uc della componente
i-esima della frequenza j-esima si utilizza la seguente formula:
U c , j ,i (V / m) =
ln 10
⋅ E j ,i (V / m) ⋅ U 2 dBmj ,i (dB) + U 2 AF , j (dB) + U 2 CA, j (dB) .
20
(5.15)
Essa rappresenta l’incertezza associata a ciascun picco rilevato per
ogni frequenza portante in ognuna delle tre posizioni.
L’incertezza standard combinata dell’intensità di campo elettrico
della frequenza j-esima è:
100
U c , j (V / m) =
Essa
rappresenta
1
⋅
Ej
∑E
2
j ,i
U 2 c , j ,i
i
l’incertezza
(5.16)
.
associata
ad
ogni
determinata
frequenza: Ej è il campo totale alla frequenza jesima.
L’incertezza standard combinata dell’intensità di campo elettrico
totale sarà quindi:
U c (V / m) =
1
⋅
Etot
∑E
2
j
U 2 c, j
j
(5.17)
.
I fattori che compaiono nell’espressione dell’incertezza totale sono
calcolati come valutazioni di incertezze di tipo B (grandezze che
non
sono
valutate
calibrazione
e
da
da
strumentazione 8): U j =
e
di
tipo
A
osservazioni
caratteristiche
ma
di
da
specifiche
costruzione
σ
di
della
(5.18)
3
(grandezze
statistica): U j =
ripetute
di
cui
si
conosce
la
distribuzione
σ
(5.19)
2
Ad ogni valore di misura viene quindi associata l’incertezza estesa
con un fattore di copertura k=2, corrispondente ad un livello di
confidenza pari al 95% per cui si avrà:
Emis = (Eletto ± 2⋅Uc) [V/m].
L’analisi
(5.20)
dell’incertezza
comprendere
le
sulla
incertezze
misura
introdotte
in
da
banda
ogni
stretta
singolo
dovrebbe
componente
appartenente alla catena di acquisizione.
•
Antenna: ogni antenna ha un certificato di calibrazione in
cui è riportato, al variare della frequenza, il relativo
fattore
nota.
d’antenna
Inoltre
(AF),
che
occorre
è
tenere
conosciuto
in
con
incertezza
considerazione
il
coefficiente di disadattamento tra antenna e cavo, perciò si
deve conoscere il valore del coefficiente VSWR dell’antenna
8
Vedi “Guida all’espressione dell’incertezza di misura” UNI CEI ENV 13005
101
e del cavo al variare della frequenza, per poter ricavare il
coefficiente di riflessione ρ rispettivamente dell’antenna e
del cavo. In generale, l’espressione usata per il calcolo
dell’errore massimo di disaccoppiamento in dB è dato da:
Errore(dB)=-20⋅log[1 ± (ρantenna)⋅(ρcavo)],
ρ=
•
Cavo:
la
(VSWR − 1)
(VSWR + 1)
presenza
(5.21)
coefficiente di riflessione.
del
cavo
introduce
(5.22)
un’attenuazione
in
funzione della frequenza del segnale in esame, dovuto alla
non idealità del cavo stesso. Occorre perciò conoscere il
coefficiente
VSWR
(legato
alla
riflessione)
per
poter
calcolare l’errore sul disaccoppiamento tra antenna e cavo e
tra cavo ed analizzatore. Nei certificati di taratura del
cavo
in
genere
si
rintracciano
l’incertezza
con
cui
si
conosce il fattore di attenuazione del cavo e quella del
fattore VSWR.
•
Analizzatore
occorre
di
spettro:
considerare
il
per
l’analisi
contributo
dell’incertezza
all’incertezza
di
ogni
componente dello strumento. I componenti che contribuiscono
all’incertezza sono:
1. Disaccoppiatore al connettore;
2. Attenuatore di ingresso a RF;
3. Filtro di ingresso (IF) e Mixer;
4. Guadagno dell’amplificatore IF;
5. Filtro RBW (indicato con IF filter);
6. Affidabilità della scala sul display;
7. Calibratore.
102
Figura 29 elementi appartenenti catena di acquisizione
1. DISACCOPPIAMENTO DELL’IMPEDENZA DI INGRESSO AL CONNETTORE
L’impedenza di disaccoppiamento, dovuta alla non esatta impedenza di
ingresso
dell’analizzatore
e
alla
non
idealità
dell’impedenza
di
uscita. In generale l’espressione usata per il calcolo dell’errore
massimo di disaccoppiamento in dB è:
Errore(dB)=-20⋅log[ 1± (ρanalizazzatore)⋅(ρsorgente)],
(5.23)
dove:
ρ è il coefficiente di riflessione data dall’espressione già vista
precedentemente tra antenna e cavo.
Nel data sheet dell’analizzatore di spettro e nel certificato di
taratura del cavo, sono riportati i valori VSWR in funzione della
frequenza del segnale rilevato.
2. ATTENUATORE DI INGRESSO RF
Nel data sheet dello strumento è riportato, per ogni valore o range
di
valori
che
può
assumere
l’input
attenuation
(attenuatore
d’ingresso), l’incertezza espressa in dB.
L’attenuatore
in
ingresso
influenza
la
risposta
in
frequenza
dell’analizzatore.
3. FILTRO DI INGRESSO E MIXER
Come si può notare dal diagramma a blocchi, il segnale in uscita
dall’attenuatore d’ingresso passa attraverso un filtro passa basso o
103
un
preselettore,
in
funzione
della
frequenza
di
ingresso
del
segnale, per poi entrare in un Mixer ove vi è un apporto del segnale
dell’oscillatore locale. Il fattore di incertezza legato al fatto
che il segnale passa attraverso tali elementi è detto risposta in
frequenza. Esso rappresenta il maggior contributo sull’incertezza
totale del sistema di misura.
4. GUADAGNO DELL’AMPLIFICATORE IF
Il segnale viene convertito in un segnale a frequenza intermedia
(IF)
e
viene
amplificato
ed
aggiustato
da
un
filtro
IF
per
compensare i cambiamenti introdotti dall’attenuatore d’ingresso e
dal Mixer. Il segnale amplificato viene riferito alla linea in alto
del
display
graduato,
detta
reference
level.
L’amplificatore
e
l’attenuatore lavorano ad una sola frequenza e non contribuiscono
alla
risposta
in
frequenza.
È
presente
comunque
sempre
una
determinata incertezza sulla conoscenza del livello di riferimento
impostato
manualmente
sulla
scala
del
display,
detta
“reference
level accuracy”.
5. FILTRO RBW (indicato con IF filter)
La resolution Bandwidth (RBW) è un parametro impostabile durante le
misure:
differenti
impostazioni
del
filtro
portano
a
differenti
perdite di “intersezione” con il segnale in esame e quindi ad una
diversa lettura dell’ampiezza del segnale in esame. In genere si usa
il
filtro
più
largo
possibile,
compatibilmente
con
le
caratteristiche del segnale di misura.
6. AFFIDABILITÀ DELLA SCALA SUL DISPLAY DOVUTO ALL’AMPLIFICATORE
LOGARITMICO
Il display dell’analizzatore di spettro comunemente è usato, per le
ampiezze,
in
scala
logaritmica.
Un
valore
tipico
è
10
dB
per
divisione, oppure 1 dB/div. Per ottenere ciò, il segnale, uscito
dall’IF
filter
(RBW)
passa
attraverso
un
amplificatore
di
tipo
logaritmico.
Le
caratteristiche
di
guadagno
dell’amplificatore
sono
approssimabili ad una curva di tipo logaritmica: ogni deviazione
104
dalla
ideale
incertezza
curva
sulla
logaritmica
lettura
introduce
dell’ampiezza
del
perciò
un’ulteriore
segnale.
Un
problema
analogo si ha quando l’analizzatore lavora in modo lineare: questo
tipo di incertezza è detta display fidelity.
7. CALIBRAZIONE
Le
misure
assolute,
sono
effettuate
utilizzando
il
generatore
interno di riferimento, o qualsiasi altro segnale noto in ampiezza e
frequenza (tipicamente un segnale sinusoidale) di cui si conosce
l’ampiezza e la frequenza. Molti analizzatori di spettro hanno il
generatore interno di riferimento, che produce il segnale utile alla
verifica della calibrazione (amplitude reference).
5.8
STRUMENTAZIONE
UTILIZZATA
NELLE
CAMPAGNE
DI
MISURA
5.8.1 STRUMENTAZIONE IN BANDA LARGA
Lo
strumento
misura
è
il
a
banda
modello
larga
EMR
utilizzato
300
per
tutte
WANDEL&GOLTERMANN,
le
campagne
dotato
di
di
sonda
isotropica type 8.20 con gamma di frequenza da 100 kHz a 3 GHz,
sensibilità di 0.6 V/m e risoluzione del display di 0.01 V/m.
Il range di ampiezza è compreso tra 0.6 V/m e 800 V/m.
Dalle specifiche fornite dal costruttore dello strumento EMR 300
WANDEL&GOLTERMANN, 9 dotato di sonda isotropica type 8.20, utilizzato
nelle campagne di misura, si ricavano i seguenti valori:
Tabella 17 Incertezza sulla linearità (Li)
9
Valori di CEM
INCERTEZZA
(V/m)
(dB)
Da 0.6 a 1.25
± 3
Da 1.25 a 2.5
± 1
Da 2.5 a 400
± 0.5
Da 400 a 800
± 0.3
vedi appendice capitolo 5
105
Tabella 18 Risposta in frequenza (Ri)
RANGE DI FREQUENZE F
INCERTEZZA
(dB)
Da 100 MHz a 3 GHz
± 2.4
Tabella 19 Deviazione isotropica (Di)
RANGE DI FRQUENZE
INCERTEZZA
(dB)
± 1 dB
f> 1 MHz
Tabella 20 Errore assoluto di calibrazione (EA)
ERRORE ASSOLUTO DI
± 1 dB
CALIBRAZIONE (EA)
Di seguito sono riportati i calcoli delle incertezze da associare ai
valori rilevati nelle 4 campagne di misura effettuate.
PRIMA CAMPAGNA DI MISURA:
Uli= ± 1/√3 = ± 0.58 dB
(1.25 V/m<Eletto<2.5 V/m)
URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB
UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB
UEA =
± 1/√3 = ± 0.58 dB
L’incertezza standard combinata espressa in V/m è data da:
Uc =
ln 10
× Eletto × 3 ⋅ (0.58) 2 + (1.39) 2 = ± (0.11⋅1.82⋅1.71)= ± 0.34 dB
20
SECONDA CAMPAGNA DI MISURA:
Uli= ± 3/√3 = ± 1.73 dB
(0.6 V/m<Eletto<1.25 V/m)
URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB
UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB
UEA =
± 1/√3 = ± 0.58 dB
L’incertezza standard combinata espressa in V/m è data da:
106
Uc =
ln 10
× Eletto × (1.73) 2 + 2 ⋅ (0.58) 2 + (1.39) 2 = ± (0.11⋅1.02⋅2.37) = ± 0.27 dB
20
TERZA CAMPAGNA DI MISURA:
Uli= ± 1/√3 = ± 0.58 dB
(1.25 V/m<Eletto<2.5 V/m)
URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB
UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB
UEA = ± 1/√3 = ± 0.58 dB
L’incertezza standard combinata espressa in V/m è data da:
Uc =
ln 10
× Eletto × 3 ⋅ (0.58) 2 + (1.39) 2 = ± (0.11⋅2.38⋅1.71)= ± 0.45 dB
20
QUARTA CAMPAGNA DI MISURA:
Uli= ± 3/√3 = ± 1.73 dB
(0.6 V/m<Eletto<1.25 V/m)
URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB
UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB
UEA =
± 1/√3 = ± 0.58 dB
L’incertezza standard combinata espressa in V/m è data da:
Uc =
ln 10
× Eletto × 2 ⋅ (0.58) 2 + (1.73) 2 + (1.39) 2 = ± (0.11⋅0.7⋅2.37) = ± 0.18 dB
20
5.8.2 STRUMENTAZIONE IN BANDA STRETTA
L’analizzatore di spettro è il modello Agilent E4402B, dotato della
funzione Channel Power. Lo strumento lavora in un intervallo di
frequenze compreso tra 9 kHz e 3 GHz: all’accensione si autocalibra.
Dal
data
sheet
dell’analizzatore 10
si
ricavano
associate ad ogni componente dello strumento.
10
vedi appendice capitolo 5.
107
le
incertezze
Tabella 21 Incertezze analizzatore di spettro
COMPONENTI DELLO
INCERTEZZA ASSOCIATA
STRUMENTO
(dB)
ATTENUATORE DI
± 0.3
INGRESSO
FILTRO DI INGRESSO E
± 0.46
MIXER
GUADAGNO FILTRO IF
± 0.3
FILTRO IF
± 0.3
AMPLIFICATORE
± 0.5
LOGARITMICO
± 0.34
CALIBRAZIONE
L’incertezza legata all’attenuatore d’ingresso vale ± 0.3 dB con
fattori di attenuazione tra 0-15 dB.
L’incertezza associata al filtro di ingresso e mixer per valori di
temperatura tra 20° e 30°è ± 0.46 dB.
La “reference level accuracy” legata al guadagno del filtro IF è ±
0.3 dB.
L’incertezza legata al IF Filter è pari a ± 0.3 dB.
La display fidelity relativa all’amplificatore logaritmico è ± 0.5
dB.
L’incertezza associata alla calibrazione effettuata con un segnale
utile di ampiezza pari a – 20 dBm e frequenza di 50 MHz è ± 0.34 dB.
La sonda isotropica è l’antenna biconica modello PCD 8250, collegata
tramite cavo Teseo all’analizzatore di spettro distante 3 m circa;
in
figura
30
è
riportata
una
foto
cavalletto.
108
dell’antenna
posizionata
sul
Figura 30 Antenna biconica su terrazzo hotel Londra (M.M)
L’antenna PCD 8250 ha un fattore d’antenna pari a ± 1 dB.
Per il fattore di attenuazione del cavo Teseo l’incertezza è pari a
± 0.35 dB.
In base a quanto riportato nel paragrafo 5.7.2.4 si ricava:
σdBm(dB) = (0.342 + 0.52 + 0.32 + 0.32 + 0.462 + 0.32)1/2 = ± 0.9 dB
σAF (dB) = ± 1 dB
σCaj (dB)= ± 0.35 dB
Quindi:
UdBm,j,i = σdBm/√3 = ± 0.5 dB
UAF,j = σAF/2 = ± 0.5 dB
UCA,j = σCaj/2 = ± 0.2 dB
Uc,j,i(V/m) = ± 0.08⋅Ej,i(V/m)
109
5.9 CAMPAGNE DI MISURA
1. CAMPAGNA
DI
MISURA PRESSO HOTEL LONDRA XVI TRAVERSA MILANO
MARITTIMA (CERVIA) 04/07/05
La prima campagna di misura è stata effettuata sul balcone al 5°
piano dell’hotel a 16.5 m di altezza sul livello del mare. Nelle
vicinanze,
precisamente
alle
distanze
ed
altezze
riportate
in
tabella 22, si trovano gli impianti per trasmissione di telefonia
mobile dei Gestori: VODAFONE, TIM, WIND e H3G. Gli impianti di TIM e
OMNITEL comprendono i sistemi GSM 900, DCS 1800 e UMTS; H3G presenta
solo UMTS, mentre WIND GSM 900 e DCS 1800. La campagna di misura è
iniziata alle 10 circa ed è stata conclusa intorno alle 12:30.
Tabella 22 Caratteristiche impianti
GESTORE
ALTEZZA IMPIANTO
DISTANZA DEGLI IMPIANTI
(m)
DAL PUNTO DI MISURA (m)
SUL PIANO ORRIZZONTALE
VODAFONE
27.9
49
TIM
30.95
120
WIND
28.7
161
H3G
27.08
179
Figura 31 Posizione antenne e punto di misura
110
Prima di allestire la postazione per le misure, è stata effettuata
una
prima
ricognizione
con
lo
strumento
a
banda
larga
per
individuare il punto in cui il valore del campo elettrico risultava
essere più elevato. É stato posizionato quindi il cavalletto, su cui
deve essere collocato lo strumento, e la misura è stata prelevata
per 6 minuti. Lo strumento fornisce il valore efficace del campo
elettrico totale presente durante l’intervallo di misura all’interno
della
banda
passante
dello
strumento,
calcolato
mediante
media
trascinata sugli ultimi 6 minuti.
Il valore letto sullo strumento è:
Emis = (Eletto ± 2⋅Uc)= (1.8 ± 0.7) [V/m].
Terminata la misura in banda larga si è allestita la postazione per
effettuare rilevazioni con l’analizzatore di spettro.
Per ogni gestore sono state effettuate tre misure per un intervallo
di tempo di 6 m, corrispondenti alle 3 orientazioni dell’antenna
reciprocamente ortogonali, secondo le specifiche CEI. I parametri
sull’analizzatore sono stati impostati seguendo le indicazioni delle
norme CEI 211-10 VARIANTE 1 e vengono riportati nella tabella 23.
Tabella 23
PARAMETRI IMPOSTATI
MISURA CANALI UMTS NEL DOMINIO
SULL’ANALIZZATORE DI SPETTRO
DELLA FREQUENZA
RBW
100 kHz
VBW
300 kHz
CENTER FREQ
n MHz
FREQ SPAN
5 MHz
SWEEP TIME
300 ms
TRIGGER
_
TRACE
_
MARKER
NORMAL
CHANNEL SPACING
5 MHz
CHANNEL BANDWIDTH
5 MHz
I valori dello spettro UMTS sono stati trascritti manualmente: il
rivelatore utilizzato è di tipo RMS. Nella tabella 24 sono raccolti
i valori del campo elettrico per ciascun operatore, per ciascuna
posizione, il valore totale di ciascun operatore ed il valore totale
111
del campo elettrico UMTS comprensivi del fattore di attenuazione
dell’antenna e del cavo, preimpostati nell’analizzatore e riportati
in
appendice,
con
relativa
incertezza
calcolata
secondo
il
procedimento riportato al paragrafo 5.7.2.4.
Tabella 24
OPERATORE
BANDA DI
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO IN
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
FREQUENZA
IN POSIZIONE 1
POSIZIONE 2
IN POSIZIONE 3
TOTALE
ASSEGNATA
(V/m)
(V/m)
(V/m)
(V/m)
MHz
VODAFONE
2158-2168
(0.12 ± 0.01)
(0.13 ± 0.01)
(0.032 ± 0.003)
(0.180 ± 0.001)
TIM
2125-2135
(0.15 ± 0.01)
(0.069 ± 0.005)
(0.15 ± 0.01)
(0.223 ± 0.001)
H3G
2145-2160
(41 ± 3)⋅E-6
(51 ± 4)⋅E-6
(51 ± 4)⋅E-6
(83 ± 4)⋅E-6
(0.287 ± 0.002)
CAMPO ELETTRICO TOTALE UMTS (V/m)
Si nota che la componente del campo elettrico relativa ad H3G è di 4
ordini di grandezza inferiore rispetto alle altre due componenti:
quindi il suo contributo può essere trascurato.
2. CAMPAGNA
DI
MISURA
PRESSO
HOTEL
GRANADA
V
TRAVERSA
MILANO
MARITTIMA (CERVIA) 14/07/05
La
misura
è
iniziata
alle
ore
10:20
sul
balcone
al
5
piano
dell’hotel sul lastricato solare lato ovest a 16.5 m di altezza dal
suolo.
L’impianto
sotto
esame
del
gestore
H3G
è
situato
sull’edificio di fronte all’hotel come mostrato in figura 32, ad un’
altezza di 24 m e ad una distanza dal punto di misura sul piano
orizzontale di 48 m.
112
Figura 32 Strumento in banda larga su balcone hotel Granada. Di fronte impianto H3G
Figura 33 Posizione antenne e punto di misura
113
Lo strumento in banda larga, è stato posizionato nel punto dove il
valore del campo elettromagnetico è risultato più elevato dopo una
prima ricognizione.
Operando con la stessa modalità della campagna di misura precedente
è stata effettuata una prima rilevazione del campo elettromagnetico
totale, che è risultato essere pari a:
Emis = (Eletto ± 2⋅Uc)= (1.0 ± 0.5) [V/m].
Ad ogni valore di misura viene quindi associata l’incertezza estesa
con un fattore di copertura k=2.
Per
quanto
riguarda
la
misura
in
banda
stretta
si
è
impostato
l’analizzatore di spettro con i parametri riportati in tabella 25
come prescritto dalle norme CEI.
Tabella 25
PARAMETRI IMPOSTATI
MISURA CANALI UMTS NEL
SULL’ANALIZZATORE DI SPETTRO
DOMINIO DELLA FREQUENZA
RBW
100 kHz
VBW
300 kHz
CENTER FREQ
2152.5 MHz
FREQ SPAN
5 MHz
SWEEP TIME
300 ms
TRIGGER
_
TRACE
_
MARKER
NORMAL
CHANNEL SPACING
5 MHz
CHANNEL BANDWIDTH
5 MHz
Nella tabella 26 sono raccolti i valori del campo elettrico per
ciascuna posizione ed il valore totale del campo elettrico UMTS
comprensivi del fattore di attenuazione dell’antenna e del cavo,
preimpostati
nell’analizzatore
e
riportati
in
appendice,
con
relativa incertezza calcolata secondo il procedimento riportato al
paragrafo 5.7.2.4
114
CAMPO
CAMPO
CAMPO
CAMPO
ELETTRICO IN
ELETTRICO IN
ELETTRICO IN
ELETTRICO
ASSEGNATA
POSIZIONE 1
POSIZIONE 2
POSIZIONE 3
TOTALE
MHz
(V/m)
(V/m)
(V/m)
(V/m)
2145-2160
(0.18 ± 0.01)
(0.54 ± 0.04)
(0.22 ± 0.02)
(0.61 ± 0.08)
2155155000
OPERATORE
H3G
BANDA DI
FREQUENZA
2152980000
Tabella 26
2154720000
2154285000
2153850000
2153415000
2152545000
2152110000
2151675000
2151240000
2150805000
2150370000
-1,00E+01
2149935000
-5,00E+00
2149500000
0,00E+00
-1,50E+01
Serie3
-2,00E+01
Serie1
Serie2
-2,50E+01
-3,00E+01
-3,50E+01
-4,00E+01
Figura 33 Spettri del campo elettrico prelevati nelle tre orientazioni dell’antenna
In figura 33 sono mostrati i tre spettri del campo elettromagnetico
nelle tre orientazioni dell’antenna.
3. CAMPAGNA
DI
MISURA
PRESSO
HOTEL
ANTONY
VIALE
TITANO
144
PINARELLA DI CERVIA 14/07/05
La misura è iniziata alle ore 12:15 sul balcone di una camera lato
nord-ovest
dell’hotel
Antony
al
terzo
piano
a
circa
10.5
m
di
altezza dal suolo. Sull’edificio è installato l’impianto del gestore
TIM, a 7 m di distanza sul piano orizzontale dal punto di misura e
ad un’altezza di 23.95 m, mentre sul centro commerciale limitrofo è
installato
distanza
l’impianto
sul
piano
di
Vodafone
orizzontale
di
ad
altezza
141
m
dal
di
29
punto
m
e
di
ad
misura.
Entrambe i gestori presentano sistemi GSM 900, DCS 1800 e UMTS.
115
una
Figura 34 Posizione antenne e punto di misura
Lo strumento in banda larga, è stato posizionato nel punto dove il
valore del campo elettromagnetico è risultato più elevato dopo una
prima ricognizione . Il valore totale di campo magnetico presente è:
Emis = (Eletto ± 2⋅Uc)= (2.4 ± 0.9) [V/m].
Ad ogni valore di misura viene quindi associata l’incertezza estesa
con un fattore di copertura k=2.
La
misura
in
banda
stretta
è
stata
effettuata
impostando
l’analizzatore con gli stessi parametri riportati in tabella 25 con
l’unica modifica relativa al centro frequenza che in questo caso è
2162.7 MHz per Vodafone e 2127.5 MHZ per TIM.
Nella tabella 27 sono raccolti i valori del campo elettrico per
ciascun
operatore,
ciascun
operatore
per
ed
il
ciascuna
valore
posizione,
totale
del
il
valore
campo
totale
elettrico
di
UMTS
comprensivi del fattore di attenuazione dell’antenna e del cavo,
preimpostati
nell’analizzatore
e
riportati
in
appendice,
con
relativa incertezza calcolata secondo il procedimento riportato al
paragrafo 5.7.2.4.
116
Tabella 27
OPERATORE
BANDA DI
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
FREQUENZA
IN POSIZIONE 1
IN POSIZIONE 2
IN POSIZIONE 3
TOTALE
ASSEGNATA
(V/m)
(V/m)
(V/m)
(V/m)
MHz
VODAFONE
2158-2168
(0.099 ± 0.008)
(0.064 ± 0.005)
(0.032 ± 0.003)
(0.122 ± 0.007)
TIM
2125-2135
(0.027 ± 0.002)
(0.027 ± 0.002)
(0.034 ± 0.003)
(0.051 ± 0.002)
(0.132 ± 0.006)
CAMPO ELETTRICO TOTALE UMTS (V/m)
In figura 35 è mostrato lo spettro della rilevazione relativa alla
posizione 3 dell’antenna per Vodafone.
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
2E+09
-5,00E+00
2E+09
0,00E+00
-1,00E+01
-1,50E+01
-2,00E+01
Serie2
-2,50E+01
-3,00E+01
-3,50E+01
-4,00E+01
-4,50E+01
Figura 35 Spettro relativo alla componente del campo elettrico in posizione 3
4. CAMPAGNA DI MISURA PRESSO OSPEDALE DI CERVIA 14/07/’05
La
misura
all’ultimo
è
iniziata
piano
alle
ore
dell’ospedale
di
15.25
sulla
Cervia.
scala
L’impianto
antincendio
più
vicino
dista 232 m sul piano orizzontale dal punto di misura ed è quello di
Vodafone: esso è mostrato in figura 36 e 37. L’impianto è collocato
su un traliccio ad un’altezza di 28.8 m, mentre il punto di misura
si trova a 11 m di altezza dal suolo. Sono presenti i sistemi GSM
900, DCS 1800 e UMTS.
117
Figura 36 Impianto Vodafone vicino ad ospedale
Figura 37 Posizione antenne e punto di misura
118
Prima è stato prelevato il valore del campo elettromagnetico totale,
con strumentazione in banda larga, pari a:
Emis = (Eletto ± 2⋅Uc)= (0.7 ± 0.4) [V/m].
Ad ogni valore di misura viene quindi associata l’incertezza estesa
con un fattore di copertura k=2.
La
misura
in
banda
stretta
è
stata
effettuata
impostando
l’analizzatore con gli stessi parametri riportati in tabella 25 con
l’unica modifica relativa al centro frequenza che in questo caso è
2162.5 MHz.
Nella tabella 28 sono raccolti i valori del campo elettrico per
ciascuna posizione ed il valore totale del campo elettrico UMTS
comprensivi del fattore di attenuazione dell’antenna e del cavo,
preimpostati
nell’analizzatore
e
riportati
in
appendice,
con
relativa incertezza calcolata secondo il procedimento riportato al
paragrafo 5.7.2.4
Tabella 28
OPERATORE
BANDA DI
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
FREQUENZA
POSIZIONE 1
POSIZIONE 2
POSIZIONE 3
TOTALE
ASSEGNATA
(V/m)
(V/m)
(V/m)
(V/m)
(0.068 ± 0.005)
(0.100 ± 0.008)
(0.043 ± 0.003)
(0.128 ± 0.007)
MHz
VODAFONE
2158-2168
ospedale
dBm
2164887500
2164600000
2164312500
2164025000
2163737500
2163450000
2163162500
2162875000
2162587500
2162300000
2162012500
2161725000
2161437500
2161150000
2160862500
2160575000
-1,50E+01
2160287500
-1,00E+01
2160000000
0,00E+00
-5,00E+00
-2,00E+01
Serie1
-2,50E+01
Serie2
-3,00E+01
Serie3
-3,50E+01
-4,00E+01
-4,50E+01
-5,00E+01
freq
Figura 38 spettri del campo elettrico nelle tre posizioni dell’antenna
119
In figura 38 sono mostrati i tre spettri del campo elettromagnetico
nelle tre orientazioni dell’antenna.
5.10 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
Tutte le misurazioni sono state effettuate con la strumentazione
dell’Arpa
di
Ravenna
e
con
la
collaborazione
dei
tecnici
del
Servizio Sistemi Ambientali della sezione provinciale di Ravenna,
che
mi
hanno
L’analizzatore
accompagnato
di
spettro
in
in
tutte
le
dotazione
campagne
all’Arpa
di
di
misura.
Rimini
non
presenta infatti la possibilità di effettuare misure in modalità
Channel Power.
Dalle misure effettuate e dai dati raccolti emerge che i valori di
campo elettromagnetico presenti nei punti più significativi, cioè
nelle
vicinanze
degli
impianti
per
la
telefonia
mobile,
sono
inferiori di molto ai limiti fissati dalle normative. In particolare
dalle
nostre
campagne
di
misura
il
valore
più
alto
prelevato
è
risultato essere (2.4 ± 0.9) V/m in banda larga, comprendente quindi
ogni
possibili
sorgente
di
emissione
presente
al
momento
della
misura. Discriminando poi le varie componenti dello spettro tramite
analizzatore, il campo elettromagnetico generato da impianti UMTS è
risultato al massimo pari a (0.61±0.08) V/m, nella seconda campagna
di misura in cui la SRB si trova in prossimità del punto di misura
come mostrato in figura 32.
In tabella 29 sono riportati i valori di campo elettromagnetico in
banda larga, i valori di campo elettromagnetico totale UMTS, il
rapporto tra valore di campo elettromagnetico totale UMTS e valore
di campo elettromagnetico in banda larga e la corrispondente % per
le 4 campagne di misura effettuate.
120
Tabella 29
CAMPAGNA
CAMPO ELETTRICO
CAMPO ELETTRICO
RAPPORTO
% EUMTS
DI MISURA
BANDA LARGA [V/m]
TOTALE UMTS [V/m]
EUMTS/ETOT
su ETOT
1
(1.8 ± 0.7)
(0.287 ± 0.002)
(0.16 ± 0.06)
16
2
(1.0 ± 0.5)
(0.61 ± 0.08)
(0.6 ± 0.4)
60
3
(2.4 ± 0.9)
(0.132 ± 0.006)
(0.06 ± 0.02)
6
4
(0.7 ± 0.4)
(0.128 ± 0.007)
(0.2 ± 0.1)
20
Sia dalle misure effettuate che dai dati riportati precedentemente
emerge che l’impatto del sistema UMTS dal punto di vista del campo
elettromagnetico prodotto nell’ambiente risulta basso, rispetto ai
segnali
in
tecnologia
UMTS.
È
da
notare
che
per
sistemi
misti
(contemporanea presenza di segnali con frequenze GSM e UMTS) il
livello di campo EUMTS risulta sempre inferiore al 20% del valore di
campo totale ETOT. Nella seconda campagna di misura, in cui l’unico
segnale presente è rappresentato dal sistema UMTS, si nota che il
valore totale di campo elettrico, ETOT è confrontabile con il campo
EUMTS, considerando che è sempre presente un campo elettromagnetico di
fondo.
La
complessa
miglioramenti
livelli
di
tecnologia
sulla
potenza
macrodiversità 11.
II
utilizzata
capacità
e
di
mira
contemporaneamente
contenuti:
tipo
infatti
un
accesso
esempio
è
multiplo,
ad
ad
la
ottenere
operare
con
funzione
di
CDMA,
inoltre
è
disturbato da livelli elevati e non uniformi di potenza. Attraverso
lo
studio
del
funzionamento
del
sistema
si
nota
che
esistono
algoritmi specifici “RRM” (Radio Resource Menagment) che mirano a
garantire la massima capacità del sistema conservando però i livelli
di qualità a valori prestabiliti ed il livello di interferenza e
carico
al
di
sotto
di
opportune
soglie.
L’Admission
Control
ad
esempio vaglia ogni richiesta di chiamata per evitare che il sistema
vada in crisi a causa dell’aumento indiscriminato di interferenza
(in altri termini di potenza nelle celle). Il Power Control fa sì
11
vedi paragrafo 3.4.7 pp 62 capitolo 3.
121
che la potenza ricevuta dalla SRB in presenza di più stazioni mobili
sia allo stesso livello in modo da evitare squilibri di potenza tra
i segnali ricevuti.
Il
Congestion
carico
della
Control
cella
“sorveglia”
in
continuazione
(potenza/interferenza)
e
lo
agisce
in
stato
di
modo
da
prevenire eventuali cadute delle chiamate in corso. Il soft Handover
e softer Handover
12
si occupano del passaggio da una cella all’altra
aventi la stessa frequenza.
In dispense fornite ad Arpa da H3G 13 viene presentato un confronto
tra sistema WCDMA e GSM 1800 in condizioni omogenee, ossia:
−
Servizio voce
−
Siti-trisettoriali
−
Copertura indoor
−
Due ambienti considerati: urbano e suburbano
−
Fading alla Rayleigh e lognormale inclusi
Nelle tabelle 30 e 31 sono riportate le caratteristiche generali
degli apparati considerati:
Tabella 30
GSM
Output power
Sensitivity
[dBm]
[dBm]
SRB
40
-110
MS power class 1
30
-104
Tabella 31
WCDMA
Output power
Sensitivity [dBm]
[dBm]
(speech 12.2 kbps)
SRB
43
-124.9
UE power class 4
21
-118.4
Dal confronto emerge che per servire lo stesso numero di utenti
simultanei (48), nello stesso raggio di copertura (540 m) e nello
stesso ambiente (urbano), il sistema GSM necessità di una potenza di
12
13
vedi paragrafo 3.4.7 pp 62 capitolo 3.
M. Caselli, Area centro – nord H3G, “Introduzione alla gestione della risorsa
radio nel WCDMA”.
122
trasmissione maggiore (18.4 W) sia alla SRB, che al mobile (30 dBm)
rispetto al WCDMA (10 W per la SRB e 16.6 dBm per il mobile).
In termini di campo elettrico E per la tratta down-link il risparmio
di potenza è valutabile dalla relazione:
E=
P ⋅ G ⋅ 30
D
(5.24)
se il rapporto tra le potenze UMTS e GSM è X, allora il rapporto dei
medesimi
campi
generati
√X
risulta
(analogamente
in
termini
di
distanze). Dagli esempi si ottiene:
Tabella 32
Ambiente
PUMTS/PGSM
E
d
Urbano
54.3 %
EUMTS = 74 % EGSM
dUMTS = 74 %dGSM
Suburbano
60.2 %
EUMTS = 78 % EGSM
dUMTS = 78 %dGSM
Per quanto riguarda la tratta up-link nel caso del GSM il mobile
(MS) non trasmette in modo continuo come accade per un utente (UE)
del
WCDMA,
ma
per
1/8
del
tempo.
Considerando
questa
discretizzazione temporale, per gli esempi considerati si ottiene:
Tabella 33
Ambiente
Potenze Tx dai mobili
Urbano
PUE=36.3 %PMS
Suburbano
PUE=33.8 %PMS
123