CAPITOLO 5 STRUMENTAZIONE PER LA MISURA DI ... (V/m), di campo magnetico (A/m) e densità di potenza...

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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 quantitativa dell’intensità

dell’agente misurato.

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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 margini di errore. Se la sorgente sotto

sorveglianza emette contemporaneamente su più frequenze si può

operare a banda stretta o a banda larga. Nel primo caso 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

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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 misure indipendenti di entrambi. Dato che possono

essere presenti notevoli variazioni spaziali delle 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 reattivo. Si 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 sono gli estremi vicini dei suddetti bracci. Tali

sensori sono insensibili al campo magnetico e offrono buona

risoluzione spaziale. Lunghezza limitata ed impedenza 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 d’onda; i terminali di uscita del segnale sono

ricavati interrompendo in un punto qualunque la spira stessa.

Caratteristica principale di questa famiglia di sensori è

l’insensibilità al campo elettrico e la buona risoluzione spaziale.

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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 vicina si 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 anche nella zona di induzione. Si possono

iniziare ad utilizzare nella parte più “lontana” della zona di

Fresnell antenne in particolare a banda larga ed operanti 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).

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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 dalla direzione del campo e dalla

polarizzazione: in questo caso si parla di 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

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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). Di estrema utilità durante l’esecuzione delle misure

risultano essere alcune funzioni tra cui: la 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;

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• 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 di frequenza attuata tramite il metodo

supereterodina, mediante il quale il segnale a RF 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

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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 mixer, trasla in

frequenza il segnale da analizzare, mantenendone costanti le altre

caratteristiche informative.

Il segnale dell’oscillatore a dente di sega, attraverso

l’amplificatore orizzontale, determina la 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.

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• 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 BandWidth): indica 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”.

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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 mostrato uno sforamento del limite legislativo

consentito ed è necessario conoscere il contributo 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 coinvolte e alle diverse caratteristiche del segnale,

esistono criteri specifici di scelta della catena strumentale e

delle metodologie di misura.

91

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:

222zyx EEEE ++= (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 utilizzi un’antenna di piccole dimensioni rispetto

all’altezza media del corpo umano per ogni punto di 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

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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 fattori6:

• Incertezza di ripetibilità: è la deviazione standard

calcolata tra tutti i valori di campo 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 sulla risoluzione del lettore: per lettori di

tipo digitale si ipotizza una distribuzione rettangolare

6 “Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettromagnetici

nell’intervallo di frequenza 10 kHz-300 GHz con riferimento all’esposizione umana”

CEI 211-7, Gennaio 2001, I edizione, pag. 42.

93

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:

∑=i ic uu 2

. (5.2)

L’incertezza di ripetibilità, essendo di tipo statistico, viene

classificata come incertezza di tipo A; gli altri 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 strumentazione7.

Quando si conoscono i limiti superiore ed inferiore di variabilità

ma non è nota la distribuzione di probabilità all’interno

dell’intervallo, si ipotizza una distribuzione rettangolare. Lo

scarto tipo di una distribuzione rettangolare si ottiene dividendo

la semilarghezza a della distribuzione rettangolare per la radice

quadrata di 3:

3aui = . (5.3)

Lo scarto tipo di una distribuzione normale si ottiene dividendo la

semilunghezza a della distribuzione normale per 2:

2aui = . (5.4)

L’incertezza standard combinata espressa in V/m è data da:

∑××=i ilettoc uEU 2

2010ln

. (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.

94

Emis = (Eletto ± 2⋅Uc) [V/m]. (5.6)

Il fattore di copertura k viene scelto sulla base del livello di

sicurezza (confidenza) desiderato, da associare all’intervallo:

tipicamente k si trova nell’intervallo tra 2 e 3. Nel caso di

distribuzione normale, scegliendo k=2 si definisce un 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

95

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, tenendo in questo ultimo caso in

considerazione anche l’incertezza del fattore 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:

ngiR ZKPE 10log1090 ⋅+++= [dBμV/m] (5.8)

Zing è l’impedenza di ingresso dell’analizzatore di spettro (50

Ohm).

20/6 1010

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

− ⋅= mVdB

EEμ

[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”).

96

• 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:

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⋅⋅= ∑ −

i

Ps ii

NNBWB

CP 10/10 101log10 α (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 di correzione (espresso in dB) che

differisce pixel per pixel e tiene conto della 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 di misurare direttamente la potenza di canale,

senza ricorrere alla procedura di calcolo descritta

precedentemente, garantendo vantaggi in termini di velocità

di calcolo.

• In assenza della possibilità di effettuare la misura in

“Channel Power” e di filtri di canale, è 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

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l’equazione:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅= ∑

i

Ps

i

NNBWB

CP 1010 101log10 (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;

N è il numero di pixel contenuti nella banda di

integrazione;

Pi è la potenza associata a ciascun pixel, misurata in unità

logaritmiche.

Mediante l’analizzatore di spettro si possono effettuare misure

istantanee, integrando su tutta la banda del 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 sul display del pixel n-esimo in base

all’impostazione del detector si possono visualizzare il 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 con modulazione digitale sono noise-like, la

traccia ottenuta con un detector Sample è soggetta a grandi

variazioni.

Il detector RMS dà risultati più stabili, perché la potenza per

pixel è calcolata sulla base di diversi valori misurati, ed inoltre

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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 modulo del campo totale viene

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ricavato secondo la relazione:

yxT EEE 22 += [V/m] (5.12)

• La misura direzionale non tiene conto di effetti di

riflessione elettromagnetica provenienti su 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:

zyxT EEEE 222 ++= [V/m] (5.13)

• La misura isotropa contempla gli effetti 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 impostare

sull’analizzatore di spettro.

Tabella 16

PARAMETRI IMPOSTATI

SULL’ANALIZZATORE DI SPETTRO

MISURA CANALI UMTS NEL

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

100

La resolution bandwidth (RBW) deve essere piccola rispetto alla

larghezza del canale (soprattutto per discriminare tra 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 noise-

like.

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 DELL’INCERTEZZA NELLA MISURA DEI CAMPI

ELETTROMAGNETICI A RADIOFREQUENZA CON STRUMENTI 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:

)()()()/(2010ln)/( ,

2,

2,

2,,, dBUdBUdBUmVEmVU jCAjAFidBmjijijc ++⋅⋅= . (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:

101

∑⋅=

iijcij

jjc UE

EmVU ,,

2,

2,

1)/(. (5.16)

Essa rappresenta l’incertezza 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:

∑⋅=

jjcj

totc UE

EmVU ,

221)/(. (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 da osservazioni ripetute ma da specifiche di

calibrazione e da caratteristiche di costruzione della

strumentazione8):3

σ=jU (5.18)

e di tipo A (grandezze di cui si conosce la distribuzione

statistica): 2σ=jU (5.19)


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]. (5.20)

L’analisi dell’incertezza sulla misura in banda stretta dovrebbe

comprendere le incertezze introdotte da ogni singolo 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 d’antenna (AF), che è conosciuto con incertezza

nota. Inoltre occorre tenere in 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

102

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)], (5.21)

( )( )1

1+−=

VSWRVSWRρ coefficiente di riflessione. (5.22)

• Cavo: la presenza del cavo introduce 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 di spettro: per l’analisi dell’incertezza

occorre considerare il contributo 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.

103

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

104

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

105

dalla ideale curva logaritmica introduce perciò un’ulteriore

incertezza sulla lettura dell’ampiezza del 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 a banda larga utilizzato per tutte le campagne di

misura è il modello EMR 300 WANDEL&GOLTERMANN, dotato 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)

Valori di CEM

(V/m)

INCERTEZZA

(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

9 vedi appendice capitolo 5

106

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)

f> 1 MHz ± 1 dB

Tabella 20 Errore assoluto di calibrazione (EA)

ERRORE ASSOLUTO DI

CALIBRAZIONE (EA)

± 1 dB

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


22 )39.1()58.0(32010ln +⋅××= lettoc EU = ± (0.11⋅1.82⋅1.71)= ± 0.34 dB

SECONDA CAMPAGNA DI MISURA:


URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB

UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB

UEA = ± 1/√3 = ± 0.58 dB


107

222 )39.1()58.0(2)73.1(2010ln +⋅+××= lettoc EU = ± (0.11⋅1.02⋅2.37) = ± 0.27 dB

TERZA CAMPAGNA DI MISURA:


URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB

UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB

UEA = ± 1/√3 = ± 0.58 dB


22 )39.1()58.0(32010ln +⋅××= lettoc EU = ± (0.11⋅2.38⋅1.71)= ± 0.45 dB

QUARTA CAMPAGNA DI MISURA:


URf= ± 2.4/√3 = ± 1.39 dB

UDi= ± 1/√3 = ± 0.58 dB

UEA = ± 1/√3 = ± 0.58 dB


222 )39.1()73.1()58.0(22010ln ++⋅××= lettoc EU = ± (0.11⋅0.7⋅2.37) = ± 0.18 dB

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’analizzatore10 si ricavano le incertezze

associate ad ogni componente dello strumento.

10 vedi appendice capitolo 5.

108

Tabella 21 Incertezze analizzatore di spettro

COMPONENTI DELLO

STRUMENTO

INCERTEZZA ASSOCIATA

(dB)

ATTENUATORE DI

INGRESSO

± 0.3

FILTRO DI INGRESSO E

MIXER

± 0.46

GUADAGNO FILTRO IF ± 0.3

FILTRO IF ± 0.3

AMPLIFICATORE

LOGARITMICO

± 0.5

CALIBRAZIONE ± 0.34

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 dell’antenna posizionata sul

cavalletto.

109

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)

110

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

(m)

DISTANZA DEGLI IMPIANTI

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

111

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

DELLA FREQUENZA

RBW 100 kHz

VBW 300 kHz

CENTER FREQ n MHz

FREQ SPAN 5 MHz

SWEEP TIME 300 ms

TRIGGER _

TRACE _

MARKER NORMAL



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

112

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

FREQUENZA

ASSEGNATA

MHz

CAMPO ELETTRICO

IN POSIZIONE 1

(V/m)

CAMPO ELETTRICO IN

POSIZIONE 2

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

IN POSIZIONE 3

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

TOTALE

(V/m)

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

CAMPO ELETTRICO TOTALE UMTS (V/m) (0.287 ± 0.002)

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.

113

Figura 32 Strumento in banda larga su balcone hotel Granada. Di fronte impianto H3G


114

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].


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

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



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

115

Tabella 26

OPERATORE BANDA DI

FREQUENZA

ASSEGNATA

MHz

CAMPO

ELETTRICO IN

POSIZIONE 1

(V/m)

CAMPO

ELETTRICO IN

POSIZIONE 2

(V/m)

CAMPO

ELETTRICO IN

POSIZIONE 3

(V/m)

CAMPO

ELETTRICO

TOTALE

(V/m)

H3G 2145-2160 (0.18 ± 0.01) (0.54 ± 0.04) (0.22 ± 0.02) (0.61 ± 0.08)

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 l’impianto di Vodafone ad altezza di 29 m e ad una

distanza sul piano orizzontale di 141 m dal punto di misura.

Entrambe i gestori presentano sistemi GSM 900, DCS 1800 e UMTS.

-4,00E+01

-3,50E+01

-3,00E+01

-2,50E+01

-2,00E+01

-1,50E+01

-1,00E+01

-5,00E+00

0,00E+00

2149

5000

00

2149

9350

00

2150

3700

00

2150

8050

00

2151

2400

00

2151

6750

00

2152

1100

00

2152

5450

00

2152

9800

00

2153

4150

00

2153

8500

00

2154

2850

00

2154

7200

00

2155

1550

00

Serie3

Serie1

Serie2

116


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].



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.


ciascun operatore, per ciascuna posizione, il valore totale di

ciascun operatore ed il valore totale del campo elettrico UMTS




paragrafo 5.7.2.4.

117

Tabella 27

OPERATORE BANDA DI

FREQUENZA

ASSEGNATA

MHz

CAMPO ELETTRICO

IN POSIZIONE 1

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

IN POSIZIONE 2

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

IN POSIZIONE 3

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

TOTALE

(V/m)

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)

CAMPO ELETTRICO TOTALE UMTS (V/m) (0.132 ± 0.006)

In figura 35 è mostrato lo spettro della rilevazione relativa alla

posizione 3 dell’antenna per Vodafone.

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 è iniziata alle ore 15.25 sulla scala antincendio

all’ultimo piano dell’ospedale di Cervia. L’impianto 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.

-4,50E+01

-4,00E+01

-3,50E+01

-3,00E+01

-2,50E+01

-2,00E+01

-1,50E+01

-1,00E+01

-5,00E+00

0,00E+00

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

2E+0

9

Serie2

118

Figura 36 Impianto Vodafone vicino ad ospedale


119

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].



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.


ciascuna posizione ed il valore totale del campo elettrico UMTS




paragrafo 5.7.2.4

Tabella 28

OPERATORE BANDA DI

FREQUENZA

ASSEGNATA

MHz

CAMPO ELETTRICO

POSIZIONE 1

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

POSIZIONE 2

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

POSIZIONE 3

(V/m)

CAMPO ELETTRICO

TOTALE

(V/m)

VODAFONE 2158-2168 (0.068 ± 0.005) (0.100 ± 0.008) (0.043 ± 0.003) (0.128 ± 0.007)

Figura 38 spettri del campo elettrico nelle tre posizioni dell’antenna

ospedale

-5,00E+01

-4,50E+01

-4,00E+01

-3,50E+01

-3,00E+01

-2,50E+01

-2,00E+01

-1,50E+01

-1,00E+01

-5,00E+00

0,00E+00

2160

0000

00

2160

2875

00

2160

5750

00

2160

8625

00

2161

1500

00

2161

4375

00

2161

7250

00

2162

0125

00

2162

3000

00

2162

5875

00

2162

8750

00

2163

1625

00

2163

4500

00

2163

7375

00

2164

0250

00

2164

3125

00

2164

6000

00

2164

8875

00

freq

dBm

Serie1Serie2Serie3

120

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 accompagnato in tutte le campagne di misura.

L’analizzatore di spettro in dotazione all’Arpa di 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.

121

Tabella 29

CAMPAGNA

DI MISURA

CAMPO ELETTRICO

BANDA LARGA [V/m]

CAMPO ELETTRICO

TOTALE UMTS [V/m]

RAPPORTO

EUMTS/ETOT

% EUMTS

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 tecnologia utilizzata infatti mira ad ottenere

miglioramenti sulla capacità e contemporaneamente ad operare con

livelli di potenza contenuti: un esempio è la funzione di

macrodiversità11. II tipo di accesso multiplo, 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.

122

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 Control “sorveglia” in continuazione lo stato di

carico della cella (potenza/interferenza) e agisce in 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 H3G13 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

[dBm]

Sensitivity

[dBm]

SRB 40 -110

MS power class 1 30 -104

Tabella 31

WCDMA Output power

[dBm]

Sensitivity [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 vedi paragrafo 3.4.7 pp 62 capitolo 3.

13 M. Caselli, Area centro – nord H3G, “Introduzione alla gestione della risorsa

radio nel WCDMA”.

123

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:

DGPE 30⋅⋅= (5.24)

se il rapporto tra le potenze UMTS e GSM è X, allora il rapporto dei

medesimi campi generati risulta √X (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

CAPITOLO 5 STRUMENTAZIONE PER LA MISURA DI ... (V/m), di campo magnetico (A/m) e densità di potenza...

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