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ICARA 2012 - Colle Leone (TE), 27-28 ottobre 2012

Radiometeore, oggi

Giovanni Aglialoro, IV3GCP

Massimo Devetti, IV3NDC

2

Osservazioni del Flusso Meteorico con tecniche radio

Un Meteoroide, a causa del campo gravitazionale terrestre, entra nella nostra atmosfera a velocità di decine di km/s.Appena esso incontra strati gassosi sufficientemente densi, si riscalda per attrito, evaporando in superficie ( processo di ablazione ). Gli atomi così liberatosi collidono con gli atomi di gas circostante.L’elevata energia (in particolare cinetica) associata al Meteoroide si trasforma quindi in:

-Radiazione nello spettro visibile

-Aumento di temperatura

- Ionizzazione delle particelle circostanti

3

Il flusso meteorico “normale” (Meteore Sporadiche) presenta variazioni giornaliere e stagionali. Oltre a ciò, in certi periodi dell’anno l’orbita terrestre interseca “Streams” ad alta densità di Meteoroidi (Sciami di Meteore).

Quali sono le tecniche osservative applicabili al flusso meteorico?

Visuale

Fotografica

Telescopica

Video

Radio

4

Il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia di gas ionizzato che diffonde o riflette (per un certo intervallo di tempo, proporzionale al quadrato della lunghezza d’onda incidente) le onde radio ad essa incidenti, su frequenze ove normalmente non è possibile la ricezione oltre l’orizzonte radio.Sintonizzandosi su una frequenza ove irradia un trasmettitore noto (il cui segnale normalmente non è ricevibile), il passaggio di una meteora è segnalato da un eco del segnale proveniente dal trasmettitore considerato.

Le osservazioni delle Meteore con tecniche radio si basano sul principio del Meteor Scatter

5

L’osservazione con tecniche radio permette di svincolarsi da una serie di limitazioni, proprie delle precedenti metodologie:

• Imprecisione dell’osservatore umano

• Impossibilità di osservazioni diurne

• Dipendenza dalle condizioni climatiche

• Inquinamento luminoso

• Dinamica strumentale (osservazione delle sole meteore visibili)

Le osservazioni radio, pur soffrendo di una serie di altre limitazioni, costituiscono tuttavia uno dei metodi più efficaci per lo studio delle meteore, e sono adatte in particolare a sessioni osservative su lungo periodo.

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Meteor Back Scatter Observations

(Radar Meteorici Attivi)

Antenna Radar

Meteora

7

Forward Meteor Scatter Observations

Meteora

Trasmettitore Ricevitore

A differenza della tecnica precedente, tipica dell’ambito accademico e professionale, la tecnica osservativa basata sul Forward Meteor Scatter è alla portata dei ricercatori amatoriali, qualora si utilizzi un trasmettitore preesistente. Questo tuttavia deve essere scelto sulla base di opportune specifiche.

D

8

Caratteristiche del Trasmettitore Ideale per F.M.S.O.

• Sufficientemente distante da non essere normalmente ricevibile via Tropo ( typ. D>600 Km )

• Non troppo distante da non consentire lo Scattering meteorico, per motivi geometrici ( D<2200 Km )

• Frequenza di trasmissione nota e non interferita da altre emittenti

• Operante in continuità senza interruzioni di servizio

• Segnale trasmesso di caratteristiche invarianti nel tempo ( es: portante non modulata )

• Frequenza operativa che non permette forme propagative tali da consentire la ricezione (ad eccezione del M.S.): Gamma VHF

• Potenza di trasmissione sufficientemente elevata, Radiation Pattern dell’antenna non sfavorevole

9

Frequenza operativa scelta: 55,052 MHz(Portante Video DR1, Fyn, Denmark)

Fino all'anno 2010

Questo trasmettitore TV presentava caratteristiche ottimali in termini di:

- distanza dalla stazione ricevente ( ~ 1100 Km )

- potenza di uscita (25 KW ERP, Pattern omnidirezionale)

- operatività ( h24 tutto l’anno )

- immunità alle interferenze (non vi sono altri trasmettitori su freq. vicine)

Audio (MHz)

Cityva

Station

Audio

ERP

Coordinates

HAAT (m)

60.0521

221

Country Video (MHz)

Audio (MHz) City Station Video

ERP (W)Audio

ERP (W) Coordinates HAAT (m)

Denmark 55.0521 60.0521 Fyn DR 1 25,000 1,25010-29E / 55-17N

221

10

Osservatorio Radio-meteoricodel Liceo Scientifico di Gorizia: configurazione fino al 2010

ANT. 4 el. Yagi

ANT. Preamp.

f = 55.05 MHz

RX CONVERTER

LO

94 MHz

IF = 149.05 MHz

VHF RECEIVER

AUDIO AGC

A / D BOARD

Acquisition

Reduction & Analisys

Data & Plots

ATT

11

Caratteristiche tecniche del sistema

Antenna: Yagi 4 elementi f0 = 55 MHz, G = 6,5 dBd; HPBW (a -3dB) =65°;

LNA: MosFet BF981, G = 16 dB, NF = 1 dB;

12

Caratteristiche tecniche del sistema

Linea di discesa coassiale: 15 m di RG213

Step Attenuator: 50 Ω, 0,1 - 40 dB;

Up converter: 2x BF981 + mixer SBL1, G = 20 dB, NF = 1,5 dB

Oscillatore Locale 94 MHz,, uscita 40 mW (+16 dBm);

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Caratteristiche tecniche del sistema

Ricevitore IF: Yaesu FRG 9600 (uscita audio, uscita AGC);

Scheda A/D: 8 bit Flytec FPC010

Computer: PC Pentium 133 MHz con Windows 98 !

Software: Automatic Meteor Counting System

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Software di acquisizione

Rileva gli “echi” causati dall’ingresso di un meteoroide in atmosfera e li associa ad eventi, che vengono registrati su file di testo.

Il sampling combinato dei segnali AGC (Open Loop) e Audio permette di determinare se un’aumento di potenza ricevuta è dovuto a segnale utile (eco meteorico) o a rumore.

L’analisi del segnale audio permette anche, entro certi limiti, un filtering nei conteggi (echi dovuti ad altri trasmettitori, sufficientemente lontani in frequenza, non vengono conteggiati).

15

Software di acquisizione

AGC (Open Loop)

PWR

PWR > PwrThr ?

No Signal / No Meteor Detection

PwrThr = NoiseFloor + ΔPwr

NO

YES

Autocorrelation Algorithm

AUDIO

K > KThr ?

NO

Meteor Detection

To counter

10 Hz Sampling

No Meteor Detection

YES

16

Software di acquisizione

Il coefficiente di Autocorrelazione K assumerà valore elevato solo se la potenza del segnale audio è concentrata, in termini di spettro, attorno alla frequenza del “Tono Audio” che ci aspettiamo di ricevere dal trasmettitore lontano.

I Parametri NoiseFloor , ΔPwr e KThr sono impostabili all’inizio della sessione di osservazione. Il loro valore definisce la “Sensibilità” (Magnitudine Limite) del sistema di rilevazione e conteggio di eventi meteorici.

In base alla tipologia di osservazione da effettuare (Meteore Sporadiche, Sciami Minori, Sciami Maggiori o Meteor Storms) i parametri sopraccitati (come l’attenuazione sulla catena di ricezione) vanno scelti nell’ ottica del miglior compromesso tra Sensibilità ed Immunità ai disturbi.

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Procedura di osservazione

1. Accensione del sistema ed eventuale setup

2. L’acquisizione è automatica; ogni 24 ore vengono generati 2 file (formato testo) contenenti i dati acquisiti secondo diverse modalità; i file vengono aggiornati ogni 20 minuti

3. Trasferimento dei file al PC dedicato all’analisi; elaborazione con appositi tool (es.: fogli Excel)

…una breve clip del sistema in azione

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Esempio di file generati

• Quiet Signal -125 dB• Trigger Size 2 dB• Audio Threshold 55 • Max Ping Duration 8 * 0.1 sec• Transmitter ID DR1 • Frequency MHz 55.052 • RX Antenna 4elYagi • Antenna Beamwidth 65Degs • Beam Azimuth 355Degs • Beam Elevation 5Degs • Minimum RX NF 2dB • Attenuation 12dB

• <- MID TIME UT -> <------ COUNT -------> • DA MO YR HR MN SC FALSES PINGS METEOR • ======== ======== ====== ====== ====== • 19 4 7 11 7 59 2329 125 139 • 19 4 7 11 27 59 1806 116 127 • 19 4 7 11 47 59 1926 111 126 • 19 4 7 12 7 59 1408 171 181 • 19 4 7 12 27 59 1085 150 161 • 19 4 7 12 47 59 803 108 113 • 19 4 7 13 7 59 823 102 108 • 19 4 7 13 27 59 595 150 159 • 19 4 7 13 47 59 1038 120 127 • 19 4 7 14 7 59 598 131 137 • 19 4 7 14 27 59 418 122 128 • 19 4 7 14 47 59 501 124 135 • 19 4 7 15 7 59 360 112 118 • 19 4 7 15 27 59 646 97 107 • 19 4 7 15 47 59 602 100 109 • 19 4 7 16 7 59 620 95 106 • 19 4 7 16 27 59 737 62 72 • 19 4 7 16 47 59 637 47 54 •

(riporta i conteggi del numero di echi ad intervalli regolari di 20 min)

• tot 05 1 5 10 25long • dd mm yy hh mm ss dur met met met met met met met• 19 4 7 11 27 59 1941 392 307 45 34 5 1 0• 19 4 7 12 27 59 1540 455 390 39 21 5 0 0• 19 4 7 13 27 59 1220 394 330 42 21 1 0 0• 19 4 7 14 27 59 1256 400 328 49 22 1 0 0• 19 4 7 15 27 59 1080 334 278 31 25 0 0 0• 19 4 7 16 27 59 958 232 186 18 26 2 0 0• 19 4 7 17 27 59 762 177 143 16 16 2 0 0• 19 4 7 18 27 59 526 142 119 11 11 1 0 0• 19 4 7 19 27 59 627 135 110 18 6 0 1 0• 19 4 7 20 27 59 674 279 257 8 13 1 0 0• 19 4 7 21 27 59 565 221 190 19 12 0 0 0• 19 4 7 22 27 59 629 240 202 26 12 0 0 0• 19 4 7 23 27 59 1109 302 250 27 23 2 0 0• 20 4 7 0 27 59 953 344 302 26 15 1 0 0• 20 4 7 1 27 59 678 270 236 23 11 0 0 0• 20 4 7 2 27 59 1056 390 344 27 18 1 0 0• 20 4 7 3 27 59 1126 404 352 27 25 0 0 0• 20 4 7 4 27 59 1498 436 375 30 29 1 1 0• 20 4 7 5 27 59 1163 392 329 39 23 1 0 0• 20 4 7 6 27 59 1285 435 382 25 27 1 0 0• 20 4 7 7 27 59 1858 497 433 33 26 3 1 1• 20 4 7 8 27 59 1836 538 456 50 29 2 1 0• 20 4 7 9 27 59 1694 481 414 40 25 0 2 0• 20 4 7 10 27 59 2151 495 425 47 18 2 1 2

(raggruppa gli echi in classi di durate, su base oraria)

Esempio di elaborazione dati

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Andamento giornaliero del flusso meteoritico

Source:

METEOR SCIENCE AND ENGINEERING,

D.W.R. McKinley 1961

Tale flusso ha variazioni stagionali e giornaliere, legate principalmente all’altezza del punto di Apice celeste rispetto all’orizzonte: tale punto corrisponde alla regione di atmosfera avente la massima probabilità di intercettare meteore. L’andamento del flusso è in prima approssimazione sinusoidale, con massimo nelle prime ore nel mattino e minimo in prima serata. Più intuitivamente, basta notare che proprio nelle ore mattutine l’osservatore si trova sulla zona della Terra orientata nel verso di avanzamento del moto orbitale terrestre; tale posizione consente di intercettare un maggior numero di meteore, con la massima velocità relativa tra Terra e meteoroidi.

20

Verifica del flusso meteorico giornaliero

Uncorrected Total Counts - 3/4 Oct 2007

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Local Time

RH

R (

Co

un

ts/H

ou

r)

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11

Oct. 3 Oct. 4

Conteggi

Linea di tendenza

21

Osservazioni su base continuativa

Uncorrected RHR - 8/14 Oct. 2007

0

100

200

300

400

500

600

700

Local Time

RH

R (

Co

un

ts/H

ou

r)

Total counts

12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12

Oct. 9 Oct. 10 Oct. 11 Oct. 12 Oct. 13 Oct.14 Oct.14

Il generico conteggio rileva il flusso giornaliero di meteore sporadiche, con sovrapposti eventuali sciami

22

Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007

Uncorrected Hourly Counts / a-Aurigids 2007

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Time UT

Un

corr

ecte

d R

HR

(co

un

ts/h

ou

r)

Underdense

Total

Overdense

AUR Outburst

8 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 9

29 Aug. 30 Aug. 31 Aug. 1 Sept. 2 Sept. 3 Sept. 4 Sept.

Predicted Peak: Sept. 1, 11.33 UT ± 20 min. (Jenniskens/Lyytinen)

23

Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

RHR (Counts/Hour)

Hours (Local Time)Sept 1, 2007

a-Aurigids 2007 - Duration Distribution

d> 25 s

10 s <d< 25 s

5 s <d< 10 s

1 s <d< 5 s

0.5 s <d< 1 s

d< 0.5 s

Total Counts

Duration classes (s)

Bright Meteors

24

Osservazione di sciami: Funzione di Osservabilità

Approximate Observability Function - Gorizia to Fyn - Lyrids 2007

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Local Time

Eff

icie

ncy

%

La rilevazione, e la successiva “estrazione” di un determinato sciame dal flusso giornaliero si effettua una volta nota la Funzione di Osservabilità, relativa allo sciame considerato (oltre che funzione del tempo e della geometria di tratta).

Tale funzione dipende principalmente dall’altezza del Radiante dello sciame rispetto l’orizzonte, e dalla direzione reciproca (in Azimut) tra stazione TX, RX e Radiante, in funzione del tempo.

In prima approssimazione, il massimo di “Efficienza Radio” si ha per un altezza del radiante sull'orizzonte pari a 45°, e quando la direzione del Radiante è ortogonale alla direzione di tratta radio.

25

Osservazioni di sciami: Liridi 2009

20,4 21,4 22,4 23,4 24,4 25,4 26,4 27,4 28,4 29,4 30,4 31,4 32,4 33,4 34,4 35,4 36,4 37,4 38,4 39,4 40,40

50

100

150

200

250

300

Lyrids 2009 - Raw Total Counts

Solar Longitude (J2000)

RH

R (

cou

nts

/ho

ur)

Apr 10

Apr 22 Apr 30

[M. Sandri, M. Devetti, G. Aglialoro – 2009]

26

SottrazioneDel

Background(Meteore

Sporadiche)

Correzioneper altezza

del Radiante

Calcolo del Profilo Radio

Correzione per direzione

(Azimuth) del Radiante

27

Profilo di Attività Finale

29,896

974

30,019

008

30,141

042

30,263

076

30,385

1130

,507

144

30,629

178

30,751

212

30,873

246

30,995

2831

,117

314

31,239

348

31,361

382

31,483

416

31,605

4531

,727

484

31,849

518

31,971

552

32,093

586

32,215

6232

,337

654

32,459

688

32,581

722

32,703

756

32,825

7932

,947

824

33,069

858

33,191

892

33,313

926

33,435

9633

,557

994

33,680

028

33,802

062

33,924

096

34,046

1334

,168

164

34,290

198

34,412

232

34,534

266

34,656

334

,778

334

34,900

368

35,022

402

35,144

436

35,266

4735

,388

504

35,510

538

35,632

572

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

2009 LYR Radio Activity Profile

Solar Longitude (J2000.0)

Corr

ecte

d RH

R (M

eteo

r / H

our)

28

Confronto con osservazioni visuali29,896974

30,019008

30,141042

30,263076

30,38511

30,507144

30,629178

30,751212

30,873246

30,99528

31,117314

31,239348

31,361382

31,483416

31,60545

31,727484

31,849518

31,971552

32,093586

32,21562

32,337654

32,459688

32,581722

32,703756

32,82579

32,947824

33,069858

33,191892

33,313926

33,43596

33,557994

33,680028

33,802062

33,924096

34,04613

34,168164

34,290198

34,412232

34,534266

34,6563

34,778334

34,900368

35,022402

35,144436

35,26647

35,388504

35,510538

35,6325720

20

40

60

80

100

120

140

160

180

2009 LYR Radio Activity Profile

Solar Longitude (J2000.0)

Co

rre

cte

d R

HR

(M

ete

or

/ H

ou

r)

nel “radio” (by Cosmic Noise team)

visuale (dati IMO)

Ottimo accordo tra osservazioni

visuali e radio

LYR 2009 Maximum

according to IMO:

Apr. 22, 09 UT

(Λsol = 32° 245)

29

La postazione di rilevamento…

Amateur Radio Station

IV3RZM

Liceo Scientifico Duca degli Abruzzipiazza Divisione Julia 5 - 34170 GORIZIA

QTH: 45° 56’ 17’’ N - 13° 37’ 04’’ EWorld Wide Locator: JN65TW

Region 1 - CQ zone: 15 - ITU zone: 28

30 Alcuni allievi presentano l’attività

a ICARA 2007, Brasimone (BO)

Il Progetto Radiometeore al Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi di Gorizia

Rilevare la presenza di meteore e le variazionidell’attività meteoritica con l’uso di tecniche radio, a fini didattici e scientifici.

IV3EZM, Gabriele IV3NDC, Max

31

Sviluppi futuri

• Caratterizzazione completa del sistema ricevente: stima della Magnitudine Limite in diverse condizioni, determinazione del valore ottimale di attenuazione per il miglior compromesso sensibilità/accuratezza, ecc…

• Applicazione di algoritmi per la riduzione / correzione dei dati rilevati (Dead Time, Sporadics subtr., Observability function…) software per la stima del profilo di attività dello sciame secondo i parametri del nuovo impianto

• Totale automatizzazione delle procedure di acquisizione e plotting, remotizzazione, conteggi disponibili in real-time via web…

• Cambio di frequenza operativa: 143.050 MHz (Radar di Graves, French Space Surveillance System) dato che …

32

Sviluppi futuri Con lo Switch-Off della TV analogica, in buona parte d’Europa, si sono chiusi

quasi tutti i trasmettitori TV nelle basse VHF (banda I, 45-65 MHz), il settore dello spettro più adatto alla ricezione di echi radio meteorici.

In alcuni paesi dell’Europa orientale la TV analogica è ancora in uso su queste bande, ma i trasmettitori purtroppo non sono attivi durante la notte.

es.:

49.749.823 - 849 KN68 Kryvyi Rih, Ukraine

49.750.000 KO33 Minsk, Belarus

33

E’ pertanto necessario orientarsi verso l’osservazione di altri sistemi trasmittenti: tra questi, il più adatto per i nostri scopi sembra essere il radar di Graves (French Space Surveillance System), un radar ad onda continua per l’osservazione di satelliti nell’orbita terrestre.

Il Radar bistatico di Graves (143.050 MHz)

Location: Broye-lès-Pesmes (Dijon) 47.348°N 5.515°E WWLocator: JN27SI

34

Il Radar di Graves (143.050 MHz)

35

Il Radar di Graves (143.050 MHz)

TX sequence = 1,6 s

36

Il Radar di Graves: criticità

• Diagramma di Irradiazione tempo-variante (Phased Array): anche la funzione di osservabilità dipende dal tempo (notevole complicazione in fase di riduzione e correzione dei dati)

• Alcuni echi meteorici rischiano di essere “troncati” a causa del beam steering: sottostima della durata dell’eco

• Impossibilità, in tante aree del nostro Paese, di applicare la tecnica osservativa del Forward Scatter a causa della distanza e della direzione di puntamento (in azimuth) del radar: uso dei modelli di Back Scatter e Side Scatter

37

testi di riferimento, web-links, ringraziamenti …

Un ringraziamento …a Gabriele Brajnik (IV3EZM), Marco Aglialoro, Chiara Corriga, Chiara Pizzol, Simone Kodermaz;alle classi 5D, 5C (dal 2005).

D.W.R. McKinley, “Meteor Science and Engineering”, 1961

International Meteor Organization: www.imo.netFrequenze TV europee: http://www.g0che.co.uk/tv_info.php Make More Miles on VHF: www.mmmonvhf.deRadar Graves: http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/

Liceo Sc. Duca degli Abruzzi di Gorizia: www.isisalighieri.go.it/duca/iv3rzm.html

IV3GCP, Jan, iv3gcp@cosmicnoise.orgIV3NDC, Max, iv3ndc@gmail.com

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Come ricevere gli echi meteorici: strumenti e tecniche

ovvero… -- Radioricevitori -- Antenne -- Accessori -- Frequenze

Giovanni Aglialoro, IV3GCP

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Radioricevitori

Oggi anche con ricevitori (scanner) di dimensioni contenute si può ricevere quasi tutto lo spettro radio!

Sono disponibili anche ricevitori SDR (Software Defined Radio) in cui molte funzioni che prima venivano svolte dai circuiti interni della radio ora sono affidate al pc ad essa connesso.

GNU Radio è un progetto HW/SW con una vasta libreria di strumenti per costruire SDR con la programmazione in linguaggio Python.

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Antenne filari

Dipolo (R=75 Ω)

L (m) = 142,6 / f (MHz)

Inverted V (120° R=50 Ω)

L (m) = 141,9 / f (MHz)

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Antenne direttive Le più diffuse sono le classiche Yagi;

il guadagno, il lobo di radiazione, il rapporto avanti/retro, ecc. dipendono fondamentalmente dalla distribuzione degli elementi a dipolo sulla relativa culla.

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Cavi coassiali, connettori

Dato che la maggior parte di antenne hanno impedenze vicine ai 50 Ω i cavi coax maggiormente usati sono:

RG213 - RG8 - RG58

Connettori: N PL259 BNC

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Quali frequenze?

principalmente queste (ma non solo)...

Channel Frequency (MHz) Locator ID Location

R1 49.749.823 - 849 KN68 INTER Kryvyi Rih, Ukraine

R1 49.749.977 KP50 1TV St Petersburg, Russia

R1 49.750.000 KO33 BT Minsk, Belarus slight warbler (polarizz. orizz.)

Graves Radar: 143.050 MHz - polarizz. verticale

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Nerio Neri “Antenne - linee e propagazione”, C&C

Nerio Neri “Antenne - progettazione e costruzione”, C&C

Graves Radar http://www.itr-datanet.com/~pe1itr/graves/ Frequenze TV europee: http://www.g0che.co.uk/tv_info.phpProgetto OpenSource GNU Radio: http://gnuradio.orgEttus Research (HW/SW per SDR): http://www.ettus.com/ Spectrum Lab (analizzatore di spettro): http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html SpectranV2 (analizz. di spettro) e non solo …: http://www.weaksignals.com/ MakeMoreMiles in VHF: http://www.mmmonvhf.de/

testi di riferimento, web-links,…

Giovanni Aglialoro, IV3GCP, jan@cosmicnoise.org