Hi, I am Tony I0JX
Quanta potenza eroga effettivamente il mio apparato?

Rev.1  6/8/2011

1 PREMESSA

Leggendo quanto circola sui vari forum e newsgroups, si ha la netta sensazione come le questioni relative alla potenza RF non siano ben comprese da tutti i radioamatori. A tale situazione di poca chiarezza peraltro contribuiscono i seguenti principali fattori:

• per caratterizzare la potenza degli apparati che operano in SSB, viene frequentemente utilizzata la Potenza PEP (Peak Envelope Power) una grandezza che si presta ad ambiguità di interpretazione per chi non abbia un solido background tecnico, e spesso erroneamente confusa con la Potenza di Picco che è tutt'altra cosa. Va a tal proposito osservato come parlare di Potenza PEP fosse d'attualità all’epoca dell’AM, ma non risulti oggi più indispensabile

• il fatto di poter comunemente trovare in commercio degli speciali wattmetri impropriamente denominati "wattmetri di picco” tende ad aumentare la confusione, dato che - come si vedrà - tali wattmetri misurano la Potenza PEP e non la Potenza di Picco

• va infine registrata la presenza sul mercato di costruttori sprovveduti (o non molto onesti) i quali dichiarano delle diverse potenze per i modi CW, RTTY e SSB che risultano incoerenti tra di loro (oltre che evidentemente fasulle), fatto che certamente non contribuisce a migliorare la situazione.

A beneficio dei radioamatori meno esperti provo qui a spiegare come stiano le cose in maniera pratica ed elementare, senza alcuna pretesa e senza far ricorso a formule (la teoria va studiata sui libri).

2 DEFINIZIONI DELLA POTENZA

Prima di tutto occorre ben comprendere cosa significhino i vari termini che vengono comunemente utilizzati.

Quando su lavori in corrente continua, non c'e' molto da dire: la Potenza è una sola, quella che risulta dalla legge di Ohm.

Quando si lavori invece in alternata (ovvero con tensioni di tipo sinusoidale, come nel caso della rete elettrica a 50 Hz o della radiofrequenza) le cose si complicano, perchè il termine Potenza diventa molto più articolato.

Supponiamo di trasmettere un segnale avente ampiezza costante (tipo una portante FM o RTTY) su un carico fittizio ideale (ovvero puramente resistivo). Per il momento consideriamo un singolo ciclo (sinusoidale) del segnale RF, che si presenterà sull'oscilloscopio come mostrato in Figura 1.

Figura 1

La potenza che il trasmettitore trasferisce sul carico ad ogni singolo istante del ciclo RF (ovvero la Potenza Istantanea) risulta essere diversa da istante ad istante. Nei punti A, B e C, ove la tensione vale zero, la Potenza Istantanea vale anch'essa zero. Nei punti D e E, ove la tensione presenta il valore massimo, la Potenza Istantanea assume anch'essa il valore massimo, che viene chiamato la Potenza di Picco (attenzione: come si vedrà nel seguito la Potenza di Picco non è la cosidetta Potenza PEP). Il valor medio della Potenza Istantanea calcolato lungo l'intero ciclo, ovvero da A fino a C, passando per D, B, viene comunemente chiamato semplicemente Potenza (del singolo ciclo) .

E' importante notare come il limite di 500 Watt stabilito in Italia dal Codice delle Comunicazioni si applichi proprio alla Potenza del singolo ciclo RF; in altre parole nessun ciclo RF di una qualsiasi trasmissione radio può avere Potenza superiore a 500 W.

Il segnale emesso dal trasmettitore, che abbiamo per ora ipotizzato essere di ampiezza costante, è formato da numerosissimi cicli RF tutti uguali tra loro. Pertanto, se si considerasse la Potenza Media dell'intero segnale (ovvero si calcolasse il valor medio della Potenza di tutti i cicli), questa ovviamente coinciderebbe con la Potenza dei singoli cicli.

Se invece di un segnale di ampiezza costante si considerasse un segnale di ampiezza variabile (tipo CW o SSB), i singoli cicli non sarebbero più tutti uguali tra loro. Pertanto  la Potenza Media del segnale risulterebbe ora inferiore alla Potenza di quel ciclo (o di quei cicli) che ha (hanno) ampiezza massima. La Potenza di detto ciclo (o cicli) è denominata Potenza PEP (Peak Envelope Power), termine che va così tradotto: "Potenza del ciclo misurata quando l'inviluppo ha il valore più elevato" (per inviluppo si intende la sequenza dei punti D lungo l'intero segnale). A tal proposito bisogna stare attenti a non confondere:

• la Potenza PEP, che è la Potenza di uno (o più) particolari ciclo, ovvero come già detto il valore medio della Potenza Istantanea di quel ciclo (o cicli) calcolata da A fino a C

• e la Potenza di Picco che invece è la Potenza Istantanea di quel ciclo (o cicli) negli istanti D ed E.

Val la pena notare come la Potenza di un segnale sinusoidale viene  talvolta chiamata "Potenza r.m.s." o "Potenza Efficace". Anche se di largo uso, trattasi di termini che non hanno alcun fondamento, in quanto il concetto di valore r.m.s. o valore efficace si applica solo alla tensione, ma non può applicarsi alla potenza

3 LA POTENZA NEI VARI MODI OPERATIVI

Innanzitutto va detto come, nella pratica radioamatoriale, si usi solamente parlare di Potenza e di Potenza PEP (mentre non si usi praticamente mai parlare di Potenza Istantanea o Potenza di Picco, e solo occasionalmente di Potenza Media).

Vediamo ora come ui principi generali sopra  esposti si calino nei vari modi operativi radioamatoriali:

• in FM o RTTY l'apparato emette, per tutta la durata della trasmissione, una portante RF di ampiezza costante (con delle  variazioni di frequenza relativamente piccole, irrilevanti per quanto si sta qui discutendo). Tale portante è di fatto costituita da un grandissimo numero di cicli RF come quelli di Figura 1, tutti uguali tra di loro, che si susseguono uno dopo l'altro. Per esempio, se la trasmissione avvenisse a 14 MHz e durasse 1 minuto, questa sarebbe costituita da 840 milioni di cicli RF. Avendo tutti i detti cicli la stessa ampiezza, anche le Potenze dei singoli cicli RF saranno tutte eguali tra loro. Pertanto, in FM e RTTY il trasmettitore viene semplicemente caratterizzato dalla sua Potenza, che è appunto quella relativa al singolo ciclo RF, la quale non dovrà superare il limite di 500 W imposto dal Codice delle Comunicazioni. Comunque se si volessero proprio considerare anche la Potenza Media che la trasmissione ha lungo la sua intera durata, oppure la Potenza PEP (ovvero la Potenza del ciclo, o dei cicli, che hanno ampiezza più elevata)

• in CW si ha invece emissione di portante solo nei periodi in cui il tasto venga premuto (punti, linee) e nessuna emissione quando il tasto sia alzato. Quindi la Potenza varia tra zero ed un massimo al ritmo del Morse. Quando però ci si trovi in condizione key down (ovvero con il tasto tenuto costantemente premuto), la Potenza risulta fissa e pertanto, in tale condizione, si applica Al CW tutto quanto sopra detto per FM e RTTY (anche relativamente al limite di potenza). Dato che, in pratica, per il CW si fa sempre riferimento alla condizione key down, ecco che anche in CW il trasmettitore viene semplicemente caratterizzato dalla sua Potenza, Se si volesse considerare la Potenza Media che la trasmissione ha lungo la sua intera durata, questa coinciderebbe con la Potenza solo nel caso key down, mentre per una normale trasmissione Morse la Potenza Media risulterebbe inferiore alla Potenza (a causa del fatto che l'ampiezza del segnale non è costante). Non così invece per Potenza PEP che coincide sempre con la Potenza, (sia in key down che in per una normale trasmissione Morse)

• in SSB è opportuno distinguere due casi:

• caso single-tone: supponiamo per un momento di staccare il microfono e di iniettare nel connettore microfonico un tono audio sinusoidale puro e fisso di opportuno livello (questa situazione può essere abbastanza bene emulata fischiando nel microfono, in quanto il fischio è abbastanza vicino ad tono puro). In tale condizioe l’apparato emette un segnale RF di livello fisso del tutto equivalente alla portante che viene emessa nei modi FM, RTTY e CW key down. Per quanto prima detto, in condizione single-tone basterebbe semplicemente parlare di Potenza (con la quale coinciderebbero sia la Potenza Media che la Potenza PEP)

• caso multi-tone: è il caso di quando si parli normalmente nel microfono. In tale situazione, il segnale emesso dall'apparato è ancora costituito dalla sequenza di innumerevoli cicli RF uno affiancato all'altro, ma con la differenza - rispetto a tutti i casi sopra considerati (FM, RTTY, CW key down e SSB single-tone) che i vari cicli RF hanno generalmente ciascuno ampiezza diversa dagli altri. Al fine di meglio comprendere la questione può andar bene considerare il segnale RF che viene emesso dall'apparato quando si iniettino nel connettore del microfono due soli toni fissi (prova two-tone), come quello mostrato in Figura 2.

Figura 2

Nel segnale si osserva la presenza di cicli RF (come i cicli adiacenti alla A) che hanno ampiezza più elevata rispetto agli altri  In tale situazione non si può sensatamente parlare di Potenza del ciclo RF in quanto questa appunto varia da ciclo a ciclo. E' quindi norma considerare la Potenza di quel particolare ciclo (o cicli) che hanno massima ampiezza, ovvero quella che viene chiamata Potenza PEP (ovvero la Potenza del ciclo immediatamente alla sinistra della A in Figura 2). Se vogliamo ora anche considerare la Potenza Media, questa risulterà essere ovviamente più bassa della Potenza PEP a causa della variabilità di ampiezza dei vari cicli. Ad es. nella prova two-tone sopra considerata la Potenza Media risulta pari al 50% della Potenza PEP, mentre nel caso di un segnale modulante vocale non esiste una relazione fissa tra Potenza Media e Potenza PEP, dipendendo detta relazione da numerosi fattori (livello e timbro della voce, regolazione dell'audio-gain, eventuale presenza di compressore della dinamica, ecc.) e anche dalla porzione temporale di segnale su cui si effettua la media. In conclusione, per coprire adeguatamente tutti i casi possibili (single-tone, two-tone, voce), in SSB si parla sempre e solo di Potenza PEP. Per quanto riguarda l'aspetto normativo, dato la limitazione a 500W si applica a ciascun ciclo RF, si conclude facilmente come detta limitazione si applichi alla Potenza PEP (e quindi non la Potenza Media).

Quanto sopra detto è riassunto in Tabella 1,

Tabella 1

Nell'interpretare la Tabella 1 va considerato come, per un dato trasmettitore, il limite fisico della potenza erogabile stia nella Potenza PEP massima che esso è in grado di erogare, e come tale limite sia lo stesso per tutti i modi operativi.  Coerentemente la Tabella 1 mostra come la Potenza PEP che un trasmettitore può erogare in SSB (ovvero P Watt) coincida con la Potenza PEP che può erogare in FM, RTTY o CW key down. E' quindi una favola il fatto che la Potenza PEP in SSB sia circa il doppio della Potenza in FM, RTTY o CW key down, come viene spesso erroneamente scritto.

In Tabella 1 viene per completezza considerato il caso dell'AM, nel quale si registra la peculiarietà che Potenza, Potenza PEP (ed anche Potenza Media) sono tutte legate alla  percentuale di modulazione. In AM è usanza caratterizzare il trasmettitore con la Potenza emessa in assenza di modulazione, la quale va deliberatamente ridotta a circa 0,25 volte la Potenza che il trasmettitore sarebbe in grado di fornire in presenza di una semplice portante non modulata (del tutto analoga a quella dei modi FM, RTTY e CW key down ). Infatti solo così facendo la Potenza PEP (la quale in presenza di modulazione può arrivare a essere fino a 4 volte quella della portante non modulata), non eccederà quella che il trasmettitore è in grado di fornire. La Potenza Media può invece arrivare ad essere al massimo pari a 2 volte la Potenza della portante non modulata (in caso di modulazione onda quadra al 100%). 

3 MISURA DELLA POTENZA

Tenendo conto di quanto sopra detto, la misura della Potenza PEP (in SSB) o della Potenza (in FM, RTTY e CW key down) andrebbe idealmente effettuata misurando la potenza di un singolo ciclo del segnale RF. A tal proposito distinguiamo i Wattmetri (normali) dai cosidetti Wattmetri di Picco.

I Wattmetri (normali) non effettuano la misura di Potenza su un singolo ciclo RF, ma misurano invece la Potenza Media del segnale; inoltre l'intervallo di tempo su cui effettuano la media dipende dalle caratteristiche dello strumento (esistono quindi Wattmetri più o meno veloci). Con un strumento di tal tipo non è possibile misurare la Potenza PEP sul parlato SSB, in quanto tra la Potenza Media indicata dal Wattmetro (la quale oscilla ìn funzione dell'intensità vocale istantanea) e la Potenza PEP del trasmettitore non esiste una relazione prefissata (vedi Tabella 1). Pertanto in SSB ci si deve accontentare di effettuare le misurazioni solamente in condizioni single-tone, in quanto in tali condizioni la Potenza Media indicata dal Wattmetro coincide con la Potenza PEP del trasmettitore (vedi di nuovo Tabella 1). Stessa cosa per quanto riguarda il CW durante le trasmissioni Morse, in quanto il Wattmetro indicherà una Potenza Media (che oscilla ìn funzione del pattern punti / linee)  che non ha prefissata relazione fissa con la Potenza del segnale CW. Nel caso invece di FM, RTTY e CW key down invece, il Wattmetro è perfettamente adeguato, in quanto la  Potenza Media indicata coincide con la Potenza del ciclo RF (vedi Tabella 1).

I Wattmetro di Picco (che sono usualmente commutabili per poter anche lavorare come Wattmetri normali quando lo si desideri) dispongono di un circuito elettronico che "memorizza" il ciclo (o, i cicli) del segnale RF al momento in cui la sua (loro) ampiezza è massima è misura la Potenza di quel particolare ciclo (o cicli). Pertanto il Wattmetro di Picco indica la Potenza PEP del segnale SSB non solo in condizione single-tone ma anche sul parlato. Similmente il Wattmetro di Picco indica la Potenza del segnale CW non solo in condizione single-tone ma anche durante le trasmissioni Morse. Per FM e RTTY il Wattmetro di Picco si comporta ugualmente al Wattmetro (normale). Il vantaggio del wattmetri di picco è sostanzialmente quello che, per ottenere una lettura stabile della potenza in CW o in SSB, non occorre tenere premuto il tasto oppure fischiare nel microfono. Vale infine la pena ricordare come i Wattmetro di Picco misurino la Potenza PEP e non la Potenza di Picco che, come prima detto, è tutt'altra cosa. 

A cosa si applica il Limite 500W?

6 POTENZE DICHIARATE DAI COSTRUTTORI

Ciò premesso, quando un costruttore dichiara che la potenza massima dell'apparato in FM, CW o RTTY vale 500W, ciò vuol dire che la Potenza della singola sinusoide trasmessa non supera i 500 W, ovvero che:

• la Potenza Media della trasmissione FM o RTTY è 500W
• e che la Potenza Media della trasmissione CW, quando il tasto venga tenuto costantemente premuto, è 500W

Ciò detto, un metodo comunemente seguito dai costruttori per dichiarare la "potenza massima SSB" è proprio quello di specificare la Potenza PEP massima. Questo metodo, seppur corretto, ha il difetto di prestarsi alle già citata ambiguità tra Potenza PEP e Potenza di Picco.

Un apparato da 500W al top della qualità e prodotto da ditta onesta dovrebbe essere così ad esempio dichiarato:

• potenza massima CW = 500W
• potenza massima RTTY = 500W
• potenza massima SSB (oppure Potenza PEP) = 500W

In qualche caso potrebbe essere anche accettabile una potenza massima SSB appena superiore (ad es. grazie al minor carico medio che l'alimentatore ha in SSB), ma diciamo non più del 5%.

Un apparato da 500W di buona qualità e prodotto da ditta onesta potrebbe essere così ad esempio dichiarato:

• potenza massima CW = 500W
• potenza massima RTTY = 350W
• potenza massima SSB (oppure Potenza PEP) = 500W

Il fatto che la potenza massima RTTY risulti in questo caso inferiore alla potenza massima CW non è dovuto all’impossibilità di raggiungere i 500W in RTTY, ma al fatto che l’apparato non è stato evidentemente dimensionato (alimentatore, ventilazione, dissipazione dei tubi, …) per sostenere una portante continua per tempi lunghi, come può accadere in RTTY.

Infine un apparato da 500W prodotto da gente poco onesta e/o sprovveduta potrebbe essere così tipicamente dichiarato:

• potenza  massima CW = 500W
• potenza  massima RTTY = 500W
• Potenza PEP = 1000W

giocando sulla credenza popolare che, in SSB, la Potenza PEP sia pari al doppio della Potenza CW.

7 CONCLUSIONI

Per concludere rispondo a due domande che a questo punto vi sarete certamente posti.

Domanda 1: ma se parlare di Potenza PEP non è indispensabile per l'SSB e può portare a dei malintesi, perchè viene usata così frequentemente?

I motivi sono essenzialmente tre:

• come detto inizialmente, considerare la Potenza PEP aveva molta importanza nel caso della vecchia AM, ove la Potenza PEP può arrivare a valere quattro volte la Potenza Media della portante CW. Purtroppo le abitudini, una volta prese, son difficili da cambiare ed anche se, per l'SSB, parlare di Potenza PEP non è affatto indispensabile, nonostante ciò si continua ad utilizzarla;
• la Potenza PEP è un parametro che offre ai costruttori poco onesti o sprovveduti l’opportunità di reclamizzare prodotti che hanno prestazioni di targa superiori a quelle effettive. Tipicamente questi dichiarano una Potenza PEP pari al doppio della Potenza Media della portante CW, rendendo così i loro apparati più attraenti;
• viene così a crescere il mercato per i costruttori di wattmetri di picco, oggetti la cui utilità aggiuntiva - se rapportata a quella di un wattmetro calssico - non è elevatissima.

Domanda 2: da cosa nasce la credenza che, in SSB, la Potenza PEP sia pari al doppio della Potenza Media della portante CW?

Dal fatto che una sinusoide che abbia Potenza Media di 1W, ha Potenza di Picco pari a 2W.

L’equivoco nasce dal fatto che Potenza PEP non sta a significare, come molti credono, Potenza di Picco, ma significa invece “Potenza Media al picco dell’inviluppo”. E come si è prima detto, in SSB, la “Potenza Media al picco dell’inviluppo” coincide con la Potenza Media della portante CW.

Return to the I0JX home page