Segnali radio a bassissima frequenza (VLF)

Mentre studiavo le caratteristiche dello stupendo analizzatore di segnali baudline mi è capitato di osservare, assieme ai segnali audio provenienti dal microfono che usavo come ingresso, alcuni strani picchi e fluttuazioni inaspettate che non avevano sicuramente nulla a che vedere con l'audio presente nella stanza. Si trattava evidentemente di interferenze captate dal cavo del microfono (di qualità pessima), che venivano ovviamente mostrate da baudline assieme alla mia voce. Incuriosito dalla quantità inverosimile di tali disturbi e dai loro particolari spettri, ho scollegato il microfono sostituendolo con una semplicissima antenna: un pezzo di filo lungo tre metri collegato direttamente all'ingresso microfono della scheda audio ;-) Ho quindi cominciato a giocherellare con baudline in modo da ricavare qualche informazione su questi deboli ma interessanti segnali, normalmente filtrati e disprezzati come "interferenza". Per studiarli è utilissima la funzione equalizzatore di baudline, con la quale è possibile letteralmente cancellare il fondo, appiattendo lo spettro e mettendo in evidenza solo i segnali che si vogliono studiare. La quantità veramente enorme di segnali che ho osservato mi ha poi portato a costruire un'antenna più appropriata, un filo lungo una decina di metri steso all'aperto con un opportuno filtro passa-basso per eliminare possibili intermodulazioni. Purtroppo nella mia zona (campagna) questi segnali sono veramente innumerevoli e catalogarli tutti è impossibile.

Faccio notare che si tratta di un setup assai pericoloso durante i temporali: l'alta impedenza presente all'ingresso della scheda audio fa sì che l'antenna possa caricarsi a potenziali molto elevati. Si rischia di distruggere la scheda audio e di farsi anche male, quindi è meglio scollegare tutto in presenza di un temporale.

Il tipico spettrogramma che si incontra è questo:

Armoniche di rete

Naturalmente predomina l'interferenza della rete a 220 V: il picco più alto corrisponde proprio ai 50 Hz nominali, seguito dalle prime armoniche a 150 Hz, 250 Hz eccetera. Mi incuriosisce la quasi assenza di tutte le armoniche pari; in effetti non mi sono sforzato per cercare una spiegazione ;-) Con l'introduzione dell'antenna "migliorata" le armoniche sono state notevolmente attenuate soprattutto oltre i 4 kHz. L'Enel fa del suo meglio per garantire una frequenza di rete stabile, ma baudline è abbastanza avanzato da metterne in evidenza le inevitabili fluttuazioni; complimenti sia all'ente che al software.

Trasmissione di dati

Oltre alle armoniche di rete sono evidenti alcuni picchi ad alta frequenza, da 17 kHz in poi. Singolarmente non sono sempre presenti, ma quando sono accesi durano per molto tempo. In genere si osserva sempre almeno uno di questi segnali. Questi non sono certo disturbi, osservandoli bene si capisce che sono treni di bit, modulati in frequenza o fase. Dovrebbe trattarsi di segnali RTTY di cui si parla anche in questa pagina. Inutile dire che sono rimasto decisamente sorpreso quando ho scoperto che qualcuno trasmette informazioni a frequenze così basse.

Uno dei segnali più chiari di questa famiglia è un segnale attorno ai 18.1 kHz che costituisce chiaramente un bitstream modulato in frequenza:

Contrariamente agli altri segnali di questa famiglia, va e viene secondo orari molto particolari. Spesso è coperto da disturbi locali ed è praticamente invisibile se il cielo è nuvoloso; tuttavia non sono rare ricezioni con un ottimo SNR. Uno stato logico corrisponde a 18060 Hz, l'altro a 18135 Hz. Il segnale inizia solitamente con una sequenza di sincronizzazione (alternanza di 0/1) e una durata del singolo bit di 28 ms (quindi un data rate di circa 36 baud). Dopodiché tale durata scende a 20 ms (50 baud) ed inizia il messaggio. Terminato il messaggio si ha una ripetizione della sequenza iniziale a 36 baud, un brevissimo intervallo a stato costante e quindi lo spegnimento. In genere il segnale compare regolarmente ogni ora alle 28, 38, 48, 49 e 58. Può succedere che si accenda inaspettatamente, presentando un normale messaggio o anche comportamenti curiosi (solo il preambolo a 36 baud, solo un lungo periodo a stato costante, continue accensioni e spegnimenti senza messaggi eccetera). Molto raramente si osservano anche messaggi in semplice Morse, che riportano una serie di sigle tipo "XXX XXX XXX" oppure "RDL RDL RDL".

Tramite un software DSP appositamente scritto riesco, se l'SNR è abbastanza grande, a demodulare il segnale e ricostruire il flusso di bit. Non sono ancora riuscito, però, a capire il formato dei dati e quindi a decodificare l'informazione che porta (ASCII a 7 od 8 bit? ITA2? Quanti bit di stop?). Stando alle poche informazioni reperibili in rete e a quanto riportano i messaggi Morse, questo segnale sembra corrispondere alla rete RDL/RLO/RKS CIS Military HQ Moscow (vedi ad esempio qui e qui). La forma del segnale corrisponde al formato di trasmissione BEE/36-50 (flusso di bit sincrono modulato in FSK, inizialmente a 36 baud e successivamente a 50). Sembra che i messaggi trasmessi in questo modo siano crittati.

Raramente si osserva un segnale simile a 20.5 kHz:

Con l'antenna migliorata si ricevono anche alcuni segnali Alpha di origine russa (11.9, 12.6 e 14.9 kHz) perennemente accesi, anche se a volte coperti dal rumore o da disturbi:

Disturbi di origine umana

Il primo a farsi notare è quello che a lungo ho definito il Misterioso Picco a 15 kHz: si tratta di un fortissimo tono attorno ai 15021 Hz, circondato da altri picchi di intensità minore ma sempre grande rispetto al fondo. Questa nota compete in intensità con i 50 Hz di rete ed è perfettamente udibile ad orecchio come un forte e fastidioso fischio. Compare abbastanza aleatoriamente; lo spettrogramma della sua accensione è quasi spettacolare.

Incuriosito dalla sua incredibile intensità ho deciso di dedicarvi un po' di tempo e studiarne gli orari; dopo qualche giorno ho capito che probabilmente si tratta della TV di una casa vicina, anche perché un trasformatore flyback per TV PAL lavora proprio intorno a quella frequenza. Non avendo una TV non ho potuto fare test "locali" e confrontare gli spettri.

Altro segnale notevole è il disturbo prodotto dalla mia lavatrice, anch'esso percepibile ad orecchio dalle casse (in particolare nella fase di centrifuga). Lo spettro è favoloso ;-)

È evidente l'accelerazione della centrifuga, seguita da un periodo a velocità costante. Inoltre è presente un rumore praticamente bianco, visibile in particolare ad alta frequenza. Non mi è chiaro come il motore della lavatrice possa generare questi forti segnali dipendenti dalla velocità, essendo un motore senza spazzole.

Un altro segnale presente saltuariamente è un picco attorno ai 16 kHz, che ogni tanto "emette" alcune armoniche. Forse la causa è un'altra televisione.

Un altro forte segnale è costituito da una nota a 4 kHz, abbastanza sporadica ma di intensità notevole, con strane armoniche variabili nel tempo:

Non ho idea di cosa possa generarla, ma dalla stabilità e frequenza direi che si tratta di un dispositivo elettronico.

Questo è il disturbo prodotto da una sfera al plasma (quei globi di vetro con un elettrodo al centro che emette filamenti luminosi tremolanti):

In condizioni normali questo disturbo è costituito da un insieme di note a frequenza vicina (circa 21 kHz), simile al disturbo prodotto da un motore elettrico; toccando la sfera queste frequenze si abbassano e invadono una banda abbastanza grande (qualche kHz), coprendo fastidiosamente la banda in cui si osservano i segnali RTTY. Dalla forma del disturbo direi che questi aggeggi funzionano con oscillatori abbastanza dozzinali.

Un bel giorno è stato aperto un grosso cantiere nei pressi della mia abitazione, ed è comparsa una nuova famiglia di fortissimi disturbi, in assoluto i più intensi tra quelli qui elencati. L'intensità è tale che, prestando attenzione, si possono debolmente udire dalle casse anche con l'antenna scollegata e lo stereo spento! Anche se il cantiere è piuttosto vicino a casa, questo fatto mi ha sempre lasciato abbastanza perplesso.

Questi disturbi si presentano come "burst" intermittenti che durano da qualche secondo a qualche minuto; si suddividono inoltre in due sotto-famiglie corrispondenti a due diverse origini.

La prima è composta da:

• Insieme di armoniche con fondamentale a circa 2 kHz; a volte, dopo qualche secondo, ogni armonica si "splitta" allargandosi in tante sotto-armoniche e poi il segnale termina.
• Insieme di armoniche con fondamentale a circa 7 kHz; in genere questo segnale si spegne con un veloce decadimento esponenziale verso frequenze più basse.

Questi primi due segnali si osservano spesso assieme (uno segue l'altro, o si sovrappongono), e dovrebbero essere causati da una delle gru del cantiere, perché passeggiandovi sotto durante le manovre ho udito dei suoni molto simili provenire proprio dalla gru (in particolare la variazione esponenziale di frequenza).

La seconda famiglia è composta da:

• Insieme di armoniche con fondamentale a circa 4 kHz (in genere molto breve, all'inizio e alla fine dei "burst" di disturbi);
• Insieme di armoniche con fondamentale a circa 6 kHz;
• Banda molto larga di note attorno a circa 16 kHz, che si allarga e restringe nel tempo;
• Banda molto larga di note attorno a circa 12 kHz, stabile.

Anche questi disturbi si osservano assieme, si susseguono mescolandosi e intercalandosi l'uno con l'altro. In genere una delle armoniche dei primi due disturbi inizia a prevalere sulle altre, si allarga e si trasforma in uno degli altri segnali. Può succedere che alcune armoniche si allarghino talmente tanto da diventare un disturbo quasi bianco in una banda di decine di kHz, da 12 kHz in poi. L'origine di questa seconda classe di disturbi sembra essere un'altra gru, data la coincidenza dei disturbi con i suoi movimenti. I vari segnali sembrano corrispondere a movimenti delle diverse parti della gru.

Infine ci sono molti disturbi che magari si incontrano solo una volta, certamente dovuti a macchine di industrie nelle vicinanze:

Alcuni sono chiaramente percepibili ad orecchio, specie le accensioni di motori elettrici che producono un fortissimo "chirp" esponenziale in frequenza. L'accensione di grossi carichi causa improvvise variazioni dell'intensità delle armoniche di rete, udibili come forti ronzii e scariche.

Disturbi di origine naturale

Sono frequenti i click e i tweek, scariche a banda larga causate da fulmini originati da temporali nelle vicinanze. A volte sono percepibili anche con il cielo perfettamente sereno!

I tre segnali qui sopra sembrano dei tweek per la particolare forma spettrale, che mostra la dispersione delle frequenze che compongono l'impulso. Mi è difficile pensare che impulsi del genere siano di origine umana. Ad orecchio suonano come dei fili tesi pizzicati, uno dei suoni più belli di questa collezione.

Durante la notte compare spesso un rumore a banda larga che si estende da 0 a circa 10 kHz; dura qualche decina di secondi e poi scompare, a volte comparendo nuovamente poco dopo. Ad orecchio suona come un'onda del mare che arriva sulla spiaggia o come un colpo di vento. L'origine è probabilmente naturale, ma non saprei identificarla.

Altrove

Situazione completamente diversa si ha invece nella mia residenza universitaria cittadina, dove tutta questa abbondanza di disturbi non esiste: sono evidenti solo i 50 Hz della rete e qualche sporadico disturbo di origine umana, quasi totalmente immerso nelle armoniche di rete. Probabilmente ciò dipende dall'antenna, che in questi esperimenti è di importanza fondamentale e dovrebbe essere pensata e costruita con grande cura.

È curioso notare che molta gente si interessa di queste cose, in particolare segnali VLF di origine naturale; vedere ad esempio Radio waves below 22 kHz.

Last update: 2008-08-24