Vorrei sapere perché solo ora si parla di TV digitale terrestre quando da diversi anni riceviamo la Tv digitale satellitare? Vi sono stati dei problemi? Perché utilizza una modulazione differente dagli altri sistemi?

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A metà anni settanta le reti private di trasmissioni dati di
grandi aziende
tipo Enel o Snam, che utilizzavano ponti radio digitali terrestri a larga
banda, erano una realtà consolidata. Da alcuni anni c’era l’esigenza di
raccogliere ed elaborare i dati (telemisure, telesorveglianza) dalle stazioni
principali verso le sottostazioni. D’altronde dagli anni sessanta iniziò
un percorso irreversibile: la digitalizzazione della rete telefonica. Cominciò
a diventare economicamente vantaggioso il trattamento digitale del segnale
telefonico, soprattutto per le tecniche di commutazione. Tutte le conferenze
scientifiche mettevano in luce i vantaggi di un passaggio digitale. In
sintesi:

  • Il segnale, a differenza dell’analogico, è sempre rigenerato; in pratica
    non esiste più il problema del rumore cumulativo.

  • Possibilità di trasmettere in un’unica portante fisica più segnali di
    natura diversa senza dover distinguere tra dati, audio, video.

  • Riduzione costi, possibilità impensabili in un futuro con l’utilizzo
    dei computer, miglioramento affidabilità, riduzione consumi, legge di Moore
    ecc.

Di conseguenza si sviluppò una rete cablata in cavo coassiale che trasportava
segnali multiplati nel dominio del tempo (TDM) pensando in un immediato
futuro di sostituire i ponti radio analogici con prodotti digitali.

Dall’esperienza dei primi collegamenti con ponti radio digitali con
lunghezze inferiori ad una decina di chilometri delle reti private, si
passò ai primi collegamenti a microonde oltre i 50 chilometri utilizzando
le modulazioni QPSK. Si scoprì che, a causa la formazione di echi dovuti
alla non omogeneità del mezzo trasmissivo, il digitale a larga banda via
radio terrestre non funzionava1, nonostante fosse
in visibilità ottica e senza fisse riflessioni (nessuno al mondo l’aveva
previsto)2.

Tutti i benefici del passaggio al digitale per i sistemi radio terrestri
non erano validi, ci vollero oltre 15 anni di studi e ricerche per adottare
delle contromisure (equalizzatori adattativi) per rendere meno vulnerabili
le modulazioni digitali sui ponti radio punto-punto.

Si pensò subito che mai avrebbe funzionato una diffusione Radio e TV
digitale broadcasting dove gli echi sono formati sia da ostacoli fissi
che mobili, naturali e artificiali.

Dalla figura si osserva che all’antenna ricevente possono arrivare
diversi segnale riflessi più o meno ritardati; ciò dipende dalla differenza
della lunghezza del percorso tra il segnale principale ed il riflesso.





Sapendo che l’onda elettromagnetica, nello spazio libero, impiega 3.3 μs
per percorrere un chilometro, otteniamo grossolanamente i seguenti ordini
di grandezza dei ritardi di eco:

  • Area urbana, alcuni microsecondi

  • Aree montagnose, decine di microsecondi

  • Diffusione su trasmettitori operanti ala stessa frequenza (Reti SFN)
    centinaia microsecondi

La diffusione terrestre è in pratica un canale molto dispersivo,
lo stesso segnale si divide in diversi cammini multipli, il profilo all’interno
della banda è variabilissimo. Lo spettro è affetto da numerosi notch,
in queste condizioni si dice che il canale è in presenza di fading selettivo.

Se consideriamo una larghezza di spettro minima di una decina di MHz,
i valori massimi di ritardo di eco non sono frazioni ma decine, centinaia
di volte il tempo di simbolo.

Le contromisure adottate sui sistemi digitali radio terrestri, non
sono applicabili. Esse funzionano a patto che i valori dei ritardi siano
una frazione del tempo di simbolo trasmesso in aria.

Nella diffusione digitale terrestre quando il tempo di simbolo trasmesso
è molto minore dei tempi di ritardo dei cammini multipli, non è possibile
utilizzare nessuna modulazione dove una sola portante contiene tutta l’informazione.

Questo è il motivo del ritardo del passaggio al digitale di Radio e
TV terrestre, mentre su tutti gli altri scenari il digitale avanzava portando
i classici vantaggi rispetto all’analogico3.

L’idea base per poter trasmettere il digitale terrestre, che fu perfezionato
in un ventennio (fu realizzabile in pratica solo nel 1997) è di sostituire
ad una banda larga su singola portante tante piccole sottobande in migliaia
di portanti. In pratica si sommano migliaia d modulatori con frequenze
portanti spostate, come nei multiplatori telefonici FDM
(anni 50).




Il segnale televisivo multiplato, noto come datastream,
è distribuito tra moltissime portanti, che formano equivalenti canali,
in una banda strettissima e quindi a bassa velocità, equispaziate e parzialmente
sovrapposti in frequenza. Ciò è possibile poiché gli spettri sono volutamente
ortogonali fra loro, OFDM (Orthogonal FDM). Il sistema OFDM è robusto
verso fading selettivi, in quando le portanti a banda stretta occupano
una piccola porzione dello spettro, dove la risposta del canale è piatta
non distorcente.

Il numero di portanti attive sono 1705 in modalità denominata 2K per
trasmissioni DVB-T per reti di diffusione a frequenze differenti e 6817,
modalità 8K, per reti a singola frequenza (ritardi di eco di centinaia
di microsecondi)

A ciascuna portante è applicata la modulazione più o meno efficiente
secondo se si vuole privilegiare la robustezza verso riflessioni o numero
programmi trasmessi su un datastream. Normalmente sono tre programmi TV
se si modula con il 16QAM o cinque programmi se si utilizza il 64 QAM.

Come per il DVB-C, anche il DVB-T è trasmesso in banda UHF, con la
stessa canalizzazione dell’attuale sistema analogico, 8 MHz per canale.

Per rendere il sistema ancora più robusto verso fading selettivi, vengono
fatte ulteriori codifiche interne di dispersione (interleaving). Una
dispersione temporale per separare bit mappati sui punti della costellazione
QAM ed una dispersione di simbolo nel dominio della frequenza per disperdere
le portanti che trasportano i dati utili. In pratica tra due portanti adiacenti
non vi sarà mai una sequenza di dati consecutivi. La dispersione
delle 2K o 8K portanti è attuata da un generatore di sequenza binaria
pseudo-casuale.

Per tutte queste codifiche ed un ulteriore intervallo di guardia che
separa i simboli OFDM adiacenti tutto il sistema prende il nome di COFDM
(Coded OFDM).

Tutto ciò in parole più semplici possibili, la realtà è molto più complessa.
Abbiamo fatto solo una sommaria descrizione nel dominio della frequenza.
Nel dominio del tempo il segnale trasmesso è organizzato in trame. Nella
trasmissione televisiva ogni trama  ha una durata di circa 1.1 ms e consiste
in 68 simboli ODFM. Quattro trame formano una supertrama

Per migliorare l’efficacia degli algoritmi di sincronizzazione e demodulazione
in ricezione si trasmettono portanti pilota che occupano la stessa posizione
in ogni simbolo COFDM. Queste portanti pilota sono trasmesse ad un livello
più alto di 2,5 dB rispetto alle altre portanti.

Vengono inoltre aggiunte altre portanti destinate a funzioni ausiliarie, chiamate TPS, in posizione
fissa nello spettro COFDM, modulate in DBPSK su cui sono trasportate informazioni
su: modulazione, gerarchia, tasso di codifica interno, modalità di trasmissione
e numero di trama nella supertrama.

La modulazione COFDM contiene tutte le massime conoscenze degli ultimi
50 anni di diverse discipline di telecomunicazioni. Essa si è potuto concretizzare
grazie ad alcuni “miracoli”. Ad esempio, il “miracolo” di eliminare praticamente
migliaia di modemodulatori si deve ai lavori di Weinstein e Ebert (1976),
con l’uso della DFT. Il secondo miracolo si deve agli studi di Hirosaki
(1986), che propone una via efficiente con i sottocanali modulati in Offset
QAM.

La prima realizzazione della modulazione COFDM si è avuta con il progetto
europeo EureKa 147 che ha condotto alle specifiche del DAB per radiodiffusione
terrestre dell’audio (1992).

La seconda applicazione del COFDM fu la trasmissione dati su doppino
telefonico (ASDL). La modulazione è nota come DMT (Discrete Multi Tone )
(1995).

La terza applicazione quella a maggiore impatto è la diffusione televisiva
digitale terrestre. Standard ETSI  EN 300 744 (1997).

In onde corte e medie esiste una quarta applicazione, denominata
DRM4 (1996).

L’ultima in ordine cronologico riguarda l’estensione delle LAN wireless in
banda 5 Ghz con velocità di 54 Mb/s; in base alla specifica 802.11a è usata
la modulazione OFDM.

NOTE

  1. A queste distanze ed oltre, i ritardi dei raggi riflessi, causati
    dalla non omogeneità della costante dielettrica, diventano paragonabili
    al tempo di simbolo del segnale trasmesso.

    Lo spettro ricevuto presenta dei buchi stretti (notches).
    La profondità
    e posizione in frequenza di questi notches sono variabili nel tempo e dipendono
    dalla differenza di temperatura tra il terreno e l’aria sovrastante. Le
    condizioni peggiori sono tipicamente l’alba ed il tramonto.
    A causa della distorsione
    dello spettro ricevuto, la forma dell’impulso (nel dominio del tempo) si
    degrada e le sue code interferiscono con gli impulsi che stanno per essere
    classificati  come un “1” o uno “0”. Cadono così le condizioni di non
    avere interferenza di intersimbolo (Criteri di Nyquist).

    Nel caso migliore i dati ricevuti sono effetti da errori. Quando il
    tasso di errore supera alcune unità di bit su un migliaio di bit trasmessi
    portante e clock non vengono recuperati e tutto il segnale viene perso.

    La gravità del non funzionamento è enorme basti pensare se la trasmissione
    a larga banda portasse 960 o 1800 canali telefonici (TDM) tutte le telefonate
    sarebbero perse.

    L’equivalente sistema analogico che trasporta 960 o 1800 canali telefonici
    (FDM) avrebbe perso momentaneamente solo i canali corrispondenti alla
    posizione del notches nello spettro (caduta  della linea ad alcuni parlatori).

    Vedremo che l’idea principale per le trasmissioni digitali terrestri
    è proprio quella di assomigliare ad un sistema FDM analogico suddividendo
    la banda in migliaia di canali con segnali modulati in digitale a banda
    strettissima.

  2. L’anomalia fu scoperta negli anni settanta dalla TELETTRA in un collegamento
    digitale militare in Svezia in cui ebbi la fortuna di fare una notevole
    esperienza.

  3. Appena sul mercato furono disponibili componenti elettronici a larga
    integrazione, capaci di demodulare segnali audio e video secondo gli algoritmi
    MPEG, la TV digitale fu trasmessa su canali trasmissivi più “facili” non
    dispersivi (mancanza di cammini multipli) Satellite (DVB-S) e Cavo (DVB-C).

     

  4. A Parigi, nel 1996, i responsabili di alcune emittenti mondiali
    di radiodiffusione (Radio France Internationale, TéléDiffusion de France,
    Deutsche Welle, Voice of America, e Thomcast) decisero in modo informale
    di organizzarsi con l’intento di utilizzare in prossimo futuro la modulazione
    COFDM nelle trasmissioni in onde corte.Il consorzio prese il nome di Digital
    Radio Mondiale (DRM) http://www.drm.org/indexdeuz.htm

    Attualmente in onde corte sono presenti alcune emittenti che diffondono
    musica, con qualità pari alla modulazione di frequenza (canale di 200 KHz
    ) su un canale largo solo 10 Khz, dove erano collocate emissioni modulate
    in AM, con qualità audio di poco superiore a quelle telefonica (frequenza
    massima modulante 4.5 Khz)

Bibliografia

  • R.W.Chang, “Synthesis
    of band limited orthogonal Signals for Multichannel Data Transmission”,
    Bell
    System Technical journal, dicembre 1966, pp. 1775-1796.

  • S.B.Weinstein. P.M. Ebert,
    “Data Transmission by FDM Using discrete Fourier Transform”,
    IEEE Trans.
    on Comm. Tech, vol. COM-19, ottobre 1976.

  • B.Hirosaky,
    “An Orthogonally
    Multiplexed QAM System Using discrete Fourier Transform”,
    IEEE Tran. on Comm., vol. COM-29, N. 7, luglio 1981.

  • B.Hirosaky, S.Hasegawa, A.Sabato, “Advanced
    Groupband Data Modem Using Orthogonally Multiplexed QAM Techinique”, IEEE
    Trans. on Comm., COM-34, pp587-592, maggio 1986.

  • Un ottimo testo sulla modulazione OFDM che richiede la conoscenza della
    teoria dei segnali, è edito da Edizioni Libreria progetto Padova: G.Cariolaro
    “Modulazione Analogica, Discreta e Numerica”, 1996.

  • La Descrizione completa, aggiornata ad oggi, è nella specifica tecnica
    ETSI EN 300 744 ver 1.5.1, in lingua inglese, accessibile nel sito http://www.etsi.org/

Due indirizzi dove è possibile trovare articoli divulgativi sulla
TV digitale terrestre:


  • Cominetti, A. Morello,
    “I sistemi europei DVB per la diffusione televisiva numerica”, Alta Frequenza
    vol. 7, N. 5, Sett-Ott 1995,
    http://www.crit.rai.it/.

  • “Il digitale terrestre
    locale fra nuovi scenari e opportunità di investimento”, Ministero delle
    comunicazioni – Fondazione Ugo Bordoni, giugno 2003 http://www.fub.it/.

Acronimi usati

AM               Amplitude Modulation

COFDM         Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing

DAB              Digital Audio Broadcasting

DBPSK          Differential BInary Phase Shift Key

DFT              Discrete Fourier Transform

DRM             Digital Radio Mondiale

DVB              Digital Video Broadcasting

FDM             Frequency Division Multiplexing

MPEG            Motion Picture Expert Group

OFDM           Orthogonal Frequency Division Multiplexing

QAM             Quadrature Amplitide modulation

QPSK            Quadratrure Phase Shift Key

SFN              Single frequency network

TDM             Time Division Multiplexing

TPS              Transmission Parameter Signalling