Gentile Dott. Verbana, in una sua precedente risposta in materia di Ponti Radio Terrestri lei afferma che la lunghezza delle singole tratte per i PR digitali è limitata dai ritardi causati dal multipath. In casi favorevoli si arriva a 60-70 km. Il PR M.Argentario-M. Limbara per la TV è lungo circa 240 km e attraversa il mare. E’ una contraddizione?Grazie

La propagazione dei segnali in uso sui ponti radio è del tipo “ottico”; ciò significa che all’aumentare della distanza a causa della curvatura terrestre, le antenne del sistema devono essere elevate in altezza affinché siano visibili. L’altezza delle antenne ed ovviamente l’assenza di ostacoli nel percorso radio stabilirebbero con affidabilità la massima lunghezza del collegamento (distanza d’orizzonte) solo se, per assurdo, mancasse l’atmosfera.

Nella realtà l’atmosfera e le condizioni climatiche introducono due tipi di affievolimenti sul segnale: il fading piatto, Flat Fading  e selettivo, Multipath Fading. L’attenuazione da pioggia causa il fading piatto che gioca un ruolo fondamentale nella riduzione della distanza per frequenze sopra i 10 GHz sia per i sistemi analogici che digitali.
 
Ricordo che le prestazioni sui sistemi Radio delle reti di distribuzione in tempo reale dei segnali telefonici e/o televisivi sono descritte mediante la percentuale di tempo durante la quale si ha sui collegamenti una certa qualità del servizio i cui limiti sono stabiliti oggi dalle raccomandazioni ITU1. Come esempio, un ponte radio digitale a 18 GHz, modulato QPSK di medie prestazioni e antenne, per avere la stessa probabilità d’indisponibilità (nel mese peggiore dell’anno) dello 0,001% del tempo, si ottiene una lunghezza di 3 km se installato nel Cameroon e 26 km se collocato in Siberia.
 
Sotto i 10 GHz si possono realizzare distanze maggiori ma, all’aumentare della lunghezza (sempre in perfetta visibilità ottica), a causa delle diverse stratificazioni dell’atmosfera e, quindi, diverse costanti dielettriche, sopra il terreno a temperature alte (effetto miraggi) o nei rapidi cambiamenti di temperatura (alba- tramonto, dei periodi estivi), si produce una scissione dell’onda elettromagnetica trasmessa. L’effetto è che la potenza ricevuta è la composizione del raggio principale più raggi secondari ciascuno con un percorso diverso (In ottica questo fenomeno è chiamato scintillazione). In condizioni sfavorevoli di fase relativa fra le varie onde il segnale ricevuto si abbassa di molto (notch) fino ad annullarsi. Causa la rapidità della variabilità temporale e spaziale del canale (turbolenza) il campo ricevuto ha delle rapide, anche meno di un secondo, profonde e molto selettive fluttuazioni. Questo tipo di fading selettivo determina la limitazione della massima distanza alle frequenze inferiori a 10 GHz ma gli effetti sulle modulazioni digitali ad alta capacità sono disastrosi rispetto alle modulazioni analogiche di pari o superiore quantità d’informazione trasportata, come fu scoperto per la prima volta dalla Telettra nel 1978.    

Il collegamento televisivo bidirezionale, M. Argentario e M. Limbara, cui lei si riferisce, che portò in Sardegna, dal 1956 fino a qualche anno fa (Iniziò a 500 MHz poi 1, 2 e infine a 4 GHz negli anni novanta) la televisione, era un ponte radio analogico in modulazione di frequenza, FM. Questo collegamento appartiene alla storia italiana della distribuzione dei segnali RAI verso i trasmettitori di diffusione broadcasting. Distribuzione che era programmata via cavo, ma che, il non previsto rapido incremento delle vendite di televisori fece si che già nel 1957 furono ultimate le venti tratte della connessione Torino – Milano – Palermo, tramite Ponti-Radio 2.

Alla fine degli anni quaranta sia la Magneti–Marelli che la Telettra 3 iniziarono le prime registrazioni della potenza ricevuta nel tempo, sopra i 200 MHz, al variare di questi parametri: distanza tra le antenne, frequenza, rugosità del terreno, ecc.
In breve dopo diversi anni viene confermato che le distribuzioni di probabilità del fading rapido (scintillazione) sono del tipo rayleighiano 4. La probabilità diminuisce di un fattore 10 per ogni decade d’incremento della profondità del notch, secondo la formula:
 
P(F)=Po *10^(-F/10)
 
In pratica ogni riduzione di una decade di probabilità di fuori servizio, esempio dal 0,1 % al 0,01% del tempo comporta una moltiplicazione per 10 della potenza necessaria.
Po è il fattore di occorrenza del fading ed è funzione della frequenza, della lunghezza del link, dal clima e dalla rugosità del terreno.
Misure estensive in oltre 20 anni di sperimentazioni in America (Bell Labs) Europa (Telettra, Siemens) e Giappone (NEC) confermarono, più o meno, a metà anni settanta, la seguente empirica espressione per la stima di Po:
 
Po= 0,3*a *b *(f/4)*(L/50)^3
Dove:
a = Fattore relativo al clima. Varia da 0,25 a 4. In clima secchi a=0,25.
In clima temperato a=1 e nei climi con grandi escursioni termiche (deserti) a=4.
b = Fattore relativo al tipo di terreno: coltivato, alberato, montuoso, mare, laghi ecc.
f = Frequenza del canale radio in GHz
L = Lunghezza della tratta in km.
 
La stima di Po è sempre relativa al mese peggiore dell’anno poiché in altri mesi i valori possono essere notevolmente differenti. Po riveste un’importanza fondamentale nel progetto di un collegamento in P. R. a microonde poiché predice la qualità della tratta.
Un sistema di trasmissione FM televisivo occupa/occupava (l’analogico sta scomparendo) una banda equivalente a 960 canali telefonici. Indipendente dalla larghezza di banda occupata quasi tutta la potenza del segnale è concentrata attorno alla portante e l’informazione è distribuita in maniera ridondante sulle bande laterali. La diminuzione della potenza del segnale ed il relativo peggioramento del rapporto segnale rumore, SNR, avviene quando il notch colpisce l’intorno della frequenza portante. In pratica il fading selettivo si comporta verso la modulazione analogica come fosse un fading piatto 5. Una volta dimensionato per il massimo guadagno di sistema possibile (antenne ad alto guadagno, massima potenza trasmessa possibile, minima potenza di soglia del ricevitore), si ottengono distanza massime tra 50 -140 km in base alla P(F).
 
In ordine di aumentare ancora la distanza o di migliorare notevolmente la disponibilità del collegamento radio, si può complicare l’impianto radio con una tecnica detta diversity.Tale accorgimento si fonda sulla constatazione che due fasci radio, contenenti la stessa informazione, spaziati anche di poco in spazio e/o in frequenza , sono scorrelati, e quindi uno scambio ideale permette di scegliere il fascio radio con il migliore SNR.
 
Abbiamo le seguenti configurazioni:

a) Space diversity in ricezione – Un trasmettitore con antenna e due antenne spaziate verticalmente con due ricevitori in ricezione. Usato per realizzare nel 1956(1GHz) la tratta di 240 km M. Argentario (559 m) – M. Limbara(1320 m). Nel 1980 fu portata a 3690 MHz con antenne di 4 metri spaziate 30 metri 6.

b) Space diversity in trasmissione. Due trasmettitori su due antenne spaziate puntate nella stessa direzione. Si ottiene una diminuzione delle fluttuazioni ricevute. Non è mai applicata da sola ma in aggiunta alla configurazione a).

c) Frequency diversity – Viene trasmessa la stessa informazione su due frequenze diverse con una sola antenna. Due trasmettitori e due ricevitori oltre ad occupare un canale radio dimezza  l’efficienza spettrale.

Nel caso che i due segnali fossero completamente scorrelati la  P1,2(F) che è la probabilità di superamento del livello di fading (F) per il migliore  fascio 1 o 2  si ottiene un miglioramento (massimo teorico), pari al  prodotto delle singole  P(F), sia per la configurazione di tipo a) oppure  c) 

 
P1,2(F)=P^2(F)
 
d) Space e frequency diversity.- Complicando maggiormente l'architettura si ottiene un sistema del quarto ordine. Due trasmettitori una o due antenne in trasmissione e quattro ricevitori con due antenne oltre a tre scambi. Usato nel 1979 dalla Telettra per la tratta telefonica e televisiva, più lunga del mondo di 360 km su Mar Rosso. Fu usato anche un particolare  Anti Reflecting System, ARS, per eliminare un interferente rifllessa dal mare 7.

In conclusione abbiamo visto in modo sintetico ed essenziale che tutta la statistica per i sistemi analogici è finalizzata alla descrizione dell’attenuazione a una singola frequenza poiché il segnale può essere deteriorato solo da una forte calo di livello della portante. Le contromisure verso il fading selettivo si sono ottenute con il diversity complicando gli schemi a Radiofrequenza senza aggiungere nulla agli apparati di mo-demodulazione.  Di certo non tutto sarà chiaro, ma penso che il sapere almeno dell'esistenza di certi problemi e le loro soluzioni possa aiutare ai pochi interessati a cercare per approfondire. 

Invece i sistemi radio digitali/numerici utilizzano modulazioni lineari e richiedono un attento studio su tutta la banda perché in qualsiasi posizione dello spettro si posizionano i notches  è persa la non idealità della funzione di trasferimento, in ampiezza e fase, del canale (Perdita dei tre criteri di Nyquist) con conseguente forte distorsione intersimbolica e indecifrabilità dell’informazione anche quando la potenza ricevuta ha valori accettabili. Maggiore è la capacità trasmessa maggiore è la larghezza di banda e maggiore è la probabilità di fuori servizio. Il diversity non è più sufficiente. Complesse funzioni elettriche sono state aggiunte sui demodulatori  rispetto ai classici schemi dei demodulatori usati sui sistemi radio sopra i 10 GHz. Nuovi e diversi modelli di predizione e qualificazione dei modem, tante  sperimentazioni e verifiche dai leaders mondiali di TLC 8. I metodi di verifica delle specifiche tecniche di questi demodulatori verso efficacia di contrastare il fading selettivo, giocano un ruolo  fondamentale per ottenere  valori di indisponibilità ad una data distanza. Senza questi accorgimenti un Ponte Radio a 2GHz, pure con una robusta modulazione QPSK a 34 Mbit/s, non funzionerebbe oltre 15-25 km in clima temperato. Accennare pur brevemente almeno l’esistenza e le soluzioni di certe poco note problematiche porterebbero questa risposta ad una lunghezza tale da tediare qualsiasi lettore. Se perverranno domande sugli effetti del fading selettivo verso le modulazioni digitali concluderei l'argomento con le problematiche ricavate dal 1989 al 1993 (Alcatel Telettra e CSELT di Torino) con la tratta sperimentale a 7 GHz, M. Capanne (Elba)- M. Limbara 9di  228km, di cui fui convolto come progettista del modem 4QAM, 34 Mbit/s per frequenze sotto i 10 GHZ . 

Note

1) Le raccomandazioni dell'International Telecommunications Union– in breve le lTU-R (Dal 2005 la F.1668 riassume le ex  F.1397, F. 1491)  e ITU-T (G.821, G826/8 e G829) stabiliscono le canalizzazioni di frequenza, le principali caratteristiche degli apparati, i requisiti di qualità e disponibilità alle specifiche esigenze dei Ponti Radio. Fino alla fine degli anni ottanta l’ente proposto era il CCIR (Comité Consultatif International pour la Radio) poi passate per un breve periodo all'ETSI  (European Telecommunications  Stantards Institute ) e dal 1995 alla  ITU-R e  ITU-T.
 
2) Ciò fu possibile grazie alla “ scuola “ formata dal professor Francesco Vecchiacchi direttore (dal 1932) del Laboratoro Centrale Radio della Magneti Marelli di Sesto S.Giovanni. Egli iniziò le sperimentazioni dei fenomeni di propagazione sulle microonde, immediatamente con il successo ottenuti dalla Bell Labs  sul primo ponte radio larga banda, denominato TD2, tra New York e Chigago (1952).
 
3) Nel 1953 la Telettra  per conto del Governo Alleato, progetta, realizza e installa l’impianto di Ponti Radio Milano-Venezia- Trieste in sei tratte che sarà consegnato all’azienda di stato, ASST. Ogni fascio radio a 1400 MHz portava 60 canali telefonici.
 
4) I fading selettivi di tipo lento dovute a riflessioni sul suolo, de focalizzazione del fascio radio o strato troposferico riflettente hanno una distribuzione del tipo gaussiano. La situazione anche in atmosfera ferma, chiara  è complicata; sono modelli sia statistici che  empirici. Le equazioni di Maxwell per la propagazione radio sono valide nel vuoto, nello spazio, purtroppo non in atmosfera terrestre.
 
5) La qualità è/era misurata dal rapporto segnale rumore, SNR. Il rumore totale è la somma del rumore termico e del rumore di intermodulazione generati dalle non linearità. In realtà nei sistemi FDM-FM (modulazione non lineare) ad alta capacità (1800 e 2700 canali telefonici) la banda è cosi larga che il filtraggio causato dal fading selettivo tra il modulatore ed il demodulatore FM (non-linearità con memoria)  produce un incremento del rumore di intermodulazione sul segnale demodulato. Tuttavia questo incremento di rumore è trascurabile rispetto il simultaneo incremento di rumore termico dovuto alla riduzione della potenza ricevuta.
 

6) Attualmente i segnali televisivi digitali terrestri RAI arrivano ai trasmettitori  di diffusione in Sardegna tramite un satellite della serie Hot-Bird (6 o 7) a 12 GHz. Il vantaggio del satellite geostazionario è che sui 36000 km il percorso in atmosfera densa è trascurabile. La tratta M.Argentario-M.Limbara è diventata un SDH, Stm-1 ed è usata come riserva al satellite durante le brevi interruzioni di fading piatto da violente pioggie temporalesche che si formano in alta quota.

 7) F.Fabbri " Antereflecting  System for 2 GHz Over-sea Radio links". Alta Frequenza, August 1973, pp 393-397.  F. Fabbri, S.Giaconia, L.F. Mojoli “ The Red Sea Microwave Project ” Telettra Report June 1980. 

8) Negli anni ottanta per il calcolo del fuori servizio sui sistemi digitali  verso il fading selettivo vi erano nel mondo alcuni  modelli e diversi metodi matematici. L'assemblea del CCIR avrebbe scelto e raccomandato un metodo unico , ma nessuna nazione (UK, USA, JAP, USSR) voleva che fosse eliminato il proprio modello. In Italia vi erano addirittura altri tre metodi (GTE, CSELT e FUB del tutto simile al modello giapponese). Furono fatte e pubblicate molte misure e  sperimentazioni di tratte sul mare molto lunghe (Es.Pechina-Tessala 240 km, M.Capanne- M.Limbara 228 km) in cui risultò  che il modello che prediceva con precisione i tempi di fuori servizio fu il metodo Telettra, inserito in normativa ITU nel 1994 come Alcatel-Telettra. 

9) A tutt'oggi funzionante e con i 228 Km, è ancora la tratta digitale più lunga del mondo con la più alta capacità possibile (70 Mbit/s) e la modulazione più robusta possibile 4QAM per i restrittivi limiti di fuori servizio (0,001% pari a 5,2 minuti/anno) e con le massime conoscenze di contromisure per selettivo e guasti, su modulazioni a portante unica.  L'annuncio della Aviat Networks, fatto lo scorso maggio, che pubblica un link di 193km IP  40Mbit/s,  QPSK come il più lungo del mondo non è vero. http://blog.aviatnetworks.com/2011/05/04/the-worlds-longest-all-ip-microwave-link/

 Mi sono accorto che in rete poco o nulla si conosce della tratta più lunga del mondo sul mar Rosso, mi sembra doveroso cogliere l’occasione per diffondere, non solo le caratteristiche tecniche ma le enormi difficoltà e rendere omaggio ad una grande avventura di uomini che con grande passione risolsero brillantemente problemi, non solo, di alta ingegneria delle telecomunicazioni radio.  

La tratta radio (telefonia e TV )  analogica più lunga del mondo.  Record rimasto imbattuto 

 Il 5 novembre del 1979 grazie ai ministeri PTT dell’Arabia Saudita ed il Sudan che hanno voluto e promosso l’opera e la Telettra che ha progettato, costruito ed installato le apparecchiature, entrò in funzione il collegamento radio più lungo del mondo di 360 km. I consulenti Arabi scartarono soluzioni avanzate da importanti società internazionali Giapponesi e Americane, come il cavo sottomarino o sistema radio a diffusione troposferica e scelsero il progetto Telettra con apparecchiature di altissima affidabilità e basso consumo alimentate a batteria ed a celle solari.

Fu un progetto all’avanguardia con torri alte 112 m  erette su cime inaccessibili per vie normali. Il massiccio di Jebel Erba (Sudan) si erge in modo aspro in pieno deserto. Non di meno la locazione di Jabel Dakka (Arabia Saudita) di 2580 metri (In arabo la parola "monte" si può scrivere in molti modi  diversi: jabal, jabel, jebal, jebel, jbel etc)..
Fu necessario una vera e propria spedizione organizzata e guidata da scalatori dal Touring club italiano per trovare la posizione migliore. Mille problemi in un clima torrido, forte vento e nebbia. Dai campi basi situati a 15 km dalle cime, furono necessari 1400 voli di elicottero per trasportare 400 tonellate di materiali l’erezione delle torri non fu un’impresa da poco.  

 

Principali caratteristiche elettriche

  

– Sistema radio 2 +1, in diversità di spazio e frequenza, con 5 ricevitori per scegliere il migliore fascio radio (Frequenze 1951, 2009 e 2067 MHz). Doppio ARS (anti riflettente). Le due antenne spaziate 80 metri, sono ognuna somma di due antenne tramite ibrido con cancellatore interferente.  Si ottiene pure un beneficio di guadagno di sistema di 4 dB (6 dB teorici meno perdite guide d’onda e ibrido) due 2 dB in ricezione e 2 dB in trasmissione.
– Quattro antenne paraboliche di diametro di 4,6 m (15 ft). Base torre a J. Erba a 2179 metri.
– Quattro antenne con le stesse caratteristiche e spaziatura anche a J. Dakka con torre a 2572 metri ( vedi foto).
– Apparato allo stato solido Telettra HT2 con 10 Watt in antenna in Modulazione di Frequenza
– Il Fascio radio trasportava 960 canali telefonici, 96 canali telegrafici e un canale televisivo
– 336 panelli solari che fornivano 1 kW alle batterie che garantivano una riserva di energia per 13 giorni (G. Tartara ” Photovoltaic System to Feed a Radio Link of Unusual Length" I.T.E.C nov. 1979). 
– Generatore diesel installato quale riserva controllabile a distanza
– Shelter di contenimento autoventilati e condizionanti a temperatura costante. 

Umberto Casiraghi responsabile negli anni ottanta del Laboratorio " Studi di Propagazione " della Telettra mi ha passato, oltre a utili conferme, copia della lettera  del vice primo ministro dell' Arabia Saudita. E' un reference  con la dichiarazione che il Ponte Radio, dopo tre anni, funzionava correttamente come da calcoli  di predizione progettuali presentati nel contratto.

 

 

 Inoltre mi segnala che tramite il localizzatore Google Earth, in Jebel Erba (20° 44’ 44.77” N – 36°50’ 24.33” E) si vede ancora la torre con le antenne e i pannelli solari. In Jebel Dakka (21° 0.5’ 27.91”N 40°17’27,91” E) invece sulla torre non ci sono più le antenne del 2GHz.  L’enorme incremento di capacità trasmissiva dell’ultimo decennio ha reso preistorico e obsoleto una trasmissione di 960 parlatori contemporaneamente al telefono e un programma televisivo.

Il 29 maggio del 1982 per la serie “ Lavoro italiano nel mondo “ fu emesso un doppio francobollo da 450 lire l’uno. Il Ponte Radio Telettra sul Mar Rosso ed i lettori ottici dell’elettronica San Giorgio.

 Gianfranco Verbana

 

Per approfondire e dare il giusto merito a questa realizzazione abbiamo incontrato il dott. Copat, presidente della società di trasporto elicotteristico Elitalia, che per l’appunto ha realizzato materialmente il trasporto delle attrezzature sul Jebel Erba.
Lo abbiamo incontrato a Pergine in Valsugana (TN), da dove partì la sua avventura cinquant’anni fa e dove ritorna quando fa tappa dalla Tanzania, ormai divenuta la sua patria dal 1988.

Ezio Copat si laurea nel 1960 in scienze forestali e rinuncia alla carriera accademica per impegnarsi nell’attività di consulenza ambientale, soprattutto in ambito alpino. Curiosamente uno dei primi successi deriva dalla constatazione che i muli hanno una quota operativa limitata dalle proprie caratteristiche fisiche. Di qui, l’interesse per l’impiego di elicotteri per realizzare paravalanghe in alta quota.

Per i primi lavori Copat noleggia elicotteri svizzeri, anche per il monitoraggio della rete della distribuzione del metano per conto di SNAM. Poi nel 1972 decide di fondare una propria società: Elitalia.
Leggendo il ricco il curriculum e sentendolo narrare le avventure di quegli anni, anche con l’aiuto del socio Sergio Rosati, si rimane colpiti da quanto valore e abilità ci fosse in quella piccola azienda.
Tra tutti i bravissimi piloti che si alternavano ai comandi dei 16 elicotteri Elitalia, uno di essi merita una menzione speciale. Si tratta di Erich Abram, già famoso alpinista che nel 1954 aveva aiutato Lacedelli e Compagnoni per conquistare la vetta del K2. Pilota abilissimo ma anche molto prudente, coltivava una preparazione fisica straordinaria (tutte le mattine faceva trazioni alla sbarra sollevandosi con un solo dito alla volta).

Elitalia riusciva a compiere lavori in condizioni ambientali estreme: solo per ricordarne un paio, il monitoraggio dell’elettrodotto sullo stretto di Messina, con oscillazioni dei cavi che avrebbero costretto alla rinuncia qualsiasi pilota “normale”. Un altro aneddoto si riferisce alla posa di una cupola su una torre di trasmissione NATO: tutti i tentativi dei piloti militari erano falliti e dunque fu chiesto anche ad Elitalia di provarci. Abram appoggiò la cupola nella propria sede al primo tentativo!

E veniamo al 1982 con il ponte radio dei record. Come già menzionato nella risposta di Verbana, le condizioni ambientali erano al limite umano. Quando il vento sferzava la cima del Jebel Erba, la sabbia agiva da abrasivo e gli operatori si ritrovavano sanguinanti. La disidratazione era sempre in agguato e ciascuno doveva bere quasi quattro litri d’acqua al giorno per sopravvivere. Lo stress imposto ai piloti era notevole: in tali condizioni dovevano compiere salite e discese di 2500 metri più volte al giorno.
Elitalia può vantarsi di non aver mai avuto incidenti mortali nel corso delle proprie operazioni dal 1972 al 1985. Se teniamo conto di quanto fossero estreme le condizioni di lavoro, questo è un risultato davvero straordinario.

Numerosi furono i successi e al culmine questa piccola società si trovò necessariamente a sfiorare la politica, tanto che veniva addirittura ritenuta di proprietà di un notabile democristiano dell’epoca.
Si trattava solo di una contiguità ambientale, purtroppo però la lotta fra bande nel pantano politico nell’Italia di allora fu fatale anche per Elitalia. Dopo l’ennesima spartizione post-elettorale, il notabile accennò ad un esterrefatto Copat che “i riparti erano fatti” e – inspiegabilmente – dal giorno dopo, banche e fisco posero fine a questa bella avventura.

Copat, amareggiato e deluso decise allora di trasferire la propria residenza in Tanzania. Inserito nel clan dell’ex presidente Nyerere, una delle personalità politiche più importanti dell’Africa moderna, dalla propria base di Dar es Salaam ancora oggi Copat segue numerosi progetti di riforestazione e introduzione di nuove colture per favorire lo sviluppo del suo paese.

Il 28 dicembre 2015 Ezio Copat è stato nominato Commendatore della Repubblica italiana.