lunedì 28 agosto 2017

LE COMUNICAZIONI RADIO DIGITALI



Noi Radioamatori siamo perfettamente a conoscenza che le nostre voci o i nostri dati viaggiano nell’etere attraverso la radiofrequenza su diverse bande (HF, VHF, UHF, SHF, ecc...) e grazie a diversi modi di trasmissione (AM, FM, SSB, CW, FSK)
Purtroppo, a causa delle attuali normative nazionali ed internazionali, a noi Radioamatori non è concesso utilizzare diversi modi di trasmissione i quali sono strettamente assegnati ad altri utenti (corpi militari, civili, aeronautici, marittimi, servizi informativi di sicurezza, ecc.).
Questo ha fatto sì che, all’interno del nostro hobby, diversi colleghi hanno studiato, sperimentato ed attuato diversi schemi, metodi e protocolli di modulazione tra i quali anche le comunicazioni digitali.
Io sono un amante della storia (a scuola è sempre stata la mia materia preferita) anche se il destino mi ha portato a svolgere una professione ben differente dalle materie umanistiche, quindi mi permetto di fare un piccolo preambolo storico delle comunicazioni digitali.
Vi è da dire che i modi di comunicazione digitali hanno ottenuto popolarità, nel mercato LMR (Land Mobile Radio), grazie alle loro elevate prestazioni anche in presenza di segnali interferenti o rumori ambientali.
La prima radio digitale è apparsa sul mercato negli anni 80 (gli anni 80 sono stati eccezionali sotto diversi aspetti. Alcuni studiosi gli definiscono “i maledetti anni 80” ma io preferisco definirli “i benedetti anni 80”!). In quel periodo, sono stati rilasciati sistemi EDACS e TETRAPOL, che utilizzavano una modulazione GMSK (GFSK). Da allora sono stati fatti molti studi e sperimentazioni, inizialmente per utenti professionali che poi hanno abbracciato anche la comunità radioamatoriale.
Nel 2003 è stato rilasciato sul mercato il primo RTX Amatoriale che utilizzava una modulazione GMSK. Nel 2004 è nato il D-STAR sempre in modulazione GMSK. Fino ad arrivare ai giorni attuali, dove la Motorola ha introdotto il DMR (Digital Mobile Radio) che utilizza una modulazione C4FM (4 level FSK) TDMA che può essere utilizzata su frequenze radioamatoriali. Nel 2011, presso la Dayton Hamvention, sono state presentate queste comunicazioni digitali cui, per la prima volta, è stato possibile utilizzarle sulle nostre bande.
Si può dire quindi che il progresso e lo sviluppo delle comunicazioni digitali è stato molto drastico. Quasi alla stregua dello sviluppo della tecnologia aeronautica (basti pensare che nel 1903 è stato fatto il primo volo e 70 anni dopo l’uomo ha messo il piede sulla Luna e l’Aviazione Civile è stata dotata del primo aeroplano supersonico).
Negli ultimi anni, questi RTX hanno avuto un netto miglioramento, passo dopo passo, nell’ottica della velocità di elaborazione del segnale, del software di gestione e del protocollo, garantendo questi principali vantaggi: la possibilità di trasferire ingenti quantità di dati in poco tempo, migliori performance, immunità dalle interferenze, miglior sicurezza e protezione dal jamming; il tutto con una notevole riduzione dei costi.
Le comunicazioni digitali si poggiano su tre specifiche caratteristiche (di cui seguirà una sintetica descrizione con l’ausilio di grafici e schemi): Modulation Type, Communication Type (multiplexing) e Protocol.
Modulation Type:  serve per convertire la voce (analogica) in un segnale digitale. Ci sono tre tipi di Modulation Type (ognuno dei quali ha i propri vantaggi e svantaggi): GMSK (MSK), 16QAM, π/4 DPQSK e C4FM (4 Level FSK).
GMSK: La modulazione GMSK (Gaussian minimum-shift keying) è una variante della modulazione MSK dove il flusso di dati digitali è inizialmente formato con un filtro gaussiano prima di essere applicato ad un modulatore di frequenza. Questo ha il vantaggio di ridurre la potenza della banda laterale, che a sua volta riduce l'interferenza fuori banda tra le portanti dei segnali dei canali adiacenti di frequenza. Ad ogni modo il filtro gaussiano aumenta la memoria di modulazione nel sistema e causa interferenze intersimboliche che rendono più difficile la discriminazione dei dati trasmessi che richiedono l'equalizzazione dei canali con algoritmi più complessi, come ad esempio un equalizzatore adattativo al ricevitore. La modulazione GMSK ha elevata efficienza spettrale, ma ha bisogno di un livello di potenza superiore alla modulazione QPSK al fine di trasmettere in modo affidabile la stessa quantità di dati (ha una probabilità d'errore più alta a parità di rapporto segnale/rumore). Il circuito di modulazione GMSK è relativamente semplice e fu utilizzato per i cellulari e per i vecchi sistemi LMR TETRAPOL negli anni 80 e 90. Esso è ancora in uso nel D-STAR e nella telefonia mobile GSM.
 
 Principio di Modulation type GMSK


π/4 DPQSK: E’ conosciuto come il metodo con il più alto grado di modulazione. E’ un formato differenziale dove i bit per un dato simbolo sono determinati dal cambiamento di fase del simbolo precedente. "P / 4" aggiunge un p / 4 offset per i cambiamenti di fase rispetto ai cambiamenti di fase in pianura DQPSK. Ciò significa che ci sono un totale di 8 posizioni stato ideale (rispetto al 4 per DQPSK). Le posizioni stato ideale per i simboli si alternano tra i quattro stati di 45 gradi normalmente utilizzati da QPSK e quattro stati in asse. A causa di questa alternanza, la traiettoria ideale tra simboli non passa attraverso lo zero. Il suo più grande vantaggio è quello di produrre la minor distorsione possibile. Tuttavia, esso richiede linearità (la stessa degli amplificatori SSB) ed una circuiteria molto complicata; questo si traduce anche in un’efficienza di trasmissione molto bassa. Per questi motivi questo metodo non è più largamente utilizzato per i sistemi LMR, ad eccezione di speciali applicazioni. Un ottimo esempio di questo metodo è il sistema europeo TETRA.


 
Principio di Modulation type  π/4 DPQSK 
 
C4FM (4 Level FSK): Il C4FM, in condizioni normali, ha una capacità di trasmissione dati DOPPIA rispetto al GMSK. In applicazioni reali di canale disturbato, fading e propagazione multipatch la sua efficienza scende drasticamente a discapito del GMSK perchè i livelli da decodificare sono 4 anzichè 2 ed il BER (Bit Error Rate) aumenta, per riportare il sistema a pari efficienza in queste condizioni è necessario raddoppiare la potenza dei segnale C4FM oppure aumentare la distanza delle 4 frequenze trasmesse in modo che possano essere ben distinte. Purtroppo in questo caso la deviazione aumenta (raddoppia), quindi i due sistemi si possono definire pari efficienti in condizioni reali. Paragonato ai precedenti due modulation types,  il circuito del C4FM (4 Level FSK) è più semplice ed il BER è decisamente migliore. Per questa ragione il C4FM ha sostituito il GMSK come principale metodo di modulazione che attualmente è in uso nelle ultime radio LMR inserite nel mercato. Gli RTX che utilizzano questo metodo di modulazione sono conosciuti come APCO P-25, i quali inizialmente sono stati usati nella sicurezza pubblica.
Vi è da dire che un altro tipo di sistema di comunicazione radio digitale che utilizza il C4FM è il DMR (Digital Mobile Radio).




Principio di Modulation type C4FM 

 

Communication Type: è il metodo di trasmissione o multiplexing del segnale digitale modulato; fondamentalmente di due tipi: FDMA  e TDMA.
FDMA: Acronimo di Frequency Division Multiple Access. E’ una tecnica di accesso allo stesso canale di trasmissione da parte di più sorgenti di informazione, che consiste nella suddivisione della banda di frequenza disponibile (canale di trasmissione) in un numero di sottobande (sottocanali) che occupino, in frequenza, una banda più piccola; ognuno di questi sottocanali è assegnato a ciascuna delle sorgenti di informazione, che lo utilizzerà per trasmettere il segnale che rappresenta fisicamente l'informazione da trasmettere all'interno del canale. In ricezione, un'opportuna sequenza di filtri passabanda permetterà di selezionare il segnale della sorgente di cui si vuole estrarre l'informazione. Un esempio che può chiarire il funzionamento di questa tecnica è il seguente: si consideri un'autostrada la cui carreggiata sia larga 20 m e si supponga di dividere questa carreggiata in 10 corsie distinte; in ciascuna di queste corsie, può viaggiare una macchina, contemporaneamente a quelle che possono viaggiare nelle altre corsie dell'autostrada. Questa tecnologia divide la banda di frequenza disponibile in più canali aventi una larghezza di banda più stretta. Paragonato al TDMA, la circuiteria è molto più semplice. Tecnicamente, la FDMA può essere realizzata modulando il segnale associato a ciascuna sorgente di informazione, con una portante la cui frequenza sia posta al centro della banda che definisce il sottocanale di trasmissione assegnato alla sorgente di informazione. In ricezione, un'opportuna schiera di filtri, ciascuno accordato su un sottocanale, permetterà di selezionare il segnale associato a ciascun sottocanale e un successivo demodulatore permetterà di estrarre l'informazione corrispondente. Tanto maggiore è il numero di sottocanali con cui si divide il canale principale, tanto maggiore sarà l'interferenza generata da uno di questi nei confronti dei canali adiacenti in frequenza.



Diagramma semplificato del FDMA


TDMA: Acronimo di Time Division Multiple Access. E’ una tecnica di multiplazione numerica in cui la condivisione del canale è realizzata mediante ripartizione del tempo di accesso allo stesso da parte degli utenti. Se l’FDMA divide lo spettro in canali con larghezza di banda più stretta, il TDMA usa i Time Slots. Quindi molti segnali possono essere trasmessi sulla stessa frequenza, permettendo quindi molte comunicazioni. Vi sono due tipi di multiplazione a divisione di tempo: multiplexing a divisione di tempo sincrono (STDM), noto anche come multiplexing a divisione di tempo quantizzato, prevede che ogni dispositivo abbia a disposizione un'identica porzione di tempo (slot) e che questi ne vengano in possesso attraverso uno schema di tipo round robin (vedi ad esempio scheduler). Quando si dice semplicemente multiplexing a divisione di tempo (TDM), si intende normalmente questa tecnica. Time Division Multiplexing e multiplexing statistico, simile a STDM, con la differenza che ai dispositivi che non devono trasmettere dati non viene assegnato il controllo del canale di trasmissione, vedi commutazione di pacchetto. Questo da alla comunità radioamatoriale un grande vantaggio in quanto permette a molti gruppi di usare uno stesso ripetitore o la stessa frequenza. Paragonato al FDMA, il TDMA richiede una circuiteria molto più complessa che richiede una notevole abilità di sviluppo e costruzione.


 
Diagramma semplificato del TDMA


Diagramma semplificato del TDMA e FDMA

Protocol: è lo schema di elaborazione utilizzato per trasmettere il dato dal TX al RX. Esso contiene la logica utile al controllo/correzione dell’errore. Se questo controllo non è eseguito dal ricevitore, la comunicazione viene interrotta ed il suo range di servizio in condizioni di operatività mobile viene ridotto. Un eccellente protocol è quindi elemento indispensabile per il design dell’RTX perché determina le sue performances.

Sinteticamente e, spero, in modo chiaro ho cercato di descrivere il principio di funzionamento delle Comunicazioni Radio Digitali.
Come spesso avviene nella comunità radioamatoriale, l’introduzione di nuovi sistemi di comunicazione causa fondamentalmente tre aspetti ossia indifferenza da parte dei fedelissimi di una banda o di un modo di trasmissione, la voglia di sperimentare sistemi moderni di comunicazione studiando approfonditamente il sistema e facendo esperimenti e pregiudizi da parte dei colleghi che hanno solo letto qualche recensione su qualche forum o siti web di bassa leva oppure che non hanno sufficientemente studiato il sistema.
Lasciando perdere i primi due aspetti, vorrei focalizzare l’attenzione sull’ultimo. Spesso e volentieri si cade nell’abominevole aspetto dei pregiudizi oppure, fatto meno grave, non si studia a fondo il sistema. Uno studio superficiale comporta inequivocabilmente a dei malintesi tecnici che possono sfociare in discussioni, talvolta accese come ho avuto modo di sentire, vista e considerata la testa (capacità di comprendere la persona con cui si parla ed il suo livello di conoscenza) e l’etica del radioamatore medio.
Fondamentalmente ho avuto modo di sentire o leggere delle affermazioni che in linea di massima potrebbero essere parzialmente corrette ma che, ad un esame più approfondito, contengono delle inesattezze a volte non trascurabili.
Le comunicazioni digitali sono superiori a quelle analogiche”: E’ molto facile dirlo. In un’analisi superficiale potrebbe anche essere. Ma come ho scritto poco sopra, vi sono molti metodi per produrre un segnale digitale, ciascuno con i propri pro e contro. Uno dei temi di maggiore discussione, magari trascurabile ma non di irrilevante importanza, è il consumo di corrente. Per convertire la voce analogica in ingresso in un segnale digitale, la circuiteria necessaria è molto complessa e spesso richiede un grosso consumo energetico, il quale non è molto salutare per le batterie e può portarle ad esaurirsi in maniera più veloce rispetto ad una radio analogica. Inoltre se il segnale digitale ricevuto scende sotto un certo livello di sensibilità, l’uscita audio cade. Quindi in determinate circostanze ed attività, ad esempio l’attività outdoor con un portatile, sicuramente è migliore l’utilizzo di radio analogiche.
“I sistemi di comunicazione digitali hanno una migliore sensibilità e una copertura più larga rispetto ai sistemi analogici”: Nella modulazione FM, come punto di sensibilità standard è considerato il 12 dB SINAD. Ma nelle comunicazioni digitali è differente. Il punto di sensibilità è considerato standard quando si realizza l’1% BER. Di conseguenza in analogico lo standard di sensibilità è 3dB più alto rispetto del digitale.  Quindi nelle comunicazioni digitali, se il segnale è più forte e supera questo punto, anche se di mediocre qualità, fa si che sia possibile riprodurre un RX audio pulito con il migliore S/N. Però, se il segnale è inferiore a questa soglia, l’audio sarà intermittente ed instabile. Nelle comunicazioni analogiche, se si pone questo problema, basta aprire lo squelch, per potere ascoltare meglio.



Diagramma di confronto della copertura del servizio e della intelligibilità


“I sistemi di comunicazione digitali hanno una velocità di comunicazione dati più veloce rispetto ai sistemi analogici”: Un grosso vantaggio dei metodi di comunicazione digitali è la capacità di inviare un grande quantitativo di dati. Però se la larghezza di banda si restringe, la velocità di trasferimento dati diminuisce notevolmente. Ci sono apparati analogici (ad esempio il TM-V71, il VX-8DE, l’FTM-350) che possono scambiare dati (ad esempio in GMSK) ad una velocità di 9600 bps nelle bande VHF/UHF. Confrontare questa velocità con quella del D-STAR (limitata a 4800 bps) sullo stesso range di frequenze,  l’analogico ha, chiaramente, i suoi vantaggi in quanto più veloce. 



 
Diagramma di confronto della velocità di trasferimento dati.


“La funzione ultima del sistema di comunicazione digitale è la larghezza di banda stretta”: Gli attuali RTX digitali usano una larghezza di banda di 6.25 kHz o 12.5 kHz. Adesso, se consideriamo che molti radioamatori stanno ancora utilizzando il modo SSB che ha una larghezza di banda di 2.5 kHz da oltre 50 anni, lascio a voi decidere chi utilizza la minor larghezza di banda. 


Confronto delle larghezze di banda occupate

“Tutti i metodi di trasmissione digitali hanno performance simili”: Le performances dei vari sistemi di comunicazione digitali sono molto diverse, dipendono dai modi di modulazione, dai metodi multiplex e dai protocolli utilizzati. Chiaramente si evince che al variare di queste caratteristiche variano anche le perfomances.

A questo punto, sono giunto alle conclusioni di questo prolisso articolo. Premetto che io sono radioamatore dal 2012. Ho fatto studi classici e attualmente sono pilota di aeroplani di linea. Quindi ho dedicato principalmente la mia vita a studi ben differenti a quello che possono essere le trasmissioni e l’elettrotecnica che sto studiando per hobby. Però, onestamente, mi sento in conscenza di dire che tutto ciò che è fatto dall’uomo (radio, aeroplani, persino le leggi) non è perfetto. Ogni cosa ha dei difetti, dei pro e dei contro. La capacità dell’uomo saggio ed intelligente è quella di trarre insegnamento dai propri errori, correggerli e sviluppare nuovi sistemi dagli errori commessi precedentemente. L’evoluzione delle telecomunicazioni è stata esponenziale, alla stregua di quella dell’aviazione. Basti pensare i passi da gigante fatti da quando esiste la radio. Quanti modi attualmente utilizziamo per trasmettere. Io penso, anzi sono convinto, che abbiamo abbondantemente varcato la soglia dell’era digitale. Quindi, a mio modesto avviso, vale la pena sperimentare questi nuovi sistemi e svilupparli a dovere, collaborando con le case madri inviandogli i nostri esperimenti e studi. Alla fine, non dimentichiamoci che il Radioamatore è progressista: segue il progresso della tecnica, apporta continuamente migliorie ai propri impianti, si sforza di adoperare la sua stazione con la miglior correttezza possibile.- 



Bibliografia
Foto e parte del testo tratte da:
-          Wikipedia.org
-          Sito web Yaesu