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