Digital Audio Broadcasting – La radio digitale

Recentemente è salita alla ribalta delle cronache il fatto che la Norvegia possa essere la prima nazione a spegnere la radio FM. Questa non vuol essere però la fine del mezzo di diffusione di massa per come lo conosciamo. Semplicemente ci si appresta a rimpiazzare la tradizionale modulazione analogica di frequenza (FM) con la più moderna modulazione digitale. Digital Audio Broadcasting (DAB) è il nome del sistema di diffusione di contenuti audio e multimediale universalmente conosciuto come "la radio digitale". La radio digitale offre maggiori servizi, migliore qualità audio, e costi operativi minori, ma nonostante ciò i norvegesi sembrano non essere tutti d'accordo nello spegnere definitivamente la vecchia radio FM. In questo articolo vedremo nel dettaglio i vantaggi di questo nuovo sistema e analizzeremo gli aspetti tecnici più significativi. 

Introduzione

Il sistema radio digitale indicato con l'acronimo DAB (Digital Audio Broadcasting), è un sistema multimediale di diffusione innovativo e universale, il cui orizzonte è quello di rimpiazzare i sistemi di audio diffusione analogici AM ed FM. Sviluppato sin dal 1990 dal progetto Eureka 147/DAB, per ben adattarsi a scenari in cui il ricevitore è di tipo mobile (come una radio in un'automobile in movimento), esso offre un'elevata robustezza rispetto a interferenze da cammino multiplo. Inoltre grazie all'utilizzo di reti a frequenza singola (SFN) garantisce un'elevata efficienza spettrale.

Accanto ai servizi audio ad alta qualità, DAB è in grado di trasmettere dati associati ai programmi ascoltati ed altri servizi di pubblica utilità (come informazioni sul traffico, meteo, immagini in movimento etc). Grazie ad una gestione dinamica della rete si aprono inoltre le possibilità per una programmazione radio flessibile.

La radio è uno dei più diffusi media di massa a livello globale, con centinaia di emittenti radiofoniche, migliaia di trasmettitori e miliardi di ricevitori. Nel corso degli anni la modulazione AM è stata man mano sempre più abbandonata in favore della modulazione FM, che offre un buon compromesso tra le richieste di qualità audio, efficienza spettrale e complessità del ricevitore. Tuttavia negli ultimi anni la massiccia digitalizzazione delle informazioni ha portato ad un inevitabile cambiamento anche nei sistemi di comunicazione tradizionale, come nel caso della televisione digitale. Va da se che anche il sistema radiofonico sia destinato all'ineluttabile passaggio dai ricevitori e trasmettitori analogici a quelli digitali.

Naturalmente un passaggio di questo tipo comporta dei costi sia da parte di chi trasmette che da parte di chi riceve e quindi per giustificare la sostituzione di un sistema che ben funziona con uno nuovo, occorrono delle forti motivazioni e dei  convincenti vantaggi. Nel seguito analizzeremo i principali benefici del sistema di diffusione radio Eureka 147/DAB.

Qualità del servizio

DAB sfrutta le moderne tecnologie digitali per fornire una più alta qualità del servizio, in particolare:

  • Superiore qualità audio, grazie ad un suono puro e indistorto che si avvicina alla qualità degli audio compact disk. Nuovi  controlli come il Dynamic Range Control (DRC) o il Music/Speech Control possono essere manipolati singolarmente dall'utente in modo da personalizzare il sonoro a seconda delle necessità individuali.
  • Facilità d'uso, infatti, piuttosto che ricercare la frequenza, l'utente seleziona la stazione desiderata da un apposito menù testuale.
  • Condizioni di perfetta ricezione, una semplice antenna non direzionale è sufficiente per eliminare le interferenze e le degradazioni del segnale a causa di cammini multipli (fading) tipici dei ricevitori mobili (autoradio).

Ampia gamma di servizi aggiuntivi

Il ricevitore DAB oltre a fornire la programmazione radio è in grado di offrire altri servizi digitali come ad esempio:

  • Dati associati ai canali, infatti DAB è in grado di visualizzare informazioni di testo molto più dettagliate del sistema RDS, come l'intera programmazione della stazione, copertine degli album trasmessi etc.
  • Informazioni di servizio, come condizioni del traffico stradale o condizioni meteorologiche.
  • Servizi mirati di musica o dati, utenti con interessi specifici possono essere raggiunti grazie all'indirizzabilità dei ricevitori.
  • Immagini fisse o mobili, possono essere trasmesse con accompagnamento musicale o in maniera indipendente.

Configurazione universale di sistema

Il sistema DAB possiede una configurazione di sistema ben standardizzata, tale da permettere applicazioni per tutti i più conosciuti mezzi di trasmissione e le situazioni ricettive:

  • Design di sistema unico, permette ai servizi DAB di essere distribuiti su reti terrestri, ma anche su reti cablate o satellitari. Lo stesso ricevitore potrebbe essere usato per fornire programmi radio o anche informazioni di servizio con copertura locale, regionale, nazionale o internazionale.
  • Ampia scelta di ricevitori, infatti è possibile accedere ai servizi DAB con ricevitori fissi o mobili, con o senza schermo ed anche tramite computer.

Flessibilità della configurazione multiplex

I servizi DAB sono trasmessi in una flessibile configurazione multiplex, che può essere facilmente ed istantaneamente modificata per soddisfare le necessità correnti dei fornitori di contenuti, senza interrompere il servizio in onda:

  • Flessibilità del bit rate, il provider del servizio può scegliere l'opportuno data rate in funzione della qualità del programma trasmesso, ad esempio, 128 kbit/s per trasmissioni in monofonia o 256 kbit/s per trasmissioni in stereofonia. In questo modo il bit rate disponibile può essere suddiviso ottimamente fra i vari servizi offerti.

Efficienza della trasmissione

Comparato agli altri sistemi di diffusione, il sistema trasmissivo DAB richiede meno costi operativi e investimenti:

  • Trasmissione con minor costo per i fornitori di servizio, grazie al fatto che si possono trasmettere un'ampia gamma di servizi simultaneamente sulla stessa frequenza.
  • Trasmissione con minor costo a livello infrastrutturale, infatti un trasmettitore DAB necessità solo di una frazione di energia elettrica rispetto ai trasmettitori AM o FM.
  • Efficienza spettrale, permette aumento delle stazioni e quindi della scelta per l'utente. In particolare nel sistema FM ogni stazione necessità di 0,2 MHz con circa 0,4 MHz di separazione tra emittenti adiacenti, per un totale di 2,2 MHZ. Nel sistema DAB basta una larghezza di banda di 1,5 MHz per offrire 10 tipologie di servizi usando una rete a frequenza singola.

Concetti di sistema

Il canale fisico

La principale richiesta nello sviluppo del sistema DAB è stata quella di una ricezione mobile senza disturbi. La ricezione nei casi  di tipo mobile, soffre di particolari problemi causati dalla propagazione da cammino multiplo: il segnale elettromagnetico, viene rifratto, diffratto, riflesso giungendo all'antenna ricevente come una sommatoria di segnali sfasati tra di loro. Questo ci porta a identificare un modello di interferenza che dipende dalle frequenze in gioco e dalla posizione del ricevente.

In particolare, il ricevitore mobile si muove in questo modello che varia ad intervalli di micro secondi e a seconda della larghezza di banda usata in trasmissione.  In sintesi potremmo dire che il canale radio mobile è caratterizzato da tempo-varianza e selettività in frequenza.

Le repliche che si sovrappongono in ricezione sono come affette da effetto Doppler, che sposta la frequenza del segnale di una certa quantità. Il valore massimo di questo spostamento  fDmax, è dato dalla formula:

dove c è la velocità della luce, ν la velocità del veicolo, ed f0 la frequenza del segnale trasmesso. In ricezione, la sommatoria di tante repliche affette da spostamento Doppler, porta ad una fluttuazione dell'ampiezza e della fase della portante. Il segnale ricevuto è stato quindi modulato in ampiezza e fase dal canale.

Se il segnale trasmesso è stato modulato con modulazione di fase, queste rapide fluttuazioni possono causare gravi problemi in ricezione. In particolare per evitare tali problematiche occorrerà che nel tempo TS necessario a trasmettere un simbolo della modulazione non ci siano troppe variazioni di fase, ma la frequenza delle variazioni è dell'ordine di fDmax, quindi:

La selettività in frequenza del canale è determinata dai differenti tempi di viaggio dei segnali, calcolati come rapporto tra la velocità della luce e la distanza percorsa dal segnale. Nei sistemi cellulari le differenze tra i vari tempi di viaggio sono dell'ordine di qualche microsecondo. Nei sistemi di diffusione su larga scala, gli echi, possono raggiungere invece anche i 100 μs in regioni collinari o montuose. Nel dominio del tempo disturbi da interferenza intersimbolo occorrono se le differenze tra i tempi di viaggio sono non di molto più piccole della durata del simbolo.

Con un data rate di 200 kbit/s si ha un simbolo di durata 10 μs per modulazione QPSK. Essendo dello stesso ordine degli echi, questo comporta il non poter utilizzare questo sistema di trasmissione a meno di usare tecniche più complicate.

Modulazione multiportante

Per risolvere il problema dell'interferenza intersimbolo prodotta da lunghi echi, DAB utilizza la modulazione multiportante OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). L'idea alla base di questa tecnica è la seguente: un flusso di dati ad alto data rate viene suddivso in K flussi paralleli a più basso data rate ed ognuno viene modulato separatamente sulla sua sotto portante. Questo porta ad un aumento della durata del simbolo TS di un fattore K, cosi per sufficienti valori di K è possibile rendere la durata del simbolo più lunga della durata degli eco e quindi risentirne meno.

Inoltre OFDM è spettralmente molto efficiente, poichè minimizza la separazione in frequenza delle sottoportanti grazie al principio di ortogonalità. Il generico segnale OFDM può essere definito da una serie finita di Fourier, come un segnale di sintesi:

dove T è il periodo di Fourier, cioè l'intervallo di definizione del segnale s(t). I coefficienti complessi zk portano l'informazione codificata digitalmente. Ogni intervallo di tempo T vengono trasmessi nuovi coefficienti. In ricezione i coefficienti vengono recuperati grazie ad un'analisi di Fourier:

L'analisi e la sintesi di Fourier sono implementate digitalmente tramite rispettivamente gli algoritmi FFT e IFFT.

Il segnale s(t) è un segnale complesso in banda base e deve essere quindi convertito in un segnale a RF per mezzo di un modulatore in quadratura. In ricezione occorrerà naturalmente riportare il segnale in banda base facendo l'operazione opposta. La figura 1 riporta schematicamente gli stadi di un trasmettitore e di un ricevitore OFDM:

Figura 1: schema blocchi di un trasmettitore e di un ricevitore OFDM.

Per aumentare la robustezza della trasmissione, contro echi di lunga durata, la durata TS del simbolo OFDM viene resa più lunga rispetto al periodo di Fourier T. L'allungamento, chiamato intervallo di guardia e indicato con Δ, è ottenuto semplicemente per continuazione ciclica del segnale. Allora un errore di sincronizzazione più piccolo di Δ porterà ad uno spostamento di fase costante seppur dipendente dalla frequenza. Questo fasore costante può essere eliminato facilmente all'uscita del demodulatore cosi come avviene nel sistema DAB, utilizzante una modulazione PSK  differenziale in quadratura (DQPSK).
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3 Commenti

  1. Giordana Francesca Brescia Giordana Francesca Brescia 12 giugno 2019
  2. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 18 giugno 2019
    • Andrea Garrapa Andrea Garrapa 19 giugno 2019

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