La storia dell`SFN: dall`offset al GPS free

La storia dell’SFN: dall’offset al GPS free
Michele Bargauan
CTO
Screen Service Broadcasting Technologies SpA
La radio
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Alla base delle trasmissioni radio, vi è il problema della stabilità in frequenza, in
quanto abilita la convivenza tra sorgenti e permette la selezione dei segnali
Per molto tempo, questo ha spinto la ricerca a studiare sorgenti di frequenza
sempre più performanti
– Oscillatori LC e meccanici
– Oscillatori a quarzo
• Compensati e non
• Con e senza termostato
• Con dispositivi tagliati in modo sempre più sofisticato (AT, SC..)
– Oscillatori agganciati a riferimenti nucleari
– Oscillatori stabilizzati a SAW, YIG
Un passo avanti in termini di prestazioni si è avuto con l’aggancio degli oscillatori
degli apparati ad un riferimento comune
Era nata la sincronizzazione degli apparati !
Il telefono
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Con l’avvento della trasmissione telefonica a grande distanza che utilizza
modulazione a banda laterale soppressa, in telefonia nasce la necessità di
sincronizzare gli oscillatori
Ancora più grande l’impulso dato dalla telefonia digitale, dove le centrali e gli
apparati necessitano di condividere le frequenze di campionamento e gli slot di
multiplazione:
– Un set di frequenze standard distribuite ed utilizzate nella rete - DS1, DS2,
DS3, OC1, .. fino OC24
– Una caratterizzazione della qualità – STRATUM 1, 3, 3E
I riferimenti di frequenza e tempo irradiati
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Il costo elevatissimo di un buon riferimento di frequenza porta alla trasmissione in
aria di riferimenti di frequenza
Fort Collins, Prangins, DCF77 sono tra i più famosi
In Italia, l’istituto Galileo Ferraris di Torino oggi Istituto Nazionale di Ricerca
Metrologica (INRIM) trasmette informazioni in LF e VHF
I riferimenti di tempo e frequenza permettono servizi low cost quali l’ora di molti
elettrodomestici e l’ora esatta nelle nostre strade
Il supporto alla navigazione
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Misurando la differenza dell’informazione temporale ricevuta tra più sorgenti
radio, si può facilmente calcolare la posizione geografica di un punto
Questo ha portato alla nascita ed alla diffusione capillare dei sistemi Loran che
hanno per decenni assicurato un ragionevole precisione
Poiché la generazione di segnali di tempo richiede standard di frequenza di alta
qualità, le portanti Loran godono anche di una grande qualità in frequenza e sono
stati a lungo usato come tali
Con l’avvento dei satelliti e delle capacità di calcolo digitali, il sistema GPS ha
rimpiazzato il Loran-C morto l’anno scorso
La televisione
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La televisione porta una nuova esigenza: il video viene visto ed apprezzato con una
dinamica molto elevata (oltre 46 dB) e le interferenze tra trasmettitori operanti
sulla stessa frequenza si vedono
Un rimedio che permette di ridurre la fastidiosità delle interferenze è l’offset
– Offset semplice
• ottenibile con quarzi di alta qualità
• abbassa la soglia del fastidio fino a 13 dB
– Offset di precisione
• ottenibile solo con oscillatori di altissima qualità
• Abbassa la soglia di 20 dB
• Possibile solo tra 2 trasmettitori
Sono entrambi sistemi open loop
Centri di ascolto
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L’uso di sistemi open loop, impone una verifica periodica dei parametri di
frequenza dei trasmettitori
Diventa vitale la funzione dei centri di ascolto che oltre a monitorare il
funzionamento, controllano il rispetto dei margini di tolleranza in frequenza dei
trasmettitori
Gli uomini che lavorano nei centri di ascolto diventano parte del loop di controllo
della frequenza dei trasmettitori
E’ ora di automatizzare la funzione.
Tv analogica SFN
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Negli anni ‘80, si hanno diversi filoni di indagine su come risolvere il problema tra i
quali:
– Uso di una frequenza vettrice a 16k+2/3 già usata per sincronizzare gli apparati
radio AM e FM
– Uso della frequenza della sottoportante di crominanza
– Uso della frequenza della portante ricevuta per generare una frequenza di
uscita numericamente precisa con la stessa stabilità intrinseca di quella
ricevuta
– Uso di uno standard di frequenza UHF irradiato in CW per la sintesi diretta
della frequenza di trasmissione
Gli ultimi 2 metodi, generano segnali coerenti che hanno permesso
l’implementazione di reti SFN di TV analogica con il limite di fastidio a valore di
diavidia (26 dB)
Televisione digitale
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Per noi sono gli standard DVB-T/H/T2/H2a/H2b
Si basano tutti sullo schema di modulazione OFDM:
– Tutte le portanti sono modulate in quadratura da un’onda rettangolare
multilivello che porta l’informazione
– La demodulazione avviene tramite una trasformata di Fourrier e necessita la
costanza dell’informazione per una durata pari al periodo della differenza di
frequenza tra le portanti
– Come in tutti i segnali modulati di ampiezza, se la portante ha la stessa
frequenza si sommano vettorialmente
– Quindi nella somma l’informazione resta intatta
– Per permettere una certa tolleranza sul tempo di arrivo al ricevitore dei
segnali OFDM da diversi trasmettitori o per diversi percorsi, la lunghezza del
segnale modulante è allungato di una percentuale – da 1/4 a 1/128
– Questo intervallo è chiamato Guard Time ( o Interval) e riduce la capacità
trasmissiva del canale in proporzione
TV digitale SFN
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Per poter arrivare ad una rete digitale, dobbiamo quindi avere:
– Segnali con esattamente la stessa frequenza
– Modulati da simboli che partono allo stesso istante a meno di deviazioni
intenzionali per compensare differenti tempi di propagazione
Quindi ci servono 2 segnali di sincronizzazione
– Uno temporale (definito come 1 pps)
– Uno di frequenza (normalmente 10 MHz)
Questi segnali devono essere presenti in tutte le postazioni trasmittenti
La precisione in frequenza deve essere molto elevata
– Auspicabile una precisione vicina all’Hertz
La precisione in tempo per non consumare il costoso GT
– +- 100 ns è considerato il massimo tollerabile
Arriva il GPS
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A risolvere il problema, si è pensato di usare i segnali GPS disponibili a basso costo
e dovunque
Il sistema GPS non ha specifiche caratteristiche di frequenza ma porta informazioni
temporali di alta qualità
La correlazione tra i molti satelliti visibili da ogni locazione permette di ricavare
informazioni di tempo sufficientemente precise
Questo permette di disciplinare un oscillatore di buona ma non eccelsa qualità per
ottenere i valori necessari alle reti SFN
Sparisce il GPS
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Il sistema GPS soffre di un problema:
– Ha un padrone ( i militari americani)
Il padrone ne fa quello che vuole senza avvertire, incluso alterare per esigenze
strategiche il contenuto di modulazione
In questo caso le informazioni che ci servono non sono più univoche e le reti SFN
vanno in tilt
Allora abbiamo bisogno di un sistema di backup
Soluzioni Autarchiche
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Appurata l’inaffidabilità potenziale del GPS, ci siamo buttati come negli anni 80’ ad
inventare soluzioni alternative:
– Usando frequenze vettrici su satelliti in aria per altri usi
– Usando frequenze vettrici inserite nel payload di sistemi satelliti broadcast
– Cercando di utilizzare sistemi destinati ad altri network – telecom e internet
Purtroppo i proprietari dei satelliti non sembrano disponibili a aumentare o
modificare il payload per soddisfare queste esigenze
Il sistema GPS FREE di SSBT
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Una rete di ricevitori con la tecnologia RealTime campione agganciati all’orologio
primario acquisiscono delle informazioni sui pacchetti trasportati dal segmento
satellite e le invia all’inseritore
L’inseritore posto in un punto qualsiasi della catena di multiplazione inserisce nel
flusso in up-link queste informazioni
I ricevitori con tecnologia RealTime slave usano i dati ricavati dagli orologi locali e
quelle inserite nei pacchetti per calcolare l’errore
Con un calcolo relativamente semplice compensano i cambi nel delay di
propagazione dovuto a:
– il drift della posizione del satellite
– agli apparati di trasmissione/modulazione/ripetizione
Il generatore locale si corregge di conseguenza fino alla precisione richiesta
– Eventualmente usando informazioni da più ricevitori RealTime
GPS FREE: cui prodest ?
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Soddisfa i seguenti requirements mandatori dei broadcasters italiani:
– Utilizza indifferentemente segmenti satellitari DVB-S e DVB-S2
• ampia scelta di transponder
– Aggiunge delle informazioni di sincronizzazione all’interno di pacchetti TS
usando spazi altrimenti non utilizzati
• Non aumenta il payload, quindi il costo del satellite
• non introduce nuovi protocolli, nessun problema compliance
infrastruttura, ricevitori e set-top-box
– Può essere ridondato semplicemente inserendo i segnali su più transponder
SOLUTIONE FINALE
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L’approccio GPS-FREE permette di essere esteso facilmente in un sistema ibrido
dove:
– Un oscillatore di media qualità genera le informazioni necessarie alla
postazione
– N front-end agganciati ai diversi sistemi
• GPS
• Galileo
• GPS-FREE
• Etc..
– calcolano e correggono l’errore dell’orologio locale
– Per una massima flessibilità e sicurezza
Qualche domanda semplice semplice?
• Grazie