RADIOPROPAGAZIONE DI UN SEGNALE DVB - ISCOM

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NOTE
Giuseppe Sofia
Ministero dello Sviluppo Economico - Comunicazioni
Ispettorato Territoriale Calabria
[email protected]
RADIOPROPAGAZIONE DI UN SEGNALE DVB-T IN UHF.
ASPETTI TEORICI E PRATICI DI UN COLLEGAMENTO CON ALTA
PERCENTUALE DI PROPAGAZIONE SUL MARE.
QUALE CORRELAZIONE CON I PARAMETRI ATMOSFERICI ?
(RADIOPROPAGATION OF A DVB-T SIGNAL IN UHF. THEORETICAL AND PRACTICAL
ASPECT OF A CONNECTION WITH A HIGH PERCENTAGE OF PROPAGATION OVER
THE SEA. WHAT CORRELATION IS THERE WITH ATMOSPHERIC PARAMETERS?)
S
bstract: the article, after a brief mention of
the technical characteristics of the DVB-T
system (Digital Video Broadcasting Terrestrial)
and of the advantages it has introduced over analogic television, will illustrate the study carried out
on the radiopropagation of a terrestrial television
signal, modulated in digital technique, irradiated in
the UHF band,, of which the operative parameters
of transmitter are known. After a pure theoretical
examination of the propagation in free space, in
conditions of visibility between a transmitting station and a receiving station, and of tropospheric
propagation,the results of a series of instrumental
measurements carried out on the radioelectric
parameters will be made known, analyzing them,
taking into particular account the variations of
atmospherical parameters, which occurred during
the actual measurements.
1. Introduzione e storia
ed il Regolamento ad essa associato, ha identificato i “soggetti” del nuovo mercato (fornitore di
contenuti, operatore di rete fornitore di servizi),
ponendo le premesse per il lancio della DTT nel
nostro Paese attraverso una fase iniziale di sperimentazione.
La trasmissione digitale costituisce, quindi, una
tappa di capitale importanza nello sviluppo tecnologico dei sistemi televisivi.
Con essa si realizza la convergenza tra il settore informatico e le telecomunicazioni trasformando l’apparecchio televisivo in una piattaforma per
lo sviluppo dei servizi interattivi.
In Europa il sistema DVB (Digital Video
Broadcasting) ebbe origine, nell’anno 1991, dall’impegno comune di alcuni operatori radiotelevisivi,
di aziende industriali e organismi di normativa che
si riunirono per dare vita ad un gruppo di lavoro
cui venne affidato il mandato di supervisionare lo
ommario: l’articolo, dopo un breve cenno
alle caratteristiche tecniche del sistema
DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) ed
ai vantaggi da esso introdotti rispetto alla televisione analogica, illustrerà lo studio effettuato sulla
radiopropagazione di un segnale televisivo terrestre, modulato in tecnica digitale, irradiato nella
banda UHF, di cui sono noti i parametri operativi
dell’impianto trasmittente.
Dopo una disamina puramente teorica sulla
propagazione in spazio libero, in condizioni di visibilità tra stazione trasmittente e stazione ricevente e sulla propagazione troposferica, si riporteranno i risultati di una serie di misure strumentali
effettuate sui parametri radioelettrici, analizzandoli, in modo particolare, rispetto alle variazioni dei
parametri atmosferici verificatisi durante le misure
stesse.
L’utilizzo della tecnologia digitale sui vari dispositivi di comunicazione (satellite, diffusione terrestre, cavo, reti a larga banda) ha comportato rapidi
mutamenti nello scenario europeo delle telecomunicazioni.
In questo contesto la televisione digitale terrestre (DTT – Digital Terrestrial Television), sta
acquisendo le potenzialità per divenire parte rilevante nell’offerta di canali televisivi, integrando ed
estendendo l’offerta dei canali satellitari e via cavo
ed offrendo nel contempo la possibilità di realizzare diverse tipologie di servizi nazionali, regionali e
locali, anche mediante l’utilizzo di terminali portatili.
In Italia, il quadro normativo nazionale concretizzatosi con il Libro Bianco dell’Autorità per le
Garanzie nelle Comunicazioni, la Legge n.66/2001
La Comunicazione - numero unico 2008-2009
A
65
NOTE
Giuseppe Sofia
sviluppo di un sistema di televisione digitale in
Europa.
Inizialmente il gruppo fu denominato European
Launching Group.
Con il coinvolgimento dei maggiori operatori
europei, sia pubblici che privati, attivi nel comparto dei media, di sviluppatori di software e gestori
di reti di telecomunicazioni il gruppo si allargò arrivando a contare circa 80 membri, i quali stilarono
nel Settembre 1993
un Memorandum of
Understanding (MoU) in cui furono codificate le
regole da cui partire per lo sviluppo di tale sistema. Il Launching Group nell’occasione venne ribattezzato Digital Video Broadcasting Project (DVB) e
da quel momento l’attività europea nel settore
della TV digitale subì una netta accelerazione.
Attraverso l’approvazione da parte dall’ETSI
(European
Telecommunications
Standards
Institute), nel Dicembre 1993, dello standard DVBS (EN 300 421) e nel Marzo 1994 dello standard
DVB-C (EN 300 429), si giunse nel Dicembre 1995,
all’approvazione dello standard DVB-T (EN 300
744).
Nel campo della radiodiffusione televisiva le
specifiche tecniche dei nuovi sistemi sono adotta-
pare più programmi televisivi su un “blocco”
(o multiplex) che viene poi irradiato sul
canale di diffusione convenzionale: tipicamente da 4 a 8 programmi a seconda della
capacità trasmissiva disponibile;
• la possibilità di ricevere con apparati portatili e servire anche l’utenza mobile (negli
autobus, nei treni, ecc.), su base nazionale,
regionale e locale;
• la possibilità di fruire di una serie di servizi
aggiuntivi di tipo interattivo accessibili tramite il televisore.
I principali vantaggi di sistema derivanti dalla
rapida adozione della televisione digitale terrestre
sono invece:
• l’uso efficiente delle risorse frequenziali
destinate alla diffusione terrestre;
• un’offerta di programmi e servizi più ampia
e meglio rispondente alle richieste del pubblico;
• un incremento dei consumi e degli introiti
dell’industria produttrice (in ambito software e hardware) ;
• l’accelerazione alla diffusione, presso il grande pubblico, dell’uso di Internet e dei servi-
Fig. 1 Diffusione degli standard televisivi nel mondo [1]
te nell’intero contesto internazionale (Figura 1).
I principali fattori innovativi della tecnologia
digitale sono :
• il miglioramento della qualità tecnica del
prodotto televisivo, cioè dell’immagine e del
suono;
• il drastico aumento dell’offerta di programmi, grazie all’efficacia dell’algoritmo di compressione MPEG-2 che consente di raggrup-
66
zi interattivi sofisticati;
• un impulso all’adozione di nuove tecnologie
e relativi guadagni di posizione nella competizione internazionale. [1]
2. Lo standard DVB-T
I parametri principali del sistema DVB-T sono
(RADIOPROPAGATION OF A DVB-T SIGNAL IN UHF. THEORETICAL AND PRACTICAL ASPECT OF A CONNECTION WITH A HIGH PERCENTAGE OF
PROPAGATION OVER THE SEA. WHAT CORRELATION IS THERE WITH ATMOSPHERIC PARAMETERS?)
NOTE
RADIOPROPAGAZIONE DI UN SEGNALE DVB-T IN UHF. ASPETTI TEORICI E PRATICI DI UN COLLEGAMENTO
CON ALTA PERCENTUALE DI PROPAGAZIONE SUL MARE. QUALE CORRELAZIONE CON I PARAMETRI ATMOSFERICI ?
Tab. 1 – Parametri del sistema DVB-T (canalizzazione a 8 Mhz)
riportati in Tabella 1.
Il sistema è ottimizzato per canali a 8 MHz
(spaziatura di canale in UHF), ma può essere adattato anche su canali da 7 MHz (utilizzati in molti
paesi, tra i quali l’Italia) e da 6 MHz (spaziatura
adottata in USA e Giappone), modificando opportunamente la frequenza di campionamento.
Il numero di portanti che trasportano dati utili
è costante in ogni simbolo OFDM: 1512 nella
modalità 2k e 6048 nella modalità 8k.
Le altre sono: portanti pilota, trasmesse ad un
livello di potenza superiore (+2,5 dB), e portanti
TPS (Trasmission Parameter Signalling) e possono
essere usate per la sincronizzazione di trama, di
frequenza, di tempo, per la stima del canale, l’identificazione della modalità di trasmissione[2]. Lo
spettro di una trasmissione DVB-T, per un canale
di 8 MHz, è illustrato nella figura 8.
Poiché la durata di simbolo nell’OFDM è pari
all’inverso della spaziatura tra le portanti, il lobo
fc =
Fig. 8 – Spettro del segnale DVBT [8]
principale della densità spettrale di potenza di ogni
portante è più stretto di due volte la spaziatura
della portante.
Perciò la densità spettrale non è continua dentro la larghezza di banda nominale di 7,608 259
MHz per il modo 8K o 7,611 607 MHz per il modo
2K [3].
La frequenza centrale fc del segnale RF per i
C/N richiesto per un BER=2x10-4 dopo Viterbi
QEF dopo Reed-Solomon
Canale
Modulazione Codice
Gaussiano
Rice (F)
Rayleigh (P)
QPSK
½
3,1
3,6
5,4
QPSK
2/3
4,9
5,7
8,4
QPSK
3 /4
5,9
6,8
10,7
QPSK
5/6
6,9
8,0
13,1
QPSK
7/8
7,7
8,7
16,3
16-QAM
½
8,8
9,6
11,2
16-QAM
2/3
11,1
11,6
14,2
16-QAM
¾
12,5
13,0
16,7
16-QAM
5/6
13,5
14,4
19,3
16-QAM
7/8
13,9
15,0
22,8
64-QAM
½
14,4
14,7
16,0
470Mhz
64-QAM
+ 4Mhz
2/3 + I1
16,5
17,1
19,3
64-QAM
¾
18,0
18,6
21,7
64-QAM
5/6
19,3
20,0
25,3
64-QAM
7/8
20,1
21,0
27,9
Flusso binario utile (Mbit/s)
1/4
4,98
6,64
7,46
8,29
8,71
9,95
13,27
14,93
16,59
17,42
14,93
19,91
22,39
24,88
26,13
? =Tg/T u
1/8
1/16
5,53
5,85
7,37
7,81
8,29
8,78
9,22
9,76
9,68
10,25
11,06
11,71
14,75
15,61
16,59
17,56
18,43
19,52
19,35
20,49
16,59
17,56
22,12
23,42
24,88
26,35
27,65
29,27
29,03
30,74
1/32
6,03
8,04
9,05
10,05
10,56
12,06
16,09
18,10
20.11
21,11
18,10
24,13
27,14
30,16
31,67
Tab.2 – C/N (dB) richiesto per una ricezione QEF e flusso binario utile (Mbit/s) per tutte le combinazioni di intervallo di guardia,
costellazione e tasso di codifica, relativo a sistemi non gerarchici
67
NOTE
Giuseppe Sofia
canali UHF è data dalla seguente relazione:
con Il = 0, 1, 2,3 …
f c = 470MHz + 4 MHz + I1 × 8MHz
Le portanti dati, che portano le informazioni
utili, sono modulate in M-QAM (M=4, 16, 64), con
mappatura di Gray.
La Tabella 2, derivata dall’Annesso A della specifica DVB-T (ETSI EN 300 744), riporta, per tutte
le combinazioni di costellazione e tasso di codifica
previste dalla normativa, le prestazioni del sistema
in termini di C/N, valutate per mezzo di simulazioni al calcolatore; riporta inoltre i valori del flusso
binario utile (Mbit/s) in funzione dell’intervallo di
guardia normalizzato ∆.
Questo varia da circa 5 Mbit/s a 31,7 Mbit/s, a
seconda della configurazione di trasmissione adottata.
I valori riportati in tabella si riferiscono ad un
canale ideale affetto esclusivamente da rumore
bianco Gaussiano (AWGN) ed a due canali multipercorso tipici della diffusione terrestre: il canale di
Rice (F), che rappresenta un tipico caso di ricezione fissa nel quale il trasmettitore è in visibilità con
il ricevitore (segnale principale più una serie di
echi); il canale di Rayleigh (P), che è un esempio di
ricezione portatile con antenna omnidirezionale,
caratterizzato dalla assenza della linea di vista.
I valori del rapporto C/N richiesto si riferiscono alla ricezione Quasi Error Free (QEF), corrispondente a meno di un evento di errore per ora
sul segnale all’ingresso del demultiplatore MPEG-2
(BER<10–11), dopo che è stato sottoposto al procedimento di correzione degli errori tramite algoritmo di Viterbi e decodifica Reed-Solomon.
I tassi di codifica più alti (5/6 e 7/8), quando vengono associati alla costellazione a più elevata efficienza spettrale (64-QAM), risultano molto sensibili al fading selettivo in frequenza.
In pratica, per la stima del massimo numero di
programmi TV che possono essere allocati in un
canale a 8 MHz, assumendo una ricezione fissa con
antenna direttiva, la configurazione più idonea è il
64-QAM a tasso 2/3; essa fornisce una capacità di
flusso binario di circa 24 Mbit/s, nel caso di
∆=1/32, che consente tipicamente la trasmissione
di 4 programmi a qualità convenzionale (SDTV a 6
Mbit/s ciascuno) o 6 programmi a qualità news
(LDTV, 4 Mbit/s ciascuno).
68
Questa configurazione di trasmissione è particolarmente idonea per le reti multifrequenza
(MFN).
L’impiego della multiplazione statistica associata
alla codifica MPEG-2 a bit-rate variabile consente
inoltre di aumentare il numero di programmi senza
peggiorare la qualità audio/video [2].
3. Il calcolo teorico – Propagazione in spazio
libero
La propagazione nello spazio libero rappresenta un caso ideale in cui il segnale si propaga senza
incontrare ostacoli o materiali che possano cambiare le caratteristiche di propagazione.
In tali condizioni il valore della potenza ricevuta da un’antenna quando sia nota la potenza trasmessa da un’altra antenna può essere calcolata
PR =
PT
GT AR
4πD 2
con la cosiddetta formula del collegamento:
dove PT è la potenza trasmessa espressa in W,
D è la distanza tra le due antenne espressa in
metri, GT è il guadagno dell’antenna trasmittente
espressa in unità lineari e AR è l’area efficace dell’antenna di ricezione.
Sapendo che l’area efficace di una antenna di
ricezione è pari a:
AR =
λ2GR
4π
la relazione precedente diventa:
 λ 
PR = PT GT GR 

 4πD 
2
Un ulteriore dato teorico interessante è l’attenuazione in spazio libero. Per calcolarne il valore in
funzione della distanza considerata, nel caso di
antenna isotropa, si può usare la seguente relazio-
 4πD 
A0 = 10 log10 

 λ 
2
ne
Infine, volendo calcolare direttamente il livello
di campo e.m. teorico in spazio libero presente in
un punto di misura, si può fare riferimento alla
Raccomandazione ITU-R PN.525-2 [4], ed utilizzare la seguente relazione:
NOTE
Da notare che le dimensioni dell’ellissoide di
Fresnel dipendono anche dalla frequenza e, quindi,
anche le condizioni di visibilità dipendono dalla frequenza.
In assenza di ostacoli, di tutti i raggi emessi dall’antenna trasmittente, si considera che giungano
all’antenna ricevente quelli che cadono al suolo nel
punto dal quale le antenne di trasmissione e ricezione si vedono con angoli di elevazione uguale
(figura 2).
E (dBµV / m) = PEIRP − 20 log D + 74,8
con PEIRP = PT ⋅ GT = Potenza isotropica trasmessa (dBW)
D=Lunghezza del collegamento (Km).
Fig. 2 – Modello a due raggi
4. Propagazione in ambiente reale
Nella pratica, la propagazione è assai diversa
che nel vuoto, a causa della superficie terrestre e
dell’atmosfera.
Gli effetti principali di questi per frequenze
comprese tra 300 MHz e 3000 MHz, range entro
il quale ricade la frequenza in esame, sono:
a) la riflessione delle onde da parte del suolo;
b) la diffrazione, causata da ostacoli interposti
tra il punto di trasmissione ed il punto di
ricezione;
c) la rifrazione troposferica.
5. Condizioni di visibilità
Affinché si abbiano onde riflesse sul piano verticale in un collegamento radio, l’antenna trasmittente e l’antenna ricevente devono essere in condizioni di visibilità.
Il punto trasmittente ed il punto ricevente si
dicono in visibilità quando su una rappresentazione in atmosfera normale, quando cioè il raggio di
curvatura equivalente è circa 4/3 il raggio della
curvatura geometrica della terra, non viene intercettata dal profilo della terra non solo la retta congiungente i due punti ma anche il primo ellissoide
di Fresnel.
Si ha quindi che, all’antenna ricevente, il raggio
riflesso si somma al raggio diretto, introducendo
oltre che una variazione di ampiezza, una distorsione di fase pari a:
φ=
2π∆
λ
∆=
2h1h2
d
con
Il campo elettrico sarà quindi dato dalla somma
di due componenti.
La prima dovuta al raggio diretto, la seconda
dovuta al raggio riflesso.
ERIC= Ed+Er = Ed[1+Γe-jβ∆]
Se l’angolo d’incidenza tende a 90°, il coefficiente di riflessione tende a –1, quindi:
ERIC= Ed[1-ejβ∆]
con ∆ =
2h1h2
d
69
NOTE
Giuseppe Sofia
Il campo dipende dalla distanza come 1/d, pertanto, prendendo a riferimento il valore del campo
diretto ad una distanza d0 dalla sorgente, avremo:
Eric = Ed (d 0 )
[
d0
1 − e − jβ∆
d1
]
il cui modulo sarà:
E ric = 2 E d (d 0 )
d 0  β∆ 
sin

d
 2 
che per grandi valori di d potremo considerare
come segue:
Eric ≅ 2 E d (d 0 )
d 0  β∆ 


d  2 
Dalle precedenti relazioni si nota che per valori piccoli di d si ha un andamento oscillante, mentre per d sufficientemente grande, si ha un andamento decrescente del tipo :
E = Ed
in cui il termine
4πh1h2
λd
4h1h2
è detto Break Point
λ
comincia ad ostruire una parte della prima zona di
Fresnel.
L’intensità e la fase dell’onda riflessa rispetto a
quella incidente sono date dal coefficiente di riflessione, legato alla natura del terreno, all’angolo di
incidenza, alla frequenza e alla polarizzazione.
L’espressione del coefficiente di riflessione per
onda incidente polarizzata orizzintalmente è la
seguente:
R=
sin θ − z
= Re jϕ
sin θ + z
in cui θ è è l’angolo tra raggio diretto e suolo.
Nel caso di polarizzazione orizzontale, il termine z è dato da:
z = ε 0 − cos2 θ
con ε0 = ε – j 60 σλ
e ε = costante dielettrica relativa al suolo
σ = conducibilità del suolo.
I grafici che seguono (figure 4 e 5) riportano i
valori di |R| e dello sfasamento tra onda incidente
ed onda riflessa per acqua marina (σ = 4,64 S/m, ε
= 81) nel caso di superfici piane e levigate. Per le
frequenze > 300 Mhz, quasi tutti i terreni non possono considerarsi levigati ed i coefficienti di riflessione del grafico vanno moltiplicati per un fattore
compreso tra 0,2 e 0,4.
(figura 3).
Figura 3- Distanza di Break-Point
La distanza di Break Point rappresenta la minima distanza tra le antenne tale per cui il suolo
70
Figura 4
NOTE
d12, 2
h1, 2 = H 1, 2 −
2r
d12, 2
da: in cui i termini
sono detti abbassamenti
2r
Figura 5
Esplicitando la differenza di percorso dell’onda
riflessa e dell’onda diretta, questa sarà pari a:
∆=d+
1 ht2 + 2ht hr + hr2 1 ht2 − 2ht hr + hr2 2ht hr
−
=
2
d
2
d
d
della superficie terrestre a partire dal punto di
riflessione ed r rappresenta il raggio equivalente
terrestre.
Poiché nello studio della propagazione interessano quasi sempre le curvature relative della terra
e dei raggi, si usa considerare, per una maggiore
speditezza nei calcoli, ancora i raggi rettilinei e
tenere conto della rifrazione moltiplicando il valore geometrico del raggio terrestre r0 per un coefficiente indicato in genere con la lettere K e chiamato coefficiente del raggio equivalente terrestre,
K=
Il campo sarà, allora:
Eric ≅ 2 Ed (d 0 )
d 0  2πht hr  1

∝
d  λd  d 2
da cui si nota che il campo elettrico E è inversamente proporzionale al quadrato della distanza.
In maniera del tutto analoga si considera la
riflessione su terra liscia, sferica di conducibilità
finita, con atmosfera avente indice di rifrazione a
gradiente costante con la quota, come riportato in
figura 6,
Figura 6
dove h1 e h2 sono le altezze delle due antenne,
riferite però al piano tangente alla superficie terrestre nel punto in cui avviene la riflessione; h1 e
h2, chiamate sporgenze delle antenne, sono date
1
1 + r0 ⋅
dn
dh
≅
1
r dε
1+ 0 ⋅
2 dh
dato da:
6
Sapendo che r0 = 6,37 ⋅ 10 m , per un valore
di
dε
= −8 ⋅10 −8
dh
si ha k =
4
3
, valore che
comunemente si assume come medio e che corrisponde alla cosiddetta atmosfera standard [5].
6. L’ellissoide di Fresnel
Nella propagazione elettromagnetica occorre
tenere conto dei fenomeni di diffrazione, che
deviano nella zona in ombra le onde radio che
transitano in prossimità di ostacoli.
Pertanto, la determinazione dell'orizzonte
radio deve prevedere un margine di distanza h tra
la congiungente le antenne ed il suolo, o tra le stesse ed un eventuale ostacolo.
La distanza h deve essere almeno pari al raggio
del primo ellissoide di Fresnel (figura 7), che è un
solido di rotazione definito come il luogo dei punti
d ( A, P ) + d ( P, B ) ≤ d ( A, B ) +
λ
2
71
NOTE
Giuseppe Sofia
P per i quali la somma delle distanze
re per gli “spigoli vivi'', fino ad arrivare ad una decina di dB.
7. La propagazione troposferica
in cui
è la lunghezza d'onda della trasmissione a fre-
Nella realtà il collegamento radio ha luogo in un
dielettrico, l'atmosfera terrestre, che presenta una
Figura 8 – Stratificazione dell’atmosfera terrestre
Figura 7
quenza f.
Suddividendo la distanza d(A,B) tra i due fuochi
A e B in due segmenti d1 e d2, individuati dalla posizione dell'ostacolo, si trova che il raggio dell'ellis-
R=
λ
1 1 
 + 
 d1 d 2 
soide è pari a
serie di disomogeneità (Figura 8)
Per frequenze superiori ai 30 MHz le trasmissioni a radiofrequenza sono fortemente influenzate dai fenomeni indotti dalla troposfera.
La troposfera è la parte inferiore della atmosfera terrestre, dal suolo all’inizio della tropopausa, ed
è caratterizzata dalla temperatura che diminuisce
con la quota di circa 5,5° ogni 1000 metri.
L’altezza media va dai 9 km ai poli ai 17 km all’equatore. L’altezza varia con le condizioni atmosferiche, infatti, in Italia varia da 7 km (tempo perturbato) a 13 km (bel tempo).
Dalle leggi dell’ottica geometrica sappiamo che
un raggio e.m. nel propagarsi da un mezzo all’altro,
nell’attraversare la superficie di separazione, cambia direzione a causa del diverso indice di rifrazio-
che, nel caso
assume il valore massimo
Qualora si determini la condizione h < R, il collegamento subisce una attenuazione supplementare che aumenta al diminuire di
h
R
, ed è maggioFigura 9
72
ne posseduto dagli stessi (figura 9).
Nell’atmosfera, l’indice di rifrazione dipende
dalla temperatura, dalla pressione e dall’umidità;
tutte grandezze che variano con la quota e con le
condizioni meteorologiche.
Le variazioni dell’indice di rifrazione oltre alle
variazioni del raggio di curvatura del raggio elettromagnetico producono rapide fluttuazioni del
livello di campo del segnale radioelettrico.
L’ITU, nella Raccomandazione ITU-R P.453-6
[6], riporta che l'indice di rifrazione atmosferico n
NOTE
Poiché le variazioni dell’indice di rifrazione
atmosferico sono molto piccole, spesso, si preferisce lavorare con la rifrattività, della quale in figura
10 è rappresentato l’andamento in funzione della
quota.
In condizioni di atmosfera standard, al livello del
n = 1 + N ×10 −6
può essere calcolate con la formula seguente:
dove con N si indica la radio rifrattività, espres-
N = Ndry + Nwet =
77,6 
e
6
 P + 4810  = (n − 1)10
T 
T
sa dalla seguente relazione:
Con il termine “dry term” dell’indice di rifratti-
Ndry = 77,6
p
T
1
dn
=−
ρ
dh
Figura 10 – Rifrattività
suolo, la rifrattività è pari 289
Durante la propagazione nella troposfera, il
segnale elettromagnetico subisce una curvatura
che secondo la Raccomandazione ITU-R P.834-2
1
cosϕ dn
=−
ρ
n dh
vità dato da:
Nwet = 3,732 × 105
e
T2
e il termine “wet term” dato da :
e con:
P : pressione atmosferica (hPa);
e : pressione del vapor d’acqua (hPa);
T : temperature assoluta (K).
Questa espressione può essere usata per frequenze fino a 100 GHz con un errore minore dello
0.5%.
Più semplicemente si può usare la seguente
[8] è definita dalla seguente relazione:
con:
ρ = raggio di curvatura del segnale;
n = indice di rifrazione dell’atmosfera;
dn/dh = gradiente verticale dell’indice di rifra
zione;
h = altezza del punto dalla superficie della terra;
ϕ = angolo di inclinazione del raggio rispetto al
suolo.
Quando l’inclinazione del raggio rispetto al
suolo è molto piccola, possiamo utilizzare la rela-
n(r ) = n(h) = 1 + 10 −6 ∗ N (h)
relazione:
Il mezzo che soddisfa alla relazione sperimentale precedente è detto atmosfera di riferimento o
atmosfera standard e l’indice di rifrazione relativo
n(h) dipende dall'altezza, mediamente con legge
decrescente.
1
dn
=−
ρ
dh
zione semplificata che segue:
Il segno meno ci dice che il raggio è incurvato
73
NOTE
Giuseppe Sofia
verso il basso se l’indice di rifrazione diminuisce
con l’altezza e verso l’alto nel caso contrario.
In atmosfera standard, il raggio di curvatura è
ρ = ρ s = 4r0 ≈ 25.500 Km
pari a:
Non sempre però si è in condizioni di atmosfera standard, quindi, definito il gradiente verticale di
G=
dN (h)
dh
rifrattività G come:
si farà riferimento al cosiddetto indice troposferico o fattore correttivo del raggio terrestre [7]
In base al valore di G (figura 12) si possono
distinguere i seguenti casi:
a) G > -40 K < KS atmosfera substandard;
b) G = -40 K = KS atmosfera standard;
c) G < -40 K > KS atmosfera superstandard.
Nel caso di atmosfera substandard si ha una
inversione di curvatura dei raggi e la traiettoria ha
una concavità verso l’alto.
Nel caso di atmosfera superstandard i raggi
hanno una curvatura ancora più marcata e ritornano a terra più velocemente diminuendo la visibilità.
Se G= - 157 N/Km , R = R0 e Kg ∝ i raggi
hanno la stessa curvatura della terra e possono
arrivare oltre l’orizzonte ottico.
Se G=0 e K=1 il raggio è rettilineo e si parla di
(Effective Earth-radius factor) definito come:
Nel caso di atmosfera standard, si ottiene l’in-
KS =
ρS
4
=
ρ S − R0 3
Figura 12 – Curvatura dei raggi nella troposfera
dice troposferico standard:
rappresentato in figura 11.
Figura 11
74
atmosfera omogenea.
È chiaro anche che, per ogni valore di K, fra due
terminali radio si ha una diversa situazione di
ostruzione da parte dell’ellissoide terrestre.
Se fra due terminali non c'è ostruzione si dice
che esiste la visibilità radio.
Accade che rapide variazioni di pressione e
temperatura con l'altezza possono portare a forti
variazioni di n(h) e quindi di G.
Si puo’avere il fenomeno della super-rifrazione
con ritorno a terra di un raggio e,quindi, oltre al
cammino diretto si generano uno o più cammini
tra Tx ed Rx.
NOTE
banda UHF ed in polarizzazione orizzontale da una
postazione radioelettrica che si trova a circa 75
Km dal punto di misura posto a Reggio Calabria.
La tratta di collegamento è caratterizzata dal
fatto che la propagazione del segnale avviene per
circa il 90 % dello spazio sul mare.
Nel grafico riportato in figura 13 è rappresentato l’andamento nel tempo del livello di campo
elettromagnetico rilevato.
E’ di tutta evidenza una fluttuazione rapida del
segnale lungo tutto il periodo esaminato, unita ad
una fluttuazione lenta dello stesso, che, in periodi
relativamente lunghi, comporta una notevole varia-
Fig. 13
Si è quindi in una situazione di cammini multipli
che può generare attenuazione e distorsione del
segnale rispetto alla situazione di presenza del solo
percorso diretto.
8. Il caso reale – L’esito delle misure strumentali
Il segnale televisivo analizzato è irradiato in
zione del livello di campo e.m..
Nel particolare evidenziato notiamo infatti che
nell’arco di 30 minuti il segnale decresce dal valore di 75 dBuV/m a circa 55 dBuV/m. quindi con una
variazione di 20 dB.
Queste diminuzioni di campo elettromagnetico
determinano di conseguenza una drastica riduzione del Modulation Error Rate (Figura 14) ed un
aumento del Bit Error Rate (Figura 15).
75
NOTE
Giuseppe Sofia
Il MER ricorda il concetto di rapporto segnale
rumore di uso comune nella televisione analogica,
infatti è tanto più elevato quanto migliore è la qualità del servizio. Esso è definito dalla seguente relazione:
Dopo aver analizzato l’andamento del segnale
televisivo, si è studiato l’andamento dei parametri
atmosferici, nello stesso periodo temporale, per
cercare eventuali correlazioni con l’andamento dei
parametri radioelettrici.
Per avere una visione globale di tutti i parametri oggetto del presente studio, rappresentiamo in
un unico grafico il Bit Error Rate, il livello di campo
elettromagnetico e l’andamento del tasso di umi-
Modulation Error Rate
35
30
25
20
15
10
5
0
Figura 14
Bit Error Rate
4.50E-01
4.00E-01
3.50E-01
3.00E-01
2.50E-01
2.00E-01
1.50E-01
1.00E-01
5.00E-02
0.00E+00
Figura 15
76
dità (figura 16).
Tralasciamo, perché considerati poco significativi in questa analisi, l’andamento della pressione e
della temperatura, poiché la prima è stata pressoché costante per tutto il periodo della misura e
l’altra ha avuto un andamento lineare.
Quindi, risulta nulla la correlazione del livello di
campo elettromagnetico con i valori di temperatura e pressione.
Si è rilevata, invece, una ricorrenza di eventi
legata alle variazioni di umidità.
Si è visto, infatti, che il livello di campo e.m. ha
subito drastiche riduzioni in corrispondenza di
rapide diminuzioni del tasso di umidità (Figura 17).
Il primo aspetto che risulta evidente, caratteristico delle trasmissioni digitali, è la presenza di una
soglia del livello di campo elettromagnetico sotto
la quale il sistema di ricezione è interessato da
errori nella demodulazione del segnale.
Un ultimo dato da evidenziare, quale risultanza
finale della serie di misure effettuate, riguarda l’escursione dei valori del livello di campo e.m. che si
sono riassunti nell’ultima colonna della tabella 3.
80
70
Livello e.m.
60
50
Umidità
40
30
B.E.R.
14.03.06
13.54.13
13.45.20
13.36.27
13.27.34
13.18.41
13.09.48
13.00.55
12.52.02
12.43.09
12.34.16
12.25.23
12.16.30
12.07.37
11.58.44
11.49.51
11.40.58
11.32.05
11.23.12
11.14.19
11.05.26
10.56.33
10.47.40
10.38.47
10.29.54
10.21.01
9.54.22
10.12.08
9.45.29
10.03.15
9.36.36
9.27.43
9.18.50
9.09.57
9.01.04
8.52.11
8.43.18
8.34.25
8.25.32
8.16.39
8.07.46
7.58.53
20
7.50.00
NOTE
Fig. 16 – Andamento nel tempo del livello di campo e.m., del
tasso di umidità e del B.E.R.
80
70
60
50
40
14.03.06
13.54.13
13.45.20
13.36.27
13.27.34
13.18.41
13.09.48
13.00.55
12.52.02
12.43.09
12.34.16
12.25.23
12.16.30
12.07.37
11.58.44
11.49.51
11.40.58
11.32.05
11.23.12
11.14.19
11.05.26
10.56.33
10.47.40
10.38.47
10.29.54
10.21.01
10.12.08
10.03.15
9.54.22
9.45.29
9.36.36
9.27.43
9.18.50
9.09.57
9.01.04
8.52.11
8.43.18
8.34.25
8.25.32
8.16.39
8.07.46
7.50.00
20
7.58.53
30
Fig. 17
77
NOTE
Giuseppe Sofia
Tab. 3
Notiamo che tali variazioni sono andate da un
minimo pari a circa 21 dB ad un massimo di 31,4
dB.
trasmittente e del sistema ricevente di misura,
della distanza tra essi e del relativo profilo altimetrico è risultato che il collegamento in esame, in
condizioni di atmosfera standard, è un collegamento in visibilità nel quale il primo ellissoide di
9. Conclusioni
Lo studio riportato nel presente articolo ha
consentito di esaminare la propagazione di un
segnale televisivo terrestre, modulato in tecnica
digitale, sia sotto l’aspetto puramente teorico, in
spazio libero ed in ambiente reale, che sotto l’aspetto pratico, mediante la rilevazione strumentale dei parametri che caratterizzano in ricezione
tale tipo di trasmissione, cioè, livello di campo elettromagnetico, Bit Error Rate (B.E.R.), Modulation
Error Ratio (M.E.R.) e margine di ricezione in decibel.
Dall’esame del posizionamento dell’antenna
E = Pt − 20 log D + 74,8 = 75,26dBµV / m
Fresnel non viene intercettato da alcun ostacolo
(Figura 18).
Tale condizione fa prevedere che all’antenna
ricevente giunga solo il contributo diretto del
segnale trasmesso e non ci siano, di conseguenza,
contributi riflessi.
Fig. 19 – Profilo del collegamento con coefficiente di curvatura
terrestre pari a 0.95
Fig. 18 – Profilo altimetrico del collegamento
78
Ciò è stato confermato dal fatto che le previsioni di campo elettromagnetico teorico pari a
sono risultate in buon accordo con il livello di
campo elettromagnetico massimo realmente misurato.
Tuttavia, come visibile in figura 19, dalla disomogeneità caratteristica della troposfera, considerata solo rispetto al piano verticale quindi senza
ulteriori contributi dovuti a cammini multipli sul
piano orizzontale, deriva che al variare dell’indice
di rifrazione, a causa delle variazioni dei parametri
atmosferici, si manifestano due fenomeni:
1. per effetto di una disomogeneità globale, un
aumento dell’incurvamento dei cammini, da
cui deriva che l’ellissoide di Fresnel può toccare il mare.
Pertanto, il segnale ricevuto in tali condizioni si compone, oltre che del raggio diretto,
di un contributo riflesso.
Conseguenza di ciò, essendo il punto di
misura entro la distanza di Break Point, è
che vi sarà una elevata variabilità del livello
di campo elettromagnetico, in quanto varia
la fase del contributo riflesso al variare dei
parametri dielettrici dell’atmosfera (fading
lento);
2. per effetto di disomogeneità locali, la presenza di un fading veloce.
Tutti e due i fenomeni sopra descritti hanno
caratterizzato le misure effettuate.
Le rilevazioni strumentali hanno infatti confermato la presenza di un fading lento e di un fading
veloce, causa di una notevole variazione del livello
di campo elettromagnetico.
NOTE
Inoltre, si è cercato di legare le variazioni di
livello di campo elettromagnetico alle variazioni di
temperatura, pressione ed umidità rilevate nelle
vicinanze del sito di trasmissione.
E’ risultata nulla la correlazione con i valori di
temperatura e pressione, mentre è emersa una
ricorrenza di eventi legata alle variazioni di umidità nel punto dove erano disponibili le rilevazioni
meteorologiche.
In particolare il livello di campo elettromagnetico ha subito drastiche riduzioni in corrispondenza di rapide diminuzioni del tasso di umidità.
E’ stata evidenziata, inoltre, la soglia di ricezione caratteristica delle trasmissioni digitali, che nel
caso in questione è risultata di circa 65 dBµV/m.
Infine, è emerso un dato riferito alla qualità del
servizio: il margine di Q.E.F. misurato, variabile tra
i -15 dB ed i -20 dB, si è rivelato insufficiente a
garantire un buon servizio, visto che il fading rilevato ha raggiunto picchi pari a -30 dB e, quindi, in
diverse occasioni il sistema di misura è andato
fuori servizio non riuscendo più a decodificare il
segnale trasmesso.
Visti i risultati sopra esposti e ritenendo che gli
effetti del mare sulla variabilità dei parametri fisici
della troposfera e quindi sul fading siano rilevanti,
sarà interessante, in un ulteriore studio, analizzare
la radiopropagazione di un analogo sistema DVBT in UHF con percorso del segnale interamente su
terra, per poterne raffrontare i risultati con quelli
ottenuti nel caso esaminato, al fine di evidenziare i
differenti comportamenti dell’atmosfera reale per
diverse percentuali di propagazione del segnale
radioelettrico su terra e su mare.
79
NOTE
Giuseppe Sofia
Bibliografia
[1] M. Cominetti – “La televisione digitale terrestre. Un’opportuità per il nostro paese” - Elettronica
e Telecomunicazione n°1 Aprile 2002
[2] V. Mignone, A. Morello, M.Visintin – “Lo standard DVB-T per la televisione
digitale terrestre” - Elettronica e Telecomunicazione n°1 Aprile 2002
[3] ETSI EN 300 744 v1.4.1 (2001-01) – “Digital Video Broadcasting (DVB); Framing
structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television”
[4] Reccomandation ITU-R PN.525-2 – “Calculation of free-space attenuation”
[5] Manuale dell’Ingegnere – Hoeply 83a edizione
[6] Reccomandation ITU-R P.453-6 – “The radio refractive index : Its formula and
refractivity data”
[7] Reccomandation ITU-R PN.310-9 – “Definitions of terms relating to propagation
in non-ionized media”
[8] Reccomandation ITU-R P.834-2 – “Effects of tropospheric refraction on radiowave
Propagation”
80

RADIOPROPAGAZIONE DI UN SEGNALE DVB - ISCOM

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