Le emissioni FM Sincronizzate

I vantaggi delle emissioni FM Sincronizzate

Utilizzando trasmettitori FM Sincronizzati operanti sulla stessa frequenza (detti anche in «Isofrequenza FM» e/o in «Isomodulazione FM» e/o in «SFN FM») è possibile l’estensione dell’area di copertura di un trasmettitore principale a zone limitrofe, con alcune limitazioni e precauzioni.

I vantaggi che questa tecnologia offre sono consistenti:

• La necessità di rapporti di protezione notevolmente inferiori rispetto alle emissioni non sincronizzate (sino a poter accettare, in determinate condizioni, differenze di livello anche pari a 0dB…!)
• Uso maggiormente efficiente dello spettro elettromagnetico avendo la possibilità di coprire aree scarsamente servite ai limiti di una zona di servizio principale senza dover impiegare una differente frequenza, ottimizzando così l’utilizzo delle frequenze stesse (Gap-Filler)
• Un ulteriore potente strumento a disposizione per la pianificazione e ottimizzazione delle reti di diffusione FM

Il rapporto di protezione normalmente richiesto

La Raccomandazione ITU-R BS.412-9, ai fini della pianificazione del servizio FM, definisce i rapporti di protezione necessari tra due segnali a modulazione di frequenza differenti e/o non sincronizzati tra loro, in funzione di:

• Differenza di frequenza
• Modalità di emissione (mono o stereo)
• Continuità dell’interferenza (troposferica o costante)

Si potrà notare che, in caso di interferenza costante e medesima frequenza (canale), il rapporto di protezione minimo richiesto è di 36 dB per la monofonia e di 45 dB per la stereofonia.

I Livelli Qualitativi di un Segnale Audio 

La Raccomandazione ITU-R BS.562-3, al fine di definire l’accettabilità del livello qualitativo di un segnale audio, ne classifica il degrado con una scala a 5 livelli: dal migliore (5) al peggiore (1).

Normalmente, oltre al livello 5 (un segnale perfetto) viene accettato il livello 4 (definito come «buono» in quanto il degrado viene descritto come «percettibile ma non disturbante») e, come minimo, viene accettato il livello 3 (ad esempio per la ricezione in autovetture - definito come «discreto» in quanto il degrado è solo «leggermente disturbante»).

I Rapporti di protezione in Isofrequenza

La Raccomandazione ITU-R BS.412-9 definisce i rapporti di protezione necessari tra due segnali in isofrequenza ed isomodulazione in funzione del ritardo con il quale giungono al punto di ricezione (differenza di percorso), della modalità di emissione (mono o stereo) e del livello qualitativo (degrado).

La Raccomandazione ITU-R BS.412-9 precisa che i valori indicati sono i peggiori rilevati durante i test.

Sempre con riferimento ai dati ricavati dalla Raccomandazione ITU-R BS.412-9, rispetto al rapporto di protezione normalmente richiesto tra segnali stereo non sincronizzati (45dB), con segnali isofrequenza e isomodulazione con differenza di percorso (ritardo) pari a 4Km (13.2µs), il rapporto di protezione si riduce di circa 25 dB.

Naturalmente, con ritardi (differenze di percorso) inferiori, il rapporto di protezione si riduce ulteriormente.

La Raccomandazione ITU-R BS.412-9 risale al 1998 ed i test effettuati furono condotti negli anni precedenti con una implementazione dell’Isofrequenza/Isomodulazione “analogica” e con ricevitori FM presenti sul mercato in quel periodo.

I test della nuova implementazione WaveArt-ABE sono stati condotti similmente a quelli della Raccomandazione ITU-R BS.412-9 ma con trasmettitori in Isofrequenza/Isomodulazione “digitali” e con ricevitori attuali: i risultati sono stati considerevolmente migliori rispetto a quelli riportati nella Raccomandazione ITU (vedi tabella sotto).

In particolare, i test sono stati condotti con ricevitori dotati di stereo blend (come in quasi tutte le autoradio) e con una differenza di frequenza tra i trasmettitori di 0,13Hz (rotazione di fase tra i segnali di 360° in 7 secondi circa), in modo da valutare anche i disturbi dovuti alla differenza di fase.

Nella tabella precedente si è assegnato, per alcune combinazioni di ritardo/impairment grade, un valore di «0dB» di differenza tra i due segnali in Isofrequenza/Isomodulazione. Viene anche specificato che i test sono stati condotti con una differenza di frequenza tra i trasmettitori pari a 0,13Hz, di modo da ottenere una lenta rotazione di fase (360° in circa 7 secondi).

Ovviamente, essendo i due segnali perfettamente identici, quando questi si trovano in perfetta controfase (differenza di 180°), si annullano causando un disturbo, chiaramente udibile, che non consentirebbe l’assegnazione di un «impairment grade» pari a 3 o, men che meno, 4.
È però sufficiente anche una minima differenza di livello tra i segnali per non avere tale disturbo.

Nelle prove pratiche sul campo, questa condizione non si verifica pressoché mai poiché l’antenna ricevente, oltre ai segnali provenienti direttamente dai due trasmettitori in Isofrequenza/Isomodulazione (ammesso che siano in vista ottica) riceve anche una grande quantità di repliche dello stesso segnale (riflessioni di case, mezzi mobili, ecc.), ciascuna ritardata ed attenuata in maniera indipendente dalle altre. La somma di tutti detti segnali è, in pratica, impossibile essere pari a zero (annullamento del segnale). Si vedano, a riferimento, i modelli di distribuzione Rician e Rayleigh.

Per questa ragione, si è deciso di definire «0dB» la condizione sopra descritta.

La comparazione delle differenti implementazioni

Come meglio specificato sopra, i risultati ottenuti di cui alla Raccomandazione ITU-R BS.412-9 (1998) con l’Isofrequenza «analogica» e con le tecnologie di trasmissione e ricezione disponibili all’epoca sono enormemente differenti dai risultati ottenuti nei test attuali adottando la soluzione WaveArt-ABE con l’implementazione «digitale» descritta in questo tutorial.

I requisiti delle emissioni FM Sincronizzate

Su questo punto bisogna fare assoluta chiarezza poiché vi sono molte implementazioni parziali che, logicamente, non danno i risultati sperati.

Le emissioni FM Sincronizzate (dette anche in «Isofrequenza FM» e/o in «Isomodulazione FM» e/o in «SFN FM») debbono possedere TUTTI i seguenti requisiti:

• I trasmettitori debbono emettere sul medesimo canale ed avere con precisione la stessa frequenza (ad esempio, con oscillatori di riferimento disciplinati da GPS).
• Debbono trasmettere lo stesso IDENTICO contenuto di modulazione intendendosi, con questo, non solo la trasmissione dello stesso programma, ma la precisa identica «impronta» di modulazione (medesimi picchi di modulazione, precisi all’Hertz, nello stesso istante, ecc.). Questo risultato è praticamente impossibile da ottenere con due differenti modulatori analogici o, comunque, con due modulatori FM, anche a processing digitale, ma alimentati da segnali modulanti analogici.
• Debbono avere una compensazione del ritardo per far giungere contemporaneamente i segnali emessi nell’area a doppio servizio (quella potenzialmente interferita) in modo da far ricadere in detta area i benefici derivanti dall’impiego di questa tecnologia.

Un semplice metodo di verifica dell’Isofrequenza

Analizzando lo spettro di due trasmettitori con l’uscita RF sommata, si può facilmente verificare che le emissioni siano state correttamente generate in Isofrequenza/Isomodulazione.

È sufficiente modulare in monofonia con un tono audio (es.: 500Hz) e, in funzione della differenza di ritardo e di livello dei due segnali, si potranno osservare dei «buchi» nello spettro (notch) la cui periodicità e profondità, sono funzione delle differenze di ritardo e di ampiezza (maggiore differenza di ritardo genera più «buchi» mentre minore è la differenza di ampiezza, più profondi sono i «buchi»)

L’Isofrequenza FM in «analogico»

Per beneficiare di tutti i vantaggi precedentemente illustrati è necessario che la implementazione rispetti tutti i requisiti richiesti.

L’implementazione si può effettuare in modalità «analogica» (si veda il Brevetto di ABE Elettronica del 1989) utilizzando ponti di collegamento a microonde che trasferiscono una sottoportante a pochi MHz già modulata FM che viene poi convertita alla frequenza di emissione (87,5 – 108MHz) con un oscillatore sincronizzato da un altro segnale trasferito sempre per mezzo dei medesimi ponti microonde. In questo caso la compensazione del ritardo avviene con linee di ritardo analogiche che agiscono sulla sottoportante modulata in FM. I principali difetti di questo sistema sono l’elevata occupazione di banda dei ponti microonde (oltre 10MHz) e il costo delle linee di ritardo analogiche.

Un’altra implementazione «analogica», ancora più costosa, fatta da RAI, è basata sull’impiego della fibra ottica per il trasferimento della portante FM modulata.

L’Isofrequenza FM in «digitale» di WaveArt-ABE

L’utilizzo di tecniche «digitali» consente oggi implementazioni di emissioni FM sincronizzate molto più performanti rispetto a quelle realizzate nel passato con tecnologie «analogiche».

L’implementazione sviluppata da WaveArt con ABE Elettronica si basa sulle seguenti tecnologie:

• La generazione di un segnale MPX (mono o stereo + RDS) digitale il cui flusso di dati (circa 2Mbit/s) viene incapsulato in un Transport Stream MPEG con interfaccia ASI o altra.
• L’inserimento nel Transport Stream di un «Time Stamp» (marca temporale) per la sincronizzazione delle emissioni.

• L’inserimento, sempre nel Transport Stream, di un dato di offset temporale («Ritardo di Rete») per tener conto della latenza con la quale il flusso di dati MPX digitale giunge a tutti i trasmettitori in rete Isofrequenza.

• Il trasferimento, a mezzo ponti microonde digitali (terrestri o satellitari), del flusso di dati MPX (Transport Stream) ai trasmettitori FM della rete in Isofrequenza/Isomodulazione.

• L’impiego, in tutti i trasmettitori, di una memoria digitale regolabile (FIFO) per sincronizzare l’MPX digitale ricevuto con il «Time Stamp» contenuto nel Transport Stream e per compensare il «Ritardo di Rete» e il ritardo con il quale le emissioni giungono nell’area potenzialmente interferita.

• La modulazione, effettuata digitalmente in tutti i trasmettitori, della portante alla frequenza di emissione (87,5 – 108 MHz).

• La sincronizzazione globale del sistema (dati MPX, Time Stamp, portanti di emissione FM) al medesimo riferimento (GNSS - GPS e/o GLONASS).

La migliore implementazione dell’Isofrequenza

In questo esempio di implementazione, il Gap Filler sincronizzato che copre la «City 2» ai margini della copertura del Trasmettitore principale, dispone di una antenna direttiva che irradia il segnale nella medesima direzione di quello proveniente dal Trasmettitore principale.

In questo modo viene mantenuto, nella zona a doppio servizio in Isofrequenza/Isomodulazione, un ritardo sufficientemente costante tra le due emissioni e quindi si beneficia appieno dei vantaggi (rapporti di protezione notevolmente inferiori) delle emissioni FM Sincronizzate.

Con riferimento all'immagine sopra, i ritardi con i quali i segnali del Trasmettitore principale e del Gap Filler arrivano nella «City 2» (e in particolare ai margini della stessa, dove la differenza di ritardo è maggiore), sono compresi tra 0 e 1,9µs.

Ciò comporta che, per avere un «Impairment Grade» pari a 4 (segnale definito «buono» con degrado «percettibile ma non disturbante»), in base ai risultati dei test sulla nuova implementazione WaveArt-ABE, non è necessario avere alcuna differenza di livello tra i due segnali.

Questa rappresenta la migliore implementazione possibile del sistema Isofrequenza.

É sicuramente opportuno che il rapporto avanti/indietro della antenna direttiva del Gap Filler sia, per quanto possibile, elevato al fine di ridurre le interferenze verso il trasmettitore principale.

Un metodo per ottenere questo risultato è quello di usare due antenne direttive, orientate nella medesima direzione e poste una sotto l’altra a circa 0,9 λ. L’antenna superiore dovrà essere avanzata di λ/4 (circa 75 cm) rispetto all’altra ed avere il cavo di connessione al divisore d’antenna sfasato di -90° (-λ/4) rispetto all’altro cavo. In questo modo il rapporto avanti indietro del sistema di due antenne migliora nell’ordine di grandezza di una ventina di dB.

Una implementazione possibile dell’Isofrequenza

In questo esempio di implementazione, si può notare che i ritardi con i quali i segnali dei due trasmettitori sincronizzati arrivano nella zona di potenziale interferenza (in particolare ai margini della stessa dove la differenza di ritardo è maggiore e che abbiamo ipotizzato essere sempre di 6km come nell’esempio precedente), sono compresi tra 0 e 10µs.

Ciò comporta che, per avere un «Impairment Grade» pari a 4 (segnale definito «buono» con degrado «percettibile ma non disturbante»), in base ai risultati dei test sulla nuova implementazione WaveArt-ABE, è necessario avere una differenza di livello di soli 1 dB.

Ciò è ovviamente possibile solo con antenne ben calcolate e strutturate.

Un'implementazione più complessa

In questo esempio di implementazione, con trasmettitori contrapposti rispetto alle aree di servizio, i ritardi con i quali i segnali dei due trasmettitori sincronizzati arrivano nella zona centrale di interferenza (e in particolare ai margini della stessa dove la differenza di ritardo è maggiore e che abbiamo ipotizzato essere sempre di 6km come nell’esempio precedente), sono compresi tra 0 e 20µs.

Ciò comporta che, per avere un «Impairment Grade» pari a 4 (segnale definito «buono» con degrado «percettibile ma non disturbante»), in base ai risultati dei test sulla nuova implementazione WaveArt-ABE, è necessario avere una differenza di livello di 3 dB.

Ciò è possibile, sia pur con una certa difficoltà, solo con antenne ben calcolate e strutturate.

Questa implementazione dell’Isofrequenza è la meno semplice da realizzare.

Ulteriori vantaggi dell’Isofrequenza WaveArt-ABE

Il consistente miglioramento qualitativo con il trasferimento digitale del segnale MPX 

Attualmente la maggior parte dei sistemi di backhauling (trasferimento del segnale dagli studi radiofonici ai punti di emissione) utilizzano ponti analogici «MPX» in banda 900MHz o 2GHz con tutti i problemi inerenti (sovraffollamento delle frequenze, disturbi, degrado del rapporto C/N e della separazione stereo, ecc.).

Anche chi utilizza il satellite per il backhauling riscontra comunque il degrado dovuto alla compressione e decompressione dei canali audio, agli overshoots (sempre dovuti alla compressione/decompressione e che causano picchi non voluti di modulazione spesso «fuori maschera»), ecc..

La soluzione per il backhauling sviluppata da WaveArt-ABE, oltre a rendere possibile l’implementazione dell’Isofrequenza, risolve tutti i problemi sopra citati in quanto trasferisce digitalmente (ad alta risoluzione – 16bit) il segnale MPX non compresso a mezzo ponti digitali terrestri (o satellite) che necessitano di un C/N di soli 6 o 7 dB (nella implementazione standard) per avere una ricezione senza errori (qualità perfetta, elevatissimo rapporto segnale/rumore, assenza di degrado nelle ripetizioni, ecc.).
Detti ponti sono disponibili su diverse bande di frequenza e possono avere una canalizzazione anche inferiore a 1MHz (la canalizzazione standard è di 1,75MHz).

I Ponti autorizzabili in Italia per il trasferimento del segnale MPX digitale

Per rendere possibile l’implementazione dell’Isofrequenza/Isomodulazione FM, e quindi un uso più efficiente dello spettro elettromagnetico previsto dalle norme,  è necessario trasferire digitalmente l’«MPX digitale»: in base alla tabella di attribuzione del piano nazionale di ripartizione delle frequenze vigente in Italia, si è individuata tale possibilità nella banda di frequenze dei 6GHz.

ABE Elettronica ha predisposto una relazione tecnica inerente l’utilizzo e l’autorizzabilità di detta banda di frequenze in base alle norme vigenti.

Tale relazione è disponibile, su richiesta, per essere allegata alla domanda da inoltrare al MISE per l’assegnazione delle frequenze di trasferimento a mezzo ponti microonde digitali.

L’inserimento nell’MPX del «Time Stamp» e del «Ritardo di Rete»

Il sistema sviluppato da WaveArt-ABE prevede l’inserzione, nel flusso di dati dell’MPX digitalizzato (Transport Stream), di una marca temporale riferita al secondo UTC (a mezzo ricezione/sincronizzazione con GNSS - GPS /GLONASS effettuata con algoritmi proprietari) per facilitare la sincronizzazione dei trasmettitori in Isofrequenza e, nel caso di impiego di una connessione satellitare, per renderne possibile l’utilizzo. Oltre a ciò, viene anche inserito un dato di «offset temporale» di valore tale da permettere al flusso di dati MPX di raggiungere tutti i trasmettitori della rete in Isofrequenza/Isomodulazione e di essere processato consentendo così la corretta partenza e quindi, la coerenza delle emissioni sincronizzate.

L’impiego della marca temporale («Time Stamp») e dell’offset temporale («Ritardo di Rete») limita la regolazione delle latenze necessarie per la corretta implementazione dell’Isofrequenza ai soli ritardi tra i trasmettitori e la zona potenzialmente interferita, assorbendo automaticamente le latenze e le eventuali instabilità dovute al backhauling (trasferimento dei segnali a mezzo ponti o altro).

Sistemi che non prevedano un meccanismo simile per la sincronizzazione rendono alquanto difficile (se non impossibile) la sincronizzazione stessa, per non parlare del mantenimento.

L'implementazione dell’Isofrequenza con backhauling anche a mezzo satellite 

Come noto, i satelliti di comunicazione detti «geostazionari» orbitano sopra l’Equatore a circa 36.000Km dalla superficie terrestre. La loro velocità angolare è pari a quella della rotazione terrestre per cui hanno l’effetto di risultare «fermi» rispetto alla superficie terrestre.

In effetti, a dispetto del termine «geostazionario», i satelliti non sono propriamente «fermi» ma, a causa del «vento solare» e di altro, si muovono molto lentamente e vengono, di tanto in tanto, ri-posizionati per mezzo di piccoli razzi che hanno a bordo. I satelliti si muovono, tipicamente, all’interno di un cubo immaginario avente circa 50 Km di lato. Questo significa che il percorso complessivo del segnale RF da Terra a Satellite e vice-versa, può variare, a seconda di dove si trova il satellite, anche di 100Km, equivalenti, nel tempo, ad oltre 300 µs. I collegamenti satellitari non possono pertanto essere considerati a latenza stabile (come invece, nella normalità, lo sono i collegamenti con ponti a microonde terrestri) e non possono essere utilizzati, senza «correzioni», in un sistema Isofrequenza FM che necessita di precisioni e stabilità nell’ordine di grandezza di pochi decimi di microsecondo.

Il sistema sviluppato da WaveArt-ABE, per mezzo del «time stamp» inserito nel Transport Stream e della sincronizzazione GNSS (GPS + GLONASS) effettuata con algoritmi proprietari, compensa l’instabilità del satellite rendendone possibile l’utilizzo anche nelle applicazioni Isofrequenza FM.

Il ricevitore del Ponte Microonde o del Satellite a bordo del Trasmettitore WaveArt

Il sistema sviluppato da WaveArt in collaborazione con ABE consente anche la integrazione, a bordo dei trasmettitori FM, del ricevitore digitale per satellite o per ponte microonde consentendo così una semplificazione nelle installazioni, un risparmio economico e di avere i controlli del ricevitore integrati nella telemetria del trasmettitore.

Per la ricezione, esternamente al trasmettitore, andrà solo installata l’antenna (normalmente una parabola) e un LNB adeguato (Low Noise Block downconverter).

L’implementazione «leggera» dell’Isofrequenza

La scheda del modulatore a bordo del trasmettitore WaveArt può essere utilizzata, contemporaneamente, per trasmettere il segnale FM Isofrequenza e generare il Transport Stream con il flusso di dati dell’MPX digitale con Time Stamp e Ritardo di Rete da inviare ad uno (o più) altri trasmettitori in Isofrequenza.

In questo modo si può realizzare una configurazione estremamente semplificata (e meno costosa) per l’implementazione dell’Isofrequenza, senza andare ad incidere complessivamente sulla intera struttura di una rete di trasmettitori FM esistente ma implementando l’Isofrequenza solo dove necessario.

GNSS Locked Timing Reference

Il riferimento di Tempo e Frequenza agganciato al secondo UTC tramite GNSS

Il riferimento di tempo e frequenza ABE (1pps e 10MHz), agganciato tramite la ricezione dei satelliti GNSS, utilizza algoritmi proprietari che sono stati specificatamente sviluppati per mantenere I riferimenti di tempo e frequenza in qualsiasi condizione e prevenire così la de-sincronizzazione che spesso avviene usando campioni di tempo e frequenza standard quand’anche disciplinati da GPS e/o GLONASS.

Le principali caratteristiche comprendono:

• Ricevitore GNSS a 32 canali, alta sensibilità, specifico per la funzione di timing
• Accensione / Acquisizione veloce dei satelliti, anche a freddo, e capacità di funzionamento anche ricevendo di un solo satellite
• Funzione di «Zero Errore Cumulato» a lungo termine
• Funzione di recupero dell’errore di Holdover (l’errore di tempo accumulato durante il periodo di carenza di ricezione satellitare viene lentamente compensato così da re-sincronizzare i modulatori)
• Oscillatore «oven» 10MHz ad alta stabilità (consente il mantenimento dei riferimenti di tempo e frequenza durante lunghi periodi di holdover in caso di mancanza di ricezione dei segnali GNSS)

Per informazioni più dettagliate, si veda anche la presentazione «GNS 1000» sul sito www.abe.it