La voce digitale Comunicare nel nuovo millennio

Giorgio Rutigliano, I8ZSE ARI – Sezione di Potenza

27-03-2017

La modulazione analogica

• In origine era l’AM: una onda continua portante è modulata in ampiezza

• E’ sensibile ai disturbi, che si sommano al segnale originale

• E’ scarsamente efficiente in termini di energia, perché molta potenza è sprecata nella portante

• Anche l’occupazione di banda è rilevante, in quanto attorno alla portante è presente una doppia banda laterale, quindi per trasmettere un segnale vocale (3k) servono 6k utili, 9kHz in pratica

• Per migliorare l’efficienza si usa il DSB o, meglio l’SSB, in cui viene tagliata via la portante ed una delle due bande laterali

La modulazione di frequenza

• Modulando la frequenza si migliora la resistenza ai disturbi, al prezzo di un aumento significativo dell’occupazione di banda

• In ambito amatoriale 2.5kHz di deviazione occupano 12.5kHz di canale

• I canali FM commerciali utilizzano 75kHz di deviazione ed una occupazione di 200kHz

• Con tecniche miste è però possibile trasferire più informazioni su un singolo canale

• 12.5kHz è un limite non aggirabile per le comunicazioni voce FM analogiche

Lo spettro di un canale FM Stereo

FDMA

• Le comunicazioni analogiche operano sul principio del Frequency divisione multiple access

• La banda disponibile è divisa in segmenti • Ogni comunicazione occupa un segmento

dello spazio allocato, il canale • Ogni canale può gestire una comunicazione per volta • E’ possibile usare delle regole per usare lo stesso canale per diverse

comunicazioni, ma non contemporanee • Per propagare (ripetere) un segnale è necessario impiegare due canali. • Le attuali tecnologie analogiche non consentono di ridurre ulteriormente

la larghezza del canale • La spinta al digitale è in larga parte determinata dalla necessità di

utilizzare in modo più efficace lo spettro disponibile, riducendo l’occupazione di banda di una singola comunicazione

La conversione digitale

• E’ un processo che trasforma il segnale analogico in informazione numerica

• Il segnale analogico viene campionato e trasformato in un flusso di numeri

• Il flusso contiene tutte le informazioni necessarie e ricostruire il segnale

• Al flusso è possibile applicare tecniche matematiche per garantirne l’integrità

• Il canale di trasferimento non influisce sul contenuto dell’informazione

• Il campionamento deve avvenire ad una frequenza doppia della banda da campionare (Nyquist-Shannon)

• Il processo è definito Pulse Code Modulation (PCM)

I dati numerici

• Il PCM produce abbondanza di dati • La voce (3kHz di banda) genera 12kByte per secondo a 16bit di

risoluzione • Il flusso di dati è continuo anche in mancanza di informazione • La sua natura è però ideale alla elaborazione numerica • Vengono quindi applicati degli algoritmi che estraggono dal flusso

l’informazione utile, scartando tutti i dati non importanti • Sono definiti CODEC (encoder decoder) • Ogni codec è studiato per una applicazione specifica • Esistono svariate implementazioni di codec specializzati per

l’elaborazione della voce • Differenti codec non sono (generalmente) compatibili

Il tallone di achille

• Il codec è un elemento fondamentale del processo

• Per ridurre il flusso dati ad un livello accettabile è infatti necessario fare delle elaborazioni complesse

• L’efficienza del sistema dipende dalle caratteristiche del codec adottato

• Vi è un gran numero di codec progettati per la voce, ma richiedono un bit rate troppo elevato

• In ambito radio, i sistemi principali utilizzano un codec chiamato Advanced Multi-Band Excitation

• E’ usato anche in ambito satellitare (Inmarsat, Iridium)

AMBE-2020™

• E’ un chip proprietario di Digital Voice System • Non è ‘solo’ un chip, ma è il cuore del processo di generazione del segnale

digitale • E’ un sistema centralizzato, chiuso e brevettato • E’ l’opposto della filosofia alla base dell’ hamradio, basata su apertura e

decentralizzazione! • Tutti i modi operativi del radioamatori sono infatti aperti e documentati,

in modo che possano essere replicati da chiunque voglia. • Immaginereste cosa sarebbe la radio se l’SSB fosse proprietaria? • L’AMBE 2020 è reperibile (con una certa difficoltà) sul mercato a circa 20$

al pezzo • Esiste una implementazione (dv-dogle) per l’uso di applicazioni per PC, che

costa intorno ai 200$ • Il suo uso non è in genere parte integrante delle specifiche.

Codec-2

• E’ un codec open source e non brevettato progettato per la voce

• Ha diversi bitrate, da 700bps a 3.2kbps • Usa metà della banda di AMBE per ottenere la stessa

qualità audio • Progettato da VK5DGR, David Rowe • E’ totalmente royalties-free, il codice sorgente è disponibile

su svn • E’ un approccio che lo rende suscettibile di miglioramenti

ed evoluzioni, in puro ham spirit • La scelta di usare AMBE in ambito amatoriale è oggi del

tutto immotivata, se non per ragioni di compatibilità

La modulazione

• Per trasferire efficacemente i segnali digitali si usano tecniche di modulazione specifiche

• Lo scopo è quello di ottenere i migliori risultati in relazione al canale utilizzato

• La tipologia del canale, con le sue caratteristiche, è importante per la scelta della modulazione

• Sotto i 30MHz, ad esempio, è necessario prendere in considerazioni fenomeni come fading, fading selettivo e distorsioni varie.

Le modulazioni base

• In Audio Shift Keying (ASK) una portante è modulata in ampiezza con due livelli (0,1)

• In CW (on off keying, OOK) viene commutata direttamente la portante (0=no portante, 1=portante)

• In Frequency Shift Keying (FSK) la portante viene trasmessa su due frequenze, quella ‘base’ a cui corrisponde lo 0, e base+shift, a cui corrisponde l’1. E’ usata per l’RTTY

• AFSK è una derivazione, viene generato un tono audio che è modulato in FSK. Il segnale può essere trasferito con sistemi audio, come una radio FM. E’ usato per packet radio e APRS.

• Una evoluzione di FSK è il Minimum Shift Keying, da cui è derivata la modulazione GMSK usata dal GSM e dal D-Star.

Modulazione di fase

• La modulazione di fase ha dei vantaggi su quella di frequenza o di ampiezza

• Il dato viene codificato alterando la fase della portante

• Nel Binary Phase Shift Keying (BPSK) la fase viene invertita ad ogni passaggio di stato (1->0, 0->1)

• Il cambio di fase viene fatto al passaggio per lo zero, in modo da evitare armoniche

• Per comprendere meglio, è esemplificativa una rappresentazione grafica che visualizza il ‘posizionamento’ dell’informazione, chiamata costellazione

• Il BPSK è la modulazione base del PSK31, ove 31 è il valore del symbol rate del sistema (31.25Hz)

Più bit per simbolo

• Se usiamo due portanti sfasate di 90° è possibile codificare 2 bit per ogni simbolo

• E’ un modo detto detto QPSK • La costellazione ha quattro valori

(00, 01, 10, 11) • Dato che la banda limita il numero di simboli per unità di

tempo (data rate), codificando più bit per simbolo si incrementa il bit rate (legge di Shannon-Hartley).

• Estendendo il concetto si implementa 8-PSK e 16-PSK. • Aumentare le combinazioni rende la modulazione più

suscettibile al rumore • PSK ed M-PSK hanno il vantaggio di avere una portante

costante e quindi sono efficienti dal punto di vita energetico

C = B log2 (1 + SNR) [C=bps, B=Hz]

Modulazione di ampiezza in quadratura

• In sigla, QAM • E’ una evoluzione del M-PSK • Alla codifica in fase si aggiunge una

codifica in ampiezza della portante • 8QAM usa 4 portanti e due livelli , 3

bit/sym • 16QAM 4 bit/sym, 64QAM 6 bit/sym,

256QAM 8 bit/sym. • Anche in questo caso, l’incremento della

codifica riduce significativamente la resistenza al rumore

OFDM

• Orthogonal Frequency Division Multiplexing

• Il canale è suddiviso in sotto- portanti ortogonali

• Il picco di una sottoportante corrisponde al nodo della sottoportante adiacente

• Ogni sottoportante è codificata in QAM o PSK a symbol rate basso

• Consente di ottimizzare la quantità di informazioni trasferite e la resistenza al rumore

• E’ usata principalmente nei sistemi a banda larga (Wi-Fi, WiMAX, Long Term Evolution (LTE), xDSL, power-line.

Efficienza spettrale

Modulazione Bis/sec/Hz

FSK <1

GMSK 1.35

BPSK 1

QPSK 2

8PSK 3

16QAM 4

64QAM 6

OFDM >10

Multipath

• Il digitale è più sensibile alla distorsione da multipath

• Si verifica quanto il segnale arriva a destinazione per più percorsi

• Le differenze di tempo si traducono in segnali multipli con diversa fase

• L’antenna li capta tutti e li somma • Il risultato è una forma d’onda distorta • Se la distorsione è alta può rendere il segnale non

decodificabile

Accesso multiplo

• L’uso esclusivo del canale è uno dei limiti intrinseci della comunicazione analogica

• Non è invece un problema per le comunicazioni digitali

• Esistono varie tecniche per consentire la condivisione di un canale digitale a più comunicazioni contemporanee

• Allo stesso modo è possibile in una comunicazione digitale trasferire più flussi di informazione contemporaneamente

Time Division Multiple Access

• TDMA

• Divide il tempo di accesso al canale in slot

• Ad ogni comunicazione è assegnato uno slot esclusivo

• Gli altri slot sono ignorati

• Ogni slot ha margini di sicurezza per evitare la sovrapposizione con gli adiacenti

• E’ una tecnica che consente di ripetere una comunicazione sullo stesso canale, ricevendo su uno slot e trasmettendo su un altro.

• L’uso del TDMA richiede una sincronizzazione precisa con una stazione radio base

Convergenza

• Il trasferimento binario consente di trasportare assieme voce ed altri contenuti digitali

• Il flusso di bit è trasferito a ‘pacchetti’ • Ogni pacchetto ha un header che indentifica il contenuto • E’ possibile mischiare pacchetti di diversa natura e gestirli

separatamente • E’ possibile usare le informazioni dell’header per istradarlo

verso destinazioni diverse (routing) • Trasportando dati digitale, è semplice realizzare interfacce

(gateway, reflector) per interconnettere ripetitori e creare reti complesse

Modi d’uso: simplex

• In modalità simplex le stazioni sono in (relativa) visibilità ottica

• Le prestazioni sono comparabili alle apparecchiature analogiche

• La canalizzazione è equivalente • Il vantaggio è quello di potere usare il canale

radio per trasferire informazioni aggiuntive (es, posizione GPS)

• La qualità è costante fino al punto di perdita del segnale (effetto cliff)

• La portata è solitamente leggermente inferiore (~10%) di una corrispondente radio FM

Effetto ‘Cliff’

• Chiamato anche brickwall

• La qualità del segnale digitale è pressochè costante per l’area di copertura

• Crolla bruscamente nelle aree marginali • Il vantaggio delle tecniche digitali è quindi più

evidente dove il segnale è meno forte, ma non troppo

Routing

• I ponti digitali (BS) si possono facilmente interconnettere • E’ possibile farlo sia on-air, che attraverso connessioni dati

tradizionali (internet) • L’interconnessione consente di avere logicamente una sola

infrastruttura (anche eterogenea), con più ‘punti di accesso’ • Al dato digitale (voce) si associano altre informazioni

(metadati) • Queste possono essere utilizzate per instradare i dati in

modo dinamico e consentire collegamenti fra punti di accesso diversi della rete

• Essendo l’informazione digitale, non ci sono fenomeni di degradazione del messaggio

Esempio di rete di BS

Esempio di rete di BS

Gli attori in campo Digital Smart Technologies for Amateur Radio E’ il più vecchio degli standard, definito da JARL nel 2001. Sposato da Icom, non è monomarca. Yaesu System Fusion E’ stato messo a punto da Yaesu, è documentato, ma senza una licenza specifica che ne consenta l’utilizzabilità Digital Mobile Radio E’ uno standard ETSI non specifico per l’ambito amatoriale. La prima definizione è del 2005, ed è ancora in fase di definizione. Ha tre tier (I,II,III)

Dal punto di vista tecnico

D-Star YSF DMR

Sviluppato da JARL YAESU ETSI

Modulazione GSMK C4FM* 4FSK*

Banda occupata 6.25kHz 12.5kHz 12.5kHz (TDMA)

Canali 1 1 2*

Codec AMBE+ AMBE+2

Bit Rate 4.8kbps 9.6kbps 9.6kbps 2 slot

• C4FM e 4FSK sono sostanzialmente sistemi equivalenti, che codificano l’informazione su 4 simboli, assegnando ad ogni simbolo uno shift differente.

• Sulla robustezza al rumore valgono le stesse considerazioni fatte per il QPSK. • Il DMR ha tre incarnazioni. Tier-I è l’equivalente del PMR e non ha TDMA. Il Tier-II implementa TDMA. Il Tier-III

implenenta il trunking • Le specifiche DMR non impongono un codec specifico, AMBE è stato scelto dai costruttori • Tutti e tre i sistemi implementano la correzione di errore (FEC) sui flussi audio

Identificazione

• L’identificazione è fondamentale per il routing • L’ID di DMR è numerico, è possibile registrarsi su DMR-Marc • L’ID del corrispondente è numerico se non è in rubrica, altrimenti viene

visualizzato il nome • La mancanza totale di una indicazione del nominativo è in contrasto con la

normativa che prevede l’identificazione della stazione emittente • D-Star ha quattro campi ID: destinatario, ripetitore, gateway, mittente • Tutte le reti implementano il concetto di riflettore, che ritrasmette tutto il

traffico e che opera secondo gli schemi dei ripetitori analogici.

D-Star YSF DMR

Tipo indirizzamento Nominativo Nominativo Id numerico*

Libero No, registrazione Sì No, registrazione

Visualizzazione Nominativo Nominativo Id numerico **

Caratteristiche operative

• La qualità audio di YSF e DMR è migliore di quella di D-Star per l’uso di una versione più evoluta di Ambe

• La qualità di DMR è inferiore a quella di YSF perché usa metà della banda (6.25kHz contro 12.5)

• La programmazione è un fattore importante, perché è indispensabile al funzionamento del sistema

D-Star YSF DMR

Simplex locale Sì Sì Sì

Secondo ripetitore Sì No No

Canali geografici Riflettore Room Talkgroup

Echo test Sì No Sì

Programmazione Media Semplice Complessa

Qualità audio Accettabile Ottima Buona

Il plus di fusion

• Perché il nome ‘fusion’? • Compatibilità con la tecnologia FM • I sistemi fusion fanno fallback automatico in caso di

comunicazioni FM • I ponti sono in grado di ripetere entrambe le tecnologie • I terminali commutano automaticamente fra C4FM e

FM analogica • Consente la coesistenza dei servizi • Ovviamente chi ha apparati fusion può collegare utenti

FM analogico, ma non viceversa

DV-dongle

• È una chiavetta USB che contiene il chip AMBE ed un µP

• Si interfaccia a PC o Mac per usare il computer come terminale D-Star

• Il collegamento avviene tramite un gateway internet • La comunicazione avviene tramite sched audio • Non è necessaria una radio • Richiede la registrazione alla rete D-Star • Costa circa 200$ • http://www.dvdongle.com

Thumb-DV

• Usa il chip DVSI AMBE3000

• Supporta varie applicazioni D-STAR

• Il chip è inoltre disponibile per DMR, dPMR, Yaesu Fusion e P25 Phase 2

• Costo: 118$

• http://www.nwdigitalradio.com

DV AP dongle

• E’ un access point locale D-Star

• 20mW

• Si interconnette via internet ai gateway D-Star

• Funziona come un ripetitore personale

• Disponibile sia 2m che 70cm

• Costo: 240$

• http://www.dvapdongle.com

FreeDV

• FreeDV è un modo digitale pensato per le comunicazioni HF

• E’ disponibile sia sotto forma di software - free ed open source - che come dispositivo hardware

• La versione software (windows, Osx, Linux) è scaricabile da http://freedv.org

• Richiede un normale PC con due schede audio

• E’ possibile lavorare anche in sola ricezione con una sola scheda audio

FreeDV

• Usa come codec il CODEC-2, gratuito, aperto e non brevettato

• Usa solo 1.25 kHz di banda

• Trasmette una portante codificata in 16QPSK utilizzando un normale TX SSB

• Il codec ha vari livelli di compressione (da 700 a 1600 bps)

• 700C è il setting più adatto al traffico SSB

• Può essere usato anche su collegamenti AM ed FM

La versione hardware

• SM1000

• Si interfaccia direttamente con l’apparato

• E’ funzionalmente equivalente alla versione software

• Costo: 190$

QSO SSB con Codec-2

• TX SSB (FT-897) 20m 10W ant GP6 [JN70VP]

• RX: Web SDR hackgreensdr.org [IO83RA] 1948km

• Segnale in SSB

• Codifica FreeDV codec-2 modo 700C

• Segnale codificato

• Segnale decodificato

• Info FreeDV/Codec2: http://www.rowetel.com

Qualche considerazione

• Le mie considerazioni personali • Tutti i sistemi disponibili presentano lacune • L’uso di un codec chiuso è inaccettabile per le filosofie dei

radioamatori • Codec-2 renderebbe possibile una soluzione ham-compatibile • Tutti i sistemi hanno limitazioni evidenti, e questo non aiuta

l’affermazione di una delle tecnologie in campo • La coesistenza di troppi sistemi incompatibili è un disincentivo allo

sviluppo della tecnologia • E’ probabile che vedremo a breve apparati multimodo, o

aggiornabili ‘sul campo’. • Il passaggio al digitale in VHF e superiori è solo questione di tempo

Domande?