DRM: evoluzione digitale della trasmissioni broadcast in LW MW SW e impatto ambientale

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1 DRM: evoluzione digitale della trasmissioni broadcast in LW MW SW e impatto ambientale Sparro S., D Inzeo G. Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università La Sapienza, via Eudossiana 18, Roma; Ardoino L. APAT, via Vitaliano Brancati 48, Roma, lucia.ardoino@apat.it Lopresto V., Pinto R., Mancini S. Sezione di Tossicologia e Scienze Biomediche, Centro Ricerche Casaccia, ENEA, via Anguillarese 301, S. Maria di Galeria (RM), rosanna.pinto@casaccia.enea.it Riassunto Negli ultimi anni si sono verificate spesso situazioni di contestazione nei confronti di siti che allocavano stazioni trasmittenti per sistemi radiotelevisivi e per le comunicazioni mobili. Una vicenda ben nota, a livello non solo nazionale, è senz altro la questione della stazione trasmittente di Radio Vaticana, nell area della zona di Cesano di Roma [1,]. In questo contesto si colloca l obiettivo di questo lavoro: valutare l efficacia dell inserimento di tecniche di codifica digitale nelle tradizionali trasmissioni in onda lunga, media e corta, al fine di migliorare la qualità di ascolto riducendo, allo stesso tempo, la potenza di emissione dei trasmettitori. In queste bande di frequenza, infatti, la qualità del segnale audio è spesso molto scadente a causa sia dei disturbi introdotti dal canale hertziano, sia per la ridotta occupazione di banda (10 khz) rispetto a quella delle trasmissioni FM. Il consorzio DRM (Digital Radio Mondiale) ha prodotto le specifiche per questo tipo particolare di trasmissioni digitali basate sul CODFM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplex) e già si possono ricevere i programmi trasmessi in onda corta e media da vari operatori internazionali quali Deutsche Welle, BBC, Radio Canada, e la stessa Radio Vaticana, con una qualità audio molto prossima a quella FM, ma soprattutto, realizzando il servizio con potenze medie inferiori a quelle usate nel caso analogico e quindi con minore impatto ambientale, come si è potuto verificare dalle misure effettuate sul campo. A) INTRODUZIONE Le trasmissioni in AM (Amplitude Modulation) hanno mosso i primi passi agli inizi del secolo scorso introducendo dei cambiamenti rivoluzionari nelle comunicazioni dell epoca come la possibilità di ascoltare voci lontane geograficamente e diverse tra di loro per contenuti e lingua, utilizzando dei ricevitori strutturalmente molto semplici ed economici: tutto questo ha permesso una rapida diffusione della radio come mezzo di comunicazione. Con il passare degli anni, le innovazioni tecnologiche hanno portato a nuove tecniche di trasmissione con qualità audio decisamente migliore rispetto alla tradizionale modulazione di ampiezza e semplificando ulteriormente la ricezione: basta pensare alla trasmissione radio FM (Frequency Modulation) che permette di effettuare trasmissioni in stereofonia, con antenne più compatte di quelle necessarie per l onda corta, oppure al DAB (Digital Audio Broadcasting), alle trasmissioni digitali via satellite o via internet con cui si ottengono, inoltre, servizi di trasmissione dati. Rispetto a queste ultime tecniche, comunque, la trasmissione in AM mantiene dei vantaggi legati sia alla natura del segnale (occupazione di banda di 10 khz contro i 00 khz del FM), sia alle caratteristiche di propagazione del campo: alle frequenze delle onde medie e corte, infatti, le trasmissioni possono raggiungere località a distanze notevoli senza bisogno di un estesa rete di ripetitori, il che implica notevoli vantaggi sia dal punto di vista economico che sociale e politico. La ricerca di un sistema che permettesse di coniugare i vantaggi delle due trasmissioni (qualità audio elevata ed eliminazione delle interferenze, ridotta occupazione di banda ed elevata copertura) ha trovato recentemente una soluzione nell impiego di tecniche digitali per la codifica di segnali in onda corta,. Questo compromesso è stato trovato nel DRM, la cui sigla è ormai sinonimo di trasmissione digitale in AM. Lo standard DRM (Digital Radio Mondiale) è stato approvato da ETSI e da IEC in unione con ITU e dal dicembre 00 è consentito l uso del DRM nelle bande LW e MW per le regioni 1 e 3 (Europa, Africa, Asia), dal giugno 003 è stato esteso anche alle bande SW [3,4]. Il sistema DRM si origina dall omonimo consorzio nato nel 1998 con lo scopo di fissare gli standards per le trasmissioni digitali nelle bande broadcast delle onde lunghe, medie e corte (100 khz-30 MHz). Di esso fanno parte operatori broadcast, case costruttrici di componenti ed apparati elettronici, enti di ricerca ed organizzazioni internazionali. Un altro importante vantaggio del sistema DRM rispetto alle tradizionali trasmissioni analogiche in AM consiste nella possibilità di operare con potenze di trasmissione decisamente inferiori, il che si traduce in una notevole riduzione dell impatto ambientale nelle aree circostanti alle grosse stazioni di trasmissione: la trasmissione di segnali AM richiede spesso potenze elevate a causa di problemi di

2 interferenza e disturbi introdotti dal canale hertziano, mentre, le trasmissioni in DRM, che soffrono molto meno di questi problemi, possono garantire le stesse aree di copertura con potenze inferiori. B) IL SEGNALE DRM 1) STRUTTURA GENERALE DEL SISTEMA DI TRASMISSIONE Il segnale DRM è sostanzialmente costituito da una serie di bit divisi in trame, ciascuna di circa 400 ms di durata. In ogni trama sono allocati i tre canali principali, oltre ai sincronismi necessari alla decodifica (Fig.1): FAC (Fast Access Channel), contiene le informazioni relative alla composizione della trama e dei servizi presenti; è modulato in 4 QAM ed è il primo canale ad essere decodificato dal ricevitore; SDC (Service Description Channel), fornisce le informazioni relative alla decodifica dei servizi presenti nella trasmissione e la ricerca di una sorgente alternativa contenente gli stessi dati (Automatic Frequency Switching) e può essere modulato in 4 o 16 QAM; MSC (Main Service Channel) contiene il segnale audio digitale ed i servizi aggiuntivi (ad esempio notizie) ed è modulato in 16 o 64 QAM; Il Pilot generator è preposto al riempimento delle celle necessarie alla sincronizzazione del ricevitore nella giusta modalità [3,4]. audio data stream Source encoder Figura 1- Struttura generale del segnale DRM data stream Pre-coder MUX Channel encoder Mapping 64/16-QAM Cell interleaver Reference pilots for time, frequency and FAC Pre-coder Channel encodermapping 4-QAM FAC frame synchronization as well as channel estima OFDM cell mapper SDC Pre-coder Channel encodermapping 4/16-QAM SDC DRM transmission signal modulator OFDM signal generator ) COMPOSIZIONE DEL SEGNALE DRM Il segnale DRM in uscita dal modulatore OFDM (Fig. ) è di fatto un segnale complesso, con una componente in fase (I) ed una in quadratura (Q) ed una occupazione spettrale di 9-10 khz in funzione della modalità di trasmissione usata: il requisito fondamentale del trasmettitore consiste nella linearità dell amplificatore di potenza al fine di mantenere inalterate fase e ampiezza del segnale. Un altro parametro critico per un amplificatore impiegato nella generazione di un segnale DRM è il rapporto tra la potenza di picco e la potenza media che deve corrispondere almeno al fattore di cresta del segnale, tipicamente dell ordine di 10-1 db: questo significa che per la trasmissione di un segnale DRM con potenza media di 10 kw, l amplificatore deve essere in grado di fornire una potenza (di picco) di almeno 100 kw. Per quanto riguarda la gestione del segnale audio, il DRM utilizza tre diversi codecs che differiscono per la qualità e il bit rate: la codifica AAC (Advanced Audio Coding), che fornisce le migliori prestazioni audio, le CELP (Code Excited Linear Prediction) e HVXC (Harmonic Vector excitation Coding) che sono utilizzate solo per i servizi voce ed impiegate in condizioni di propagazione più critiche (minore bit rate).

3 Figura - Esempio di segnale trasmesso 3) LA MODALITA SBR Per operare con una banda audio equivalente a quelle delle trasmissioni FM (15 khz), allo scopo di mantenere una buona qualità audio con un basso valore di bit rates, è possibile utilizzare una modalità opzionale di trasmissione, chiamata SBR (Spectral Band Replication), il cui scopo è quello di ricreare le componenti armoniche del segnale audio sopra i 5 khz che nelle trasmissioni AM non possono essere codificate (Fig. 3, la massima banda audio consentita è di 5 khz): come mostrato in Fig. 4, alcuni bit della trama DRM sono utilizzati per codificare queste componenti audio nei 5 khz consentiti e le corrispondenti componenti armoniche vengono poi ricreate in fase di decodifica; il risultato, per chi ascolta, è un suono più ricco nel contenuto armonico e decisamente più gradevole. Figura 3- Contenuto audio di un segnale AM Figura 4- Principio di funzionamento dell SBR 4) MODALITA DI TRASMISSIONE E LIVELLI DI ROBUSTEZZA Il canale hertziano introduce, per sua natura, rumore e distorsioni e, nel caso delle trasmissioni in onda corta (sky-wave), si aggiungono effetto Doppler (shift and spread) e fenomeni di multipath fading. Il DRM utilizza la modulazione OFDM basata su un numero variabile di portanti (tra 88 e 00

4 circa) per contrastare questi effetti indesiderati del canale e prevede 4 diverse modalità di trasmissione (livelli di robustezza) che differiscono tra di loro, principalmente, per il numero di bit dedicati alla correzione degli errori nella trama e nella codifica dell informazione. Tabella 1: Caratteristiche delle modalità di trasmissione (livelli di robustezza) Modo di Banda di Portanti Condizioni di propagazione trasmissione utilizzo utilizzate A Propagazione per onda di terra LF, MF 6 B Canali selettivi in frequenza ed in tempo con spread delay MF, HF 06 C Come B ma con maggior spread Doppler HF 138 D Come B ma con spread Doppler e spread delay critici HF 88 5) REQUISITI DI RICEZIONE (CONFRONTO TRA AM E DRM) La possibilità di una migliore qualità audio grazie alle tecniche sopra descritte si traduce immediatamente in dei requisiti di ricezione meno stringenti rispetto a quelli imposti per il segnale AM in onda corta. In Tabella, estratta dalla raccomandazione ITU (Appendice 1) [4], sono riportate le caratteristiche minime per la corretta ricezione di segnali in AM e DRM, in modo che ne risulti immediato il confronto. Tabella : Requisiti per la ricezione di segnali nelle bande LF, MF e HF. DSB AM DRM Qualità audio (requisito del segnale al rapporto S/N: ricevitore) 6 db con modulazione del 30% BER = 1*10-4 Minimo rapporto C/N richiesto per avere la suddetta qualità audio (db) = 36.5 x Banda passante del ricevitore (khz) 8 10 Sensibilità del ricevitore per il desiderato rapporto C/N (db(µv/m)) x (si riporta solo il requisito per la MF) Il valore x dipende dalla modalità di trasmissione (livello di robustezza); tali valori sono riportati in [5]. In AM, per avere una qualità audio con un S/N (rapporto segnale rumore) di 6 db (con rapporto di modulazione del 30%, m=0.3) è necessario un rapporto C/N (Carrier/Noise) di almeno 36.5 db; il corrispettivo in DRM indica un BER (Bit Error Rate) massimo ammissibile di 1*10-4 (per la qualità audio) in corrispondenza di un S/N (equivalente del C/N dell AM) variabile con la modalità di trasmissione e che, per la banda delle onde medie (MF) presa come esempio in questo contesto, fornisce un livello di circa 3 db nel caso peggiore. C) PROCEDURE DI MISURA La normativa vigente in materia di procedure di misura di segnali digitali è recente e non tiene ancora conto di tutte le nuove tecniche di modulazione: le poche indicazioni rigorose sono, in realtà, estremamente specifiche per la tipologia di segnale da misurare. La struttura e le caratteristiche spettrali del segnale DRM, per il quale non ci sono direttive specifiche, farebbero pensare, in primis, all uso di una procedura analoga a quella indicata per il segnale UMTS. Come quest ultimo, infatti, il segnale DRM ha uno spettro approssimativamente rettangolare (banda larga) all interno del quale sono allocate le sottoportanti di servizio (modulazione OFDM). La potenza del segnale, determinata dall area della figura spettrale, non può, in questo caso, essere determinata con la semplice misura del picco. Le linee guide del CEI [7,8] suggeriscono, quindi, l uso di analizzatore di spettro con funzione Channel Power (CPWR) per la corretta valutazione del campo elettromagnetico prodotto. In assenza di funzione Channel Power, la procedura di misura deve emularne il principio, ossia considerare il segnale rettangolare come insieme contiguo di contributi da sommare secondo un opportuna relazione che tenga conto, oltre che delle caratteristiche del segnale stesso, anche dei parametri con cui è stata effettuata la misura (in particolare del filtro di risoluzione dell analizzatore). Per ciò che concerne le misure a larga banda, l allegato H della CEI [8] autorizza ad estendere le tecniche di misura usate per il GSM (e per gli altri segnali radio-tv) anche per l UMTS.

5 1) MISURE DI CONFRONTO TRA AM E DRM L obiettivo delle misure che si sono effettuate era quello di verificare l ipotesi iniziale di ridotto impatto ambientale (minori livelli di campo elettrico locale ) in corrispondenza di una migliore qualità del segnale ricevuto. In fase di definizione dei dettagli della procedura di misura, durante prove preliminari, ci si è però resi conto che, per motivi tecnici, le due verifiche devono essere effettuate in maniera distinta, perlomeno dal punto di vista topografico. I luoghi interessati dal problema dell impatto ambientale, infatti, sono quelli nelle immediate vicinanze delle grandi stazioni trasmittenti, assolutamente inadeguati, quindi, a verificare la bontà del segnale audio, fermo restando il discorso sui requisiti dei ricevitori. I due aspetti sono stati quindi valutati separatamente. Per quel che riguarda la qualità del segnale ricevuto, ci si è avvalsi dell esperienza maturata in questi anni dai broadcasters, in particolare da Radio Vaticana che trasmette alcuni suoi programmi di test in DRM, sia in onde medie (1530 khz e 1611 khz) che in onda corta (13750 khz). Nell attività di una stazione radio hanno molta importanza i rapporti inviati dagli ascoltatori (alcuni di questi sono consultabili sul forum del sito da cui emerge un notevole apprezzamento della qualità del servizio in termini di continuità di tempo di ascolto (la qualità audio si da per scontata) e di copertura. Le trasmissioni con portante 1611 khz, indirizzata verso il Nord-Est dell Europa, vengono ricevute anche dall Inghilterra con ottimi risultati; la khz, che svolge un servizio diretto verso il Nord America, è ricevuta sia in Svezia che in Grecia (grazie ai lobi laterali dell antenna). Le potenze medie impiegate sono, nel primo caso, di circa 8 kw e, nel secondo, di circa 68 kw; a parità di condizioni, in AM avremmo avuto bisogno di circa 80 kw per la 1611kHz e di almeno 15 kw nel secondo (ottimali 50 kw). Per quel che riguarda, invece, la misura dei livelli di campo prodotti nelle vicinanze della stazione, si è proceduto secondo i punti di seguito riportati: scelta di un sito (interno al comprensorio del centro trasmittente) sufficientemente vicino alla sorgente ma ad una distanza tale da trovarsi in zona di campo lontano, misura del valore di fondo in assenza totale di emissioni dal centro radio (con strumentazione a banda larga e a banda stretta), impostazione delle potenze di trasmissione a 8 kw e 16 kw (per l AM), potenze ordinarie con cui si inviano i programmi in DRM (nel rispetto dei livelli previsti dal DPCM dell 8/07/003), misura del segnale in modulazione AM come indicato dalla guida CEI 11-7, misura del segnale in modulazione DRM, con la stessa procedura (peak) e con la funzione Channel Power La strumentazione utilizzata è la seguente: Trasmettitore Thomcast onda media con f =1611 khz, P= 8 kw,per la generazione e trasmissione del segnale, Antenna Loop Passivo di campo magnetico Electro-Metrics 6878, Analizzatore di spettro Instek GSP-87 (RBW = 9 khz, VBW = 10 khz, SPAN = 1 MHz), Distanza dalla sorgente: 650 m ca. ( 500 m distanza minima di campo lontano) per la misura in banda stretta, misuratore Wandel & Goltermann EMR 300 con sonda tipo 8, per la misura in banda larga. D) RISULTATI E DISCUSSIONE I risultati sono riassunti nelle tabelle seguenti. a) Misure eseguite con potenza di trasmissione costante Per la verifica immediata dei livelli di campo tra i due segnali, si è chiesto di trasmettere, per il solo tempo necessario ad effettuare le due misure, alla medesima potenza. Tabella 3: Risultati delle misure in banda stretta sulla portante 1611 khz P T (kw) Componenti di Campo Elettrico (dbm) Ex Ey Ez Etot (V/m) AM 8-5,00 -,70-47,50 5,19 DRM (peak meas.) 8-3,70-31,00-57,50,05 DRM (CPWR) 8-30,70-9,80-59,00,45 b) Misure eseguite con le potenze di esercizio effettive Sfruttando la coesistenza delle due trasmissioni sulla stessa banda, la successiva misura è stata effettuata, nello stesso punto della prima, con le reali potenze d esercizio.

6 Tabella 4: Risultati delle misure in banda stretta sulla portante 1611 khz in effettive condizioni d esercizio P T (kw) Componenti di Campo Elettrico (dbm) Ex Ey Ez Etot (V/m) AM 16-9,00-8,50-41,40,94 DRM (peak meas.) 8-8,00-30,80-44,00,78 DRM (CPWR) 8-7,40-30,40-41,00,98 Innanzitutto, in entrambi i casi di misura, si riscontra una notevole riduzione dei valori di campo elettrico per le trasmissioni DRM, ovvero, si ottengono valori di campo comparabili utilizzando per l AM una potenza inferiore quasi del 50% rispetto al DRM. Si osserva inoltre che l errore sistematico che si commette effettuando la misura del segnale DRM come fosse un comune segnale AM (che di fatto ha la stessa occupazione spettrale), cioè effettuando una semplice misura del picco al posto della misura CPWR, non è poi così rilevante ai fini di un confronto, soprattutto tenuto conto dell elevato valore dell incertezza di questo tipo di misure. c) Incertezza della misura L incertezza globale dipende dalla combinazione delle incertezze associate a ciascun componente del sistema (catena di misura formata da antenna, cavo e attenuatore, analizzatore di spettro). Le componenti d incertezza sull ampiezza e sulla frequenza del segnale letto sono date da: Incertezza associata alla misura selettiva di tensione (u sa ) Incertezza associata al fattore correttivo del cavo (u cv ) Risposta in frequenza (u af ) Errore di isotropia dell antenna (u is ) Ipotizzando che le componenti suddette siano statisticamente indipendenti e abbiano distribuzione rettangolare, l incertezza estesa (complessiva di tutti i contributi e con un livello di confidenza del 95%) per le misure in banda stretta risulta pari a: U e BS ( db) = ± u sa L incertezza complessiva risulta quindi ± 3 db (corrispondente ad una incertezza percentuale compresa tra -30% e +40%). RINGRAZIAMENTI Un particolare ringraziamento va alla Direzione Tecnica della Radio Vaticana, alla disponibilità ed alla professionalità del suo personale, per i mezzi messi a disposizione senza i quali non sarebbe stata possibile la realizzazione di questo lavoro. BIBLIOGRAFIA [1] S. Curcuruto, P. Vecchia, Esposizione a campi elettromagnetici attorno alla Radio Vaticana, AEIT, numero 1/, Feb 005. [] D. Greco, P. Boyle, G. Masera, R. Mertelsmann, Esposizione a campi a radiofrequenza e leucemia infantile: stato attuale delle conoscenze scientifiche in rapporto alle problematiche dell area di Cesano, Rapporti ISTISAN 01/5 (ISSN ). [3] DRM Broadcaster s User Manual, Official DRM website: [4] Planning parameters for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz, RECOMENDATION ITU-R BS [5] F. Hofmann, C. Hansen, and W. Schafer, Digital Radio Mondial (DRM) Digital Sound Broadcasting in the AM Bands, IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 49, N 3, 003. [6] Digital Radio Mondiale (DRM): System Specification, European Telecommunication Standards Institute (ETSI), ETSI TS v1..1 (00-07). [7] CEI 11-7, Guida per la misura e per la valutazione dei campi elettromagnetici nell intervallo di frequenza 10 khz 300 GHz, con riferimento all esposizione umana. [8] CEI 11-10, Guida alla realizzazione di una Stazione Radio Base per rispettare i limiti di esposizione ai campi elettromagnetici in alta frequenza. Appendice H Metodologie di misura per segnali UMTS. + u is + u 3 cv + u af