Tecniche di valutazione dell esposizione al campo elettromagnetico in presenza di segnali DVB-T e DVB-H Sara Adda 1, Laura Anglesio 1, Silvano Bertoldo 2, Maurizio La Paglia 2, Daniele Trinchero 2. 1 ARPA Piemonte Centro Regionale per le Radiazioni Ionizzanti e Non Ionizzanti 2 Politecnico di Torino - Dipartimento di Elettronica Riassunto Il presente lavoro si propone di analizzare alcuni aspetti riguardanti gli strumenti e i metodi di misura per la valutazione dell'esposizione umana ai campi elettromagnetici associati a segnali DVB-T, con la finalità di definire le scelte strumentali e metodologiche in grado di fornire un risultato ripetibile e consistente, anche in relazione all'attuale assenza di norme tecniche specifiche sull'argomento. In particolare si sono volute approfondire, tramite confronti e misure in diversi siti, le problematiche relative all'impostazione dei parametri degli analizzatori di spettro. Inoltre sono state effettuate prove ulteriori riguardo la risposta di varie tipologie di antenna, la disuniformità spaziale del campo e, data la notevole larghezza di banda del segnale, l'influenza sulle misure del fenomeno del fading, con la finalità di verificare se ed in che modo la strumentazione già di uso comune per le misure RF sia sfruttabile per una valutazione sul segnale DVB. I risultati del lavoro svolto, in termini variabilità del dato in funzione delle scelte strumentali e metodologiche, possono costituire una base per la discussione dei metodi nell'ottica della definizione di una norma condivisa. A) INTRODUZIONE La definizione delle specifiche DVB-T per la diffuzione della televisione digitale terrestre, risalente al 1995, ha rappresentato un opportunità per le emittenti televisive di fornire servizi in linea agli utenti e una qualità audiovisiva superiore rispetto alla TV analogica. La diffusione di apparati per la trasmissione DVB-T è per questo motivo andata crescendo negli anni recenti, e si sta già assistendo ad un ulteriore crescita in quanto lo standard DVB-T costituisce la base per la diffusione televisiva portatile DVB-H. Il tipo di modulazione e di codifica adottati in questo standard dipendono in gran parte dalle problematiche di propagazione nelle bande VHF/UHF terrestri (maggiore ostilità rispetto alla diffusione via satellite) e dalla congestione dello spettro di frequenza per la diffusione televisiva. In particolare il canale terrestre è caratterizzato da una propagazione multi-cammino (dovuta alle riflessioni), che può degradare pesantemente il segnale trasmesso, rendendo poco consona la trattazione con modulazione a portante singola (come nel DVB-S) e delineando quindi la scelta di una modulazione multiportante COFDM (Coded Orthogonal Frequency Multiplexing) con un numero molto elevato di portanti utilizzate per trasportare dati (1512 o 6048 a seconda dello schema di trasmissione). All interno del segnale trasmesso sono presenti sia le portanti dati, modulate in M-QAM (M=4,16,64), sia una serie di portanti ausiliarie (portanti pilota diffuse, portanti pilota continue e portanti TPS, modulate in DBPSK). Il canale occupato dal segnale DVB T così configurato ha ampiezza pari a 8 MHz. La misura dell intensità di campo elettromagnetico associata a un segnale digitale a larga banda di questo tipo presenta alcune criticità legate ai seguenti aspetti: Canalizzazione ravvicinata la distanza tra canali adiacenti è, secondo lo standard, inferiore a 40kHz. Occorre per questo motivo utilizzare strumenti che consentano una valutazione del contributo di potenza associato ad un singolo canale, senza incorrere in errori dovuti ad eccessive sottostime o sovrastime Possibile presenza di segnali analogici interferenti Nei siti ad alta densità di impianti è possibile riscontrare la presenza di canali isofrequenziali analogici. I trasmettitori analogici tipicamente utilizzano potenze di circa 10dB superiori rispetto a quelle utilizzate da un trasmettitore digitale, comportando un alterazione della lettura della potenza spettrale associata al canale digitale (errore di sovrastima) Fenomeni di fading sono quegli effetti di attenuazione su un segnale RF a larga banda in un ambiente con presenza di ostacoli (con conseguenti riflessioni, assorbimenti, ecc.), più rilevanti nel caso di segnali digitali Comportamento noise-like del segnale in frequenza l informazione trasportata viene distribuita in modo uniforme su tutta la banda del canale, e non è possibile stabilire una precisa correlazione tra una data frequenza e la potenza ad essa associata. Questo fattore costituisce un elemento critico nella scelta della tipologia di misura e dei parametri dell analizzatore di spettro, come approfindito nei paragrafi successivi
Le prove in campo svolte durante questo lavoro hanno voluto quantificare la variabilità del risultato di misura rispetto alle scelte di procedura e di impostazione, in relazione al diverso peso dei fenomeni sopra descritti. B) MATERIALI E METODI Le misure sono state effettuate in 4 siti (di diversa conformazione per orografia e presenza di fabbricati) con trasmettitori DVB-T sui canali 26, 28, 43, 52, 58 e 68. La catena strumentale utilizzata era costituita da un analizzatore di spettro (R&S FSP3, risposta in frequenza nell intervallo 9kHz 3GHz), da un cavo coassiale (Suhner 10m o 20m) e da un antenna (tipo biconica PBA10200, tipo dipolo conico EMSAP 2000, tipo log-periodica PMM LP02, tipo attiva TES1000). L incertezza strumentale relativa associata alla misura variava, in funzione della catena scelta ed in particolare dell antenna utilizzata, tra il 15% e il 29%. Le prove svolte, tutte effettuate tramite misura in channel power, erano finalizzate ad approfondire le conseguenze delle scelte relative ai seguenti aspetti strumentali e procedurali: impostazione dei parametri dell analizzatore di spettro (Resolution Bandwidth, Video Bandwidth, Span, tipo di detector, sweep time), modalità di acquisizione (con particolare approfondimento sulla funzione di average delle tracce), scelta del punto di misura (in relazione ai fenomeni di fading e alla variabilità spaziale del segnale), scelta della tipologia di antenna. 1) SCELTA DEI PARAMETRI DELL ANALIZZATORE DI SPETTRO E MODALITA DI ACQUISIZIONE La misura di un segnale digitale in banda larga viene effettuata utilizzando la modalità channel power al fine di ricavare la potenza irradiata in un determinato canale. Per poter garantire la selettività del filtro di canale simulato dalla funzione di channel power, la Resolution Bandwidth deve essere piccola in confronto alla larghezza di banda del canale (tipicamente tra l 1% e il 3%). Per le prove effettuate, sono stati scelti valori di RBW di 30kHz oppure di 100kHz. I tipi di detector più opportuni per questo tipo di misura sono l RMS ed il SAMPLE in quanto i detector di tipo peak non sono adatti a misurare i segnali noise-like. L uso dei detectors succitati comporta la scelta di una Video Bandwidth pari ad almeno 3 volte la RBW: nel caso di RBW 30kHz, la VBW utilizzata è stata di 100kHz, mentre nel caso di RBW 100kHz la VBW era pari a 300kHz. Per quanto riguarda la valutazione dei differenti risultati dati dal detector RMS o dal detector SAMPLE, sono state effettuate prove di confronto tramite una serie di misure (sul canale 58 in uno dei siti monitorati) alternando i due rivelatori, con acquisizione in free-run e tempo di sweep variabile tra 200ms e 1s. L influenza della varizione del tempo di sweep è stata ulteriormente testata relativamente all utilizzo del detector RMS, al fine di verificare se un differente numero di campioni acquisito per pixel (e sui quali viene calcolata la media quadratica) comportasse una variazione sensibile del valore misurato. Tali prove sono state effettuate sui canali 52 e 58, impostando il tempo di sweep a 20ms, 500ms e 1s. Per quanto riguarda la modalità di acquisizione della misura, una volta escluso l utilizzo della modalità di max hold a causa dell elevatissimo fattore di cresta di questo tipo di segnali, è stato approfondito l utilizzo della funzione di average su tempi differenti con i due diversi detectors. La finalità è stata quella di chiarire come la funzione di media lineare sulle tracce potesse influire sul risultato se la singola traccia era stata acquisita già con una funzione di media (detector RMS) o no (detector SAMPLE). In particolare si sono confrontate le seguenti configurazioni: acquisizione con detector RMS e single sweep di 10s (clear write), acquisizione con detector RMS in free-run e sweep time 500ms con funzione di average delle tracce per 10s, acquisizione con detector SAMPLE e sweep time 500ms con average per 10s e poi con average per 1minuto. 2) SCELTA DEL PUNTO DI MISURA E DELLA TIPOLOGIA DI ANTENNA Sono state effettuate, in due tra i siti monitorati, una serie di misure finalizzate a verificare le variazioni sul segnale, in alcuni canali, in funzione del punto di posizionamento dell antenna e dell orientamento della stessa. Tali variazioni, in termini di forma del segnale e di potenza complessiva, sono legate ai fenomeni di riflessioni multiple le cui conseguenze si manifestano in modo evidente nei segnali digitali a larga banda. Per quantificare i fenomeni in oggetto sono state effettuate rilevazioni a diverse altezze da terra con due antenne onnidirezionali per le quali l acquisizione delle tre componenti avveniva in modo differente: l antenna PBA10200 è dotata di un supporto che permette di allinearla lungo l asse perpendicolare al suolo e lungo i due assi (ortogonali) paralleli allo stesso, l EMSAP2000 è invece dotata di un supporto che orienta l antenna lungo tre direzioni con un inclinazione di 60 rispetto al piano del suolo. Le altezze da terra scelte sono state quelle standard di 1.1m, 1.5m e 1.9m: non è stato effettuato un campionamento più fitto a causa delle dimensioni delle antenne (circa 20cm l asse
maggiore). Un ulteriore prova ha riguardato lo spostamento dell antenna (la PBA10200) sul piano orizzontale a 1.5m da terra in 5 punti ai vertici e al centro di un quadrato di lato 1m. Per quanto riguarda invece il confronto tra le misure effettuate con diversi tipi di antenna, ulteriori rilevazioni si sono svolte posizionando le diverse antenne nello stesso punto e con le stesse impostazioni dell analizzatore. I punti scelti erano a varie altezze da terra, per poter verificare se, in presenza di riflessioni più o meno intense dal suolo, si evidenziassero differenze nelle risposte legate ai diversi diagrammi d irradiazione. Tutte le antenne confrontate sono omnidirezionali, tranne la logperiodica PMM LP02 (per la quale l acquisizione è stata effettuata lungo due direzioni ortogonali fra loro tali da formare una terna insieme alla direzione di propagazione). B) RISULTATI 1) CONFRONTO TRA L USO DEI DETECTORS RMS E SAMPLE E INFLUENZA DEL TEMPO DI SWEEP In tabella 1 si riportano i risultati, in termini di potenza di canale, delle misure effettuate sul canale 58 a 1.5m da terra con RBW 30kHz, VBW 100kHz e sweep time tra 200ms e 1s (letture istantanee, senza operazioni di media). Tabella 1 Valori di potenza di canale (in dbm) rilevati con detector tipo RMS o SAMPLE Sweep time (ms) Detector RMS Potenza (dbm) 200-66 -66.2 500-66.2-66 1000-66.1-65.9 SAMPLE Potenza (dbm) I valori di potenza misurati non presentano differenze significative (tenuto conto anche delle incertezze strumentali) con nessuno dei tempi di scansione impostati: l unica differenza rilevata consiste nella maggiore variabilità della traccia sullo schermo dello strumento se si utilizza il detector di tipo sample, con conseguente maggiore difficoltà di lettura soprattutto se il tempo di sweep è molto piccolo. Per quanto riguarda l utilizzo del detector RMS, si è valutata la variazione nel risultato al variare del tempo di sweep (con conseguente variazione del numero di campioni sui quali viene calcolata la media per ciascun pixel): si é osservato che la potenza misurata risulta pressoché costante al variare del tempo di sweep nell intervallo 20ms 1s. La scelta di questo parametro risulta quindi avere un influenza relativamente bassa sulla misura del segnale DVB-T. 2) MODALITA DI ACQUISIZIONE La lettura del valore di potenza di canale, nel caso di segnali a modulazione digitale multiportante, risulta molto sovrastimata se si sceglie una modalità di acquisizione di tipo max-hold a causa del comportamento noise-like del segnale: il valore ricavato è risultato essere di circa 13 db superiore a quello valutato con la funzione di average (con detector sample). L utilizzo della funzione di average è stato testato confrontando tra loro misure con detector RMS e SAMPLE effettuate in average, e poi effettuando il confronto con una misura con detector RMS in single sweep per un tempo prolungato (10s). La valutazione è stata effettuata per 4 canali: in figura 1 sono visualizzati gli scarti percentuali tra le letture di potenza effettuate nelle varie modalità. Per ciascuna modalità è stata anche calcolata la media degli scarti in valore assoluto su tutti i canali analizzati. Figura 1 - scarti percentuali tra le letture di potenza effettuate nelle varie modalità e media dei valori assoluti degli scarti stessi Modalità di misura 14 M1 RMS e single 12 sweep di 10s 10 M2 RMS sweep time 8 M1-M2 500ms (average 10s) 6 M1-M3 M1-M4 M3 SAMPLE e sweep 4 M2-M3 time 500ms 2 M2-M4 (average 10s) 0 M3-M4 M4 SAMPLE e sweep -2 time 500ms -4 (average 1 minuto) -6 514 MHz 530 MHz 650 MHz 850 MHz media scarto % tra i valori di potenza
Si osserva come gli scarti tra le potenze siano sempre al di sotto dell incertezza strumentale associata alla misura. Considerando la media su più misure in modo da ridurre l incertezza associata al dato, si può vedere che le misure effettuate con detector RMS nelle due modalità testate danno risultati fortemente confrontabili, mentre lo scarto maggiore si verifica utilizzando un detector SAMPLE con una funzione di media per un tempo relativamente breve (10 s). 3) VARIABILITA SPAZIALE, INFLUENZA DEL FADING E CONFRONTO TRA ANTENNE Le misure a diverse altezze da terra sono state effettuate in due siti e su due canali (28 e 43), utilizzando le antenne a dipolo conico EMSAP2000 e PBA10200. Nelle figure 2 e 3, a titolo di esempio, sono riportati i livelli misurati per il canale 28 con le due tipologie di antenne orientate secondo le tre direzioni a 3 altezze da terra. Figura 2 Livelli di campo elettrico rilevati a tre altezze da terra con antenna EMSAP2000 Variazione C.E con l'altezza (EMSAP2000) Figura 3 - Livelli di campo elettrico rilevati a tre altezze da terra con antenna PBA10200 Variazione C.E con l'altezza (PBA10200) 1.2 Campo Elettrico [V/m] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Altezza [m] 0 120 240 Campo Elettrico [V/m] 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Altezza [m] X Y Z Si osserva come in entrambi i casi vi sia una componente molto più bassa delle altre due. Nel caso dell antenna EMSAP tale componente corrisponde alla posizione dell antenna con il piano del toroide, che costituisce il diagramma di radiazione, circa ortogonale alla congiungente impianto-punto di misura; nel caso dell antenna PBA corrisponde invece alla posizione verticale (indicata come z), in cui ci si trova in forte disaccoppiamento rispetto alla polarizzazione prevalente del segnale. Per queste componenti, ciò che viene misurato è dovuto quasi interamente alle repliche riflesse del segnale, per cui risulta evidente nello spettro il manifestarsi del fenomeno di fading (figura 4) Figura 4 Spettro del segnale rilevato con antenna EMSAP orientata lungo la direzione corrispondente all accoppiamento peggiore. In termini di variabilità dei valori misurati alle tre altezze, la deviazione standard percentuale dei dati è contenuta entro il 23% (PBA), valore di poco superiore all incertezza strumentale associata alla misura. Nella figura 5, invece, sono confrontate le risposte delle due tipologie di antenna in termini di livello di campo elettrico complessivo (somma quadratica delle 3 componenti).
Figura 5 Livelli di campo elettrico totale (somma quadratica 3 componenti) misurato con le due tipologie di antenne campo elettrico (V/m) 1.6 1.55 1.5 1.45 1.4 1.35 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 PBA 10200 EMSAP 2000 1.1 1.5 1.9 Si può rilevare più chiaramente quanto già osservato a livello di componenti, cioè che nel caso dell antenna PBA la dispersione dei valori misurati alle tre altezze è maggiore di quella dei dati misurati con l antenna EMSAP: la deviazione standard è del 14.7% per la prima contro il 4.3% per la seconda. Questo comportamento sembra coerente con il fatto che le dimensioni fisiche dell antenna PBA sono leggermente inferiori rispetto a quelle della EMSAP, per cui quest ultima va a mediare su un volume maggiore e quindi a smorzare le disuniformità. Per quanto riguarda invece le misure effettuate in più punti alla stessa altezza da terra (con antenna PBA 10200), si è rilevata una variabilità dei livelli non significativa, dato che in queste misure è meno determinante l effetto delle riflessioni. Solo nel punto più prossimo ad una grande statua metallica (distante circa 4m dal punto stesso), si evidenzia per una delle componenti uno scostamento significativo nei valori. Un ultima prova è stata effettuata al fine di verificare le risposte di un antenna di tipo dipolo (biconica PBA 10200) e un antenna direttiva (log-periodica ) in presenza di forti fenomeni di fading. Si osserva dal confronto degli spettri in figura 6 come la forma del segnale raccolto dall antenna direttiva sia molto più regolare rispetto a quello rilevato dall antenna tipo dipolo. In termini di livello di potenza complessiva rilevato (somma quadratica delle componenti), le due antenne danno risultati confrontabili entro l incertezza strumentale, ma la misura con l antenna direttiva è affetta da una minore incertezza nella valutazione del channel power. Figura 6 spettri misurati con antenna direttiva in polarizzazione y (a) e con antenna non direttiva in polarizzazione orizzontale (b) (a) (b)
B) CONCLUSIONI Il lavoro svolto ha previsto una serie di misure di segnali DVB-T in campo, durante le quali sono stati effettuati approfondimenti relativamente alla variabilità introdotta nei livelli rilevati a causa di scelte sulle impostazioni strumentali e sulle procedure. In particolare, data la tipologia di segnale digitale in banda larga, si è voluta verificare l influenza sulle misure della scelta del detector nell analizzatore, dell impostazione del tempo di sweep anche in relazione al rivelatore utilizzato, della possibilità di applicare funzioni di media sulle tracce acquisite, della scelta del punto di misura e dell antenna per l acquisizione anche in funzione del fenomeno di fading. I risultati di queste misure mostrano che la variabilità dei livelli di potenza al variare dei parametri succitati è quasi sempre contenuta entro l incertezza delle catene strumentali per la misura in banda stretta, purché le impostazioni scelte rispettino i criteri di massima per la misura di un segnale a modulazione digitale: la misura va effettuata in channel power, non vanno utilizzati detector di tipo peak bensì di tipo sample o rms, il rapporto tra VBW e RBW deve essere maggiore o uguale a 3. All interno del basso range di variabilità riscontrato, le modalità di misura che sono risultate maggiormente ripetibili e confrontabili sono state quelle con uso del detector RMS con un tempo di sweep prolungato (10s.) oppure con l applicazione di funzioni di media sulle tracce. Per quanto riguarda la scelta dei punti di misura, si è verificato che, a causa delle riflessioni dal suolo, la variazione del dato con l altezza da terra del punto di misura può essere superiore all incertezza strumentale, e la dispersione di tali valori può variare al variare dell antenna non direttiva (in funzione delle dimensioni anche se non molto differenti). L effetto del suolo e dell ambiente complesso si ripercuotono anche sulla forma del segnale (fading), effetto particolarmente visibile se si utilizza un antenna non direttiva in confronto ad una direttiva. Pertanto la caratterizzazione del valore di esposizione in ambienti di propagazione complessi va fatta su più punti di misura in altezza e verificando le prestazioni dell antenna scelta. Bibliografia Trinchero D., Arnelli C., Testa A., Vicidomini M., Galli E., Misura di campo elettromagnetico irradiato da segnali a larga banda per radio-televisione digitale terrestre, Atti del Convegno Nazionale Dal monitoraggio degli agenti fisici sul territorio alla valutazione dell esposizione ambientale Torino, Ottobre 2003 Mignone V., Morello A., Visintin M., Lo standard DVB-T per la televisione digitale terrestre, Elettronica e Telecomunicazioni, n.1 Aprile 2002 G.d'Amore, S. Adda, L. Anglesio, "I problemi per la misura dei campi elettromagnetici a radiofrequenza con modulazione digitale", Media Duemila, n.9, anno XXII, pp. 88-91 (novembre 2004)