Minicorso sulle tecnologie digitali per la voce - Ari Potenza - 27/3/17 - L'audio del confronto fra modi HF (slide #37) è su https://www.youtube.com/watch?v=rMXW0muU0CI
1. La voce digitale
Comunicare nel nuovo millennio
Giorgio Rutigliano, I8ZSE
ARI – Sezione di Potenza
27-03-2017
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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)
6. 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
7. 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)
8. 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.
9. 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
10. 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.
11. 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.
12. 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)
13. 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]
14. 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
15. 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.
17. 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
18. 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
19. 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
20. 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
21. 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
22. 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
23. 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
26. 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)
27. 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
28. 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 **
29. 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
30. 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
31. 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
32. 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
33. 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
34. 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
35. 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
36. La versione hardware
• SM1000
• Si interfaccia direttamente con
l’apparato
• E’ funzionalmente equivalente
alla versione software
• Costo: 190$
37. 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
38. 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