Come migliorare la visione dei canali del digitale terrestre

Oggi la Tv digitale terrestre usa solo una parte della vecchia banda Tv che, nel tempo, è stata riorganizzata per i servizi digitali di televisione e di telefonia mobile. La vecchia banda di frequenze compresa tra 40 e 860 MHz negli ultimi anni è stata ridotta a due porzioni 174 ÷ 223 MHz (VHF banda III, canali 5 ÷ 11) e 470 ÷ 790 MHz (UHF canali 21 ÷ 60). Attualmente è in fase di attuazione una ulteriore riduzione della banda UHF con una roadmap (si concluderà nel 2022), che impone a livello europeo l’esclusione dei canali UHF dal 49 al 60. Si ridurrà quindi la banda UHF utile al digitale terrestre che diventerà 470 ÷ 694 MHz (canali 21 ÷ 48).

La Tv digitale satellite, diversamente, usa frequenze molto più elevate per superare la grande distanza tra il satellite e l’antenna ricevente. Al fine di poter trasportare i segnali con i cavi coassiali la banda di ricezione satellite viene abbassata di frequenza passando da 10700÷11700 MHz a 950÷2150 MHz chiamata comunemente banda IF o 1aIF.

Negli impianti centralizzati di qualunque estensione e dimensione, la rete di distribuzione realizzata con cavi coassiali può quindi trasportare oltre che i segnali SAT, con frequenze 950÷2150 MHz, anche quelli TV terrestri, con frequenze 470 ÷ 790 MHz, grazie al fatto che le due bande di frequenza utilizzata dai due tipi di segnali è diversa e quindi non si sovrappongono e non si interferiscono tra loro. Si può perciò affermare che la banda totale distribuita in un impianto Tv-SAT va da 174 a 2150 MHz.

Attenzione alla telefonia mobile

Si deve tenere conto che all’interno di questa banda nello spazio di frequenze non utilizzato dai canali TV, attualmente tra 790 e 950 MHz, viene diffuso il servizio LTE dedicato alla telefonia mobile 4G che opera in downlink (ricezione dal telefono cellulare) da 791 a 821 MHz e in uplink (trasmissione dal telefono cellulare) da 832 a 862 MHz. Questi segnali, soprattutto quelli di ricezione (downlink), sono molto vicini all’ultimo canale della banda TV e possono quindi penetrare nelle antenne terrestri, raggiungere gli amplificatori di testa dell’impianto centralizzato e infilarsi nei cavi coassiali dell’impianto stesso.

Questo significa che per non avere interferenze negli impianti di distribuzione in cavo coassiale dei segnali TV, si deve inserire un filtro che blocca tutte le frequenze a partire da 790 MHz, oggi, e da 694 MHz entro il 2022. Se ci sono anche i segnali SAT è opportuno che il filtro attenui anche tutte le frequenze LTE fino a 862 MHz. Le antenne TV UHF di recente fabbricazione, dal 2012 in poi, sono già concepite per limitare la loro banda di ricezione a 790 MHz bloccando le frequenze superiori. Anche i centralini TV più recenti dispongono di un filtro sugli ingressi UHF per evitare interferenze nella fase di amplificazione dei segnali TV terrestri.

La mancanza di questi filtri o l’impiego di materiali di ricezione di vecchia costruzione mette a rischio la buona ricezione e distribuzione dei segnali TV. La condizione interferente più frequente si verifica quando i segnali LTE, sono talmente alti di potenza da portare gli amplificatori TV in condizione di “saturazione” ovvero costringere gli amplificatori a superare il livello massimo di uscita per il quale sono stati costruiti creando distorsione e fenomeni di “intermodulazione” che causano un peggioramento di qualità di tutti i canali TV distribuiti.

Consiglio ai tecnici più curiosi e attenti di consultare i risultati di prove e simulazioni sull’influenza dei segnali LTE negli impianti TV eseguite dal Centro Ricerche Rai di Torino e pubblicate sul numero 3 di Elettronica e Telecomunicazioni Dicembre 2011. In questo interessante articolo si può constatare che le interferenze dei segnali LTE non sono da trascurare, in alcuni casi compromettono pesantemente i segnali TV. Come consiglio generale, oltre all’uso dei filtri, si consiglia di verificare che il residuo di potenza dei segnali LTE introdotti nell’impianto non sia superiore di 15-20 dB rispetto ai canali DTT.

Un’altra condizione che facilita l’insorgere di interferenze è data da componenti non schermati, ovvero realizzati con circuiti definibili “in aria” posti in un contenitore plastico e senza schermatura metallica. Tutti i componenti sensibili alle interferenze LTE devono essere schermati (figura 2). La schermatura deve interessare sia i circuiti sia i connettori, perché i vecchi connettori per cavi coassiali realizzati con morsetti a vite non sono adatti.

I componenti a prova di LTE hanno tutti connettori coassiali ad avvitare di tipo F (figura 3). Ovviamente, anche la qualità dei cavi coassiali è importante, soprattutto la schermatura. Ci sono in commercio buoni cavi coassiali che hanno addirittura una doppia schermatura. Nei vecchi impianti TV, prima del 2012, veniva utilizzato cavo coassiale economico con schermatura ridotta che oggi non è più adatto. Quindi un filtro LTE in un vecchio impianto con cavi coassiali aventi una schermatura inadeguata non basta.

Le misure

Nella fase di allestimento dell’impianto TV o di manutenzione, occorre eseguire sempre misure specifiche sui segnali con uno strumento adeguato, ovvero un misuratore di campo con analizzatore di spettro che possa eseguire le misure sui segnali digitali quali: livello, BER, C/N, MER, Costellazione e Echi.

Possiamo affermare che le misure più significative sono quelle che si fanno in antenna. Avere buoni segnali in antenna è la condizione essenziale per cominciare.

La misura dei segnali in antenna deve fornire tutte le informazioni utili sullo stato dei segnali in arrivo, la direzione di arrivo, la polarizzazione, l’intensità, e tutti i parametri tipici che definiscono la qualità dei segnali ricevuti. In aggiunta, si deve fare un’attenta analisi di spettro per identificare fonti di interferenza e ritardi dovuti alle riflessioni ambientali. La conoscenza di questi aspetti e l’attenta valutazione sono indispensabili per attivare le strategie necessarie a migliorare la ricezione la dove vi siano problemi.

Per quanto riguarda l’intensità dei segnali ricevuti, è importante appurare se il livello o la potenza dei segnali ricevuti siano compresi nel margine di “amplificazione” ovvero se stiano all’interno di una gamma di valori che permettono di amplificare i segnali senza degradarli.

A questo riguardo occorre verificare che segnali più bassi abbiano un livello minimo adeguato. Diversamente, anche amplificando aumenterebbe il rumore e peggiorerebbe il rapporto C/N dei canali distribuiti con perdite di aggancio da parte di alcuni decoder.

Livello Minimo Ricevibile

Il livello minimo del segnale ricevibile dovrebbe essere orientativamente di almeno 40 dBµV, ma può essere diverso in funzione della banda di ricezione, VHF o UHF e del FEC adottato dall’emittente. Infatti, in funzione del numero di bit usati per correggere gli errori in trasmissione cambia il livello di campo minimo richiesto in ingresso al ricevitore per rendere possibile la demodulazione.

Tabella 1 – Campo elettromagnetico minimo richiesto in ingresso al ricevitore per rendere possibile la demodulazione

Per sapere se il livello di segnale misurato con l’antenna che stiamo installando corrisponde o supera il campo elettromagnetico minimo indicato nella tabella 1 possiamo applicare la seguente formula:

 Livello misurato (dBµV) + Fattore di Antenna AF (dB) = Campo EM (dBµV/m)

Per esempio, se si misura al connettore di un’antenna UHF, con guadagno 10 dB, un livello di 42 dBµV sul canale UHF 28 a 530 MHz, dal grafico si ottiene un AF di 14,5 dB. Pertanto, il campo elettromagnetico EM che investe l’antenna è pari a 42 + 14,5 = 56,5 dBµV/m, valore questo superiore al minimo per qualunque FEC.

Il fattore di antenna AF dipende dalla frequenza e dal guadagno dell’antenna, nella figura 6 è rappresentata la curva di riferimento di una antenna UHF avente un guadagno di 10 dB. Da questa curva si ricava il valore di AF alla frequenza desiderata. Per antenne con guadagno più alto o più basso di 10 dB, va calcolata la differenza e questa va sottratta o aggiunta al valore di AF ricavato. Per esempio se l’antenna ha un guadagno di 12 dB si dovrà fare 12-10 = 2 e infine AF-2. Se l’antenna ha un guadagno di 8 dB si dovrà fare 10-8= 2 e infine AF+2.

Livello massimo amplificabile

Negli impianti centralizzati TV, dove esiste un amplificatore di testa (Centralino TV), è importante anche valutare il livello massimo che i segnali possono assumere all’entrata dell’amplificatore. In sostanza, si tratta di verificare che i segnali più alti stiano nel range previsto dal progetto dell’impianto ovvero nel campo di amplificazione corretto del centralino TV. In questo caso, gli installatori che hanno molta esperienza, verificano che il livello stia all’interno delle seguenti condizioni cautelative: si contano i canali da amplificare “Nc”, si ricava il massimo livello di uscita “MaxOut” dell’amplificatore e il suo guadagno “G” dalla targa o dal catalogo del costruttore. Si stabilisce un margine di protezione “Mp” di almeno 3 dB. Dopodiché si calcola il massimo livello di entrata dell’amplificatore “MaxIn”, espresso in dB con la formula: MaxIn= MaxOut -[7,5Log(Nc-1)+Mp] – G.

Per facilitare le valutazioni del caso senza fare calcoli, nella tabella 2 sono riportati i massimi livelli di entrata ammessi MaxIN in funzione del numero di canali da amplificare con amplificatori TV d’uso frequente, aventi un guadagno di 20 dB e livelli di uscita tipici di 112 e 124 dBµV.

Tabella 2 – Riduzione delle prestazioni di un amplificatore TV in funzione del numero di canali da amplificare (secondo un modello del Centro Ricerche Rai di Torino)

Quale rumore

Un parametro di qualità fondamentale è espresso dal rapporto tra il segnale utile “Carrier” C e il rumore “Noise” N. La tabella 3 indica, quale è il valore di C/N necessario per ottenere una ricezione al limite della soglia di aggancio, cioè senza alcun margine di rumore, ma in condizioni QEF. Sono considerate tre tipi di condizioni di rumore (Rayleigh – Rice – Gaussian) che identificano tre condizioni di ricezione che corrispondono a “Rayleigh” quando si ha le presenza di moltissimi echi, “Rice” in condizioni “normali” con visibilità ottica e pochi echi, “Gaussian” quando il canale è degradato solo dal rumore.

Tabella 3 – Valori espressi in dB del rapporto C/N minimo relativo alla condizione QEF per la modulazione 64QAM

Aspetti di antenna

La qualità dei segnali TV terrestri ricevuti dipende in gran parte dall’antenna utilizzata e dalla sua posizione di installazione. Per mettersi al riparo da possibili interferenze, riflessioni ed echi la prima regola è quella di usare un’antenna molto direttiva che, oltre a concentrare la sua capacità ricettiva verso un angolo di captazione più stretto, ha i lobi laterali ridotti e un rapporto fronte-retro elevato.

Un’antenna direttiva porta solo vantaggi, un guadagno adeguato per captare la massima quantità di campo elettromagnetico, una buona discriminazione delle interferenze provenienti da angolazioni diverse da quella di puntamento e dagli echi, una protezione adeguata da interferenze contro polari e da disturbi impulsivi causati da motori elettrici e linee di alta tensione. Un’antenna dotata di filtro LTE è protetta anche dalle possibili interferenze dirette dai segnali cellulari 4G. Le normative tecniche prescrivono che un’antenna sia abbastanza direttiva da ricevere segnali interferenti, da angolazioni superiori a 25 gradi, con un’attenuazione di almeno 10 dB. Inoltre, che la stessa antenna, possa discriminare i canali contropolari di almeno 15 dB.

In merito alla posizione di installazione dell’antenna, sarà utile fare verifiche strumentali sulla qualità dei segnali ricevuti prima di stabilire la posizione finale. Può accadere che proprio il punto di ancoraggio previsto del palo di sostegno non sia quello più adatto alla ricezione dei segnali per effetto di possibili interferenze locali e ritardi dovuti all’ambiente circostante che separa la stazione trasmittente dall’antenna ricevente.

I primi effetti di una posizione inadatta si possono notare nella misura di MER e BER che anche in condizioni di vista ottica evidenzia valori corrotti. L’analisi di spettro è fondamentale per verificare, oltre al livello dei segnali la forma del canale ricevuto che deve avere una cresta piatta priva di ondulazioni, una buona altezza rispetto al rumore, un rapporto C/N adeguato. Lo spettro riesce anche a visualizzare eventuali interferenze impulsive generate da frequenze armoniche di radiocomandi, e scariche impulsive di motori elettrici o linee ad alta tensione. L’uso di antenne direttive, una schermatura adeguata dell’impianto di distribuzione e un buon posizionamento dell’antenna possono ridurre sensibilmente il problema.

Come procedere

Oltre al puntamento, che riguarda essenzialmente la ricerca della direzione di massima ricezione e di massima discriminazione di segnali o riflessioni interferenti sul piano orizzontale, si consiglia di valutare con attenzione gli effetti della stratificazione del segnale e delle riflessioni sul piano verticale. Le riflessioni che provengono dal basso possono essere molto distruttive. Le condizioni di propagazione, inoltre, possono variare molto in zone dove i segnali provengono da direzioni in cui in mezzo c’è il mare o un lago.

Gli effetti dovuti alle riflessioni generano segnali che si sovrappongono a quello principale con ritardi di arrivo delle informazioni digitali (simboli) che, se cadono fuori dall’intervallo di guardia, possono mettere in crisi il decoder. In questi casi, nella fase di ricerca della posizione migliore per l’installazione dell’antenna, può essere utile trovare “schermi” naturali alle riflessioni dal basso. In pratica, si sposta l’antenna in un punto dove eventuali riflessioni dal basso sono mascherate da edifici vicini o dalle falde dei tetti adiacenti.

Per trovare il punto migliore occorre spostare l’antenna tenendola collegata all’analizzatore di segnali e osservando dapprima in quale posizione si ottiene il massimo livello di segnale ricevuto con il MER più alto e il BER più basso. Trovata la posizione ottimale si osserva lo spettro, in particolare la cresta, per identificare eventuali “buchi” o avvallamenti che alterano la “piattezza” del canale. Se l’analizzatore che stiamo usando comprende anche un misuratore di echi, facciamo una verifica sull’intensità degli eventuali echi presenti. In caso di presenza di echi, se questi cadono nell’intervallo di guardia, possiamo trascurarli, ma è sempre consigliabile ridurne l’entità perché non si può sapere cosa accadrà quando cambieranno le condizioni di umidità e temperatura una volta che l’impianto è finito.

Prima di fissare l’antenna, facciamo quindi un ultimo spostamento facendo scorrere verso il basso l’antenna stessa sul palo, tenendola orientata sul piano orizzontale e cercando il punto nel quale gli echi perdono importanza, spettro di canale piatto in cresta, segnali riflessi meno forti, osservando anche BER e MER. In quel punto finalmente potremo fissare l’antenna. Un buon sistema per non agire sui morsetti di fissaggio dell’antenna durante lo scorrimento verticale, è quello di usare un palo telescopico a due o tre sezioni facendo scorrere un palo dentro l’altro mantenendo la direzione di puntamento.

Nei casi estremi, dove non si riesce a migliorare la ricezione nonostante si siano rispettati i criteri essenziali, antenna direttiva e posizione ottimale dell’antenna anche in altezza, si potrà ricorrere a un sistema più complesso che prevede l’uso di antenne accoppiate.

Valutazione degli echi

Il sistema DVB-T, grazie alla modulazione COFDM, è particolarmente refrattario alle riflessioni ma ci possono essere casi nei quali, nell’ambiente circostante al luogo di installazione e nello spazio che separa l’antenna ricevente dal trasmettitore locale, si possono creare ritardi dovuti a cammini multipli che possono mettere in crisi il decoder. Se con le reti MFN i casi sono veramente “limite”, con la pianificazione di reti SFN diventa più probabile imbattersi in riflessioni che provocano echi molto pericolosi mettendo a dura prova il decoder interno ai televisori.

È opinione comune in ambito tecnico considerare che il sistema DVB-T sia immune alle riflessioni ma si deve considerare che il segnale riflesso viene “sentito” dal decoder come un disturbo che provoca un abbassamento del MER e un aumento del BER. Si generano errori sul segnale decodificato, che, se il margine di rumore è adeguato, fa lavorare il sistema di correzione errori con buone probabilità di ristabilire uno stato sufficiente di ricevibilità del segnale. In caso di riflessioni multiple, i ritardi generati mettono in difficoltà il sistema di riconoscimento del segnale primario confondendo il decoder che non sa più quale segnale prendere come riferimento per correggere i ritardi.

Una prima verifica strumentale la si può fare con l’analizzatore di spettro. La visualizzazione espansa di un singolo canale o di un gruppo di canali adiacenti può mettere in evidenza la presenza di echi quando la cresta dello spettro non è piatta o “lineare”, ma presenta vuoti oppure mancano una o più parti. In questo caso, non possiamo valutare l’entità del fenomeno ma solo identificare la possibilità che esso sia la causa di una cattiva ricezione.

La deformazione dello spettro di canale o di un gruppo di canali viene spiegata con il fatto che l’effetto delle riflessioni può penalizzare maggiormente alcune frequenze della banda TV abbassandone o alzandone l’intensità. La natura di questo fenomeno dipende dallo sfasamento ricevuto dai segnali durante i vari cammini. Si potranno avere quindi vuoti fino ad azzerare una parte dello spettro di canale e picchi che possono arrivare anche a +6 dB.

Gli analizzatori di segnali più recenti e completi offrono sistemi di rivelamento degli echi misurandone l’intensità, il tempo di ritardo e la distanza nello spazio.

I segnali riflessi (echi)  si comportano come i normali segnali elettromagnetici che hanno una velocità pari a quella della luce 300.000 km/s, Questa considerazione ci permette di definire una corrispondenza tra Tempo e Distanza applicando la formula che lega lo Spazio e il Tempo (Velocità = Spazio/Tempo).  Per esempio, 30 km equivalgono a 100 µs. Questo significa che si può conoscere, in base al ritardo di tempo avuto, a quale distanza si genera l’eco. Inoltre, si può stabilire se l’eco può essere ininfluente oppure può inibire la decodifica dei segnali. Come già accennato, gli echi che arrivano entro l’intervallo di guardia previsto nel sistema DVB-T non avranno effetto sulla ricezione del segnale, al contrario di quelli che arrivano al di fuori di questo intervallo causeranno fenomeni di degrado del segnale. Nella tabella 4 ricordiamo i valori previsti per il sistema DVB-T.

Tabella 4 – Intervalli di guardia per le diverse modalità di trasmissione del sistema DVB-T (8K)

Nelle reti MFN ogni operatore dispone di una sola postazione trasmittente che usa una determinata frequenza in una zona di diffusione del servizio. Un solo trasmettitore genera il canale pertanto tutti i segnali riflessi e i relativi echi saranno tutti in ritardo (Post-Echi) e avranno un’intensità inferiore al segnale diretto. Gli echi che cadono all’interno dell’intervallo di guardia non avranno effetto sulla corretta ricezione del segnale.

Nelle reti SFN nascono le maggiori problematiche dovute agli echi perché non c’è un solo trasmettitore per ogni frequenza ma ci sono più trasmettitori per la stessa frequenza.  All’antenna quindi arrivano i contributi di più segnali “diretti” che giungono da direzioni diverse e da distanze diverse.

I segnali vengono ricevuti contemporaneamente, pertanto il decoder cercherà un segnale principale, più forte,  e gli altri, essendo più deboli, saranno trattati come echi con la differenza, rispetto alle reti MFN, che questi echi potranno arrivare sia in anticipo (Pre-Echi) sia in ritardo (Post-Echi) rispetto al segnale preso come principale. Il decoder esegue continuamente un processo di posizionamento degli echi all’interno dell’intervallo di guardia per minimizzare il loro impatto sulla qualità di ricezione.

Conoscenza, competenza e passione

L’allestimento di un impianto di ricezione efficiente richiede, come abbiamo potuto osservare, attente valutazioni, misure, prove, strategie e una buona tecnica. La ricerca delle condizioni ottimali ripaga sempre con risultati migliori. È un lavoro complesso che richiede tre predisposizioni base: conoscenza della teoria dei parametri di qualità e dei fenomeni di degrado, competenza per attuare strategie di miglioramento e adottare soluzioni efficaci, passione per affrontare tutto il lavoro con soddisfazione.