Lo standard MPEG2

Un'immagine televisiva analogica viene descritta come il risultato di una scansione operata da sinistra verso destra e dall'alto in basso. Ogni scansione completa è costituita da 625 linee ripetute per 25 volte al secondo.
Le 625 linee tv non vengono impiegate totalmente per descrivere l'immagine; infatti oltre alle informazioni sul contenuto di luminanza e crominanza sono necessarie altre informazioni per la cui trasmissione richiedono un periodo di pausa di 49 linee, quindi le linee "attive" dell'immagine sono 576.
Nella tv digitale si usa un'altra modalità di descrizione dell'immagine suddividendola in pixel. Per ogni linea televisiva si considerano 720 pixel quindi un'immagine tv è formata da 720 x 576 pixel.
Ad ogni pixel sono associati i valori di luminosità dell'immagine (luminanza Y) e i relativi valori di colore (crominanza C). Ogni pixel è costituito pertanto da campioni di luminanza e crominanza in numero variabile in funzione del livello qualitativo che si vuole ottenere.

Secondo le specifiche il segnale video digitale standardizzato è costituito dai dati relativi al campionamento di tre componenti del segnale video: la componente di luminanza "Y" e due componenti di differenza colore "Cb" e "Cr".
Queste tre componenti vengono campionate al fine di produrre un segnale digitale formato da 864 campioni di luminanza Y e 432 campioni di crominanza per ogni segnale differenza colore Cb e Cr. Questi valori si riferiscono a un'immagine completa di 625 linee e 50 quadri, l'immagine reale però, come detto, lascia inutilizzate alcune aree e pertanto i campioni utilizzati realmente sono meno, in quanto i pixel necessari alla descrizione dell'immagine sono 720 in orizzontale e 576 in senso verticale.
I campioni di luminanza e crominanza all'interno dell'immagine vengono suddivisi con una struttura definita in tre possibili formati: 4:2:2, 4:1:1 e 4:2:0.
Il formato 4:2:2 è lo standard di fatto per la diffusione Tv, il formato 4:2:0 è utilizzato nei contributi mentre il formato 4:1:1 è destinato per applicazioni di bassa qualità.
In un'immagine trasmessa nel formato 4:2:2 in orizzontale per ogni linea si hanno due campioni di crominanza ogni quattro campioni di luminanza mentre in verticale si ha la successione di linee identiche. Ciò significa che in orizzontale si ha un sottocampionamento mentre in verticale no.

Il bit rate necessario alla trasmissione di un segnale video in digitale è connesso alla larghezza di banda necessaria per eseguire la trasmissione via radio, pertanto per poter trasmettere un segnale digitale è necessario adattare il bit rate alla larghezza del canale satellitare. Ad esempio un canale satellitare largo 33 Mhz supporta un Symbol rate di 24,4 MSps che equivale in QPSK ad un bit rate di 48,8 Mbps (fuori dalla codifica Reed-Solomon e convoluzionale).
Viene tollerato un certo degrado di qualità per mantenere basso il tasso di errori entro un limite accettabile pertanto attualmente viene spesso utilizzato un Symbol Rate di 27,5 MSps che equivale a ottenere un bit rate massimo di 55 Mbps. Tale bit rate viene ridotto impiegando la codifica convoluzionale ottenendo quindi diversi valori di bit rate in funzione del FEC impiegato; con un FEC di 1/ 2 si ottiene 25,43 Mbps mentre con FEC 7/8 si ottiene 44,35 Mbps.
Attualemente il FEC più usato è 3/ 4 con il quale si ottiene un bit rate di 38 Mbps in un canale largo 33 Mhz e con SR 27,5 MSps.

Purtroppo nonostante i 38 Mbps, questi sarebbero ancora pochi per trasmettere un segnale tv digitale, ma è qui che entra in gioco la compressione MPEG2 adottata dal consorzio DVB (Digital Video Broadcasting); utilizzando questa compressione si riduce considerevolmente la quantità di dati da trasmettere riuscendo a usare un solo canale satellitare per veicolare più canali.
Considerando che un buon canale richiede ca 8 Mbitps si intuisce quanti canali (anche di bit rate diverso tra loro) si possono trasmettere con questo sistema sullo stesso transponder satellitare.

La sigla MPEG deriva dal nome del gruppo di lavoro che ha il compito di standardizzare le procedure di compressione per i servizi televisivi e multimediali (Motion Pictures Expert Group).

I segnali digitali

La televisione digitale sfrutta tecniche di modulazione diverse da quelle normalmente impiegate dalla televisione analogica e a loro volta differenziate per ogni modalità di trasmissione: terrestre, satellite o cavo. Ciò costringe di fatto ad impiegare apparecchi riceventi diversi per ognuna di queste modalità.
Per trasferire a distanza segnali televisivi si sfrutta un processo chiamato modulazione, con il quale il segnale televisivo, che sia analogico o digitale, sfrutta una portante (carrier) ad alta frequenza come mezzo di trasporto. Con questo sistema si possono trasferire informazioni video, audio e dati per lunghissime distanze come quelle che separano i satelliti dalla terra (ca 36000 km).
Nelle trasmissioni per via terrestre viene impiegata la modulazione di ampiezza AM che è caratterizzata da una ridotta larghezza di banda del canale TV; infatti nel sistema PAL B/G, che è normalmente impiegato nelle trasmissioni terrestri italiane, ad ogni canale TV viene assegnata una banda larga 7 MHz in banda VHF (Very High Frequency) e 8 MHz in banda UHF (Ultra High Frequency).
Nelle trasmissioni tv analogiche via satellite viene impiegata la modulazione di frequenza FM che garantisce una maggiore qualità delle immagini rispetto alla AM nonostante l'enorme distanza che separa il trasmettitore, sul satellite, dalla stazione ricevente, l'antenna sulla terra. Nella modulazione FM la banda del canale è molto più ampia e può variare tra 26 e 54 MHz, Le larghezze più usate per la diffusione diretta sono 27, 33 e 36 MHz .

Quando un segnale televisivo digitale deve essere immesso in una rete via cavo si impiega la modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation) in accordo con lo standard DVB-C (Digital Video Broadcasting- Cable). Questa modulazione è particolarmente adatta ad essere impiegata nella distribuzione via cavo per la sua ridotta larghezza di banda e per la sua scarsa influenzabilità da parte dei fenomeni tipici delle reti via cavo quali il return loss e gli echi (i segnali che raggiungono la fine del cavo possono generare un eco indietro verso la sorgente disturbando la trasmissione), nonché le interferenze indotte dall'esterno.
Se il segnale tv digitale deve essere diffuso per via terrestre si richiede l'impiego di modulazioni digitali non influenzate dai fenomeni di riflessione (come invece accade spesso per l'attuale trasmissione analogica) e quindi particolarmente robuste ai cammini multipli. Per questo scopo viene quindi adottata la modulazione COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) in accordo con lo standard DVB-T ( Digital Video Broadcasting - Terrestrial).
Le trasmissioni tv digitali via satellite impiegano la modulazione QPSK (Quadrature Shift Keying) come previsto dallo standard DVB-S (Digital Video Broadcasting- Satellite) occupando la stessa banda di un canale analogico ma permettendo di trasmettere su di esso più programmi televisivi grazie alle tecniche di compressione dei dati e agli algoritmi di correzione degli errori.
Nel campo delle trasmissioni televisive digitali via satellite la modulazione QPSK è stata scelta per la sua robustezza nei confronti del rumore, caratteristica importante vista la lunga tratta che deve percorrere il segnale per raggiungere le nostre antenne paraboliche (che sono di piccolo diametro).

Parametri caratteristici delle trasmissioni QAM

Nelle reti di tv via cavo il rumore non costituisce un problema in quanto è normalmente limitato. Invece ha enorme importanza la banda disponibile pertanto i singoli canali devono occupare una banda ristretta, circa 7-8 MHz, pur mantenendo la qualità del segnale. Questo importante requisito non viene soddisfatto dalla modulazione QPSK in quanto la banda occupata da questa modulazione occupa normalmente l'intera banda disponibile su un transponder satellitare. La modulazione QAM sfrutta meglio le risorse in termini di banda grazie all'impiego della modulazione di fase e di ampiezza applicata a 64 possibili simboli. In questo modo si ottiene una mappa della costellazione costituita da 16 combinazioni per ogni quadrante per un totale di 64 simboli. Di fatto la modulazione QAM è derivata dalla QPSK ma a differenza di questa che ha un solo simbolo per ogni quadrante nella QAM per ogni simbolo si ha una ulteriore modulazione di fase e di ampiezza con sedici possibili valori per ogni quadrante. Le componenti I e Q mantengono la loro relazione di quadratura ma con molte più variazioni di fase rispetto ai 180° della modulazione QPSK. Nella figura sotto è rappresentata la costellazione QAM con le possibili 64 variazioni di fase e ampiezza. La presenza di più punti nella costellazione QAM rispetto alla QPSK permette di trasmettere più dati nella stessa unità di tempo portando ad una riduzione di banda ma acquisendo una minore robustezza nei confronti del rumore. La QAM potrebbe invece essere influenzata dalle riflessioni e dagli echi delle reti in cavo coassiale ma tale eventualità viene facilmente controllata introducendo la codifica del segnale e quindi sfruttando un sistema di correzione degli errori.

Parametri caratteristici delle trasmissioni COFDM

L'ambiente in cui si diffondono le trasmissioni per via terrestre genera fenomeni di degrado dei segnali quali, riflessioni, cammini multipli, e attenuazioni selettive in frequenza. Un segnale digitale modulato in QAM in questo ambiente subirebbe un tale degrado da diventare irrecuperabile. Anche altre tecniche di modulazione subirebbero grossi degradi a causa della grande quantità di dati che caratterizzano i segnali televisivi compressi MPEG-2. Per risolvere questi problemi è stata messa a punto la tecnica di modulazione ortogonale a divisione di frequenza OFDM.
Alla base di questo sistema si impiega sempre la modulazione QAM ma non applicata ad una sola portante ma a più portanti trasmesse contemporaneamente ed ortogonali tra loro.
Questa caratteristica quindi suddivide il contenuto delle informazioni da trasmettere su migliaia di portanti, 1750 (modalità 2K) o 6817 (modalità 8K). Ogni portante dista dalle adiacenti, in termini di fase, di 90°. Da cui deriva la definizione di ortogonalità. Per effetto dell'ortogonalità sono minimizzati al massimo i fenomeni di interferenza isocanale permettendo di utilizzare la stessa frequenza per la rete di ripetitori. Per aumentare la protezione da errori di trasmissione la modulazione OFDM viene codificata con il FEC (Forward Error Correction) e prende il nome di COFDM.

Parametri caratteristici delle trasmissioni QPSK

La modulazione QPSK (Quadrature Shift Keyng) viene impiegata dalla tv satellite digitale perché richiede l'impiego di basse potenze di trasmissione che parzialmente vengono compensate da sistemi di antenna ad elevato guadagno. Ma il punto debole di un collegamento via satellite rimane comunque il rumore. Infatti anche con i dovuti accorgimenti varia la sua entità secondo le condizioni climatiche con un aumento considerevole durante i momenti di pioggia o temporali. Proprio per evitare gli effetti degradanti del rumore viene impiegata questa tecnica di modulazione che grazie al suo principio di funzionamento è immune da quest'ultimo e si basa su due portanti aventi la stessa frequenza ma sfasate tra loro di 90° (vedere foto sotto). Le due portanti si chiamano I e Q. La lettera "I" vuol dire "in phase" mentre la lettera Q vuol dire per "quadrature". spostando una o entrambe le portanti di 180° si ottengono quattro diversi fasori (vettori rappresentativi di una grandezza sinusoidale nel metodo simbolico): ognuno di essi si riferisce ad una combinazione di due bit chiamata simbolo. In presenza di rumore i quattro punti della costellazione tendono a muoversi e a confondersi per gli inevitabili spostamenti di fase. L'impiego di solo quattro fasori lascia ampio spazio a questi movimenti provocati dal rumore e quindi si ha un grande margine di funzionamento prima che il ricevitore di utente fallisca nel riconoscimento dei simboli.
La mancanza di un riferimento di fase nel ricevitore potrebbe determinare la necessità di trasmettere un riferimento affinché siano facilmente identificabili le portanti I e Q ma non è così. Infatti nella modulazione QPSK si rispetta un processo di cambiamento di fase che tiene conto del precedente simbolo impiegato. Questa tecnica chiamata "codifica differenziale" esclude la necessità di avere altri riferimenti. Questo sistema subirebbe molto negativamente gli effetti tipici dei collegamenti terrestri con riflessioni e cammini multipli e soprattutto con possibili interferenze. Per questo motivo la modulazione QPSK rappresenta la soluzione ideale per i collegamenti via satellite che, seppure rumorosi, sono largamente esenti da questi fenomeni.

Una trasmissione QPSK quindi si presenta, come rumore che occupa tutto il canale. Per poter decodificare il segnale è necessario conoscere alcuni parametri di trasmissione essenziali. Molti di questi sono standardizzati, ma alcuni possono variare da un canale all'altro e dovranno essere impostati sul ricevitore. Questi sono:

1- Frequenza del canale: FREQ
La portante digitale appare come un canale largo in genere 36 MHz contenente come detto solo "rumore", per cui non è facile individuare la frequenza esatta, che deve essere per forza sintonizzata entro +/- 5 MHz.

2- Quantità di simboli (Symbol Rate): SR
E' la quantità di dati trasmessi sulla singola frequenza (Transponder). Ogni simbolo corrisponde a due bit e viene parametrizzato come MS/s (MegaSymbol al secondo) per cui si ottiene la velocità con cui vengono trasmessi i dati numerici.

3- Cadenza di codice (Code Rate o Forward Error Correction): FEC
Chiamato anche Viterbi Rate (dal nome del circuito correttore). Poichè il segnale da satellite è molto "rumoroso", ai bit di dati "veri" della trasmissione vengono inseriti dei bit cosiddetti di "controllo", per permettere al ricevitore di individuare quelli sbagliati e correggerli. Più bit di controllo vengono aggiunti più la trasmissione è sicura ma a scapito della quantità di dati trasmessi nello stesso tempo (e quindi meno canali per transponder). Ad esempio se si usa un FEC di 1 /2 si ha un bit di dati e un bit di controllo, 2/3 due bit di dati e un bit di controllo e via dicendo.

4- Polarizzazione: LV-LH o CD-CS
I segnali inviati dal satellite vengono trasmessi secondo un determinato asse di polarizzazione (piano di segnale elettromagnetico) che può essere Lineare Verticale - Lineare Orizzontale (banda Ku e C) oppure Circolare Destra - Circolare Sinistra (solo banda C), questo per sfruttare al massimo lo spazio disponibile all'interno di una stessa banda satellitare. Le opposte polarizzazioni permettono inoltre una parziale sovrapposizione dei canali senza interferenze reciproche (a patto che sia regolato l'offset di polarizzazione). Il ricevitore deve avere impostato questo parametro per distinguere la frequenza voluta da quella del canale contropolare (cioè di polarizzazione opposta).

Il convertitore LNB

Mentre il disco parabolico ha la funzione di convogliare verso il suo "fuoco" i debolissimi segnali provenienti dal satellite, il convertitore o LNB (Low Noise Block Converter) che si trova appunto nella posizione in cui le microonde si concentrano, ha la funzione di convertire il segnale in frequenze che possano passare attraverso i normali cavi coassiali e di amplificare le stesse.
Gli LNB attuali sono detti "universali" perchè riescono a ricevere l'intera banda di frequenze trasmesse (700-2150 Mhz), a sua volta suddivisa in due sottogamme chiamate banda bassa (10,7-11,7 Ghz) e banda alta (11,7-12,75 Ghz)

Per poter comandare l'antenna parabolica con annesso LNB, il ricevitore deve comunicare attraverso lo stesso cavo coassiale delle istruzioni particolari:

a- 13/18V
b- 22 Khz
c- Diseqc

a- 13/18V
Tensioni inviate al convertitore per la commutazione tra le 2 polarizzazioni: 13V= Polarizzazione verticale, 18V= Polarizzazione orizzontale.

b- 22 Khz
Tono inviato sempre al convertitore per la commutazione tra le due bande disponibili: banda bassa, banda alta

c- Diseqc
I comandi Diseqc sono usati per la commutazione tra più satelliti e/o la gestione di complessi sistemi centralizzati e si sovrappongono agli altri appena citati senza interferenze reciproche perchè ad esempio durante la trasmissione continua del tono a 22 Khz ci sono brevissimi intervalli di assenza di tono, prima e dopo un comando Diseqc, che comunque non permettono all'LNB di effettuare una commutazione non voluta tra le bande.
Il sistema Diseqc ha delle specifiche precise di temporizzazione tra i dati e gli intervalli di silenzio ed è standardizzato per questo funziona alla stessa maniera con tutti i ricevitori ufficialmente compatibili.

Livelli di Diseqc e funzionalità:

Analisi dei segnali satellite

Vi sono alcune importanti differenze tra i segnali analogici e quelli digitali in termini di contributo di energia del segnale in fase di trasmissione. In un segnale analogico l'energia viene viene associata alla frequenza portante in quanto è su tale singola frequenza che agisce il processo di modulazione da parte del segnale di banda base. Ciò significa che un segnale trasmesso via satellite in modalità analogica è costituito da una portante la cui fase e di conseguenza la frequenza, è in continuo movimento per effetto del segnale modulante.
Ciò nonostante per determinare il livello di un segnale analogico modulato in FM è sufficiente compiere la misura sulla frequenza portante. Nel caso di un segnale digitale l'energia si distribuisce in modo uniforme all'interno della banda disponibile.
Analizzando i due segnali nella loro rappresentazione grafica, ovvero osservandoli sullo schermo di un analizzatore di spettro si possono fare le seguenti considerazioni.

Il segnale analogico è caratterizzato da una forma a punta , soggetta a continui movimenti laterali impressi dalla modulazione, mentre il segnale digitale si presenta con la classica forma di un "panettone".

Osservando le due immagini riprodotte qui sopra e fissandosi sull'altezza (ovvero l'ampiezza) dei due segnali, si potrebbe concludere che il segnale analogico abbia un maggiore contributo energetico rispetto a quello digitale. La differenza di ampiezza potrebbe trarre in inganno; in realtà ciò che differenzia i due segnali è la distribuzione spettrale dell'energia.

I segnali Tv digitali diffusi via satellite sono basati sul sistema MPEG-2 tramite il quale si ottiene una compatibilità totale in tutti i processi di produzione, elaborazione e diffusione dei programmi. La trasmissione di questi segnali avviene sfruttando la già citata modulazione QPSK e per ottenere un sufficiente grado di protezione vengono introdotti algoritmi quali il codice REED SOLOMON e il codice convoluzionale di VITERBI.

I parametri fondamentali su cui si basa la verifica della qualità di un segnale digitale sono:

a- Livello
b- Rumore
c- Rapporto tra portante e rumore (carrier to noise C/N)
d- Tasso di errori di ricezione dei dati (bit error rate BER)
e- Margine di funzionamento (noise margin)
f- Cross-polarizzazione

a- Livello
Espresso in dBµV è la potenza con cui giunge a noi il segnale satellite (in genere deve arrivare al ricevitore con un valore compreso tra 47 e 77 dBµV: da considerarsi ottimale un valore di 60 dBuV) e dipende dallo "spot" del satellite, dalla potenza del transponder in questione e ovviamente dalle dimensioni del disco parabolico ricevente.

b- Rumore
Fenomeno che influenza sempre le trasmissioni via radiofrequenza. Il rumore arriva all'antenna insieme al segnale via satellite e nasce anche in ogni circuito elettronico pertanto anche nel cavo (nella posa in opera e nelle sue componenti capacitive, induttive e resistive), nei connettori (nell'intestazione degli stessi) e nell' LNB ( nella precisione dell'oscillatore locale) che si può considerare il primo responsabile di un eventuale degrado.
Un cavo coassiale a cui sono state fatte compiere curve dal raggio di curvatura troppo ridotto e i connettori "F" non correttamente installati possono causare il disadattamento d'impedenza provocando delle perdite di segnale dovute a riflessione.
Vi sono poi altre "fonti" legate all'aspetto ambientale che contribuiscono ad aumentare il degrado (ad es. temporali).

c- C/N
Per quanto riguarda la misura del rapporto "carrier to noise" (C/N) si può risalire alla natura stessa della misura .
Questa viene eseguita confrontando due livelli di tensione, quello portante (carrier) e quel del rumore (noise).
Il rapporto tra i due valori determina il valore di C/N. Con valori espressi in forma logaritmica ovvero in decibel (db) basterà sottrarre il valore di N al valore di C (in genere deve essere, al ricevitore intorno ai 15 dB)

d- BER
La misura di BER (Bit Error Ratio) necessita di uno strumento digitale ed è il parametro fondamentale per valutare la qualità di un segnale digitale ed esprime il rapporto, in termine di bit, tra le informazioni errate e le informazioni corrette ricevute.
Tendenzialmente si può parlare di "Channel BER" quando la verifica viene fatta sul segnale digitale ricavato subito dopo il gruppo di sintonia (tuner) e quindi prima dell'applicazione dell'algoritmo convoluzionale di Viterbi; lo stesso segnale prende il nome di BER PRE VITERBI.
Questo segnale ha un importanza fondamentale in quanto fornisce direttamente un'indicazione della soglia del margine di ricezione anche in funzione delle condizioni metereologiche, inoltre si può misurare in ogni parte dell'impianto sia individuale che collettivo allo scopo di individuare eventuali punti critici nella distribuzione dei segnali.

Per avere un'idea dei valori di BER in un impianto collettivo ci si può riferire allo schema sottostante :

Facendo invece riferimento alle norme tecniche viene indicato come riferimento il BER POST VITERBI (o BER PRE REED SOLOMON, dal nome del circuito correttore successivo) nella misura di un preciso punto di soglia chiamato punto QEF (Quasi Error Free): in genere 1E-4. Il BPostV può essere anche un milione di volte più piccolo del Channel BER e per tale ragione questi non è sempre misurabile perchè il conteggio viene eseguito solo se errori si presentano. Praticamente per effettuare la misura occorrerebbe aspettare qualche giorno (in attesa che arrivino almeno 1000 miliardi di byte).

e- Noise Margin
Il Noise Margin rappresenta il margine di rumore ovvero la riserva di segnale utile che si ha in un impianto ricevente.
Questo parametro è molto importante in quanto si può valutare l'affidabilità dell'impianto nei confronti di fenomeni degradanti del segnale ricevuto. Si ha quindi un indice di protezione da degrado dovuto a condizioni di tempo avverse o da possibili interferenze.
Questa misura è solitamente eseguita riferendosi a tabelle fornite dal costruttore del misuratore di campo.

Nella figura soprastante sono riassunti i casi in cui le considerazioni fatte sopra possono non essere valide.

c- Cross-polarizzazione
E' l'allineamento dell' LNB rispetto ai piani di polarizzazione dei segnali in arrivo, influenza la sintonia e il margine di funzionamento. In pratica occorre allineare i piani del segnale elettromagnetico orizzontale e verticale in modo che coincidano con i due sensori inseriti all'interno dell' LNB, disposti il primo in orizzontale e il secondo in verticale.
Per eseguire questa regolazione con un misuratore di campo è necessario osservare lo spettro radio e ruotare leggermente l' LNB nella sua sede fino a quando le "punte" dei canali contropolari (cioè quelli con polarizzazione opposta a quelli da ricevere) diventino le più basse possibili.

Le immagini dell'articolo sono tratte dalla rivista Eurosat (JCE)

DOWNLOAD PDF