Un utile manuale sulla televisione digitale terrestre

Antenna digital

Premessa introduttiva

La trasmissione digitale televisiva, al di là di inevitabili problemi di realizzazione e rodaggio dovuti soprattutto ad una scelta troppo frettolosa senza aver effettuato prima una migliore dislocazione dei siti di trasmissione con i relativi diagrammi di irradiazione, rappresenta una importantissima tappa verso la realizzazione di futuri servizi interattivi degli apparati televisivi che si aggiungeranno alla semplice ricezione dei programmi televisivi, trasformando cosi l’apparecchio televisivo in un vero e proprio computer interattivo attraverso il quale sarà possibile usufruire di innumerevoli servizi.

Le trasmissioni digitali televisive in Italia si basano sullo standard europeo Digital Video Brodcasting (DVB) realizzato per le trasmissioni televisive digitali via terra (DVB-T), via cavo (DVB-C) e via satellite (DVB-S). Questo standard televisivo digitale, ormai del tutto realizzato nel nostro paese, garantirà i seguenti vantaggi rispetto alla trasmissione analogica:

notevole potenziamento dell’offerta di programmi televisivi come quantità, questo perchè a parità di banda a radio frequenza occupata, con la trasmissione televisiva digitale è possibile trasmettere al posto di un solo programma analogico, fino a quattro programmi diversi più innumerevoli informazioni interattive e di utilità, senza ulteriori informazioni e riducendo sensibilmente la qualità è possibile trasmettere fino a otto programmi diversi;

notevole potenziamento dell’offerta di programmi televisivi come qualità, lo standard DVB permette la trasmissione di immagini e suoni di alta qualità permettendo l’utilizzo del formato immagine 16:9 al posto del classico 4:3 (per formato si intende il rapporto fra le dimensioni orizzontale e verticale dell’immagine) e quindi la visione con schermi di grandissime dimensioni senza alcun degrado di definizione dell’immagine, inoltre limitando il numero di programmi in un canale si possono trasmettere immagini ad alta definizione (HD);

a parità di area di servizio l’utilizzo di amplificatori di minore potenza in trasmissione in quanto è garantita una maggiore protezione dai disturbi e dairumori;

realizzazione di reti nazionali in isofrequenza Single Frequency Network (SFN);

fornitura di innumerevoli servizi aggiuntivi di tipo interattivo con l’utilizzazione dei televisori di ultima generazione sarà possibile trattare ed immagazzinare le informazioni e, tramite collegamento alla linea telefonica o al cellulare, sarà possibile accedere ai servizi Internet come ad esempio la piattaforma MHP (Multimedia Home Platform) per i servizi multimediali di utenza domestica.

Tutto questo vuole dire che soprattutto l’utenza domestica, senza muoversi da casa e in modo semplice, potrà disporre sul proprio televisore oltre che di una vasta gamma di programmi video di ottima qualità anche di una vasta gamma di operazioni che oggi richiedono spostamenti in luoghi particolari come operazioni bancarie, postali, adempimenti amministrativi oppure l’utilizzo di un computer che in molti casi ancora risulta di difficile comprensione. In figura 1 è rappresentato, tramite schema a blocchi, il sistema di trasmissione digitale terrestre DVB-T.

Fig.1
Fig.1: Schema a blocchi del sistema DVB-T

Gli studi di produzione e la messa in onda

Gli studi di produzione e/o la messa in onda provvedono a fornire i relativi segnali audio e video opportunamente digitalizzati, nel caso di figura 1 quattro programmi diversi, che vengono applicati a quattro codificatori che provvedono a codificarli digitalmente secondo lo standard MPEG-2, i quattro segnali codificati vengono inviati all’ingresso di un multiplexer (MUX) che in uscita fornisce un unico flusso di dati digitali chiamato Transport Stream (TS) . Il transport stream cosi generato e compresso viene applicato ad un modulatore digitale che provvede a fornire in uscita una portante modulata a frequenza intermedia IF di 70 MHz secondo i sistemi QPSK oppure 16-QAM o 64-QAM che viene poi convertita a microonde e trasmessa alla postazione trasmittente tramite collegamento in ponte radio.

 La postazione trasmittente

Il segnale a microonde viene ricevuto alla postazione trasmittente, generalmente situata ad elevata altezza sul livello del mare con possibilità di servire vaste aree di utenza, e viene nuovamente convertito a frequenza intermedia di 70 MHz e demodulato per riottenere il TS con le informazioni dei quattro programmi. A questo punto il TS può essere collegato direttamente ad un modulatore che fornisce in uscita una portante modulata a frequenza intermedia di 36÷44 MHz secondo gli standard OFDM per il DVB-T (ad esempio per gli Stati Uniti il sistema e ATSC e lo standard 8VSB) che viene poi convertita in banda VHF o UHF tramite la catena di amplificazione ad alta potenza; oppure può essere utilizzato per altre trasmissioni ad esempio analogiche o reso disponibile per altri collegamenti in ponte radio verso altre stazioni trasmittenti. Il segnale, convertito in un canale nelle bande VHF (banda I 47÷68 MHz canali E2÷E4 e banda III 174÷230 MHz canali E5÷E12) oppure UHF (banda IV 470÷606 MHz canali E21÷E37 e banda V 606÷790 MHz canali E38÷E60), viene collegato al sistema radiante che con il proprio diagramma di irradiazione opportunamente progettato provvede ad irradiare il segnale per servire un determinato bacino di utenza.

Il bacino di utenza

Il segnale trasmesso attraverso il sistema radiante viene ricevuto dall’utente, attraverso un adeguato impianto di ricezione relativamente all’area di servizio della postazione trasmittente, ed è reso visibile sul televisore attraverso l’impiego di un dispositivo decodificatore che in caso di vecchi televisori può essere esterno al ricevitore (set top box) oppure IRD (Integrated Receiver Decoder) integrato all’interno del ricevitore in caso di televisori di ultima generazione.

Il codificatore MPEG-2

Per poter effettuare correttamente una trasmissione digitale terrestre, occorre che le informazioni video e audio siano generate direttamente in forma digitale o come invece avviene nella generalità dei casi, convertire in digitale quelle generate in forma analogica; la maggior parte delle emittenti televisive infatti invece di sostituire completamente tutte le apparecchiature di produzione analogica (telecamere, mixer video e audio, matrici di commutazione, monitor, apparecchiature varie da studio, ecc.) ancora oggi preferiscono molto più economicamente convertire il segnale analogico in digitale, in pratica il segnale video e audio analogico generato dallo studio di produzione o in uscita dalla messa in onda, prima di essere inviato al codificatore MPEG-2 viene convertito in digitale.

Purtroppo il segnale digitale di una determinata informazione, è composto dall’insieme di una grande quantità di dati assumendo cosi una grande dimensione, tale da non poter essere trasmessa nella larghezza di banda assegnata ai canali televisivi analogici; è necessario quindi codificare e comprimere questi dati in modo tale che non superino la larghezza di banda assegnata ma soprattutto non producano un deterioramento dei segnali audio e video.

Questo è il compito del codificatore che attraverso lo standard internazionale MPEG-2 (Motion Picture Expert Group versione 2) è in grado di comprimere un programma da 200 Mbit/s in circa 5 Mbit/s senza deteriorare in modo apprezzabile la qualità dei segnali sia video che audio.

La compressione del segnale video consiste essenzialmente nell’eliminazione di tutte quelle parti non essenziali (ridondanti), per questo motivo il codificatore MPEG video opera in base alle seguenti particolarità:

– le immagini hanno spesso zone con gli stessi punti (pixel) di luminanza e crominanza, il codificatore aggrega questi punti trasmettendo cosi meno informazioni;

– tutti gli individui hanno una percezione visiva molto piu sensibile alla luminanza piuttosto che alla crominanza, pertanto per il colore vengono impiegate meno informazioni (bit);

– vengono trasmesse per un certo numero di volte solo le differenze tra una immagine (quadro o frame) e quella successiva, prima di ritrasmettere l’immagine completa, queste differenze vengono chiamate GOP (Group Of Pictures). I GOP sono costituiti dai seguenti tipi di quadri:

  • I : immagine completa con tutte le informazioni necessarie alla sua ricostruzione, è la più grande come quantita di bit trasmessi ed e quella necessaria per iniziare il processo di decodifica, in pratica il decodificatore del televisore deve attendere questa immagine per avviare la corretta decodifica del quadro;
  • P : differenze rispetto all’immagine completa I o al quadro P precedente;
  • B : differenze rispetto alle immagini I e P precedente e successiva, è la più piccola come quantità di bit trasmessi e non può essere replicata troppe volte consecutivamente.

In pratica un GOP comprende un quadro I alcuni quadri P ed eventuali quadri B inoltre non possono essere eccessivamente lunghi in quanto il decodificatore, per operare correttamente, deve attendere l’inizio di un GOP.

La sequenza tecnicamente più efficiente e per questo più comunemente usata è quella della lunghezza di 12 quadri cosi strutturati: IBBPBBPBBPBB.

Per codificare il segnale digitale vengono usati principalmente il formato 4:2:0 MP@ML (Main Profile@Main Level) ed il 4:2:2; con il formato 4:2:0 il segnale video viene codificato con un rapporto di 4 informazioni per la luminanza e 2 per la crominanza, questo risulta essere il rapporto ideale per la percezione visiva inoltre offre risultati eccellenti anche con bit rate bassi; con il formato 4:2:2 il segnale video viene codificato con un rapporto di 4 informazioni per la luminanza e 4 per la crominanza, questo rapporto risulta essere sensibilmente migliore solo con bit-rate maggiori di 10 Mbit/s, vantaggio che però risulta vano nel caso vengano convertiti in digitale segnali analogici. Considerando che per un programma televisivo difficilmente si superano bit-rate di 10 Mbit/s il profilo di codifica usato è quasi sempre il 4:2:0.

Il codificatore audio MPEG usa degli algoritmi psicoacustici che determinano, per ogni singola banda di frequenze, tutte quelle parti del segnale audio che sono sotto il livello di percezione dell’orecchio umano ed evita di trasmetterle, ammette uno o due canali con un bit-rate tra 32 e 448 kbit/s e si basa su i seguenti modi di codifica:

  • mono un solo canale audio;
  • stereo un canale sinistro e un canale destro;
  • dual channel due canali mono indipendenti con bit-rate equamente diviso;
  • joint stereo una configurazione del modo stereo dove i segnali vengono filtrati e separati in bassa e alta frequenza prima di essere codificati;
  • musicam oltre a due canali stereo e dual sound, fornisce fino a 5 canali compressi per ottenere l’effetto “home cinema”.

In pratica il codificatore MPEG-2 provvede a fornire in uscita un flusso di dati contenenti il programma audio/video da trasmettere opportunamente compresso e codificato che viene chiamato Transport Stream. Il transport stream in uscita dal codificatore è un flusso costante di dati in una sequenza continua di pacchetti con lunghezza fissa, ognuno dei quali è costituito da: una testa (header) che comprende un byte di sincronismo e il PID (Program IDentifier) numero identificatore del programma con i dati cui il pacchetto è riferito; dal carico pagante (payload) ovvero dai dati effettivi del programma. Per interfacciare il transport stream con le altre apparecchiature della catena trasmittente vengono impiegati generalmente due tipi di interfaccia:

– SPI (Synchronus Parallel Interface) è realizzata con connettore standard da 25 pin composto da 8 segnali di dati (Parallel Data Path), 1 segnale di sincronismo (Psync), 1 segnale di clock, 1 segnale che identifica i dati validi (DValid). I livelli elettrici sono a bassa tensione bilanciati LVDS (Low Voltage Differential Signal) oppure sbilanciati LVTTL (Low Voltage TTL);

– ASI (Asynchronus Serial Interface) è realizzata con linea coassiale sbilanciata da 75 Ω e connettore BNC. E’ l’interfaccia più usata e viene impiegata per la connessione tra apparati diversi anche a distanza.

Il MUX (Multiplexer)

Il multiplexer è un’apparecchiatura che unisce i vari transport stream provenienti dai codificatori MPEG dei programmi per fornire in uscita un unico transport stream con le informazioni di tutti i programmi da trasmettere. Il suo compito però non e solo questo ma anche quello di aggiungere ad ogni transport stream il sevizio PSI (Programme Specific Information) che descrive la composizione del transport stream e contiene informazioni che appariranno sul televisore dell’utente quali:

  • NIT (Network Information Table) è possibile editare i parametri della rete tipo frequenza, posizione orbitale, numero di transponder, ecc;
  • PMT (Programme Map Table) contiene il nome del programma;
  • PAT (Programme Association Table) associa il numero di programma ad un numero della PMT.

Se il transport stream presenta errori rilevanti, il decodificatore non funziona correttamente per cui negli studi di produzione e messa in onda vengono impiegati particolari strumenti in grado di segnalare eventuali errori o non conformità alla norma ETSI TR 101 290, come avviene nelle trasmissioni analogiche dove all’uscita della messa in onda, la conformità del segnale video prodotto viene controllata tramite oscilloscopio (waveform) prima di essere inviato alle apparecchiature di trasmissione a microonde.

I programmi, il corrispondente canale VHF o UHF, la postazione trasmittente e il diagramma di irradiazione del sistema radiante di ogni MUX devono essere autorizzati con apposita concessione dal Ministero delle Comunicazioni, ad esempio sulla città di Roma e provincia Mediaset dispone della concessione di 5 MUX cosi distribuiti:

  • MDS1 programmi a pagamento;
  • MDS2 trasmette sul canale 36 UHF in polarizzazione orizzontale dalle postazioni trasmittenti di Monte Cavo, Monte Mario RAI, Guadagnolo i programmi QVC – Classic TV – Mediaset Extra – Mediaset Italia Due – TOPcrime – Boing – Cartoonito – Coming Soon Television;
  • MDS3 trasmette sul canale 38 UHF in polarizzazione orizzontale dalle postazioni trasmittenti di Monte Cavo, Guadagnolo i programmi Premium EXTRA1 – Premium EXTRA2 – EUROSPORT – EUROSPORT2 – Canale5 HD;
  • MDS4 trasmette sul canale 49 UHF in polarizzazione orizzontale dalle postazioni trasmittenti di Monte Mario RAI, Guadagnolo i programmi Rete4 – Canale5 – Italia1 – Iris – La 5 – TGCOM24;
  • MDS5 trasmette sul canale 56 UHF in polarizzazione orizzontale dalle postazioni trasmittenti di Monte Mario RAI, Monte Cavo, Guadagnolo i programmi a pagamento;

mentre la RAI dispone di 5 MUX cosi distribuiti:

  • MUX1 trasmette in polarizzazione orizzontale sul canale 9 VHF dalla postazione trasmittente di Monte Mario e sul canale 11 VHF dalla postazione trasmittente di Monte Cavo i programmi TV Rai1 – Rai2 – Rai3 – Rai news e i programmi radio Radio1 – Radio2 – Radio3;
  • MUX2 trasmette sul canale 30 UHF in polarizzazione orizzontale dalle postazioni trasmittenti di Monte Mario, Monte Cavo i programmi TV Rai Sport 1 – Rai Sport 2 – Rai Scuola e i programmi radio Rai radiofd4 – Rai radiofd5 – GR Parlamento – Rai Isoradio;
  • MUX3 trasmette sul canale 26 UHF in polarizzazione orizzontale dalle postazioni trasmittenti di Monte Mario, Monte Cavo i programmi Rai Gulp – Rai YoYo – Rai4 – Rai Movie – Rai Premium;
  • MUX4 trasmette sul canale 40 UHF in polarizzazione orizzontale dalla postazione trasmittente di Monte Cavo i programmi Rai5 – Rai Storia – Rai HD;
  • MUX5 trasmette sul canale 25 UHF in polarizzazione orizzontale dalla postazione trasmittente di Monte Mario i programmi Rai1 – Rai2 – Rai3.

Il modulatore digitale

Per ottenere la modulazione digitale la portante si sposta continuamente in diverse posizioni sia di fase che di ampiezza, ogni posizione rappresenta una sequenza di bit del transport stream trasmesso. Nella modulazione digitale la rappresentazione di queste posizioni nel diagramma di fase (angolo) e di ampiezza (distanza dal centro) viene chiamata costellazione, il Symbol Rate è il numero di differenti posizioni che la portante può assumere nella costellazione in un secondo. Nel DVB-T vengono maggiormente impiegati i seguenti tipi di modulazione:

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulazione di fase con 4 posizioni nella costellazione;

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulazione di fase più modulazione di ampiezza con 16 o 64 posizioni nella costellazione;

OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing) modulazione composta da più portanti equidistanti in frequenza, ognuna modulata o QPSK o 16QAM o 64QAM;

8VSB (8 Vestigial Side Band) modulazione su 8 livelli di ampiezza e banda laterale vestigiale parzialmente soppressa, è usata soprattutto nello standard americano ATSC per la diffusione terrestre.

Molto importante nella modulazione digitale è il sistema di codifica per la correzione di errore; le modulazioni digitali in genere impiegano il sistema RS (Reed Solomon) che aggiunge 16 Byte di dati per ogni pacchetto del transport stream portandolo da 188 a 204 Byte. Nel sistema DVB-T viene anche aggiunto un altro sistema di correzione chiamato Inner Coder che aggiunge ancora più dati di correzione, ad esempio 1 bit di correzione ogni 7 bit di dati (Code Rate 7/8) oppure 1 bit di correzione ogni 2 bit di dati (Code Rate 2/3).

Il ponte a microonde

Il passaggio della trasmissione a microonde dei segnali analogici a quelli digitali comporta una serie innumerevole di vantaggi; in un ponte analogico a microonde se il segnale in ricezione scende sotto un certo livello, in genere -70dBm, il segnale audio e video subisce un progressivo peggioramento fino alla definitiva evanescenza delle immagini, in un ponte digitale a microonde invece la qualità del segnale trasmesso risulta ottima fino ad una soglia di circa 20 dB più bassa (in genere -90dBm) oltre la quale il segnale scompare completamente. In figura 2 è rappresentato l’andamento del segnale in ricezione di un ponte analogico e digitale.

Fig.2
Fig.2: Andamento del segnale a microonde in ricezione.

In conclusione per quanto riguarda il collegamento a microonde, il passaggio dalla trasmissione analogica a quella digitale comporta oltre al fatto di poter trasmettere più programmi con una sola frequenza anche altri vantaggi quali: maggiore margine di fading o l’uso di potenze minori in trasmissione dato che il livello di soglia minimo di ricezione si abbassa di circa 20dB; le prestazioni del ponte restano costanti fino ad una soglia di ricezione molto bassa; una qualità video e audio molto elevata.

Il sistema radiante

Il sistema radiante è l’elemento che permette la diffusione su un determinato bacino di utenza del segnale televisivo in uscita dalla catena amplificatrice su un canale della banda VHF o UHF, è costituito da una o più antenne elementari (per antenna elementare si intende un singolo elemento radiante caratterizzato da un preciso diagramma di ampiezza e di fase e da specifici valori di guadagno) che opportunamente posizionate e collegate su un unico sostegno permettono la composizione di sistemi radianti più o meno complessi con differenti caratteristiche di irradiazione.

Ogni antenna elementare occupa una precisa posizione geometrica e azimutale ed è alimentata da una percentuale della potenza fornita dall’amplificatore finale; insieme a tutte le altre antenne elementari del sistema contribuisce alla generazione del solido di irradiazione che è l’elemento caratteristico del sistema radiante, esso avrà la forma voluta dal progettista in base alle esigenze di copertura radioelettrica sul territorio, in figura 3 è rappresentato un esempio di divisione di potenza per ottenere un solido di irradiazione per la copertura di una determinata area di servizio.

Fig.3
Fig.3: Schema elettrico di un sistema radiante.

Un sistema radiante può essere composto:

– da un insieme di antenne elementari disposte una sopra l’altra ad opportuna distanza ed orientate tutte nella stessa direzione, in questo caso si ha una cortina di antenne;

– da più cortine di antenne fino ad un numero di quattro (90°-180°-270°-360°) per formare un solido di irradiazione omnidirezionale;

– da una sola antenna elementare come ad esempio avviene per le stazioni radio base per telefonia mobile dove ogni cella è un sistema radiante composto da una singola antenna elementare che irradia in una determinata direzione. In figura 4 è visibile il diagramma di radiazione di un sistema composto da due cortine di pannelli, in figura 5 sono visibili alcuni sistemi radianti a cortina sia televisivi di tipo a pannello di colore bianco, grigio e rosso che radiofonici (elementi direttivi) relativi al sito trasmittente di Castaldia nel comune di Aviano (PN).

Diagramma antenna1
Fig.4: Diagrammi di radiazione di un sistema a due cortine.
Fig.4
Fig.5: Postazione trasmittente di Castaldia, Aviano (PN)

La diffusione in isofrequenza SFN (Single Frequency Network)

Una rete SFN è un sistema di trasmissione televisiva che impiega la stessa frequenza in tutte le postazioni trasmittenti grazie alla tecnologia di modulazione digitale COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing); con questa tecnologia è possibile comporre positivamente gli echi isofrequenza che giungono al ricevitore con un ritardo limitato (finestra di guardia).

Uno dei tanti vantaggi della trasmissione digitale terrestre, rispetto a quella analogica, è quello di poter trasmettere sullo stesso canale da più postazioni trasmittenti diverse anche adiacenti senza che esse si disturbino a vicenda, questo è possibile realizzando reti di diffusione digitale a singola frequenza SFN perchè il sistema DVB-T risulta immune alle riflessioni basta trasmettere lo stesso bit allo stesso tempo e alla stessa frequenza.

Un esempio è quello dei MUX MDS4/ MDS5 Mediaset e MUX2/MUX3 RAI sulla città di Roma, che trasmettono sullo stesso canale UHF da postazioni trasmittenti diverse con le stesse aree di servizio che se servite con trasmettitori analogici produrrebbero solo immagini di qualità 1 ovvero inaccettabile. In figura 6 è schematizzata una rete SFN con tre postazioni trasmittenti sullo stesso canale.

Fig.5
Fig.6: Schema a blocchi di una rete SFN (Single Frequency Network)

L’elemento fondamentale per realizzare una rete SFN è la precisione e stabilità di frequenza di tutti i trasmettitori impiegati che devono essere sincronizzati ad un unico riferimento di frequenza, per ottenere questo viene utilizzato il sistema di navigazione satellitare GPS (Global Positioning System) che fornisce una informazione temporale precisissima alla quale è possibile agganciare tutti i trasmettitori della rete SFN ottenendo in questo modo una precisione di frequenza dell’ordine di 1 Hz.

L’elemento maggiormente interessato nella realizzazione di reti SFN è il transport stream in quanto tutti i trasmettitori della rete devono trasmettere in modo sincronizzato esattamente lo stesso transport stream; per questo se si vuole realizzare una rete SFN occorre predisporre il MUX che deve suddividere il transpotr stream in Megaframes con l’aggiunta dei MIP (Megaframe Inizialization Packet) al fine di poter ottenere la sincronizzazione da tutti i trasmettitori della rete. In conclusione per realizzare una rete SFN occorre realizzare le seguenti fasi:

  • installazione di un MUX con ricevitore GPS e inserzione del MIP (Megaframe Inizializazion Packet);
  • installazione su tutti i trasmettitori VHF o UHF di un ricevitore GPS per la precisione della frequenza;
  • ottimizzazione della rete con la regolazione dei tempi di ritardo di emissione del transport stream dei trasmettitori per ridurre le differenze nelle zone di interferenza;
  • pianificazione delle postazioni, delle potenze in trasmissione e dei diagrammi di irradiazione in modo tale da ridurre al minimo le aree di interferenza.

Una rete SFN per poter funzionare correttamente ha bisogno di una ottima calibrazione delle potenze in trasmissione, un trasmettitore della rete con potenza troppo elevata si troverebbe nella condizione di arrivare troppo lontano dove si troverebbe ad avere un ritardo, rispetto ad un altro trasmettitore della rete più vicino, oltre il limite consentito.

Questo ritardo viene chiamato IG (Intervallo di Guardia) e per le reti italiane SFN non deve essere superiore a 224 μs. In caso di aree con ritardi superiori occorre effettuare il puntamento dell’antenna eliminando i segnali più ritardati. La possibilità di usare lo stesso canale per le stesse aree offre un’altra importante soluzione tecnica denominata Gap Filler (riempitore di buchi) in pratica è la possibilità di poter coprire all’interno di una determinata area di utenza di un trasmettitore, tutte quelle piccole zone che risultano in ombra radioelettrica al trasmettitore stesso come ad esempio un piccolo avvallamento, dietro un grosso palazzo, all’interno di gallerie o in piccole valli di montagna.

In pratica un Gap Filler è un ripetitore di piccolissima potenza che riceve e trasmette lo stesso canale di emissione principale, si può considerare come un altro trasmettitore facente parte della rete SFN ma senza tutti gli accorgimenti tecnici necessari ai grandi impianti, i gap fillers si avvalgono dei vantaggi verso i segnali riflessi conferiti alla modulazione OFDM dall’intervallo di guardia. Purtroppo il gap filler ha un grosso limite, quello dell’isolamento tra l’antenna ricevente e quella trasmittente in quanto operando sullo stesso canale una potenza eccessiva in trasmissione provocherebbe l’auto oscillazione del trasmettitore, per questo motivo occorre installare le antenne in modo da ottenere il massimo isolamento possibile e possono essere impiegati solo per piccole potenze dell’ordine di qualche watt.

L’impianto di ricezione

L’impianto di ricezione del segnale televisivo digitale terrestre, relativamente ad un determinato bacino di utenza è sostanzialmente costituito dai seguenti elementi:

antenna

E’ l’elemento fondamentale di un impianto di ricezione in quanto, a seguito di un corretto puntamento, deve trasformare l’energia del campo elettromagnetico irradiato dalla postazione trasmittente in un segnale elettrico.

L’elemento principale che consente questa trasformazione è il dipolo (ai capi del quale viene collegato il cavo coassiale che trasporta il segnale all’ingresso dell’eventuale centrale di testa o direttamente all’ingresso del decodificatore) viene realizzato in diverse forme e, combinato con elementi riflettori e direttori, completa l’antenna.

Non esistonoantenne specifiche per segnali analogici o digitali o antenne per trasmissioneo ricezione, nella scelta occorre fare riferimento unicamente alle seguenticaratteristiche:

  • frequenza di utilizzazione,
  • guadagno,
  • angolo di apertura o diagramma di irradiazione,
  • rapporto avanti/indietro (rapporto tra sensibilitànella direzione di ricezione e in quella opposta),
  • impedenza di ingresso(per le trasmissioni televisive è standardizzata a 75 Ω).

Un tipo particolare di antenna è la log-periodica che ha la particolarità di avere una banda di frequenza di utilizzazione molto vasta, ad esempio VHF e UHF da 45 a 860 MHz, per contro presenta un basso guadagno e poca direttività queste caratteristiche la rendono utilizzabile solo per la ricezione nei bacini di utenza con buona intensità di campo e assenza di riflessioni e disturbi.

In figura 7 sono riportate le caratteristiche tecniche e i diagrammi di irradiazione dei modelli di antenne log-periodiche estratti dal catalogo Fracarro N°153, in figura 8 le caratteristiche tecniche dell’antenna 3-line estratte dal catalogo cartaceo della Emme Esse (richiede la registrazione per fare il download), in figura 9 le caratteristiche tecniche dell’antenna Sigma estratte dal catalogo Fracarro N°153.

Fracarro antenne pag40
Fig.7: Antenne del catalogo Fracarro
EmmeEsse antenna pag26
Fig.8: Antenne del catalogo Emme Esse
Fracarro antenne pag21
Fig.9: Antenne dal catalogo Fracarro

Particolare cura va riservata all’installazione dell’antenna, in modo particolare alle strutture di sostegno (pali, tralicci, torri, ecc); a questo proposito il volume CEI pubblicato a febbraio 2013 contenente le guide 100-7 requisiti di funzionalità e sicurezza degli impianti di ricezione TV e 100-140 nozioni per la scelta dei sostegni per gli impianti d’antenna consiglia distanze minime tra antenne al fine di valutare la lunghezza del sostegno per la verifica del momento resistente rispetto al momento flettente, al fine di ricorrere o meno ad una controventatura. In molte zone d’Italia è abitudine installare le antenne con apposite staffe ai camini, questa soluzione pur essendo molto pratica e veloce è assolutamente sconsigliabile in quanto il deposito nel tempo dei residui dei fumi può corrodere gli elementi dell’antenna in modo particolare il collegamento del cavo schermato al dipolo alterando cosi le caratteristiche dell’antenna. In figura 10 e 11 sono visibili alcune installazioni di antenne ai camini;

Fig.9
Fig.10: Installazione su camino
Fig.10
Fig.11: Installazione su camino

centrale di testa

E’ costituita da tutte quelle apparecchiature necessarie per poter distribuire all’utenza un corretto segnale, comprende attenuatori, filtri, miscelatori, demiscelatori, convertitori di canale, preamplificatori, amplificatori;

distribuzione

appartengono a questa categoria:

  • il cavo coassiale schermato è utilizzato come cavo di collegamento tra i vari elementi che compongono l’impianto di ricezione è caratterizzato dall’impedenza che deve essere di 75 Ω e dalle perdite espresse in db per 100m;
  • il partitore utilizzato per dividere una linea in entrata in più linee di discesa come ad esempio la linea di uscita della centrale di testa in due o più linee delle scale di un condominio o delle zone di una villa, è caratterizzato dal numero delle uscite fino a 8, dall’attenuazione ovvero dalla perdita di segnale tra l’ingresso e l’uscita che sarà più alta quanto più è elevato il numero di partizioni, dal disaccoppiamento ovvero dall’attenuazione che subisce il segnale passando da una uscita all’altra, nel caso una o più uscite non vengono usate devono essere tassativamente terminate con una resistenza da 75 Ω;
  • il derivatore viene utilizzato per ripartire le prese di utenza, senza interrompere la linea, direttamente dall’uscita della centrale di testa o dalle linee ricavate con l’utilizzo del partitore, è caratterizzato da un ingresso una uscita e fino a 8 derivazioni per prese di utenza, dalla perdita di passaggio, dall’attenuazione di derivazione e dall’attenuazione di disaccoppiamento;
  • le prese di utenza possono essere di tipo terminale o passante in questo caso deve essere rispettato l’ingresso e l’uscita del segnale;

decodificatore (set top box)

E’ l’apparecchiatura che se esterna, provvede a decodificare il segnale proveniente dalla presa TV collegandolo al televisore attraverso la presa scart, se integrato nel televisore basta collegare il televisore alla presa TV della distribuzione attraverso un adeguato cavo coassiale.

Alcuni accorgimenti per la ricezione dei segnali digitali

A volte la ricezione dei segnali provenienti da postazioni trasmittenti distanti oltre i 60/70 km, anche se SFN, è molto difficile; in questi casi è consigliabile utilizzare antenne ad alta direttività e rapporto avanti/indietro molto alto, in questo modo è possibile discriminare i segnali utili rispetto a quelli interferenti. Nel caso in cui le caratteristiche dell’antenna non fossero sufficienti, è necessario ruotarla leggermente riducendo cosi il suo guadagno complessivo.

Questa operazione, in molti casi, può essere effettuata oltre che con l’uso di appositi e costosissimi strumenti (misuratore di campo, analizzatore di spettro) anche in modo “fai da te” utilizzando le informazioni del servizio PSI (Progamme Specific Information) contenute nel transport stream e visualizzate sul televisore relative alla potenza e qualità del segnale, è sufficiente posizionarsi sotto l’antenna e collegarla direttamente al televisore ruotando o alzando e abbassando l’antenna, facendo attenzione a privilegiare la qualità del segnale rispetto alla potenza.

Nella ricezione di un segnale televisivo digitale è molto importante la schermatura dei componenti, antenna compresa, dalle perturbazioni elettromagnetiche; un’antenna mal posizionata, un cavo schermato molto vecchio o con una qualità di schermatura scadente, un vecchio amplificatore o miscelatore con componenti in aria non schermati, un partitore o derivatore posizionati in cassette di derivazione a contatto con cavi elettrici percorsi da forti correnti, possono risultare ottime antenne per ricevere disturbi impulsivi che bloccano la decodifica del segnale con conseguente assenza di segnale.

Per concludere in presenza di problemi in impianti realizzati prima del passaggio al digitale terrestre, risulta molto più conveniente procedere ad un totale rifacimento dell’impianto di ricezione piuttosto che procedere ad una costosa ricerca di eventuali anomalie. In presenza di casi limite (forti disturbi, presenza di ritardi di segnale eccessivi, segnale fortemente degradato, ecc.) qualsiasi possibilità di miglioramento è unicamente affidata alla qualità dell’antenna e alla sua corretta posizione che deve garantire il margine più alto possibile rispetto ai valori di soglia. Nel sistema DVB-T, come nel sistema analogico, la qualità del segnale viene valutata in funzione di cinque livelli: Q5 e Q4 segnale più che accettabile, Q3 segnale affidabile (questo è anche il limite di accettabilità consigliato), Q2 segnale inaffidabile, Q1 segnale non decodificabile; nel sistema analogico invece si usa il livello 5 per qualificare l’immagine perfetta e il livello 1 per qualificare l’immagine inaccettabile. La differenza fra queste valutazioni di qualità risiede nel fatto che nell’analogico si riferisce proprio a come realmente l’immagine viene vista sul televisore (sempre più degradata e con forte presenza di effetto neve) invece nel digitale l’immagine risulta sempre perfetta mentre la valutazione è relativa alla sua stabilità nel tempo, ecco perchè l’impianto di ricezione digitale deve essere realizzato per garantire un segnale di qualità costante nel tempo, il più possibile al di sotto dei valori di soglia ammessi;

– con la definitiva introduzione del sistema DVB-T le installazioni di figura 12 e 13 saranno sempre più rare, per la ricezione della quasi totalità dei programmi televisivi nazionali e locali più importanti sarà infatti sufficiente l’impiego di una sola antenna con evidente riduzione dell’inquinamento ambientale e una maggiore sicurezza, vedi figura 14.

Antenna analogico
Fig.12: Ricezione di segnali televisivi analogici
Antenna analogica
Fig.13: Ricezione di segnali televisivi analogici
Antenna DVB-T
Fig.14: Ricezione di segnali televisivi digitali

BrunoOrsini

Mi occupo di progettazione e consulenza di impianti elettrici ed elettronici, in particolare di impianti di trasmissione e ricezione a radio frequenza.

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