Introduzione

Sempre più spesso si sente parlare di DRM, così come è possibile acquistare ricevitori che prevedono anche questo modo di ascolto. Ma di che si tratta? Molto è già stato scritto e non voglio certo ripetere le parole altrui, ma credo valga la pena vedere con occhio nuovo e toccare con mano questo mondo che, forse, sarà il futuro delle radioaudizioni in onda media e corta.

DRM: la storia

Il DRM ha visto i suoi natali nel settembre 1996, da un consorzio internazionale di broadcasting e produttori di elettronica. In quella sede si valutò l’opportunità, dopo 70 anni di dominio della AM nei servizi di radiodiffusione, di dare una svolta epocale al mercato ed ai servizi offerti. E così fu…

DRM: come

IL DRM affida il trasporto dell’informazione ad una moderna modulazione digitale. Questo metodo prevede l’utilizzo di varie portanti uniformemente distribuite su un range di frequenza (canale).

DRM: Perchè?

Quali vantaggi si propone dunque di offrire il DRM rispetto alla storica AM?

Dal punto di vista dell’ascoltatore direi sostanzialmente questi:

• banda passante audio più larga (mediamente 10 ÷ 15 kHz al posto dei 3 ÷ 3.5 dell’AM)

• possibilità di ricezione stereo (non prevista con l’AM odierna)

• buona riproduzione anche in caso di scariche atmosferiche (i famosi crepitii dell’AM spariscono)

• ricezione di dati quali: identificativo stazione, brevi messaggi, notiziari e così via.

Volendo fare un paragone fra AM e DRM è un po’ come passare dalla vecchia radio del nonno ad un moderno ricevitore FM con RDS o meglio, DAB.

E’ dunque tutto oro quel che luccica? Ancora presto per dirlo… andiamo avanti e poi cercheremo di trarre delle conclusioni…

DRM: Le radio

Come per tutti i servizi di radiotrasmissione, anche per ricevere il DRM occorre una parte sintonizzatore e un idoneo demodulatore.

Il mercato offre ora sostanzialmente la possibilità di scelta fra tre diverse architetture:

• ricevitori integrati: sono del tutto simili alle radio “tradizionali” e di esse è già stato molto scritto in tempi recenti su varie riviste. Un esempio è la Mayah.

• soluzioni “ibride”: usano un ricevitore convenzionale (anche solo AM, la radio del nonno pure!), aggiungendo un piccolo convertitore per trasformare la IF in un segnale trattabile dalla sound blaster di un qualunque PC e la demodulazione è affidata a Sw, sia commerciali sia Open Source quali ad esempio il Dream.

• Ricevitori PC based sia di tipo SDR (Software defined radio) ovvero controllati da PC: sono l’ultima generazione di ricevitori. Hanno un front end a RF “convenzionale” e poi elaborano in digitale dalla ultima IF fino all’altoparlante. Fra i tanti ricordo a titolo d’esempio WinRadio, CIAOradio, alcuni modelli TenTec.

Per le mie esperienze ho utilizzato:

Hammarlund SP600JX, convertitore 455-12 kHz (I5XWW) e Software Dream 1.2.4 sia su piattaforma Win-Xp che Linux (SuSE).

DRM: Come sintonizzare un segnale DRM

La prima volta che si cerca di sintonizzare un segnale DRM si può provare un certo imbarazzo e senso di smarrimento. Certo, se si usa un ricevitore integrato e si conosce a priori la frequenza da sintonizzare, tutto diventa più semplice. Ma rimaniamo nel caso forse più diffuso: la ricezione con un ricevitore convenzionale seguito da convertitore e Sw ovvero tramite una SDR.

Anche in questo caso, se conosciamo la frequenza della stazione, basterà impostarla sul ricevitore ed attendere l’audio conseguente.

Ma se non si conosce la frequenza o magari, come nel caso di vecchie radio riconvertite, la scala parlante è approssimativa e non ci dà la certezza della reale sintonia?

In questo caso abbiamo una alternativa o meglio due metodi che possiamo pure integrare per un migliore risultato.

Metodo 1: Sintonia “ad orecchio”.

Si procede come da sempre.. si gira la manopola (o comando equivalente) e si ascolta l’audio del ricevitore. Ma come “suona” un segnale DRM demodulato in maniera convenzionale, cioè AM? Presto detto. Di fatto non suona affatto, ma si manifesta come un aumento di rumore di fondo, localizzato attorno alla frequenza centrale. Volendo fare un paragone forse un po’ forzato, assomiglia al “suono” del packet a 9600 bps: niente toni, solo una specie di soffio. Una volta fatta sintonia, se il segnale sarà sufficientemente forte, nel giro di pochi secondi cominceremo ad ascoltare anche l’audio decodificato.

Metodo 2: analisi dello spettro

Tutti i Sw di decodifica offrono oggi la funzione di analisi dello spettro. Il DRM ha uno spettro molto particolare e facilmente riconoscibile rispetto agli altri modi di trasmissione ricevibili. Vediamone un esempio:

ecco uno spettro tipico di modulazione AM, tipo broadcasting

ed ecco invece qui lo spettro di una trasmissione DRM

La figura soprastante mostra lo spettro di una broadcasting così come ricevuta dal mio Hammarlund + Dream. Assomiglia ad un “panettone” largo circa 10 kHz. Con un poco di allenamento visivo, non sarà difficile riconoscerlo rapidamente durante l’azione di sintonia. Come sopra detto, una volta centrato il segnale, nel breve volgere di istanti, cominceremo a ricevere il DRM.

DRM: il limite all’ascolto

Così come tutti i segnali, anche quelli del DRM necessitano di un sufficiente rapporto segnale/rumore per essere decodificabili. Nel caso dell’AM si considera un S/N di 10dB adeguato a garantire una piena intellegibilità del messaggio trasmesso, anche se, magari, non proprio un ascolto confortevole. Ascoltatori “allenati” possono far scendere detta soglia di qualche dB, ma questo rientra nelle abilità personali e non è, ovviamente, protocollato.

Ed il DRM? Qui “il manico” dell’ascoltatore può fare poco e le prestazioni sono vincolate alla quantità e qualità del segnale disponibile. La demodulazione digitale dell’informazione toglie ogni responsabilità all’utente e il suo comportamento è predittibile a tavolino tramite opportune analisi matematiche.

Prima di entrare nello specifico, richiamiamo alcune nozioni di base relative alla valutazione della bontà di un link digitale.

Anzitutto ecco una schematizzazione di un link radio, con un parallelo delle grandezze in gioco nel mondo analogico Vs quello digitale.

Ed ora una schematizzazione del nostro ricevitore tipico per DRM:

Qui troviamo la consueta antenna, un front-end radio, un circuito di conversione analogico/digitale, un modulo di calcolo con implementato un opportuno algoritmo di decodifica del segnale e per finire un convertitore digitale/analogico seguito dall’amplificatore audio.

Il rapporto segnale/rumore

Nel mondo analogico, la qualità del segnale ricevuto è ben rappresentata dal rapporto fra la potenza del segnale e la potenza di rumore. Detto rapporto è abbreviato SNR e si esprime in dB secondo la nota definizione:

• E’ generalmente possibile aumentare il SNR aumentando la potenza trasmessa ma se e solo se questo non comporta anche un pari innalzamento del rumore ricevuto.

• Nel nostro caso, il rumore è generato sia da cause naturali quali perturbazioni della ionosfera, rumore termico, shoot noise, scariche elettriche naturali, sia da cause umane quali ad esempio linee di trasmissione di potenza, scaricatori, apparati elettonici.

Il BER

Il BER è l’acronimo di Bit Error Rate ed indica la bontà di un sistema di comunicazioni digitale

E’ un indicatore sintetico, funzione di altri parametri, quali il bit-rate e la potenza ricevuta; indica quindi cosa ci si deve aspettare in termini di qualità da un sistema di comunicazione ma non fornisce indicazioni sulle sorgenti dei problemi.

Il BER è definito come segue:

BER = P(1) * P(0/1) + P(0) * P (1/0)

Dove:

P (1)= probabilità di ricevere 1

P (0/1) = probabilità di ricevere 0 quando è trasmesso 1

P(0) = probabilità di ricevere 0

P(1/0) = probabilità di ricevere 0 quando è trasmesso 1

Ad esempio, un BER di 10^-3 indica che mediamente 1 bit su 1000 verrà ricevuto in maniera errata.

La stima del BER ha quindi senso nelle condizioni in cui esista una reale ambiguità di riconoscimento del simbolo ricevuto, sia esso 1 o 0, cioè quando il segnale ricevuto sia affetto da un rumore significativo.

La misura del BER è quindi:

• Dipendente dal SNR all’ingresso del ricevitore

• Dipendente dal sincronismo con cui il segnale si presenta all’ingresso del ricevitore rispetto ad un atteso clock

• Dipendente dal valore di soglia 0/1 assegnato

• Dipendente dal tipo di codifica utilizzato per la trasmissione

Si definisce comunemente “error-free” un sistema di trasmissione che garantisca un BER inferione a 10^-9 ÷ 10^-12 a secondo dei contesti e delle tecnologie impiegate.

E’ importante sottolineare come nei sistemi digitali il SNR all’ingresso di per sè non permetta una stima della bontà del segnale ricevuto alla fine del canale di comunicazione. Infatti fra SNR in ingresso e BER (da cui il segnale ascoltabile) esiste una “entità”, che è l’algoritmo di decodifica. Un algoritmo potente e ben adattato alle caratteristiche del canale trasmissivo riuscirà a garantire buoni SNR/BER all’uscita con SNR all’ingresso mediocri. Personalmente, non credo esista un algoritmo migliore in assoluto… come tutte le cose della vita anche questa ha un prezzo, anzi molti.

Ad esempio la complessità computazionale, la larghezza del canale, la velocità massima…. tutti parametri importanti. E’ compito del progettista scegliere l’algoritmo che meglio soddisfa molte condizioni tipiche dell’applicazione in esame, insomma trovare il miglior compromesso, come poi sempre o almeno spesso capita nella quotidianità.

Vediamo ora cosa prevede la teoria del DRM e qualche riscontro pratico:

Questo grafico, preso dal sito http://drm.sourceforge.net mostra il risultato di una simulazione con differenti parametri di decodifica.

Le quattro curve indicano quale livello di SNR minimo occorre per garantire il BER desiderato, il tutto al variare di un paramentro dell’algoritmo di decodifica. Dimentichiamoci per ora delle varianti di calcolo e concentriamoci sul fatto che per SNR inferiori a 14 dB ben difficilmente si potrà ascoltare qualcosa. Se il SNR sale oltre i 15 dB invece, con tutta probabilità la decodifica avverrà correttamente restituendo suoni e testi in maniera piacevole e corretta.

In sostanza si evince già dai calcoli come occorrano almeno 15 dB di SNR per ascoltare il DRM. Da un punto di vista visivo sullo spettro, questo equivale ad un “panettone” ben stagliato sul rumore di fondo.

Usando una funzione di logging del software Dream, ho cercato di ricostruire sperimentalmente sul mio sistema una curva SNR/bontà di decodifica.

Per far questo ho acquisito in continuo, per 14 ore, alcuni paramenti mentre ero sintonizzato sulla stazione Deutche Welle a 3995 kHz. Questa metodologia mi ha permesso di raccogliere dati su tutto il campo di SNR, partendo da una situazione di stazione appena rilevabile (propagazione chiusa) fino ad una ottima ricezione (propagazione buona).

Cerchiamo ora di commentare il risultato:

SNR: anche qui esprime il rapporto segnale / rumore, ma si tratta qui di un dato mediato ogni minuto. All’interno di ogni minuto di acquisizione molto probabilmente è variato, anche di molto e questo è bene tenerlo a mente per successive considerazioni.

Audio [%]: esprime la percentuale di successo di decodifica dei dati audio.

A colpo d’occhio la “nuvola” di punti raccolta può essere divisa in due zone: una con SNR inferiore a 12-13 dB e l’altra con SNR maggiori.

Cerchiamo di vedere meglio, elaborando (mediando), un poco i dati:

A SNR inferiori a 10 dB la probabilità di ascoltare qualcosa è veramente molto bassa. Praticamente, si sente solo qualche “singhiozzo” ogni tanto…

Dai 10-12 dB a salire la ricezione si fa più consistente, con possibilità di decodificare anche periodi interi di parlato e brevi sequenze musicali…

Per avere un ascolto degno però, occorre salire ad almeno 20-22 dB medi, regione dove il tasso di errore diventa molto ridotto ed al massimo produce qualche breve vuoto nella riproduzione.

Come conciliamo questi risultati con l’analisi teorica?

Presto detto….

Il modello è un modello e come tale presuppone alcuni “sconti e semplificazioni” rispetto al mondo reale. Nella fattispecie, i parametri più discrepanti fra simulazione e realtà sono:

• l’ SNR acquisito è una media di un valore continuamente variabile causa il fading, mentre nel modello si considera SNR costante per ogni punto esaminato

• il fatto che SNR bassi siano nella realtà prodotti anche da fading selettivo che colpisce quindi solo parte del segnale e non tutto il canale ricevuto, così come invece ipotizzato in simulazione. Di seguito un esempio di fading selettivo che colpisce alcune zone della banda passante. Questo fenomeno è molto comune in HF e generalemente dovuto a fenomeni di percorsi multipli e/o instabilità dello strato riflettente. Ascoltato in AM, un segnale DRM affetto da fading selettivo suona un po’ come il vecchio effetto per chitarra noto come “phaser”.

Il fenomeno è mostrato nella figura soprastante, dove nelle zone rosse, il SNR cala di parecchi dB a fronte di una livello medio buono. Questo complica ovviamente il compito della decodifica e può portare ad interruzioni dell’ascolto nonostante apparentemente il segnale sull’S-meter sembri buono.

Conclusioni:

L’ascolto del DRM è molto gratificante e piacevole, direi paragonabile a quello di una stazione FM o DAB. Le leggi della fisica però non cambiano ed anche in questo caso per un ascolto piacevole occorre un buon segnale, forte e stabile.

Nella pratica quotidiana ho rilevato che per un ascolto “piacevole e rilassante”, l’ SNR deve stare al di sopra dei 20 dB. Da 15 a 20 singhiozza, più o meno frequentemente… al di sotto è uno strazio… e l’ascolto da rilassante diventa “innervosente”.. 🙂

Dove trovare informazioni

Molte informazioni sul DRM, sulla matematica alla base della modulazione COFDM, sulle modifiche ai ricevitori, possono essere trovate al solito sulla madre di tutte le reti. Personalmente, mi permetto di segnalare i seguenti siti come buona base di partenza:

www.mediasuk.org/iw0hk :ottimo sito italiano sul DRM, di Andrea Borgnino

www.drm.org : sito del consorzio DRM

sourceforge.net/projects/drm/ : home page del Software DREAM