Tv mobile via SAT. Inedite prospettive

Agosto 2009. Mentre l'impiego dei transponder per il broadcasting Direct-To-Home è ormai ampiamente diffuso e consolidato a bordo di una flotta di satelliti in continua crescita, risulta ancora in fase di sviluppo iniziale l'impiego dei transponder satellitari per il mercato consumer della Tv in mobilità.

Per tale servizio occorre che il transponder in orbita geostazionaria sia in grado di far arrivare il segnale attraverso 35.800 Km a terminali portatili non dotati di antenne direzionali ad alto guadagno come per il broadcasting Tv, bensì provvisti di semplici antenne onnidirezionali incorporate nello stesso telefonino cellulare o nel generico terminale hand-held.

Per questo si è dovuto impiegare una gamma di frequenza inferiore rispetto a quelle usate per la Tv, in modo da ridurre l'attenuazione di propagazione con contromisure particolarmente sofisticate per consentire un'adeguata qualità di ricezione del segnale anche in presenza di disturbi e interferenze.

Per il servizio di televisione mobile da satellite viene impiegato lo standard DVB-SH (Satellite Handheld) per diffondere il segnale proveniente dal satellite verso un gapfiller terrestre o direttamente verso l'antenna del terminale portatile (figura A), utilizzando frequenze in banda S (2170-2200 MHz, adiacente alla banda usata dall'UMTS per la telefonia) e con modulazioni TDM/OFDM adatte a superare il lungo percorso.

Al segnale sono aggiunti codici di protezione e memorie per fare fronte ai severi problemi di propagazione e di fading prodotti da ostacoli quando si viaggia in auto.

Lo standard DVB-SH porta vantaggi significativi al servizio della Tv mobile rispetto all'attuale DVB-H utilizzato per la televisione mobile terrestre in banda UHF: un maggior numero di canali, una più ampia copertura geografica assicurata dal satellite, una migliore qualità di ricezione all'interno degli edifici.
Grazie alla più vasta copertura geografica sarà possibile ricevere lo stesso programma viaggiando per tutta l'Europa, cosa oggi non possibile con il DVB-H. La migliore qualità di ricezione all'interno degli edifici è assicurata dalla maggiore capacità di penetrazione dei ripetitori terrestri.

Le applicazioni del DVB-SH sui veicoli spazieranno dall'entertainment, ai servizi di infomobilità legati alla posizione dell'auto (figura B).
Infatti attraverso l'integrazione con i sistemi di navigazione, oggi GPS e domani Galileo, sarà possibile ricevere e trasmettere in tempo reale informazioni personalizzate e geolocalizzate: dalle condizioni del traffico, all'aggiornamento delle mappe del navigatore, ai sistemi antifurto, al pagamento dei pedaggi stradali.
Le automobili diventano così non soltanto dei mezzi di trasporto ma delle vere e proprie “auto-comunicanti”.

Flussi in banda S
Per il servizio di Tv mobile lo schema del transponder è del tipo monodirezionale, utilizzando la banda S, mentre il segnale diffuso verso l'utente può essere del tipo multicarrier OFDM o del tipo tradizionale TDM.

La modalità OFDM, prevista dallo standard DVB-SH consente di utilizzare i transponder terrestri nella modalità SFN (Single Frequency Network), cioè con il riutilizzo nella rete terrestre della stessa frequenza trasmessa dal satellite, ma richiede una discreta linearità dell'amplificatore finale del transponder, per ottenere la quale occorre diminuire la potenza emessa dallo stesso.

Le sperimentazioni in corso con i transponder per segnali DVB-SH consentiranno di verificare l'utilizzazione pratica dell'OFDM. In caso contrario si dovrà ripiegare sulla modalità TDM al fine di consentire all'amplificatore finale di operare quasi in saturazione.

Il sistema di diffusione della Tv mobile via satellite con lo standard DVB-SH è nella fase finale della sperimentazione, dopo avere superato con successo la prima fase in cui sono state verificate le caratteristiche dello standard DVB-SH utilizzando ripetitori terrestri per la copertura fino all'interno degli edifici.
Questa sperimentazione si è svolta nel primo trimestre di quest'anno a Barcellona da Abertis e a Torino da RAI, 3Italia, Alcatel-Lucent ed Eutelsat.

Con il lancio avvenuto lo scorso aprile dalla base di Baikonur, nel Kazakhstan del satellite W2A 10° Est sarà possibile completare la verifica sperimentale dello standard DVB-SH diffondendo il segnale Tv dal satellite direttamente ai terminali portatili e attraverso ripetitori terrestri.

Per le trasmissioni dal transponder in banda S verso i terminali mobili verrà testata sia la modulazione OFDM, prevista specificatamente dallo standard DVB-SH per l'impiego SFN con i gap-filler terrestri sia la trasmissione con segnale TDM, che consente di fare lavorare in saturazione gli stadi finali.
In base ai risultati entro la fine di quest'anno si potrà decidere quale delle due soluzioni adottare per il servizio.

Il nuovo satellite W2A
Costruito dalla Thales Alenia Space, il satellite W2A (lungo 7,5 metri, largo 3,8, circa 6 tonnellate di peso) è stato lanciato con successo il 4 aprile scorso dal cosmodromo di Baikonur nel Kazakhstan con un razzo ILS Proton Breeze M.

Il nuovo satellite, posizionato a 10° Est, porta a bordo 46 trasponder in banda Ku, per servire l'Europa, il Medio Oriente e l'Africa del Nord, più un secondo fascio che illuminerà l'Africa australe e le isole dell'Oceano Indiano, forte di 10 transponder in banda C che copriranno l'Africa, l'India e ad altre regioni dell'Asia e dell'America Latina e 2 transponder da 30 MHz in banda S.

Il satellite W2A è dotato di vari sistemi di antenne in grado di operare nelle diverse bande di frequenza. L'antenna per la banda S dedicata ai servizi mobili, dovendo operare a frequenze più basse delle altre antenne, si distingue per le maggiori dimensioni (12 metri di diametro), allo scopo di comunicare con le piccolissime antenne dei terminali portatili a 35.800 Km di distanza.

Il W2A sarà il primo satellite operativo in Europa nella banda S per servizi video e dati per telefonini e autoveicoli, commercializzati in futuro da Solaris Mobile, la joint venture nata fra Eutelsat e Ses Astra.

Il ricevitore DVB-SH
In partnership con Solaris Mobile per realizzare i servizi di Tv mobile via satellite è entrata DiBcom prima azienda al mondo a fabbricare e commercializzare ricevitori DVB-SH.

DiBcom ha realizzato un ricevitore multi-banda e multi-mode con doppio tuner RF che supporta gli standard DVB-SH, DVB-H e DVB-T in banda S e UHF, rappresentando così la soluzione ideale per lo sviluppo della Tv Digitale in Europa nella continuità della strategia della Commissione Europea.

Il ricevitore utilizza il chipset DiBcom basato sulla piattaforma Octopus basato su un'architettura programmabile utilizzabile con i diversi standard di Tv Mobile oggi esistenti ma anche con quelli futuri.

Mentre altri chipset multi-standard esistenti si limitano a una normale integrazione hardware di diversi circuiti in un unico chip con un'ottimizzazione minima, Octopus utilizza una soluzione programmabile via software con qualunque standard.

Il coinvolgimento di DiBcom nel lancio di questo satellite mobile è stato logico oltrechè strategico.
La partnership fra DiBcom e Solaris Mobile servirà, infatti, a migliorare la situazione della televisione mobile in Europa, diffondendo questa nuova tecnologia sul mercato a costi minimi.

L'ampificazione di potenza nel transponder
Gli amplificatori di potenza sono i componenti che consumano la maggiore parte della potenza elettrica generata a bordo del satellite.
È perciò fondamentale massimizzare la loro efficienza come rapporto fra la potenza erogata a radio frequenza e la potenza consumata in continua.

Questa è la principale ragione per la quale nei transponder per broadcasting (come nei transponder del satellite W2A) si preferisce utilizzare TOP, Tubi a Onda Progressiva, (TWT=Travelling Wave Tube) anzichè amplificatori allo stato solido (SSPA=Solid State Power Amplifier).

I TWT sono, infatti, in grado di assicurare efficienze maggiori degli amplificatori allo stato solido nelle gamme di frequenza dalla banda S alla Ka.
Per l'impiego spaziale vengono sviluppati TWT molto compatti e con affidabilità elevata in modo da assicurare il corretto funzionamento per tutta la vita del satellite di circa 15 anni, determinata come noto dalla capacità dei serbatoi dei razzi correttori del satellite.

Gli amplificatori SSPA sono generalmente utilizzati nelle gamme di frequenza più basse (banda L) e con potenze di uscita inferiori.
In particolare gli SSPA sono utlizzati per soluzioni phased array antenna (tanti elementi posti in fase per costituire un'unica antenna) in cui la potenza è distribuita su un grande numero di amplificatori di minore potenza attaccati direttamente a ciascun elemento dell'antenna.

Il TWT richiede una tensione di alimentazione dell'ordine del KVolt (mentre gli SSPA richiedono poche decine di Volt) che viene ottenuta, partendo dalla tensione continua dei pannelli fotovoltaici, attraverso un apposito modulo alimentatore EPC, (Electronic Power Conditioner), a cui è affidata anche la gestione della potenza degli altri moduli del transponder.

I TWT disponibili in banda S presentano potenze RF comprese fra 70 e 240 Watt con rendimenti di 55%-65% in saturazione. Per ottenere potenze RF maggiori (questo potrebbe essere il caso del transponder in banda S del satellite W2A a cui è richiesto un elevato EIRP) occorre combinare più amplificatori in parallelo con un preciso bilanciamento della fase.

Gli SSPA in banda L (come nel caso del sistema Galileo) forniscono potenze da 10 a 40 Watt con efficienze del 40% in saturazione.
I moduli di potenza dei transponder sono tipicamente montati in prossimità della superficie radiante esterna del satellite in modo da assicurare un adeguato smaltimento del calore. Nella figura qui sotto è presentata la struttura dei transponder di un satellite della serie W.

I diversi sistemi d'antenna
Le antenne utilizzate per le comunicazioni via satellite geostazionarie sia nel teleporto a terra che a bordo, sono del tipo a riflettore parabolico e con l'illuminatore posto nel fuoco della parabola.

L'illuminatore della parabola può essere diretta ( “prime focus fed”), o indiretta attraverso un subriflettore (“folded”) più comunemente  chiamata Cassegrain.
Il sistema Cassegrain consente di compattare le dimensioni dell'antenna rispetto all'illuminazione diretta.

L'illuminatore può essere a forma di tromba singola che crea un fascio con polarizzazione circolare.
Vengono utilizzati illuminatori a trombe multiple per ottenere fasci con foot-print a terra opportunamente sagomati o con diversi spot.
La sagomatura del fascio si può cambiare (riconfigurazione) agendo sullo sfasamento dei diversi illuminatori, mediante comandi inviati al satellite dalla stazione di terra.

Il diametro delle antenne di bordo è generalmente limitato dalle dimensioni consentite al payload del satellite, ma quando si utilizzano le gamme di frequenza basse come in banda S per ottenere l'elevato EIRP (67-69 dBW), necessario per la ricezione a terra con antenne di dimensioni limitate, si deve ricorrere a riflettori con struttura mesh che si aprono dopo il lancio.

In banda S per ottenere EIRP di 68 dBW con un amplificatore finale con potenza d'uscita di 2 KW occorre un riflettore parabolico con diametro di almeno 12 m.
Tale riflettore può essere realizzato con una copia di strutture ad ombrello che vengono aperte dopo il lancio, rimanendo tese come in un tamburo (figura C).

Il riflettore è agganciato al satellite con un apposito sostegno, mentre il feeder illuminatore è posto nel corpo principale del satellite stesso.
Questa è la soluzione adottata per l'antenna in banda S del satellite W2A.
Le più recenti realizzazioni vedono strutture mesh con diametri dell'ordine di 30 metri che consentono, a pari EIRP, di ridurre la potenza richiesta all'amplificatore finale di 9 dB rispetto all'antenna di 12 metri, portandola così a 250 W.

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