BER, MER, costellazione: cosa significano e come si usano

Ber Mer Fec Costellazione

Da tanto parliamo del digitale terrestre e questo ci porta spesso a dare per scontate diverse cose, come per esempio parametri come BER, MER o FEC. Però ultimamente abbiamo ricevuto parecchie richieste di lettori che vorrebbero invece che facessimo chiarezza sui vari aspetti che caratterizzano il DTT. Riteniamo quindi sia il momento di soddisfare tali richieste.

Prima però di entrare nel dettaglio dei vari parametri, riteniamo utile descrivere cos’è il DVB partendo da una premessa che implica un’analisi estremamente sintetica della trasmissione televisiva.

La trasmissione televisiva “terrestre”, in Italia, avviene con la diffusione in modalità broadcast (trasmissione “a pioggia” verso “tutti” i potenziali ricevitori) sulle frequenze definite nel Piano Nazionale di Ripartizione delle Frequenze (PNRF), le bande di frequenze sono inoltre suddivise in canali di larghezza definita (8 MHz nella Banda UHF e 7 MHz in VHF) che vengono assegnati secondo regole stabilite nel Piano Nazionale di Assegnazione delle Frequenze (PNAF).

Fino a pochi anni fa la trasmissione televisiva era definita “analogica”, cioè i segnali – in bassa frequenza – analogici, sia video, sia audio, venivano “inseriti” su portanti in alta frequenza così da ottenere segnali analogici in alta frequenza trasmessi da antenne potenti poste su tralicci tipicamente localizzati su alture per facilitare la diffusione verso i territori sottostanti per raggiungere le antenne riceventi installate sui tetti delle case.

L’antenna ricevente si occupa di “estrarre” la componente “elettrica” del segnale che in etere è presente sotto forma di “campo elettromagnetico”.

Il segnale così ottenuto (purché di livello adeguato) può essere utilizzato collegando direttamente il cavo dall’antenna all’ingresso del sintonizzatore di un televisore, oppure si può amplificare per distribuirlo attraverso la “rete di distribuzione” di un impianto centralizzato.

All’interno del televisore analogico il segnale RF (Radio Frequenza) viene opportunamente elaborato per ottenere i due segnali analogici audio e video in bassa frequenza.

Nel televisore analogico, il segnale video ottenuto viene trasformato in immagini e il segnale audio in voce.

Se il segnale nel suo percorso, sia in etere, sia nella rete di distribuzione, dovesse subire “deformazioni” le immagini riprodotte sullo schermo presenterebbero dei difetti come per esempio doppia immagine, effetto neve, ecc.

La tecnologia DVB (Digital Video Broadcasting)

DVB è uno standard che definisce la modalità di trasmissione, la sigla DVB-T (e ora anche T2), identifica la modalità di trasmissione terrestre in modalità Broadcast, cambiano gli apparati attivi in partenza e in arrivo, ma le antenne trasmittenti e riceventi possono essere le stesse utilizzate per la trasmissione analogica.

Esistono anche modalità di trasmissione satellitare identificata con la sigla DVB-S e S2.

Esiste inoltre una modalità via cavo (praticamente non utilizzata in Italia) che si identifica con la sigla DVB-C e C2.

Il digitale viaggia in analogico

Nonostante la trasmissione televisiva con lo standard DVB venga definita “digitale” i segnali “trasmessi” continuano a essere veicolati in modalità “analogica” (in etere ci sono i campi elettromagnetici dei canali nelle frequenze stabilite con il PNRF), ciò che rende la trasmissione “digitale” è la “modulazione” utilizzata per “trasportare” i “bit” cioè gli “zeri” e gli “uno” in cui vengono “trasformate” le immagini e il suono (ciò che nell’analogico erano i segnali audio e video in bassa frequenza).

La tecnica DVB permette di “trasportare” informazioni necessarie per identificare i bit in quantità variabile (bit-rate) in funzione della modulazione utilizzata (ma, non solo). Nella figura 1 sono rappresentate alcune tipologie di modulazione fra le più utilizzate per la trasmissione terrestre con lo standard DVB-T. La tipologia di modulazione è decisa da chi trasmette e incide sulla quantità di bit trasmessi e sulla robustezza del segnale.

Figura 1 Costellazione
Figura 1 – Costellazione: in a) la modulazione 64QAM e in b) la modulazione 16QAM.
Modulazione in ampiezza e in fase per ottenere che il vettore si trovi in uno specifico punto che potrà variare purché rimanga all’interno del “quadrato” assegnato per identificare i bit voluti. Maggior è il numero di bit identificabili minore sarà l’area “di decisione” entro cui deve rimanere il vettore per evitare errori.
Il valore di MER consente di capire se sia presente instabilità del vettore

Stabilito che i bit trasmessi “viaggiano” trasportati da un segnale analogico (più correttamente vengono “identificati” in funzione della “posizione” del vettore di ciascuna delle circa 8 mila frequenze-portanti che compongono il canale ampio 8 MHz) ne deriva che il segnale analogico può subire le stesse “deformazioni” che subivano i segnali per la tv analogica (vedi fig. 2), ma in questo caso non si osservano gli stessi difetti che si osservavano nella TV analogica perché le immagini vengono ricostruite ex-novo all’interno del decoder digitale utilizzando i bit “ricevuti”, cioè “identificati” dalla “posizione” del vettore.

canale DVB-T con evidenza portanti
Figura 2 – Un canale trasmesso con lo standard DVB-T è costituito da migliaia di portanti ortogonali (cioè indipendenti una dall’altra separate da un “intervallo di guardia”) dove ciascuna portante è modulata in ampiezza e in fase per ottenere che in un determinato istante il vettore si trovi in uno specifico punto. Tale punto potrà variare purché stia sempre all’interno del “quadrato” assegnato per identificare i bit voluti

La “deformazione” che i segnali (come tutti i segnali analogici) possono subire, sia nel percorso in etere, sia nell’impianto di distribuzione interno all’edificio, comporta un’instabilità dei vettori con la conseguenza che un vettore potrebbe trovarsi in un punto diverso (nella ipotetica “scacchiera”) e quindi il valore assegnato non corrisponderebbe al valore voluto, con il risultato che alcuni bit verrebbero letti in modo errato.

I milioni di bit contenuti in un “canale” trasmesso non sono tutti destinati alla ricostruzione di immagini, alcuni sono utilizzati per l’audio, alcuni sono destinati alla correzione degli errori, alcuni per le informazioni utili al sistema, altri per le informazioni correlate ai programmi.

In questo senso va evidenziata la scelta di RaiWay di utilizzare due ulteriori bit (utilizzando TPS, Transmission Parameters Signalling) specifici per identificare il trasmettitore. In tal modo l’installatore può conoscere la provenienza di un segnale RAI, avvalendosi di uno strumento che identifichi il Cell-ID potrà stabile se il segnale ricevuto arriva direttamente dal trasmettitore voluto. Nella trasmissione, SFN è una scelta coraggiosa perché impone la massima precisione nella gestione dei diversi trasmettitori i cui diversi segnali potrebbero “sovrapporsi” all’interno degli intervalli di guardia.

MER (Modulation Error Rate)

L’errore di modulazione (MER) rilevato con uno strumento specifico (anche con un adeguato misuratore di campo) è un valore espresso in dB che rivela la presenza di variazioni della modulazione, cioè segnala la instabilità dei vettori che si tramuta in una conseguente errata identificazione dei simboli trasmessi, quindi in errori la cui “quantità” viene indicata con un altro parametro che è il BER.

La instabilità della modulazione viene bene evidenziata osservando la costellazione riprodotta negli strumenti che lo permettono (vedi fig. 3).

Il MER misurato direttamente in antenna in genere corrisponde con il valore misurato del rapporto segnale rumore (il S/R) tale valore non è migliorabile se non agendo sulle prestazioni dell’antenna, quindi prestando attenzione alle sue caratteristiche, sia come guadagno, sia come angolo di ricezione se fossero presenti segnali disturbanti ecc., ma anche per esempio alla distanza dal piano del tetto … (provare per credere!).

Bisogna essere consapevoli che il MER misurato in antenna non può essere migliorato nell’impianto se non ricorrendo alla decodifica del segnale per poi rimodularlo nuovamente, cioè ricreando un nuovo canale con i parametri ottimi e adeguati per affrontare le “insidie” (attive e/o passive) della rete di distribuzione.

In pratica è fondamentale curare con attenzione la realizzazione della parte aerea dell’impianto poiché la qualità del MER (così come il rapporto Segnale/Rumore) dei segnali ricevuti non è migliorabile, potrà solo peggiorare e peggiorerà in proporzione alle condizioni (amplificazioni anomale, disadattamenti di impedenza, ecc.) che i segnali troveranno nel percorso per arrivare al tv.

Costellazione 64 QAM
Figura 3 – Un’immagine della costellazione (64QAM) riferita ad un buon segnale con il vettore che risulta sempre all’interno dell’area di decisione. Con una condizione di MER scadente si osserverebbero i vettori “uscire” dallo spazio definito con il quadrato entro cui “dovrebbero” rimanere

Il valore del MER è importante per conoscere:

  • La qualità del segnale presente nella zona di ricezione
  • L’influenza degli amplificatori (confrontando il MER in antenna con il MER all’uscita dell’amplificatore)
  • L’influenza della rete di distribuzione (confrontando il valore in ingresso con il valore alla presa TV)

La qualità e la robustezza di un segnale trasmesso con lo standard DVB-T oltre a variare anche in funzione della Modulazione (QPSK, 8PSK, 16QAM, 64QAM) varia in funzione del FEC (Fattore di correzione) che per il DVB-T può essere: 1/2 – 2/3 – 3/4 – 5/6 – 7/8.

Il parametro del FEC indica ogni quanti bit viene trasmesso un bit per la correzione. Per esempio: nel FEC 1/2 significa che il 50% dei bit trasmessi è utilizzato per corregge l’altro 50%. Con un FEC di 3/4 viene utilizzato un bit per la correzione ogni 3 bit utili.

Sia la tipologia di Modulazione, sia il valore di FEC sono parametri che vengono “decisi” da chi trasmette e insieme al MER concorrono a determinare la robustezza del segnale anche in presenza di condizioni critiche. Per essere più chiari: a parità di MER, in un impianto molto critico potrebbe verificarsi che un canale trasmesso con modulazione 16 QAM e FEC 1/2 sia perfettamente ricevibile, viceversa – nello stesso impianto – potrebbe risultare critica la ricezione di un canale con modulazione 64QAM e FEC 7/8.

La combinazione del tipo di modulazione con il valore del FEC consente di tollerare variazioni di livello del rapporto S/R e dei segnali. Nella tabella 1 sono rappresentati alcuni esempi ripresi dalla Guida CEI 100-7.

 TABELLA 1

Rappresentazione della incidenza della modulazione e del FEC sul rapporto segnale/rumore e sul livello minimo necessario all’ingresso del terminale di testa di un impianto centralizzato per segnali DVB-T
modulazione FEC (code rate) Livello S/R (dB) Livello minimo segnale (dB/mV)
16 QAM 01-feb 12,2 23,8
02-mar 14,2 25,8
03-apr 15,6 27,2
05-giu 17,1 28,7
07-ago 17,7 29,3
64 QAM 01-feb 17,4 29
02-mar 20 31,6
03-apr 21,6 33,2
05-giu 23,3 34,9
07-ago 24,5 36,1

 

BER (Bit Error Rate)

Il BER rilevato con uno strumento specifico (tipicamente un misuratore di campo) è un valore espresso con un rapporto che indica quanti bit errati ci sono in una determinata quantità di bit ricevuti.

Viene tipicamente rappresentato così: 3×10-5 (3 errori ogni 100.000 bit ricevuti); 5×10-2 (5 errori ogni 100 bit ricevuti)

In pratica il BER indica la misura di un valore che può variare (anche) a causa del MER.

La modulazione e il FEC sono aspetti che concorrono a far rilevare un BER migliore, ma non possono migliorare il MER.

Volendo descrivere la relazione tra i diversi parametri con una metafora si potrebbe dire che il MER è la malattia, il BER è la misura della temperatura rilevata con il termometro (attesta una condizione). La modulazione e il FEC possono essere equiparate rispettivamente a un abbigliamento che favorisce la freschezza del corpo e a un panno fresco sulla fronte del malato che viene cambiato continuamente per mantenere fresco il corpo, migliorano la condizione ma, non “curano” la malattia.

Considerato che il circuito di decodifica del segnale ha una parte dedicata alla correzione degli errori, il BER può essere misurato in due diversi punti (definiti in vari modi):

  • prima che il flusso di bit entri nel circuito di correzione (b-BER, c-BER, pre-BER), cioè quando il canale si trova nel punto prima di entrare nel circuito (b-efore, c-hanel,) deputato alla “correzione” utilizzando il bit trasmesso per lo scopo e nella proporzione stabilità. (FEC: Forward Error Correction).
  • all’uscita (a-BER, pv-BER, post-BER; a= after, pv= post Viterbi) del circuito di correzione (Viterbi nel caso del DVB-T) dove il “canale” ha lasciato il posto a un flusso di bit che risulteranno corretti con la cadenza stabilita dal FEC.

La misura del BER effettuata nel punto di ingresso del circuito di correzione risulta più comoda per la verifica nei casi di ricerca guasto e/o regolazioni perché varia rapidamente in quanto risponde simultaneamente alle azioni operate sull’antenna e/o sugli apparati.

Viceversa, la misura del BER in uscita del circuito di correzione risulterà più “stabile” proprio in conseguenza della correzione avvenuta.

Per certificare la funzionalità di un impianto il valore di BER richiesto è <2×10-4, cioè può esserci un bit errato (minore di due è uno) ogni 100.000 bit ricevuti, misurati in uscita del circuito di Viterbi (a-BER; pv-BER, post-BER), cioè dopo che sia avvenuta la correzione dei bit con la proporzione prevista dal FEC.

Tale condizione viene considerata QEF (Quasi Error Free) ammettendo la percezione di un unico “difetto” appena percettibile sull’immagine, durante un’ora di trasmissione.

BER MER – Misura canale disturbato
Figura 4 – Nella fase di allestimento dell’impianto TV o di manutenzione, occorre eseguire sempre misure specifiche sui segnali con un misuratore di campo con analizzatore di spettro. In questo modo si riescono a individuare eventuali problemi (come per esempio interferenze con la telefonia mobile) che possono deteriorare la qualità del segnale. Le misure vanno sempre fatte in antenna

Doveroso ricordare che un impianto d’antenna deve essere realizzato da aziende al cui interno ci sia un “responsabile tecnico” con i requisiti definiti nel DM 37/08 per gli impianti “radiotelevisivi, le antenne, gli impianti elettronici in genere”.

Inoltre, devono essere obbligatoriamente applicate le disposizioni del DM 22-01-2013 che stabilisce le “Regole tecniche relative agli impianti condominiali centralizzati d’antenna riceventi del servizio di radiodiffusione”. Segnaliamo che il Decreto ha valore prescrittivo, contrariamente alle Norme tecniche che sono di applicazione volontaria.

Nel Decreto sono indicati i criteri da rispettare e viene indicata la Guida CEI 100-7 come documento su cui rilevare le indicazioni per assicurare la adeguata funzionalità dell’impianto. Nella tabella 2 sono riportate le caratteristiche dei segnali TV alle prese d’utente per valutare la funzionalità di un impianto come indicati dalla Guida CEI 100-7.

TABELLA 2

Caratteristiche dei segnali TV alla presa utente per considerare funzionale un impianto
parametri DVB-T (UHF) DVB-T2 (UHF) Unità di misura
Livello minimo 45 47 dB (mV)
Livello massimo 74 77
Dislivello fra i canali tv in tutta la banda < 12 < 12 dB
Dislivello massimo fra canali adiacenti 3 3 dB
Disaccoppiamento minimo fra prese di due diversi utenti 30 30 dB
Dislivello minimo(nota 1) fra segnale e rumore (S/R) 23 26 dB
Variazione massima risposta in frequenza entro un canale TV 8 8 dB
Stabilità della portante ±100 ±100 kHz
BER (uscita Viterbi) < 2·10-4 -
PER(nota 2) (dopo LDPCe BCH) - < 2·10-7
Nota (1): il valore dipende dalla modulazione e dal FEC (viene indicato un valore per assicurare la funzionalità con modulazione e FEC più critici)
Nota (2): PER (Packet Error Ratio) nel caso di segnali DVB-T2 la valutazione è fatta sul numero di pacchetti di bit errati .

 

La Norma prevede due punti di valutazione: alla presa utente per i casi in cui l’impianto sia completato anche all’interno delle unità immobiliari, oppure ai punti HNI (punto di connessione tra la derivazione di piano e l’unità immobiliare) per i casi in cui un impianto sia completato e dichiarato conforme solo nelle parti comuni perché le singole unità immobiliari non devono essere completate subito, quindi potranno essere completate nel momento della vendita. La Guida CEI 100-7 indicata diverse tipologie di HNI in funzione delle diverse soluzioni distributive adottate all’interno delle unità immobiliari. I parametri più significativi per una condizione che prescinda dalla soluzione distributiva che sarà adottata sono riportati nella tabella 3.

TABELLA 3

Parametri più significativi nel punto HNI per consentire che all’interno delle unità immobiliari sia possibile realizzare diverse soluzioni distributive (coassiale passiva, coassiale attiva, cavi bilanciati) con le caratteristiche alle prese d’utente in conformità alla tabella 2
parametri DVB-T (UHF) DVB-T2 (UHF) Unità di misura
Livello minimo 49 50 dB (mV)
Livello massimo 80 80
Massimo dislivello(nota 1) fra canali tv nella banda ±7 ±7 dB
Dislivello minimo(nota 2) fra segnale e rumore (S/R) 27 27 dB
Nota (1) : il dislivello in banda nel punto HNI è indicato considerando che potrebbe determinarsi un dislivello ±5 dB nel tratto dal punto HNI alla presa utente, per cui insieme non dovranno superare i 12 dB
Nota (2): il valore dipende dalla modulazione e dal FEC (viene indicato un valore per assicurare la funzionalità con modulazione e FEC più critici)

 

Concludendo, BER è un’indicazione per attestare che l’impianto è stato realizzato a regola d’arte. Il valore del MER e il controllo della costellazione sono indicazioni utili per l’installatore nella fase di realizzazione dell’impianto per assicurarsi che le vari parti che lo compongono non siano causa di alterazione dei segnali che si tradurrebbero in bit errati.

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