Dal momento in cui si installa l’antenna parabolica fino alla realizzazione dei collegamenti con tutte le prese SAT del condominio, l’uso di un analizzatore di segnali o “misuratore di campo” è indispensabile. Questo straordinario strumento ci offre diverse funzionalità di misura, le più significative per valutare la qualità dei segnali. Già nella fase di puntamento dell’antenna ci viene in aiuto la funzione di analizzatore di spettro con la quale è facile evidenziare la presenza o meno del segnale e, una volta intercettato il satellite da ricevere, regolare la posizione dell’antenna e dell’LNB per ottenere la massima qualità di ricezione.

Con l’antenna ben puntata e fissata stabilmente comincia invece il vero e proprio lavoro di analisi dei segnali che ha due scopi principali: verificare lo stato di funzionamento dell’impianto di distribuzione e raccogliere i dati per la relazione tecnica di certificazione dell’impianto.

Nel primo caso con una serie di misure ad hoc, si può verificare lo stato dei segnali valutando il degrado che il segnale subisce man mano che percorre la rete di distribuzione ed eventualmente compiere le modifiche necessarie per correre ai ripari in caso di peggioramento eccessivo dei segnali.

Il secondo caso si riferisce all’impianto funzionante con tutte le ottimizzazioni possibili già fatte portando segnali di qualità a tutte le prese dell’impianto. In queste condizioni, vengono eseguite le misure alle prese di utente per certificarne la rispondenza ai valori prescritti dalle norme.

Ci sono tuttavia casi in cui i segnali, pur essendo inferiori dei minimi stabiliti dalle norme, fanno ugualmente agganciare i decoder e permettono la visione dei programmi. Infatti, i valori dei parametri di qualità indicati dalle norme sono cautelativi e riferiti alla condizione QEF (Quasi Error Free) considerando come soglia sopra la quale la ricezione è assicurata e garantita anche in caso di peggioramento meteorologico e sotto la quale la ricezione può essere instabile.

Come procedere

Nella pratica di installazione, verifica e manutenzione dell’impianto SAT le misure da compiere vanno eseguite in diversi punti dell’impianto, via via che ci si allontana dall’antenna, confrontando i risultati con i valori misurati in testa all’impianto stesso, proprio sui segnali forniti dall’antenna, e proseguendo verso i punti di ripartizione e le prese SAT più lontane, per verificare l’entità delle inevitabili perdite. Vi sono criteri di valutazione dettati dalla “buona tecnica” e sulla conoscenza del funzionamento dei dispositivi usati nella distribuzione dei segnali. Questi ultimi possono essere essenzialmente di due tipi: attivi e passivi. Quelli passivi introducono attenuazione, che si traduce praticamente in perdita di segnale, mentre quelli attivi introducono guadagno, che si traduce praticamente in aumento dell’ampiezza del segnale.

Occhio ai “passivi”

Le misure sui componenti passivi sono facilmente intuibili: si tratta di verificare che l’attenuazione dichiarata, normalmente stampigliata sul contenitore del dispositivo, sia reale. Eventuali differenze sono causate da guasti o da collegamenti difettosi. Un guasto si verifica se, per effetto di ossidazione o rotture di morsetti o, comunque per perdita di contatto, i segnali subiscono una maggiore attenuazione rispetto a quella dichiarata. Un collegamento difettoso deriva da una preparazione frettolosa della testa dei cavi e da un serraggio troppo lasco o troppo stretto. Si deve ricordare che la conduzione elettrica dei segnali nei cavi avviene per contatto superficiale ovvero le cariche elettriche percorrono la superficie del conduttore centrale del cavo coassiale, si accoppiano attraverso la superficie dei morsetti o la superficie del polo caldo dei connettori dei vari dispositivi passivi e attivi.

Negli impianti SAT le connessioni sono realizzate con connettori di tipo F che usano direttamente il conduttore centrale del cavo coassiale come elemento di contatto. In alcuni casi, esistono dispositivi passivi che usano morsetti a vite, mentre questi morsetti sono presenti sulle prese SAT incassate. La presenza di umidità e/o ossidazione crea una conduzione alterata. I difetti di schermatura possono introdurre interferenze mentre una realizzazione circuitale non accurata può introdurre alterazioni della risposta in frequenza così come i disadattamenti di impedenza. Possiamo constatare che durante la misura dello spettro si può percepire la presenza di disadattamento o alterazioni in frequenza perché le creste dei canali sono alterate e il livello nella banda è disomogeneo.

 

Spettro corretto impianto sat
Figura 1a – Analisi di spettro corretto, tutti componenti funzionano a dovere non ci sono disadattamenti o alterazioni della risposta in frequenza
Spettro passivo disadattamento impianto Sat
Figura 1b – L’analisi di spettro mette in evidenza perdite di qualità dovute anche al disadattamento di impedenza causato da componenti passivi guasti o di scarsa qualità

Attenti agli attivi

I componenti attivi sono in sostanza degli amplificatori di segnale che hanno il compito di “ampliare” il livello dei segnali al fine di compensare le perdite di distribuzione. Tutti gli amplificatori sono caratterizzati da tre aspetti essenziali: guadagno, rumore e saturazione.

Il guadagno rappresenta l’entità dell’amplificazione introdotta e viene espresso in dB. In pratica, fa sì che un segnale debole ma ancora “sfruttabile” possa essere ampliato e quindi possa sopportare meglio le perdite della distribuzione. È posto l’accento sul fatto che un segnale possa anche non essere amplificabile perché talmente basso che, oltre al segnale utile si amplificherebbe anche il rumore o addirittura il rumore dell’amplificatore stesso lo coprirebbe inevitabilmente. Ci sono infatti in commercio “amplificatori a basso rumore” che vengono proprio usati con i segnali deboli.

Un altro aspetto che riguarda gli amplificatori è la “saturazione”. Tutti gli amplificatori, se ricevono al loro ingresso un segnale più forte del consentito entrano in distorsione introducendo così fenomeni nonlineari che fanno peggiorare drasticamente gli errori, al punto che la decodifica non è più possibile nonostante il livello sia molto alto. Per gli amplificatori in commercio oltre al guadagno viene sempre indicato il massimo livello di uscita che corrisponde al massimo livello che può raggiungere un segnale prima della distorsione.

Facciamo un esempio: se un amplificatore ha un livello massimo di uscita dichiarato di 108 dBµV con un guadagno di 30 dB, il massimo segnale applicabile al suo ingresso deve essere teoricamente pari a 108-30 = 78 dBµV. Questo vale se il segnale è uno solo ma nel caso della IF satellite i canali sono tanti e tutti adiacenti pertanto il massimo livello di uscita “utile” è molto più basso. Si può cautelativamente rimanere almeno 10 dB sotto il massimo pertanto, per ogni canale amplificato, il massimo segnale applicabile all’ingresso dell’amplificatore è di 108-10-30 = 68 dBµV.

Parametri importanti

Sono diversi i parametri che forniscono indicazioni utili alla valutazione della qualità dei segnali digitali. Ci sono infatti valutazioni complesse del processo di ricezione, demodulazione e ricostruzione delle informazioni digitali ricevute che possono evidenziare la presenza di problemi di ricezione o di distribuzione dei segnali. Vediamo una sintetica panoramica dei parametri più significativi.

Il livello ci informa se il segnale è idoneo a essere ricevuto e a compiere una determinata lunghezza di tragitto nel cavo coassiale. Se il livello del segnale in partenza dovesse risultare, per esempio, di 50 dBµV non potrebbe compiere che qualche metro di cavo perché il cavo stesso introdurrebbe un’attenuazione tale da rendere la ricezione molto instabile o addirittura nulla. Questo perché un cavo SAT standard introduce, nella banda IF (950 – 2150 MHz) una perdita tipica di 30 dB ogni 100 metri, ovvero 3 dB ogni 10 metri, quindi 0,3 dB ogni metro.

Il solo livello, comunque, non è garanzia di qualità certa. Si può perdere la visione fluida delle immagini con blocchi saltuari non ripetitivi anche se un segnale ha un livello adeguato in antenna se gli altri parametri di qualità non sono invece nei limiti.

Il C/N ci indica se la quantità di segnale utile è sufficientemente più grande della quantità di rumore ricevuto. Si tratta di un rapporto tra la quantità di segnale utile inteso come portante “Carrier” e la quantità di rumore “Noise”. Più è alto questo rapporto migliore è la qualità. Un valore basso per un segnale SAT potrebbe introdurre perdite momentanee di aggancio del decoder anche protratte nel tempo.

Il margine di rumore è un valore che indica di quanto potrebbe calare l'intensità del segnale prima di provocare disturbi nella ricezione. Maggiore è il valore misurato, migliore sarà l'efficienza del sistema anche in caso di cattivo tempo.

Il BER indica la quantità di dati errati ricevuti rispetto a quelli effettivamente trasmessi. Una quantità eccessiva di errori provoca un effetto di fermo immagine o produce l'effetto mosaico su parti dell'immagine; nei casi peggiori oscura momentaneamente lo schermo. Misurando il BER di un segnale digitale si può stabilire se la qualità del segnale ricevuto è tale da superare la condizione di soglia definita come QEF “Quasi Error Free” indicata dalle norme come quella condizione limite per garantire la ricezione stabile che corrisponde alla ricezione di un errore per ogni ora di trasmissione. Questo in termini matematici si traduce in un BER compreso tra 10-10 e 10-11 ovvero 1 bit errato ogni 100 miliardi di bit ricevuti, all’inizio del decodificatore MPEG-2, che corrisponde a un BER di 2×10-4 dopo il correttore di Viterbi.

Gli strumenti analizzatori di segnali misurano il BER prima del decodificatore di Viterbi, che assume valori riferiti al QEF dipendenti dal codice FEC utilizzato. Il valore deve essere il più basso possibile. In caso si abbia un cattivo BER a una presa dell'impianto il ricevitore collegato avrà un funzionamento instabile. Per fare un esempio al valore di BER 2×10-4 dopo Viterbi corrisponde un BER di 4×10-2 con un FEC 2/3 e di 2×10-2 con un FEC 3/4 (fonte RAI, www.rai.it).

I fattori che influenzano maggiormente il BER sono il rumore e le variazioni della propagazione. Il rumore segue una funzione di probabilità Gaussiana mentre la propagazione elettromagnetica segue il modello statistico di Rayleigh. Possiamo dire che il canale satellite sia maggiormente affetto da rumore per questo motivo le trasmissioni vengono fatte con la modulazione QPSK che rende il segnale particolarmente robusto nei confronti del rumore.

BER-01 impianto sat
Figura 2 – La misura di BER avviene in due punti della catena di ricezione, prima e dopo il decodificatore di Viterbi

Il MER indica il tasso di errori di modulazione dovuti alla dispersione dei vettori causata da fenomeni degradanti tra cui quello più influente è il rumore. È utile misurare il MER in antenna e poi alla presa di utente per stabilire se la rete introduce un degrado eccessivo. In tal caso, è opportuno controllare la buona esecuzione delle connessioni, la qualità dei dispositivi passivi e lo stato di funzionamento di eventuali filtri o miscelatori/demiscelatori e amplificatori. Il valore di MER misurato rappresenta una sintesi dello stato della costellazione. Gli installatori esperti interpretano la costellazione e poi cercano la conferma nel valore di MER misurato.

Livelli adeguati

È comprensibile che per poter analizzare la qualità di un segnale Tv Sat trasmesso con il sistema DVB-S/S2 tale segnale deve avere una potenza “Channel Power” adeguata superiore alla quantità di rumore “Noise” che è presente nella tratta di ricezione “Downlik”. Sicuramente la qualità del segnale misurato in antenna sarà diversa da quella misurata alla presa di utente, dopo decine e decine di metri di cavo coassiale interrotto da tutti i dispositivi che aiutano a ramificare la rete come divisori e/o derivatori passivi oppure i multiswitch radiali o i multiswitch derivatori attivi.

A titolo di esempio portiamo il parametro “livello” che, solitamente, assume un valore compreso tra 70 e 80 dBµV in antenna, misurato al connettore di uscita dell’LNB, mentre alla derivazione di piano (interfaccia HNI) deve essere compreso tra 51 e 81 dBµV per garantire un buon rilancio dei segnali prima della distribuzione di piano e arrivare a tutte le prese di utente con un livello compreso tra 47 e 77 dBµV (secondo la norma europea EN 50083-7 e la Guida CEI 100-7). Per esperienza pratica, comunque fuori dai valori prescritti dalle norme, possiamo associare la condizione minima di aggancio del decoder quando i segnali applicati al suo ingresso sono compresi tra 40 e 50 dBµV (raccolta di esperienze pratiche di installazione in casi limite) in condizioni di cielo sereno.

Analisi di spettro

La misura di livello è riferita a un transponder ovvero a un solo canale IF. Con uno strumento dotato di analizzatore di spettro è possibile invece valutare il livello di tutti i transponder ricevibili. Dobbiamo considerare che gli operatori satellitari irradiano, dai loro satelliti, segnali di potenza omogenea e caratteristiche tali da garantire la ricevibilità dei segnali. Osservando lo spettro all’uscita dell’LNB possiamo evidenziare problematiche dovute a difetti di ricezione o di distribuzione.

Nella fase di installazione, l’analisi di spettro è indispensabile per la messa a punto dell’orientamento dell’antenna regolandola per ottenere il massimo livello globale di tutti i transponder ricevuti. Sempre in antenna l’analisi di spettro con espansione (Span) ridotta alla visione di alcuni transponder, permette di ottimizzare al massimo la cross polarizzazione, ruotando l’LNB nella sua sede per avere i minimi più profondi tra i canali, come abbiamo già visto sul numero 301 di EuroSat.

Può essere poi utile osservare lo spettro nei diversi punti dell’impianto evidenziando più facilmente eventuali problematiche di distribuzione. È facile visualizzare ondulazioni nella banda IF, differenze accentuate tra il livello dei diversi transponder con distorsione della cresta del canale, dovute a disadattamenti di impedenza o ad alterazioni della risposta in frequenza causate da componenti passivi difettosi o di scarsa qualità.

Gli installatori più esperti riescono anche a identificare, dall’analisi di spettro, se la centrale di testa introduce rumore per difetto di filtraggio dell’alimentatore. Altre valutazioni utili si possono compiere sugli impianti a distribuzione miscelata TV e SAT identificando difetti di filtraggio o di separazione tra le diverse bande che condividono uno spettro radio adiacente, UHF per il digitale terrestre, UHF per il 4G e 1aIF per il SAT. In un prossimo articolo dedicheremo spazio alle misure sugli impianti TV e misti TV-SAT.

Spettro passivo filtro impianto sat
Figura 3 – Analisi di spettro che evidenzia il degrado di qualità provocato da un demiscelatore TV-SAT, Si può notare a sinistra un difetto di filtraggio che riduce il livello del primo transponder

La qualità del segnale secondo MER e BER

Il BER (Bit Error Rate) e il MER (Modulation Error Rate) sono, oltre al livello, parametri misurabili che ci danno il polso della situazione ed evidenziano il “peso” di fattori che condizionano la qualità.

Tra i fattori che influenzano BER e MER c’è sicuramente il rumore che aumenta nei momenti di peggioramento delle condizioni metereologiche per effetto del calo di segnale dovuto alla variazione della condizione del cielo da sereno a nuvoloso e, in aggiunta, di stratificazione di nubi fino alla condizione di pioggia e neve. Passando dalla condizione di cielo sereno nella quale ci si potrebbe adagiare sui valori minimi prescritti dalle norme, le cose cambiano con nubi e con pioggia e ancora di più con la neve. In questi casi conta avere un “margine di funzionamento” detto margine di ricezione o di rumore (Noise Margin). L’esperienza insegna che in caso di cattive condizioni metereologiche il livello del segnale può calare di alcuni dB (0,1 dB/km cielo sereno – 1 dB/km cielo coperto con pioggia intensa o neve).

Se, per esempio, durante il tragitto il segnale incontra uno strato di 3 chilometri di nubi cariche di pioggia e/o neve, il segnale cala di 3dB che in termini di potenza significa dimezzare la potenza utile. Gli installatori esperti sanno che un impianto deve avere un “margine di funzionamento” per mantenere l’aggancio dei segnali anche con tempo avverso. Il cosiddetto “margine” lo si può attuare in modi diversi. Il più semplice è quello pratico che considera come valore minimo di livello da fornire al decoder quello indicato dalle norme, 47 dBµV maggiorato di 6 dB ovvero 53 dBµV. In pratica, un buon decoder può agganciare anche segnali da 40 dBµV ma stiamo nei valori indicati dalle norme. La cosa assume connotati diversi se si parla di “Margine di Rumore”, ovvero la misura del Noise Margin offerta da alcuni misuratori di campo viene fatta con una stima del valore di MER, indicando di quanto è superiore al valore che porterebbe alla condizione di QEF (Quasi Error Free) nella quale il BER deve essere superiore a 2E-4 (2×10-4) dopo Viterbi, ovvero, di quanti dB può abbassarsi il MER per arrivare alla condizione QEF.

Per esempio se in condizioni di cielo sereno misuriamo un MER di 14 dB con un livello di 50 dBµV ci dobbiamo aspettare che, in caso di peggioramento meteorologico, entrambi questi valori tenderanno a diminuire, mettendo a rischio l’aggancio del segnale digitale. Se per esempio si avesse un calo di livello di 10 dB, arrivando quindi a 40 dBµV, e se il MER non scende sotto i 10 dB (DVB-S FEC 3/4), l’aggancio potrebbe essere ancora possibile. In queste condizioni il Noise Margin diventa di soli 3 dB e il CBER 1×10-6 (tabella.3). Un altro aspetto riguarda i fenomeni di diffrazione e di alterazione della polarizzazione dovute all’acqua durante una giornata piovosa. Questi aspetti agiscono sulla fase dei vettori della modulazione QPSK alterando visibilmente la costellazione e quindi il MER.

Costellazione impianto Sat
Figura 4 – Analisi della Costellazione QPSK. La dispersione dei vettori è provocata essenzialmente dal rumore. Quelli che sono molto lontani dal centro di ognuno dei quattro settori, evidenziano degrado di segnale. I “puntini” lontani infatti, ai limiti dei settori, possono essere interpretati con una coppia di bit non corretto. Ricordiamo che ogni quadrante è associato a una coppia di bit, cominciando da sinistra in alto abbiamo la coppia 01, subito a destra in alto 11, in basso a destra 10 e in basso a sinistra 00. I vettori che sono sul margine o addirittura invadono un quadrante adiacente provocano un errore di interpretazione

Tabella 3
Valori minimi stimati sperimentalmente oltre i quali l’aggancio del decoder DVB-S è possibile ma non garantito

Livello 40 dBµV
Noise Margin 3 dB
CBER 1×10-6
MER (DVB-S FEC 2/3) 9 dB
MER (DVB-S FEC 3/4) 10 dB
MER (DVB-S FEC 5/6) 11 dB

L’inevitabile rumore

Il rumore rappresenta quel contenuto inevitabile e sempre presente nella ricezione. Nei segnali digitali il rumore influenza il tasso di errori BER e MER. Gli enti normatori hanno fornito indicazioni utili al fine di valutare quale sia l’entità del rumore che condiziona pesantemente la ricezione introducendo il rapporto C/N. Le norme sugli impianti SAT forniscono solamente un valore corrispondente al C/N minimo, che garantisce immunità e buona ricezione e che corrisponde a 11 dB. Le norme internazionali ETSI nel fascicolo 300 421 ci aiutano a capire quali possono essere i veri valori problematici relativi al rapporto C/N sui segnale DVB-S in funzione del codice di correzione FEC. Tali valori sono elencati nella tabella 4.

Tabella 4
Valori di C/N minimo, e relativo valore di Eb/No riferito alla condizione QEF, nella ricezione DVB-S in funzione del codice di correzione FEC (valori estratti dalle norme ETSI 300 421 relativi a un transponder da 33 MHz di larghezza di banda)

FEC Eb/No[dB] C/N[dB]
1/2 4.5 4.1
2/3 5.0 5.8
3/4 5.5 6.8
5/6 6.0 7.8
7/8 6.4 8.4

2 COMMENTI

  1. Articolo ben fatto.Colgo l’occasione per chiedervi se sulla rivista pubblicherete più articoli impiantistici sugli LNB ottici su come funzionano e su come dimensionare le reti di distrubizione ottiche per satellite e digitale terrestre.Grazie

    • Stiamo preparando degli articoli proprio sulle reti di distribuzione ottiche. Non saranno sul numero di aprile, ma con tutta probabilità a maggio. In aprile, tra le altre cose, abbiamo un caso pratico interessante: come ricevere in tutti gli appartamenti di un condominio più satelliti con una sola parabola. Nel nostro esempio parliamo di 16 satelliti

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