Il DMR è ormai diffusissimo nel mondo radioamatoriale, ma spesso lo utilizziamo conoscendone perfettamente talkgroup, codeplug e ripetitori senza sapere cosa accade realmente nei pochi millisecondi successivi alla pressione del PTT.
Dietro una semplice chiamata DMR c’è infatti una catena piuttosto sofisticata: campionamento della voce, codifica digitale, segnalazione, sincronizzazione TDMA, correzione degli errori, modulazione RF, ripetizione ed eventualmente trasporto attraverso una rete IP.
Vediamo quindi il DMR Tier II partendo dall’inizio: il dito che preme il PTT.
Che cos’è realmente il DMR Tier II?
DMR significa Digital Mobile Radio ed è uno standard definito dalla famiglia ETSI TS 102 361.
Il Tier II è la modalità convenzionale destinata a sistemi che possono lavorare sia in comunicazione diretta sia tramite una Base Station, cioè quello che nel nostro utilizzo radioamatoriale chiamiamo comunemente ripetitore. Non va confuso con il Tier III, che introduce invece una vera architettura trunking controllata dalla rete.
La caratteristica fondamentale del DMR Tier II è l’utilizzo di un canale RF da 12,5 kHz suddiviso temporalmente in due slot TDMA. ETSI definisce infatti un frame composto da due time slot consecutivi e della durata complessiva di 60 ms: ogni slot dura quindi 30 ms.
Ed è proprio qui che nasce una delle caratteristiche più interessanti del DMR.
Su una singola coppia di frequenze di un ripetitore possiamo avere:
Time Slot 1 → comunicazione A
Time Slot 2 → comunicazione B
Le due comunicazioni condividono la stessa portante RF ma utilizzano intervalli temporali differenti.
In termini semplificati:
TS1 → 30 ms → TS2 → 30 ms → TS1 → 30 ms → TS2 → 30 ms...
Per l’utente tutto sembra continuo. In realtà ogni radio trasmette e riceve seguendo questa precisa scansione temporale.
Premiamo il PTT: cosa sa già la radio?
Quando selezioniamo un canale DMR dal nostro apparato, il codeplug ha già fornito alla radio una serie di informazioni fondamentali.
Normalmente troviamo almeno:
- frequenza RX;
- frequenza TX;
- Color Code;
- Time Slot;
- destinazione della chiamata;
- identificativo sorgente;
- eventuali parametri di accesso al canale.
Nel mondo radioamatoriale la destinazione viene normalmente associata a un Talkgroup o a una chiamata privata.
Quando premiamo il PTT, quindi, la radio non sta semplicemente attivando il trasmettitore. Deve costruire una comunicazione digitale coerente con tutti questi parametri.
Il Color Code: non è semplicemente uno “squelch digitale”
Il Color Code, abbreviato CC, viene spesso paragonato al CTCSS della radio analogica.
Il paragone può aiutare a comprenderne intuitivamente l’utilizzo, ma tecnicamente è incompleto.
ETSI definisce il Color Code come uno strumento utilizzato per distinguere sistemi e siti radio, particolarmente utile quando esistono segnali co-canale o aree di copertura sovrapposte. La radio deve riconoscere il sistema corretto e la relativa struttura temporale prima di partecipare alla comunicazione.
Quindi un Color Code errato può permetterci di vedere RF sul ricevitore, ma impedisce alla radio di considerare quel traffico appartenente al proprio sistema.
Non dobbiamo però interpretarlo come una protezione dalle interferenze: un interferente rimane un interferente anche se possiede un Color Code differente.
Dal microfono ai dati digitali
Dopo aver premuto il PTT, la voce captata dal microfono viene convertita da segnale analogico in informazione digitale.
La quantità di dati necessaria a rappresentare direttamente una voce con qualità elevata sarebbe troppo grande per essere trasportata efficientemente all’interno del limitato canale radio disponibile.
Serve quindi un vocoder, cioè un algoritmo progettato per rappresentare la voce utilizzando una quantità di dati enormemente inferiore rispetto alla registrazione audio originale.
È importante comprendere una cosa: il DMR non “trasmette un file audio”.
Trasmette una rappresentazione codificata della voce.
Il ricevitore svolgerà successivamente il procedimento inverso ricostruendo un segnale audio intelligibile.
Questo spiega anche il caratteristico comportamento dei sistemi digitali quando il segnale diventa debole.
In FM analogica, degradando il rapporto segnale/rumore, aumenta progressivamente il fruscio.
Nel digitale possiamo invece avere una voce apparentemente perfetta fino a quando il ricevitore riesce a ricostruire correttamente i dati; oltre una certa soglia iniziano artefatti, parole incomprensibili e infine la comunicazione scompare.
La DMR Association sottolinea proprio come rumore e interferenze continuino a essere determinanti: la digitalizzazione non può compensare un sito RF progettato male, un noise floor elevato o un impianto d’antenna inefficiente.
I dati devono essere organizzati in burst
La voce codificata non viene trasmessa come un flusso continuo.
Il DMR organizza le informazioni in burst, cioè piccoli blocchi trasmessi all’interno degli intervalli temporali previsti.
Ogni burst non contiene soltanto voce.
Devono esserci anche informazioni che permettono al ricevitore di capire:
- dove siamo temporalmente;
- che tipo di informazione sta arrivando;
- a quale comunicazione appartiene;
- chi sta trasmettendo;
- quale destinazione è interessata;
- come verificare o correggere determinati errori.
In altre parole, parte della capacità disponibile viene inevitabilmente utilizzata dalla segnalazione di protocollo.
30 millisecondi che fanno la differenza
Lo standard ETSI definisce ogni time slot della durata di 30 ms e un frame completo di due slot della durata di 60 ms.
Supponiamo che IZ1ABC stia utilizzando il TS1 mentre IZ1XYZ utilizza il TS2.
La sequenza può essere immaginata così:
0–30 ms → IZ1ABC
30–60 ms → IZ1XYZ
60–90 ms → IZ1ABC
90–120 ms → IZ1XYZ
e così via.
Naturalmente questa è una rappresentazione concettuale; il protocollo reale include burst, sincronizzazione, segnalazione e tempi necessari al funzionamento del sistema.
La conseguenza però è straordinariamente pratica:
una sola portante RF da 12,5 kHz può sostenere due canali logici indipendenti.
Come può un trasmettitore accendersi e spegnersi così rapidamente?
Durante la comunicazione la radio deve rispettare rigorosamente il proprio slot.
Significa che il trasmettitore deve aumentare e ridurre la potenza seguendo la temporizzazione prevista, senza interferire con lo slot adiacente.
Questa caratteristica rende particolarmente importante la corretta taratura delle radio DMR.
Non basta infatti verificare solamente:
potenza, frequenza e deviazione.
Sono importanti anche:
- accuratezza della frequenza;
- temporizzazione;
- fedeltà della modulazione;
- comportamento del power ramp;
- Bit Error Rate.
La DMR Association richiama esplicitamente l’importanza della stabilità di frequenza e della fedeltà della modulazione nei sistemi DMR.
Ecco perché per verificare seriamente un ripetitore DMR non basta sempre il classico service monitor utilizzato per l’FM analogica: occorre strumentazione capace di analizzare correttamente un segnale digitale.
La modulazione: 4FSK
Il DMR utilizza una modulazione 4-level FSK.
Invece di rappresentare l’informazione con soltanto due stati, vengono utilizzati quattro livelli di frequenza. Ogni simbolo può quindi rappresentare due bit.
La documentazione tecnica della DMR Association indica un symbol rate di 4800 simboli al secondo con due bit associati a ciascun simbolo.
Questo permette di trasportare efficientemente voce, segnalazione e dati mantenendo il segnale entro l’occupazione spettrale prevista per il canale.
Arriviamo al ripetitore
La nostra radio trasmette sulla frequenza di ingresso.
Il ricevitore del ripetitore deve:
- ricevere correttamente il segnale RF;
- sincronizzarsi con il segnale DMR;
- riconoscere il Color Code;
- individuare la struttura degli slot;
- determinare quale time slot è utilizzato;
- decodificare la segnalazione;
- gestire la comunicazione relativa a quello slot.
ETSI descrive esplicitamente la necessità della Mobile Station di sincronizzarsi con l’outbound del ripetitore, verificare il Color Code e determinare la struttura degli slot.
Ed è per questo che la precisione temporale è fondamentale.
Un ripetitore può trovarsi contemporaneamente nella situazione:
TS1 occupato
TS2 libero
oppure:
TS1 occupato
TS2 occupato
Le due conversazioni possono procedere indipendentemente.
Ma dove entra Internet?
Qui bisogna distinguere due mondi.
Il DMR radio definito dallo standard riguarda innanzitutto ciò che succede sull’interfaccia radio.
Quando invece colleghiamo un ripetitore a una rete come BrandMeister o ad altra infrastruttura radioamatoriale IP, entra in gioco un secondo livello.
Il traffico ricevuto dal ripetitore viene inoltrato verso server e nodi attraverso Internet.
È qui che il concetto di Talkgroup acquista la dimensione alla quale siamo abituati nelle reti radioamatoriali.
Un TG può essere distribuito:
- soltanto localmente;
- verso un gruppo di ripetitori;
- verso un’intera regione;
- verso una nazione;
- verso molti sistemi interconnessi.
La RF rappresenta quindi soltanto l’ultimo tratto della comunicazione.
Una QSO digitale moderna può seguire un percorso simile:
Radio A → RF → Ripetitore A → IP → Server → IP → Ripetitore B → RF → Radio B
Ed è proprio per questo motivo che qualità della connessione IP, jitter e perdita di pacchetti possono influenzare l’audio anche quando i segnali RF sono perfetti. La DMR Association cita esplicitamente il jitter come uno dei problemi da considerare nelle reti che interconnettono Base Station e nodi centrali.
Il viaggio inverso: dal ripetitore all’altoparlante
Quando il segnale arriva alla radio destinataria viene eseguito il processo opposto.
Il ricevitore:
1. riceve la portante RF;
2. demodula il segnale 4FSK;
3. recupera i simboli digitali;
4. identifica sincronizzazione, Color Code e slot;
5. interpreta le informazioni relative alla chiamata;
6. controlla se la destinazione interessa la radio;
7. ricostruisce i dati vocali;
8. il vocoder ricrea l’audio;
9. il convertitore digitale/analogico genera il segnale;
10. l’altoparlante finalmente riproduce la voce.
Tutto questo accade praticamente in tempo reale.
Perché a volte sentiamo la voce “robotica”?
Quando alcuni bit vengono ricevuti erroneamente, gli algoritmi di correzione possono riuscire a recuperare l’informazione originale.
Quando gli errori aumentano troppo, invece, il decoder deve lavorare con informazioni incomplete.
Il risultato può essere:
- audio metallico;
- sillabe deformate;
- parole mancanti;
- brevi interruzioni;
- perdita completa dell’audio.
Da qui nasce anche il valore del BER — Bit Error Rate.
Un RSSI apparentemente soddisfacente non racconta necessariamente tutta la storia: interferenze, rumore, errori di frequenza o modulazione scadente possono aumentare gli errori digitali.
Due slot non significano due frequenze
È probabilmente l’equivoco più comune.
Un ripetitore DMR Tier II duplex continua normalmente ad avere:
una frequenza di ingresso
e
una frequenza di uscita.
I due canali aggiuntivi non vengono creati in frequenza, ma nel dominio del tempo.
È il TDMA a consentire due comunicazioni indipendenti sulla stessa risorsa RF da 12,5 kHz.
Ecco perché il DMR ha avuto tanto successo
Il vero punto di forza del DMR non è semplicemente “avere l’audio digitale”.
È l’insieme di molte caratteristiche:
efficienza spettrale, due slot TDMA, identificazione degli utenti, chiamate individuali e di gruppo, trasmissione dati e possibilità di integrare l’infrastruttura radio con reti IP.
Nel mondo radioamatoriale abbiamo poi trasformato queste caratteristiche in qualcosa che lo standard commerciale originale probabilmente non lasciava immaginare su questa scala: reti internazionali composte da migliaia di nodi, hotspot, ripetitori e server.
La prossima volta che premiamo il PTT di una radio DMR possiamo quindi ricordare che, prima ancora che la nostra voce esca dall’altoparlante del corrispondente, è già avvenuta una quantità sorprendente di elaborazione.
E tutto nei pochi millisecondi che separano un time slot dal successivo.