Sul dashboard di un hotspot o nel log di un ripetitore MMDVM possiamo trovare una riga come:
BER: 0.3%
oppure:
BER: 2.7%
o, nei casi peggiori:
BER: 8.4%
Ma che cosa significano realmente questi numeri?
È meglio avere:
RSSI -55 dBm
BER 5%
oppure:
RSSI -95 dBm
BER 0.3%
La risposta può sorprendere chi proviene dalla radio analogica:
per una comunicazione digitale, il secondo collegamento può essere qualitativamente molto migliore.
Il BER, acronimo di Bit Error Rate, è infatti uno dei parametri più importanti per capire la qualità reale di una trasmissione digitale.
Non misura quanto il segnale è forte.
Misura quanto bene riusciamo a interpretarlo.
Che cosa significa BER?
BER significa:
Bit Error Rate
ovvero:
tasso di errore sui bit.
In un sistema digitale trasmettiamo una sequenza di bit:
1 0 1 1 0 0 1 0
Il ricevitore dovrebbe ricostruire esattamente:
1 0 1 1 0 0 1 0
Ma a causa di rumore, interferenze o distorsioni potrebbe ottenere:
1 0 1 0 0 0 1 0
Un bit è stato interpretato erroneamente.
Concettualmente:
BER =
numero di bit errati
--------------------
numero totale di bit
Se su 10.000 bit ne riceviamo erroneamente 100:
BER = 100 / 10.000
ovvero:
1%
Più basso è meglio
Questa è la prima regola.
BER 0.1%
è migliore di:
BER 1%
che è migliore di:
BER 5%
che è migliore di:
BER 10%
Idealmente:
BER = 0%
significherebbe che tutti i bit considerati sono stati interpretati correttamente.
Nella pratica qualche errore può essere presente senza rendere inutilizzabile la comunicazione.
BER non significa “percentuale di audio perso”
Un BER del:
5%
non significa necessariamente:
“Perdo il 5% delle parole.”
Il rapporto non è così semplice.
Il DMR utilizza:
- codifica;
- interleaving;
- Forward Error Correction;
- strutture di sincronizzazione;
- vocoder digitale.
Parte degli errori può quindi essere corretta o mascherata.
Altri errori, se colpiscono informazioni particolarmente importanti, possono invece produrre effetti molto più evidenti.
Forward Error Correction
Il concetto di FEC, Forward Error Correction, è fondamentale.
La trasmissione digitale inserisce ridondanza che permette al ricevitore di correggere alcuni errori senza chiedere la ritrasmissione.
Possiamo rappresentarlo concettualmente:
DATI ORIGINALI
↓
AGGIUNTA RIDONDANZA
↓
TRASMISSIONE
↓
ALCUNI BIT ERRATI
↓
DECODIFICA FEC
↓
DATI CORRETTI
Naturalmente esiste un limite.
Quando gli errori diventano troppi, il ricevitore non riesce più a ricostruire correttamente l’informazione.
Come misura il BER MMDVM?
Nel software MMDVM-Host troviamo un esempio concreto.
Durante la ricezione dei frame vocali DMR il software esegue procedure di rigenerazione/FEC, conteggia gli errori e mantiene contatori dei bit analizzati.
Il codice registra, per i voice burst, errori rispetto a blocchi di 141 bit, accumulando poi errori e bit per calcolare il BER della trasmissione. Al termine può riportare una riga del tipo:
BER: x.x%
insieme alla durata e, quando disponibile, RSSI minimo, massimo e medio.
Quindi quel numero non è semplicemente un’icona grafica inventata dal dashboard.
Deriva da una misura effettuata sul flusso digitale ricevuto.
BER e sensibilità del ricevitore
L’importanza del BER è evidente anche nelle specifiche degli apparati professionali.
La sensibilità analogica viene spesso dichiarata utilizzando un parametro come:
12 dB SINAD
mentre in digitale viene frequentemente dichiarata come:
5% BER
Per esempio il Motorola MOTOTRBO SLR 5500 dichiara la propria sensibilità digitale facendo riferimento a 5% BER.
Questo ci fa capire una cosa fondamentale:
nel digitale la qualità del ricevitore non viene giudicata soltanto in base all’intensità RF, ma alla capacità di recuperare correttamente i bit.
Attenzione: 5% non significa “BER ideale”
Il fatto che un costruttore specifichi la sensibilità a:
5% BER
non significa che:
5% BER = collegamento perfetto
Quello è un punto di riferimento di misura della sensibilità.
In normale esercizio vorremmo generalmente valori molto inferiori.
È quindi sbagliato utilizzare il 5% come se fosse una frontiera universale tra:
BUONO
e:
CATTIVO
Il comportamento reale dipende da:
- radio;
- modem;
- fading;
- tipo di errore;
- durata della trasmissione;
- implementazione del decoder.
Una scala pratica
Per l’utilizzo quotidiano con hotspot e ripetitori MMDVM possiamo comunque costruire una scala indicativa, non normativa.
BER 0 – 0,5%
ECCELLENTE
Normalmente ci aspettiamo audio molto stabile.
BER 0,5 – 1%
MOLTO BUONO
Pochi errori.
BER 1 – 2%
BUONO / ACCETTABILE
La comunicazione dovrebbe normalmente essere ancora solida.
BER 2 – 4%
DA TENERE SOTTO CONTROLLO
Potrebbero iniziare fenomeni di robotizzazione o instabilità, soprattutto se il BER varia rapidamente.
BER circa 5% e oltre
COLLEGAMENTO MARGINALE
La qualità può iniziare a deteriorarsi sensibilmente.
BER molto alto
AUDIO SPEZZATO / DROP / PERDITA DECODIFICA
Queste fasce sono indicative e non devono essere confuse con limiti ufficiali ETSI.
Il valore importante non è soltanto la media, ma anche quanto il BER oscilla.
Media BER e picchi
Consideriamo due collegamenti.
Collegamento A
0.2%
0.3%
0.4%
0.3%
0.2%
Molto stabile.
Collegamento B
0.1%
0.2%
8.5%
0.3%
7.2%
0.2%
La media può sembrare ancora relativamente contenuta, ma l’audio potrebbe avere evidenti buchi.
Per questo durante una diagnosi è utile osservare:
- valore medio;
- variazioni;
- picchi;
- eventuali frame persi.
BER e RSSI
Questa è probabilmente la distinzione più importante.
RSSI
Received Signal Strength Indicator.
Risponde alla domanda:
Quanto segnale sto ricevendo?
BER
Bit Error Rate.
Risponde alla domanda:
Quanto correttamente sto decodificando quel segnale?
Non sono la stessa cosa.
Quattro situazioni possibili
1. RSSI forte + BER basso
RSSI -50 dBm
BER 0.2%
Situazione ideale.
Abbiamo:
- molto segnale;
- buona decodifica.
2. RSSI debole + BER basso
RSSI -100 dBm
BER 0.5%
Il segnale è debole ma ancora pulito.
La comunicazione può risultare perfettamente intelligibile.
Siamo però più vicini alla soglia del ricevitore e un piccolo fading potrebbe far salire rapidamente il BER.
3. RSSI debole + BER alto
RSSI -115 dBm
BER 8%
Situazione facilmente spiegabile.
Il segnale è vicino al limite.
Rumore e fading producono molti errori.
4. RSSI forte + BER alto
RSSI -45 dBm
BER 7%
Questo è il caso più interessante.
Il problema probabilmente non è mancanza di segnale.
Dobbiamo cercare:
- interferenza;
- modulazione errata;
- offset di frequenza;
- saturazione;
- multipath;
- calibrazione modem;
- desensibilizzazione;
- distorsione del percorso RF.
Un errore comune
Vedere:
RSSI -40 dBm
e concludere:
“Il segnale è fortissimo, quindi la comunicazione deve essere perfetta.”
No.
Possiamo avere un segnale fortissimo ma completamente inutilizzabile.
Immaginiamo di ricevere una portante interferente da 100 watt.
L’RSSI sarà certamente elevato.
Ma quella potenza non contiene necessariamente i bit che vogliamo decodificare.
BER e Signal-to-Noise Ratio
Generalmente, man mano che il rapporto segnale/rumore peggiora, aumenta la probabilità di interpretare erroneamente i simboli.
Quindi possiamo aspettarci:
SNR alto
↓
BER basso
e:
SNR basso
↓
BER crescente
Ma nella pratica possono intervenire altri fenomeni.
Per esempio:
- interferenza co-canale;
- multipath;
- fading selettivo;
- errore di frequenza;
- non linearità.
Per questo il semplice RSSI non descrive completamente il problema.
BER e multipath
Immaginiamo che il segnale arrivi direttamente dal ripetitore:
RPT ───────────────► RADIO
ma contemporaneamente venga riflesso da un edificio:
RPT ─► PALAZZO ────► RADIO
I due segnali percorrono distanze differenti e arrivano con fasi e ritardi differenti.
Il risultato può essere una deformazione del segnale.
Possiamo quindi avere:
RSSI buono
BER elevato
Spostare la radio di pochi metri può modificare completamente il risultato.
Un esperimento molto interessante
Con un hotspot possiamo fare questa prova.
Posizioniamo la radio:
Punto A
e trasmettiamo 10 secondi.
Annotiamo:
RSSI
BER
Poi spostiamoci di un metro.
Ripetiamo.
Poi:
- due metri;
- cinque metri;
- altra stanza.
Potremmo ottenere qualcosa come:
| Posizione | RSSI | BER |
|---|---|---|
| 30 cm | -35 dBm | 3.8% |
| 1 m | -48 dBm | 0.6% |
| 3 m | -61 dBm | 0.2% |
| altra stanza | -78 dBm | 0.4% |
La situazione migliore non è necessariamente quella con RSSI più elevato.
Perché a 30 centimetri può andare peggio?
Perché il front-end del piccolo ricevitore dell’hotspot può essere sottoposto a un segnale eccessivamente forte.
Non significa che debba accadere con ogni dispositivo, ma è un comportamento possibile.
Dobbiamo quindi ricordare:
il ricevitore ha bisogno del livello corretto, non del livello massimo possibile.
BER e offset MMDVM
Supponiamo che il nostro hotspot sia nominalmente configurato a:
433.550000 MHz
ma esista un piccolo errore nell’oscillatore.
Il segnale della radio può essere forte ma non perfettamente centrato rispetto al demodulatore.
Risultato:
RSSI ottimo
BER alto
Applicando una corretta compensazione RX potremmo ottenere:
Prima:
BER 5.2%
Dopo:
BER 0.4%
senza cambiare:
- radio;
- antenna;
- potenza;
- distanza.
Abbiamo semplicemente migliorato il punto di lavoro del demodulatore.
Come calibrare un hotspot usando il BER
Non è opportuno “girare numeri a caso”.
Il metodo corretto è sperimentale e progressivo.
Supponiamo di avere un parametro RX offset.
Effettuiamo una trasmissione sempre uguale.
Esempio:
OFFSET -500 Hz → BER 4.0%
OFFSET -400 Hz → BER 2.5%
OFFSET -300 Hz → BER 1.0%
OFFSET -200 Hz → BER 0.3%
OFFSET -100 Hz → BER 0.5%
OFFSET 0 Hz → BER 1.2%
Il minimo si trova circa intorno a:
-200 Hz
A quel punto possiamo effettuare prove più fini.
Il principio di usare il BER come feedback di calibrazione viene utilizzato anche in strumenti software per modem digitali; DVMHost descrive esplicitamente procedure nelle quali i livelli TX vengono regolati osservando e minimizzando il BER.
Una sola misura non basta
Effettuare:
PTT 1 secondo
BER 0.0%
e dichiarare l’hotspot perfettamente calibrato non è un metodo rigoroso.
Meglio effettuare:
- più trasmissioni;
- 5-10 secondi ciascuna;
- stessa radio;
- stessa posizione;
- stessa potenza;
- stessa frase.
Possiamo poi confrontare risultati consistenti.
BER e potenza RF
Supponiamo di avere:
5 W
BER 0.5%
Abbassiamo la potenza:
1 W
BER 0.5%
Abbassiamo ancora:
100 mW
BER 0.6%
Non c’è alcun vantaggio nel trasmettere a 5 W se 100 mW producono già un collegamento affidabile.
Viceversa, se allontanandoci otteniamo:
BER 0.5%
BER 1%
BER 3%
BER 8%
stiamo osservando l’avvicinamento alla soglia digitale.
BER e digital cliff
In FM analogica spesso succede:
forte → pulito
medio → fruscio
debole → molto fruscio
Nel DMR la progressione è differente.
Possiamo avere:
BER basso
↓
audio apparentemente perfetto
BER crescente
↓
ancora intelligibile
BER più elevato
↓
robotizzazione
BER molto elevato
↓
drop
oltre soglia
↓
nessun audio
Il passaggio finale può essere piuttosto improvviso.
È il digital cliff.
Perché l’audio sembra perfetto fino all’ultimo?
Perché:
- la correzione degli errori lavora;
- il vocoder ricostruisce la voce;
- alcuni errori vengono nascosti.
Finché il sistema rimane entro il proprio margine operativo, l’utente può quasi non accorgersi che il collegamento sta peggiorando.
Poi improvvisamente il numero di errori supera ciò che il sistema riesce a gestire.
La qualità collassa.
BER e mobilità
In automobile il BER può cambiare continuamente:
0.5%
0.8%
2%
0.4%
6%
1%
anche in pochi secondi.
Le cause comprendono:
- riflessioni;
- edifici;
- cavalcavia;
- vegetazione;
- terreno;
- schermatura del veicolo.
Per questo il BER medio di una breve chiamata può non raccontare tutta la storia.
I picchi sono altrettanto importanti.
BER e antenna
Un’antenna migliore può ridurre il BER se il problema è realmente un segnale insufficiente.
Ma non sempre.
Se abbiamo:
RSSI -45 dBm
BER 8%
installare un’antenna con altri 6 dB di guadagno potrebbe addirittura peggiorare la situazione.
Prima dobbiamo capire la causa.
Se invece abbiamo:
RSSI -115 dBm
BER 10%
migliorare antenna e posizione ha molto più senso.
BER e ripetitore
Per il sysop di un ripetitore il BER è un parametro preziosissimo.
Due utenti possono dire:
“Io arrivo bene.”
ma il log può mostrare:
IZ1AAA BER 0.4%
IZ1BBB BER 7.8%
Il secondo utente viene decodificato in condizioni molto più marginali.
Questo permette di distinguere:
- problemi del ripetitore;
- problemi della singola stazione;
- problemi geografici;
- interferenze locali.
BER come mappa di copertura
Con sufficiente metodo possiamo persino costruire una mappa qualitativa.
Per ogni località annotiamo:
LAT/LON
RSSI
BER
Per esempio:
Tortona centro
RSSI -72
BER 0.3%
Pozzolo
RSSI -88
BER 0.5%
Serravalle
RSSI -103
BER 2.0%
fondovalle X
RSSI -98
BER 7%
La quarta località è particolarmente interessante:
RSSI migliore di Serravalle, ma BER molto peggiore.
Potrebbe indicare:
- multipath;
- interferenza;
- particolare ostacolo;
- rumore RF locale.
Una semplice mappa RSSI non avrebbe evidenziato il problema.
BER e desense
Un ripetitore trasmette e riceve contemporaneamente su frequenze differenti.
Se l’isolamento duplexer non è sufficiente, parte dell’energia del trasmettitore può disturbare il ricevitore.
Possiamo avere:
Ripetitore non in TX:
BER 0.5%
Ripetitore in TX:
BER 6%
Questo è un potente indizio di possibile:
- desense;
- rumore trasmettitore;
- isolamento insufficiente;
- intermodulazione.
Il BER diventa quindi uno strumento diagnostico anche per la postazione.
BER e interferenza
Supponiamo che il BER aumenti soltanto:
08:00-18:00
e torni normale di notte.
Potremmo sospettare:
- apparato industriale;
- alimentatore switching;
- impianto fotovoltaico;
- altro trasmettitore;
- attività RF locale.
Ancora una volta il BER non ci dice quale sia la causa.
Ci dice:
“Il ricevitore sta commettendo più errori.”
Il nostro compito è capire perché.
BER RF e problemi Internet
Un punto fondamentale:
il BER RF non misura la qualità di Internet.
Possiamo avere:
BER RF 0.1%
ma:
packet loss IP elevata
La nostra trasmissione entra perfettamente nell’hotspot ma viene persa o ritardata nella rete.
Oppure viceversa:
Internet perfetta
BER RF 10%
Il server funziona benissimo, ma il modem non riesce a decodificare correttamente la radio.
Occorre separare:
QUALITÀ RF
da:
QUALITÀ IP
Diagnosi completa: BER + RSSI + Parrot
I tre strumenti insieme sono estremamente potenti.
Caso A
RSSI forte
BER basso
Parrot perfetto
Sistema locale in ottime condizioni.
Caso B
RSSI debole
BER alto
Parrot robotico
Probabile problema di copertura RF.
Caso C
RSSI forte
BER alto
Parrot robotico
Probabile problema di qualità RF, calibrazione o interferenza.
Caso D
RSSI forte
BER basso
Parrot assente
La tratta radio locale sembra buona.
Indagare:
- network;
- autenticazione;
- routing;
- servizio Parrot.
Non inseguire lo 0.0% a tutti i costi
Questo è un altro errore frequente.
Se otteniamo stabilmente:
BER 0.3%
non è necessario trascorrere tre ore cercando di ottenere:
0.0%
soprattutto modificando continuamente parametri che potrebbero peggiorare la stabilità generale.
L’obiettivo non è ottenere il numero esteticamente più bello.
L’obiettivo è:
- comunicazione stabile;
- margine sufficiente;
- comportamento ripetibile;
- assenza di drop.
Registrare i risultati
Quando configuriamo una postazione, conviene annotare:
DATA
RADIO
FREQUENZA
POTENZA
DISTANZA
RX OFFSET
TX OFFSET
RSSI
BER
Questo permette di evitare la classica situazione:
“Mi sembrava che con +300 funzionasse meglio… oppure era -300?”
Una piccola tabella vale più della memoria.
Una procedura pratica per hotspot
1. Posizionare la radio a distanza ragionevole
Non appoggiata sull’hotspot.
2. Utilizzare potenza bassa
Se sufficiente.
3. Effettuare una trasmissione di 5-10 secondi
Meglio sempre la stessa frase.
4. Annotare il BER
Ripetere almeno tre volte.
5. Calcolare mentalmente la tendenza
Non serve precisione scientifica.
6. Modificare un solo parametro
Per esempio RX offset.
7. Ripetere la prova
Se il BER migliora, continuare nella stessa direzione.
8. Cercare il minimo
Una volta superato, tornare al valore migliore.
9. Verificare con Parrot
La misura numerica deve essere confermata anche dall’esperienza audio.
Quando il BER non basta
Il BER è estremamente utile ma non può rispondere a tutto.
Non ci dice direttamente:
- quale interferenza esista;
- se il microfono è regolato male;
- se il Talkgroup è configurato correttamente;
- se Internet perde pacchetti;
- se il server è offline;
- se il codeplug contiene il TG corretto.
È quindi uno strumento, non una diagnosi completa.
La frase da ricordare
Se dovessimo riassumere tutto l’articolo in una sola frase:
RSSI ci dice quanto segnale arriva; BER ci dice quanto bene riusciamo a capirlo.
Possiamo avere molto segnale e capirlo male.
Possiamo avere poco segnale e capirlo perfettamente.
È questa la differenza fondamentale tra misurare la potenza e misurare la qualità digitale.
Conclusione
Il BER è uno dei parametri più utili per comprendere realmente un collegamento DMR.
Un numero come:
BER 0.3%
non è soltanto una curiosità del dashboard.
È una misura della quantità di errori incontrati durante la decodifica digitale.
Combinandolo con RSSI possiamo distinguere situazioni molto differenti:
SEGNALE DEBOLE
da:
SEGNALE FORTE MA DISTORTO
e questo rende la diagnosi enormemente più precisa.
Per il radioamatore il BER è utile per:
- calibrare hotspot;
- verificare la copertura;
- confrontare antenne;
- individuare zone problematiche;
- diagnosticare interferenze;
- controllare un ripetitore;
- valutare la qualità reale di una trasmissione.
Nel mondo analogico siamo abituati a giudicare un collegamento ascoltando il rumore.
Nel DMR quel rumore spesso non esiste.
Al suo posto abbiamo un numero.
Quel numero è il BER.
E imparare a leggerlo significa passare da:
“Mi sembra che arrivi bene.”
a:
“So quanto bene il sistema sta realmente decodificando il mio segnale.”