Avete mai utilizzato una radio DMR in automobile ottenendo un audio perfetto per diversi chilometri, per poi sentire improvvisamente la voce diventare robotica sotto un cavalcavia, accanto a un edificio o perfino fermandovi a un semaforo?
Oppure avete mai osservato una situazione apparentemente assurda come questa?
RSSI: -70 dBm
BER: 0,3%
Spostandovi di pochi metri:
RSSI: -68 dBm
BER: 7,5%
Il segnale è addirittura leggermente più forte, ma la comunicazione è molto peggiore.
Una delle possibili spiegazioni è il multipath, cioè la propagazione per cammini multipli.
È uno dei fenomeni più importanti nelle comunicazioni VHF e UHF, soprattutto in ambiente urbano e in mobilità. Non riguarda esclusivamente il DMR: interessa praticamente qualsiasi sistema radio. Ma nei sistemi digitali i suoi effetti possono essere particolarmente evidenti perché non percepiamo semplicemente più rumore: iniziano invece errori di bit, audio robotizzato, frame persi e, infine, la completa scomparsa della comunicazione.
Vediamo cosa succede realmente.
Cos’è il multipath?
In condizioni ideali potremmo immaginare una comunicazione radio così:
RIPETITORE ─────────────────────► RADIO
segnale diretto
L’onda elettromagnetica percorre un solo tragitto dal trasmettitore al ricevitore.
Nella realtà raramente accade.
Il segnale può raggiungere la radio attraverso diversi percorsi:
PALAZZO
▲
/ \
/ \
RIPETITORE ───────────────► RADIO
\ ▲
\ /
▼ /
TERRENO ──────────
Possiamo quindi ricevere contemporaneamente:
- segnale diretto;
- segnale riflesso da edifici;
- segnale riflesso dal terreno;
- segnale riflesso da montagne;
- segnale riflesso da strutture metalliche;
- segnale diffratto da ostacoli;
- segnali diffusi da vegetazione o superfici irregolari.
Le diverse copie del segnale percorrono distanze differenti.
Arrivano quindi al ricevitore:
- con ampiezze differenti;
- con fasi differenti;
- con ritardi differenti.
Questo è il multipath propagation.
Anche la documentazione tecnica relativa ai canali digitali VHF descrive la propagazione a queste frequenze come caratterizzata da riflessione, scattering e diffrazione, con copie del segnale che possono raggiungere il ricevitore in tempi differenti.
Il problema non è avere più segnali
Ricevere diverse copie dello stesso segnale non è necessariamente negativo.
Il problema è come queste copie si sommano.
Supponiamo di ricevere due segnali.
Il primo arriva direttamente:
A ─────────────────────► RX
Il secondo viene riflesso:
A ─────► edificio ──────► RX
Se arrivano con una fase favorevole possono sommarsi:
SEGNALE 1 + SEGNALE 2
↓
SEGNALE PIÙ FORTE
Si parla di interferenza costruttiva.
Ma se arrivano quasi in opposizione di fase:
SEGNALE 1
+
SEGNALE 2 sfasato
↓
CANCELLAZIONE PARZIALE
abbiamo interferenza distruttiva.
Il risultato può essere una profonda attenuazione locale chiamata:
deep fade.
Perché basta spostarsi di pochi centimetri?
La fase di un’onda dipende anche dalla distanza percorsa.
Alle frequenze UHF la lunghezza d’onda è relativamente corta.
A circa 430 MHz abbiamo:
λ ≈ 70 cm
A 145 MHz:
λ ≈ 2,07 m
Questo significa che in UHF spostarsi di una frazione relativamente piccola di metro può modificare sensibilmente la relazione di fase tra due segnali.
Possiamo quindi trovarci:
POSIZIONE A
segnali si sommano
↓
ricezione ottima
e pochi centimetri più avanti:
POSIZIONE B
segnali si cancellano parzialmente
↓
ricezione pessima
È uno dei motivi per cui in UHF può accadere di non riuscire ad aprire un ripetitore da un punto preciso e riuscirci perfettamente spostando la radio di mezzo metro.
Il classico esperimento dentro casa
Possiamo verificare il fenomeno facilmente.
Mettiamoci in una zona dove il segnale del ripetitore è marginale.
Lasciamo la radio ferma.
Potremmo avere:
RSSI -99 dBm
BER 1%
Spostiamola lentamente di 30-50 centimetri.
Potremmo trovare:
RSSI -92 dBm
BER 0,2%
Continuando:
RSSI -97 dBm
BER 5%
Non significa che il ripetitore stia modificando continuamente la propria potenza.
È cambiata la somma vettoriale dei vari segnali che raggiungono la nostra antenna.
Multipath e fading
Il multipath produce spesso il cosiddetto:
multipath fading.
La parola fading indica una variazione dell’intensità o della qualità del segnale.
Possiamo immaginare la copertura radio non come una superficie uniforme:
████████████████████████
████████████████████████
████████████████████████
ma come qualcosa di molto più irregolare:
██████░░████████░███████
██████████░░████████░███
██░██████████░░█████████
dove piccoli spostamenti possono portarci da una zona favorevole a una sfavorevole.
Il multipath in automobile
L’automobile è un laboratorio perfetto per osservare questo fenomeno.
Mentre viaggiamo cambiano continuamente:
- distanza dal ripetitore;
- posizione rispetto agli edifici;
- riflessioni;
- angolo rispetto alle montagne;
- presenza di camion;
- guardrail;
- strutture metalliche;
- vegetazione.
Di conseguenza il canale radio diventa dinamico.
Possiamo ascoltare:
audio perfetto
audio perfetto
audio perfetto
ROBOTICO
audio perfetto
DROP
audio perfetto
in pochi secondi.
Non necessariamente perché siamo esattamente al limite della copertura geografica.
Potremmo semplicemente attraversare una successione di massimi e minimi provocati dal multipath.
Perché il problema è evidente vicino agli edifici?
Un edificio può essere un ottimo riflettore RF.
Specialmente se contiene:
- cemento armato;
- grandi superfici metalliche;
- vetro con trattamenti metallici;
- strutture industriali.
Immaginiamo:
PALAZZO
RPT ───────────────┐
│ │
│ diretto │ riflesso
▼ ▼
RADIO
La radio riceve contemporaneamente il percorso diretto e quello riflesso.
Se la differenza di percorso cambia mentre ci muoviamo, cambia continuamente anche la fase relativa.
Montagne e vallate
Il multipath non è esclusivamente urbano.
In montagna possiamo ricevere:
- segnale diretto;
- riflessione da una parete rocciosa;
- diffrazione da una cresta;
- riflessione dal versante opposto.
In una vallata il comportamento può diventare molto complesso.
Per questo una semplice previsione basata esclusivamente sulla distanza può fallire.
Due stazioni entrambe a 40 km dal ripetitore possono avere:
STAZIONE A
BER 0,2%
e:
STAZIONE B
BER 8%
anche con RSSI non troppo differenti.
Perché il DMR è sensibile alla qualità della forma d’onda?
Il DMR utilizza modulazione 4FSK.
Lo standard ETSI specifica una velocità di:
4.800 simboli al secondo
con due bit trasportati da ciascun simbolo.
Possiamo semplificare i quattro stati come:
+3
+1
-1
-3
a cui corrispondono differenti deviazioni di frequenza.
Il ricevitore deve determinare correttamente quale simbolo sia stato trasmesso.
Se il canale radio deforma il segnale, il ricevitore può iniziare a confondere uno stato con un altro.
Risultato:
simbolo corretto
↓
bit corretti
oppure:
simbolo interpretato male
↓
bit errati
↓
BER aumenta
Multipath e ritardo
Finora abbiamo parlato soprattutto di fase.
Ma esiste anche il problema del ritardo temporale.
Supponiamo:
PERCORSO DIRETTO = 10 km
PERCORSO RIFLESSO = 10,3 km
La seconda copia ha percorso 300 metri in più.
Arriverà quindi leggermente dopo.
Se il ritardo è sufficientemente significativo rispetto alla durata dei simboli, il segnale ritardato può interferire con simboli successivi.
Il concetto generale viene chiamato:
inter-symbol interference, ISI.
Non è necessario entrare nella matematica per comprenderne l’effetto:
il ricevitore non riceve più simboli perfettamente separati, ma una loro versione deformata dalla sovrapposizione di copie ritardate.
DMR: un simbolo ogni circa 208 microsecondi
Dato che il DMR utilizza 4.800 simboli/s:
1 / 4800 ≈ 208 µs
Ogni simbolo dura quindi circa:
208 microsecondi.
Lo standard ETSI riporta infatti esplicitamente il tempo di simbolo come 1/4800 s.
Nella maggior parte dei collegamenti terrestri VHF/UHF il multipath tipico non produce necessariamente ritardi enormi rispetto a questo intervallo, ma può comunque alterare fase, ampiezza e forma del segnale al ricevitore, soprattutto in scenari complessi.
RSSI forte non significa segnale buono
Questo è probabilmente il concetto più importante dell’articolo.
Il ricevitore potrebbe indicare:
RSSI -65 dBm
Quindi molta energia RF.
Ma quell’energia potrebbe essere costituita da:
segnale diretto
+
segnale riflesso 1
+
segnale riflesso 2
+
interferenza
Il risultato può avere un’ampiezza elevata ma essere difficile da demodulare.
Possiamo quindi osservare:
RSSI FORTE
+
BER ALTO
La situazione non è contraddittoria.
RSSI indica quanto arriva.
BER indica quanto correttamente lo comprendiamo.
Un esempio
Posizione A:
RSSI -80 dBm
BER 0,4%
Posizione B:
RSSI -72 dBm
BER 6,2%
Qual è la posizione migliore?
Per un collegamento DMR:
A.
Nonostante il segnale più debole, viene decodificato molto meglio.
E nell’FM analogica?
Anche l’analogico soffre il multipath.
Gli effetti possono essere:
- distorsione;
- flutter;
- variazioni rapide del segnale;
- rumore;
- cancellazioni.
Chi ascolta FM in automobile conosce bene il fenomeno del:
picket fencing
cioè quel rapido alternarsi di segnale e rumore mentre ci si muove.
Nel digitale però l’effetto percepito è diverso.
Non sentiamo necessariamente:
più fruscio
Sentiamo piuttosto:
audio pulito
↓
audio metallico
↓
voce robotica
↓
pezzi mancanti
↓
silenzio
Perché la voce diventa “robotica”?
Il DMR non trasporta direttamente l’onda audio analogica.
La voce viene:
MICROFONO
↓
digitalizzata
↓
codificata dal vocoder
↓
inserita nei frame DMR
↓
trasmessa
Se vengono persi o alterati alcuni bit, il sistema tenta di recuperare l’informazione attraverso meccanismi di correzione degli errori.
Finché gli errori rimangono entro limiti gestibili, l’audio può sembrare normale.
Quando aumentano, il vocoder inizia a ricevere informazioni incomplete.
Ecco comparire:
- voce metallica;
- sillabe deformate;
- suoni “R2D2”;
- brevi silenzi.
Multipath e BER
Una delle migliori indicazioni del problema è osservare il BER.
Supponiamo di essere fermi:
BER 0,5%
Avanziamo dieci metri:
BER 4%
Altri dieci metri:
BER 0,7%
Altri dieci:
BER 8%
Questo andamento rapido è compatibile con un ambiente ricco di fading.
Un indizio: BER cambia rapidamente, RSSI meno
Un caso particolarmente interessante è:
RSSI:
-78
-77
-79
-78 dBm
mentre:
BER:
0,5%
5%
1%
8%
Il livello medio della RF è relativamente stabile.
La qualità della demodulazione no.
È un indizio che potrebbe esserci un problema di:
- multipath;
- interferenza;
- distorsione del segnale;
piuttosto che semplice mancanza di potenza.
Effetto della velocità
Quando il ricevitore è in movimento, la geometria dei percorsi cambia continuamente.
Più velocemente ci muoviamo, più rapidamente possiamo attraversare le zone di massimo e minimo.
A questo si aggiunge il Doppler.
Le raccomandazioni tecniche sui sistemi digitali VHF considerano esplicitamente scenari differenti per canali urbani, rurali, ostruiti e mobili proprio perché fading, multipath e Doppler modificano significativamente le condizioni di ricezione.
Perché sotto un cavalcavia il DMR può sparire?
Un cavalcavia rappresenta una situazione quasi ideale per creare problemi.
Possiamo avere contemporaneamente:
- schermatura del percorso diretto;
- riflessione dalla struttura;
- riflessione dai veicoli;
- rapida variazione geometrica.
Prima del cavalcavia:
PERCORSO DIRETTO FORTE
BER 0,4%
Sotto:
DIRETTO ATTENUATO
+
RIFLESSIONI
BER 9%
Dopo:
DIRETTO DI NUOVO DISPONIBILE
BER 0,5%
Dal punto di vista dell’operatore sembra che la rete sia sparita per due secondi.
In realtà il problema può essere interamente RF.
Perché girare la radio può aiutare?
La radio portatile non ha una risposta identica in tutte le direzioni.
Cambiare orientamento modifica:
- diagramma dell’antenna;
- polarizzazione effettiva;
- schermatura del corpo umano;
- relazione tra segnali diretti e riflessi.
In una zona di multipath, ruotare il corpo o la radio può modificare sensibilmente la ricezione.
Anche il corpo umano conta
A UHF il corpo umano può attenuare significativamente un segnale.
Supponiamo che il ripetitore sia alle nostre spalle.
Il percorso diretto attraversa o aggira il corpo.
Nel frattempo arriva una riflessione da un edificio davanti a noi.
La relazione tra i due segnali può diventare completamente diversa rispetto a quando ci giriamo di 180°.
Per questo può accadere:
radio davanti al corpo → BER 5%
e:
mi giro → BER 0,8%
L’antenna con più guadagno risolve sempre?
No.
Se il problema è semplicemente:
segnale troppo debole
un’antenna migliore può aiutare molto.
Ma se il problema principale è multipath, aumentare indiscriminatamente il livello ricevuto non garantisce la soluzione.
Ricordiamo:
RSSI forte ≠ BER basso
Un’antenna direttiva può invece essere particolarmente utile perché può favorire un percorso e attenuarne altri.
Per un link fisso questo può migliorare notevolmente la situazione.
Un’antenna direttiva come “filtro spaziale”
Supponiamo di avere:
diretto = -85 dBm
riflesso = -86 dBm
con un’antenna omnidirezionale.
I due segnali hanno intensità molto simili e possono interferire fortemente.
Utilizzando una direttiva puntata verso il ripetitore potremmo ottenere:
diretto = -75 dBm
riflesso = -95 dBm
Il ricevitore vede ora prevalentemente il percorso desiderato.
Non abbiamo semplicemente aumentato il segnale.
Abbiamo migliorato il rapporto tra i percorsi.
Altezza dell’antenna
Aumentare l’altezza è generalmente utile perché:
- riduce alcuni ostacoli;
- migliora la visibilità radio;
- può diminuire l’importanza di alcune riflessioni locali.
Ma anche in questo caso non esiste una regola assoluta.
Spostare un’antenna verticalmente può cambiare la relazione di fase tra segnale diretto e riflesso dal terreno.
Durante la progettazione di un link professionale non si considera soltanto:
potenza TX
ma anche:
- profilo del terreno;
- Fresnel;
- riflessioni;
- altezza delle antenne;
- fading margin.
Multipath su un hotspot domestico?
Sì, anche se le distanze sono piccole.
Un hotspot può trovarsi:
- vicino a un computer;
- sopra una scrivania metallica;
- vicino a un termosifone;
- accanto a un router;
- vicino a pareti armate.
La radio può essere usata in una stanza piena di superfici riflettenti.
A distanze molto brevi è normalmente disponibile un enorme margine di segnale, quindi il multipath raramente rappresenta il limite principale.
Ma in configurazioni marginali o con modem poco selettivi può contribuire a comportamenti strani.
Non confondere multipath con overload
Supponiamo che la radio sia a 10 centimetri dall’hotspot:
RSSI fortissimo
BER alto
Prima di accusare il multipath dobbiamo considerare anche:
sovraccarico del ricevitore.
Allontaniamo la radio di alcuni metri.
Se:
BER 6% → 0,3%
il problema potrebbe essere saturazione del front-end.
Una corretta diagnosi deve sempre considerare più ipotesi.
Non confondere multipath con offset
Altro scenario:
RSSI forte
BER alto ovunque
indipendentemente dalla posizione della radio.
Potrebbe essere:
- offset di frequenza;
- calibrazione MMDVM;
- deviazione errata;
- modem.
Il multipath tende spesso a produrre variazioni significative con:
- posizione;
- orientamento;
- movimento.
Come riconoscere il multipath nella pratica
Alcuni indizi:
1. BER cambia moltissimo spostandosi di poco
Molto indicativo.
2. RSSI non cambia altrettanto
Possibile distorsione più che semplice attenuazione.
3. Il problema è molto peggiore in movimento
Tipico del fading multipath.
4. Il problema compare vicino a strutture
Edifici, ponti, montagne, capannoni.
5. Cambiando posizione dell’antenna il problema sparisce
Altro indizio importante.
Procedura di prova
Se sospettiamo multipath:
Test 1
Registriamo:
POSIZIONE
RSSI
BER
Test 2
Spostiamoci di circa mezzo metro.
Ripetiamo.
Test 3
Cambiamo orientamento di 90°.
Ripetiamo.
Test 4
Spostiamo l’antenna verticalmente.
Ripetiamo.
Test 5
Se possibile utilizziamo un’antenna esterna.
Confrontiamo.
Se i risultati cambiano drasticamente senza grandi variazioni di distanza dal ripetitore, il multipath è un candidato plausibile.
Multipath e copertura reale
Questo fenomeno spiega perché una mappa teorica di copertura non può prevedere ogni piccolo punto d’ombra.
Un modello può dire:
SEGNALAZIONE PREVISTA: -82 dBm
ma localmente possiamo trovarci in un minimo di interferenza.
La copertura reale è quindi il risultato di:
propagazione generale
+
terreno
+
ostacoli
+
riflessioni
+
interferenze
+
antenna
+
ricevitore
Per il gestore di un ripetitore
Un sysop dovrebbe prestare attenzione alle segnalazioni del tipo:
“Il ripetitore arriva fortissimo ma in quella strada il DMR diventa sempre robotico.”
Non è necessariamente una contraddizione.
Una campagna di misure dovrebbe registrare almeno:
- posizione;
- RSSI;
- BER;
- velocità;
- direzione di marcia.
Con abbastanza dati si possono identificare zone nelle quali il problema non è la semplice intensità del segnale.
Il ruolo della diversità
Nei sistemi radio professionali si possono utilizzare tecniche di diversity reception.
Il principio è semplice.
Se due antenne sono collocate in posizioni differenti:
ANTENNA A → fade
ANTENNA B → segnale buono
è improbabile che entrambe si trovino esattamente nello stesso minimo di multipath nello stesso momento.
Il sistema può quindi utilizzare il percorso migliore.
Le normali radio portatili radioamatoriali non implementano generalmente sistemi sofisticati di diversity, ma il principio aiuta a comprendere perché il multipath possa essere combattuto anche attraverso la geometria delle antenne.
La lezione più importante
Quando una comunicazione digitale è cattiva non dobbiamo limitarci a chiedere:
“Quanto segnale ho?”
Dobbiamo chiedere:
“In che condizioni arriva quel segnale?”
Un segnale:
forte
può essere:
distorto
mentre un segnale:
più debole
può essere:
pulito e perfettamente decodificabile
Questa è la ragione per cui il BER è così importante.
Conclusione
Il multipath è il risultato della ricezione simultanea di più copie dello stesso segnale provenienti da percorsi differenti.
In VHF/UHF le riflessioni possono provenire da:
- edifici;
- terreno;
- montagne;
- strutture metalliche;
- veicoli;
- ostacoli.
Le copie arrivano con:
- ampiezze differenti;
- fasi differenti;
- ritardi differenti.
La loro somma può essere favorevole oppure distruttiva.
Nel DMR l’effetto si traduce spesso in:
BER crescente
↓
audio robotico
↓
frame persi
↓
silenzio
e può verificarsi anche in presenza di un RSSI apparentemente ottimo.
Per questo, davanti a un segnale digitale problematico, la prima regola dovrebbe essere:
non guardare soltanto quanto è forte. Guarda quanto bene viene decodificato.
E se spostando l’antenna di mezzo metro il BER passa dal 7% allo 0,5%, probabilmente abbiamo appena visto con i nostri occhi — o meglio con la nostra radio — uno degli effetti più affascinanti della propagazione multipath.