State ascoltando una comunicazione DMR.
La voce è perfetta:
“IZ1XXX buongiorno, ti ricevo cinque su cinque…”
Fate altri cento metri in automobile.
Ancora perfetta.
Poi improvvisamente:
“IZ1… brrr… trrr… cinque… rrraa…”
Altri cinquanta metri:
silenzio.
Nessun aumento progressivo del fruscio.
Nessuna voce sempre più debole.
Sembra quasi che il ripetitore sia stato spento.
Benvenuti sul bordo del digital cliff.
Letteralmente:
la scogliera digitale.
È uno dei fenomeni più caratteristici delle comunicazioni radio digitali e spiega perché un segnale DMR possa sembrare perfetto fino a pochi istanti prima di diventare completamente inutilizzabile.
Analogico e digitale: due modi differenti di morire
Per comprendere il digital cliff dobbiamo confrontare una comunicazione analogica con una digitale.
FM analogica
Allontaniamoci da un ripetitore FM.
Inizialmente sentiamo:
VOCE PERFETTA
Poi:
LEGGERO FRUSCIO
Poi:
VOCE + RUMORE
Poi:
MOLTO RUMORE
Poi:
VOCE APPENA COMPRENSIBILE
e infine:
SOLO RUMORE
La degradazione è relativamente progressiva.
L’orecchio umano riceve continuamente informazioni sul margine residuo.
Sentendo crescere il fruscio capiamo:
“Sto arrivando al limite.”
Il DMR si comporta diversamente
Nel DMR possiamo avere:
AUDIO PERFETTO
AUDIO PERFETTO
AUDIO PERFETTO
AUDIO PERFETTO
poi:
qualche sillaba robotica
poi:
audio spezzato
e quasi immediatamente:
NESSUN AUDIO
La transizione tra “funziona bene” e “non funziona” può occupare un intervallo molto più ristretto rispetto alla degradazione percepita in analogico.
È questo il digital cliff.
Una descrizione pratica molto efficace del fenomeno sottolinea proprio come la voce digitale possa rimanere pulita fino in prossimità del limite per poi trasformarsi rapidamente in audio robotizzato, interruzioni e perdita completa della ricezione.
Attenzione: non è un interruttore perfetto
Dire:
“Il digitale è perfetto e poi improvvisamente sparisce”
è utile per spiegare il concetto, ma tecnicamente è una semplificazione.
Esiste normalmente una zona di transizione.
In questa zona possiamo avere:
- BER crescente;
- frame corretti dalla FEC;
- frame non correggibili;
- audio robotizzato;
- drop;
- muting.
Il punto è che questa zona può essere abbastanza stretta da apparire quasi istantanea all’operatore.
Quindi il digital cliff non è:
100% perfetto
↓
in un singolo istante
↓
0%
ma più realisticamente:
PERFETTO
PERFETTO
QUASI PERFETTO
ROBOTICO
DROP
SILENZIO
in un intervallo relativamente breve.
Perché accade?
Perché il ricevitore digitale non deve semplicemente riprodurre una tensione analogica.
Deve decidere:
“Quale simbolo è stato trasmesso?”
Nel DMR vengono trasmessi 4.800 simboli al secondo e ogni simbolo rappresenta due bit.
Il ricevitore tenta quindi di ricostruire:
01 00 11 10 01...
Quando il segnale è buono:
TX: 01 00 11 10
RX: 01 00 11 10
nessun problema.
Quando peggiora:
TX: 01 00 11 10
RX: 01 00 10 10
appaiono errori.
La percentuale di bit errati è il:
BER — Bit Error Rate.
BER e digital cliff
Immaginiamo un collegamento mentre ci allontaniamo.
DISTANZA A
BER 0,2%
audio perfetto
Poi:
DISTANZA B
BER 1%
audio perfetto
Poi:
DISTANZA C
BER 3%
audio ancora utilizzabile
Poi:
DISTANZA D
BER 6%
robotizzazione
Poi:
DISTANZA E
BER molto elevato
frame persi
Infine:
DISTANZA F
nessuna decodifica
I numeri sono soltanto illustrativi: non rappresentano soglie universali.
Il principio però è corretto.
Aumentando gli errori, arriviamo progressivamente al punto nel quale il sistema non riesce più a ricostruire informazioni sufficientemente affidabili.
Perché non sentiamo gli errori fin dall’inizio?
Perché il sistema digitale dispone di strumenti per combatterli.
Tra questi troviamo:
- ridondanza;
- Forward Error Correction;
- interleaving;
- controlli sui frame;
- strategie del vocoder.
La FEC aggiunge informazioni ridondanti proprio per consentire al ricevitore di correggere alcuni errori.
Possiamo immaginare:
DATI
↓
DATI + RIDONDANZA
↓
TRASMISSIONE
↓
QUALCHE ERRORE
↓
FEC
↓
DATI RICOSTRUITI
Finché il numero e la distribuzione degli errori rimangono gestibili, noi non sentiamo quasi nulla.
La FEC “nasconde” l’avvicinarsi del limite
Questo è il punto fondamentale.
Nel sistema analogico il rumore ci avverte progressivamente:
“Il collegamento sta peggiorando.”
Nel digitale la correzione degli errori continua a mantenere l’audio utilizzabile.
Possiamo essere quindi già molto vicini alla soglia senza rendercene conto.
Quando la FEC non riesce più a compensare:
margine residuo
↓
zero
gli errori diventano improvvisamente visibili all’utente.
Ecco la sensazione di cadere da una scogliera.
Il vocoder contribuisce al fenomeno percepito
Il DMR utilizza un vocoder per comprimere la voce.
Il ricevitore non ricostruisce ogni singolo campione audio originale.
Riceve informazioni che permettono al vocoder di sintetizzare la voce.
Finché i dati necessari sono sufficientemente corretti:
voce naturale
Quando parte dell’informazione viene corrotta:
voce metallica
poi:
suoni sintetici anomali
poi:
frame audio inutilizzabili
La famosa voce “robotica” è quindi spesso il segnale che siamo entrati nella zona del cliff.
Il famoso “R2D2”
Nel gergo radioamatoriale l’audio digitale corrotto viene spesso descritto come:
R2D2
perché può ricordare i suoni elettronici del personaggio di Star Wars.
È un ottimo segnale diagnostico.
Se una comunicazione passa da:
pulita
a:
metallica / gorgogliante / robotica
e poi sparisce, una delle prime ipotesi dovrebbe essere:
BER elevato / collegamento RF marginale.
Non necessariamente un problema del network.
Perché l’analogico può sembrare “andare più lontano”?
Questa è una discussione ricorrente.
Immaginiamo di arrivare al limite della copertura.
L’FM analogica potrebbe ancora produrre:
“…ciao… ssshhh… sono… fffff… circa… ssshhh…”
Con molta fatica il cervello riesce ancora a estrarre qualche parola.
Il DMR potrebbe invece essere già completamente muto.
Da qui nasce la frase:
“L’analogico arriva più lontano.”
Ma bisogna definire cosa intendiamo per arrivare.
Se consideriamo:
qualsiasi informazione vagamente percepibile
l’analogico può avere una coda utile molto graduale.
Se consideriamo:
audio pulito e facilmente comprensibile
il digitale può mantenere una qualità molto elevata fino vicino alla propria soglia.
Il vero confronto non è quindi soltanto distanza massima.
È:
qualità utilizzabile
vs
margine
Una rappresentazione concettuale
Possiamo immaginare:
QUALITÀ AUDIO
100% ┤ DIGITAL ──────────────────────┐
│ │
│ │
│ └───
│
│ ANALOG
│ \
│ \
│ \
│ \
0% ┴──────────────────────────────────
segnale forte → segnale debole
Non è un grafico quantitativo.
Serve soltanto a mostrare la differenza fondamentale:
analogico: degrado progressivo
digitale: degrado molto più concentrato vicino alla soglia
Non solo DMR
Il digital cliff non è una particolarità esclusiva del DMR.
È un comportamento generale di molti sistemi digitali.
La documentazione tecnica sui ricevitori digitali utilizza espressamente il termine “digital cliff-edge behaviour” per descrivere un passaggio ben definito tra audio corretto, audio intermittente e nessun audio in prossimità della soglia.
Lo stesso principio generale si manifesta, con caratteristiche differenti, in:
- DMR;
- D-STAR;
- C4FM;
- P25;
- NXDN;
- radio digitale broadcast;
- televisione digitale.
Il ruolo del rapporto segnale/rumore
Quando il segnale ricevuto è molto superiore al rumore:
SNR alto
↓
simboli ben distinti
↓
BER basso
Quando diminuisce:
SNR ridotto
↓
maggiore incertezza
↓
BER crescente
Finché il sistema riesce a correggere gli errori, l’audio rimane buono.
Poi arriva il cliff.
Ma il digital cliff può comparire anche con RSSI forte
Questo è importante.
Non è necessario essere molto lontani dal ripetitore.
Supponiamo:
RSSI -65 dBm
BER 8%
Il segnale è forte.
Ma è danneggiato da:
- multipath;
- interferenza;
- desense;
- modulazione errata;
- saturazione.
Il risultato finale può comunque essere:
digital cliff
Il cliff riguarda infatti la decodificabilità del segnale, non semplicemente la sua potenza.
Collegamento tra multipath e digital cliff
Il precedente articolo e questo sono strettamente collegati.
Il multipath può far oscillare rapidamente il BER.
In automobile:
BER 0,3%
↓
BER 0,5%
↓
BER 7%
↓
BER 10%
↓
BER 0,4%
Noi percepiamo:
PERFETTO
PERFETTO
ROBOTICO
MUTO
PERFETTO
Questo è il digital cliff reso “frastagliato” dal fading.
Una descrizione tecnica del fenomeno osserva infatti che aggiungendo multipath e fading la transizione non appare più come un bordo perfettamente netto, ma può diventare irregolare.
Il digital cliff in automobile
Supponiamo di percorrere una strada allontanandoci dal ripetitore.
Km 10
RSSI -70
BER 0,2%
Audio perfetto.
Km 20
RSSI -85
BER 0,4%
Audio perfetto.
Km 30
RSSI -100
BER 1,5%
Ancora ottimo.
Km 34
BER 4%
Qualche piccolo artefatto.
Km 35
BER 8%
Audio robotizzato.
Km 36
nessuna decodifica
Dal punto di vista dell’operatore sembra che quasi tutta la qualità sia stata persa nell’ultimo chilometro.
Quello è il cliff.
Perché può bastare fare un passo?
Siamo portatili in una zona marginale.
In posizione A:
BER 9%
nessuna comunicazione intelligibile.
Facciamo due passi.
Posizione B:
BER 2%
audio quasi perfetto.
Non abbiamo improvvisamente aumentato la potenza del ripetitore.
Abbiamo cambiato:
- geometria del multipath;
- rapporto segnale/rumore;
- schermatura del corpo.
Siamo semplicemente tornati sopra il bordo della scogliera digitale.
Perché andare vicino a una finestra aiuta?
Dentro un edificio il segnale può subire:
- attenuazione;
- riflessioni;
- schermature.
Vicino a una finestra possiamo ottenere qualche dB di margine in più.
Se siamo molto sopra la soglia:
+3 dB
potrebbero non cambiare nulla all’ascolto.
Se siamo esattamente sul bordo:
+3 dB
possono fare la differenza tra:
nessun audio
e:
audio perfetto
Questa è un’altra conseguenza del cliff.
Perché alzare la radio può cambiare tutto?
Per lo stesso motivo.
In una zona marginale non ci serve necessariamente un miglioramento enorme.
Potrebbero bastare pochi dB.
Alzare la radio sopra la testa può:
- ridurre la schermatura del corpo;
- migliorare il percorso;
- cambiare il multipath.
Il BER torna sotto il livello critico e improvvisamente l’audio “riappare”.
Digital cliff e margine di collegamento
Un sistema radio non dovrebbe essere progettato per funzionare:
esattamente sulla soglia
ma con un certo link margin.
Supponiamo che in condizioni normali abbiamo appena il margine sufficiente.
Arriva:
- pioggia;
- movimento;
- un camion;
- fading;
- vegetazione;
- interferenza.
Perdiamo pochi dB.
In analogico sentiremmo semplicemente più rumore.
Nel digitale potremmo attraversare completamente il cliff.
Perché una copertura DMR deve avere margine
Una mappa che rappresenta soltanto:
DECODIFICABILE / NON DECODIFICABILE
non è sufficiente.
Una zona che oggi produce:
BER 3%
può funzionare.
Ma potrebbe avere margine insufficiente per:
- radio portatile;
- antenna interna;
- automobile;
- fading.
Una buona rete dovrebbe mirare a fornire abbastanza margine da mantenere il sistema ben lontano dal bordo.
Il BER è il nostro indicatore anticipato
L’orecchio non ci avverte bene dell’avvicinamento al digital cliff.
Il BER invece sì.
Possiamo avere:
BER 0,2%
e:
BER 2,5%
con audio apparentemente quasi identico.
Ma il secondo collegamento ha meno margine.
Se il fading aggiunge ulteriori errori, potrebbe entrare immediatamente nella zona problematica.
Il BER diventa quindi una specie di:
termometro del margine digitale.
RSSI o BER: quale guardare?
Entrambi.
Possiamo costruire quattro scenari.
RSSI forte + BER basso
ottimo
RSSI debole + BER basso
funziona bene ma margine ridotto
RSSI debole + BER alto
probabile cliff per segnale marginale
RSSI forte + BER alto
indagare interferenza, multipath, calibrazione, overload
Il BER da solo ci dice quanti errori ci sono.
L’RSSI aiuta a capire perché.
Digital cliff o problema Internet?
Questa distinzione è essenziale nei network DMR.
Supponiamo di sentire:
audio
↓
buco
↓
audio
↓
buco
Può essere RF.
Ma può essere anche IP.
Il percorso è:
RADIO
↓
RIPETITORE
↓
INTERNET
↓
MASTER
↓
INTERNET
↓
RIPETITORE
↓
RADIO
Se si perdono pacchetti Internet possiamo avere audio discontinuo anche con RF perfetta.
Come distinguerli?
Se abbiamo accesso al dashboard o ai log:
BER elevato
Probabile problema RF.
BER molto basso ma audio remoto interrotto
Possibile problema:
- network;
- packet loss IP;
- transcoding;
- bridge;
- server.
Parrot locale perfetto ma TG remoto problematico
La parte RF locale è probabilmente buona.
Questo non dimostra tutto, ma restringe moltissimo la diagnosi.
Digital cliff e hotspot
Con un hotspot possiamo simulare facilmente il fenomeno.
Partiamo vicino:
BER 0,1%
Allontaniamoci progressivamente.
Potremmo ottenere:
0,2%
0,4%
0,7%
1,5%
3%
6%
10%
Contemporaneamente l’audio rimarrà probabilmente molto buono per buona parte del percorso.
Solo verso gli ultimi valori inizierà a deteriorarsi seriamente.
Questo è un ottimo esperimento didattico.
Attenzione alla potenza
Supponiamo di utilizzare un hotspot in casa.
Potenza portatile:
5 W
Non è necessario.
Se con:
100 mW
otteniamo già:
BER 0,2%
abbiamo un enorme margine sufficiente.
Aumentare ulteriormente la potenza non migliorerà la qualità dell’audio.
Il digitale non diventa:
più perfetto del perfetto.
L’effetto psicologico del digitale
Il digital cliff può ingannare l’operatore.
Se sentiamo una stazione DMR perfettamente possiamo pensare:
“Arriva fortissimo.”
Ma la qualità audio non ci dice necessariamente quanto margine RF rimanga.
Potremmo trovarci:
20 dB sopra soglia
oppure:
1 dB sopra soglia
e sentire un audio quasi identico.
Questa è una differenza enorme rispetto all’esperienza analogica.
Perché un S-meter è ancora utile
Proprio perché l’audio non ci fornisce una buona indicazione del margine.
L’S-meter o meglio un’indicazione RSSI può dirci:
quanto segnale
mentre il BER ci dice:
quanto bene è decodificato
Usati insieme ci permettono di capire quanto siamo vicini al cliff.
Una falsa convinzione: “se lo sento bene, lui mi sente bene”
Non necessariamente.
Il downlink:
RIPETITORE → RADIO
può essere molto forte.
L’uplink:
RADIO → RIPETITORE
può invece essere marginale.
Noi sentiamo:
audio perfetto
ma il ripetitore ci riceve con:
BER 9%
Il corrispondente sentirà noi robotici.
Nei sistemi digitali questa asimmetria può essere particolarmente ingannevole proprio perché il nostro audio ricevuto non peggiora gradualmente.
Perché una base station sembra funzionare meglio di una portatile
Non è magia del digitale.
Una stazione fissa dispone tipicamente di:
- antenna più alta;
- antenna più efficiente;
- minori perdite ambientali;
- maggiore potenza;
- minore schermatura.
Questo aumenta il link margin.
Più margine significa:
maggiore distanza dal digital cliff.
Come allontanarsi dal cliff
Se iniziamo a sentire audio robotizzato possiamo:
Spostarci
Anche pochi metri.
Salire
Quota maggiore può migliorare il percorso.
Avvicinarci a una finestra
In ambiente indoor.
Cambiare orientamento
Particolarmente con portatili.
Usare antenna esterna
Soprattutto in automobile.
Ridurre ostacoli
Se possibile.
Aumentare ragionevolmente la potenza
Quando il problema è realmente link budget insufficiente.
Ma aumentare la potenza non risolve ogni cliff
Se il BER elevato deriva da:
- interferenza;
- multipath;
- desensibilizzazione;
- saturazione;
aggiungere potenza può non risolvere nulla.
Dobbiamo prima capire perché siamo sul bordo.
Digital cliff e progettazione del ripetitore
Per il sysop è importante non valutare la copertura soltanto con:
“Si apre o non si apre?”
Una zona nella quale il ripetitore viene ricevuto con:
BER costantemente 4-5%
può essere formalmente utilizzabile, ma avere un margine ridottissimo.
Basta poco per farla precipitare dal cliff.
Una misura seria dovrebbe quindi registrare:
- RSSI;
- BER;
- percentuale di frame corretti;
- mobilità;
- condizioni ambientali.
Digital cliff e comunicazioni operative
In applicazioni critiche questo concetto è particolarmente importante.
Una comunicazione digitale pulita può dare una falsa sensazione di sicurezza.
Se non esiste sufficiente margine, il collegamento può essere molto vulnerabile a:
- movimento;
- ostacoli improvvisi;
- fading;
- interferenze.
La progettazione deve quindi basarsi sul margine, non soltanto sulla qualità audio percepita.
Un esempio completo
Stazione A:
RSSI -75 dBm
BER 0,2%
Stazione B:
RSSI -104 dBm
BER 1,8%
Entrambe possono sembrare:
AUDIO PERFETTO
Arriva un fade di 6 dB.
Stazione A:
continua a funzionare
Stazione B:
BER sale rapidamente
↓
robotizzazione
↓
drop
Prima del fade l’orecchio non ci aveva necessariamente permesso di distinguere chiaramente le due situazioni.
La vera definizione pratica del digital cliff
Possiamo quindi definirlo così:
Il digital cliff è la regione nella quale una riduzione relativamente piccola della qualità del collegamento produce una degradazione molto grande della qualità percepita o la completa perdita della comunicazione.
Non è necessariamente un singolo punto.
È una zona stretta di transizione.
Perché il termine “scogliera” è perfetto
Immaginiamo di camminare su un altopiano.
Per centinaia di metri:
quota quasi costante
Poi arriviamo al bordo:
│
│
│
│
▼
La quota cambia improvvisamente.
È esattamente ciò che percepisce l’operatore digitale.
Per molto tempo:
audio perfetto
poi, vicino alla soglia:
qualità precipita
La regola pratica
Quando sentiamo:
- gorgoglii;
- audio robotico;
- sillabe mancanti;
- aperture e chiusure improvvise;
prima di accusare:
- BrandMeister;
- hotspot;
- Internet;
- firmware;
- ripetitore;
controlliamo:
RSSI
BER
posizione
antenna
Potremmo semplicemente trovarci sul bordo della copertura digitale.
Conclusione
Il digital cliff è una conseguenza naturale del modo in cui una comunicazione digitale gestisce gli errori.
Con un segnale buono:
BER basso
↓
errori corretti
↓
audio pulito
Con il deterioramento del collegamento:
BER aumenta
↓
la FEC lavora sempre di più
↓
alcuni errori non sono più recuperabili
↓
audio robotico
↓
frame persi
↓
nessuna decodifica
L’analogico ci avverte gradualmente attraverso il rumore.
Il digitale tenta invece di proteggerci dal deterioramento fino a quando può.
Il prezzo da pagare è che il margine residuo è meno evidente all’orecchio.
Per questo due strumenti diventano fondamentali:
RSSI, per sapere quanto segnale abbiamo;
BER, per sapere quanto bene riusciamo a decodificarlo.
La frase da ricordare è quindi:
Nel digitale, audio perfetto non significa necessariamente grande margine.
Potremmo essere comodamente sopra la soglia.
Oppure potremmo trovarci a un solo passo dal bordo.
Ed è soltanto quando compiamo quel passo che scopriamo quanto fosse vicina la scogliera digitale.