DMR
Modi Digitali
DMR
Logo DMR Digital Mobile Radio (DMR) è uno standard per radio digitali patrocinato dal competente European Telecommunication Standards Institute (ETSI). Dotato di avanzate funzioni voce e dati e di una vasta gamma di altre caratteristiche ed applicazioni sia in modalità tradizionale che in modalità trunking, lo standard DMR ha ricevuto svariati riconoscimenti a livello globale.
I principali processi del protocollo digitale DMR
Conversione Analogico Digitale
1. Conversione da analogico a digitale
Il segnale vocale viene convertito da forma d'onda acustica in forma d'onda elettrica analogica. Questa forma d'onda vocale è quindi campionata da un convertitore analogico / digitale. In una tipica applicazione radio, un campione a 16 bit è prelevato ogni 8kHz, questo produce un bitstream digitale che contiene un numero d'informazioni eccessivo da inviare su un canale radio a 12.5kHz. Quindi si rende necessaria una compressione dei dati.
2. Vocoder e correzione di errori Forward Error Correction (FEC)
La funzione di Vocoding (codifica della Voce) comprime la comunicazione vocale in parti e ne esegue una codifica con un ridotto numero di bit, riducendo notevolmente il rumore di fondo. Il Vocoding comprime il bitstream della voce per adattarla alla banda stretta equivalente del canale radio. Il vocoder adottato è AMBE +2, che è stato sviluppato dalla Digital Voice System, Inc (DVSI), leader nel settore vocoding. Oltre al processo di vocoding, si applica anche la correzione di errore “Forward Error Correction” (FEC). FEC è una tecnica matematica di checksum che permette al ricevitore di correggere errori che possono essersi verificati in caso di interruzione del canale a radiofrequenza (RF). In questo modo si elimina il rumore che può falsare un segnale analogico e di confronto consente più coerenti prestazioni audio in tutta la zona di copertura.
3. Formattazione (Framing)
In questa fase la voce soggetta a Vocoding è formattata per la trasmissione richiesta dal protocollo DMR in pacchetti (come il color code, group ID, PTT ID, tipo di chiamata, ecc).
Questi pacchetti sono costituiti da un tipo di struttura contenente una intestazione ed una parte successiva. L'intestazione contiene la chiamata di controllo, l’ID dell’informazione e la parte restante contiene la voce decodificata. L’informazione di testa si ripete periodicamente nel corso della trasmissione, migliorando così l'affidabilità delle informazioni di segnalazione e consentendo ad una radio che si mette in ricezione di aderire ad una chiamata che potrebbe essere già in corso - si fa riferimento a questa funzione come "Late entry".
4. Trasmissione TDMA
Infine, il segnale è codificato con una trasmissione a modulazione di frequenza (FM). I bit contenuti nei pacchetti in digitale vengono codificati come simboli che rappresentano l'ampiezza e la fase della portante modulata in frequenza, il segnale viene amplificato, quindi trasmesso.
In TDMA (Time Division Multiple Access) si organizza un canale in 2 fasi temporali distinte: un dato del trasmettitore radio è attivo solo per brevi istanti (cosa che prolunga la durata della batteria dei terminali portatili). Trasmettendo su time slot con alternanza di banda, due chiamate possono condividere lo stesso canale allo stesso tempo, senza interferire gli uni con gli altri (raddoppiando l'efficienza dello spettro). Utilizzando TDMA, la radio trasmette solo durante il suo time slot (vale a dire che esso trasmette un burst di informazioni, quindi attende, poi trasmette la successiva porzione di informazioni).
Incremento capacità su canalizzazione 12.5KHZ
L’ architettura utilizzata dal DMR divide il canale in 2 time slots alternati, creando così due canali logici su un unico canale fisico 12.5kHz.
Ogni chiamata vocale utilizza solo uno di questi canali logici e ogni utente accede ad un time slot come se si trattasse di un canale indipendente. Una trasmissione radio trasmette informazioni solo durante il suo slot selezionato, e sarà inattivo durante lo slot alternato. La radio in ricezione osserva le trasmissioni in entrambi i time slot, basandosi sulla segnalazione di informazioni incluse in ogni time slot per determinare quale è stata chiamata e quale destinata a ricevere.
Per confronto, la radio analogica opera sul concetto di Frequency Division Multiple Access (FDMA). In FDMA, ogni terminale radio trasmette continuamente su un determinato canale, e la radio di ricezione riceve sle trasmissione tramite accordo sulla portante alla frequenza desiderata.
Incremento Capacità
La tecnica TDMA quindi offre un metodo per la realizzazione di canalizzazione equivalente 6.25kHz impiegando ripetitori a banda 12.5kHz, che si rivela un grande vantaggio in termini di licenza per gli utenti. Inoltre questa tecnica preserva le ben note caratteristiche e prestazione RF della canalizzazione a 12,5 kHz. Dal punto di vista fisico il segnale che occupa due slot TDMA a 12.5kHz si propaga essenzialmente allo stesso modo in cui oggi opera la canalizzazione 12.5kHz con tecnologia analogica.
Riduzione infrastruttura di rete
Con l'aggiunta dei vantaggi della tecnologia digitale basata su radio TDMA, il sistema radio può funzionare con un solo ripetitore a singolo canale e fornire il doppio della capacità di traffico, offrendo inoltre una copertura RF con prestazioni equivalenti o migliori rispetto all'odierna tecnologia radio analogica.
Riduzione infrastruttura di rete
Flessibilità di sistema TDMA
La logica di canali attivati da due slot TDMA, può potenzialmente essere utilizzata per una varietà di scopi. Molte organizzazioni che hanno adottato il DMR, si sono dirette verso l'implementazione di sistemi nel modo seguente:
Utilizzo di entrambi i canali per comunicazione vocale.
Utilizzo di entrambi i canali come trasmissione dati.
Utilizzo di un canale per trasmissione voce ed un canale per trasmissione dati.
Configurazioni in modalità ripetitore e diretta
Nei sistemi di radiocomunicazione basati su ripetitore, un percorso vocale richiede una coppia di canali: uno di trasmissione ed uno di ricezione.
Quando opera in modalità ripetitore analogico, opera in modalità similare alle esistenti tecniche analogiche, supportando un percorso voce (TX ed RX) su una coppia di canali fisici, e può essere configurato per operare su sistemi a canalizzazione in banda 12.5kHz
Quando opera in modalità ripetitore digitale, utilizza una coppia di frequenze configurate su canalizzazione in banda 12.5kHz. Tramite l’uso di tecnica a suddivisione di tempo TDMA e sincronizzazione fornita dal ripetitore, divide ciascun canale in due timeslot indipendenti. Questi due canali logici (due timeslot) possono trasmettere e ricevere indipendentemente uno dall’altro.
In modalità di trasmissione diretta, funzioni di ricezione e trasmissione sono entrambe portate dal medesimo canale fisico (frequenza di trasmissione e ricezione sono le medesime):
Operando in modalità diretta analogica, supporta un percorso voce (TX ed RX) su un canale fisico e può essere configurato per operare su canale in banda 12,5 kHz
Su un singolo canale fisico in tale banda, un sistema in digitale supporta un solo percorso voce (o dati) alla volta. Senza ripetitore, la sequenza dei timeslot sulle radio non è coordinata, pertanto solo una radio alla volta può trasmettere al fine di garantire che la trasmissione non si sovrapponga.
Qualità audio digitale e prestazioni di copertura
La differenza essenziale tra la tecnologia analogica e quella digitale riguarda le modalità di degradazione della qualità audio nella regione di copertura della rete. L’audio analogico degrada linearmente attraverso la regione di copertura radio, mentre la qualità audio digitale si mantiene più consistente ed uniforme in tutta l’area di copertura.
La ragione principale di questa differenza nella degradazione audio è dovuta all’impiego della codifica di correzione d’errore utilizzata nella tecnica di radio trasmissione digitale, che può fornire contenuti audio e dati virtualmente privi di perdita su area di gran lunga maggiore
Di seguito si illustra graficamente la relazione di qualità audio, in relazione alla distanza di copertura. Si noti che:
Il segnale digitale aumenta l’effettiva area di copertura se si considera il minimo livello di qualità audio accettabile
Il segnale digitale migliora la qualità e la consistenza dell’audio sulla effettiva area di copertura
Grafico1 Analogico Digitale
Quando si confronta un sito analogico con un sito DMR, la regione relativa di copertura con paragonabile qualità audio è illustrata nella figura seguente.
Grafico2 Analogico Digitale
Attese dell’utente sulle prestazioni audio digitali
Ci sono molte differenze tra il comportamento del segnale audio digitale e la percezione che si ha con la classica tecnologia analogica. L’esperienza degli utenti in riguardo alla tecnologia audio digitale è la seguente:
Mentre il segnale analogico degrada lentamente come il ricevitore si allontana dal trasmettitore, il segnale digitale commuta più bruscamente da segnale “buono” a mancanza di segnale. In altre parole, proprio prima della zona di fine copertura, l’audio digitale è ancora chiaro e intelleggibile, mentre nella stessa condizione l’audio analogico ha un eccessivo rumore di fondo.
Il processo di vocoding è progettato per fornire ottima qualità audio con un ridotto numero di bit. Alcuni ascoltatori potranno quindi trovare il risultato di alcuni toni audio in qualità digitale, a volte differente da quanto atteso da precedenti esperienze con tecnologia analogica. Siccome il processo di vocoding è orientato alla riproduzione del parlato umano, altri suoni quali musica e toni, non sono riprodotti fedelmente.
Le prestazioni avanzate di vocoding nel DMR includono una riduzione del rumore di fondo. Riguardo quanto si sta sviluppando nell’ambito delle trasmissioni radio, solo la voce è riprodotta nella radio ricevente. Il rumore di fondo, quale il rumore veicolare, rumore del vento ed il rumore del traffico, non viene ricostruito. Questo è un vantaggio chiave della soluzione voce del DMR rispetto alla tecnologia analogica, perché ambienti rumorosi quali industrie, magazzini, aree ventose non degradano significativamente l’intelleggibilità della comunicazione.
