SEÚL, Corea del Sur — Mientras los países interesados en encaminarse hacia el futuro de la radio digital intentan filtrar las tecnologías disponibles para tomar decisiones bien informadas, la magnitud de la tarea parece todo un desafío.
Por Daniel Mansergh
Con varias generaciones de diversos sistemas disponibles para considerar, comparar objetivamente el rendimiento y la aptitud de cada sistema para diferentes condiciones de asignación y marcos regulatorios representa un desafío significativo para los responsables de formular políticas.
El doctor Yong-Tae Lee y sus colegas del Instituto de Investigaciones en Electrónica y Telecomunicaciones de Corea del Sur han intentado emprender esta tarea realizando un análisis exhaustivo durante dos años de las funciones y el rendimiento de las tecnologías actuales de radio digital. Lee y miembros de su equipo de investigación informaron los resultados en la NAB Show de abril.
En general, las pruebas indicaron que todos los sistemas ofrecen un rendimiento de recepción similar sobre terreno parejo a un nivel de potencia comparable, pero que el desempeño en áreas accidentadas o elevadas y de trayectorias múltiples puede variar ampliamente según los métodos específicos de modulación o corrección de errores.
Según explicó Lee, las pruebas estaban orientadas a evaluar el rendimiento de cada tecnología de radio digital de un modo cuantificable y determinar la compatibilidad con estaciones analógicas existentes y digitales nuevas, para tener como base para una política de asignación y planificación de espectro en Corea del Sur y otros lugares.
Como precursor de las mediciones de campo de 2010, el equipo de ETRI de Lee llevó adelante pruebas de laboratorio en todos los sistemas en 2009. Este trabajo de laboratorio permitió que el equipo desarrollara y validara mediciones comparables para cada sistema, que se usaron para desarrollar una metodología de prueba de campo que comparaba “papas con papas”.
Las pruebas de campo se realizaron en la ciudad costera de Gangneung y alrededores, aproximadamente a 160 kilómetros al este de Seúl. Las instalaciones de transmisión para las pruebas fueron construidas en la montaña Gwaebangsan, con antenas colocadas para los sistemas en banda — FM analógica, HD Radio y DRM+ a 103.5 MHz — y DAB fuera de banda, DAB+ y transmisión multimedia digital terrestre (T-DMB) a 195 MHz.
Los sistemas exclusivamente digitales operaron con 100 vatios, mientras que las transmisiones analógicas para FM, HD Radio en modo híbrido (a -10 y -20 dBc) y multidifusión DRM+ operaron a 1 kilovatio. Además, el equipo evaluó dos esquemas de modulación, QPSK y 16-QAM, como parte de las pruebas de DRM+.
El equipo seleccionó rutas de prueba móviles para dar una indicación clara del rendimiento de cada sistema a varias distancias del transmisor y en una variedad de condiciones de recepción locales. Se seleccionaron seis rutas “horizontales” más cortas en autopistas orientadas aproximadamente en dirección este-oeste a distancias de 2,5 a 45 kilómetros del sitio del transmisor. Una ruta “vertical” larga que corre aproximadamente de norte a sur, y pasa cerca del transmisor, fue dividida con fines de reporte de datos en tres segmentos que representaban diferentes condiciones de terreno.
Para garantizar mediciones de rendimiento comparables en todas las pruebas, la plataforma móvil de prueba fue diseñada para medir el umbral de disponibilidad de una manera apropiada para cada sistema.
En el caso de los sistemas DAB, DAB+ y T-DMB, la cobertura se determinó midiendo la Tasa de Errores de Caracteres (CER) en el receptor y validando la presencia de audio monitoreando el audio decodificado. Los resultados de las pruebas de laboratorio de ETRI en 2009 indicaron que habrá una pérdida de audio a diferentes CER en cada sistema, y que los sistemas DAB+ y T-DMB generalmente son más robustos que el sistema DAB original debido al uso de codificación Reed-Solomon.
El equipo evaluó la cobertura del sistema de HD Radio captando el punto de mezcla correspondiente a transmisiones híbridas y la pérdida de señal de audio correspondiente al funcionamiento exclusivamente digital. Como el rendimiento de los canales de multidifusión (SPS) diferirá del correspondiente al canal principal (MPS) según qué particiones de la subportadora lleven los datos, el equipo probó varias configuraciones de canales.
Para las pruebas de modo híbrido extendido (MP3), el canal principal ocupó la partición P1 y se asignó un canal HD2 a la partición P3. También se probó el funcionamiento completamente digital (MP5) de HD Radio, con el programa principal en la partición P1 y dos canales adicionales (HD2 y HD3) en las particiones P2 y P3, respectivamente.
La cobertura del sistema DRM+ se determinó monitoreando si había errores de comprobación de redundancia cíclica de audio, que causan interrupciones de audio. Para evaluar la calidad de audio analógico del modo multidifusión DRM+, el modo híbrido de HD Radio y las transmisiones de referencia de FM analógica, la distorsión armónica total de un tono de prueba de 1 kHz se midió y comparó con el nivel del umbral de 1.8 que se determinó en las pruebas de laboratorio de ETRI.
Los resultados correspondientes a los tres sistemas de la familia Eureka-147 fueron bastante parejos, con apenas una leve ventaja en el rendimiento de los sistemas DAB+ y T-DMB debido al uso de corrección de errores Reed-Solomon.
La distancia del transmisor fue el único factor más grande en el rendimiento de la recepción, con una calidad superior al 97 por ciento hasta 11 kilómetros de distancia y superior al 90 por ciento a 20 kilómetros.
La calidad de la señal disminuyó sostenidamente más allá de esa distancia, hasta llegar al 10 por ciento a 45 kilómetros del transmisor. El terreno montañoso de las inmediaciones de la sección sur de la ruta vertical también fue un desafío, con una calidad de recepción de aproximadamente el 50 al 55 por ciento en todos los sistemas.
Lo que podemos concluir
Si bien el informe de las pruebas del ETRI se centró en presentar datos sin sacar conclusiones sobre la aptitud de un sistema particular, hay varias conclusiones que por los resultados parecen evidentes:
• Dejando de lado las diferencias en codificación y corrección de errores, la cobertura de RF en terreno parejo fue generalmente similar entre los modos más robustos probados en todos los sistemas operados con la misma potencia. Como todos los sistemas salvo el DRM+ están usando modulación COFDM, esto no es sorprendente.
• El rendimiento de Eureka-147 (DAB preexistente) fue apenas inferior que el de los otros sistemas digitales debido a su esquema de codificación más antiguo, que no puede actualizarse sin dejar obsoletos a los receptores existentes.
• Se necesitaron bandas laterales de –10 dBc para operar la estación de prueba de HD Radio híbrida a un nivel comparable de potencia y rendimiento al de los otros sistemas.
• La corrección de errores y la modulación fueron dos diferenciadores clave en el rendimiento de los sistemas en terreno accidentado, donde la interferencia de las trayectorias múltiples se convierte en un desafío significativo.
• El modo completamente digital (MP5) de HD Radio rindió particularmente bien en general en el canal de datos primario debido a la corrección de errores.
• La modulación 16-QAM para DRM+ produce una merma de cobertura significativa en relación con el modo de modulación QPSK probado. El modo QPSK también tuvo mejor rendimiento en terreno accidentado que la mayoría de los otros sistemas.
— Daniel Mansergh
En el caso del sistema de HD Radio en modo MP3, la diferencia entre el nivel operativo de –10 y –20 dBc de la señal digital fue enorme. Si bien la cobertura de la señal digital de potencia más baja cayó por debajo del 90 por ciento a 20 kilómetros de distancia del transmisor y continuó cayendo a mayores distancias, el agregado de 10 dB a las portadoras digitales logró una calidad de señal digital del 100 por ciento a 20 kilómetros y una superior al 90 por ciento a 33 kilómetros.
Solo con la ruta de prueba de 45 kilómetros la cobertura de –10 dBc cayó significativamente a aproximadamente el 37 por ciento. El rendimiento a lo largo de la ruta vertical fue consistente con las mediciones de la ruta horizontal, pero indicó que el sistema tenía dificultades en terreno accidentado, con una calidad de señal de aproximadamente 62 a 67 por ciento a –10 dBc y aproximadamente 32 por ciento a –20 dBc.
Las pruebas de del modo de HD Radio completamente digital (MP5) resultaron ser toda una sorpresa.
Si bien el rendimiento general del sistema fue similar al del modo híbrido con una potencia de –10 dBc, igualando o superando su calidad de señal a lo largo de prácticamente toda la ruta de prueba vertical, la cobertura en terreno accidentado en el extremo sur de la ruta superó el 98 por ciento correspondiente al programa de la partición P1. Como el rendimiento de los canales P2 y P3 fue similar al de otros sistemas, esta enorme mejora puede atribuirse al esquema de codificación de diversidad más robusto usado para el canal P1 en el modo MP5.
Por último, el sistema DRM+ fue evaluado en modo multidifusión con un espacio de 400 kHz entre las señales analógica y digital. El esquema de modulación QPSK resultó significativamente mejor que el 16-QAM, con una calidad de señal próxima al 100 por ciento a 20 kilómetros y superior al 95 por ciento a 25 kilómetros. Con 16-QAM, la calidad cayó al 94 por ciento a los 20 kilómetros y disminuyó rápidamente con el aumento de la distancia. QPSK también tuvo buen rendimiento en terreno accidentado, con una calidad de señal superior al 70 por ciento en comparación con el 52 por ciento de 16-QAM.
En lugar de sacar conclusiones específicas sobre la aptitud de un sistema en particular para una aplicación particular, el doctor Lee prefirió dejar que los datos hablaran por sí mismos. Con los resultados de estas pruebas en mano, las autoridades de regulación de todo el mundo ahora tienen una referencia útil para que sus países evalúen sus opciones de radio digital.
— Daniel Mansergh es director de ingeniería de KQED Public Radio en San Francisco, California.
