SmartFM, la soluzione Green per un significativo risparmio economico

Secondo la IEA, L’Agenzia internazionale dell’energia, un’organizzazione internazionale intergovernativa fondata nel 1974 dall’Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico “I mercati dell’energia hanno subito un irrigidimento a causa di molteplici fattori, tra cui la straordinariamente rapida ripresa economica post-Covid. A seguito dell’invasione russa dell’Ucraina nel febbraio 2022, tuttavia, la situazione è degenerata in una vera e propria crisi energetica globale.”

Ogni amministratore di una rete nazionale o multi regionale, conosce molto bene quanto siano energivori centinaia di trasmettitori FM da 1.000 a 15.000 W.

Le prime soluzioni, per far fronte alla crisi energetica, negli ultimi mesi si sono focalizzate, con una telemetria efficiente, nella riduzione delle potenze nelle ore notturne, oppure spegnimenti in aree non importanti magari già coperte dai segnali DAB.

SOLUZIONE ALTERNATIVA “SmartFM”

Ecreso, del gruppo WorldCast Systems, dopo 2 anni di studi, progetti, verifiche tecniche, ha presentato l’anno scorso una soluzione rivoluzionaria per il risparmio energetico dei trasmettitori Radio FM.

Per precisare, SmartFM è stato sviluppato nel corso di 3 anni e rilasciato nel 2018. È stato poi migliorato di anno in anno fino ad oggi per ampliare le sue capacità e fornire un risparmio energetico ottimale alle emittenti di tutto il mondo.

Questo sistema, SmartFM, brevettato a livello internazionale, sulla base delle misurazioni audio e dell’analisi della robustezza del segnale, regola in tempo reale la potenza di uscita RF del trasmettitore e della sezione di alimentazione (dal valore nominale al 50%). Di conseguenza, osserviamo una riduzione dal 15% al 40% del consumo di elettricità mantenendo inalterata la qualità audio.

Attualmente questo sistema è stato adottato da un Broadcaster tedesco, con circa 800 trasmettitori già installati.

Inoltre, anche altre reti hanno validato la tecnologia, tra queste, RFI (Radio France Internazionale, trasmessa in molti paesi del mondo), Deutschland Radio (emittente pubblica trasmessa da Uplink). Anche la BBC sta convalidando la tecnologia.

Genesi del progetto

La trasmissione FM (Frequenza Modulata), banda II (da 87,5 MHz a 108 MHz), è una dei pochi standard adottati da tutti i paesi del mondo, seppur con alcune variazioni.

L’adozione di un unico standard mondiale ha consentito ai produttori di sviluppare ricevitori a bassissimo costo, accessibili anche alle popolazioni dei paesi emergenti che, come logica conseguenza, hanno adottato l’FM come mezzo di massa essenziale di comunicazione. La tecnologia FM è stata originariamente implementata nel 1955/1956; gli standard e le raccomandazioni stabilirono rapidamente le regole tecniche che definirono le condizioni di trasmissione e ricezione.

Oggi, salvo casi del tutto eccezionali, le emittenti FM trasmettono 24 ore al giorno, 365 giorni all’anno; ciò implica il funzionamento continuo di tutti i trasmettitori che compongono le reti. Il costo dell’energia che è in costante aumento, ed è molto improbabile che diminuisca o addirittura si stabilizzi nel breve e medio termine, costituisce una voce sempre più significativa nella gestione delle spese operative.

Il team di WorldCast Systems ha condotto uno studio utilizzando diverse ipotesi in base all’evoluzione tecnologica dei trasmettitori e alle effettive prestazioni degli stessi ricevitori moderni al fine di sviluppare un concetto rivoluzionario nella trasmissione ed analisi qualitativa di un segnale FM.

Il problema a portata di mano

La riduzione dei costi operativi di una rete FM è da molto tempo uno degli obiettivi principali del reparto Ricerca e Sviluppo di WorldCast Systems.

Di conseguenza, la gamma di trasmettitori Ecreso, progettati e prodotti dall’azienda, sono tra i più efficienti al mondo non solo per consumi ridotti ma anche in termini di affidabilità e integrazione delle funzioni, riducendo così il consumo elettrico di apparecchiature aggiuntive come Codificatori MPX/RDS sul sito.

Un trasmettitore è composto da diversi stadi tra cui uno o più blocchi di alimentazione in grado di fornire da pochi watt a 10 kW, per i modelli standard. L’efficienza di un trasmettitore da 10kW è circa il 75% (una media dei migliori trasmettitori sul mercato). Ciò si traduce in un consumo elettrico diretto di circa 13,3 kWh/giorno.

A questo vanno aggiunti i consumi indiretti, come quello della ventilazione forzata degli stadi amplificatori dei trasmettitori e di una parte del condizionamento dell’aria dei locali che ospitano i trasmettitori; questi costi collaterali sono direttamente proporzionali alla dissipazione dei trasmettitori, che è direttamente correlata alla potenza di uscita di ciascun trasmettitore.

Inoltre, l’affidabilità di un trasmettitore è anche strettamente legata alla temperatura di esercizio dei componenti di potenza (transistor): tale affidabilità diminuisce secondo una progressione geometrica in relazione alle maggiori temperature del blocco RF (amplificatore + alimentazione).

Gli sforzi tecnologici hanno permesso di migliorare notevolmente l’efficienza dei trasmettitori nel corso degli anni. Ma quest’ultima, non migliorerà significativamente oltre lo stato attuale poiché sono quasi stati raggiunti i limiti teorici dell’ottimizzazione fisica dei componenti.

Per ottenere un notevole risparmio energetico aggiuntivo, i progettisti devono quindi concentrarsi sui fondamenti strutturali dell’FM, immaginando un concetto che combina gli enormi progressi compiuti da trasmettitori e ricevitori in termini di prestazioni, con una gestione della trasmissione “intelligente”. Questa idea, che ha molti vantaggi, solleva una grande preoccupazione: il comfort di ascolto dell’ascoltatore non può e non deve essere alterato in alcun modo. Questo è l’obiettivo progettuale raggiunto da SmartFM.

Lo “Stato dell’Arte” e la situazione attuale

L’ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunications) con sede a Ginevra, Svizzera, è l’organizzazione responsabile della definizione e dell’evoluzione delle regole tecniche. Ogni Stato è responsabile di farle rispettare attraverso i propri organismi di regolamentazione. L’ITU-R ha 193 paesi membri. Gli standard di base per la trasmissione di un programma di trasmissione audio FM sono stati fondati negli anni ’50 e ’60.

Si sono evoluti molto poco sul livello fondamentale e sulla prestazione intrinseca minima richiesta per raggiungere l’optimum delle specifiche quando si definisce un progetto per configurare una stazione o una rete di stazioni FM. Nel corso degli anni sono state aggiunte delle regole che definiscono la messa in onda dei programmi audio in stereo, l’inserimento e la gestione dei dati associati nel segnale in banda base (sistema RDS), la definizione della protezione del canale adiacente, la misura e gestione della potenza del segnale modulante (MPX) e diverse metodologie concernente la misurazione dell’intensità di campo ricevuta in un dato punto.

Una delle prime raccomandazioni scritte dall’ITU-R è stata quella di determinare l’intensità di campo RF minima richiesta per il comfort di ascolto nominale, secondo tre tipi di aree di ricezione (rurali, urbane e densamente urbane) e due tipi di modalità di trasmissione (monofonica, stereofonica). Questi campi minimi sono stati calcolati in base alle caratteristiche dei ricevitori consumer dell’epoca, i livelli di rumore osservati sulla banda II e, ovviamente, l’attenuazione del segnale in funzione della distanza.

Da questi livelli di campo minimi, gli ingegneri possono definire le aree di servizio di ciascun trasmettitore con formule complesse (oggi si utilizzano potenti algoritmi per le simulazioni del terreno e le esatte condizioni di propagazione dell’onda VHF). Possono stabilire la potenza irradiata effettiva (ERP) necessaria per ottenere queste intensità di campo consigliate su una determinata area di servizio. È quindi molto semplice calcolare l’output di potenza richiesto del trasmettitore sottraendo il guadagno del sistema di antenna selezionato.

Questa raccomandazione ITU-R è nata nel 1956, l’ultima revisione è stata nel 1998. Ma per più di 60 anni, molti progressi tecnici hanno cambiato l’applicazione di queste regole, senza che l’ITU-R abbia modificato in profondità le caratteristiche minime necessarie per la trasmissione di un programma sonoro in FM, banda II.

COSA È CAMBIATO?

I punti positivi: i ricevitori

Vari salti tecnologici hanno consentito ai ricevitori (si tratta solo di ricevitori economici entry-level) di aumentare di molto le loro prestazioni di sensibilità e selettività in modo significativo. L’arrivo dei semiconduttori e dei circuiti integrati specializzati con un guadagno molto alto spiega questo progresso. Si può stimare che il guadagno medio in sensibilità di un ricevitore FM entry-level è di circa 10 dB tra un modello prodotto nel 1965 e la sua controparte nel 2022.

Inoltre, gli stadi RF (front-end) beneficiano di componenti attivi permettendo l’implementazione di un AGC (Controllo Automatico del Guadagno) di grande ampiezza prima della saturazione;

Gli stadi intermedi di amplificazione della frequenza (IF) hanno anche una funzione di guadagno molto importante per il funzionamento in saturazione permanente che si traduce in un rapporto S/N quasi costante sulle uscite audio, indipendentemente dal livello del campo ricevuto.

La Fig. 2 evidenzia il divario di prestazioni tra i ricevitori delle generazioni 1965 e 2022.

La curva blu mostra il rapporto segnale/rumore del ricevitore prodotto nel 1965 in funzione del livello RF in ingresso. Questo rapporto è coerente con ITU-R BS.415-2(3) che specifica che un ricevitore FM deve avere una sensibilità minima di -75 dBm (32 dBμV o 40 μV) per un rapporto segnale/rumore di 30 dB.

La curva arancione mostra la sensibilità per il ricevitore del 2016. È 11 dB superiore a quello del suo predecessore. Ma questo ricevitore beneficia soprattutto di un aspetto molto significativo, maggiore comfort di ascolto (+17 dB) nell’area di lavoro “standard”, ovvero per livelli RF superiore a 45 dBμV.

Dagli inizi dell’FM fino agli anni ’75 e ’80, la trasmissione del segnale sonoro da un trasmettitore FM aveva una gamma dinamica quasi identica a quella dell’ingresso della sorgente audio, ovvero la variazione tra pianissimo e fortissimo era solitamente maggiore di 30 dB, soprattutto per la voce, che rendeva percepibile il rumore di fondo non appena il rapporto segnale/rumore scendeva al di sotto di 40 dB, ovvero non appena il ricevitore si allontanava dalla sua zona di comfort (livello RF < 50 dBμV).

Dagli anni ’80 in poi sono apparsi strumenti per l’elaborazione del programma sonoro (già ampiamente utilizzato negli Stati Uniti, prima in AM e poi in FM). Questa apparecchiatura è composta da filtri che “tagliano” lo spettro del segnale audio in più bande di frequenza (generalmente tra 3 e 6); ciascuna banda di frequenza del segnale così ottenuto passa quindi attraverso uno strumento di compressione/limitatore di banda.

In uscita, il segnale viene ricombinato sommando le diverse bande. Questo tipo di elaborazione è ormai presente su quasi tutte le reti FM, con più o meno profondità a seconda del tipo di programma e permette, secondo il parere dei manager della stazione, di contrassegnare il contenuto con un’identità sonora riconoscibile dagli ascoltatori e aumentando così la loro fedeltà.

Questa elaborazione audio e multiplex limita drasticamente qualsiasi variazione transitoria del segnale sonoro al di sopra di una soglia assoluta (compressore + limitatore) che può variare da -30 dB della soglia assoluta a -6 dB per stazioni con una velocità di elaborazione molto elevata.

Questa riduzione della gamma dinamica aumenta considerevolmente il comfort di ascolto mascherando il rumore del ricevitore in condizioni di ricezione limite. Va ricordato, che l’effetto di mascheramento su uno spettro audio relativamente ampio, significa che un segnale sonoro A, che supera di 10 dB un secondo segnale sonoro B, sovrapposto ad esso, è sufficiente per mascherare completamente quest’ultimo. In teoria, se il ricevitore ha un proprio rumore di 10 dB in meno rispetto al segnale sonoro, questo rumore non viene percepito dall’ ascoltatore.

In pratica, a parità apparente di un rapporto segnale/rumore, l’uso o meno di un programma audio elaborato e impostato su +6 dBr la potenza MPX (misurata in 15 minuti) consente un incremento medio minimo di 14 dB nel rapporto segnale/rumore al ricevitore, senza alcun cambiamento nell’ascolto comfort per l’ascoltatore (misure soggettive effettuate in ascolto “alla cieca”).

Naturalmente, alterare la dinamica originale del segnale sonoro ha un impatto sulla fedeltà. Utilizzata all’estremo, la compressione può comportare una perdita di qualità per l’ascoltatore.

Trasmettitore FM con modulazioni digitale

Un nuovo passo tecnologico è stato compiuto con la progettazione di trasmettitori FM completamente digitalizzati, dall’ingresso del segnale audio alla generazione della frequenza RF FM.

Questo si traduce in una totale precisione e stabilità nel tempo delle impostazioni di modulazione, in modo che non sia possibile alcuna deviazione tra due trasmettitori. Questo è importante nelle aree sovrapposte in cui un ricevitore può passare rapidamente più volte da un trasmettitore a un altro a seconda delle condizioni di ricezione, senza alcuna alterazione audio udibile.

I punti negativi

L’ambiente radiofonico della banda FM si è deteriorato nel corso degli anni. Il successo di questo mezzo di trasmissione ha dato vita a numerose reti che hanno occupato tutti i canali possibili nella banda di frequenza, creando un livello di rumore residuo più elevato nell’intero spettro della Banda II.

Si sono generate frequenze spurie che accompagnano strutturalmente ogni trasmissione su una frequenza fondamentale. Inoltre, l’uso sistematico di strumenti di elaborazione del programma sonoro ha degradato significativamente il livello di protezione tra canali adiacenti e generato problemi di interferenza e di intermodulazione nei ricevitori.

Il Concetto dello SmartFM

L’unico obiettivo tecnico di una catena di trasmissione è quello di ottenere un soddisfacente comfort di ascolto costante su tutta l’area di servizio di un segnale o di più segnali. Il comfort di ascolto è definito soprattutto dalla nozione di rapporto segnale/rumore, che può essere definito come segue:

• durante l’ascolto del programma, l’ascoltatore è disturbato da eventuali rumori di disturbo (statico, interferenze e altri suoni che non appartengono al contenuto della trasmissione)?

Se la risposta a questa domanda è no, non significa che non ci siano rumori di disturbo presente, ma semplicemente che non si sentono.

È facile capire che se l’ascoltatore ascolta musica molto soft, o un dibattito fatto su esclusivamente di voci, con silenzi tra le varie affermazioni, gli indesiderati rumori diventeranno udibili o addirittura fastidiosi, rispetto all’ascolto della musica moderna costituito da strumenti elettronici che coprono quasi l’intero spettro udibile, con un livello costante che è quasi sempre massimo. In questo caso, sarà un rumore indesiderato mascherato e c’è poco rischio che l’ascoltatore lo percepisca.

In breve, adattando il rapporto segnale/rumore al contenuto del programma, non ci saranno cambiamento nel comfort di ascolto generale.

Il rapporto segnale/rumore (SNR) è essenzialmente determinato dalla quantità di intensità di campo ricevuto dall’antenna ricevente, che è in parte determinata dalla potenza di trasmissione del segnale. Questa potenza irradiata è essa stessa definita moltiplicando la potenza RF del trasmettitore dal fattore di amplificazione (Guadagno) dell’array di antenne.

La modifica della potenza dell’uscita RF ha un impatto diretto sui ricevitori posti fuori dalla zona di confort, ovvero dell’area di copertura in cui la qualità di ricezione non dipende dal segnale RF ricevuto. Tuttavia, a seconda dei componenti del segnale audio e della tessitura, questi disturbi non sono necessariamente uditi dalle orecchie umane. È quindi possibile modificare dinamicamente la potenza di uscita RF, senza alcun impatto sull’esperienza degli ascoltatori.

Il processo SmartFM è un sistema non intrusivo che non rimuove, introduce o modifica la composizione del segnale audio, ma si basa essenzialmente sul collaudato principio dell’effetto di mascheramento del tempo e della frequenza di un segnale sonoro, combinato con l’analisi della dinamica reale del segnale multiplex.

Maggiore è il fattore di potenza MPX della stazione, più SmartFM è solitamente efficace.

La Soluzione tecnica

Un dispositivo controlla la potenza di uscita RF del trasmettitore in base all’audio percezione da parte degli ascoltatori.

La percezione del rumore si basa sull’effetto maschera, che è perfettamente definito nella letteratura scientifica e utilizzato in quasi tutti i sistemi di compressione digitale con perdite ammesse di dati audio (ad esempio il sistema ATRAC sviluppato da SONY).

SmartFM analizza l’effetto di mascheramento ma, a differenza dei sistemi di compressione, non provoca alcuna perdita di dati audio. Nel complesso, più denso è il segnale sonoro, più maschera il rumore e i suoni più bassi in ampiezza. Grazie alla presenza di strumenti di elaborazione audio, il segnale multiplex raggiunge livelli di densità mai visti in altre aree di diffusione sonora.

La dinamica e l’intervallo è così inscritto tra due limiti immutabili distanti solo pochi decibel, la cui soglia alta si trova sempre in corrispondenza o in prossimità del massimo della deviazione autorizzata (di solito ±75 kHz a seconda del paese). L’effetto di mascheramento è quindi massimizzato rispetto ai rumori non essenziali e indesiderati che possono far parte del segnale globale demodulato dal ricevitore.

L’orecchio è anche insensibile a una piccola parte dei suoni interferenti prodotti dopo la scomparsa del suono di mascheramento, per durate comprese tra 50 e 100 ms, secondo la frequenza e l’ampiezza dei suoni mascherati.

Questo effetto post-mascheramento viene utilizzato qui per eseguire calcoli e determinare le azioni da intraprendere tramite l’algoritmo SmartFM.

Le fasi tecniche del processo

Il cuore dell’invenzione SmartFM si basa sui seguenti punti essenziali:

• analisi dettagliata delle caratteristiche del segnale sonoro incapsulato nel segnale multiplex composito;
• misurazioni in tempo reale degli indici di modulazione, potenza del segnale Multiplex, Loudness, durata del rapido cambiamento nella dinamica del segnale audio:
• sviluppo di algoritmi basati sulla tipologia di programma e misure istantanee di parametri rappresentativi dello spettro audio.

I dati entrano quindi in un processore i cui calcoli si basano sul principio dell’IA (Intelligenza Artificiale), considerando l’aspetto di apprendimento e predittivo delle azioni da intraprendere, determinato in base al comportamento dei dati analizzati e ai preset dell’operazione.

Una volta calcolata, l’azione di controllo della potenza agisce sull’alimentazione del trasmettitore e dei circuiti di controllo dello stadio di potenza RF. La potenza di uscita viene così “modulata” di conseguenza con le azioni decise.

La gestione totalmente digitale del trasmettitore e del suo modulatore, garantisce assoluta stabilità dell’analisi e costanza delle azioni determinate secondo agli scenari programmati. Il diagramma seguente mostra l’organizzazione generale del processo SmartFM nella catena di generazione e amplificazione del segnale FM.

Operazioni “On-air”

La distribuzione di SmartFM su una rete di trasmissione FM non richiede alcuna modifica infrastrutture o abitudini operative.

Il sistema è completamente autonomo e opera nell’ambito delle configurazioni dell’operatore. La potenza RF del trasmettitore può essere limitata entro un massimo campo di variazione configurato.

La variazione della potenza applicata al trasmettitore non ha alcuna conseguenza sulla qualità del segnale trasmesso e non provoca alcun effetto secondario misurabile sul comportamento del ricevitore che potrebbe portare ad un degrado del segnale sonoro. Inoltre, SmartFM è pienamente conforme alla standardizzazione generale IUT-R su tutti i criteri consigliati.

Alla fine, su una media di 24 ore, il consumo energetico apparente (APC) di un trasmettitore è ridotto da 0 al 40%, a seconda delle caratteristiche sonore del programma trasmesso. Questo significa una riduzione molto reale e significativa della bolletta energetica!

Tra gli altri effetti positivi di SmartFM citiamo anche:

• riduzione complessiva della temperatura dei componenti di potenza del trasmettitore con conseguente maggiore durata del trasmettitore e migliore MTBF,
• riduzione della bolletta elettrica degli impianti di refrigerazione per la riduzione del calore dissipato dai trasmettitori,
• riduzione delle emissioni di CO2. Riducendo il consumo di energia, SmartFM contribuisce a ridurre le emissioni di CO2 generate durante la produzione di energia.

Numerosi test oggettivi e sessioni di ascolto soggettivo “alla cieca” con professionisti e ascoltatori audio non specializzati di diversi gruppi di età, sono stati condotti in laboratori della WorldCast, seguendo rigorose procedure, per qualificare e validare la rilevanza del processo SmartFM. Tutti i risultati hanno mostrato che il sistema è completamente trasparente e che era impossibile per l’ascoltatore rilevare se SmartFM era acceso o spento. Non è stata rilevata alcuna alterazione del comfort di ascolto.

Ma i test di laboratorio non sono sufficienti per validare completamente SmartFM. Le stazioni pilota messe a disposizione dei clienti partner hanno consentito l’implementazione SmartFM su alcune reti di prova per osservare in particolare il comportamento del sistema in situazioni delicate.

Le misurazioni e l’ascolto di queste emissioni in modo reale nel contesto operativo sono state affidate ad un esperto indipendente per evitare ogni rischio di conflitto di interesse e per certificare veramente i risultati. Queste relazioni degli esperti sono particolarmente positive e confermano tutte le conclusioni già validate in laboratorio: nessuna degradazione di comfort di ascolto e nessuna modifica della gamma sonora quando SmartFM è attivato.

Ad oggi, le principali emittenti nazionali hanno testato e implementato SmartFM su le loro reti. Si sono subito osservati risparmi molto significativi sul consumo di ‘energia delle proprie apparecchiature di trasmissione.

Dati i risultati riscontrati sul campo, il risparmio economico verificato e “l’impronta green” generata dall’impiego di SmartFM, è auspicabile che l’impiego di questa innovativa ed efficace soluzione, sia adottata da tutti gli operatori del settore.

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