Nuove tecnologie di modulazione per 3G, TV Broadcasting e Wireless LAN

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1 Nuove tecnologie di modulazione per 3G, TV Broadcasting e Wireless LAN C.R.S.T. Centro Ricerche Sistemi Tecnologici Relatore: Carlo Mozetic - Roma 2007

2 Agenda I mercati delle Wireless LAN e della TV digitale Rivisitazione delle tecnologie: Tecnologie tradizionali, Single Carrier Modulation (SCM 3G) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Paragoni fra differenti sistemi commerciali OFDM: W-Lan DVB-T DAB Misure su sistemi OFDM Esempi di troubleshooting su sistemi OFDM Pagina 2

3 Agenda I mercati delle Wireless LAN e della TV digitale Rivisitazione delle tecnologie: Tecnologie tradizionali, Single Carrier Modulation (SCM 3G) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Paragoni fra differenti sistemi commerciali OFDM: W-Lan DVB-T DAB Misure su sistemi OFDM Esempi di troubleshooting su sistemi OFDM Pagina 3

4 I mercati delle Wireless LAN Le W-LAN sono state progettate per essere una valida alternativa alle wired-lan perché: La cablatura degli edifici è costosa e può essere di difficile attuazione I luoghi dove avvengono frequenti riorganizzazioni necessitano di reti temporanee (ad esempio sale di conferenza e fiere pubbliche) Esse offrono connettitività dati, ma anche VoIP Gli standard delle W-LAN stanno inseguendo le performances delle wired-lan: 1Mb/s 11Mb/s 54 Mbps 108Mbps? Pagina 4

5 Comparazione fra differenti standards per W-LAN IEEE ETSI b* a g HyperLan Banda utilizzata 2.4GHz 5GHz 2.4GHz 5GHz Bit-Rate nominale 11Mbps 54Mbps 54Mbps 54Mbps Bit-Rate max reale 7Mbps 35Mbps 35Mbps 35Mbps Bit-Rate tipico per utente 700Kbps- 7Mbps n/a n/a n/a Capacità Access Point ~50 utenti n/a n/a n/a Copertura n/a n/a * b non usa la tecnologia OFDM Pagina 5

6 Applicazioni W-Lan Le principali applicazioni sono orientate alle comunicazioni: Connettitività dati (come alternativa alle wired-lan) Voice over W-Lan (VoIP) Altre applicazioni sono orientate all integrazione dei processi di produzione Reti a corto raggio (Bluetooth ) Pagina 6

7 Il mercato della TV digitale L impatto della trasformazione della rete di diffusione, da analogica a digitale La maggiore rivoluzione dal 1960 (PAL/SECAM standards) Tutti i maggiori paesi europei coinvolti; differenti timeframes Due obiettivi principali: Aumentare e stabilizzare la qualità del segnale TV ricevuto Implementare un canale di ritorno (servizi interattivi) per estendere la comunità digitale Pagina 7

8 Lo scenario DVB Satellite DVB-S QPSK, >20MHz BW DVB-S QPSK Broadcast DVB-T COFDM, 8MHz BW Home Stazione di terra TV via cavo DVB-C 64QAM, 8MHz BW Il sistema DVB è composto da una famiglia di standards Pagina 8

9 Agenda I mercati delle Wireless LAN e della TV digitale Rivisitazione delle tecnologie: Tecnologie tradizionali, Single Carrier Modulation (SCM 3G) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Paragoni fra differenti sistemi commerciali OFDM: W-Lan DVB-T DAB Misure su sistemi OFDM Esempi di troubleshooting su sistemi OFDM Pagina 9

10 Tecnologia SCM SCM=Single Carrier Modulation Evoluzione diretta dalla modulazione analogica I Bit costituiscono dei simboli a loro volta presi da un alfabeto predefinito Voltage 0 Voltage Time ANALOGICO: Fedele riproduzione dei segnali trasmessi in ricezione (?) Time DIGITALE : Decidere quale simbolo è stato inviato partendo da un alfabeto predefinito Pagina 10

11 Modulazione di un segnale digitale V (+1) +90 Q A 1 0 I t (-1) -90 f ϕ 1 = I F ( t) = x A cos(ωt + ϕ ) ϕ 2 = ϕ 1 ± π ϕ 2 = Q Pagina 11

12 Esempio di trasmissione SCM: modulatore QPSK Q I X Bits/s I Q 90 X Σ Nota: simbolo Simboli/sec = bit/sec x ½ (QPSK) Lo spettro occupato dipende dalla banda dei segnali I e Q (velocità di informazioni al secondo) e dalla risposta dei filtri di banda base Pagina 12

13 Trasmissione SCM: altri tipi di modulazione digitale 00 Q 01 I QPSK 000 Q I PSK Q PSK 1001 I Q Q Q I I I QAM 32QAM 64QAM Pagina 13

14 Comportamento di una trasmissione radio in ambienti wireless Una trasmissione in ambienti wireless è quasi sempre affetta da problematiche legate all esistenza di riflessioni multiple (interferenze Multi-path) Soglia Livello RX Assenza campo Periodo di non evanescenza Tempo Al ricevitore: Pagina 14

15 Il delay spread di canale e il symbol-rate τ è il delay spread nel canale di propagazione T s è il periodo di un simbolo in trasmissione A) τ < T s τ T s Ricezione Ok, con equalizzazione B) τ > T s τ T s Ricezione distorta NON recuperabile Canali ad elevato symbol-rate possono essere affetti da forti distorsioni causati da multipath che non consentono di recuperare il segnale ricevuto Pagina 15

16 Data Rates utilizzati dalle comuni tecnologie digitali GSM: 270Kbps (33.8Kbps per utente) Private Mobile Networks: es. TETRA: 36Kbps UMTS: up to 2Mbps ma usa la tecnologia CDMA Bluetooth: grossomodo 700 Kbps ma usa il frequency hopping Digital Radio Links: centinaia di Mbps ma si tratta di un punto-punto Wireless LAN: 1Mbps/11Mbps/54Mbps/ Digital TV: MPEG stream at >20 Mbps... OFDM Pagina 16

17 La tecnologia CDMA: esempio di generazione dei codici Hadamard Matrix Hn Hn Hn Hn Walsh codes Pagina 17

18 La tecnologia CDMA: esempio di codifica messaggio m messaggio m messaggio m codice w codice w codice w M [1] (t) X W [1] (t) m1(t) m1(t) w1(t) m1(t) w1(t) m2(t) m2(t) w2(t) m2(t) w2(t) M [2] (t) M [3] (t) X W [2] (t) X W [3] (t) Σ c(t) m3(t) m3(t) w3(t) m3(t) w3(t) c(t) Dove c(t) rappresenta il segnale composito da trasmettere Pagina 18

19 La tecnologia CDMA: esempio di decodifica messaggio m messaggio m messaggio m c(t) w1(t) c(t) w1(t) m1(t) c(t) X W [1..N] (t) M [1..N] (t) c(t) w2(t) c(t) w2(t) m2(t) c(t) w3(t) c(t) w3(t) m3(t) Pagina 19

20 La tecnologia CDMA: effetto del multipath (caso: τ = T s ) Segnale correlato c(t) w1(t) c(t) w1(t) m1(t) Segnale NON correlato c(t) w1(t) c(t) w1(t) m1(t) c(t) w2(t) c(t) w2(t) m2(t) c(t) w2(t) c(t) w2(t) m2(t) c(t) w3(t) c(t) w3(t) m3(t) c(t) w3(t) c(t) w3(t) m3(t) Le riflessioni si traducono in segnali non correlati che vengono ignorati dal sistema Pagina 20

21 Da Single Carrier Modulation (SCM) a Frequency Division Multiplexing (FDM) Un flusso di informazioni ad alta velocità modulato su una singola portante è troppo sensibile al multipath... IDEA: dividerlo in più flussi a velocità più bassa da modulare a loro volta su portanti differenti R Serial To R/N R/N Coder (QAM) Coder (QAM) X f 0 X Σ X Parallel R/N Coder (QAM) f 1 X f 2 f RF Pagina 21

22 Efficienza di banda FDM - Esempio: N=3 Banda base f IF f RF B 2B B/3 f 0 f 1 f 2 f IF f RF B/3 2B/3 2B/3 2B/3 B/3 BW TOT >2B Non efficiente! Pagina 22

23 Dall FDM all Orthogonal FDM (ODFM) Se le sottoportanti venissero scelte fra un set di frequenze ortogonali fra loro, ogni sotto banda può essere parzialmente sovrapposta alle altre... B/3 f 0 f IF f RF B/3 f 1 2B/3 2B/3 2B/3 f 2 B/3 Che significa che le frequenze sono ortogonali?? Pagina 23

24 Concetto di ortogonalità L ortogonalità non è un concetto fisico L ortogonalità è un idea che appartiene al dominio della matematica e dell algebra L ortogonalità è una proprietà definita secondo una funzione di misura specifica Pagina 24

25 Ortogonalità esempio 1: vettori in uno spazio a 2 dimensioni A B A e B sono ortogonali? Funzione di misura F = prodotto scalare B A NO: A e B non sono ortogonali D C SI: C e D sono ortogonali Pagina 25

26 Ortogonalità esempio 2: Vettori numerici A = [ ] B= [ ] A e B sono ortogonali? A e C sono ortogonali? C = [ ] Funzione di misura F = prodotto scalare A B = [ ] * [ ] T = = 0 A C = [ ] * [ ] T = = 2 A e B sono ortogonali A e C non sono ortogonali A A = [ ] * [ ] T = = 4 Pagina 26

27 Ma anche le onde sinusoidali a frequenze differenti possono essere ortogonali... Periodo = NT, F=1/NT F 1 (t)=sin(2*pi*f*t) NT/2, 2F F 2 (t)=sin(2*pi*2f*t) NT/3, 3F F 3 (t)=sin(2*pi*3f*t) F 1, F 2, F 3 sono ortogonali! Pagina 27

28 Frequenze ortogonali F 1 (t)=sin(2*pi*f*t)= sin(2*pi*(1/nt)*t) F 2 (t)=sin(2*pi*2f*t)= sin(2*pi*(2/nt)*t) NT F (t) F2 (t)dt = 0 NT 0 1 0!! F 1 (t) F 1(t)dt 0!! Pagina 28

29 Ricevitore OFDM 2B/3 2B/3 2B/3 S R (t) NT 0 NT 0 NT 0 S S S R R R (t) F (t)dt 1 (t) F (t)dt 2 (t) F (t)dt 3 QAM decoder QAM decoder QAM decoder Parallelo - Seriale R Pagina 29

30 La costruzione di un segnale OFDM è equivalente a una FFT inversa R bps Modulatore QAM Convert. Seriale - parallelo IFFT x cos(2πf c t) Pagina 30

31 Un approccio più intuitivo sui segnali OFDM NT NT R[bit/s] T [s] Seriale / R/N NT R/N NT Coder (QAM) Coder (QAM) X F 1 =1/NT X Σ Parallelo R/N NT Coder (QAM) F 2 =2/NT= F 1 +1/NT X F 3 =3/NT= F 2 +1/NT 1/NT è il ΔF fra frequenze adiacenti Pagina 31

32 Lo spettro di ciascuna portante modulata ha una tipica forma Sin(x)/x NT 1/NT Pagina 32

33 OFDM: Portanti ortogonali Fitta sovrapposizione di portanti I nulli di ogni sottoprodotto di modulazione coincide con il centro di ciascuna portante annullando qualsiasi interferenza Pagina 33

34 Lo spettro di un canale W-LAN A e maschera dei limiti -20 dbr -28 dbr -40 dbr Fc MHz Pagina 34

35 Ricevitore FFT I nulli sono On Bin se il tono è On Bin 1/T L intervallo di bin FFT è 1/T Pagina 35

36 Perdita di ortogonalità Gli errori in frequenza causano una interferenza fra le portanti per perdita di ortogonalità 1/T L intervallo di bin FFT è 1/T Pagina 36

37 Ricevitore FFT Anche un eccessivo rumore di fase causa interferenze fra le portanti (Inter-Carrier Interference) 1/T L intervallo di bin FFT è 1/T Pagina 37

38 Conclusioni sulla tecnologia OFDM Vantaggi: Sistema robusto alle interferenze da riflessioni (multipath interference) Implementazione conveniente utilizzando algoritmi FFT Svantaggi: Sensibile a problemi di rumore di fase Sensibile a problemi di centratura in frequenza Sensibile a fenomeni aleatori legati alla temporizzazione Pagina 38

39 Agenda I mercati delle Wireless LAN e della TV digitale Rivisitazione delle tecnologie: Tecnologie tradizionali, Single Carrier Modulation (SCM 3G) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Paragoni fra differenti sistemi commerciali OFDM: W-Lan DVB-T DAB Misure su sistemi OFDM Esempi di troubleshooting su sistemi OFDM Pagina 39

40 OFDM rispetto a SCM (I numeri sono riferiti all a) Visione nel dominio del tempo SCM: Questo è un simbolo = 6 bits OFDM: Questo è un campione; FFT (64 campioni) danno 64 freq bins (48 portanti + 4 pilota + 12 zeri) 1 Simbolo =.083 usec 1 Simbolo = 4.0 usec Data rate = 54 ¾ coding = 72 64QAM = 12 MSym/sec 1 simbolo = 1 punto nel tempo 1 punto nel tempo = 1 simbolo Data rate = 54 ¾ coding = carriers= QAM = 250 ksym/sec 1 simbolo = 1 punto nel tempo e in frequenza 1 punto nel tempo = ~senza significato Pagina 40

41 OFDM rispetto a Single Carrier Modulation Visione nel dominio della frequenza Banda = Velocità di simbolo x (1+α) Banda = Numero portanti x spaziatura 1 portante N carriers Canale adiacente = Distorsione Canale adiacente = Normale Roll-off Pagina 41

42 Non tutte le portanti hanno lo stesso compito: Le portanti pilota Alcune portanti predefinite trasmettono sempre gli stessi dati Vengono utilizzate dal ricevitore per stimare la distorsione del canale: Equalizzazione dinamica / Channel Tracking Il Channel Tracking può essere applicato su Ampiezza/Fase/Temporizzazione Pagina 42

43 Sistemi OFDM (1) DVB-T DAB A BW 8 MHz 1.5 MHz 18 MHz Carriers Carrier Spacing khz khz khz 4 khz 8 khz 2 khz 48 4 (sync) khz Pilot/Sync Mod. BPSK QPSK BPSK Data Modulation QPSK 16 QAM 64 QAM DQPSK BPSK, QPSK 16 QAM 64 QAM Pagina 43

44 Sistemi OFDM (2) Max Guard Interval (max delay spread) DVB-T DAB A 56 usec (2k) 224 usec (8k) 246 usec 62 usec 31 usec 123 usec Equalizer Yes No Yes 0.8 usec Pulse Shape Rect Rect Raised Cosine Pilot/Sync Carrier at TX frequency Continuous and Scattered Pilots Yes Null and Phase Ref. symbols Yes, but not used Short and Long Training Symbols Yes, but not used Pagina 44

45 Spettro A, Inviluppo del burst Signal Detect Coarse Freq. AGC Diversity Channel Est. Fine Freq. Rate Length Data... Pagina 45

46 802.11A Assegnazione delle portanti Simboli pilota Simboli dati Simboli lunghi Simboli corti Portanti # Pagina 46

47 Analisi spettrale Time-Gated Gate sincronizzato con gli elementi del preambolo Pagina 47

48 DVB-T Assegnazione delle portanti Portanti pilota continue o scattered Simboli TPS (BPSK) Simboli dati e.g. 64 QAM Portanti # TPS = Transmission Parameter Signalling Pagina 48

49 DVB-T Assegnazione delle portanti Pagina 49

50 DVB-T: Spettrogramma delle sole portanti pilota e di quelle scattered (in rosso) Pagina 50

51 DVB-T: Segnale con pilota e dati Pagina 51

52 Il sistema DVB-T ha diverse possibilità: 2K o 8K? 2k (1705 portanti) 8k (6817 portanti) Un sistema 2K può gestire una velocità 4 volte superiore prima che le portanti si sovrappongano a causa dell effetto Doppler Pagina 52

53 2K o 8K? Sensibilità al rumore di fase Portanti = 2k Spazio = 4464 Hz Effetto del rumore di fase sulle portanti Portanti = 8k Spazio = 1116 Hz 2k è più robusto Pagina 53

54 2K o 8K? Capacità di inseguire le variazioni del canale I simboli 2k arrivano con frequenza 4329 Hz 2k 2k 2k 2k 2k 2k 2k 2k 2k 2k update update update update update update update update update update 4 simboli necessari per catturare le port. pilota 2k segue + veloce Pertanto, in modalità 2k, il min. tempo fra due completi aggiornamenti è 924 usec I simboli 8k arrivano con frequenza Hz 8k 8k update update update update update update update update update update Mentre, in modalità 8k, il min. tempo fra due completi aggiornamenti è 3.7 msec Pagina 54

55 Agenda I mercati delle Wireless LAN e della TV digitale Rivisitazione delle tecnologie: Tecnologie tradizionali, Single Carrier Modulation (SCM 3G) Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Paragoni fra differenti sistemi commerciali OFDM: W-Lan DVB-T DAB Misure su sistemi OFDM Esempi di troubleshooting su sistemi OFDM Pagina 55

56 Misure sui sistemi OFDM Analizzatore di spettro (con zero span e sufficiente ResBW) Dominio del tempo (CCDF, risp. impulsiva, timing) Dominio della frequenza (Potenza canale, maschera spettro, ) Dominio della modulazione Qualità di modulazione Qualità di modulazione di ogni portante Risposta del canale, ritardo di gruppo Ricerca di spurie nel canale Vector Signal Analyzer (VSA) Pagina 56

57 Pura analisi spettrale E ancora un metodo fondamentale per analizzare lo spettro, misurare la banda, per ricercare le spurie, ma: Non dà sufficienti informazioni Non lavora in tempo reale Fornisce l inviluppo solo nel dominio del tempo Non ha nessuna cattura temporale per un analisi dettagliata del burst Perdita di informazioni nelle modalità combinate di analisi: tempo e spettro Pagina 57

58 Vector Signal Analysis: l approccio nel dominio del tempo Ingresso RF LO Anti-alias Filtro Demodulazione in blocco (with gaps) ADC bit Motore Display Algoritmi di Analisi del segnale Demodulazione Gap-free GAP-FREE Time Capture Fast RAM Memory Pagina 58

59 La Time Capture Capability è ideale per: Registrare ogni singolo evento Registrare segnali non statici (esempio a) Riproduzione di segnali registrati attraverso un generatore di funzioni arbitrarie Condivisione con altri tools per la simulazione Struttura a impulsi di un trasferimento dati (esempio a) Pagina 59

60 Analisi del segnale OFDM Analisi dello spettro DVBT Potenza del canale Impegno di banda Forma dello spettro (linearità, fianchi (shoulders)..ecc Spurie fuori dal canale a Potenza del canale Pagina 60

61 Vista combinata tempo&spettro: Time Gating Gated Spectrum (802.11a ) Pagina 61

62 Esempio di cattura nel tempo, attività nella banda a 2.4 GHz Pagina 62

63 Caratterizzazione del segnale nel dominio del tempo: CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) E un analisi quantitativa dettagliata dell andamento della potenza RF E il Rapporto normalizzato della potenza Pk/Avg Si misura prima e dopo gli amplificatori Permette di verificare se i vecchi amplificatori sono in grado di gestire i nuovi segnali Tensione I o Q Segnale modulato tempo Pagina 63

64 Caratterizzazione del segnale nel dominio del tempo: Gated CCDF (CCDF misurato in una finestra temporale predefinita) Pagina 64

65 Analisi della qualità di modulazione Errori di modulazione EVM[%] MER[dB] Concetto di base: Q Segnale ideale in un preciso istante Error Vector Magnitude Magnitude Error Ratio Punto ideale Vettore di errore Punto misurato Segnale misurato in un preciso istante Il segnale misurato non è mai uguale al segnale ideale, a causa del rumore, distorsioni del trasmettitore, fenomeni di propagazione, ecc. I Pagina 65

66 Qualità di modulazione su ogni singola portante La misura dell EVM di ciascuna portante non dà una visione complessiva dell inviluppo Pagina 66

67 Qualità di modulazione: visione composita L EVM viene calcolato sull intero inviluppo Pagina 67

68 Qualità di modulazione: es. segnale a Picco di EVM su una singola portante EVM complessiva Pagina 68

69 Qualità di modulazione: es. segnale DVB-T Picco di EVM EVM complessiva Pagina 69

70 Conclusioni I sistemi OFDM si sono spostati dai libri di testo al mondo reale Molto robusto alle interferenze causate dal multipath, ma compensato dall incremento della complessità HW Sistema complesso = Test complesso! E necessario valutare la complessità dei test nei termini dei loro elementi di base, ovvero: fraquenza/potenza/tempo/qualità di modulazione Tools necessari per un analisi adeguata: Analizzatore di spettro con rivelatore rms e capacità di misurare la potenza reale del canale Vector Signal Analyzer (VSA) con opportune caratteristiche Pagina 70