Comunicazioni su Linee Elettriche

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1 Università degli Studi di Parma. Facoltà di Ingegneria Comunicazioni su Linee Elettriche Dottorando: Riccardo Pighi Tutor: Prof. Ing. Riccardo Raheli Dottorato in Tecnologie dell Informazione XVIII Ciclo Presentazione del Progetto di Tesi di Dottorato Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.1/12

2 Indice della Presentazione Progetto di un sistema di comunicazione a singola portante: Studio di codici Algoritmo di mapping Analisi delle prestazioni Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.2/12

3 Indice della Presentazione Progetto di un sistema di comunicazione a singola portante: Studio di codici Algoritmo di mapping Analisi delle prestazioni Progetto di un sistema di comunicazione multiportante: Motivazioni Allocazione ottima delle risorse Schema a blocchi di un sistema multiportante Risultati numerici e considerazioni Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.2/12

4 Indice della Presentazione Progetto di un sistema di comunicazione a singola portante: Studio di codici Algoritmo di mapping Analisi delle prestazioni Progetto di un sistema di comunicazione multiportante: Motivazioni Allocazione ottima delle risorse Schema a blocchi di un sistema multiportante Risultati numerici e considerazioni Completamento dell attività: Algoritmi di sincronizzazione Applicazione di tecniche di codifica avanzate Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.2/12

5 A Case Study: Modem a singola portante Selta Il sistema può operare: In modalità full-duplex su banda di 16 khz con cancellazione d eco In modalità half-duplex su bande separate da 8 khz Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.3/12

6 A Case Study: Modem a singola portante Selta Il sistema può operare: In modalità full-duplex su banda di 16 khz con cancellazione d eco In modalità half-duplex su bande separate da 8 khz La trasmissione avviene attraverso uno schema congiunto di codifica e modulazione TCM: con costellazioni bidimensionali (QAM) con costellazioni multidimensionali (prodotto cartesiano di punti appertenenti a QAM) Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.3/12

7 A Case Study: Modem a singola portante Selta Il sistema può operare: In modalità full-duplex su banda di 16 khz con cancellazione d eco In modalità half-duplex su bande separate da 8 khz La trasmissione avviene attraverso uno schema congiunto di codifica e modulazione TCM: con costellazioni bidimensionali (QAM) con costellazioni multidimensionali (prodotto cartesiano di punti appertenenti a QAM) Il modem è caratterizzato da un tasso di informazione variabile (da 19.2 kbit/s a kbit/s) Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.3/12

8 Singola portante: studio di codici Progetto di un codice TCM multidimensionale a 16 stati. q 6 q 5 4 q S 2 2T S 1 S 3 S 0 2T 2T 2T y 6 y 5 4 y 3 y 2 y 1 y 0 Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.4/12

9 Singola portante: algoritmo di mapping È stato sviluppato un algoritmo di mapping ricorsivo, computazionalmente efficiente a) n + 1 4n b) 3 1 4n 4n Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.5/12

10 Singola portante: algoritmo di mapping Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.5/12

11 Singola portante: algoritmo di mapping Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.5/12

12 Singola portante: prestazioni Analisi delle prestazioni del codice a 16 stati Bit Error Rate QAM 8 QAM 16 QAM 32 QAM 64 QAM 128 QAM 256 QAM 512 QAM 1024 QAM 2048 QAM 4096 QAM 8192 QAM QAM Eb/No [db] Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.6/12

13 Singola portante: prestazioni Efficienza spettrale del sistema di codifica (BER=10 6 ) Spectral Efficiency [bits/signal] QAM Capacity Bound Capacity Bound 4D-TCM 4 QAM 4D-TCM 8 QAM 4D-TCM 16 QAM 4D-TCM 32 QAM 4D-TCM 64 QAM 4D-TCM 128 QAM 4D-TCM 256 QAM 4D-TCM 512 QAM 4D-TCM 1024 QAM 4D-TCM 2048 QAM 4D-TCM 4096 QAM 4D-TCM 8192 QAM 4D-TCM Eb/No [db] Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.6/12

14 A Case Study: Sistema multiportante Selta Modem di terza generazione caratterizzato da elevati livelli di programmabilità, adattabilità alle condizioni della linea e flessibilità. Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.7/12

15 A Case Study: Sistema multiportante Selta Modem di terza generazione caratterizzato da elevati livelli di programmabilità, adattabilità alle condizioni della linea e flessibilità. Studio di fattibilità di un sistema di trasmissione digitale a larga banda su elettrodotti basato sulle tecnologie OFDM e DMT (Discrete MultiTone). Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.7/12

16 A Case Study: Sistema multiportante Selta Modem di terza generazione caratterizzato da elevati livelli di programmabilità, adattabilità alle condizioni della linea e flessibilità. Studio di fattibilità di un sistema di trasmissione digitale a larga banda su elettrodotti basato sulle tecnologie OFDM e DMT (Discrete MultiTone). Progetto di massima di un modem digitale tenendo conto di: normative esistenti (banda disponibile e potenza consentita) caratteristiche dei dispositivi di accoppiamento (elevato costo, difficoltà nella sostituzione). Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.7/12

17 Sistema multiportante: motivazioni Obiettivo: massimizzare la quantità di informazione trasferibile. H(f) 2 f 100 KHz 500 KHz Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.8/12

18 Sistema multiportante: motivazioni Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere (water-filling). N(f)/ H(f) KHz 500 KHz f Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.8/12

19 Sistema multiportante: motivazioni Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere (water-filling). N(f)/ H(f) KHz 500 KHz f Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.8/12

20 Sistema multiportante: motivazioni Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere (water-filling). N(f)/ H(f) KHz 500 KHz f Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.8/12

21 Sistema multiportante: motivazioni Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere (water-filling). N(f)/ H(f) KHz 500 KHz f Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.8/12

22 Sistema multiportante: motivazioni Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere (water-filling). N(f)/ H(f) KHz 500 KHz f Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.8/12

23 Sistema multiportante: schema a blocchi L operazione di modulazione e demodulazione avviene interamente in ambito numerico, utilizzando algoritmi di trasformata veloce di Fourier (FFT). CP insertion { c 1 QAM x 1 g 1 b b = RT s TCM c 2 QAM x 2 g 2 N-point IFFT P/S Tx Filter CODER c N QAM x N g N Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.9/12

24 Sistema multiportante: schema a blocchi L operazione di modulazione e demodulazione avviene interamente in ambito numerico, utilizzando algoritmi di trasformata veloce di Fourier (FFT). } CP removal FEQ Channel Noise Rx Filter S/P N-point FFT FEQ TCM DECODER b FEQ Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.9/12

25 Sistema multiportante: risultati numerici Risposta in ampiezza del canale e profilo di caricamento. Frequency Response [db] kvolt line Channel Available Channel used Frequency [khz] Number of Bits Frequency [khz] Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.10/12

26 Sistema multiportante: risultati numerici Confronto tra singola portante e multiportante. Bit Rate 64 kvolt DMT System Single Carrier System Distance [Km] Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.10/12

27 Sistema multiportante: risultati numerici Risposta in ampiezza del canale e profilo di potenza. Frequency Response [db] Channel Available Channel Used 220 kvolt line Frequency [khz] Power [W] 1 0,8 0,6 0,4 0, Channel Index Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.10/12

28 Sistema multiportante: risultati numerici Confronto tra singola portante e multiportante. Bit Rate 220 kvolt DMT System Single Carrier System Distance [Km] Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.10/12

29 Sistema multiportante: banchi di filtri Il sistema DMT ha canali poco selettivi in frequenza. 3 Spettro di Ampiezza Indice di canale Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.11/12

30 Sistema multiportante: banchi di filtri Il sistema DMT ha canali poco selettivi in frequenza DMT (16 QAM) e interferente sinusoidale Tono 1, A c = 1, EbNo = 12 db -> P b = , N ch = 64, T s = 0.5 ms ε = 0.1 ε = 0.2 Bit Error Rate Numero tono Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.11/12

31 Sistema multiportante: banchi di filtri Il sistema DMT ha canali poco selettivi in frequenza BER per DMT (16 QAM) con interferente sinusoidale Tono interferente 1, ε = 0.1, A c = 1, N ch = 64 Bit Error Rate Probability QAM Tono 0 Tono 7 Tono 15 Tono 23 Tono 31 Tono γ b [db] Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.11/12

32 Sistema multiportante: banchi di filtri Soluzione al problema: banchi di filtri. X 0 (n) + j 0 g 0 (n) 0 + j X 1 (n) X 2 (n) + j j X 3 (n) IFFT g 1 (n) N X N 2 (n) + j j X N 1 (n) g N-1 (n) 0 + j X 0 (n) g 0 (n) X 1 (n) + j j X 2 (n) X 3 (n) + j 0 IFFT g 1 (n) z -N/2 N 0 + j X N 2 (n) X N 1 (n) + j 0 g N-1 (n) Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.11/12

33 Sistema multiportante: banchi di filtri Soluzione al problema: banchi di filtri. Segnale Interferente Spettro singolo filtro Canale i-1 Canale i Canale i+1 f Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.11/12

34 Completamento dell attività Progetto di algoritmi per la sincronizzazione: Possibilità di impiegare portanti pilota Possibilità di impiegare simboli pilota da spedire all interno del flusso di dati Sincronizzazione mediante sovracampionamento ed interpolazione. Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.12/12

35 Completamento dell attività Progetto di algoritmi per la sincronizzazione: Possibilità di impiegare portanti pilota Possibilità di impiegare simboli pilota da spedire all interno del flusso di dati Sincronizzazione mediante sovracampionamento ed interpolazione. Applicazione di tecniche di codifica avanzate: Progetto di codici LDPC per sistemi multiportante. Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.12/12

36 Completamento dell attività Progetto di algoritmi per la sincronizzazione: Possibilità di impiegare portanti pilota Possibilità di impiegare simboli pilota da spedire all interno del flusso di dati Sincronizzazione mediante sovracampionamento ed interpolazione. Applicazione di tecniche di codifica avanzate: Progetto di codici LDPC per sistemi multiportante. Compensazione degli effetti non lineari: Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione o sovracampionamento in ricezione. Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche p.12/12

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