ATTIVITÀ DI RICERCA NELL AMBITO DELLA TRASMISSIONE NUMERICA. Prof. Riccardo Raheli Ing. Michele Franceschini Ing. Riccardo Pighi

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1 ATTIVITÀ DI RICERCA NELL AMBITO DELLA TRASMISSIONE NUMERICA Prof. Riccardo Raheli Ing. Michele Franceschini Ing. Riccardo Pighi Dipartimento di Ingegneria dell Informazione Università degli Studi di Parma Parma, Lunedì 12 Gennaio 2004

2 Alcune possibili aree di lavoro Sistemi di memorizzazione Sistemi di trasmissione ad onda convogliata Tecniche di codifica per canali reali Circuiti analogici per la codifica e la decodifica Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 1

3 I sistemi di memorizzazione I sistemi di memorizzazione, siano essi magnetici che ottici, presentano caratteristiche comuni ai sistemi di comunicazione radio o via cavo. Essi infatti sono caratterizzati da: canale non lineare (come nelle comunicazioni via satellite); interferenza cocanale (simile al cross-talk nelle comunicazioni radio); rumore colorato e non stazionario (sistemi con equalizzatori). Analizziamo alcuni aspetti... Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 2

4 I sistemi di memorizzazione: canale non lineare Nei link satellitari, la presenza di un amplificatore ad onde progressive (TWTA) spinto in saturazione provoca sul segnale trasmesso una distorsione non lineare: si parla di effetti di conversione AM/AM e AM/PM. Nei sistemi di memorizzazione, l intrinseca non linearità dei fenomeni di lettura e scrittura provoca sul segnale memorizzato una distorsione non lineare analoga a quella precedente. In letteratura è stato proposto uno schema, basato sull espansione dei segnali in serie di Volterra, che permette di analizzare il problema sia nei sistemi satellitari sia nei sistemi di memorizzazione. Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 3

5 I sistemi di memorizzazione: canale non lineare Parte Lineare n(t) a k = ±1 f (1) (t) y lin (t) r(t) Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 4

6 I sistemi di memorizzazione: canale non lineare Modello di Volterra Parte Lineare n(t) a k = ±1 f (1) (t) y lin (t) y nl (t) r(t) z 1 a k 1 z 1 a k 2 z 1 a k 3 f (2) 3 (t) f (2) 2 (t) f (2) 1 (t) f (3) 1 2 (t) Distorsione non lineare Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 5

7 I sistemi di memorizzazione: canale non lineare In letteratura sono emerse alcune possibili soluzioni in presenza di forti non linearità: 1. Predistorsione del segnale in ingresso alla non linearità (al trasmettitore); 2. Sovracampionamento del segnale in uscita dalla non linearità (al ricevitore); Possibile titolo di tesi: Studio e analisi delle prestazioni di un ricevitore a sovracampionamento per combattere gli effetti non lineari nei sistemi di memorizzazione Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 6

8 I sistemi di memorizzazione:interferenza cocanale Traccia 1 Traccia 2 Traccia 3 Testina Possibile titolo di tesi: Studio e analisi delle prestazioni di codici per la riduzione dell interferenza cocanale nei sistemi di memorizzazione Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 7

9 I sistemi di memorizzazione: codici Applicazione di algoritmi di codifica avanzata quali: Codici Turbo; Codici a bassa densità; Codici per la sincronizzazione. Possibile titolo di tesi: Studio di tecniche di codifica avanzata per i sistemi di memorizzazione ed analisi delle prestazioni Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 8

10 I sistemi di memorizzazione: rumore del mezzo Larghezza della transizione Magnetizzazione Posizione della transizione ideale Il rumore del mezzo si genera dall interazione magnetica tra zone adiacenti del supporto magnetico provocando una variazione di ampiezza ed in posizione dell impulso prelevato dalla testina di lettura. Tale disturbo può essere rappresentato come un processo stocastico non stazionario perchè funzione della sequenza di informazione. Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 9

11 I sistemi di memorizzazione: rumore del mezzo b k { 2, 0, 2} h(t, w) y(t) r(t) t k w k t 2 k /2 wk 2/2 h/ t h/ w 2 h/ t 2 2 h/ w 2 n(t) t n k /n! w n k /n! n h/ t n n h/ w n Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 10

12 I sistemi di memorizzazione: rumore del mezzo Presenza di rumore del mezzo t/t t/t 0.4 Assenza di rumore del mezzo Il rumore del mezzo, dipendendo dalla sequenza memorizzata, è un rumore dal quale è possibile estrarre informazioni utili ai fini della decisione. Quale è la capacità di un canale affetto da tale rumore? Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 11

13 I sistemi di memorizzazione: rumore del mezzo 1 1 0,9 0,8 0,9 Information Rates (bits/channel use) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 MNP=0 MNP=0.05 MNP=0.50 MNP=0.95 Information Rates (bits/channel use) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 JNP=0.5 JNP=0 JNP= SNR (db) Information rates for Lorentzian channels, D=1.5 0, SNR (db) Information rates for Lorentzian channels, D=1.5, MNP=0.95 A parità di condizioni, la capacità del canale in presenza di rumore del mezzo è maggiore di quella di un canale AWGN!!! Possibile titolo di tesi: Studio del tasso di informazione di un sistema affetto da rumore del mezzo con stadio di ingresso multidimensionale Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 12

14 I sistemi di memorizzazione: DVD e CD-ROM Vista la stretta analogia tra un sistema di memorizzazione con supporto magnetico ed uno con supporto ottico, le problematiche delineate possono essere estese anche ai sistemi ottici quali: CD-ROM DVD... anche il rumore del mezzo è presente nei sistemi ottici, anche se l origine è ora legata a fenomeni di scattering e di diffrazione... è possibile fornire un modello non lineare anche per i sistemi di memorizzazione ottica Possibile titolo di tesi: Riduzione degli effetti del rumore nei sistemi di memorizzazione ottica quali CD-ROm e DVD Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 13

15 Sistemi di trasmissione ad onda convogliata Sono sistemi di comunicazione che sfruttano come vettore dell informazione le linee di trasporto dell energia elettrica Il canale presenta attenuazione variabile legata alle condizioni atmosferiche Il canale presenta zeri in banda, le cui posizioni possono anche fluttuare nel tempo È presente un particolare tipo di rumore noto come effetto corona che limita le prestazioni Soluzione: sfruttare algoritmi avanzati di elaborazione del segnale, quali OFDM e DMT, e modulazioni ad alta efficienza spettrale. Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 14

16 Onda convogliata: modulazione multicanale I modem ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) sfruttano modulazioni discrete multi-tono (DMT, Discrete Multitone) per raggiungere i flussi fino a 9 Mb/s in down-stream e 1 Mb/s in up-stream Le caratteristiche del modulatore variano adattativamente in funzione delle caratteristiche misurate del canale L idea è di trasformare un canale a larga banda in un insieme di N sottocanali operanti in parallelo DMT operano tale trasformazione sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 15

17 Onda convogliata: modulazione multicanale Si suddivide la risposta in frequenza del canale in tanti sottocanali Ciascun sottocanale può essere pensato come un canale AWGN isolato esente da interferenza intersimbolica Ciascun sottocanale utilizza un formato di modulazione ad elevata efficienza spettrale (QAM M-arie) Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 16

18 Onda convogliata: modulazione multicanale Occupazione in banda Occupazione spettrale Numero di portanti Diversamente da FDMA, i canali possono sovrapporsi La condizione di ortogonalità permette al ricevitore di separare i canali Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 17

19 Onda convogliata: modulazione multicanale Il problema di trasmettere un segnale a larga banda viene trasformato in un problema di trasmissione di tanti segnali a banda stretta ed ortogonali tra loro (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Il bisogno di una equalizzazione complessa per il canale a larga banda viene sostituito nel bisogno di multiplare e demultiplare il flusso di dati in ingresso su un numero elevato di sottocanali a banda stretta che sono contigui e disgiunti. Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 18

20 Onda convogliata: modulazione multicanale Potenza 1 H(f) Sottocanali In base al rapporto segnale rumore di ogni canale, il modulatore carica (Bit Loading) le varie portanti con un numero di bit differente, in maniera tale che il tasso d errore per sottocanale sia uniforme (Water Filling) Alcune sottoportanti possono essere spente Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 19

21 Onda convogliata: problemi aperti Alcuni possibili argomenti di ricerca: Occorre effettuare un analisi adattativa ed accurata della risposta del canale Occorre determinare l algoritmo di bit loading Il sistema è sensibile alle non linearità dell amplificatore nel trasmettitore Il sistema è sensibile ad offset di frequenza e di fase per ciascuna sottoportante Studio e applicazione di tecniche di codifica di sorgente e di canale avanzate Studio e applicazione di tecniche di recupero di sincronismo e di equalizzazione Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 20

22 Onda convogliata: argomenti di tesi Alcuni possibili titoli di tesi: Studio e implementazione di algoritmi di stima del canale Applicazione di tecniche di codifica avanzata per sistemi DMT Applicazione di tecniche di elaborazione del segnale avanzata per sistemi OFDM Progetto ed analisi di prestazione di ricevitori robusti alle non idealità del canale Riccardo Pighi - Sistemi di memorizzazione e di trasmissione ad onda convogliata 21