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
Parma, 11 Gennaio 2006
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.1/20
Indice della Presentazione
Progetto di un sistema di comunicazione a singola portante:
Studio di codici
Algoritmo di mapping
Analisi delle prestazioni
Ottimizzazione degli algoritmi per DSP
Rumore corona ed impulsivo
Progetto di un sistema di comunicazione multiportante:
Motivazioni
Allocazione ottima delle risorse
Sistema multiportante e banchi di filtri
Algoritmi di sincronizzazione
Risultati numerici e considerazioni
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.2/20
Modem a singola portante Selta
Il sistema può operare:
In modalità full-duplex su banda di 16 kHz con
cancellazione d’eco
In modalità full-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)
Inizialmente, il modem era caratterizzato da un tasso di
informazione fisso a 64 kbit/s con codifica 2D TCM
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.3/20
Singola portante:
studio di codici
Progetto di un codice TCM multidimensionale a 8 e 16 stati.
2T
2T
2T
2T
2T
2T
2T
L’utilizzo del codice 4D TCM introduce un “canale di servizio”
da 6.4 kbit/s
Monitoraggio della qualità del collegamento, scambio dati per
sincronia e gestione della comunicazione
Riduzione dei Mips richiesti dall’elaborazione DSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.4/20
Singola portante:
studio di codici
Progetto di un codice TCM multidimensionale a 8 e 16 stati.
2T
2T
2T
2T
2T
2T
2T
L’utilizzo del codice 4D TCM introduce un “canale di servizio”
da 6.4 kbit/s
Monitoraggio della qualità del collegamento, scambio dati per
sincronia e gestione della comunicazione
Riduzione dei Mips richiesti dall’elaborazione DSP
Superate le prove di omologazione EDF (Electricitè de
France)
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.4/20
Singola portante:
tasso variabile
Canale non stazionario: ripensare il modem in termini di tasso
di segnalazione variabile
Risorse di calcolo disponibili piuttosto limitate per una
evoluzione del prodotto industriale
Occorre poter gestire una costellazione QAM di dimensione
arbitraria
a)
2
+1 0
-1
+1
3
-1 1
4n + 1 4n + 3
9
11
+3
2
0
8
10
-3
-1
13
15
b)
+1
-1
0
2
+1
+3
5
7
3
4n
4n + 2
12
3
1
1
14
-3
4
6
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.5/20
Singola portante:
tasso variabile
37
9
8
13
12
11
10
15
14
1
0
5
4
39
45
47
+7 5
7
13
36
38
44
46
+5 4
6
12
14
33
35
41
43
+3 1
3
9
11
32
34
40
42
2
8
10
-5
-3
-1
+1 0
+1
-7
+3
+5
+7
53
55
61
63
-1 21
23
29
31
9
3
11
8
2
10
13
7
1
3
0
15
15
2
5
7
52
54
60
62
-3 20
22
28
30
49
51
57
59
-5 17
19
25
27
12
6
48
14
50
56
4
58
-7 16
6
18
24
26
Algoritmo di mapping a basso costo computazionale
Rate variabile da 19.2 kbit/s a 172.8 kbit/s su banda da 16 kHz
Rate variabile da 9.6 kbit/s a 86.4 kbit/s su bande da 8 kHz
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.5/20
Singola portante:
10
Bit Error Rate
10
4 QAM
8 QAM
16 QAM
32 QAM
64 QAM
128 QAM
256 QAM
512 QAM
1024 QAM
2048 QAM
4096 QAM
8192 QAM
16384 QAM
-1
-2
10
10
0
-3
-4
10
-5
-6
10 0
10
10
10
Bit Error Rate
10
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46
Eb/N0 [dB]
4 QAM
8 QAM
16 QAM
32 QAM
64 QAM
128 QAM
256 QAM
512 QAM
1024 QAM
2048 QAM
4096 QAM
8192 QAM
16384 QAM
-1
-3
-4
10
2
0
-2
10
10
prestazioni
-5
-6
10 0
2
4
6
Codice a 8 stati
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46
Eb/N0 [dB]
Codice a 16 stati
Guadagno di codifica: definizione di
SNRnorm
Es /N0
= R
2 −1
R è numero di bit di informazione trasmessi per simbolo QAM
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.6/20
Singola portante:
10
10
Uncoded QAM
4D TCM (8 stati)
16
-3
-4
10
3.5 dB
-5
-6
10 0
14
12
10
8
6
2
3
4
5
6
SNRnorm [dB]
7
8
9
10
@
4 QAM
8 QAM
16 QAM
32 QAM
64 QAM
128 QAM
256 QAM
512 QAM
1024 QAM
2048 QAM
4096 QAM
8192 QAM
16384 QAM
Capacity Bound
QAM Capacity Bound
4
2
1
Spectral efficiency versus SNR (BER=10 )
18
-1
-2
10
10
-6
0
Spectral Efficiency [bits/signal]
Symbol Error Rate
10
prestazioni
@
0
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
Eb/N0 [dB]
Guadagno di codifica γc = 3.5 dB per codice 8 stati
Circa 3 dB dalla capacità di canale vincolata a QAM
Asintoticamente circa 5 dB dalla capacità di canale
Compromesso tra capacità di correzione e semplicità
realizzativa
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.6/20
Singola portante:
ottimizzazioni
Carico computazionale espresso in Mips
8 kHz
16 kHz
Coder
DeCoder
Coder
DeCoder
0,6
33,6
1,3
67,3
0,8
17,3
1,7
34,6
4D TCM 16 QAM (ottimizzato)
0,7
15,9
1,5
31,9
4D TCM 4096 QAM (ricorsivo)
1,1
106,8
2,3
213,7
4D TCM 4096 QAM (standard)
1,1
80,4
2,3
160,9
4D TCM 4096 QAM (ottimizzato)
1,1
26,1
2,3
52,3
2D TCM 64 QAM
4D TCM 64 QAM
=⇒
Ottimizzazione del codice per l’algoritmo di demapping:
utilizzo di look-up table
Suddivisione della costellazione in quadranti con al più 4 punti
Associazione univoca dei bit liberi per ciascuno dei 4 punti
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.7/20
Singola portante:
prestazioni
PTOT = 40 W, fc = 140 kHz, γm = 4 dB, γc = 3.5 dB, 64 kVolt
0
172.8
-10
Bit Rate variabile
Bit Rate fissa
153.6
134.4
Bit Rate [kbit/s]
20 log |H(f)|
-20
-30
-40
115.2
Codice TCM 4D a 8 stati
-6
(Symb)
= 10
Pe
96
76.8
57.6
38.4
-50
19.2
-60
100
150
200
250
300
350
Frequency [kHz]
400
450
500
0
0
50
100
150
200
250
Distanza [Km]
300
350
400
450
L’elettrodotto operante a 64 kV
Coefficiente di attenuazione α = 0.14 dB/km
Potenza di rumore su banda di 4 kHz pari a −36 dBm
Frequenza di portante fc = 140 kHz e frequenza di simbolo
fs = 12.800 simboli al secondo
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.8/20
Singola portante:
rumore colorato
n0 (t)
{ak }
Codice
4D TCM
ck
P (f )
Hc (f )
η 0 (t)
Canale PLC
p1
S(f )
Q∗ (f )
p
S(f )
t = iT
ri
VITERBI
PROC.
{âk }
Filtro sbiancante & filtro adattato
I sistemi di trasmissione ad onda convogliata su singola
portante sono limitati da rumore colorato
S(f ) = Sη0 (f ) + Sn0 (f )
Obbiettivo: introdurre nel modem commerciale la capacità di
compensare il rumore colorato
Vincolo: ridotta capacità di calcolo disponibile
Vincolo: lasciare inalterata la parte di elaborazione analogica
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.9/20
Singola portante:
rumore colorato
n0 (t)
{ak }
Codice
4D TCM
ck
P (f )
Hc (f )
η 0 (t)
Canale PLC
p1
S(f )
∗
Q
p (f )
S(f )
t = iT
ri
VITERBI
PROC.
{âk }
Filtro sbiancante & filtro adattato
Strategia di rivelazione MAP
â = argmax p(r|a)P {a}
a
= argmax
a
K−1
Y
p(Rk |R0k−1 , ak0 )P {ak }
k=0
' argmax
a
K−1
Y
2k−1
p(r2k |r 2k−2−ν
, ak , ζk ) · p(r2k−1 |r 2k−2
2k−2−ν , ak , ζk )P {ak }
k=0
Definizione di stato ζk = (µk , Ck−1 , Ck−2 , Ck−3 , . . . , Ck−(L+ν)/2 )
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.9/20
Singola portante:
rumore colorato
Fattorizzazione in 2 pdf complesse Gaussiane con medie
condizionate e varianze condizionate
o
o
n
2k−1
2
2k−1
σ̂r22k = E |r2k − r̂2k | r 2k−2−ν
r̂2k = E r2k r2k−2−ν ; ak , ζk
ak , ζ k
o
o
n
n
2k−2
2
2k−2
r̂2k−1 = E r2k−1 r 2k−2−ν ; ak , ζk σ̂r22k−1 = E |r2k−1 − r̂2k−1 | r 2k−2−ν ; ak , ζk
n
r̂2k e r̂2k−1 possono essere interpretate, rispettivamente,
come le stime lineari di r2k e r2k−1 , e σ̂r22k insieme a σ̂r22k−1
come i relativi errori quadratici medi di predizione (MSPE)
Metriche di ramo
λk (ak , ζk ) =
1
X
i=0
(
2
|r2k−i − r̂2k−i |
2
+
ln
σ̂
r
2k−i
σ̂r22k−i
)
.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.9/20
Singola portante:
RSSD
S0
Q
ν
S
1
2
8 × (27 )1 = 1024
8 × 8 = 64
2
4
8 × (27 )2 = 131072
8 × 82 = 512
3
6
8 × (27 )3 = 16777216
8 × 83 = 4096
4
8
8 × (27 )4 = 2147483648
8 × 84 = 32768
Lo stadio di ingresso è molto complesso e richiede elevata
adattatività e perfetta conoscenza del canale
n0 (t)
{ak }
Codice
4D TCM
ck
P (f )
Hc (f )
η 0 (t)
Canale PLC
p1
S(f )
Q∗ (f )
p
S(f )
t = iT
ri
VITERBI
PROC.
{âk }
Filtro sbiancante & filtro adattato
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.10/20
Singola portante:
RSSD
S0
Q
ν
S
1
2
8 × (27 )1 = 1024
8 × 8 = 64
2
4
8 × (27 )2 = 131072
8 × 82 = 512
3
6
8 × (27 )3 = 16777216
8 × 83 = 4096
4
8
8 × (27 )4 = 2147483648
8 × 84 = 32768
Realizzazione pratica del ricevitore
n0 (t)
{ak }
Codice
4D TCM
ck
P (f )
P ∗ (f )
Hc (f )
t = iT
ri
VITERBI
PROC.
{âk }
η 0 (t)
Canale PLC
La complessità è spostata interamente all’interno del
ricevitore (su DSP)
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.10/20
Singola portante:
7,5
Funzione di costo J(p1)
Funzione di costo J(p2)
225 kV line
380 kV line
750 kV line
1050 kV line
fc = 350, W = 64 kHz
fc = 305, W = 128 kHz
8
7
6
4
CTR = 10 dB
Eb/N0 = 10 dB
MMSPE [dB]
Spettro di potenza del rumore corona
10
rumore corona
6,5
2
6
0
100
200
300
400
500
600
Frequenze [kHz]
700
800
900
0
1000
0
-1
-2
4
5
7
6
Ordine di predizione ν
8
9
10
CTR = 10 dB, no LP
CTR = 10 dB, ν = 2
CTR = 10 dB, ν = 4
CTR = 10 dB, ν = 6
-1
10
-2
10
Bit Error Rate
10
Bit Error Rate
3
10
AWGN
CTR = 0 dB, no LP
CTR = 5 dB, no LP
CTR = 10 dB, no LP
CTR = 10 dB, ν = 2
CTR = 10 dB, ν = 8
10
-3
-3
10
10
-4
-4
10
10
TCM-4D 16QAM
4D TCM 64QAM
-5
-5
10
10
-6
2
0
10
10 3
1
4
5
6
7
8
Eb/N0 [dB]
9
10
11
12
-6
10 7
8
9
10
11
12
Eb/N0 [dB]
13
14
15
16
“Corona-to-Thermal noise power Ratio”: CTR = σn2 /ση2
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.11/20
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.12/20
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.12/20
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.12/20
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).
Utilizzo di algoritmi efficienti ed ottimizzati per realizzazione su
DSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.12/20
Sistema multiportante:
motivazioni
Obbiettivo: massimizzare la quantità di informazione
trasferibile.
|H(f)|2
f
100 KHz
500 KHz
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante:
motivazioni
Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere
(water-filling).
N(f)/|H(f)|2
f
100 KHz
500 KHz
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante:
motivazioni
Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere
(water-filling).
N(f)/|H(f)|2
f
100 KHz
500 KHz
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante:
motivazioni
Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere
(water-filling).
N(f)/|H(f)|2
f
100 KHz
500 KHz
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante:
motivazioni
Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere
(water-filling).
N(f)/|H(f)|2
f
100 KHz
500 KHz
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante:
motivazioni
Soluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere
(water-filling).
N(f)/|H(f)|2
f
100 KHz
500 KHz
Realizzazione: determinare la potenza di trasmissione ed il
numero di bit per ogni canale (bit-loading).
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema DMT: schema a blocchi
L’operazione di modulazione e demodulazione avviene in
ambito numerico, utilizzando algoritmi veloci di Fourier (FFT).
QAM
xi [0]
bi [0]
b = RTs
S/P
CODER
gi [0]
N -point IDFT
Xi [0]
P/S
xi [N − 1]
QAM
Xi [N − 1]
Bit Loading
bi [N − 1]
gi [N − 1]
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.14/20
Sistema DMT: schema a blocchi
L’operazione di modulazione e demodulazione avviene in
ambito numerico, utilizzando algoritmi veloci di Fourier (FFT).
)
Rimozione CP
Stima di canale
αN −1
P/S
p(−t)
α0
DECODER
S/P
N -point DFT
Ts /N
Bit loading
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.14/20
-10
-20
-30
-40
0
4
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10 -5
Distribuzione dei bit
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
0.6
0.8
0.9
1
0
1
2
3
4
5
7
6
8
9
10 11 12 13 14 15
2
SER
Fase del canale
Spettro di ampiezza del canale
Sistema DMT: risultati numerici
10 -6
0
1e-06
8e-07 7e-07
8e-07 7e-07
6e-07 7e-07
8e-07 9e-07
7e-07 8e-07 7e-07
-2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Frequenza normalizzata
0.7
0.8
0.9
1
-40
-60
-80
16
14
12
10
8
6
4
2
0
200
150
112
128
300
250
144
160
176
350
Frequenze [kHz]
400
450
Frequenze [kHz]
192
208
224
500
Bit Rate [Kbit/s] @ 64 kVolt
Canale disponibile
Canale utilizzato
-20
100
10 -7
64 kVolt line
0
Distribuzione dei bit
Risposta in frequenza [dB]
-4
0
1216
1152
1088
1024
960
896
832
768
704
640
576
512
448
384
320
256
192
128
64
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Indice di portante
10 11 12 13 14 15
DMT System
Single Carrier System
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Distance [Km]
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.15/20
-10
-20
-30
Canale disponibile
Canale utilizzato
-40
100
200
150
300
250
Frequenze [kHz]
368
384
400
416
432
400
448
464
Frequenze [kHz]
450
480
500
496
220 kVolt line
0
-40
-60
-80
100
0
Channel Available
Channel Used
150
8
200
16
250
300
350
Frequency [kHz]
24
32
40
Channel Index
DMT System
Single Carrier System
100
200
300
400
48
450
56
500
64
400
Distance [Km]
512
-20
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1216
1152
1088
1024
960
896
832
768
704
640
576
512
448
384
320
256
192
128
64
0
0
Bit Rate [Kbit/s] @ 220 kVolt
Power [W]
Frequency Response [dB]
16
14
12
10
8
6
4
2
0
350
Bit Rate [Kbit/s] @ 380 kVolt
380 kVolt line
0
Distribuzione dei bit
Risposta in frequenza [dB]
Sistema DMT: risultati numerici
500
700
600
DMT System
Single Carrier System
448
384
320
256
192
128
64
0
0
50
100
150
200
250
Distance [Km]
300
350
400
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.15/20
Sistema DMT: sincronismo di simbolo
DMT FRAME
Null
Block
Sync
Block
Data
Block
Cyclic
Prefix
Data
Block
Sync
Block
Data
Block
Data
Block
Data
Dentro ogni frame, occorre individuare l’inizio dei pacchetti
L’intervallo di guardia garantisce robustezza ad errori di
allineamento di pacchetto
Se l’errore di allineamento m è inferiore alla durata del
prefisso ciclico
r[(n − m)N ] → R[k]e−2πkm/N
il ritardo è compensabile attraverso una derotazione dei
campioni (operazione svolta dal FEQ)
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.16/20
Sistema DMT: sincronismo di simbolo
Cyclic
Prefix
Data
m
m < LCP
Scartato
All’ingresso della DFT
m > LCP
Se l’errore di allineamento m è inferiore alla durata del
prefisso ciclico
r[(n − m)N ] → R[k]e−2πkm/N
il ritardo è compensabile attraverso una derotazione dei
campioni (operazione svolta dal FEQ)
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.16/20
Sistema DMT: sincronismo di simbolo
Si è proposto un algoritmo di stima di canale basato sul
criterio della massima verosimiglianza (ML)
Bp −1
. Bp −1 X
X (p) 2
(p)
d
Rn [i]Xn [i]
|H
Xn [i]
c |[i] = n=0
n=0


B
−1
p
X

(p)∗
c
Rn [i]Xn [i]
φc [i] = arg


n=0
Lo stimatore non è polarizzato
La qualità di stima aumenta con il numero di simboli pilota
trasmessi Bp
Carico computazionale richiesto basso: sincronizzazione
basata su simboli pilota
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.16/20
Sistema DMT: sincronismo di simbolo
10
Singola Portante
Multi Portante
Rit = 0.5 Ts
Rit = 2.6 Ts
-1
10
-3
-4
10
-5
10
10
10
8
9
10
11
12
Eb/N0 [dB]
10
14
15
16
17
18
-4
-5
10 -4
-3
-2
-1
0
RITARDO [Ts]
1
2
3
Mean Square Error PER LA STIMA DELLA FASE DI CANALE
CRLB
MSEE [0]
MSEE [1]
MSEE [63]
MSEE [21]
MSEE [22]
MSEE [43]
MSEE [44]
MSEE Medio
-3
-5
10
10
10
10
10
0
-3
-4
10
-5
-6
-7
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
Es/N0 [dB]
4
CRLB
MSEE [0]
MSEE [1]
MSEE [63]
MSEE [10]
MSEE [53]
-1
-2
10
-6
-7
-3
AWGN TCM4D 64QAM 16 stati; Nch=64; Nsc=20; Ng=6; Bp=200; Rit.=0.5; Eb/N0=13 dB; "PRE-POSTfisso"
-1
10 2
-1
Mean Square Error PER LA STIMA DEL MODULO DI CANALE
-4
10
13
Ritardo noto
Ritardo stimato
AWGN TCM4D 64QAM 16 stati; Bp=200; N_Oss=1000; Nch=64; Nsc=20; Ng=6; Rit.=0,5; Eb/N0=13 dB; "PRE-POSTfisso"
-2
10
10
0
7
6
0
-2
10
10 5
10Log10(MSEE)
10
-2
10
10
10
Bit Error Rate
Bit Error Rate
10
0
10Log10(MSEE)
10
10 2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
Es/N0 [dB]
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.16/20
Sistemi PLC: rumore impulsivo
I sistemi di trasmissione ad onda convogliata sono affetti da
rumore impulsivo
Obbiettivo: studio dei limiti fondamentali di trasmissione
Metodo: analisi del tasso di informazione e delle prestazioni di
probabilità d’errore
Definizione di informazione media mutua
I(A; R) = h(R) − h(R|A)
Proposto algoritmo simulativo basato su predizione lineare e
tecniche di riduzione di complessità
algoritmo generale utilizzabile in presenza di qualunque
tipo di rumore colorato e dipendente dai dati
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.17/20
Sistemi PLC: rumore impulsivo
Introduzione di 2 modelli di canale opportuni
Interleaved MC super-channel
COD
ck r k
QAM
DeMOD
QAM
MOD
wk
DeCOD
a
â
COD
ck Q ci
QAM
MOD
yn
IDFT
wn
ik
DFT
ri Q
r
−1 k QAM
DeMOD
DeCOD
â
in
Studio di I(A; R) in differenti condizioni di rumore
4
3.5
3
4
AWGN, p = 0
SC, p = 10
SC, p = 10
SC, p = 10
2.5
2
-2
-3
MC, p = 10
MC, p = 10
MC, p = 10
-1
-2
2.3
-3
2.2
2.1
1.5
2
1
1.9
0.5
0
-12 -10 -8 -6 -4 -2
AWGN, p = 0
SC, p = 10
3.5
-1
Information Rate (bit/channel use)
Information Rates (bits/channel use)
a
1.8
1.7
0
2
4
6
SC, p = 10
3
SC, p = 10
-1
-2
-3
MC, p = 10
2.5
MC, p = 10
MC, p = 10
2
-1
-2
2.3
-3
2.2
2.1
1.5
1
2
σw
= 10
-2
2
σi
2
1.9
1.8
0.5
4
5
6
7
8
9
10
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Es / N0 [dB]
2
σw
= p σi2
1.7
0
-12 -10 -8 -6 -4 -2
0
2
4
6
4
5
6
7
8
9
10
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Es / N0 [dB]
2
σw
= 10−2 σi2
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.17/20
Sistemi PLC: rumore impulsivo
10
10
10
-1
10
-2
10
10
0
10
-3
Metrica Euclidea, p = 10
Metrica Euclidea, p = 10
-5
Metrica Euclidea, p = 10
Metrica ottima, p = 10
10
-6
Metrica ottima, p = 10
Metrica ottima, p = 10
-7
10 2
4
6
8
-1
10
-2
-3
AWGN
Bound
-3
AWGN, p = 0
Metrica Euclidea, p= 10
10
-3
12
14
Eb / N0 [dB]
16
18
20
22
24
SC con codice 4D TCM
-1
Metrica Euclidea, p = 10
-5
Metrica Euclidea, p = 10
Cancel., p = 10
-2
10
MC Bound
-1
p = 10
-1
-4
10
-1
0
-2
10
AWGN, p = 0
-4
10
Bit Error Rate
Bit Error Rate
10
Studio di tasso d’errore per sistemi SC e MC con differenti tipi
di codifica
-6
-7
10 0
Cancel., p = 10
2
4
6
-2
-3
-2
-3
8
10
12
14
16
Eb/N0 [dB]
18
20
22
24
26
28
MC con codice 2D TCM
Dimostrato che l’elaborazione ottima può essere fatta nel
dominio del tempo, cioè prima della demodulazione
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.17/20
Sistema MC e banchi di filtri
Il sistema DMT ha canali poco selettivi in frequenza.
Spettro di Ampiezza
3
2
1
0
-1
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Indice di canale
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.18/20
Sistema MC e banchi di filtri
Il sistema DMT ha canali poco selettivi in frequenza.
DMT (16 QAM) e interferente
sinusoidale
-4
Bit Error Rate
10
10
0
10
ε = 0.1
ε = 0.2
-1
Bit Error Rate Probability
10
BER per DMT (16 QAM) con interferente sinusoidale
Tono 1, Ac = 1, EbNo = 12 dB -> Pb = 2.10 , Nch = 64, Ts = 0.5 ms
-2
10
-3
-4
10 0
10
10
-1
-2
10
10
-3
16
24
32
40
Numero tono
48
56
64
16-QAM
Tono 0
Tono 7
Tono 15
Tono 23
Tono 31
Tono 39
-4
10
-5
-6
8
Tono interferente 1, ε = 0.1, Ac = 1, Nch = 64
0
10 4
5
6
7
8
9
10
γb [dB]
11
12
13
14
15
16
Un segnale a radiofrequenza che cade nella banda di un
sottocanale viene disperso su tutti gli altri
Occorre che i sottocanali abbiamo spettri più limitati in banda
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.18/20
Sistema MC e banchi di filtri
Soluzione al problema: banchi di filtri.
X0 (n) +  0
0 +  X1 (n)
X2 (n) +  0
0 +  X3 (n)
g0 (n)
IFFT
g1 (n)
N
XN −2 (n) +  0
0 +  XN −1 (n)
0 +  X0 (n)
X1 (n) +  0
0 +  X2 (n)
X3 (n) +  0
gN-1 (n)
g0 (n)
IFFT
z-N/2
g1 (n)
N
0 +  XN −2 (n)
XN −1 (n) +  0
gN-1 (n)
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.18/20
Sistema MC e banchi di filtri
Soluzione al problema: banchi di filtri.
Reiezione [dB]
Segnale Interferente
Spettro singolo filtro
Canale i-1
Canale i
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
DMT
40
FMT (roll-off 0.0)
30
FMT (roll-off 0.1)
20
FMT (roll-off 0.5)
10
FMT (roll-off 0.7)
0
70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90
f
Canale i+1
Frequenza[Khz]
L’aumentato rapporto di reiezione rende il sistema
multiportante più robusto nei confronti dei disturbi radio.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.18/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione o
sovracampionamento in ricezione.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione o
sovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione o
sovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Risoluzione di problemi di complessità computazionale e
realizzativi
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione o
sovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Risoluzione di problemi di complessità computazionale e
realizzativi
Proposta ed approvazione di un progetto regionale dal titolo
“Modem digitale per trasmissioni a larga banda su elettrodotti”
nell’ambito del Programma Regionale per la Ricerca
Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico
(PRRIITT).
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Elenco delle pubblicazioni
1 R. Pighi, R. Raheli e U. Amadei, “Multidimensional signal processing and detection
for storage systems with data dependent transition noise”, accettato per
pubblicazione su IEEE Trans. on Magnetics.
2 R. Pighi, R. Raheli e U. Amadei, “Multidimensional receiver front-end for storage
systems with data dependent transition noise”, in Proc. IEEE Intern. Symp. Inform.
Theory with Appl., (ISITA’04), Parma, Italy, Ottobre 2004.
3 R. Pighi e R. Raheli, “On multicarrier signal transmission for high-voltage power
lines”, in Proc. Intern. Symp. on Power Line Communications, (ISPLC’05), Vancouver,
Canada, Aprile 2005.
4 R. Pighi, R. Raheli e F. Cappelletti, “Information rates of multidimensional front-ends
for digital storage channels with data-dependent transition noises”, in Proc. IEEE
Intern. Symp. on Information Theory, (ISIT’05), Adelaide, Australia, Settembre 2005.
5 R. Pighi, U. Amadei e R. Raheli, “Oversampled detector for transition-noise-limited
digital storage systems”, accettato per pubblicazione in Proc. IEEE Intern. Conf. on
Communications, (ICC’06), Istanbul, Turchia, Giugno 2006.
6 R. Pighi, R. Raheli e F. Cappelletti, “Information rates of multidimensional front-ends
for digital storage channels with data-dependent transition noises,” proposto per la
pubblicazione su IEEE Trans. on Magnetics, dicembre 2005.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.20/20
Elenco delle pubblicazioni
7 R. Pighi e R. Raheli, “Linear predictive detection for power line communications
impaired by colored noise”, proposto per la pubblicazione in atti di congresso
internazionale.
8 R. Pighi, M. Franceschini, G. Ferrari e R. Raheli, “Fundamental performance limits for
PLC systems impaired by impulse noise”, proposto per la pubblicazione in atti di
congresso internazionale.
9 R. Pighi, M. Franceschini, G. Ferrari e R. Raheli, “Fundamental performance limits for
power line communications with impulse noise”, in fase di proposta per la
pubblicazione su rivista internazionale.
10 R. Pighi e R. Raheli, “Analisi delle prestazioni del sistema di trasmissione 2D TCM
64 QAM Selta”, rapporto tecnico No. 1 redatto per Selta S.p.A., Giugno 2003.
11 R. Pighi e R. Raheli, “Analisi delle prestazioni di un sistema di trasmissione 4D TCM
64 QAM Selta”, rapporto tecnico No. 2 redatto per Selta S.p.A., Luglio 2003.
12 R. Pighi e R. Raheli, “Analisi delle prestazioni di sistemi di trasmissione 4D TCM a 8
e 16 stati”, rapporto tecnico No. 3 redatto per Selta S.p.A., Settembre 2003.
13 R. Pighi e R. Raheli, “Trasmissione multiportante su elettrodotto”, rapporto tecnico
No. 4 redatto per Selta S.p.A., Maggio 2004.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.20/20
Elenco delle pubblicazioni
14 R. Pighi e R. Raheli, “Sistema 4D TCM a bit rate variabile”, rapporto tecnico No. 5
redatto per Selta S.p.A., Novembre 2004.
15 R. Pighi, U. Amadei e R. Raheli, “Simulatore TCM 4D a bit rate programmabile”,
rapporto tecnico No. 6 redatto per Selta S.p.A., Marzo 2005.
16 R. Pighi e R. Raheli, “Sincronizzazione di frequenza e stima di canale per
trasmissioni multiportante”, rapporto tecnico No. 7 redatto per Selta S.p.A., in
preparazione.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.20/20