Corso di Tecniche e Sistemi di Trasmissione
Fissi e Mobili
TRASMISSIONE-DATI
DIGITALE SU LINEE
TELEFONICHE:
GENERALITA’
Prof. Carlo Regazzoni
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
[1]
Z. Papir, A. Simmonds, “Competing for Throughput in the Local
Loop”, IEEE Communication Magazine, May 1999, pp. 61-66.
[2]
J. G. Proakis, “Digital Communications”, 3rd Edition,
McGraw-Hill, 1995.
[3]
A. Carlson, “Communication Systems”, McGraw-Hill, 1987
[4]
L. Magnone, L. Petrini, “Sistemi xDSL per l’accesso ad alta
velocità su coppie simmetriche in rame”, Nuovo Notiziario Telecom
Italia, Anno 7, No. 2, Ottobre 1998, pp. 7 -27.
[5]
J.M. Cioffi, V. Oksman, et al, “Very-High-Speed Digital Subscriber
Lines”, IEEE Communications Magazine, Aprile 1999, pp. 72-79.
CONTENUTI
1.
Problema dell’ultimo miglio di rete nella fornitura di
servizi ad utenti residenziali
2.
Uso della rete per telefonia fissa per la copertura
dell’ultimo miglio di rete
3.
Efficienza spettrale di un link di trasmissione digitale
4.
Tecnologie di trasmissione-dati su reti per telefonia
fissa
1.
PROBLEMA DELL’ULTIMO MIGLIO
DI RETE NELLA FORNITURA DI SERVIZI
AD UTENTI RESIDENZIALI
1.1 INQUADRAMENTO GENERALE DEL PROBLEMA
La trasmissione-dati digitale orientata alla fornitura di servizi ad un’utenza
residenziale è caratterizzata dal problema dell’ULTIMO MIGLIO DI RETE;
Infatti è difficile fornire un canale di trasmissione che sia contemporaneamente:
Affidabile (basso livello di rumore - elevata banda disponibile);
Uniformemente diffuso nei pressi delle abitazioni;
Condivisibile da un gran numero di utenti.
Attualmente vi sono diverse le tecnologie in competizione tra loro per arrivare
al traguardo di portare un’ampia varietà di servizi multimediali all’interno dei siti
residenziali.
1.
PROBLEMA DELL’ULTIMO MIGLIO
DI RETE NELLA FORNITURA DI SERVIZI
AD UTENTI RESIDENZIALI
1.2 TECNOLOGIE DI RETE IN COMPETIZIONE
NELL’ULTIMO MIGLIO
Reti cablate per telefonia fissa (POTS = Plain Old Telephone Service);
Reti cablate per la distribuzione broadcast del segnale televisivo in
comunità locali (CATV= Community Antenna Television Systems);
Reti cablate a fibra ottica;
Reti wireless pubbliche per telefonia mobile (GSM, UMTS);
Reti wireless private (WLAN);
Reti wireless satellitari.
2.
USO DELLA RETE PER TELEFONIA
FISSA PER LA COPERTURA
DELL’ULTIMO MIGLIO DI RETE
2.1 VANTAGGI
Copertura uniforme del territorio in quasi tutte le aree abitate del Globo
(questo non avviene per le altre tecnologie di rete in competizione nell’ultimo
miglio, elencate in 1.2).
2.2 SVANTAGGI
Bassa affidabilità del canale di trasmissione, causata dalla presenza di
un’elevato tasso di interferenza di cross-talk e da attenuazioni del segnale
rapidamente crescenti in funzione della frequenza;
Pesanti limitazioni nella larghezza di banda disponibile (ampiezza di
banda del canale per la trasmissione vocale su doppino telefonico: 3.1 KHz) e
quindi pesanti vincoli sul data rate ammissibile per la trasmissione-dati
digitale.
2.
USO DELLA RETE PER TELEFONIA
FISSA PER LA COPERTURA
DELL’ULTIMO MIGLIO DI RETE
2.3 DOMANDA
•Qual è il data-rate massimo al quale è possibile trasmettere dati in digitale
sulla rete per telefonia fissa ? Esiste un limite oltre il quale non si può andare ?
•A questa domanda può dare una risposta la teoria dei sistemi di comunicazione
ed in particolare:
Il primo teorema di Nyquist
Il teorema di Shannon
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.1 DEFINIZIONE
•L’efficienza spettrale h di un link di trasmissione digitale è definita dal seguente
rapporto:
R
h
B
R = data-rate assegnato
B = larghezza di banda necessaria per trasmettere al data rate assegnato R
•Idealmente un canale affidabile dovrebbe essere caratterizzato da un’elevata
efficienza spettrale (trasmissione ad elevato rate su piccole porzioni di banda)
•In un canale reale l’efficienza spettrale è limitata essenzialmente da due fattori:
L’interferenza intersimbolica (ISI);
Il rumore di canale, modellato per lo più come rumore Gaussiano bianco
additivo;
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.2 INSORGENZA DELL’INTERFERENZA INTERSIMBOLICA
•L’interferenza intersimbolica (ISI) si manifesta in un sistema di trasmissione
digitale quando la risposta di un canale a banda limitata ad un simbolo mandato in
ingresso con forma d’onda impulsiva si espande temporalmente oltre la durata
del simbolo stesso;
•In pratica code delle risposte all’impulso del canale a simboli precedentemente
immessi sul canale vanno ad interferire con la risposta all’impulso relativa al
simbolo corrente, cambiando l’ampiezza del segnale ricevuto negli istanti di
campionamento ed alterando il processo di ricostruzione.
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.3 RISPOSTA ALL’IMPULSO DI UN CANALE IDEALE A
BANDA LIMITATA
H( f )
f
0
B=1KHz
Risposta in frequenza di un
canale ideale a banda limitata
Risposta all’impulso
Si annulla in tk  k 2B k  Z
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.4 PRIMO TEOREMA DI NYQUIST
Dato un canale ideale a banda limitata, la cui risposta all’impulso è quella mostrata
in 3.2, è possibile ottenere una trasmissione binaria di tipo NRZ senza interferenza
intersimbolica, trasmettendo ad un bit-rate R <=2B b/s: tale valore è detto rate di
Nyquist o frequenza di Nyquist;
Questa condizione impone un vincolo sulla massima efficienza spettrale di un link
di trasmissione digitale binaria, cioè:
hmax 
RNyquist
B
 2 b / s / Hz
Applicando tale vincolo al canale per la trasmissione del segnale vocale sul
doppino telefonico otteniamo che:
Massimo rate (teorico) per la
RNyquist  2 B  6.2 kb / s
trasmissione binaria senza ISI
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.5 FATTORI DI RIDUZIONE DEL RATE DI NYQUIST
Non è possibile implementare un filtro passabasso in grado di riprodurre la
risposta in frequenza del canale ideale a banda limitata mostrata in 3.3;
Il filtro passabasso più usato nelle applicazioni commerciali. è il filtro di Nyquist
a coseno rialzato. Rispetto al filtro ideale, esso presenta un incremento di banda pari
a (1+r), con r = 1/3. Quindi l’efficienza spettrale massima si riduce da 2 b/s/Hz a
1.5 b/s/Hz;
Altro fattore di riduzione dell’efficienza spettrale consiste nella modulazione su
portante sinusoidale, che può portare ad un incremento della larghezza di banda del
segnale trasmesso di un fattore fino a 2 volte rispetto al segnale in banda base;
Combinando gli effetti della modulazione e del filtraggio di Nyquist, l’efficienza
spettrale di una trasmissione binaria può scendere fino a 0.75 b/s/Hz.
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.6 COME TRASMETTERE OLTRE IL RATE DI NYQUIST
•A causa della scarsa efficienza spettrale, la trasmissione binaria era usata solo nei
vecchi modem V.21 (che usano modulazione FSK). Essi sono in grado di
trasmettere ad un bit-rate di 300 b/s, con efficienza spettrale pari a 0.1 b/s/Hz;
•Attualmente i modem per doppino telefonico usano modulazioni multilivello,
ove una sequenza di m bit consecutivi viene mappata in uno tra M = 2m livelli di
ampiezza.
•In tale maniera un simbolo trasmesso porta m = log2M bit e quindi la massima
efficienza spettrale di una modulazione a M livelli, secondo il primo teorema di
Nyquist diviene pari a:
2 B log 2 M
(valore ideale)
 2 log 2 M b/s/Hz
B
Capacità infinita del canale: teoricamente
  se M  
vero solo su canali non rumorosi
hmax 
da cui: hmax
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.7 PRESENZA DEL RUMORE DI CANALE
•In presenza di rumore di canale (non è possibile pensare ad un canale privo di
rumore), il massimo rate di trasmissione ammissibile è imposto dalla ben nota
legge di Shannon-Hartley:
Rmax  2B log 2 1  S N b/s
•Ove S/N è il rapporto segnale-rumore espresso in forma numerica (non in dB);
•Per cui, la massima efficienza spettrale, ottenibile in presenza di rumore di
canale è la seguente:
hmax  2 log 2 1  S N b/s/Hz
Ipotesi fondamentale: rumore di canale di tipo AWGN
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.8 LIMITI POSTI AL NUMERO DI LIVELLI DELLA
MODULAZIONE IN PRESENZA DI RUMORE
•Dato un segnale trasmesso s(t) di potenza S ed un rumore AWGN n(t) di potenza
N, la massima ampiezza del segnale ricevuto y(t) = s(t) +n(t) è:
Amax  S  N
•La minima differenza di livello riconoscibile tra un’ampiezza e l’altra è
•Per cui il massimo numero di livelli tra loro distinguibili è dato da:
M  1 S N
N
3.
EFFICIENZA SPETTRALE DI UN
LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE
3.9 MASSIMO RATE OTTENIBILE IN TRASMISSIONI
DIGITALI SU CAVO TELEFONICO
•L’efficienza spettrale di un canale per la trasmissione vocale con S/N = 1000 (30
dB) è limitata approssimativamente a:
hmax  2 log 2 M  2log2 1  S N  log 2 (1001)  10 b/s/Hz
•Da ciò consegue che il bit-rate con cui si possono trasmettere dati su doppino
telefonico, con modulazione multilivello non può comunque superare il valore di
31 Kb/s;
•Date queste limitazioni, applicazioni che richiedono un elevato bit-rate, come
quelle inerenti ai servizi multimediali, sembrano non poter essere supportate dal
doppino telefonico. Nel seguito si mostrerà che esistono tecnologie in grado di
infrangere questi limiti (es. ADSL).
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.1 INTRODUZIONE
Le tecnologie per la trasmissione-dati digitale su reti per telefonia fissa possono
essere suddivise in tre gruppi:
Modem funzionanti sulla banda di trasmissione del segnale vocale (300
Hz - 3.4 KHz);
ISDN;
ADSL e x-DSL.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.2 MODEM FUNZIONANTI SULLA BANDA DEL SEGNALE
VOCALE (TABELLA RIASSUNTIVA)
Modem Data rate Modulazione
FSK
Efficienza
Spettrale
0.1 b/s/Hz
V.22 bis 2.4 kb/s
QPSK
0.75 b/s/Hz
V.29
9.6 kb/s
16-QAM
1.5 b/s/Hz
V.32
9.6 kb/s
TCM
3 b/s/Hz
V.34
28.8/33.6 TCM
kb/s
56 kb/s
TCM
V.21
V.90
300 b/s
11 b/s/Hz
18 b/s/Hz
Applicazioni
Trasmissione
dati
Trasmissione
dati
Trasmissione
dati
Trasmissione
dati
Trasmissione
dati
Accesso
INTERNET
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.2.1 MODEM FUNZIONANTI SULLA BANDA DEL
SEGNALE VOCALE: NOTE TECNICHE SUI MODEM V.21
•I primi modem (V.21) effettuavano trasmissione binaria con modulazione
Frequency Shift Keying (FSK);
•La modulazione M-FSK richiede M portanti sinusoidali, le cui frequenze
vengono settate sulla base del valore del livello (vedi [3]);
•Nel caso di trasmissione binaria, sono necessarie due portanti: una per il livello
“0” ed una per il livello “1”;
•La modulazione FSK binaria è molto robusta nei confronti del rumore e di
facile implementazione, ma la sua efficienza spettrale è addirittura minore di 1
(è una modulazione a larga banda). Infatti:
h FSK  (2 log 2 M ) M  1
(per M potenza di 2)
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.3 MODEM FUNZIONANTI SULLA BANDA DEL SEGNALE
VOCALE: NOTE TECNICHE SUI MODEM V.22 E V.29 BIS
•I modem delle generazioni successive (V.22 bis, V.29) sono passati alle più
efficienti modulazioni multi-livello, quali la QPSK (efficienza spettrale teorica
pari a 2) e la 16-QAM (efficienza spettrale teorica pari a 4);
•Pur con tutte le tarature imposte dal filtraggio passabasso di Nyquist e dalla
modulazione, si è passati a valori dell’efficienza spettrale decisamente migliori
rispetto al vecchio V.21 (0.75 b/s/Hz per il V.22 bis e 1.5 b/s/Hz), consentendo
di portare il rate di trasmissione a 9.6 kb/s.
•Tuttavia questo è avvenuto al prezzo di una minore protezione nei confronti
del rumore, il che ha scoraggiato ulteriori tentativi di incrementare l’efficienza
spettrale solamente aumentando il numero di livelli della modulazione;
•Aumentando il numero di livelli, i simboli della costellazione diventano infatti
più vicini tra loro e quindi è più difficile per il ricevitore decidere, in presenza
di rumore, quale simbolo è stato trasmesso.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.3.1 ESEMPI DI COSTELLAZIONI M-QPSK E M-QAM
QPSK
QAM
8-PSK
8-QAM
32-PSK
32-QAM
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.4 MODEM FUNZIONANTI SULLA BANDA DEL SEGNALE
VOCALE: NOTE TECNICHE SUI MODEM V.32, V.34 e V.90
•I modem appartenenti all’ultima generazione (da V.32 in poi), adottano la TrellisCoded-Modulation (TCM);
•La TCM combina la modulazione multilivello ad alta efficienza spettrale (M =
32, M = 64), con una robusta codifica FEC per la correzione degli errori di tipo
convoluzionale (codici a Trellis) (vedi [2]);
•Lo stream di bit contenente il messaggio da trasmettere viene dapprima codificato
da un codificatore convoluzionale con rate k/n<1, in modo tale che ad una stringa
di k bit in ingresso corrisponda una stringa codificata di n bit in uscita;
•La ridondanza introdotta con la codifica viene compensata da un mappaggio su
un numero maggiore di livelli. In tal modo non viene incrementata la banda ed il
peggioramento di prestazioni dovuto all’aumento di M viene abbondantemente
compensato dalla robustezza della codifica FEC.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.5 ESEMPIO DI MODULAZIONE TCM
Codificatore
convoluzionale
con rate 1/2
8-QPSK
mapping
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.6 MODEM V.34 E V.90
•Attualmente il massimo rate disponibile in full-duplex (comunicazione
simmetrica con uguale rate sia in upstream che in downstream) è fornito dai
modem V.34, (33.6 kb/s), la cui efficienza spettrale supera di poco il limite
teorico (11 b/s/Hz vs. 10 b/s/Hz). Il modem V.34 usa la TCM con modulazione
32-QAM;
•Il modem V.90 usa anch’esso la TCM e può funzionare a 56.6 kb/s, superando
quindi abbondantemente il limite teorico di efficienza spettrale per il canale
telefonico;
•Tuttavia il rate massimo di 56.6 kb/s non è disponibile nelle due direzioni, ma
solo in quella di downstream. Questa forma di asimmetria rende appetibile il
V.90 per l’accesso ad INTERNET;
•I valori topici del bit-rate sia per quel che riguarda il V.34, che il V.90 sono
disponibili solo se in condizioni ottimali di S/N (>34 dB).
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.7 SOLUZIONI ADSL E x-DSL
•Per quel che riguarda i sistemi di trasmissione-dati operanti sul canale
telefonico per la trasmissione analogica della voce, i limiti imposti da Nyquist e
da Shannon sull’efficienza spettrale sono stati raggiunti (modem V.34) e persino
superati (modem V.90);
•Attualmente la possibilità di incrementare ulteriormente l’efficienza spettrale di
tali sistemi si è esaurita;
•Sono quindi necessarie nuove soluzioni, che sfruttino la banda disponibile del
canale telefonico, utilizzando porzioni di frequenza oltre il range della
trasmissione vocale (300 Hz - 3.4 KHz), notoriamente molto rumorose;
•La soluzione ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) (insieme alle
affini x-DSL) è stata studiata per consentire la trasmissione ad elevato bit-rate
su doppino telefonico, estendendo le applicazioni all’accesso ad INTERNET, al
browsing di database multimediali ed alla distribuzione VOD.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.8 PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE ADSL
E x-DSL
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.8.1 PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE
ADSL E x-DSL: ALLOCAZIONE DELLO SPETTRO E BITRATE DISPONIBILE
VDSL
ADSL
Max rate di Max rate di
upstream
downstream
ADSL
VDLS
640 kb/s
20 Mb/s
6,144 Mb/s
51,84 Mb/s
Banda di
upstream
96 KHz
400 KHz
Banda di
Distanza per
downstream
cui il max
rate è
garantito
900 KHz
4 Km
9 MHz
300 m
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.9 LE MODULAZIONI MULTIPORTANTE
• Le tecniche multiportante sono basate sul principio di suddividere la banda
disponibile del canale trasmissivo in un certo numero di sottobande e utilizzare
ciascun sottocanale per trasmettere un’opportuna porzione di flusso informativo;
•Rispetto alle tradizionali tecniche di modulazione a singola portante, presentano i
seguenti vantaggi:
•L’attenuazione di ciascuna sottobanda è praticamente costante, per cui in
ricezione non è necessario equalizzare;
•L’assegnazione della capacità di trasmissione di ogni sottocanale è
tenendo conto delle caratteristiche di attenuazione del canale e del
rumore, in modo da ottimizzare la trasmissione inviando
informazione nelle sottobande che garantiscono un migliore
segnalerumore;
effettuata
livello di
maggiore
rapporto
•Le tecniche x-DSL impiegano le modulazioni multiportante CAP e DMT;
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.9.1 STANDARD DI MODULAZIONE CAP E DMT
•Modulazione CAP (Carrierless AM/PM) (brevettata dalla AT&T). Il segnale
digitale modulato 16-QAM viene successivamente filtrato in modo da conferire
allo spettro del segnale modulato una forma pressochè rettangolare. In tal modo,
si incrementa notevolmente l’efficienza spettrale del segnale;
•Modulazione DMT (Discrete Multi Tone) (standard ETSI): è una modulazione
multi-portante. Usa simultaneamente canali di trasmissione multipli, per mezzo
di 256 portanti diverse. Ognuno dei canali ha ampiezza 4 KHz ed usa la
modulazione QAM.
•La modulazione DMT adatta il bit-rate di trasmissione su ogni canale al
rapporto segnale/rumore proprio dello spazio di frequenza
del canale
considerato, in modo tale da convogliare la gran parte dei dati trasmessi sui canali
meno rumorosi.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10 MODULAZIONE DMT (DETTAGLI)
•Le caratteristiche peculiari del sistema DMT usato per realizzare sistemi ADSL
sono:
•La banda di trasmissione è divisa in in un insieme di sotto-portanti (dette
toni), ciascuna usata come canale indipendente per trasmettere una parte
dell’informazione;
•Sottoportanti di eguale ampiezza spettrale ed equispaziate tra loro; la
larghezza di banda è sufficientemente piccola in modo da permettere un
impiego quasi ottimo della capacità dela canale;
•Trasmissione in tecnica QAM su ogni sottobanda con efficienza spettrale
massima di 14-25 bitsHz;
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.1 MODULAZIONE DMT (DETTAGLI)
•Lo standard DMT contenuto nella specifica ANSI T1.413 adotta un numero di
toni N = 256 in downstream e N = 32 in upstream;
•La trasmissione avviene con tecnica M-QAM su ogni sottobanda;
•Le sotto-portanti hanno uguale ampiezza spettrale (4 KHz) e sono
equispaziate tra loro;
•E’ possibile una realizzazione completamente numerica della modulazione
usando IFFT e FFT (vedi figura nella slide seguente);
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.2 MODULAZIONE DMT: TX E RX
•La modulazione DMT è un tipo di modulazione multi-portante dove le portanti
sono spaziate in frequenza di un multiplo di 1/T, ove T è il periodo di
modulazione e sono caratterizzate dal fatto che lo spettro dei segnali trasmessi
sulle diverse portanti si sovrappone.
•Uno schema di un possibile modulatore DMT è riportato nella figura
sottostante:
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.3 MODULAZIONE DMT: TX E RX (CONTINUA)
•Si può vedere come un flusso di simboli, codificati nelle loro componenti in
fase ed in quadratra (an, bn), venga ciclicamente multiplexato su N rami di
modulazione digitale QAM.
•L’uscita del k-esimo ramo di modulazione è un segnale M-QAM, modulato su
una frequenza di portante f k , che è ortogonale rispetto alle frequenze di
modulazione degli altri rami.
•In questo modo, è possibile recuperare in ricezione i flussi di simbolo trasmessi
nei diversi rami e riassemblare, con un’operazione di de-multiplexing flusso di
simboli originario.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.4 MODULAZIONE DMT: SEGNALE TRASMESSO
•Ad ogni portante viene assegnata una determinata costellazione QAM (può anche
essere uguale per tutte).
•Date r jk e  jk , coordinate polari nella costellazione QAM, relativa alla portante
k-esima, del simbolo trasmesso da tale portante nell’intervallo [(j-1)T, jT], avremo
che:
sk (t ) 

 rjk cos(2f k (t  jT )   jk ) (t  jT )
j  
(segnale trasmesso dalla portante k-esima)
N 1
s(t ) 
 s (t )
k
k 0
(segnale trasmesso sul canale)
N = numero delle portanti sinusoidali
f k  f0 
k
T
 1, 0  t  T
 (t )  
0, altrimenti
Impulso rettangolare
Frequenza
fondamentale
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.5 MODULAZIONE DMT: SEGNALE TRASMESSO
•Il segnale trasmesso sul canale è la somma di un numero elevato di portanti sinusoidali,
modulate con fase ed ampiezza arbitraria.
Il risultato, nel dominio del tempo, è un segnale noise-like (vedi figura):
La durata di un impulso di modulazione DMT T è fissata ed è pari a:
T
•D è il bit-rate alla sorgente;
Na
 NTs
D
•a è il numero di bit per simbolo trasmesso;
•Ts è il tempo di durata di un simbolo (nel tempo di durata di un impulso di modulazione DMT si
trasmettono N simboli multiplexati);
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.6 MODULAZIONE DMT: EFFICIENZA SPETTRALE
•Nella figura sottostante è rappresentata la densità spettrale di potenza
(normalizzata) di un segnale digitale modulato DMT con T = 125 nsec, f0 =
8 MHz, e numero di portanti N = 32, 128, 512.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.7 MODULAZIONE DMT: EFFICIENZA SPETTRALE
•Lo spettro del segnale tende a diventare ideale (senza bisogno di usare
filtri di shaping dello spettro tipo filtro di Nyquist con basso roll-off)
quando N è molto grande.
•Da quanto si è visto in precedenza, riguardo l’efficienza spettrale della
modulazione DMT, si ha che:
lim h  N   a
N 
•
Il grafico mostrato sopra evidenzia che h ~= a (valore ideale, difficile da
raggiungere con una QAM, anche utilizzando filtri di Nyquist) per valori
grandi (ma finiti) di N.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.8 MODULAZIONE DMT: LARGHEZZA DI BANDA
•La larghezza di banda occupata dalle N portanti del segnale DMT è pertanto pari
a:
N 1
3 N 5
W
2 
T
T
T
•A questo punto può essere interessante calcolare l’efficienza spettrale della
modulazione DMT, che è data dal rapporto bit-rate di sorgente/banda occupata (o
dal suo inverso, a seconda delle convenzioni).
•Supponendo di avere una costellazione M-QAM (o M-PSK) a due dimensioni con
punti (a = #bit per simbolo trasmesso), poiché in T vengono trasmessi N simboli, il
bit-rate di sorgente può essere espresso come:
D
•Per cui si ha che:
W
( N  5) D
Na
Hz.
Na
T
Bit/sec.
D
N
h 
a
W N 5
Efficienza
spettrale
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.9 MODULAZIONE DMT (SCHEMA A BLOCCHI)
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.10 MODULAZIONE DMT (DETTAGLI)
•Il flusso di bit in ingresso alla velocità di R bits è suddiviso in blocchi di b=RT
bit, dove T rappresenta il periodo di simbolo del sistema DMT. Il blocco di bit b
è suddiviso a sua volta in N sottoblocchi bi (i=0,1,…,N-1) tali che (vedi [4]):
N 1
b   bi
i 0
•Dove N rappresenta il numero di sottoportanti del sistema e bi è il sottoblocco
trasmesso sulla portante i-esima;
•Ogni vettore IFFT (simbolo DMT) ha una duratya T pari a 250 s ed è
costituito da 512 campioni;
•La trasmissione avviene praticamente inviando sul canale successivi vettori
IFFT di 512 campioni alla cadenza di 250 s con una frequenza di
capionamento minima (nel verso del downlink) di 2208 kHz..
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.11 MODULAZIONE DMT (DETTAGLI)
•Per assicurare prestazioni nominali ottime in un sistema DMT è necessario
sviluppare alcune funzioni:
•Mantenere una perfetta sincronizzazione fra trasmettitore e ricevitore per
garantire condizioni di ortogonalità tra le portanti, in modo da recuperare
l’informazione trasmessa priva di interferenza nei lobi laterali adiacenti alla
portante. Per far ciò si impiega un tono speciale (tono pilota) dedicato al
sincronismo;
•Analizzare nella fase iniziale di training del sistema, le condizioni della
qualità del canale su ogni sottoportante. La stima del rapporto segnale
rumore, SNR (Signal to Noise Ratio), permette di distribuire in maniera
opportuna il numero di bit su ogni tono (si veda slide seguente);
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.12 MODULAZIONE DMT (DETTAGLI)
•La distribuzione del carico di bit per ogni sotto-portante non è uniforme, ma
funzione delle specifiche condizioni di rapporto segnale/rumore in ciascuna
sottobanda;
•Si può dimostrare che, fissando un tasso di errore consentito di 10-7, il numero di
bit da allocare su ogni tono di indice i è dato dalla formula (vedi [4]):
  SNR(i )
b(i)  log 2 1  
  9.8   margin




•Ove  margin
è il margine prefissato (in dB) per il rapporto segnale-rumore
rispetto alle condizioni nominali di tasso di errore di 10-7 e SNR(i) è il rapporto
segnale-rumore relativo alla sottobanda i stimato durante durante una fase iniziale
di training del sistema;
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.10.12 ESEMPIO DI DISTRIBUZIONE DEI BIT SUI TONI
IN UNA MODULAZIONE DMT
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.11 MODULAZIONE CAP (DETTAGLI)
•La modulazione CAP deriva direttamente dalla QAM, con la quale ha in
comune le stesse prestazioni;
•La differenza con la QAM consiste nel fatto che l’ortogonalità tra il ramo in fase
ed il ramo in quadratura non è ottenuta tramite moltiplicazione per il seno e per
il coseno (carrierless = senza portante);
•Il filtro in quadratura f Q (t )
(vedere figura slide seguente) è realizzato in modo
tale che la sua risposta all’impulso sia la trasformata di Hilbert della risposta
all’impulso del filtro in fasef I (t )
(la trasformata di Hilbert di un segnale è
ortogonale al segnale stesso);
•In tal modo lo spettro del segnale trasmesso ha una forma quasi rettangolare,
evitando i già citati (vedi sezione 3) incrementi di banda dovuti alla
moltiplicazione per le portanti sinusoidali.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.11.1 MODULAZIONE CAP (SCHEMA A BLOCCHI)
•Le espressioni analitiche delle risposte impulsive dei due filtri sono:
f I (t )  g (t ) cos(2f ct )
•g(t) è una componente a coseno rialzato
f Q (t )  g (t ) sin (2f c t )
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.12 CONFRONTO CAP/DMT
•Il segnale trasmesso con la modulazione CAP occupa tutta la larghezza di
banda disponibile. Ciò significa che in corrispondenza di quelle frequenze
soggette a pesanti attenuazioni o affette dalla presenza di rumori impulsivi si
avranno inevitabilmente errori nel messaggio ricevuto;
•La modulazione DMT, invece prevede una trasmissione più o meno “robusta”, a
seconda del grado di rumorosità del canale, concentrando il massimo flusso di
bit in corrispondenza dei toni meno “critici” dal punto di vista del rumore e
delle attenuazioni e viceversa.
•La modulazione CAP è più semplice ed economica da implementare, anche se
la possibilità di implementazione numerica rende la DMT sicuramente
concorrenziale.
•Sia la DMT che la CAP usano codici FEC e tecniche di interleaving per
migliorare le loro prestazioni, in termini di riduzione del BER.
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.17 x-DSL e VDSL
4.13
•HDSL è un servizio a rate simmetrico (full-duplex) a 1.544 Mb/s (su due
doppini) o 2.048 Mb/s (su tre doppini). HDSL usa la modulazione 2B1Q (come
ISDN) oppure la CAP-64 o la CAP-128;
•SDSL (Single-pair DSL) è una versione semplificata di HDSL funzionante su un
unico doppino telefonico, con un rate massimo di 768 kb/s;
•VDSL è una tecnica ancora in fase di standardizzazione. Essa dovrebbe fornire
in futuro un rate di downstream fino a 52 Mb/s, ed un rate di upstream fino a 3
Mb/s, nella versione asimmetrica, e fino a 20-26 Mb/s nella versione simmetrica.
•VDSL dovrà operare tra un’unità di rete a fibra ottica (ONU) di backbone ed il sito
residenziale (vedi figura slide successiva).
4.
TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI
SU RETI PER TELEFONIA FISSA
4.14 VDSL: MODELLO DEL SISTEMA DI COMUNICAZIONE
5.
DALLA DMT AL CONCETTO DI
SPETTRO DISPERSO (SPREAD SPECTRUM)
•Come si è visto al fine di ottenere una trasmissione a elevato rate i limiti di
trasmissione dati su canale telefonico sono stati oltrepassati (modem V 90);
•Le tecniche ADSL e x-DSL consentono di andare oltre sfruttando una porzione di
banda più ampia del canale telefonico oltre il normale range vocale (300 Hz-4
KHz);
•Tale tecnica non è nuova nel mondo delle trasmissioni e a tutti gli effetti
rappresenta un’espansione dello spettro al fine di una trasmissione ad elevato rate;
• Tale concetto che si basa sulla trasmissione di un flusso di informazioni su una
banda più larga di quella occupata dal flusso stesso è noto come tecnica di
trasmissione a Spettro disperso o Spread Spectrum;
•In un certo senso la DMT fa proprio questo andando ad utilizzare una porzione di
banda del canale telefonico molto maggiore di quella solita impiegata per la
trasmissione vocale.
5.
SIGNIFICATO DEL CONCETTO SPREAD
SPECTRUM
•Con questo termine si indica una tecnica di trasmissione digitale, che distribuisce
lo spettro in potenza di un segnale contenente informazione su una banda molto più
larga rispetto a quella del segnale originario, in modo tale che la potenza per unità di
frequenza (watt per Hertz) del segnale inviato sula canale sia molto piccola;
•Si definisce GUADAGNO DI PROCESSO P (Processing Gain) il rapporto tra la
banda del segnale originario B e la banda del segnale trasmesso sul canale dopo la
dispersione (Spreading) dello spettro W:
P
W
B
•In fase di ricezione, il segnale in questione viene compresso nella sua originaria
banda stretta, lasciando la potenza dei segnali interferenti, sparsa sulla larga banda
di trasmissione.
5.
SISTEMA DI TRASMISSIONE SPREAD
SPECTRUM
Dati
Modulazione
digitale
a banda
stretta
Spreading
del segnale
Pattern
Pseudocasuale
Trasmettitore SS
DeModulazione
digitale
a banda
stretta
De Spreading
Dati
Pattern
Pseudocasuale
Ricevitore SS
•In trasmissione, lo spettro del trasmesso viene “disperso” su una larga banda di
frequenza, tramite un pattern pseudo-casuale, imposto ai dati di ingresso di un dato
utente. Tale pattern è noto soltanto al rivevitore dell’utente che ha trasmesso il
segnale Spread spectrum. Se non si conosce tale chiave, non è possibile ricostruire lo
spettro del segnale in banda stretta e quindi demodularlo.
5.
SISTEMA DI TRASMISSIONE SPREAD
SPECTRUM: EFFETTO DELLO SPREADING
Segnale in banda stretta
f
f0
Segnale Spread Spectrum trasmesso
RUMORE BIANCO
f
f0
Spettro del segnale ricompattato
in ricezione
RUMORE BIANCO
f
f0