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
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Dottorando: Riccardo Pighi Tutor: Prof. Ing. Riccardo Raheli · 2006. 12. 15. · Università degli Studi di Parma. Facoltà di Ingegneria Comunicazioni su Linee Elettriche Dottorando:
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Transcript
Università degli Studi di Parma. Facoltà di Ingegneria
Comunicazioni su Linee Elettriche
Dottorando: Riccardo PighiTutor: 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 concancellazione d’eco
In modalità full-duplex su bande separate da 8 kHz
La trasmissione avviene attraverso uno schema congiunto dicodifica e modulazione TCM:
con costellazioni bidimensionali (QAM)
con costellazioni multidimensionali (prodotto cartesiano dipunti appertenenti a QAM)
Inizialmente, il modem era caratterizzato da un tasso diinformazione fisso a 64 kbit/s con codifica 2D TCM
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.3/20
Singola portante: studio di codiciProgetto di un codice TCM multidimensionale a 8 e 16 stati.
2T 2T 2T2T2T 2T2T
L’utilizzo del codice 4D TCM introduce un “canale di servizio”da 6.4 kbit/s
Monitoraggio della qualità del collegamento, scambio dati persincronia e gestione della comunicazione
Riduzione dei Mips richiesti dall’elaborazione DSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.4/20
Singola portante: studio di codiciProgetto di un codice TCM multidimensionale a 8 e 16 stati.
2T 2T 2T2T2T 2T2T
L’utilizzo del codice 4D TCM introduce un “canale di servizio”da 6.4 kbit/s
Monitoraggio della qualità del collegamento, scambio dati persincronia e gestione della comunicazione
Riduzione dei Mips richiesti dall’elaborazione DSP
Superate le prove di omologazione EDF (Electricitè deFrance)
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.4/20
Singola portante: tasso variabileCanale non stazionario: ripensare il modem in termini di tassodi segnalazione variabile
Risorse di calcolo disponibili piuttosto limitate per unaevoluzione del prodotto industriale
Occorre poter gestire una costellazione QAM di dimensionearbitraria
2 0
13
4n + 34n + 1
4n 4n + 2
33
+1
-1
-1
+1
a)
b)
+1
+1
+3
+3
-3
-3
-1
-1
8
9 11
10
1
20
15 5
12 14
13
4 6
7
13
2 0
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.5/20
Singola portante: tasso variabile
9 11 1 3
20108
13 15
12 14 4
5 7
6
-3
-5
-7
33
+1+1
+3
+3
-3 -1
-1
-5-7 +5 +7
+5
+737
36 38
39
9
45
44 46
47
11
5
4 6
7
1
15
12 14
13
3
8
9 11
102
1
200
41
40 42
43
10
33
32 34
35
8
52
53 55
5413
60
61 63
6215
48
49 51
5012
56
57 59
5814
16
17 19
184
20
21 23
225
28
29 31
307
24
25 27
266
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
“Corona-to-Thermal noise power Ratio”: CTR = σ2n/σ2
η
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.11/20
Sistema multiportante SeltaModem di “terza generazione” caratterizzato da elevati livelli diprogrammabilità, adattabilità alle condizioni della linea eflessibilità.
Studio di fattibilità di un sistema di trasmissione digitale alarga banda su elettrodotti basato sulle tecnologie OFDM eDMT (Discrete MultiTone).
Progetto di massima di un modem digitale tenendo conto di:
normative esistenti (banda disponibile e potenzaconsentita)
caratteristiche dei dispositivi di accoppiamento (elevatocosto, difficoltà nella sostituzione).
Utilizzo di algoritmi efficienti ed ottimizzati per realizzazione suDSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.12/20
Sistema multiportante SeltaModem di “terza generazione” caratterizzato da elevati livelli diprogrammabilità, adattabilità alle condizioni della linea eflessibilità.
Studio di fattibilità di un sistema di trasmissione digitale alarga banda su elettrodotti basato sulle tecnologie OFDM eDMT (Discrete MultiTone).
Progetto di massima di un modem digitale tenendo conto di:
normative esistenti (banda disponibile e potenzaconsentita)
caratteristiche dei dispositivi di accoppiamento (elevatocosto, difficoltà nella sostituzione).
Utilizzo di algoritmi efficienti ed ottimizzati per realizzazione suDSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.12/20
Sistema multiportante SeltaModem di “terza generazione” caratterizzato da elevati livelli diprogrammabilità, adattabilità alle condizioni della linea eflessibilità.
Studio di fattibilità di un sistema di trasmissione digitale alarga banda su elettrodotti basato sulle tecnologie OFDM eDMT (Discrete MultiTone).
Progetto di massima di un modem digitale tenendo conto di:
normative esistenti (banda disponibile e potenzaconsentita)
caratteristiche dei dispositivi di accoppiamento (elevatocosto, difficoltà nella sostituzione).
Utilizzo di algoritmi efficienti ed ottimizzati per realizzazione suDSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.12/20
Sistema multiportante SeltaModem di “terza generazione” caratterizzato da elevati livelli diprogrammabilità, adattabilità alle condizioni della linea eflessibilità.
Studio di fattibilità di un sistema di trasmissione digitale alarga banda su elettrodotti basato sulle tecnologie OFDM eDMT (Discrete MultiTone).
Progetto di massima di un modem digitale tenendo conto di:
normative esistenti (banda disponibile e potenzaconsentita)
caratteristiche dei dispositivi di accoppiamento (elevatocosto, difficoltà nella sostituzione).
Utilizzo di algoritmi efficienti ed ottimizzati per realizzazione suDSP
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.12/20
Sistema multiportante: motivazioniObbiettivo: massimizzare la quantità di informazionetrasferibile.
100 KHz 500 KHz
|H(f)|2
f
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante: motivazioniSoluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere(water-filling).
100 KHz 500 KHz
N(f)/|H(f)|2
f
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante: motivazioniSoluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere(water-filling).
100 KHz 500 KHz
N(f)/|H(f)|2
f
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante: motivazioniSoluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere(water-filling).
100 KHz 500 KHz
f
N(f)/|H(f)|2
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante: motivazioniSoluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere(water-filling).
100 KHz 500 KHz
N(f)/|H(f)|2
f
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema multiportante: motivazioniSoluzione: allocazione ottimale della potenza da trasmettere(water-filling).
100 KHz 500 KHz
N(f)/|H(f)|2
f100 KHz 500 KHz
N(f)/|H(f)|2
f
Realizzazione: determinare la potenza di trasmissione ed ilnumero di bit per ogni canale (bit-loading).
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.13/20
Sistema DMT: schema a blocchiL’operazione di modulazione e demodulazione avviene inambito numerico, utilizzando algoritmi veloci di Fourier (FFT).
QAM
QAM
S/P
Bit Loading
CO
DE
R
N-p
oint
IDFT P/S
gi[0]
xi[0]
b = RTs
Xi[0]
gi[N − 1]
Xi[N − 1]
xi[N − 1]
bi[N − 1]
bi[0]
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.14/20
Sistema DMT: schema a blocchiL’operazione di modulazione e demodulazione avviene inambito numerico, utilizzando algoritmi veloci di Fourier (FFT).
S/P
N-p
oint
DFT
Stima di canale
DE
CO
DE
R
P/S
Bit loading
p(−t)
Ts/N
)
Rimozione CP
α0
αN−1
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.14/20
CRLBMSEE [0]MSEE [1]MSEE [63]MSEE [21]MSEE [22]MSEE [43]MSEE [44]MSEE Medio
Mean Square Error PER LA STIMA DEL MODULO DI CANALEAWGN TCM4D 64QAM 16 stati; Bp=200; N_Oss=1000; Nch=64; Nsc=20; Ng=6; Rit.=0,5; Eb/N0=13 dB; "PRE-POSTfisso"
L’aumentato rapporto di reiezione rende il sistemamultiportante 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 osovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Risoluzione di problemi di complessità computazionale erealizzativi
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 RicercaIndustriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico(PRRIITT).
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione osovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Risoluzione di problemi di complessità computazionale erealizzativi
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 RicercaIndustriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico(PRRIITT).
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione osovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Risoluzione di problemi di complessità computazionale erealizzativi
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 RicercaIndustriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico(PRRIITT).
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.19/20
Sviluppi dell’attività
Compensazione degli effetti non lineari:
Studio di tecniche di predistorsione in trasmissione osovracampionamento in ricezione.
Compensazione di offset di frequenza
Aspetto critico: insorge ISI e ICI
Risoluzione di problemi di complessità computazionale erealizzativi
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 RicercaIndustriale, 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 detectionfor storage systems with data dependent transition noise”, accettato perpubblicazione su IEEE Trans. on Magnetics.
2 R. Pighi, R. Raheli e U. Amadei, “Multidimensional receiver front-end for storagesystems 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 powerlines”, 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-endsfor digital storage channels with data-dependent transition noises”, in Proc. IEEEIntern. Symp. on Information Theory, (ISIT’05), Adelaide, Australia, Settembre 2005.
5 R. Pighi, U. Amadei e R. Raheli, “Oversampled detector for transition-noise-limiteddigital storage systems”, accettato per pubblicazione in Proc. IEEE Intern. Conf. onCommunications, (ICC’06), Istanbul, Turchia, Giugno 2006.
6 R. Pighi, R. Raheli e F. Cappelletti, “Information rates of multidimensional front-endsfor digital storage channels with data-dependent transition noises,” proposto per lapubblicazione 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 communicationsimpaired by colored noise”, proposto per la pubblicazione in atti di congressointernazionale.
8 R. Pighi, M. Franceschini, G. Ferrari e R. Raheli, “Fundamental performance limits forPLC systems impaired by impulse noise”, proposto per la pubblicazione in atti dicongresso internazionale.
9 R. Pighi, M. Franceschini, G. Ferrari e R. Raheli, “Fundamental performance limits forpower line communications with impulse noise”, in fase di proposta per lapubblicazione su rivista internazionale.
10 R. Pighi e R. Raheli, “Analisi delle prestazioni del sistema di trasmissione 2D TCM64 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 TCM64 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 8e 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 tecnicoNo. 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. 5redatto 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 pertrasmissioni multiportante”, rapporto tecnico No. 7 redatto per Selta S.p.A., inpreparazione.
Riccardo Pighi: Comunicazioni su Linee Elettriche – p.20/20