universitÀ degli studi dicagliari corso di laurea

17
1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15 Università degli Studi di Cagliari Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM 2 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15 Introduzione L’OFDM (ossia multiplazione a divisione di frequenza ortogonale) è una tecnica di modulazione multiportante caratterizzata da: Trasmissione su N portanti equispaziate ed ortogonali Trasmissione QAM su ogni portante Possibilità di allocare dinamicamente il bit rate Realizzazione completamente numerica del modulatore e del demodulatore Semplicità nell’effettuare l’equalizzazione OFDM 3 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15 Introduzione Grazie alle sue proprietà, l’OFDM è stato adottato per: ADSL, cioè una tecnica asimmetrica di trasmissione ad alta velocità che permette, usando un solo doppino, di utilizzare contemporaneamente anche il servizio telefonico tradizionale DVB-T/T2/H, cioè la trasmissione broadcast terrestre del segnale televisivo digitale OFDM 4 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15 Motivazioni Elevato bit-rate nelle applicazioni wireless Superamento delle limitazioni dovute al canale radio Miglioramento generalizzato delle prestazioni in termini di bit- rate OFDM

Upload: others

Post on 18-Dec-2021

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Università degli Studi di Cagliari

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica

e delle Telecomunicazioni

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM

2

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Introduzione

� L’OFDM (ossia multiplazione a divisione di frequenza

ortogonale) è una tecnica di modulazione multiportante

caratterizzata da:

� Trasmissione su N portanti equispaziate ed ortogonali

� Trasmissione QAM su ogni portante

� Possibilità di allocare dinamicamente il bit rate

� Realizzazione completamente numerica del modulatore e del

demodulatore

� Semplicità nell’effettuare l’equalizzazione

OFDM

3

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Introduzione

� Grazie alle sue proprietà, l’OFDM è stato adottato per:

� ADSL, cioè una tecnica asimmetrica di trasmissione ad alta

velocità che permette, usando un solo doppino, di utilizzare

contemporaneamente anche il servizio telefonico tradizionale

� DVB-T/T2/H, cioè la trasmissione broadcast terrestre del segnale

televisivo digitale

OFDM

4

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Motivazioni

� Elevato bit-rate nelle applicazioni wireless

� Superamento delle limitazioni dovute al canale radio

� Miglioramento generalizzato delle prestazioni in termini di bit-

rate

OFDM

5

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� Come detto in precedenza, si tratta di una trasmissione a

divisione di frequenza, nella quale i diversi canali utilizzano

forme d’onda ortogonali.

� Tutte le diverse frequenze , con n=0,1,….N-1,

sono utilizzate contemporaneamente e ognuna di esse

realizza una modulazione numerica (anche a più livelli, ad

esempio QPSK) con impulso NRZ rettangolare.

)2

(N

nf of n −⋅∆+=

OFDM

6

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� Se indichiamo con le coordinate nel pianodell’inviluppo complesso di un determinato punto dellacostellazione (realizzata per la portante fn all’istante t=kT),possiamo scrivere il segnale OFDM in questo modo:

� Le sommatorie in k e n identificano rispettivamente gli istantidi simbolo e le diverse portanti.

ajaa kns

knc

kn +=

∑∑−

=

−−−−=1

0

))()(cos()()(N

nn

knsn

knc

kTOFDM kTtsinakTtakTtrecttx ωω

−∗−= ∑∑−

=

−∞=

1

0

)cos()()(N

nn

knsn

kncT

k

tsinatatrectkTt ωωδ

OFDM

7

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� L’inviluppo complesso di questo segnale sarà dato da:

� La durata T di un simbolo non è vincolata ad un valore

particolare ma deve essere rispettata la relazione:

[ ]

∑∑ ∗−=

=

−∆∞

−∞=

1

0

)2/(2)()()(N

n

tNnjk

nTk

OFDM eatrectkTttx πδ

∆=≥ 1

0TT

OFDM

8

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� Questa specifica è necessaria perché il ricevitore opera sul

segnale una finestratura temporale di ampiezza in modo da

rendere ortogonali tra loro le frequenze fn e mettere il

ricevitore in grado di calcolare i valori per tutti gli n presenti

all’istante t=kT, mediante un ricevitore a correlazione.

� L’intervallo viene chiamato “periodo principale del simbolo

OFDM” mentre la quantità è indicata come “tempo

di guardia” o preambolo.

0T

kna

0T0TTTg −=

OFDM

9

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti baseOFDM

10

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� Il segnale ricevuto durante il periodo Tg non viene usato in

ricezione, questo perché, in presenza di un canale non ideale,

la parte iniziale di ogni simbolo risulta corrotta da interferenza

intersimbolica (ISI) dovuta al risultato della convoluzione tra la

coda del simbolo e l’ h(t) del canale.

� Il periodo Tg è la stima della durata della risposta all’impulso

del canale non ideale. Trasmettendo opportuni simboli

durante questo periodo si può evitare l’ISI.

OFDM

11

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� Vediamo ora l’occupazione in banda, consideriamo un solo

simbolo ricevuto nell’intervallo

con inviluppo complesso:

(1)

� Calcolo la trasformata di Fourier e ottengo:

(2)

TT ≤∆= −10

( )[ ]eatrecttx tNnjN

nnTT

2/21

000

)()( −∆−

=⋅∑⋅= π

( )( ) =∑ −∆−∗=−

=

1

0000

2/)(sin)(N

nnT NnfafTcTfX δ

( )( )( )∑ −∆−=−

=

1

000 2/sin

N

nn TNnfcaT

OFDM

12

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Concetti base

� Lo spettro che si ottiene è il seguente:

� Come si vede, ogni sinc viene moltiplicata per uno dei

coefficienti , coefficienti che possono essere riottenuti in

ricezione campionando (in modo complesso) a passo .na

)( fX ∆

OFDM

13

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Modulatore OFDM

� Una delle proprietà più importanti della modulazione OFDM è

quella di essere realizzata unicamente mediante circuiti

digitali; ecco lo schema completo del modulatore:

OFDM

14

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Modulatore OFDM

� Il flusso binario a frequenza viene parallelizzato per formare

simboli a livelli ad una frequenza di:

� Questi M bit/simbolo sono suddivisi in gruppi di (con n=

0,1,.. -1) bit ciascuno, con:

� Ogni gruppo di bit produce un punto di costellazione

scelto tra punti possibili.

bfML 2=

L

f

M

ff bb

L2log

==

N~

nMN~

∑−

=

=1

~

0

N

nnMM

nM

na nMnL 2=

OFDM

15

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Modulatore OFDM

� Alla sequenza degli vengono aggiunti valori

nulli all’inizio e alla fine, questo per ottenere una nuova

sequenza di N valori in modo che la sommatoria in dia

luogo ad un inviluppo complesso limitato in banda tra

Hz; tale inviluppo può essere quindi rappresentato dai

suoi campioni presi a frequenza

na 2/)~

( NN −

na

∆⋅± N

sec

campioniNfc ∆⋅=

OFDM

)2(

16

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Modulatore OFDM

� Il blocco svolge proprio questa operazione, esegue

infatti il seguente calcolo:

� Il risultato della è quindi una sequenza di coefficienti

complessi che a meno di un segno alterno sono uguali

all’inviluppo complesso fornito dalla relativo ad un simbolo.

1−FFT

∑−

=−

=

1

00

2)(

)1(

1N

ncTh

hN

nj

n hTxeaπ

1−FFT

hx)1(

OFDM

17

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Modulatore OFDM

� Il valore può essere scritto in questo modo:

� Questo è il motivo per cui bisogna inserire il fattore (-1)h dopo

il calcolo della .

)(0 cT hTx

( )[ ] [ ] [ ]

eee

eeeh

N

nj

N

nn

hhjhN

nj

N

nn

NhNj

Nhnj

N

nn

hTNnjN

nncT

aa

aahTx c

πππ

πππ

21

0

21

0

12/2

12

1

0

2/21

0

)1(

)(0

⋅⋅−=⋅=

=⋅⋅=⋅=

∑∑

∑∑−

=

−−

=

∆∆−

∆∆

=

−∆−

=

1−FFT

18

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Modulatore OFDM

� Il preambolo da trasmettere durante Tg si ottiene aggiungendo

in testa alla sequenza degli un gruppo di campioni prelevati

dalla coda; si dimostra infatti che così si evita l’interferenza

intersimbolica dovuta alla non idealità del canale.

� La parti reali e immaginarie della sequenza degli sono

inviate ad una coppia di convertitori digitale/analogico,

operanti a

le cui uscite sono utilizzate per produrre il segnale

mediante una coppia di modulatori in fase e quadratura.

hx

hx

T

NNf g

c

+=

)(txOFDM

OFDM

19

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Equalizzazione di un segnale OFDM

� Il segnale trasmesso dal modulatore ha il seguente spettro:

� Se il canale ha una risposta in frequenza il cui modulo non è

costante e la cui fase non è lineare, è necessario eseguire

un’operazione di equalizzazione.

Subcarriers

Spettro del segnale trasmesso

f

20

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Equalizzazione di un segnale OFDM

� Supponiamo di avere un canale di questo tipo:

� Avremo che il segnale in ricezione avrà il seguente spettro:

f

Canale selettivo in frequenza

f

21

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Equalizzazione di un segnale OFDM

� L’equalizzazione, amplificando le componenti in frequenza che

sono state maggiormente attenuate dal canale, ci consente di

recuperare la forma dello spettro del segnale trasmesso e

riottenere i campioni corretti.

f

Campioni corretti

22

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Demodulatore OFDM

� Per ottenere la sequenza degli elementi e quindi il gruppo

di M bit che hanno originato il simbolo, si utilizza il seguente

schema di demodulazione:

na

OFDM

23

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Demodulatore OFDM

� Il ricevitore deve acquisire il sincronismo di simbolo per

determinare l’inizio della ricezione di un singolo blocco di

campioni.

� Il segnale ricevuto viene demodulato in fase e quadratura e

campionato a frequenza

� Dopo aver effettuato l’inversione di segno ad indici alterni,

vengono rimossi i campioni del preambolo.

TNNf gc /)( +=

ggc NTf =⋅

OFDM

24

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Demodulatore OFDM

� Una FFT permette di ottenere i valori:

� Solo gli valori centrali sono avviati verso altrettanti decisori, i

quali determinano il punto della costellazione più vicino all’

ricevuto per ogni portante, lo codificano con bit, ed il

risultato finale è reso seriale per produrre gli M bit che hanno

dato origine al simbolo.

∑ =

−=−

=

−1

00

2

2

1 N

hnT

nN

hj

h aN

nXexN

π

N~

na

nM

OFDM

25

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Efficienza dell’OFDM

� L’efficienza si ottiene considerando che solo portanti su N

trasportano informazione, e che solo fc•T0 campioni su fc•T

sono unici.

� Avremo quindi:

� Questa relazione misura la frazione di segnale utile rispetto

all’occupazione di banda ed al numero di campioni/simbolo

presenti in

N~

−=

−==

T

T

N

N

T

TT

N

N

T

T

N

N gg 1~~~

)(txOFDM

OFDM

26

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Efficienza dell’OFDM

� La ridondanza introdotta (le portanti vuote ed il preambolo) è

della stessa natura di quella introdotta dal roll-off di un

impulso a coseno rialzato, in quanto ha lo scopo di evitare che

si verifichino fenomeni di interferenza tra simboli

� Si nota facilmente che l’efficienza aumenta all’aumentare di T

e di N, dato che e sono fissi.gT NN~−

OFDM

27

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Riduzione del Peak-to-Average Power Ratio

� Proprietà del PAPR

� Clipping e filtraggio

� Selective Mapping

� Partial Transmit Sequence

� Codifica

28

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Proprietà del PAPR

� Il modulo dell'inviluppo complesso risultante dalla

sovrapposizione di N simboli indipendenti, con N >> 1, ha unafunzione densità di probabilità che può essere approssimata dauna distribuzione di Rayleigh

OFDM

=2

2

2 2exp)(

b

x

b

xxf

29

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Proprietà del PAPR

� Il PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) è definito come il

rapporto tra la potenza di picco e la potenza media di unsegnale

� Per un segnale x(t), definito per t compreso tra 0 e T, il PAPR è

espresso dalla seguente formula, dove N è il numero delle

portanti:

OFDM

N

dttxT

txPAPR

T

Tt ==

<<

0

2

2

0

)(1

)(max

30

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Proprietà del PAPR

� All'aumentare di N, aumenta il PAPR

� Problemi per le non linerarità degli amplificatori

�Ogni volta che si raggiunge il livello di saturazione si ha una

distorsione del segnale e quindi aumenta il bit error rate

�La distorsione del segnale causa un aumento dell'occupazione di

banda e quindi riduce l'efficienza spettrale

� Amplificatori con alte potenze di picco sono meno efficienti dal

punto di vista energetico (problema soprattutto per terminali

mobili) e hanno un SNR più basso

OFDM

31

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Clipping e filtraggio

� “Clipping” di un segnale: operazione che “taglia” tutti i valori

del segnale che superano una certa soglia

� CR (Clipping Ratio): rapporto tra valore di soglia e valore

quadratico medio del segnale originale

� Il clipping introduce una distorsione del segnale (in-band noise)

e un allargamento dello spettro (spectral spreading)

� Per eliminare lo spectral spreading si può eseguire un filtraggio

� aumenta di nuovo il valore di picco del segnale

� Occorrono tecniche più sofisticate

OFDM

32

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Clipping e filtraggio

� Bit error rate e densità spettrale di potenza di un segnale

sottoposto a clipping

OFDM

33

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Selective MappingOFDM

Data source

Serial to parallel

IFFT length N

IFFT length N

IFFT length N

Select sequence

with lowest

PAPR for Tx

.

.

.

r1

r2

rM

34

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Selective Mapping

� Ciascun insieme di N simboli da trasmettere viene moltiplicato

per un certo numero M di sequenze ri di numeri complessi

� Le componenti delle sequenze ri sono del tipo exp(jϕj )

� Si esegue la IFFT (Inverse Fast Fourier Transform, ) di

ciascuno degli M vettori ottenuti

� Si confronta il PAPR dei segnali ottenuti e si trasmette quello

con il PAPR più basso

� E’ necessario trasmettere al ricevitore anche la sequenza

corrispondente al segnale che si è scelto

OFDM

1−FFT

35

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Partial Transmit SequenceOFDM

Data Source

Serial to Parallel

and partition

into subblocks

IFFT length N

IFFT length N

IFFT length N

+...

X

X1

XM

X2

b1

bM

b2

Optimization

36

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Partial Transmit Sequence

� Ciascun insieme di N simboli viene suddiviso in M blocchi

� Si esegue la IFFT (di lunghezza N) di ciascun blocco

� Un algoritmo di ottimizzazione moltiplica ogni IFFT per un

coefficiente bi , del tipo exp(jϕi )

� Si trasmette la somma delle IFFT modificate

� I coefficienti bi sono calcolati in modo da minimizzare il valore

di picco delle componenti della somma delle IFFT

� E' necessario trasmettere al ricevitore anche i coefficienti bi

OFDM

37

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Codifica

� Prima del calcolo della IFFT, ciascun insieme di N simboli viene

convertito in un insieme di N’ simboli, con N’ > N

� L’algoritmo di conversione fa in modo che, per ogni possibile

sequenza di simboli in ingresso, la sequenza di simboli dopo la

codifica non corrisponda a segnali con alti valori di picco

� La codifica ridondante permette anche la correzione d’errore

� Applicabile solo per un numero di portanti piccolo

OFDM

38

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Sincronizzazione nel tempo e in frequenza

� Desincronizzazione temporale: Inter Symbol Interference (ISI)

� Offset di frequenza: Inter Channel Interference (ICI)

� Stima dell’offset di tempo

� Metodi basati su segnali pilota

� Metodi non basati su segnali pilota

� Stima dell’offset di frequenza

OFDM

39

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di tempo

� Un metodo basato su un segnale pilota prevede la

trasmissione di un segnale nullo all’inizio di ogni gruppo di

simboli OFDM

� Il ricevitore si sincronizza con il trasmettitore tramite la

rivelazione del segnale nullo

OFDM

40

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di tempo

� Un altro metodo di sincronizzazione basato su un segnale

pilota utilizza una sequenza pseudo-casuale di simboli, che

viene trasmessa sul canale

� Tale sequenza deve essere conosciuta dal ricevitore, che

calcola la correlazione tra il segnale ricevuto e la sequenza

� Per le proprietà dei segnali aleatori, tale correlazione ha un

picco quando i due segnali sono allineati

� La sincronizzazione avviene tramite la rivelazione del picco

della correlazione

OFDM

41

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di tempo

� La tecnica di Schmidl utilizza un simbolo OFDM costituito da

due gruppi identici di N/2 simboli ciascuno trasmessi in

sequenza

� Calcolando la correlazione tra simboli spaziati tra loro di N/2

si osserva un picco di durata pari a N/2 simboli

� L’inizio del picco individua l’inizio del simbolo OFDM

OFDM

42

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di tempo

� Una tecnica che non fa uso di segnali pilota sfrutta la

ridondanza nel prefisso ciclico per stimare l’offset di tempo

� Il prefisso ciclico, o estensione ciclica, è l’insieme di simboli

trasmessi durante il tempo di guardia Tg tra un simbolo OFDM

e il successivo

� Detta Ng la lunghezza del prefisso ciclico, il suo contenuto è

una replica degli ultimi Ng simboli del gruppo di N simboli

� Analizzando la correlazione tra simboli spaziati tra loro di N, si

rivela un picco di durata pari a Ng simboli

OFDM

43

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di frequenza

� L’offset di frequenza consiste nella differenza tra la frequenza

di portante usata dal trasmettitore e quella usata dal

ricevitore; a questo può aggiungersi un eventuale

spostamento in frequenza dovuto all’effetto Doppler

� E’ un problema serio nei sistemi multi-portante come OFDM

� L’offset tollerabile è dell’ordine dell’1% della spaziatura tra le

sottoportanti

� I sistemi a basso costo non hanno questa precisione

� Sono necessarie tecniche di compensazione dell’offset

OFDM

44

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di frequenzaOFDM

45

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima dell’offset di frequenza

� Nello schema precedente, un segnale pilota viene trasmesso

ogni D simboli OFDM

� Il segnale pilota, che deve essere noto al ricevitore, consiste di

diversi toni in frequenza

� Per effetto dell’offset di frequenza, tali toni appaiono al

ricevitore spostati di una quantità pari all’offset, che può

essere quindi stimato

OFDM

46

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima del canale

� Necessaria quando il canale è tempo-variante

� Stima basata su segnali pilota

� Stima block-type

� Stima comb-type

�Tecniche di interpolazione

� Metodi ibridi

� Prestazioni

OFDM

47

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima block-type

� Adatta quando il canale varia lentamente

� I simboli OFDM trasmessi sono raggruppati in blocchi

� Il primo simbolo OFDM di ciascun blocco è un segnale pilota

che contiene toni in tutte le sottoportanti

� In base al simbolo ricevuto, il ricevitore stima la risposta del

canale in ogni sottoportante , con

� Stima ottenuta tramite LS (Least Square) o MMSE (Minimum

Mean-Square)

OFDM

)(nH 10 −≤≤ Nn

48

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima block-type

� Si ha un miglioramento della precisione nella stima del canale

utilizzando un decision feedback equalizer

� Per ogni simbolo ricevuto si aggiorna la stima della

corrispondente sottoportante

� Si calcola il simbolo trasmesso tramite la stima precedente:

� Si aggiorna la stima:

OFDM

)(nH

)(~

)()(

)()( nXnX

nH

nYnX →=

)(~

)()(

nX

nYnH new =

)(nY

49

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Stima comb-type

� Adatta quando il canale varia velocemente

� In ogni simbolo OFDM vi sono Np sottoportanti equispaziate

utilizzate per trasmettere segnali pilota , con

� La stima del canale alle portanti mL è ottenuta tramite LS,

MMSE o LMS (Least Mean-Square)

� Per le altre frequenze si usano tecniche di interpolazione

OFDM

)(mxp

=−≤≤

==+=

p

p

N

NL

Lldati

lmxlmLXnX

11

0)()()(

10 −≤≤ pNm

50

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Tecniche di interpolazione

� Interpolazione lineare

� Interpolazione del secondo ordine

OFDM

[ ] )()()1()()( mHL

lmHmHlmLHnH +−+=+=

=+=

+−−=

−=

+++−=+=

N

l

c

c

c

mHcmHcmHclmLHnH

ααα

αα

αα

2

)1()1)(1(

2

)1(

)1()()1()()(

1

0

1

101

51

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Tecniche di interpolazione

� Interpolazione nel dominio del tempo

� Altre tecniche di interpolazione: low-pass, spline

OFDM

=

=

−⋅=

+=−≤≤+−

−≤≤−−≤≤

−+−=

⋅=

1

0

1

0

2exp)()(

12

11

1

20

)12(

0

)(

)(

2exp)()(

N

nN

pN

N

n p

N

nkjkGnH

NM

NkMN

MNkM

Mk

MNnG

kG

kG

N

knjnHkG

p

π

π

52

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Metodi ibridiOFDM

53

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Metodi ibridi

� I segnali pilota sono trasmessi in certi simboli OFDM e in certe

sottoportanti: rappresentazione mediante una griglia tempo-

frequenza

� Si stima la risposta del canale alle frequenze e negli istanti di

tempo corrispondenti ai segnali pilota

� Per la stima alle altre frequenze e negli altri istanti temporali si

usano tecniche di interpolazione più complicate

OFDM

54

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

PrestazioniOFDM

55

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)

� Digital Audio Broadcasting (DAB)

� Digital Video Broadcasting – Terrestre (DVB-T/T2)

� Wireless LANs (WLAN)

� High-speed cellular data

OFDM

56

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� ADSL

� E’ una tecnica che dà la possibilità di utilizzare la linea

telefonica per realizzare un collegamento numerico ad alta

velocità, occupando una regione di frequenze più elevata di

quella in cui avviene la trasmissione del segnale vocale.

� E’ una tecnica asimmetrica perché consente una velocità di

downstream molto superiore a quella in upstream (con un

rapporto di circa dieci a uno)

OFDM

57

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� Le velocità che si riescono ad ottenere dipendono dalla

distanza tra la centrale di attestazione del doppino e il modem

dell’utente

� E’ stato realizzato per poter essere utilizzato anche in

contemporanea col normale servizio telefonico; quest’ultimo

opera nei primi 4 KHz e per non avere interferenza l’ADSL

opera nella banda 26 KHz – 1100 KHz

OFDM

58

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� DAB

� E’ la soluzione digitale per la radiofonia che permette di

trasportare in un singolo blocco (largo 1.5 MHz) fino a sette

programmi con qualità CD per la ricezione fissa, portatile e

mobile

� Grazie alla sua flessibilità, il sistema permette di trasmettere, su

di una sola frequenza di diffusione, diversi programmi

radiofonici e servizi dati, consentendo di soddisfare le esigenze

dell’utenza adattando la capacità trasmissiva alle caratteristiche

del programma radiofonico (musica, parlato, ecc.)

OFDM

59

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� DVB-T/T2

� La sigla sta a indicare la ricezione digitale del segnale TV dacaptare con un’antenna tradizionale

� Permette di vedere programmi TV con una buona qualità e abasso costo, sfruttando al meglio le frequenze per laradiodiffusione e i servizi aggiuntivi

� Con il DVB-T/T2 le emittenti televisive potranno trasmettere ipropri canali su tutto il territorio e con costi inferiori rispetto allatrasmissione analogica (e con l’abbattimento dell’elettrosmog siavrà anche un impatto benefico sulla salute e sull’ambiente)

OFDM

60

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� Wireless LANs

� E’ la tecnica di trasmissione senza fili costituita da sistemi radio

che illuminano dei settori di territorio tramite delle stazioni base

� Tra le tecnologie esistenti la più importante è la IEEE 802.11, di

cui esistono quattro tipi (a, b, e, g), ognuna con diverse

caratteristiche in termini di bit rate e frequenza di lavoro

� In Europa è stata definita la HIPERLAN (ETSI) che sfrutta bande

dai 5.2 ai 17.1 GHz

OFDM

61

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� Nel caso di 802.11a (che si basa appunto su uno schema di

modulazione OFDM) abbiamo un rate fino a 54 Mbps ad una

frequenza di 5 GHz

OFDM

30 Mbps (16QAM, R=3/4)

20 Mbps (16QAM, R=1/2)

15 Mbps (QPSK , R=3/4)

10 Mbps(QPSK , R=1/2)

5 Mbps (BPSK , R=1/2)DATA RATES

CONVOLUTIONS K=7, R=1/2 OR 3/4 INTER-CARRIER INTERLEAVE

CODING

48 SUBCHANNELS OUT OF 64NUMBER OF SUBCHANNELS

DBPSK, 16 QAM IN EACH SUBCHANNELSUB-CARRIER MODULATION

OFDMMODULATION SCHEME

62

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� HIPERLAN (High Performance Radio Local Area Network)

OFDM

20 MHzOCCUPIED –3dB BANDWIDTH

25 MHzCHANNEL SPACING

0.025ROLL-OF FACTOR

416.666 KHzSUBCHANNEL SPACING

75 nsTpostfix

600 nsTprefix

600 nsGUARD INTERVAL

3 μSOFDM SYMBOL DURATION

48CODING

Convolutional 3/4 or 1/2CODING RATE

OFDM with 16-QAM , QPSK or BPSKMODULATION

48, 32, 24, 16 and 8 MbpsINFORMATION DATA RATE

63

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� High Speed Cellular

� Band Division Multiple Access (BDMA)

� E’ stata proposta da Sony e consiste in una combinazione di

TDMA, OFDM e cluster hopping

OFDM

64

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

Applicazioni

� Advanced Cellular Internet Service

� L’obiettivo è di fornire un servizio Internet ad ampia copertura

per utenti mobili

� Associa l’OFDM con diversi sistemi di antenne trasmittenti e

riceventi

OFDM

65

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

F.A.Q

� Definire le proprietà dell’OFDM

� Cosa sfrutta l’OFDM per evitare/ridurre l’interferenza

intersimbolica (ISI)?

� Definire le operazioni effettuate sul segnale dal modulatore

OFDM

� In cosa consiste l’equalizzazione di un segnale OFDM

66

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARICorso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

Sistemi di Telecomunicazione – Modulo: Comunicazioni Elettriche A.A. 2014-15

F.A.Q

� Quali sono gli elementi che caratterizzano l’efficienza

dell’OFDM?

� Quali metodi vengono impiegati per la stima dell’offset di

tempo e offset di frequenza?

� Cosa differenzia la stima sul canale di tipo block-type da

quella comb-type?

� Quali sono i principali casi d’uso dell’OFDM?