TRASMISSIONE-DATI DIGITALE SU LINEE TELEFONICHE: GENERALITA’

1. Corso di Tecniche e Sistemi di Trasmissione Fissi e Mobili TRASMISSIONE-DATI DIGITALE SU LINEE TELEFONICHE: GENERALITA’ Prof. Carlo Regazzoni

2. 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.

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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

8. 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 = 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;

9. 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 temporalmenteoltre 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.

10. 3. EFFICIENZA SPETTRALE DI UN LINK DI TRASMISSIONE DIGITALE 3.3 RISPOSTA ALL’IMPULSO DI UN CANALE IDEALE A BANDA LIMITATA f 0 B=1KHz Risposta in frequenza di un canale ideale a banda limitata Risposta all’impulso Si annulla in

11. 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 NRZsenza 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: • Applicando tale vincolo al canale per la trasmissione del segnale vocale sul doppino telefonico otteniamo che: Massimo rate (teorico) per la trasmissione binaria senza ISI

12. 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.

13. 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: (valore ideale) Capacità infinita del canale: teoricamente vero solo su canali non rumorosi da cui: se

14. 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: • 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: Ipotesi fondamentale: rumore di canale di tipo AWGN

15. 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: • 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:

16. 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: • 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).

17. 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.

18. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.2 MODEM FUNZIONANTI SULLA BANDA DEL SEGNALE VOCALE (TABELLA RIASSUNTIVA)

19. 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: (per M potenza di 2)

20. 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.

21. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.3.1 ESEMPI DI COSTELLAZIONI M-QPSK E M-QAM QPSK 8-PSK 32-PSK QAM 8-QAM 32-QAM

22. 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 Trellis-Coded-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.

23. 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

24. 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).

25. 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.

26. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.8 PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE ADSL E x-DSL

27. 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 BIT-RATE DISPONIBILE VDSL ADSL

28. 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 effettuata tenendo conto delle caratteristiche di attenuazione del canale e del livello di rumore, in modo da ottimizzare la trasmissione inviando maggiore informazione nelle sottobande che garantiscono un migliore rapporto segnalerumore; • Le tecniche x-DSL impiegano le modulazioni multiportante CAP e DMT;

29. 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.

30. 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;

31. 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);

32. 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:

33. 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 , 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.

34. 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 e , coordinate polari nella costellazione QAM, relativa alla portante k-esima, del simbolo trasmesso da tale portante nell’intervallo [(j-1)T, jT], avremo che: (segnale trasmesso dalla portante k-esima) Frequenza fondamentale (segnale trasmesso sul canale) N = numero delle portanti sinusoidali Impulso rettangolare

35. 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: • D è il bit-rate alla sorgente; • 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);

36. 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.

37. 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: • 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.

38. 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: • 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-ratedi sorgente può essere espresso come: Bit/sec. Efficienza spettrale • Per cui si ha che: Hz.

39. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.10.9 MODULAZIONE DMT (SCHEMA A BLOCCHI)

40. 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]): • 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..

41. 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);

42. 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]): • Ove 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;

43. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.10.12 ESEMPIO DI DISTRIBUZIONE DEI BIT SUI TONI IN UNA MODULAZIONE DMT

44. 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 ottenutatramite moltiplicazione per il seno e per il coseno (carrierless = senza portante); • Il filtro in quadratura (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 fase (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.

45. 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: • g(t) è una componente a coseno rialzato

46. 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.

47. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.17 x-DSL e VDSL 4.13 x-DSL e VDSL • 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).

48. 4. TECNOLOGIE DI TRASMISSIONE-DATI SU RETI PER TELEFONIA FISSA 4.14 VDSL: MODELLO DEL SISTEMA DI COMUNICAZIONE

49. 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.

50. 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 PROCESSOP (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: • 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.