La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Anno Accademico 2007-08Trasmissioni radiomobili1 Universita di TorVergata-Facolta di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili ( Ia parte) Anno Accademico 2007-2008.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Anno Accademico 2007-08Trasmissioni radiomobili1 Universita di TorVergata-Facolta di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili ( Ia parte) Anno Accademico 2007-2008."— Transcript della presentazione:

1 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili1 Universita di TorVergata-Facolta di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili ( Ia parte) Anno Accademico Antonio Saitto Romeo Giuliano

2 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili2 Alcune Informazioni Docenti: –Antonio –Romeo Modalià dEsame: –Già discusse lezione precedente

3 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili3 Limportanza del canale radiomobile Negli ultimi anni il canale radio è diventato laccesso preferito per comunicare, per gli evidenti vantaggi legati alla mobilità e alla così detta nomadicità. La possibilità di utilizzare una risorsa limitata e quindi pregiata, in modo così esteso e per tante applicazioni (sistemi cellulari, reti WiFi, reti ad hoc, reti WiMax, ecc.) si basa fortemente sulla capacità di ottimizzare da un lato la codifica della sorgente (riduzione di ridondanza), dallaltro di progettare sistemi di trasmissione efficienti e robusti per un ambiente particolarmente difficile come il canale radiomobile. Il corso vuole dare una panoramica degli aspetti più significativi necessari a caratterizzare il canale e a definire le caratteristiche principali degli elementi che condizionano la progettazione dei sistemi radiomobili.

4 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili4 Modello a strati di un sistema di telecomunicazioni Il progetto di un sistema di telecomunicazioni, e più in generale di una rete per telecomunicazioni è un compito arduo ed articolato dovendo tenere conto di molti aspetti realizzativi e tecnologici. Nello sviluppo di questo tipo di sistemi sono necessarie numerose competenze che spaziano dal campo dellelettronica fino allinformatica. Inoltre occorre tenere conto –dei requisiti provenienti dalle applicazioni che utilizzano il sistema, dei servizi offerti, –delle caratteristiche del mezzo utilizzato per il trasporto della informazione, –Delle tecnologie disponibili etc.

5 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili5 Modello a strati di un sistema di telecomunicazioni In generale, per semplificare il progetto di un sistema complesso si utilizza il concetto di stratificazione delle funzioni che il sistema deve svolgere inquadrandole allinterno di una gerarchia. Una funzione viene svolta da un modulo. Questo `e rappresentabile come un dispositivo (hardware e/o software (es. processi allinterno di un calcolatore). La funzione eseguita dal modulo `e di supporto per il funzionamento dellintero sistema. Il progettista del modulo conosce completamente la sua struttura, i dettagli di realizzazione e le operazioni che il modulo può compiere. Lutilizzatore del modulo visto come component in un sistema più ampio, si interessa soltanto delle grandezze di ingresso e di uscita dal modulo e soprattutto della loro relazione funzionale. In questo secondo caso, il modulo viene trattato come una scatola nera. Un modulo può essere unito ad altri moduli per costruire sottosistemi più complessi che, ad un livello più alto sono viste come scatole nere più grandi.

6 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili6 Esempio di gerarchia di moduli incapsulati Modulo di Alto Livello Lower level black box Lower level black box Modulo semplice Black box Modulo semplice

7 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili7 Esempio di modello a strati per un sistema di telecomunicazioni Module Peer Process Lower level Peer Process Higher level black box communication system Lower level black box communication system

8 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili8 Architettura rete OSI Application Virtual network service Presentation Virtual session Session Virtual link for end to end message Transport Virtual link for end to end packets Physical Interface Data link control Network Physical Interface Data link control Network Virtual link for reliable packets Virtual bit pipe Phisical link Physical Interface Physical Interface Data link control Network Data link control Virtual link for reliable packets Virtual bit pipe Phisical link Virtual bit pipe Physical Interface Physical Interface Network Data link control Data link control Virtual link for reliable packets Phisical link External site Subnet node

9 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili9 Bandwidth vs Mobility Satellite phones Fixed Wireless PSTN WLAN PAN Cordless Phones Third generation mobile phone Second generation mobile phone Stationary Nomadic Pedestrian Vehicular train planes Mobility Bandwidth (Hz)

10 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili10 Bandwidth vs Range Third generation mobile phone Second generation mobile phone Satellite phones Fixed Wireless PSTN WLAN PAN Cordless Phones Range Bandwidth (Hz)

11 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili11 Generalita sui modelli di un sistema di comunicazione numerica

12 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili12 Tipico schema di un sistema di Trasmissione Numerica via radio Sorgente Codifica di canale MODEmettitore Tx Antenna Decodif. di canale DEMOD Ricevitore Destinatario Rx Antenna

13 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili13 Modelli di Canali presenti nel collegamento RM Canale di Propagazione –Descrive il mezzo fisico. È responsabile delle fluttuazioni lente e di quelle rapide tra lantenna Tx e quella Rx –Si suppone che sia rappresentabile con un modello lineare, –Il modello però si assume non permanente, ovvero tempovariante,, per tenere in considerazione la caratteristica principali del canale Radiomobile. Canale Radio –Include le caratteristiche delle antenne Tx ed Rx e quelle del canale di propagazione. Canale di Modulazione –Include oltre il canale radio il sistema di emissione (amplificatore e convertitore) il sistema di modulazione numerica, il sistema di ricezione (Amplificazione a basso rumore e convertitore) e demodulatore Canale Numerico –I canale numerico considera i simboli generati dalla sorgente, quelli ricevuti dal destinatario ed il canale che include il canale di modulazione è rappresentato dalla probabilità di identificare il simbolo trasmesso sulla base dei simboli ricevuti

14 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili14 Canali identificabili in un sistema di comunicazione numerica via radio Sorgente Codifica di canale MODEmettitore Tx Antenna Decodif. di canale DEMODRicevitore Rx Antenna Destinatario Canale di propagazione Canale numerico Canaledella modulazione Canale radio/tratta radio

15 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili15 Segnali nel sistema (linearizzazione del canale radio senza rumore) Canale variante nel tempo h(t, ) DEMODDestinatario Decodif. di canale SorgenteMOD Codifica di canale a k b k s(t) y(t) c k âkâk y(t)= h(t, )s(t- )d -

16 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili16 Canale digitale con rumore h(t, ) DEMODDestinatario Decodif. di canale Sorgente MOD Codifica di canale a k b k s(t) y(t) c k âkâk + n(t) + ekek

17 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili17 Canale con rumore Gaussiano ( AWGN ) h(t, ) DEMODDestinatario Decodif. di canale Sorgente MOD Codifica di canale a k b k s(t) y(t) c k âkâk + n(t) Rumore gaussiano

18 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili18 Processo Gaussiano Processo continuo gaussiano : È un processo del quale si ha la piena conoscenza statistica solo in base alla conoscenza della funzione di densità di probabilità del 2° ordine, nel caso di stazionarietà l´espressione della densità di probabilità del 1° ordine è. Una importante proprietà di questo processo è che la somma di processi gaussiani indipendenti è ancora un processo gaussiano con valor medio somma dei valori medi e varianza somma delle varianze inoltre la somma di n processi arbitrari ma indipendenti è un processo gaussiano per n secondo quanto affermato dal teorema del limite centrale.

19 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili19 Cenni sul Rumore Gaussiano (a) Rumore Gaussiano : È il processo gaussiano risultante dalla somma di numerosi segnali aleatori additivi, in particolare abbiamo un rumore gaussiano bianco se la densità spettrale di potenza è N(f) = N 0 = KT= costante cui corrisponde la autocorrelazione Rumore gaussiano stazionario in banda traslata : Consideriamo una generica rappresentazione del rumore in banda traslata

20 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili20 Rumore Gaussiano (b) Rumore Gaussiano +filtro passa basso Rumore bianco n(t) B/2 R(t)=N 0 (t) h(t) h(t)=B sin( tB) tB

21 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili21 Rumore Gaussiano (c) Rumore gaussiano stazionario in banda traslata Per una generica rappresentazione del rumore in banda traslata i processi in banda base N c (t) ed N s (t) risultano gaussiani stazionari e la potenza del rumore in banda traslata si ritrova identica su ciascuno di essi mentre la densità spettrale presenta una larghezza di banda diversa a seconda di come viene scelta fc, in particolare è massima e pari a 2B se f c è ad uno degli estremi della banda traslata mentre è minima e pari a B se f c è al centro della banda traslata.

22 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili22 Rumore Gaussiano (d) Rumore gaussiano bianco nello spazio dei segnali : Nello spazio con dimensione N tendente all´infinito, una realizzazione del rumore bianco è rappresentabile con un vettore n avente componenti ciascuna con densità di probabilità del 1° ordine.

23 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili23 Le relazioni ingresso uscita IngressoCanale radioUscita Canale della modulazione s(t) g(t, ), n(t) y(t) Canale in banda base s + (t)=u(t)e j2 fot g(t)=2 {h(t) e j2 fot } n B (t)= {n(t) e j2 fot } y(t)= {z(t) e j2 fot } Canale digitale bkbk ekek ckck Alfabeto Alfabeto di ingresso a k Probabilità condizionata Alfabeto di uscita â k

24 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili24 Rappresentazione passabanda e di banda base dei segnali s(t)=A(t)cos[2 f 0 t+ (t)] Segnale passabanda: ponendo: I(t)=A(t)cos[ (t)] Q(t)=A(t)sin[ (t)] Linviluppo complesso e: u(t)=I(t)+jQ(t) s + (t)=u(t)e j2 fot e: = {s + (t) }

25 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili25 Rappresentazione nel Dominio della Frequenza u(t)=I(t)+jQ(t) s(t)= { u(t)e j2pfot }=I(t)cos(2 f 0 t)-Q(t)sin(2 f 0 t) S(f)=½ {U(f-f 0 )+U*(-f-f 0 )} S(f)={S + (f)+S - (f)}

26 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili26 Spettro di Fourier del segnale S(f)= 1/2[ U(f-f 0 )+U * (-f-f 0 )] Caso tipico f 0 >Banda dellinviluppo complesso Caso generale f 0 e paragonabile alla Banda dellinviluppo complesso f

27 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili27 Caso Generale S(f)=½ {U(f-f 0 )+U*(-f-f 0 )} ={S + (f)+S - (f)} Caso generale f 0 e paragonabile alla Banda dellinviluppo complesso S + (f) S + (f)= ½ S(f)[1+sgn(f)]

28 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili28 Espressione generale nel tempo S + (f)= ½ S(f)[1+sgn(f)] S + (f)= ½S(f)+ ½ sgn(f)S(f) La antitrasformata di S(f) è s(t), lantitrasformata del secondo termine è data dalla funzione di correlazione fra le antitrasformate di S(f) e sgn(f) ; quindi: s + (t)= ½s(t)+ ½ - (t- ) js( ) d =½s(t)+ ½š(t) Trasformata di Hilbert H[s(t)] s(t)=-H[š(t)] X H (f)=-jsgn(f)X(f)

29 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili29 Rappresentazione della Trasformata di Hilbert nel dominio della frequenza ½ S(f) ½ sgn(f)S(f) S + (f)

30 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili30 Rappresentazione semplificata per i segnali f0>Banda dellinviluppo complesso U(f-f 0 )=0, se f<0 U(-f-f 0 )=0, se f>0 Si può rappresentare quindi il segnale con le componenti I e Q del suo inviluppo complesso in ogni fase della sua evoluzione lungo il canale radio

31 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili31 Rappresentazione della risposta impulsiva g(t)=2 {h(t) e j2 fot } Detta g(t) la risposta impulsiva reale: dove: h(t)=h I (t)+jh Q (t) E lo spettro di Fourier risulta: G(f)=H(f-f 0 )+H * (-f-f 0 )

32 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili32 Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(1) y(t)= {z(t) e j2 fot } Detto y(t) il segnale di uscita reale: dove: z(t)=z I (t)+jz Q (t) E lo spettro di Fourier risulta: Y(f)= 1/2 [Z(f-f 0 )+Z * (-f-f 0 )]

33 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili33 Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(2) Y(f)=G(f)S(f) Y(f) risulta : Da cui nel caso f 0 >Banda inviluppo complesso: Z(f-f 0 )+Z * (-f-f 0 )= [H(f-f 0 )+H * (-f-f 0 )][U(f-f 0 )+U * (-f-f 0 )] E quindi: Z(f)= H(f)U(f) Z(f-f 0 )+Z * (-f-f 0 )= H(f-f 0 )U(f-f 0 )+ H * (-f-f 0 )U * (-f-f 0 )

34 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili34 Rappresentazione del segnale di uscita da un filtro passabanda(3) z(t)=h(t) u(t) z(t) e la convoluzione di h(t) e u(t) si ha quindi : Sostituendo le espressioni in fase e quadratura per z(t), h(t) e u(t) si ha: z I (t)=h I (t) I(t)-h Q (t) Q(t) z Q (t)=h I (t) Q(t)+h Q (t) I(t)

35 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili35 Rappresentazione del processo di rumore AWGN in componenti di banda base Si assume che il processo gaussiano sia considerato alluscita di un filtro ideale passa banda centrato sulla frequenza f 0 Linviluppo complesso n(t), associato al processo di rumore n B (t) si puo quindi rappresentare come: n B (t)= {n(t) e j2 fot } H(f)= 1 per f 0 -B/2

36 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili36 Front end RF-IF : frequenza immagine + - Y(f) X x(t) cos(2 f lo t) y(t) X(f) Filtro immagine Non e piu possibile filtrare e linterferenza e ineliminabile

37 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili37 Front end RF-IF eliminazione diretta della frequenza immagine X(f) x(t) X X 0 90 cos(2 f lo t) y I (t) y Q (t) -sin(2 f lo t) cos(2 f lo t) X x(t) cos(2 f lo t)-jsin(2 f lo t) y I (t)+j y Q (t)

38 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili38 Schema di un Front-end eterodina X X ~ ~ ~ ADC X ~ ~ DSP Lo 1 Lo 2 ~ ~ ~ ~ ~ Antenna Preselection filter LNA IR filter Channel select filter Variable amplifier Baseband filter Conversione analogica digitale Digital Signal Processor

39 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili39 Vantaggio della selettivita del ricevitore eterodina Preselection filter IR filter Channel select filters

40 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili40 Filtro di banda base Channel select filters Baseband filter

41 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili41 Schema di un Front-end omodina X ~ ~ ~ ADC X ~ ~ DSP Lo ~ ~ Antenna Preselection filter LNA Baseband filter Conversione analogica digitale Digital Signal Processor

42 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili42 Auto interference e LO self mixing per un ricevitore omodina Antenna Baseband filter X ~ ~ ~ X ~ ~ Lo ~ ~ Preselection filter LNA

43 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili43 Canale di trasmissione radiomobile

44 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili44 Propagazione in Spazio Libero Nello spazio libero la potenza ricevuta decresce con il quadrato della distanza Dipende dal Guadagno dellantenna trasmittente Dallarea equivalente dellantenna ricevente P r (d) = P t G t A reff 4d 2 Gr =Gr = 4 A reff 2 P r (d) = P t G t G r ( ) 2 = P t G t G r A sl (d,f) 4d Attenuazione in Spazio Libero

45 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili45 Il canale radiomobile: fluttuazioni lente o di larga scala Il canale radiomobile pone importanti limitazioni alle prestazioni dei sistemi radio. a differenza delle caratteristiche delle trasmissioni che utilizzano il cavo, le quali sono stazionarie e predicibili quelle del canale radio sono estremamente variabili e spesso di difficile analisi. La modellizzazione del canale radio è stata da sempre una delle parti più difficili del progetto dei sistemi radio.

46 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili46 Meccanismi fisici di propagazione nello spazio con ostacoli Ē tot = Ē dir + Ē rifl + Ē diffr + Ē diff Raggio riflesso Raggio diretto Line of Sigth Raggio diffuso Raggio diffratto

47 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili47 Il caso Radiomobile Se il terminale comunica attraverso un percorso in linea di vista non ostruito, ci si aspetta che la diffrazione e la diffusione siano poco influenti. Viceversa, se il terminale si muove a livello di strada in assenza di un percorso in linea di vista la diffrazione e la diffusione saranno invece i meccanismi di propagazione dominanti. Raggio riflesso Raggio diffratto Raggio diffuso

48 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili48 Modelli su grande scala e piccola sala Tradizionalmente i modelli di propagazione cercano di predire la potenza media del segnale ricevuto ad una certa distanza e nelle sue vicinanze. Tali modelli sono chiamati modelli di larga scala la potenza del segnale fluttua rapidamente variando di poche lunghezze donda la posizione del rice-trasmettitore mobile. Si parla in questo caso di modelli di piccola scala. Questo fenomeno è dovuto al fatto che in ogni punto dellarea in cui il mobile si viene a trovare, il campo ricevuto è dato dalla somma dei campi diretto e/o riflesso e/o diffratto e/o diffuso. Si osserva che la potenza istantanea ricevuta può variare significativamente anche di 20 dB e fino a 40 dB. Ciò si puà anche verificare se il ricevitore si muove di una frazione della lunghezza donda. La modellizzazione è molto complessa.

49 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili49 Fluttuazioni su grande scala e piccola scala

50 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili50 Coefficiente di riflessione (1) c = 0 [ r + /(2j f 0 )] Costante dielettrica del terreno V = c / 0 sin( i )- ( c / 0 )-cos 2 ( i ) c / 0 sin( i )+ ( c / 0 )-cos 2 ( i ) sin( i )+ ( c / 0 )-cos 2 ( i ) sin( i )- ( c / 0 )-cos 2 ( i ) H = Coefficienti di riflessione 0 = x [Coulomb 2 /Newton m 2 ] i

51 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili51 Coefficiente di riflessione (2) Esempio di andamento dei coefficienti di riflessione per polarizzazione orizzontale e verticale per fo=1.8 GHz

52 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili52 Modello di canale mobile a banda stretta y(t)= {r(t) e j(2 fot+ (t) } Assumiamo di trasmettere un segnale sinusoidale a frequenza f 0, e j(2 fot), la risposta in uscita di un canale lineare si puo scrivere come: Il contributo complesso del canale risulta quindi : H(t)=a(t) e j (t) (t) a(t)=a 0 (t)m(t) dove: a 0 (t)= fluttuazione veloce m(t)= fluttuazione lenta Assumendo una velocita costante del mobile v, si puo usare una dipendenza da d=vt per a 0 (d) e m(d) :

53 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili53 Fluttuazione lenta hbhb hmhm 0 x d Se =-1, valido per d >> h b sia per polarizzazione orizzontale,che verticale: Attenuazione =A (d 2/ h b h m ) 2 A meno di una fase costante EdEd EdEd /(4 d)(e ) -j2 / {(d 2 +(h b -h m ) 2 } 1/2 /(4 d)(e ) -j{2 [(h b h m )/(d )}j{2 [(h b h m )/(d )} /(4 d)(e ) ErEr /(4 d)(e ) -j2 / {(d 2 +(h b +h m ) 2 } 1/2

54 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili54 Attenuazione lenta complessiva P r (d) = P t G t G r A sl (d,f) A R (h t,h r,d,f) A sl (d,f) A R (h t,h r,d,f)= d4d4 (h t h r ) 2 Questa approssimazione vale solo per riflessioni con piccoli angoli dincidenza

55 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili55 Variazione lenta del campo totale: esempio di attenuazione A Altezza antenna h b =35 m Altezza utente h m =1.4m Frequenza f 0 =1.8 GHz

56 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili56 Prima Zona di Fresnel ( = free line of sigth) Diffrazione h ½ D prima zona d to d D prima zona =2 ( d to (d- d to )/d) maxfase D 2 prima zona d/[4d to (d- d to )]=

57 Anno Accademico Trasmissioni radiomobili57 Esempio dellellissoide di Fresnel Distanza fra le antenne: 10 Km Frequenza:1.8 GHz Nel caso di trasmissione radiomobile la prima zona di Fresnel non e mai libera da ostacoli. Sono fondamentali quindi i contributi riflesso, diffratto e diffuso


Scaricare ppt "Anno Accademico 2007-08Trasmissioni radiomobili1 Universita di TorVergata-Facolta di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili ( Ia parte) Anno Accademico 2007-2008."

Presentazioni simili


Annunci Google