Modulazione wireless

Introduzione

Digital modulation 🟨

• Slide introduzione

  

Modulazione digitale: prendiamo un dato digitale e trasmesso con un segnale analogico, come le RF.

ASK: amplitude shift keying

FSK: frequency shift

PSK: phase shift

Questi sono i tre metodi principali, che dipendono dalle caratteristiche dell’onda descritte in Fisica del Wireless.

TRE CARATTERISTICHE

Power

Resistenza interferenze. (robustezza)

ANALOG MODULATION

Per modulare un segnale analogico si utilizzano principalemente AM o FM, amplitude o frequency modulation, raramente si utilizza PM.

In AM la frequenza è la stessa, ma posso cambiare la ampiezza, in pratica con l’ampiezza provo a ricalcare l’ampiezza dell’onda iniziale (credo che intuitivamente onda radio ha frequenza molto più alta del suono, quindi riesco a descriverlo bene, credo, probabilmente sbaglio).

Modello trasmittente e ricevente 🟩

• Struttura trasmittente

  

Il primo prova a rappresentare il segnale digitale in un segnale sinusoidale. (probabilmente trasformate here).

Il secondo blocco prende la codifica in segnale analogico e la trasforma in una onda radio (modulata in un certo modo). (prende in input anche il canale in cui codificare le cose), e questa è data all’antenna che genera RF.

• Struttura ricevente

  

Il segnale nel frattempo:

• Ha perso intensità
• Può avere shift di fase a seconda dei rimbalsi

Dal ricevente modula l’onda radio che riceve in un segnale analogico, che ora però possiede itnerferenze quindi non è una onda clean, e prova a fare una interpretazione.

Algoritmi di modulazione digitale

In questa sezione andiamo a presentare tre metodi principali di implementazione della modulazione che sono in ampiezza, in frequenza e in fase. Questi sono metodi per rappresentare 0 o 1 per dire.

ASK FSK PSK 🟩

Nella parte tagliata c’è scritto “Signal modulation (Shift keying)”

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ASK

La tecnica più semplice è amplitude shift keying (aka modulazione digitale con amplitude) che non è altro che trasmettere onde di frequenza precisa per canale per 1 silezio per 0. (ma come faccio a gestire le interferenze? Non c’è silenzio in questo modo!) Credo che questo sia molto simile al morse.

Ad esempio se la distanza è troppo larga, leggerebbe 0.

Se il rumore di fondo è troppo alto leggerebbe 1. ecco interferenze

FSK

Il segnale digitale è codificato attraverso la frequenza del valore, per esempio se utilizziamo una metafora fisica, se il segnale è rosso ho 1 se viola 0, cambia colore diciamo :).

Questo è più resistente alle interferenze.

PSK

È più difficile da implementare. Viene mantenuta sia la frequenza sia l’ampiezza.

Rappresentazione del segnale 🟩

• Slide rappresentazione

  

Tre tipologie di grafici, la terza, in cordinate polari è la più utilizzata, anche se non ci dice la frequenza (la frequenza è quella mantenuta durante la radio carrier nel sistema di modulazione accennato prima). I punti su questo grafico sono chiamati simboli

Nella sconda perdiamo la fase, poco utilizzata.

Nella prima ha praticamente tutte le infomrazioni (la fase però credo sia solo relativa).

Binary Phase Shift Keying e QPSK 🟩

• Slide BPSK e QPSK

  

Abbiamo dato ai simboli del grafico alcuni valori binari, questo ci da un modo per andare a interpretare i segnali seguendo quel grafico.

QAM and HIerarchical modulation 🟩

Solo che la densità dei simboli è ora ancora maggiore, utilizzo sia intensità sia fase

• Slide QAM

  

HIERARCHICAL MODULATION

È una cosa ancora più precisa!

• Slide HM

  

Si utilizza un trucco di codifica di utilizzo della nuvola di segnali e una codifica interna!

Quesot si utilizza anche per mobile video call in modo che la voce sia codificata meglio.

• Slide mobile video call nice

  

Spread spectrum techniques

Solitamente potremmo utilizzare delle narrow-band spectrum, solo che queste sono molto sensibili ad interferenze nella narrow-band, per questo motivo si preferisce andare su spread spectrum e andiamo ora a parlare di alcune tecnologie utilizzate per questo. Wireless attack vectors.

Direct sequence spread spectrum 🟩-

In pratica vado a definire una chipping spectrum che possiede certe proprietà statistiche che vengono interpretate come rumore di sottofondo (non correlate fra di loro) nel caso in cui non si conosca il codice.

• Slide funzionamento del chipping sequence

  

La codifica col chiping sequence non è altro che un xor, con il bit che vogliamo inviare e la chipping sequence

• Slide codifica e decodifica del codice

  

Questo processo di xor è descritto sotto in Code division multiple access 🟩. È questa tecnologia di code division multiple access. che permette questa trasmsisione su frequenze molto diverse, ed essere comunque ricevuto.

Code division multiple access 🟩

Fa sì che utilizzando chipping sequence poco (preferibilmente niente) correlate fra di loro, il segnale viene interpretato come segnale di sottofondo (white noise) e quindi il ricevitore, come per magia, riesce comunque a comprendere il segnale iniziale.

• Esempio di trasmissioen corretta di CMA

  

Praticamente a lato ricevente esiste un integratore che fa la somma e viene utilizzato questo per andare a decidere se è un bit 0 oppure 1 (per comodità solitamente lo 0 viene codificato come se fosse un -1).

Frequency hopping spread spectrum 🟩

Viene utilizzata l’energia per mandare in modo pseudorandomico (secondo il seed, credo ne abbiamo già parlato in precedenza con la cosa di hedy lamarr).

• Slide FHSS

  

Praticamente il segnale è unico (cioè non è disperso su una banda larga di segnale, ma è narrowband) comuqnue per chi non conosce il codice sembra rumore di fondo

Si utilizza host_master come seed

Fast and slow hopping a seconda del numero di bit mandati prima di switchare segnale.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing 🟩

signal transmission technology that separates a single high-speed data stream into multiple sub-carrier signals that are transmitted simultaneously. Each sub-carrier signal uses a different frequency, presenting a unique path for data transfer. By using multiple sub-carriers in a single channel, OFDM technology can transmit data more efficiently and reliably, even in noisy and highly congested RF environments

Abbiamo pacchetti di dati poco distanziati (quind il bitrate nominale è molto alto, tutto viene fatto in parallelo).

• Slide OFDM

  

• Esempio

  

STRUTTURA

Quattro carrier sono utilizzati per gestire il canale quindi per dire che il canale non va, bisogna cambiare, rallentare etc. In modo simile ai pacchetti di gestione della congestione nei routers.

È molto efficiente dal vista del bandwith (servono 9.76 kilohearz per un sub carrier) e se ho 20 Mhz ho 2048 subcarrier (questo ci fa venire in mente il perché è lungo quella quantità di band withd :D)

La cosa bella è anche l’indipendenza con i subcarriers!

1 milione per ogni subcarrier (basta fare qualche calcolo, tipo massimo di tutti i canali sono circa 3 Gbit per questa tecnologia). questa è WiMax

• Slide WiMax

  250k bit per subcarrier che sono comunque 500 Mb su distanza larga.

  

Funzionamento di OFDM 🟨

Si utilizzano magie matematiche per questa tecnologia, ed è molto intelligente :D

Abbiamo un teorema che ci dice che le funzioni di seno e coseno sono tutte fra diloro ortogonali ossia l’intergrale del segnale è sempre 0 sopra il periodo di tutti.

Slide segnali ortogonali

Questo permette di sapere che la somma di tutti gli altri segnali danno somma zero e io so in che modo andare a leggere. In questo senso i segnali interferiscono sì, ma lo fanno in un modo predicibile che mi permette di ritrovare la informazione iniziale.

Esempio decodifica

Intuitivamente le FFT ci permettono di cambiare frame of view, se prima erano tutte compattate sul tempo, ora è compattato sulla frequenza, per questo motivo riuscimo a distinguerle per bene (quindip ossiamo distinguere anche il bit trasmesso per il singolo subcarrier)

20Mhz con 52 subcarrier con 4 pilot e il resto dei dati. e utilizza 250k modulazioni l secondo (questo è il massimo!).

Nelle slides c’è una D, che sta per differential, perché sta relativo al precedente (non è 0, o 180, ma è differenza rispetto al precedente credo, ma comunque ha detto che non è per niente importante questa cosa. Esistono bits di convoluzione che sono utilizzati per fixare errori di trasmissione.

ESEMPI:

• Slide OFDM

  

Esempio per DBPSK: 1 bit per 48 subcarrier, la metà sono utilizzati per dato, l’altra per protezione, ho 24 carriers per durata, quindi 24 * 250k bits al secondo che è proprio 6kk!

Se prendo DQPSK allora ho 3/4 per dati, e questo fa tanti calcoli, ma poca roba..

Una cosa che accade con 64 QAM che invece di fare 1/2 di protezione viene fatto solamente un terzo perché se raggiungi quel punto vuol dire che il canale è già molto forte.

E c’è un programma di controllo che decide quale codifica andarea d utilizzare (tornando indietro se non (riceve gli acks)

Nel caso io abbia bisogno di ancora altri bit potrei aggiungere altri subcarriers (e si può fare in modo dinamico, si chiama channel bonding. (canali di frequenza arbitraria in base a quanto ne ho bisogno ! esempi di tecnologie che lo utilizzano: 802.11 af ac)