Vorrei sapere se oltre la tecnica di modulazione COFDM per segnali a radiofrequenza ne esistono altre di più recente nascita. Grazie.

No, per quanto riguarda le tecniche di modulazione, non ci sono novità

Volendo essere più precisi, il CODFM
non è proprio una nuova modulazione, ma un sistema, una tecnica di multiportanti.
Abbiamo visto in una precedente risposta che in un canale a larga banda
dove sono presenti forti variazioni di distorsioni lineari, è conveniente
suddividere lo spettro da trasmettere ad alta velocità in tante sottobande
a minore velocità, dove ognuna modula una portante.

In tutte le situazioni di trasmissioni a larghezza di canale limitato,
sia per i sistemi a singola portante che per i sistemi multiportante, le
portanti sono modulate con le classiche modulazioni in quadratura MQAM,
ad alta efficienza spettrale.

Negli scenari dove i vincoli sono diversi si utilizzano le modulazioni
elencate in una precedente risposta.

La modulazione QAM fu introdotta per la TV a colori nel 1953 da
un comitato scientifico americano, NTSC (National Television Systems Committee),
dopo che il mondo delle telecomunicazioni ebbe il sostegno teorico dell’affascinante
impalcatura della teoria di Shannon (1948). Tanto fu capita l’enorme importanza
di questa rivoluzionaria teoria che i primi giovani ingegneri che parteciparono
ai corsi indetti dalla Bell Telephone furono assunti come professori
nelle varie università degli USA per diffondere la nuova disciplina.

Da anni il percorso per avvicinarsi al limite di Shannon lo si ottiene
solo codificando opportunamente il segnale.

Forse non tutti sanno che ora le modulazioni digitali e le tecniche
di codifica1 sono integrate fra loro, e vanno considerate come
un tutt’uno. Non è possibile parlare di una modulazione digitale senza
sapere la codifica adottata. Due sistemi che utilizzano la stessa modulazione,
possono avere, per efficienza spettrale e per robustezza, in
presenza di rumore, interferenze o fading, risultati completamente diversi in base
alla scelta del tipo di codifica.

Non stiamo parlando della codifica detta di sorgente che è fatta
sul messaggio da trasmettere o da immagazzinare in un supporto fisico. Queste
codifiche hanno lo scopo di fare occupare il minore spazio possibile,
sia esso un compact disk o uno spettro radio. In queste codifiche la ridondanza
è tolta, si trasmette, in base alla teoria di Shannon, solo ciò che non
si conosce, mentre tutto ciò che è noto è eliminato.

Stiamo parlando delle codifiche dove si aggiunge ridondanza all’informazione
e sono usati codici a correzione di errore, avendo in mente quanto dimostrato
da Shannon: se la trasmissione avviene ad una velocità inferiore alla capacità
del canale, si può rendere la probabilità di errore piccola a piacere, a
patto di utilizzare un’opportuna tecnica di codifica-decodifica. Queste
codifiche prendono il nome di Codifica di Canale.

Chi progetta un sistema di trasferimento dati, considera i dati
come se fossero tutta informazione, anche se la codifica di
sorgente non ha tolto tutta la ridondanza possibile, oppure il segnale non
è affatto codificato. I simboli binari dei dati da trasferire in radio,
sono sempre equiprobabili, se non lo sono, ci pensano opportuni circuiti,
detti scrambler, a renderli tali.

In breve descrivo il percorso fatto sulle codifiche e quello che rimane,
ben poco, da fare.

Un sistema molto usato2 è quello di segmentare la
sequenza di dati in blocchi indipendenti di k bit, a cui si aggiungono
n-k bit di ridondanza ottenendo un blocco di n bit
che è trasmesso normalmente. In ricezione si sfruttano gli n-k bit di
ridondanza per capire se sono stati commessi errori e, se possibile, dove
e correggerli.

Un’altra possibilità3 è quella di utilizzare in trasmissione
un codificatore convoluzionale ed in ricezione un decodificatore in grado
di ricostruire, sulla base del segnale ricevuto, la sequenza di stati assunti
dal codificatore convoluzionale.

Tutte queste modalità di codici, impiegate a monte del processo di
modulazione sul flusso dei dati, furono ottimizzate negli anni Ottanta,
con diverse varianti, allo scopo di ottenere il più alto guadagno di codifica
(Coding Gain) con la più piccola ridondanza aggiunta. È evidente che
dove non vi sono problemi di allargamento spettrale, si possono ottenere
coding gain anche di una decina di dB, incrementando del 100% i bit di
ridondanza.

A fine anni Ottanta, negli scenari radio, fu riconsiderato un progetto
rivoluzionario di codifica ideato da Ungerboeck4, noto come Trellis,
Coded Modulation
(TCM) pubblicato diversi anni prima ed utilizzato per
raddoppiare la velocità di trasmissioni dei modem dati sul canale telefonico
da 9,6 kb/s a 19 kb/s.

Ungerboeck impiegando codici convoluzionali considerò la modulazione
e codifica come un tutt’uno; in particolare i punti M della costellazione
sono associati ai bit uscenti dal codificatore tramite un’opportuna mappa.
In pratica la ridondanza è aggiunta non sui bit del flusso dati, ma aumentando
l’alfabeto dei punti della costellazione trasmessa.

L’uso contemporaneo delle due modalità di codifica: a blocchi sul flusso
dati e convoluzionale con tecniche TCM, permettono di usare modulazioni
ad alta efficienza spettrale anche di una decina di bit/s/Hz che altrimenti
sarebbero troppo critiche e funzionerebbero quasi sempre con una bit error
rate
residua molta alta.

Quasi tutti i sistemi a banda limitata utilizzano modulazioni MQAM
codificate in TCM e codici a blocchi, normalmente del tipo Reed Solomon,
sul flusso dati di ingresso.

Anche le trasmissioni da satellite, pur utilizzando modulazioni molto
robuste (4PSK), beneficiano dell’abbinamento delle due codifiche di canale,
risparmiando i dB, incrementati dal Coding Gain, sul valore di potenza trasmessa.

In pratica dalla metà anni Novanta si è arrivati a 2-3 dB dai limiti
d Shannon; ogni ulteriore sforzo implementativo non ripaga con sostanziali benefici.

Da alcuni anni sono stati presi in esame i cosiddetti turbo-codici5,
paralleli o seriali: famiglia di codici che garantiscono ottime prestazioni,
grazie ad un algoritmo di decodifica iterativo a bassa complessità. Per
diminuire l’occupazione di banda del segnale trasmesso, molte applicazioni
usano modulazioni non binarie.

A quanto mi risulta i tempi di ritardo di elaborazione della decodifica,
quando si vuole migliorare gli attuali codici, sono troppo eccessivi perché
siano utilizzati nei sistemi di telecomunicazione dove il tempo reale della
trasmissione è fondamentale.

Questa è la situazione, anche se non è possibile porre limiti alla
conoscenza, la ricerca in questo settore è abbastanza ferma e non si intravede
come rosicchiare i pochi dB mancanti per raggiungere i limiti di Shannon
senza complicare (aumento dei costi) ulteriormente il sistema.

Note

  1. Per facilitare la comprensione dei codici e delle loro proprietà è
    indispensabile acquisire gli elementi di algebra fondamentali: Gruppi, Anelli,
    Campi, Spazi vettoriali, Campo di Galois, Trasformazioni di Fourier e sue
    proprietà.

  2. Riferimento di base per tutti i codici a blocchi è l’articolo di:
    I.S. Reed and G. Solomon: “Polynomial Codes over Certain Finite Fields”,
    Jour.Soc.Ind.Appl. Math,
    Vol. 8, pp 300-304. 1960.

  3. Padre della codifica convoluzionale è Viterbi di origine bergamasca,
    il suo articolo del 1967 fu “Error Bouns for convolutional Codes
    and Asympotically Optimum Decoding Algorithm”, IEEE Trans. Info. Theory.
    Vol. IT-13 pp 260-269.

  4. Nel 1982 Ungerboeck, ricercatore dell’IBM di Zurigo, presentò
    un articolo di cui all’inizio non fu capita l’importanza enorme, ma che rivoluzionò
    il modo di trattare la codifica alla presenza della modulazione. L’articolo
    è una tappa fondamentale della teoria dei codici: “Channel Coding with
    Multilevel Phase Signal”, IEEE Trans.Info.Theory, vol.IT-29, pp 55-67.

  5. Nel 1995 un gruppo di studiosi francesi Berrou, Glavieux e Thitimajishima
    annunciarono di aver scoperto una nuova classe di codici correttori le
    cui prestazioni in termini di probabilità di errore per bit sono molto
    vicine ai limiti teorici di Shannon. A tale classe di codici fu dato il
    nome di Turbo Codici.