Corso di laurea in Ingegneria informatica
Anno accademico 2020/2021 - 3° anno
COMUNICAZIONI DIGITALI M - Z
Docente titolare dell'insegnamento
SALVATORE SERRANOObiettivi formativi
Conoscenza e comprensione dei principali elementi riguardanti le comunicazioni digitali
Acquisire e comprendere gli strumenti fondamentali per analizzare le tecniche di trasmissione digitale, e le procedure che permettono di ricavare i principali parametri che caratterizzano un sistema di comunicazione digitale ed analogico.
Sviluppo delle capacità di analisi della rappresentazione vettoriale dei segnali e delle tecniche di conversione analogico/digitale.
Conoscenze applicate e capacità di comprensione delle tecniche oggi all’avanguardia nei sistemi di comunicazioni digitali, anche finalizzate all’applicazione pratica in contesti diversi da quelli usuali
Sviluppo delle competenze necessarie per analizzare gli schemi di riferimento di un sistema di comunicazione digitale e analogico e poterne determinare i principali parametri che li caratterizzano (rapporto segnale rumore, probabilità di errore per bit, occupazione di banda, consumo energetico, complessità circuitale), al fine di mettere lo studente nella condizione di poterli utilizzare anche in futuro e in contesti diversi da quelli trattati nel corso.
Autonomia di giudizio su quanto imparato
Sviluppo di un adeguato grado di autonomia di giudizio nell’individuazione delle caratteristiche dei sistemi di trasmissione digitale e analogica e degli strumenti utilizzabili per poter effettuare non solo la progettazione di semplici sistemi di comunicazione quali quelli trattati a lezione, ma anche di sistemi più complessi quali quelli delle trasmissioni satellitari e 5G, per i quali è necessaria una maturazione di quanto studiato.
Abilità comunicative per la veicolazione a interlocutori eterogenei
Sviluppo della capacità di comunicare efficacemente e con linguaggio tecnico adeguato tematiche relative alle trasmissioni digitali e analogiche, ai sistemi di modulazione e agli apparati di trasmissione.
Capacità di apprendimento in autonomia delle evoluzioni relative agli argomenti trattati a lezione
Sviluppo della capacità di aggiornamento sull’evoluzione scientifica e tecnologica nel settore delle comunicazioni digitali e analogiche per poter approfondire in autonomia le nuove tecniche di trasmissione su cavo, su fibra e wireless che si affermeranno in futuro, con riferimento anche alle tecnologie inerenti ADSL, LTE, 4G e 5G.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Il corso è composto da una parte di teoria (35 ore) e da una parte di esercitazioni (15 ore).
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.
Prerequisiti richiesti
- Convoluzione
- Banda di un segnale in banda base e in banda passante
- Densità spettrale di potenza e funzione di autocorrelazione
- Segnali periodici
- Teoria della probabilità e variabili aleatorie.
- Processi aleatori, e in particolare rumore bianco e processi gaussiani
- Sistemi lineari tempo-invarianti (LTI) e distorsioni
- Campionamento di un segnale e interpolazione di una sequenza
Frequenza lezioni
La frequenza, sebbene non obbligatoria, è comunque fortemente consigliata.
Contenuti del corso
Il corso è organizzato in quattro Unità Didattiche Elementari (UDE):
| Argomenti | Ore | Riferimento Testi |
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UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base
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24 | Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e dispense del docente |
UDE 2: Modulazioni analogiche
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10 |
Couch: Cap. 5.1 – 5.5 e Cap. 7.8 e dispense del docente |
UDE 3: Modulazioni digitali
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10 | Couch: Cap. 7.1 – 7.7 e dispense del docente |
UDE 4: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base
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6 |
Couch: Cap. 3.3 e dispense del docente |
Testi di riferimento
- [COU] Leon W. Couch, Fondamenti di Telecomunicazioni, Prentice Hall
- [PRO] J. G. Proakis, M. Salehi, Communication System Engineering, Prentice Hall
Altro materiale didattico
Il materiale didattico è pubblicato su:
• Studium di Ateneo
• Portaledidattica
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
| 1 | UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base. Schema di riferimento; *Modulazione digitale PAM. Codici di linea binari e multilivello. Rappresentazione vettoriale dei segnali e trasmissione multidimensionale. Interferenza intersimbolica. Bit error rate. Schemi a blocchi di modulatori e demodulatori digitali. Antenne e sistemi 5G. | Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e diapositive proiettate a lezione |
| 2 | UDE 2: Modulazioni analogiche. Inviluppo complesso. Spettro e potenza dei segnali in banda passante. Modulazioni analogiche di ampiezza, di frequenza e di fase | Couch: Cap. 5.1 – 5.5 e Cap. 7.8 e diapositive proiettate a lezione |
| 3 | UDE 3: Modulazioni digitali. Modulazioni binarie OOK, BPSK e 2-FSK. Modulazioni multidimensionali MPSK, QPSK e N-QAM. Sistemi di trasmissione DMT ed OFDM | Couch: Cap. 7.1 – 7.7 e dispense del docente. Per DMT e OFDM fare anche riferimento al libro Falaschi, capitolo 14.8, disponibile su: https://teoriadeisegnali.it/wiki/Libro/UltimaEdizione |
| 4 | UDE 4: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base. Modulazione PCM: campionamento, quantizzazione e codifica. Progetto di un segnale PCM per un sistema telefonico | Couch: Cap. 3.3 e dispense del docente |
Verifica dell'apprendimento
MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO
L’esame è costituito da una prova in itinere non obbligatoria e da una prova orale.
La prova in itinere, della durata di 3 ore, viene valutata con un livello di apprendimento, di cui si terrà conto in sede di esame.
In particolare:
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chi supera la prova in fascia A potrà sostenere l'esame con un programma ridotto, nel quale non sarà presente alcun tipo di esercizio numerico. Dovrà inoltre rispondere solo a due domande, mentre la terza verrà considerata superata con risposta corretta.
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chi supera la prova in fascia B potrà sostenere l'esame con un programma ridotto, nel quale sarà presente solo qualche esercizio integrativo per coprire le lacune mostrate nello svolgimento della prova in itinere. Dovrà inoltre rispondere solo a due domande, mentre la terza verrà considerata superata con risposta corretta.
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chi invece non supererà la prova in itinere, dovrà sostenere un esame con programma completo, come chi non avrà partecipato alla prova in itinere.
Chi supera la prova in itinere in fascia B potrà fare l’esame di fascia A, ma ottenendo un voto che non potrà superare 27/30.
La prova orale consta di 3 domande, una delle quali riguarderà lo svolgimento di un esercizio numerico o la descrizione di un progetto GNURadio tra quelli forniti in precedenza dal docente.
ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI
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ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 1 |
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Trasmissione digitale in banda base - parte 1 |
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1 |
Codifica digitale multidimensionale. Principali tecniche di modulazione multidimensionale. Schema di trasmissione multidimensionale (sequenza di bit da trasmettere - trasmettitore - canale - ricevitore - sequenza ricevuta). Trasmettitore digitale multidimensionale. Esempio di trasmissione di una sequenza di bit (11001011) con modulazione multidimensionale. Modulatore e demodulatore. Probabilità di errore sul simbolo e sul bit. Uso della codifica Gray. [Macrolezione 3, slides 4-15 e 37-46] |
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2 |
Rappresentazione vettoriale dei segnali. Motivazione della sua applicazione nelle comunicazioni digitali. Definizione di prodotto scalare. Base ortogonale e ortonormale. Calcolo delle componenti di un segnale rispetto ai versori di una base ortonormale [Macrolezione 3, slide 26]. Calcolo del segnale dalle sue componenti rispetto ad una base ortonormale [Macrolezione 3, slide 26]. Calcolo dell'energia di un segnale dalle sue componenti. Procedimento di ortogonalizzazione di Gram-Schmidt. Definizione ed esempio di segnali antipodali, ortogonali e biortogonali. |
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3 |
Trasmissione digitale 2-PAM in banda base: Schema di riferimento ("schema 2"), modulatore 2-PAM, filtro di trasmissione, canale (illustrazione delle problematiche di cattivo filtraggio e di sovrapposizione di rumore AWGN, con definizione di rumore AWGN), filtro di ricezione, decisore a soglia. Capacità di canale. Energia media per bit e potenza media in trasmissione e ricezione. Definizione di dB e di dBm. Attenuazione in spazio libero. |
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4 |
Codifica di linea 2-PAM; Schema di riferimento ("schema 2"); definizione di diversi codificatori di linea con modulazione 2-PAM (NRZ polare, RZ unipolare, RZ bipolare e Manchester) e loro comparazione. Progetto GNU RADIO 1 - NRZ Polar Signal with Noise. |
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5 |
Trasmissione digitale 2-PAM in banda base: Schema di riferimento ("schema 2"). Spettro di potenza di un codice di linea, con dimostrazione. |
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6 |
Spettro del codice di linea NRZ unipolare (derivazione analitica e grafico); Spettri di potenza degli altri codici di linea notevoli (solo grafici). Efficienza spettrale di un codice di linea 2-PAM (con impulso sagomatore a impulso rettangolare e con impulso sagomatore a coseno rialzato) e confronto con il caso L-PAM. [Macrolezione 5] Progetto GNU RADIO 1 - NRZ Polar Signal with Noise. |
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7 |
Codifica digitale multisimbolo e caso particolare L-PAM. Schema di riferimento della trasmissione digitale L-PAM in banda base [Macrolezione 4 - Slide 48]. |
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Trasmissione digitale in banda base - parte 2 |
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8 |
Interferenza intersimbolica (definizione e motivazioni). Primo criterio di Nyquist; Filtri di Nyquist; Annullamento dell'ISI con filtro adattato. Espressione generale della BER per modulazioni 2-PAM (tramite il teorema della probabilità totale). |
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9 |
Schema di riferimento per la codifica di bit in simboli e la decodifica in assenza e in presenza di rumore (vedi lezione 4, slides 3 e 4). Esempio di trasmissione di una sequenza di bit (11001011). Struttura del ricevitore digitale multidimensionale a proiezione sui versori ("schema 2"). Rappresentazione vettoriale del segnale digitale in ricezione (affetto da rumore). Proprietà di indipendenza statistica delle proiezioni del rumore su una base ortonormale M-dimensionale (con dimostrazione). Esempio di codifica e decodifica in uno spazio bidimensionale. Schema 2 del demodulatore. |
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10 |
Schema di riferimento del sistema di trasmissione digitale in banda base ("schema 2"). Calcolo analitico della Bit error rate per trasmissione binaria 2-PAM polare e unipolare. Discussione sul posizionamento della soglia di decisione. Energia media per bit. Potenza in trasmissione e in ricezione. Attenuazione in spazio libero. Progetto GNU RADIO 2 - Hysteresis. |
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11 |
Regole di decisione del simbolo ricevuto. Schema di riferimento per la codifica multisimbolo (vedi lezione 4b, slides "Decodifica in assenza e in presenza di rumore"). Regola MAP e regola ML (enunciati e confronto). Esempio di applicazione ad una trasmissione 2-PAM e posizionamento della soglia. Progetto GNU RADIO 3 - BER Generator. |
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12 |
Modulazione L-PAM. Schema di riferimento. Rappresentazione vettoriale del segnale trasmesso e del segnale ricevuto. Calcolo della probabilità di symbol error rate e di bit error rate. |
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13 |
Modulazione 4-PSK. Schema di riferimento per la codifica di bit in simboli e la decodifica in assenza e in presenza di rumore (vedi lezione 4b, slides "Decodifica in assenza e in presenza di rumore"). Struttura del ricevitore digitale multidimensionale a proiezione sui versori ("schema 1"). Rappresentazione vettoriale dei segnali in uno spazio bidimensionale. Probabilità di ricezione corretta di un simbolo. Regioni ottime di decisione. Symbol error rate e bit error rate. Confronto tra 2-PAM e la 4-PSK. Progetto GNU RADIO 4 - PSK_QAM_and_Constellations. |
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14 |
Regole di decisione del simbolo ricevuto. Schema di riferimento per la codifica multisimbolo (vedi lezione 4b, slides "Decodifica in assenza e in presenza di rumore"). Regola MAP e regola ML (enunciati e confronto). Limiti superiore e inferiore della probabilità di errore nel caso generale di trasmissioni a N simboli (Union bound e Union bound semplificata: solo enunciati e discussione). |
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15 |
Schemi realizzativi di un demodulatore digitale: demodulatore a massima verosimiglianza; demodulatore a massima verosimiglianza con filtri adattati; demodulatore a massimo rapporto di verosimiglianza; demodulatore a massimo rapporto di verosimiglianza con filtri adattati. |
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Interferenza intersimbolica (definizione e motivazioni). Primo criterio di Nyquist: enunciato e sua giustificazione intuitiva; sagomatura dell’impulso di destinazione a coseno rialzato; metodi per ottenere il cos rialzato desiderato a destinazione (approccio 1 e approccio 2) |
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Realizzabilità del filtro di Nyquist a coseno rialzato. Progettazione del filtro di Nyquist con codifica L-PAM; efficienza spettrale di alcuni codici di linea L-PAM con impulso formattato a cos rialzato. |
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ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 2 |
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Pulse Code Modulation (PCM) |
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Vantaggi e svantaggi del digitale; ripetitori rigenerativi; principio di funzionamento della modulazione PCM; codifica Gray e differenza rispetto a quella utilizzata nella trasmissione binaria; decodifica PCM e differenza tra segnale analogico di partenza e segnale a destinazione (cause di rumore). Rapporto segnale/rumore (SNR) per quantizzazione uniforme per segnale distribuito uniformemente. |
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Rapporto segnale/rumore (SNR) per quantizzazione uniforme per segnale distribuito uniformemente; regola dei 6 dB; fattore di carico per un segnale a distribuzione uniforme. Soglia p* dei -3dB. Sistema sopra soglia e sottosoglia. Potenza del rumore in un intervallo di ampiezza Delta, e SNR per segnale genericamente distribuito (solo enunciato). |
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Progetto di un segnale PCM per un sistema telefonico. PCM a quantizzazione non uniforme: companding; legge A e legge mu; SNR di picco ed SNR medio con legge A e legge mu; confronto grafico con le prestazioni con quantizzazione uniforme. |
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Modulazioni analogiche |
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Introduzione alla modulazione: motivazione, definizione di: segnali in banda passante, segnale modulante, segnale modulato, segnale portante, inviluppo complesso; spettro e densità spettrale di potenza di un segnale modulato; potenza media e potenza di picco dei segnali modulati. Progetto GNU RADIO 5 - AMradio_with_Channel - Inviluppo. |
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22 |
Modulazione AM: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica e grafico, Indici di profondità di modulazione, Spettro del segnale AM; Potenza media normalizzata e potenza di picco; Efficienza di modulazione. Progetto GNU RADIO 5 - AMradio_with_Channel - Inviluppo. |
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Modulazione analogica AM DSB-SC: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica e grafico; Spettro del segnale modulato; Potenza media normalizzata e potenza di picco; Efficienza di modulazione. Progetto GNU RADIO 6 - AMradio_with_Channel - Coerente. |
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Modulazione analogica AM SSB: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica; Spettro del segnale modulato; Potenza media normalizzata e potenza di picco. Confronto con la altre modulazioni AM. Progetto GNU RADIO 5 - AMradio_with_Channel - Coerente. |
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Modulazione analogica AM VSB: Caratteristica del filtro vestigiale; Spettro del segnale modulato. Progetto GNU RADIO 5 - AMradio_with_Channel - Coerente |
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Modulazione di fase: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica e grafico; Relazione tra modulazione PM ed FM; Frequenza istantanea; deviazioni di frequenza e di fase (istantanea, di picco e picco-picco); Indici di modulazione di fase e frequenza. Banda del segnale PM |
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Modulazione di frequenza: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica e grafico; Relazione tra modulazione FM e PM; Frequenza istantanea; deviazioni di frequenza e di fase (istantanea, di picco e picco-picco); Indici di modulazione di fase e frequenza. Banda del segnale FM |
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Modulazioni digitali |
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Modulazione OOK: Inviluppo complesso e segnale modulato (espressione matematica e grafico). Schema a blocchi del trasmettitore. DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato; Banda di trasmissione con sagomatura dell’impulso a impulso rettangolare e a cos rialzato. Rappresentazione vettoriale. Calcolo della Bit Error Rate (BER); uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. |
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Modulazione BPSK: Inviluppo complesso e segnale modulato (espressione matematica e grafico). Schema a blocchi del trasmettitore. Equivalenza con una modulazione DSB-SC (solo enunciato); Indice di modulazione. DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato; Banda di trasmissione con sagomatura dell’impulso a impulso rettangolare e a cos rialzato. Rappresentazione vettoriale. Calcolo della Bit Error Rate (BER); uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. |
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Modulazione binaria FSK (o 2-FSK): a fase discontinua e a fase continua (inviluppo complesso e segnale modulato). Banda di trasmissione dei segnali 2-FSK, e confronto con la modulazione N-FSK. Rappresentazione vettoriale. Calcolo della Bit Error Rate (BER); uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. |
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Modulazioni digitali multilivello N-PSK e QPSK: Segnale modulante, inviluppo complesso, segnale modulato; Rappresentazione dell’inviluppo complesso tramite costellazione: differenza con N-QAM; Struttura del modulatore e del demodulatore. Rappresentazione vettoriale. Calcolo della Bit Error Rate (BER); uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. Densità spettrale di potenza; Banda minima ed efficienza spettrale. Banda con sagomatura a impulso rettangolare e a coseno rialzato. Progetto GNU RADIO 4 - PSK_QAM_and_Constellations. |
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Modulazione digitale N-QAM: Inviluppo complesso, segnale modulato; Rappresentazione dell’inviluppo complesso tramite costellazione ed esempi notevoli di costellazioni. Struttura del modulatore e del demodulatore. Densità spettrale di potenza, banda con sagomatura a impulso rettangolare e a coseno rialzato. Efficienza spettrale. Rappresentazione vettoriale. Probabilità di errore e analisi al variare del numero di simboli. Confronto con la modulazione N-PSK. Uso della N-QAM nella modulazione OFDM. Uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. |
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33 |
Modulazione digitale N-FSK. Rappresentazione vettoriale. Schema del modulatore e del demodulatore. Probabilità di errore sul simbolo e probabilità di errore sul bit. Confronto con N-PSK e QAM al variare del numero di simboli. Efficienza spettrale. Banda con sagomatura a impulso rettangolare e a coseno rialzato. Uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. Progetto GNU RADIO 4 - PSK_QAM_and_Constellations. |
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Modulazioni multi-portante. Modulazione DMT e sue applicazioni pratiche. Confronto con la modulazione OFDM. Principio di funzionamento della modulazione OFDM. |
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Modulazioni multi-portante. Modulazione OFDM. Principio di funzionamento. Schema del modulatore e del demodulatore. Segnale OFDM nel dominio del tempo. Spettro e banda di un segnale OFDM. Confronto con la N-QAM In termini di efficienza spettrale e di bit error rate. |
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Antenne e sistemi di comunicazione 5G. Antenne in natura. Concetto di segnali spazio-temporali. L’onda piana. Trasmissione e ricezione del campo elettromagnetico. Definizione ingegneristica di antenna, e parametri caratteristici. Proprietà di reciprocità e collegamento tra antenne. Classificazione delle antenne. Array di antenne. Phased Antennas e beamforming per sistemi 5G. Aspetti di bioelettromagnetismo, sanitari, protezionistici e normativi in ambito 5G. |
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ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 3 |
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Esercizio 1: Progettazione del filtro di Nyquist per l’annullamento dell’ISI. |
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Esercizio 2: Rappresentazione vettoriale di un insieme di segnali |
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Esercizio 3: Regioni di decisione e stima della probabilità di errore |
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Esercizio 4: Regioni di decisione e stima della probabilità di errore |
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Esercizio 5: Probabilità di errore per una N-PAM a costellazione non uniforme |
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Esercizio 6: Probabilità di errore su una costellazione bi-dimensionale |
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Esercizio 7: Potenza ed energia di trasmissione e ricezione |
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Esercizio 8: Rappresentazione vettoriale e Union Bound |
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Esercizio 9: PCM a distribuzione del segnale uniforme sulla dinamica picco-picco |
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Esercizio 10: PCM a distribuzione del segnale non uniforme sulla dinamica picco-picco |
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Esercizio 11: Modulazione AM e multiplazione di frequenza |
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Esercizio 12: Modulazione FM e multiplazione di frequenza |
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