INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICAIngegneria informaticaAnno accademico 2023/2024

1014457 - COMUNICAZIONI DIGITALI M - Z

Docente: CHRISTIAN GRASSO

Risultati di apprendimento attesi

- 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 poter 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, variabili aleatorie e processi aleatori

Processi aleatori, e in particolare il rumore bianco e i 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	Riferimenti testi
UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base Introduzione alla teoria dell’informazione; Misura dell’informazione ed entropia di una sorgente; Codifica di sorgente. Schema di riferimento della trasmissione digitale; Modulazione digitale PAM (Pulse Amplitude Modulation); Filtro di trasmissione Codici di linea binari e multilivello. Spettro di un codice di linea. Efficienza spettrale Rappresentazione vettoriale dei segnali e trasmissione multidimensionale Interferenza intersimbolica (ISI) e criteri di Nyquist Bit error rate (ber) per trasmissioni digitali in banda base. Schemi a blocchi di modulatori e demodulatori digitali Antenne e sistemi 5G	24	[COU]: Cap. 3.1 e 3.2 [FAL]: Cap. 11 e dispense del docente
UDE 2: Introduzione alle modulazioni in banda passante Definizioni: segnali in banda passante, segnale modulante, segnale modulato, segnale portante, Inviluppo complesso. Spettro e densità spettrale di potenza dei segnali in banda passante. Potenza media totale e potenza di picco dei segnali in banda passante. *Modulazioni di ampiezza, di frequenza e di fase	10	[COU]: Cap. 5.1 – 5.5 e Cap. 7.8 e dispense del docente
UDE 3: Modulazioni digitali Modulazioni binarie OOK, BPSK e 2-FSK: Inviluppo complesso e segnale modulato; DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato; Banda di trasmissione; Bit Error Rate Modulazioni multidimensionali N-PSK, QPSK, N-QAM, N-FSK: Inviluppo complesso e segnale modulato; DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato; Banda di trasmissione. Bit Error Rate e Symbol Error Rate *Sistemi di trasmissione DMT ed OFDM	10	[COU]: Cap. 7.1 – 7.7 e dispense del docente Per OFDM fare anche riferimento [FAL] Falaschi, Cap. 16.8.
UDE 4: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base Modulazione PCM: campionamento, quantizzazione e codifica. Quantizzazione uniforme e non uniforme Progetto di un segnale PCM per un sistema telefonico	6	[COU]: Cap. 3.3

Testi di riferimento

[COU] Leon W. Couch, Fondamenti di Telecomunicazioni, Prentice Hall
[FAL] Alessandro Falaschi, Trasmissione dei Segnali e Sistemi di Telecomunicazione, Web edition, Versione 2.0, 2023.
[PRO] J. G. Proakis, M. Salehi, Communication System Engineering, Prentice Hall

Programmazione del corso

	Argomenti	Riferimenti testi
1	UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base Introduzione alla teoria dell’informazione. Misura dell’informazione ed entropia di una sorgente. Codifica di sorgente. Schema di riferimento della trasmissione digitale. Modulazione digitale PAM (Pulse Amplitude Modulation). Filtro di trasmissione Codici di linea binari e multilivello. Spettro di un codice di linea. Efficienza spettrale Rappresentazione vettoriale dei segnali e trasmissione multidimensionale Interferenza intersimbolica (ISI) e criteri di Nyquist. Bit error rate (ber) per trasmissioni digitali in banda base. Schemi a blocchi di modulatori e demodulatori digitaliAntenne e sistemi 5G	[COU]: Cap. 3.1 e 3.2 [FAL]: Cap. 11 e dispense del docente
2	UDE 2: Introduzione alle modulazioni in banda passante Definizioni: segnali in banda passante, segnale modulante, segnale modulato, segnale portante, Inviluppo complesso. Spettro e densità spettrale di potenza dei segnali in banda passante. Potenza media totale e potenza di picco dei segnali in banda passante.*Modulazioni di ampiezza, di frequenza e di fase	[COU]: Cap. 5.1 – 5.5 e Cap. 7.8 e dispense del docente
3	UDE 3: Modulazioni digitali Modulazioni binarie OOK, BPSK e 2-FSK: Inviluppo complesso e segnale modulato; DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato; Banda di trasmissione; Bit Error Rate Modulazioni multidimensionali N-PSK, QPSK, N-QAM, N-FSK: Inviluppo complesso e segnale modulato; DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato; Banda di trasmissione. Bit Error Rate e Symbol Error Rate*Sistemi di trasmissione DMT ed OFDM	[COU]: Cap. 7.1 – 7.7 e dispense del docente Per OFDM fare anche riferimento [FAL] Cap. 16.8.
4	UDE 4: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base Modulazione PCM: campionamento, quantizzazione e codifica. Quantizzazione uniforme e non uniformeProgetto di un segnale PCM per un sistema telefonico	[COU]: Cap. 3.3

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:

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.
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.
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

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.
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).
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).
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 G.

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