1014457 - COMUNICAZIONI DIGITALI M - Z

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

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 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 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, 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 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, 5G e 6G.

Il corso prevede 58 ore di lezioni (didattica frontale, esercitazioni e laboratorio). 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.

Convoluzione

Banda di un segnale in banda base e in banda passante

Densità spettrale di potenza e funzione di autocorrelazione

Funzione densità di probabilità di una variabile aleatoria

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), filtri e distorsioni

Campionamento di un segnale e interpolazione di una sequenza

La frequenza, sebbene non obbligatoria, è comunque fortemente consigliata.

Il corso è organizzato nelle seguenti sei Unità Didattiche Elementari (UDE):

1.  Introduzione

Organizzazione del corso, la storia delle TLC (*). Richiami di teoria dei segnali. Descrizione generale di un sistema di comunicazione, sorgenti analogiche e digitali, classificazione dei segnali e dei servizi, trasduttori. Parametri prestazionali: bit-rate, SNR, MOS, BER, SER. Tipi di messaggi e frequenze audio. Soglia di udibilità e del dolore, perdita di sensibilità dell’udito (*). Canali di comunicazione: ideale, perfetto, lineare e permanente, lineare e non permanente. Banda di un canale. Equalizzazione. Canali non lineari: distorsione di armonica e rumore di intermodulazione, effetti e soluzioni. Canali rumorosi. Rumore AWGN e interferenze. Il canale radio e le onde elettromagnetiche. Attenuazione in spazio libero e formula di Friis. Effetti del mezzo e dei fenomeni atmosferici sulla propagazione (*). Il fenomeno del multipath (*). Quadripoli rumorosi: banda equivalente di rumore, temperatura e figura di rumore. Quadripoli resistivi (*). Formula di Friis per quadripoli in cascata. Temperatura di antenna e di sistema. Esercitazioni.

2.  Trasmissione digitale di segnali vocali

Caratteristiche del segnale vocale. Conversione A/D: campionamento, quantizzazione uniforme e non uniforme. SNR di quantizzazione. Codifica PCM, legge di compressione A e μ.  Vocoder a predizione lineare. Standard ITU-T e ETSI di compressione della voce. Multiplazione a divisione di frequenza (FDM) e di tempo (TDM). Esercitazioni.

3.  Codifica di sorgente e codifica di canale

Teoria dell’informazione: Misura dell’informazione ed entropia. Esempi di sorgenti discrete. Codifica di sorgente: proprietà dei codici, lunghezza di un codice, efficienza di codifica, codifica a blocchi (*), codici di Gray, Shannon-Fano, Huffman. Esercitazioni.

Codifica di canale: Codici a blocco. Rate del codice. Ritardo di codifica/decodifica. Codice lineare e sistematico. Efficienza spettrale. Codice a ripetizione e di parità. Interleaver (*).

4.  Trasmissione digitale in banda base

·        Codifica di linea binaria ed M-aria. Spettro di un codice di linea. Recupero del clock. Sistemi PAM binari ed M-ari. Interferenza intersimbolica (ISI) e criterio di Nyquist. Diagramma ad occhio. Calcolo della probabilità di errore sul bit e sul simbolo nei ricevitori binari ed M-ari in banda base. Teorema di Shannon Hartley sulla capacità di un canale.Trasmissione e di segnali PCM su canali rumorosi (*). Modulazioni con portante impulsiva PDM e PPM e confronto.

·  . 5  Introduzione alle modulazioni in banda passante

Modulazione e demodulazione d’ampiezza DSB, SSB, AM e VSB. Modulazione angolare FM e PM (*). Off-set di fase e frequenza. Confronto tra le tecniche di modulazione: potenza, banda, SNR, complessità. 

6.  Modulazioni digitali

Modulazioni binarie ASK, PSK, FSK. Confronto prestazionale: potenza, banda, BER, complessità. Modulazioni multidimensionali M-arie (*): M-PSK, QAM, M-FSK. Modulazioni ibride APSK e QAM. Modulazione multiportante OFDM. Rappresentazione vettoriale di segnali digitali: segnale trasmesso e ricevuto, decodifica e decisore ottimo per canali AWGN (*).

(*) Argomento appartenente solo al programma completo

[1] Leon W. Couch, Fondamenti di Telecomunicazioni, Prentice Hall
[2] Alessandro Falaschi, Trasmissione dei Segnali e Sistemi di Telecomunicazione, Web edition, Versione 2.0, 2023.
[3] K. Sam, Shanmugam “Digital and Analog Communication Systems”, John Wiley & Sons.
[4] Appunti del docente

Il corso non prevede la frequenza obbligatoria, ma è fortemente suggerita per il superamento dell’esame. Il laboratorio è invece obbligatorio con una presenza di almeno il 70 %.

Tipo di verifica 1 (Rivolto a chi sceglie la tesina):

- Prova in itinere di 2 esercizi in 90 minuti sulle prime 3 parti di programma – validità 1 anno

- Tesina (gruppi da ¾ persone, consegna entro Maggio) – validità 1 anno

- Prova orale di 2 domande su un programma ridotto – senza argomenti con (*)

Tipo di verifica 2 (Rivolto a chi sceglie il progetto):

- Prova in itinere di 1 esercizio in 45 minuti sulle prime 2 parti di programma – validità 1 anno

- Progetto (gruppi da ¾ persone, consegna entro Maggio) – validità 1 anno

- Prova orale di 2 domande su un programma ridotto – senza argomenti con (*)

Tipo di verifica 3 (Rivolto a chi non supera o non svolge la prova in itinere):

- Tesina o progetto (gruppi da ¾ persone, consegna entro Maggio) – validità 1 anno

- Prova orale di 3 domande su un programma completo + 1 esercizio su prime 3 parti di programma

La prova in itinere si supera con almeno il 50 % di corretto svolgimento. Per le prime due tipologie di verifica, chi non supera l’esame orale deve sostenere nuovamente solo questo, prenotandosi agli appelli successivi.

Canali di comunicazione. Distorsione di ampiezza, di fase e di armonica. Rumore di intermodulazione. Equalizzazione. Canali rumorosi AWGN. Canali radio: attenuazione di spazio libero (formula di FRIIS). Teoria dell’informazione: Misura dell’informazione ed entropia. Quantizzazione uniforme e non uniforme. SNR di quantizzazione. Trasmissione numerica in banda base. Sistemi PAM binari ed M-ari (cenni) in banda base. Interferenza intersimbolo (ISI) e criterio di Nyquist. Diagramma ad occhio. Probabilità di errore. Introduzione alle modulazioni in banda passante: modulazione e demodulazione d’ampiezza DSB, SSB, AM e VSB; modulazione angolare FM e PM. Modulazioni digitali: Modulazioni binarie ASK, FSK, PSK. Confronto prestazionale: potenza, banda, BER, complessità. Modulazioni multidimensionali M-arie: M-PSK, M-FSK, QAM. Sistemi di trasmissione DMT ed OFDM.