Obiettivi formativi
Gli obiettivi del corso, in termini di conoscenza e comprensione, sono i seguenti:
- fornire allo studente una panoramica sui principali sistemi di telecomunicazioni, con particolare attenzione alle comunicazioni digitali.
Le capacità di applicare le conoscenze e comprensione elencate sopra risultano essere utili in particolare per:
- comprendere il principio di funzionamento di un sistema di telecomunicazione a partire dalla sua architettura.
- comprendere i compromessi progettuali di un sistema di telecomunicazione.
- simulare numericamente un sistema di comunicazione.
Prerequisiti
E' consigliata una conoscenza della teoria della probabilità, sebbene i principali concetti verranno rivisti durante il corso.
Contenuti dell'insegnamento
Introduzione ai sistemi di telecomunicazione. Il modello ISO-OSI. Caratteristiche di propagazione del canale radio. Comunicazioni satellitari. Simulazione numerica di sistemi di comunicazione. Fondamenti di teoria dell'informazione. Fondamenti di teoria dei codici. Metodi di accesso (con assegnazione fissa o dinamica delle risorse). Dimensionamento di una rete cellulare. Comunicazioni wireless.
Programma esteso
LEZIONE 1
Introduzione al corso.
LEZIONE 2
Decibel. Proprietà dei decibel. Scale logaritmiche. Perdite e guadagni.
LEZIONE 3
Perdite nei cavi. Onda. Lunghezza d'onda. Perdita da spazio libero. Area efficace di una antenna. Fading.
LEZIONE 4
Esercizio amplificatori e rumore.
Fading. Statistiche di Rayleigh.
Margini nelle comunicazioni. Fuori servizio. Probabilità di fuori servizio.
Comunicazioni satellitari. Orbite.
LEZIONE 5
Comunicazioni satellitari. Orbite. Bande satellitari. Principali problemi e soluzioni delle comunicazioni satellitari.
Modello ISO-OSI. Strato fisico, data-link, rete, trasporto, sessione, presentazione e applicazione.
LEZIONE 6
Il linguaggio MATLAB. Commenti, variabili, matrici, condizioni, cicli, vettorizzazione, funzioni.
LEZIONE 7
MATLAB: istruzione "end". indicizzazione logica. Numeri casuali. Variabili struct e cell. Grafici.
Circuito virtuale. Modello TCP/IP.
LEZIONE 8
MATLAB: calcolo della trasformata di Fourier di un segnale campionato.
Funzioni anonime.
Minima e massima frequenza di un segnale a tempo-discreto.
Comando fftshift.
Esempio: modulazione di un segnale e problema dell'aliasing.
LEZIONE 9
MATLAB: riassunto dei concetti principali.
Risoluzione esercizi di teoria 1-8.
LEZIONE 10
MATLAB: campionamento segnali analogici: scelta dell'asse dei tempi e della frequenza.
Analisi di un segnale sinusoidale. Problema della ripetizione periodica.
Analisi frequenziale di un segnale di banda nota e strategie per un segnale di banda non nota.
LEZIONE 11
Risoluzione esercizi 9-12.
Codifica. Rilevazione e correzione di errore. Code rate.
Codici a ripetizione. Probabilità di rilevazione o decodifica errata.
LEZIONE 12
MATLAB: generazione e ricezione di segnali AM, DSB, e SSB.
LEZIONE 13
MATLAB: generazione di rumore AWGN. Legame tra la potenza di rumore simulato in banda base e la densità spettrale di potenza.
Banda equivalente di rumore.
LEZIONE 14
MATLAB: stima del rapporto segnale rumore (SNR). Problema della distorsione del segnale nella definizione del SNR.
Stima del SNR per una trasmissione DSB. Confronto tra simulazione di una trasmissione DSB con segnali passabanda o equivalenti passabasso.
LEZIONE 15
Codifica hard e soft (cenni).
Costellazioni. Modulazioni digitali multilivello.quadrature phase shift keying (QPSK), quadrature amplitude modulation (QAM). Primo confronto tra modulazioni multilivello.
Teoria dell'informazione. Motivazioni.
Definizione di informazione. Entropia. Informazione mutua. Informazione media mutua e capacità di canale.
LEZIONE 16
MATLAB: esercizio in aula su ricezione supereterodina.
LEZIONE 17
Teorema di Shannon: dimostrazione euristica di Hartley.
Capacità di canale con vincoli.
Information rate. Impatto del codice nell'information rate.
Esercizio: calcolo informazione mutua in canale simmetrico.
LEZIONE 18
Utilizzo delle correlazioni per migliorare la stima: control variates.
Medium access control (MAC). Assegnazione delle risorse statica e dinamica.
Frequency division multiple access (FDMA), time division multiple access (TDMA), and code division multiple access (CDMA).
Direct-sequence spectrum (DSS): trasmettitore.
LEZIONE 19
MATLAB: ricezione di un impulso con matched filter.
Convoluzione con la funzione conv.m.
Calcolo del rapporto segnale rumore con filtro adattato e filtro generico.
LEZIONE 20
Allocazione dinamica delle risorse.
Problema della collisione. Throughput.
Aloha. Prestazioni dell'aloha.
Slotted-aloha.
Carrier-sense multiple access (CSMA).
CSMA con rilevamento delle collisioni (CSMA-CD).
Probabilità di trasmissione con successo.
LEZIONE 21
Ethernet. Dispositivi di ethernet.
Codifica Manchester.
Pacchetto Ethernet: dimensione minima.
Strategia di backoff. efficienza del canale: tempo medio di attesa.
Cavi per ethernet: doppini intrecciati, fibre ottiche.
Fibre ottiche: ragioni dei vantaggi.
Fibre ottiche singolo modo e multimodo.
Reti wireless: problemi.
Frequency hop spread spectrum (FHSS). Fast FHSS.
Problema della stazione nascosta e della stazione esposta.
Carrier-sense multiple access collision avoidance (CSMA-CA).
LEZIONE 22
Multiple-input-multiple-output (MIMO): idea di base.
Reti cellulari.
Concetto di riuso. Frequenza di riuso. Cluster di celle.
Handover.
Dimensionamento delle celle. Rapporto segnale-interferente.
Modello di canale cellulare. Problema dei cammini multipli.
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM).
Risoluzione esercizi 13-17.
LEZIONE 23
MATLAB: generazione e ricezione di segnali PAM. Probabilità di errore.
LEZIONE 24
Risoluzione esercizi 18-27.
Bibliografia
- A. B. Carlson e P. B. Crilly, Communication Systems: an Introduction to Signals and Noise in Electrical Communication, Mcgraw Hill Higher Education, 5th edition, 2010. ISBN-13: 978-0071263320.
- A. S. Tannenbaum e D. Wetherall, Reti di calcolatori, Pearson, 6th edition, 2021, ISBN: 9788891915313.
Metodi didattici
Nel corso delle lezioni verranno esaminati i temi connessi a sistemi di telecomunicazione, come indicato nel programma. Si utilizzano sia slides che lavagna. Saranno svolti esercizi in aula. Le slides del corso saranno disponibili sulla piattaforma Elly.
Saranno svolte alcune esercitazioni al computer con il software MATLAB al fine di simulare sistemi di comunicazione.
Modalità verifica apprendimento
Il corso si avvale di una prova scritta nelle sessioni di esame e di un progetto col linguaggio MATLAB. La prova scritta è basata su esercizi e domande a risposta aperta. Se non espressamente indicato, tutte le domande hanno lo stesso valore.
Il progetto consiste nella simulazione di un sistema di comunicazione, ed è valutato in termini di chiarezza, completezza, correttezza e plagio.
Il voto finale del corso di sistemi di comunicazione è la media pesata con lo schema 0.25*(voto modulo 1, analogico) + 0.25*(voto modulo 1, digitale) + 0.25*(voto modulo 2 ,scritto) + 0.25*(voto modulo 2, progetto).
Gli esami si svolgeranno in base alle normative ed alle indicazioni di ateneo vigenti alla data dell'appello.
Informazioni più dettagliate sono presenti nelle slides della lezione di introduzione.
Altre informazioni
Il materiale didattico e di supporto alle lezioni verrà fornito in parte dal docente.
