COMUNICAZIONI DIGITALI A - L
Anno accademico 2019/2020 - 3° annoCrediti: 6
SSD: ING-INF/03 - Telecomunicazioni
Organizzazione didattica: 150 ore d'impegno totale, 100 di studio individuale, 35 di lezione frontale, 15 di esercitazione
Semestre: 2°
ENGLISH VERSION
Obiettivi formativi
Il corso fornisce le conoscenze di base relative alla trasmissione analogica e digitale su mezzo fisico, sia in banda base che in banda passante. Il corso prevede una sezione introduttiva sulla rappresentazione vettoriale dei segnali e sulla conversione analogico/digitale. In seguito, dopo aver introdotto i concetti di base della trasmissione binaria e delle problematiche causate dal canale, il corso affronta i temi delle modulazioni analogiche e digitali, con la definizione e di diversi parametri prestazionali caratterizzanti i vari schemi di modulazione. Particolare attenzione viene rivolta alle tecniche di modulazione utilizzate nei sistemi digitali oggi più diffusi, quali ADSL, LTE, 4G e 5G.
Il corso mira a fornire delle competenze specifiche per il dimensionamento di sistemi di trasmissione digitale in banda base e in banda passante, tenendo conto dei possibili requisiti prestazionali in termini di banda e bit error rate, e dei requisiti di ingresso forniti dallo specifico scenario applicativo.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Il corso è composto da una parte di teoria (35 ore) e da una parte di esercitazioni (15 ore).
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):
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Argomenti |
ORE |
Riferimenti 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 |
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UDE 2: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base
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6 |
Couch: Cap. 3.3
e dispense del docente |
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UDE 3: Modulazioni analogiche
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10 |
Couch: Cap. 5.1 – 5.5 e Cap. 7.8
e dispense del docente |
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UDE 4: Modulazioni digitali
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10 |
Couch: Cap. 7.1 – 7.7
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
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base - Schema di riferimento della modulazione digitale PAM - Codici di linea binari e multilivello. - Rappresentazione vettoriale dei segnali - Interferenza Intersimbolica e Bit Error Rate. | Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e diapositive proiettate a lezione |
| 2 | UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base - Spettro di un codice di linea. Codifica differenziale. - Secondo e terzo criterio di Nyquist. - Regola MAP. - Schemi a blocchi di modulatori e demodulatori digitali. | Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e diapositive proiettate a lezione |
| 3 | UDE 2: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base - Modulazione PCM: campionamento, quantizzazione e codifica. - Quantizzazione uniforme e non uniforme. | Couch: Cap. 3.3 e diapositive proiettate a lezione |
| 4 | UDE 2: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base - Calcolo dell’SNR per disribuzione non uniforme del segnale. - Companding. - Progetto di un segnale PCM per un sistema telefonico. | Couch: Cap. 3.3 e diapositive proiettate a lezione |
| 5 | UDE 3: Modulazioni analogiche - Definizioni: segnali in banda passante, modulante, modulato, Inviluppo complesso. Spettro 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 |
| 6 | UDE 3: Modulazioni analogiche - Calcolo dello spettro di un segnale sinusoidale modulato con FM o PM. - Disturbi sulle modulazioni analogiche | Couch: Cap. 5.1 – 5.5 e Cap. 7.8 e diapositive proiettate a lezione |
| 7 | UDE 4: Modulazioni digitali - Modulazioni binarie OOK, BPSK ed FSK; Modulazioni multilivello MPSK, QPSK, N-QAM ed N-FSK - Sistemi di trasmissione MIMO ed OFDM | Couch: Cap. 7.1 – 7.7 e diapositive proiettate a lezione |
| 8 | UDE 4: Modulazioni digitali. - DSP dell’inviluppo complesso e del segnale modulato per le modulazioni binarie OOK, BPSK, FSK, MPSK, QPSK e N-QAM. - Schemi a blocchi dei modulatori e dei demodulatori digitali. | Couch: Cap. 7.1 – 7.7 e diapositive proiettate a lezione |
| 9 | Modulazioni multi-portante. Modulazione DMT e modulazione OFDM. | Diapositive proiettate a lezione, macrolezione 7. Libro Falaschi, capitolo 14.8, disponibile su: https://teoriadeisegnali.it/wiki/Libro/UltimaEdizione |
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.
La prova orale consta di 3 domande, una delle quali riguarderà lo svolgimento di un esercizio numerico tra quelli forniti in precedenza dal docente.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
| ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 1 | |
| Trasmissione digitale in banda base - parte 1 | |
| 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 (vedi lezione 3, slides 4-15 e 38-46). Modulatore e demodulatore. Probabilità di errore sul simbolo e sul bit. Uso della codifica Gray. |
| 2 | Rappresentazione vettoriale dei segnali. Motivazione della sua applicazione nelle comunicazioni elettriche. Definizione di prodotto scalare. Base ortogonale e ortonormale. Calcolo delle componenti di un segnale rispetto alla base ortonormale. Calcolo del segnale dalle sue componenti rispetto ad una base ortonormale. Calcolo dell'energia di un segnale dalle sue componenti. Procedimento di ortogonalizzazione di Gram-Schmidt. Definizione ed esempio di segnali antipodali, ortogonali e biortogonali. |
| 3 | Trasmissione digitale 2-PAM in banda base: Schema di riferimento ("schema 2"), modulatore 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. Codifica differenziale. Capacità di canale. Energia media per bit e potenza media in trasmissione e ricezione. Definizione di dB e di dBm. Attenuazione in spazio libero. |
| 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. Commento al VIDEO 1. |
| 5 | Spettro di potenza di un codice di linea, con dimostrazione. |
| 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. |
| 7 | Codifica digitale multisimbolo e caso particolare L-PAM. Schema di riferimento della trasmissione digitale L-PAM in banda base. Modulatore e demodulatore numerici. Codifica Gray. Definizione di probabilità di errore sul simbolo e sul bit. Densità spettrale di potenza e banda della L-PAM polare. Efficienza spettrale di un codice di linea L-PAM (con impulso sagomatore a impulso rettangolare e con impulso sagomatore a coseno rialzato) e confronto con il caso 2-PAM. |
| Trasmissione digitale in banda base - parte 2 | |
| 8 | 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) |
| 9 | 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. |
| 10 | Interferenza intersimbolica (definizione e motivazioni). Primo criterio di Nyquist; Filtri di Nyquist; secondo e terzo criterio di Nyquist (solo enunciati). |
| 11 | Schema di riferimento del sistema di trasmissione digitale in banda base ("schema 2"). Energia media per bit e potenza media in trasmissione e ricezione. Filtro adattato (risposta all'impulso e risposta in frequenza). Annullamento dell'ISI con filtro adattato. Espressione generale della BER per modulazioni 2-PAM (tramite il teorema della probabilità totale). |
| 12 | 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"). 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. |
| 13 | 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. |
| 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). Esempio di applicazione ad una trasmissione 2-PAM e posizionamento della soglia. |
| 15 | 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. |
| 16 | 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. |
| 17 | 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). |
| 18 | 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. |
| ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 2 | |
| Pulse Code Modulation (PCM) | |
| 19 | 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. |
| 20 | 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). |
| 21 | 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. |
| Modulazioni analogiche | |
| 22 | 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. Commento al VIDEO 8. |
| 23 | 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. Commento al VIDEO 4. |
| 24 | 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. Commento al VIDEO 5. |
| 25 | Modulazione analogica AM SSB: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica; Spettro del segnale modulato; Potenza media normalizzata e potenza di picco. Commento al VIDEO 6. |
| 26 | Modulazione analogica AM VSB: Caratteristica del filtro vestigiale; Spettro del segnale modulato. Commento al VIDEO 7. |
| 27 | 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 |
| 28 | 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 |
| Modulazioni digitali | |
| 29 | 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. Commento al VIDEO 3. |
| 30 | 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. Commento al VIDEO 2. |
| 31 | 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. |
| 32 | 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. |
| 33 | 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. |
| 34 | 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. Commento al VIDEO 9. |
| 35 | Modulazioni multi-portante. Modulazione DMT e sue applicazioni pratiche. Confronto con la modulazione OFDM. Principio di funzionamento della modulazione OFDM. |
| 36 | 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. |
| ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 3 | |
| 37 | Esercizio 1: Progettazione del filtro di Nyquist per l’annullamento dell’ISI. |
| 38 | Esercizio 2: Rappresentazione vettoriale di un insieme di segnali |
| 39 | Esercizio 3: Regioni di decisione e stima della probabilità di errore |
| 40 | Esercizio 4: Regioni di decisione e stima della probabilità di errore |
| 41 | Esercizio 5: Probabilità di errore per una N-PAM a costellazione non uniforme |
| 42 | Esercizio 6: Probabilità di errore su una costellazione bi-dimensionale |
| 43 | Esercizio 7: Potenza ed energia di trasmissione e ricezione |
| 44 | Esercizio 8: Rappresentazione vettoriale e Union Bound |
| 45 | Esercizio 9: PCM a distribuzione del segnale uniforme sulla dinamica picco-picco |
| 46 | Esercizio 10: PCM a distribuzione del segnale non uniforme sulla dinamica picco-picco |
| 47 | Esercizio 11: Modulazione AM e multiplazione di frequenza |
| 48 | Esercizio 12: Modulazione FM e multiplazione di frequenza |
Elenco dei video su Youtube da portare all’esame
VIDEO 1 (Codici di linea)
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Youtube Title: Decoding Automotive Key Fob Communication based on Manchester-encoded ASK Modulation |
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Descrizione: Applicazione della modulazione ASK basata su codice Manchester alla tx del telecomando dell'auto. |
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Link: |
VIDEO 2 (Modulazione BPSK)
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Youtube Title: Bpsk (Binary Phase Shift Keying) |
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Descrizione: Esperimento sulla modulazione BPSK |
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Link: |
VIDEO 3 (Modulazione OOK single-carrier e multicarrier)
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Youtube Title: Visible Light Communication (VLC) |
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Descrizione: Trasmissione di bit tramite “Visible Light Communication (VLC)”. Ogni canale utilizza una modulazione OOK e una portante diversa (tre canali, uno per ciascun colore) |
VIDEO 4 (Modulazione AM)
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Youtube Title: Super simple demo of AM on the oscilloscope in relation to the almighty watt meter. |
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Descrizione: Un segnale audio a 1kHz modulato con una portante a 27.2050 MHz. Analisi al variare della profondità di modulazione ottenuta variando la potenza del segnale modulante. |
VIDEO 5 (Soppressione della portante: AM DSB vs. AM DSB-SC) [visualizzare dal istante: 3:22]
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Youtube Title: #224: AM & DSB-SC Modulation with the Gilbert Cell |
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Descrizione: Descrizione di cosa comporta nel dominio del tempo e in quello della frequenza la soppressione della portante |
VIDEO 6 (Segnale vocale modulato AM)
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Youtube Title: JH8SST/7 MC1496 AM Modulation demonstration |
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Descrizione: Visualizzazione su oscilloscopio della forma d’onda del segnale vocale modulato AM |
VIDEO 7 (Realizzazione di un modulatore AM)
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Youtube Title: How to Make AM Radio Transmitter |
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Descrizione: Semplice realizzazione di un trasmettitore AM con un oscillatore e un trasformatore |
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Link: https://youtu.be/_4-Sx-T6VBc?list=PLy2g0xGbrfs35J0v7lXArjlnC35ahNTM2 |
VIDEO 8 (Panoramica sulle modulazioni analogiche e digitali)
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Youtube Title: Understanding Modulation! |
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Descrizione: Una breve ma efficace panoramica delle modulazioni analogiche e digitali |
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Link: https://www.youtube.com/watch?v=Lll53ihvAaM |
VIDEO 9 (Li-Fi Communications)
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Youtube Title: Optical Wireless Transmission - Li-Fi |
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Descrizione: Tecnologia Li-Fi e sue applicazioni |
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Link: https://www.youtube.com/watch?v=i4-z0xETiUM |
ISTRUZIONI: Preparare una breve sequenza di immagini in Powerpoint o pdf per descrivere con parole proprie l’esperimento presentato in ciascun video. Durante l’esame la sequenza può essere mostrata al docente anche sul proprio cellulare.