Obiettivi / Objectives

Il corso si prefigge di fornire le conoscenze di base e gli strumenti metodologici per l’analisi e la progettazione di sistemi di comunicazione digitale, con particolare riferimento ai principali schemi di trasmissione in banda base e in banda passante. Saranno affrontati i principi fondamentali della trasmissione digitale, con particolare attenzione alla rappresentazione dei segnali, alle caratteristiche dei canali rumorosi, alle prestazioni in termini di probabilità di errore, energia, potenza, banda ed efficienza spettrale.

In particolare, saranno introdotti i fondamenti della codifica e della modulazione digitale attraverso lo studio della rappresentazione vettoriale dei segnali, delle basi ortogonali e ortonormali e delle principali regole di decisione, quali MAP e ML. Saranno inoltre analizzati i sistemi PAM, le problematiche relative all’interferenza intersimbolica e i criteri di Nyquist, nonché le principali modulazioni digitali in banda passante, tra cui OOK, BPSK, FSK, PSK e QAM. Verranno inoltre presentati i principi delle modulazioni analogiche AM, DSB-SC, SSB, VSB, PM e FM e delle tecniche di trasmissione multiportante DMT e OFDM.

Durante il corso saranno anche affrontati i principi della conversione analogico-digitale e della modulazione PCM, con particolare riferimento al campionamento, alla quantizzazione uniforme e non uniforme, alla codifica e ricostruzione del segnale e alle tecniche di companding. Saranno inoltre introdotti i fondamenti della teoria dell’informazione e della codifica di sorgente, con riferimento alle tecniche di Shannon-Fano e Huffman, e della codifica di canale per la rivelazione e correzione degli errori.

Durante il corso sono previste esercitazioni finalizzate a fornire agli studenti competenze operative nell’analisi e nella progettazione di sistemi di comunicazione digitale. Le attività comprendono esercizi sulla rappresentazione vettoriale, sulle regioni di decisione e sulla probabilità di errore, sulla progettazione di filtri di Nyquist, sulla valutazione delle prestazioni delle modulazioni e sui sistemi PCM e di codifica. Saranno inoltre utilizzati strumenti software, in particolare MATLAB/bertool, per il confronto delle prestazioni delle diverse tecniche di modulazione.

Lo studente sarà inoltre in grado di confrontare criticamente differenti soluzioni progettuali in funzione dei requisiti di banda, potenza, affidabilità ed efficienza spettrale e di discutere i risultati ottenuti, sviluppando capacità di problem solving e competenze trasversali utili nello svolgimento di attività tecnico-scientifiche e professionali.

Conoscenza e comprensione/Knowledge and understanding

Acquisire e comprendere i principi fondamentali della trasmissione digitale, con particolare riferimento alla rappresentazione vettoriale dei segnali, alle regole di decisione, alle modulazioni digitali e ai sistemi di trasmissione in banda base e in banda passante. Comprendere le problematiche di rumore, interferenza intersimbolica, probabilità di errore, banda ed efficienza spettrale.

Sviluppare la capacità di analizzare i processi di conversione analogico/digitale, di codifica di sorgente e di canale e le principali tecniche di modulazione analogica e digitale.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione/Applying knowledge and understanding

Sviluppare le competenze necessarie per analizzare uno schema di comunicazione digitale e determinarne i principali parametri prestazionali, quali probabilità di errore sul simbolo e sul bit, energia per bit, potenza, banda ed efficienza spettrale. Lo studente sarà inoltre in grado di confrontare diverse tecniche di modulazione e codifica e di valutarne l’impiego in sistemi di comunicazione reali.

Autonomia di giudizio/Making judgements

Sviluppare un adeguato grado di autonomia di giudizio nell’individuazione delle caratteristiche dei sistemi di trasmissione digitale e nella scelta delle tecniche più appropriate in funzione dei requisiti di prestazione, banda, potenza e complessità. Tali competenze potranno essere applicate anche a sistemi di comunicazione più complessi, quali quelli basati su reti mobili, sistemi satellitari e architetture 5G e 6G.

Abilità comunicative/Communication skills

Sviluppare la capacità di comunicare efficacemente e con linguaggio tecnico adeguato tematiche relative alla trasmissione digitale, alla codifica, alle tecniche di modulazione e agli apparati di trasmissione.

Capacità di apprendimento/Learning skills

Sviluppare la capacità di approfondire autonomamente l’evoluzione scientifica e tecnologica nel settore delle comunicazioni digitali, con particolare riferimento alle tecniche di trasmissione, modulazione e codifica impiegate nei moderni sistemi wireless e nelle reti ad alta capacità.

Il corso è composto da una parte di teoria (28 ore) e da una parte di esercitazioni (30 ore).

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Conoscenze indispensabili:

• Banda di un segnale in banda base e in banda passante
• 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

Conoscenze importanti:

• Convoluzione
• Densità spettrale di potenza e funzione di autocorrelazione
• Funzione densità di probabilità di una variabile aleatoria
• Processo aleatorio Gaussiano
• Campionamento di un segnale e interpolazione di una sequenza

Conoscenze utili:

• · Architettura di comunicazione TCP/IP
• · Codifica di un segnale vocale
• · Propagazione delle onde elettromagnetiche in spazio libero

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

Testi di riferimento

[T1] Leon W. Couch, Fondamenti di Telecomunicazioni, Prentice Hall

[T2] Alessandro Falaschi, Trasmissione dei Segnali e Sistemi di Telecomunicazione, Web edition, Versione 2.0, 2023.

[T3] K. Sam, Shanmugam “Digital and Analog Communication Systems”, John Wiley & Sons.

[T4] Appunti del docente.

Contributo dell’insegnamento agli obiettivi dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile

Gli argomenti trattati nel corso e le conoscenze acquisite sono direttamente o indirettamente funzionali allo sviluppo di soluzioni tecnologiche sostenibili, oltre che contribuire ad una formazione di qualità, in accordo con gli obiettivi 3, 4, 7, 9, 11, 12, 13, 14 e 15 dell’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile.

[T1] Leon W. Couch, Fondamenti di Telecomunicazioni, Prentice Hall

[T2] Alessandro Falaschi, Trasmissione dei Segnali e Sistemi di Telecomunicazione, Web edition, Versione 2.0, 2023.

[T3] K. Sam, Shanmugam “Digital and Analog Communication Systems”, John Wiley & Sons.

[T4] Appunti del docente

L’esame è costituito da una prova in itinere (facoltativa) e da una prova orale.

La prova in itinere, della durata di 3 ore, viene valutata secondo le seguenti 3 fasce:

• Fascia A: lo studente potrà sostenere l'esame con sole 2 domande su un programma ridotto.
• Fascia B: lo studente ha due possibilità:

1) sostenere l'esame orale di sole 2 domande su un programma ridotto, ma il voto finale non potrà superare i 27/30

2) sostenere l’esame orale di 2 domande su un programma completo se vuole aspirare ad un voto finale senza la limitazione del punto precedente

• Fascia C: lo studente dovrà sostenere un esame orale di 3 domande su un programma completo.

Chi non supera la prova in itinere o non vi partecipa deve sostenere un esame completo che include anche un esercizio numerico.

Se durante l'anno si svolgerà una sessione dimostrativa con stand di progetti di telecomunicazioni, sarà possibile portare all'esame una breve descrizione di due progetti a scelta. Sarà dunque possibile:

• sostenere l'esame in Fascia A pur avendo superato la Prova in Itinere in fascia B
• sostenere l'esame in Fascia B pur non avendo superato la prova in itinere.

La prova in itinere ha valore fino al 30 settembre dello stesso anno in cui il corso è stato erogato. Successivamente a tale data tutti gli studenti dovranno sostenere un esame completo che include anche un esercizio numerico.