Obiettivi

Il corso si propone di fornire agli studenti i principi teorici della comunicazione digitale e della codifica di canale, insieme ai concetti fondamentali dei sistemi di comunicazione cablati e wireless. Il corso introduce le principali tecnologie e soluzioni di comunicazione utilizzate nelle telecomunicazioni, tra cui le tecniche di modulazione e multiplazione, i mezzi trasmissivi, i codici per la correzione degli errori, le tecniche di diversità, le comunicazioni a spettro espanso, i sistemi MIMO, la sincronizzazione e le soluzioni di comunicazione per applicazioni dell'Internet of Things (IoT).

Il corso mira inoltre a sviluppare la capacità di analizzare, progettare, valutare e dimensionare sistemi di comunicazione, nonché di selezionare le soluzioni tecniche più appropriate sulla base dei requisiti di uno specifico scenario applicativo.

Conoscenza e capacità di comprensione

Al termine del corso, gli studenti avranno acquisito conoscenze e capacità di comprensione relative a:

• i principi teorici della comunicazione digitale e della codifica di canale;

• i concetti fondamentali alla base dei sistemi di comunicazione cablati e wireless;

• le principali tecnologie e soluzioni di comunicazione utilizzate nei sistemi di telecomunicazione, comprese le tecniche di modulazione e multiplazione, i mezzi trasmissivi, i codici per la correzione degli errori, le tecniche di diversità, le comunicazioni a spettro espanso e i sistemi MIMO;

• le principali soluzioni di comunicazione adottate nelle applicazioni dell'Internet of Things (IoT).

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:

• applicare la teoria della comunicazione all'analisi e alla progettazione di sistemi di comunicazione;

• selezionare e progettare soluzioni tecniche appropriate;

• valutare e selezionare adeguati schemi di modulazione e multiplazione, mezzi trasmissivi e standard di comunicazione;

• progettare e dimensionare sistemi di comunicazione;

• analizzare e confrontare soluzioni di comunicazione cablate e wireless sulla base dei requisiti dello scenario applicativo.

Autonomia di giudizio

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:

• valutare l'idoneità e le prestazioni di differenti soluzioni di comunicazione;

• interpretare i requisiti tecnici e i compromessi progettuali relativi, ad esempio, a banda, potenza, affidabilità, costo e complessità;

• confrontare criticamente soluzioni alternative in termini di modulazione, codifica, tecniche di diversità, comunicazioni a spettro espanso e mezzi trasmissivi;

• valutare i bilanci di collegamento (link budget) e le prestazioni dei sistemi in scenari applicativi realistici.

Abilità comunicative

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:

• descrivere e illustrare le architetture dei sistemi, le scelte progettuali e i risultati dell'analisi delle prestazioni;

• presentare in modo chiaro e coerente le attività di analisi e progettazione;

• comunicare efficacemente informazioni di carattere tecnico sia oralmente sia per iscritto.

Capacità di apprendimento

Al termine del corso, gli studenti avranno acquisito la capacità di:

• approfondire autonomamente tematiche avanzate relative alle comunicazioni digitali, alla codifica di canale e ai sistemi wireless;

• utilizzare metodologie e strumenti appropriati per l'analisi e la progettazione di sistemi di comunicazione;

• mantenersi aggiornati sull'evoluzione delle tecnologie nel settore delle telecomunicazioni e delle applicazioni IoT.

Struttura del corso

Il corso comprende lezioni ed esercitazioni di laboratorio (58 ore, 6 CFU), finalizzate a fornire agli studenti le conoscenze teoriche e le metodologie analitiche necessarie per l'analisi, la progettazione e la valutazione di moderni sistemi di comunicazione digitale, wireless e satellitare.

Le lezioni affrontano i concetti fondamentali relativi alla rappresentazione dei segnali nello spazio, alla decodifica ottima e a massima verosimiglianza, alle tecniche a spettro espanso, alla teoria dell'informazione, alla codifica di canale, alle comunicazioni MIMO e UWB, alle architetture dei sistemi di comunicazione satellitare, ai bilanci di collegamento (link budget), alle antenne, alla propagazione radio e alla progettazione di collegamenti wireless.

Le attività didattiche sono orientate allo sviluppo sia della comprensione teorica sia della capacità di applicare i concetti acquisiti a scenari pratici di sistemi di comunicazione. Particolare attenzione è dedicata all'analisi e alla progettazione dei collegamenti di comunicazione, inclusa la valutazione degli effetti della propagazione, dei guadagni e delle perdite delle antenne, dei bilanci di collegamento, dei collegamenti satellitari e dei sistemi di comunicazione wireless e veicolari.

Le modalità didattiche adottate sono coerenti con gli obiettivi formativi del corso, che mirano a fornire agli studenti la conoscenza dei principi fondamentali e delle tecniche avanzate impiegate nelle moderne comunicazioni digitali e wireless, sviluppando al contempo la capacità di analizzare, progettare e valutare sistemi e collegamenti di comunicazione attraverso adeguate metodologie analitiche e ingegneristiche.

Conoscenze essenziali

• Conoscenze di base della teoria della probabilità e delle variabili aleatorie.

• Conoscenze di base dei segnali deterministici e aleatori.

• Conoscenze di base delle tecniche di modulazione digitale, tra cui ASK, FSK e PSK.

Conoscenze importanti

• Conoscenze di base della codifica di canale e delle tecniche di controllo degli errori.

Conoscenze utili

• Conoscenza dell'ambiente MATLAB e delle principali librerie di base di Python.

Parte 1: Introduzione al corso (2 ore)

[Didattica frontale: 2 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 0]:

Course overview, Preliminary Assessment

Parte 2: Rappresentazione nello spazio dei segnali e algoritmo di Gram–Schmidt, decodifica ML (8 ore)

[Didattica frontale: 3 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 5]:

Parte 3: Tecniche a spettro espanso (8 ore)

[Didattica frontale: 4 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 4]:

Pseudo Noise Sequences, DSSS, DSSS Analysis, FHSS

Parte 4: Teoria dell'informazione, codifica di canale, sistemi MIMO e comunicazioni UWB (12 ore)

[Didattica frontale: 4 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 8]:

Entropy of a discrete memoryless information source (Properties), Source coding and source coding theorem and Example, Mutual Information, Properties and Channel capacity – definition, Capacity theorem and its implications, Linear block codes, Convolutional encoder, Trellis and Viterbi Algorithm, Huffman codes and Lempel Ziv codes, MIMO systems and Capacity Analysis, Capacity Analysis-MIMO systems, Optimal power distribution in MIMO systems (Waterfall method): Low and High SNR Cases

Parte 5: Fondamenti e architetture delle comunicazioni satellitari (8 ore)

[Didattica frontale: 7 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 1]:

Antenna alignment and frequency bands, Internal architectures of satellites, Medium access control in satellite networks

Parte 6: Bilanci di collegamento, antenne, propagazione, equazione di Friis, perdite e guadagni (10 ore)

[Didattica frontale: 4 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 6]:

Parte 7: Progettazione di collegamenti wireless, profili del percorso, propagazione e comunicazioni veicolari (10 ore)

[Didattica frontale: 4 ore, Esercitazioni e Laboratorio: 6]:

Il corso contribuisce principalmente al SDG 4 – Istruzione di qualità, al SDG 9 – Imprese, innovazione e infrastrutture e al SDG 11 – Città e comunità sostenibili, fornendo conoscenze e competenze relative all'analisi, alla progettazione e alla valutazione dei moderni sistemi di comunicazione digitali e wireless e delle loro applicazioni in ambienti connessi e intelligenti.

1. S. Haykin, Communication systems. John Wiley and Son 
2. Freeman, Telecommunication systems Engineering. J. Wiley and Son
3. J. G Proakis and M. Salehi. Digital Communications - 5th edition. McGraw Hill

La valutazione consiste in una prova scritta e una prova orale, entrambe svolte nella stessa giornata.

La prova scritta consiste in due domande:

• Una domanda estratta casualmente di Teoria della Comunicazione, del valore di 15 punti.

• Una domanda estratta casualmente di Sistemi di Comunicazione, del valore di 15 punti.

La prova scritta prevede un punteggio massimo complessivo di 30 punti.

La prova orale si svolge anch'essa nella stessa giornata della prova scritta.

Communication Theory

1. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS): Transmitter and Receiver, analysis, DSSS processing gain, error probability and jamming margin.

2. MIMO Systems: Capacity Analysis and Optimal Power Distribution in MIMO Systems.

3. Trellis and Viterbi algorithms.

Communication Systems

1. Satellite Communications: General concepts, advantages and disadvantages, satellite orbits.

2. Connection Margin and Free-Space Propagation Model: Directive Gain, Directivity, and Power Gain.

3. Losses and Gains in a Typical Wireless Link: Received Signal Level (RSL), Interference Rejection Level (IRL), and Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP) — Exercises.

4. Design Phases of a Wireless Communication Link: Path Profile.