Trasmissione Numerica

Obiettivi

Lo scopo di questo corso è fornire gli strumenti base per l'analisi e il progetto di un sistema di trasmissione numerica. In particolare, si forniscono le metodologie utili al progetto di ricetrasmettitori numerici e al dimensionamento dei parametri di sistema (potenza, velocità di trasmissione, banda, ecc.) per garantire il funzionamento di un collegamento (cablato o radio) con specifiche prestazioni. Vengono anche introdotte alcune delle moderne tecniche di comunicazione numerica (p.es., equalizzazione a blocchi, OFDM, tecniche in diversità) per contrastare l'effetto di canali rumorosi affetti da fading piatto o selettivo in frequenza. Infine, si introducono alcuni dei principali aspetti della teoria dell'informazione relativi alla codifica di sorgente discreta e alla capacità di canale.

Prerequisiti: Conoscenza di base di analisi matematica, algebra lineare e calcolo delle probabilità.

Esame: Esame scritto con discussione orale dell'elaborato. Struttura del compito d'esame: Un esercizio sul dimensionamento di un sistema di trasmissione numerica e due domande sugli argomenti teorici del programma.

Programma

1) Elementi Base di Teoria dei Segnali

• Classi di segnale, energia, potenza, prodotto scalare; [R4]
• Rappresentazione discreta dei segnali, serie di Fourier, trasformata di Fourier, proprietà della trasformata di Fourier; [R1, ch. 2.2] [R4]
• Convoluzione, correlazione, transito di segnali in sistemi lineari e permanenti; [R4]
• Modulazione analogica di portante sinusoidale; [R1, ch. 2.1] [R4]

2) Modulazione Numerica

• Modulazioni lineari: Diagramma delle costellazioni, Pulse Amplitue Modulation (PAM), Phase Shift Keying (PSK), Quadrature Amplitude Modulation (QAM); [R1, ch. 2.2 & 3.1 & 3.2]
• Modulazioni nonlineari ortogonali: Frequency Shift Keying (FSK); [R1, ch. 3.2]
• Implementazione del modulatore numerico; [R1, ch. 3.2]

3) Teoria del Ricevitore Ottimo

• Ricevitori a massima probabilità a posteriori (MAP) e a massima verosimiglianza (ML), regioni di decisione, decisione ottima, implementazioni del ricevitore (a correlazione, a filtro adattato); [R1, ch. 4.1 & 4.2]
• Probabilità d'errore del ricevitore a massima verosimiglianza sul canale AWGN, probabilità d'errore di sistemi PAM e QAM, limite superiore dell'unione, probabilità d'errore di sistemi FSK; [R1, ch. 4.2 & 4.3]

4) Canali e Link Budget

• Attenuazione di segnale su un collegamento cablato, ripetitori rigenerativi di segnale; [R4]
• Il canale radio: antenne isotrope e direttive, path loss, range equation; [R2. ch. 5.3]
• Rumore del ricevitore: reti due porte, reti due porte in cascata, fattore di rumore, temperatura di rumore di sistema, potenza di rumore; [R2. ch. 5.5]
• Link budget, margine di sistema, dimensionamento di un sistema di trasmissione numerica; [R2. ch. 5.4]
• Attenuazione aleatoria: pioggia, fading dovuto a cammini multipli; [R4]

5) Comunicazioni su Canali Selettivi in Frequenza

• Trasmissione di sequenze, interferenza intersimbolica (ISI), condizioni di Nyquist per la cancellazione dell'ISI, forme d'onda a radice quadrata di coseno rialzato; [R1, ch. 9.1 & 9.2]
• Modello di canale selettivo in frequenza, cenni sul ricevitore ML in presenza di ISI, sistemi di trasmissione a blocchi, equalizzazione di canale (Zero Forcing, Minimum Mean Square Error), stima di canale; [R1, ch. 9.2 & 9.3] [R3, ch. 3.2 & 3.5]
• Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM): Modulazione e demodulazione, prefisso ciclico, implementazione numerica basata sulla trasformata di Fourier discreta; [R3, ch. 3.3] [R1. ch. 11.2]

6) Teoria dell'Informazione

• Definizione di informazione, entropia di sorgente; [R1, ch. 6.2 & 6.3]
• Codifica di sorgente discreta: 1° Teorema di Shannon, codifica di Huffman; R1, ch. 6.3]
• Informazione mutua, capacità di canale, capacità del canale binario simmetrico, capacità del canale AWGN, 2° Teorema di Shannon, cenni su codici a rivelazione e correzione d'errore; [R1, ch. 6.5 & 6.7]
• Capacità di canale selettivo in frequenza, allocazione ottima di potenza: water filling; [R4]
• Capacità di canale affetto da fading piatto, outage, cenni su tecniche in diversità; [R4]

Libri di testo:

[R1] J. Proakis, M. Salehi, "Digital Communications", McGraw-Hill, 5th edition;

[R2] B. Sklar, "Digital Communications", Pearson, 2nd edition;

[R3] S. Barbarossa, "Multiantenna Wireless Communication Systems", Artech House, 2003 ; Link al ch. 3 del libro

[R4] Dispense a cura del docente;