Emulazioni Software per E-Learning

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1 Emulazioni Software per E-Learning A.N. D ANDREA, F. GIANNETTI, G. MANARA, M. MICHELINI, P. NEPA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE, UNIVERSITÀ DI PISA Nelle esercitazioni di Laboratorio assume particolare importanza l uso di strumentazione che consenta agli studenti di mettere in pratica le conoscenze acquisite durante le lezioni teoriche. D altra parte, non sempre si ha a disposizione un numero sufficiente di strumenti per svolgere le esercitazioni. Sorge, pertanto, la necessità di implementare degli strumenti virtuali che consentano di replicare in maniera software la strumentazione e i banchi di misura necessari per la didattica di laboratorio. In riferimento al mondo delle telecomunicazioni, sono stati realizzati alcuni strumenti virtuali e alcuni applicativi che permettono agli studenti di replicare le misure tipiche di questa disciplina. In particolare, abbiamo sia repliche fedeli di strumentazione da laboratorio che emulatori di sistemi di comunicazione. Durante l Expo sull E-learning organizzato presso Ferrara dal 6 all 8 ottobre 2005 sono stati presentati tali applicativi, rilevando un notevole interesse da parte di docenti universitari, docenti di Istituti Tecnici, rappresentanti del mondo delle aziende, rappresentanti di strutture pubbliche, studenti. Figura 1 Alcune foto dell Expo sull E-learning di Ferrara 1

2 A titolo di esempio, nella Figura 2 viene mostrato uno strumento per la misura della probabilità di errore, mentre nella Figura 3 si può vedere la replica software dello stesso. Figura 2 - Digital Transmission Analyzer HP3784A: lo strumento reale Nella Figura 4 viene mostrato il pannello principale di un applicativo che può essere utilizzato per l analisi di un sistema di comunicazione a modulazione di ampiezza, completo di un demodulatore a rivelatore di inviluppo e due strumenti di misura per l analisi dei segnali presenti nei vari nodi del sistema. L utente ha la possibilità di selezionare diverse sorgenti di segnale modulante mediante un click sull icona del generatore di segnale; è possibile aprire il pannello di uno strumento, mediante il controllo Panel ; è possibile piazzare il puntale di una sonda degli strumenti in un nodo qualunque del sistema mediante un click sulla sonda stessa. Nella Figura 5, a titolo di esempio, è riportato il pannello di un generatore di segnale, dal quale si possono notare tutti i controlli e gli indicatori che possono essere trovati sul pannello di un analogo strumento reale. Figura 3 - Digital Transmission Analyzer HP3784A: la replica software Nella Figura 6 è, invece, riportato il pannello di un oscilloscopio. Da notare come, in questo caso, gli strumenti virtuali sono stati realizzati in modo da replicare più fedelmente possibile non solo la funzionalità degli strumenti reali, ma anche il loro aspetto, dando l impressione agli utenti di agire su strumenti reali. 2

3 Figura 4 Emulatore di un sistema di comunicazione a modulazione di ampiezza Nella Figura 7, invece, è riportato il pannello principale di un applicativo che può essere usato per l analisi di un sistema di trasmissione numerica PSK. L utente ha la possibilità di scegliere il tipo di modulazione (BPSK, QPSK, 8-PSK con o senza codifica Grey), la sagomatura degli impulsi di trasmissione (rettangolare, Manchester, a radice di coseno rialzato), il tipo di filtro di ricezione (rettangolare, butterworth, a radice di coseno rialzato), il tipo di decisore a soglie e il tipo di demappatore (BPSK, QPSK, 8-PSK). Sono presenti anche un canale AWGN, alcuni strumenti di misura per l analisi dei segnali presenti a monte o a valle del filtro di ricezione (visualizzatore di diagramma ad occhio, analizzatore di spettro e visualizzatore di diagramma I-Q) e uno strumento per la misura della probabilità di errore (BER e SER). Figura 5 Generatore di Segnale Nella Figura 8, a titolo di esempio, è riportato il pannello del visualizzatore di diagramma ad occhio, mentre nella Figura 9 è riportato lo strumento con cui è possibile misurare la probabilità di errore. 3

4 Figura 6 Oscilloscopio In questo caso, assume particolare importanza la velocità con cui il simulatore effettua la misura e, pertanto, è stato privilegiato questo aspetto, anche se a scapito della fedeltà di riproduzione grafica degli strumenti. Figura 7 Emulatore di un Sistema di Trasmissione Numerica di tipo PSK Nel tentativo di fornire un supporto didattico di questo genere, sono stati realizzati svariati applicativi, tra cui possiamo elencare i seguenti: AM Modulation Angle Modulation BER_Eb_No BER Meter Hp3784A CDMA 4

5 Code System Coherent Detection Correlation Costas Loop DPSK Modulation File Transmission System Multipath PAM Modulation Multipath PSK Modulation Multipath QAM Modulation Oscilloscope Agilent 54641A PAM Modulation PSK Modulation QAM Modulation Signature Simulatore di array lineari Simulatore di adattatori di impedenza per linee di trasmissione Vector Network Analyzer Viterbi Processor Toolkit Figura 8 Visualizzatore di Diagramma ad Occhio Presso l Expo è stato mostrato anche un video in cui viene visualizzato un esempio pratico di utilizzo del controllo remoto di strumentazione presso l aula didattica del Corso di Studio in Ingegneria delle Telecomunicazioni. In particolare, è stato mostrato il misuratore di probabilità di errore durante la fase di training, in cui il docente configura lo strumento da remoto usando il proprio pc, mentre gli studenti possono osservare le varie fasi di setting, grazie all emulatore di cui dispongono e alla trasmissione in broadcasting dei dati. In questo caso, lo strumento di misura, il pc del docente e i pc degli studenti si trovano nella stessa aula, ma dato che il protocollo di comunicazione server-client è il TCP-IP, i client potrebbero trovarsi ovunque sulla rete. 5

6 Uno degli aspetti più apprezzati dai visitatori è risultato essere il fatto che gli applicativi replicano anche molto fedelmente la strumentazione reale, permettendo una interazione con l ambiente software che si avvicina molto alla condizione ideale di uso diretto della strumentazione da laboratorio. Un altra caratteristica messa in evidenza riguarda la comunicazione da remoto con la strumentazione: a differenza di altre soluzioni in cui si utilizza un interfaccia web-based, in questo caso l emulatore risiede sul pc client e l unica comunicazione di rete è relativa al trasferimento dei dati veri e propri (configurazione/comando dello strumento, lettura dei risultati). In questo modo, si riduce la mole di dati che è necessario scambiare tra client e server, ottenendo una comunicazione decisamente più rapida. Conclusioni Gli applicativi implementati svolgono un ruolo importante nell ottica dell e-learning e vengono correntemente utilizzati nei laboratori didattici per le esercitazioni degli insegnamenti del Corso di Studio in Ingegneria delle Telecomunicazioni ed anche per autoapprendimento al di fuori della struttura universitaria. Applicativi di questo tipo sono disponibili anche per la formazione di personale tecnico su apparati per Telecomunicazioni e per il controllo remoto di strumentazione. L Expo sull E-learning si è rivelato un modo per mostrare il lavoro che da anni stiamo portando avanti e l interesse suscitato nei visitatori ci conferma la validità della strada intrapresa. Figura 9 Strumento di misura della Probabilità di Errore 6