COMUNICAZIONI DIGITALI A - L

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICA Corso di laurea in Ingegneria informatica Anno accademico 2018/ anno COMUNICAZIONI DIGITALI A - L ING-INF/03-6 CFU - 2 semestre Docente titolare dell'insegnamento GIOVANNI SCHEMBRA schembra@dieei.unict.it Edificio / Indirizzo: Polifunzionale - Cittadella Universitaria Telefono: Orario ricevimento: Mercoledì , Giovedì 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

2 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): Argomenti ORE Riferimenti testi UDE 1: Trasmissione di segnali digitali in banda base *Schema di riferimento; *Modulazione digitale PAM (Pulse Amplitude Modulation); *Filtro di trasmissione *Codici di linea binari e multilivello. Spettro di un codice di linea. Efficienza spettrale *Rappresentazione vettoriale dei segnali e trasmissione multidimensionale *Interferenza intersimbolica (ISI) e criteri di Nyquist *Bit error rate (ber) per trasmissioni digitali in banda base. Schemi a blocchi di modulatori e demodulatori digitali UDE 2: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base *Modulazione PCM: campionamento, quantizzazione e codifica. *Quantizzazione uniforme e non uniforme Progetto di un segnale PCM per un sistema telefonico 24 6 Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e dispense del docente Couch: Cap. 3.3 e dispense del docente UDE 3: Modulazioni analogiche *Definizioni: segnali in banda passante, segnale modulante, segnale modulato, segnale portante, *Inviluppo complesso. Spettro e densità spettrale di potenza dei segnali in banda passante. Potenza media totale e potenza di picco dei segnali in banda passante. *Modulazioni analogiche di ampiezza, di frequenza e di fase 10 Couch: Cap e Cap. 7.8 e dispense del docente

3 UDE 4: Modulazioni digitali *Modulazioni binarie OOK, BPSK ed FSK: Inviluppo complesso e segnale modulato; DSP dell inviluppo complesso e del segnale modulato; *Banda di trasmissione; *Bit Error Rate *Modulazioni multilivello MPSK, QPSK e N-QAM: Inviluppo complesso e segnale modulato; DSP dell inviluppo complesso e del segnale modulato; *Banda di trasmissione. *Bit Error Rate e Symbol Error Rate *Sistemi di trasmissione DMT ed OFDM 10 Couch: Cap 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 ALTRO MATERIALE DIDATTICO Il materiale didattico è pubblicato su: Studium di Ateneo (link) Portaledidattica (link) PROGRAMMAZIONE DEL CORSO Argomenti 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. 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. 3 UDE 2: Trasmissione di segnali analogici e digitali in banda base - Modulazione PCM: campionamento, quantizzazione e codifica. - Quantizzazione uniforme e non uniforme. 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. Riferimenti testi Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e Couch: Cap. 3.1 e 3.2 e Couch: Cap. 3.3 e Couch: Cap. 3.3 e

4 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. 6 UDE 3: Modulazioni analogiche - Calcolo dello spettro di un segnale sinusoidale modulato con FM o PM. - Disturbi sulle modulazioni analogiche 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 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 e Cap. 7.8 e diapositive proiettate a Couch: Cap e Cap. 7.8 e diapositive proiettate a Couch: Cap e Couch: Cap e 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

5 1 2 Schema di riferimento per la trasmissione digitale 2-PAM in banda base: modulatore PAM, filtro di trasmissione, canale, filtro di ricezione, decisore a soglia. Codifica differenziale. Capacità di canale. Energia media per bit in trasmissione e ricezione. Potenza media in ricezione e trasmissione. Attenuazione in spazio libero. Codifica di linea 2-PAM; definizione di diversi codificatori di linea con modulazione 2-PAM (NRZ polare, RZ unipolare, RZ bipolare e Manchester) e loro comparazione 3 Spettro di potenza di un codice di linea Calcolo dello spettro del codice di linea NRZ unipolare; Spettri di potenza degli altri codici di linea notevoli (solo grafici) Codifica digitale multisimbolo e caso particolare N-PAM. Modulatore e demodulatore numerici. Codifica Gray. Definizione di probabilità di errore sul simbolo e sul bit. Densità spettrale di potenza e banda della N-PAM polare. Efficienza spettrale di un codice di linea: caso con impulso sagomatore a impulso rettangolare e caso con impulso sagomatore a coseno rialzato. Rappresentazione vettoriale dei segnali. Definizione di prodotto scalare. Base ortogonale e ortonormale. Calcolo delle componenti di un segnale rispetto alla base ortonomrale. 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. Codifica digitale multidimensionale. Principali tecniche di modulazione multidimensionale. Trasmettitore digitale multidimensionale. Esempio di trasmissione di bit con modulazione multidimensionale. Modulatore e demodulatore. Probabilità di errore sul simbolo e sul bit. Trasmissione digitale in banda base - parte Interferenza intersimbolica. Primo teorema 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) Realizzabilità del filtro di Nyquist a coseno rialzato. Progettazione del filtro di Nyquist con codifica N-PAM multilivello; efficienza spettrale di alcuni codici di linea PAM con impulso formattato a cos rialzato. Primo criterio di Nyquist; Filtri di Nyquist; secondo e terzo criterio di Nyquist (solo enunciati). Schema di riferimento del sistema di trasmissione digitale in banda base ("schema 2"). 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.

6 Schema di riferimento per la codifica di bit in simboli e la decodifica in assenza e in presenza di rumore. Struttura del ricevitore digitale multidimensionale a proiezione sui versori. Rappresentazione vettoriale del segnale digitale in ricezione (affetto da rumore). Proprietà di indipendenza statistica delle proiezioni del rumore su una base ortonormale M-dimensionale. Esempio di codifica e decodifica in uno spazio bidimensionale. Schema del demodulatore. Schema di riferimento del sistema di trasmissione digitale in banda base ("schema 2"). 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. Regole di decisione: densità di probabilità del segnale ricevuto e di ciascuna sua componente. Funzione di verosimiglianza. Regola MAP e regola ML. Esempio di applicazione ad una trasmissione 2-PAM e posizionamento della soglia. Demo e commento dello script Matlab (Lab_2_PAM). Modulazione N-PAM. Rappresentazione del segnale trasmesso e del segnale ricevuto. Calcolo della probabilità di symbol error rate e di bit error rate. Modulazione 4-PSK. Schema di riferimento per la codifica di bit in simboli e la decodifica in assenza e in presenza di rumore. Struttura del ricevitore digitale multidimensionale a proiezione sui versori. 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. Schema di riferimento per la codifica di bit in simboli e la decodifica in assenza e in presenza di rumore. Funzione di verosimiglianza. Regola MAP e regola ML. Limiti superiore e inferiore della probabilità di errore nel caso generale di trasmissioni a N simboli. 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) Vantaggi e svantaggi del digitale; ripetitori rigenerativi; principio di funzionamento della modulazione PCM; codifica Gray; 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 Rapporto segnale/rumore (SNR) per quantizzazione uniforme per segnale distribuito uniformemente; regola dei 6 db; fattore di carico per un segnale a distribuzione uniforme; calcolo dell'snr per segnale genericamente distribuito.

7 Calcolo dell'snr per segnale genericamente distribuito; potenza del rumore di quantizzazione in un livello di ampiezza delta; caso particolare di segnale uniformemente distribuito; probabilità di errore di soglia Progetto di un segnale PCM per un sistema telefonico; Applicazione del PCM a sistemi audio ad alta fedeltà 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 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. 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 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 Modulazione analogica AM SSB: Inviluppo complesso e segnale modulato: espressione matematica; Spettro del segnale modulato; Potenza media normalizzata e potenza di picco Modulazione analogica AM VSB: Caratteristica del filtro vestigiale; Spettro del segnale modulato 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 di frequenza; Esempio di calcolo di Spettro di un segnale PM con modulazione sinusoidale: espressione matematica e grafico; funzioni di Bessel; Banda del segnale PM 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 di frequenza; Esempio di calcolo di Spettro di un segnale FM con modulazione sinusoidale: espressione matematica e grafico; funzioni di Bessel; Banda del segnale FM Schema a blocchi di un sistema di trasmissione analogico in banda passante. Disturbi sulle modulazioni analogiche; Rapporto S/N in ingresso e in uscita al ricevitore per modulazione AM con demodulazione coerente. Confronto prestazionale delle diverse modulazioni analogiche

8 Modulazioni digitali Modulazione OOK: Inviluppo complesso e segnale modulato (espressione matematica e grafico). 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. Modulazione BPSK: Inviluppo complesso e segnale modulato (espressione matematica e grafico). Equivalenza con una modulazione DSB-SC; 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. Modulazione binaria FSK: a fase discontinua e a fase continua (inviluppo complesso e segnale modulato). Esempio di calcolo di Spettro di un segnale FSK: modem V.21; Banda di trasmissione dei segnali FSK. Rappresentazione vettoriale. Calcolo della Bit Error Rate (BER); uso del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. Modulazioni digitali multilivello N-PSK e QPSK: Segnale modulante, inviluppo complesso, segnale modulato; Rappresentazione dell inviluppo complesso tramite costellazione: differenza con 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. 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 del tool di Matlab "bertool" per un'analisi comparativa con le altre modulazioni digitali. 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. Modulazioni multi-portante. Modulazione DMT e sue applicazioni pratiche. 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.

9 ELENCO ARGOMENTI DOMANDA 3 39 Esercizio 1: Progettazione del filtro di Nyquist per l annullamento dell ISI. 40 Esercizio 2: Rappresentazione vettoriale di un insieme di segnali 41 Esercizio 3: Regioni di decisione e stima della probabilità di errore 42 Esercizio 4: Regioni di decisione e stima della probabilità di errore 43 Esercizio 5: Probabilità di errore per una N-PAM a costellazione non uniforme 44 Esercizio 6: Probabilità di errore su una costellazione bi-dimensionale 45 Esercizio 7: Potenza ed energia di trasmissione e ricezione 46 Esercizio 8: Rappresentazione vettoriale e Union Bound 47 Esercizio 9: PCM a distribuzione del segnale uniforme sulla dinamica picco-picco 48 Esercizio 10: PCM a distribuzione del segnale non uniforme sulla dinamica piccopicco 49 Esercizio 11: Modulazione AM e multiplazione di frequenza 50 Esercizio 12: Modulazione FM e multiplazione di frequenza