L adozione di MATLAB e Simulink nei Corsi di Ingegneria al Politecnico di Milano MATLAB EXPO Milano, 4 novembre 2014
Sommario Introduzione. Il ruolo dei laboratori informatici nella didattica, formazione e ricerca. I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni. Simulazione di un sistema di comunicazione. L importanza dei modelli. Esempio Simulink. Dati utilizzo MATLAB e Simulink al Politecnico di Milano. 2
Introduzione Affinché gli studenti siano in grado di lavorare su sistemi molto complessi è necessario che essi comprendano a fondo i principi basilari di una determinata disciplina. In alcuni insegnamenti dei corsi di Laurea e di Laurea Magistrale in Ingegneria al Politecnico di Milano tale obiettivo viene perseguito presentando contemporaneamente la teoria e la sua implementazione attraverso laboratori informatici e sperimentali. Nel seguito si discuteranno gli aspetti principali che riguardano i laboratori informatici svolti al Politecnico di Milano con particolare riferimento al corso di studi in Ingegneria delle Telecomunicazioni. Si illustreranno: le motivazioni principali che hanno spinto all adozione di MATLAB e Simulink in alcuni corsi di Ingegneria delle Telecomunicazioni; un esempio Simulink in cui si mostrano gli effetti degli errori introdotti dal canale trasmissione nella trasmissione di un segnale video. 3
Il ruolo dei laboratori informatici nella didattica Uno tra i principali problemi che sorgono negli insegnamenti dei corsi di laurea in Ingegneria è rappresentato dalla vastità e profondità dei concetti matematici richiesti agli studenti. Il livello di astrazione che si nasconde dietro concetti nuovi che vengono affrontati per la prima volta è tale da rendere difficile l apprendimento con la didattica tradizionali. Nasce l esigenza di ricorrere a strumenti di tipo software che permettano l illustrazione dei principi matematici sia mediante simulazione numerica che attraverso la costruzione di soluzioni che complementino le lezioni di tipo teorico. 4
Il ruolo dei laboratori informatici nella formazione La crescita esponenziale nell offerta di servizi e di apparati tecnologicamente avanzati in diversi ambiti industriali sta portando ad un aumento di richieste di ingegneri da inserire nel mondo del lavoro che siano in grado, sin da subito, di contribuire all analisi, al progetto e allo gestione di sistemi di comunicazione complessi. Sorge dunque la necessità non solo di fornire agli studenti le competenze necessarie per usare gli strumenti richiesti nel processo di progettazione e di analisi, ma anche, attraverso l assegnazione di progetti, la possibilità sviluppare una certa autonomia nell affrontare, risolvere e gestire i problemi. 5
Il ruolo dei laboratori informatici nella ricerca L impiego di software dedicati per l analisi, l elaborazione e la risoluzione di problemi in discipline scientifiche diverse è un problema con cui ci si scontra ogni giorno. Tutto ciò rappresenta un ostacolo pratico per lo sviluppo di strumenti di elaborazione congiunti in attività di ricerca di tipo interdisciplinare. In questo caso più che la necessità di utilizzare un software specifico per analizzare un dato aspetto di un problema nasce l esigenza di avere a disposizione uno strumento caratterizzato da un gran numero di pacchetti dedicati che possa favorire le attività di insegnamento e di ricerca congiunte tra gruppi appartenenti a Dipartimenti diversi. 6
I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Durante le lezioni di teoria agli studenti viene presentato un insieme di nozioni che, nella maggior dei casi, si focalizza su parti separate di un sistema di telecomunicazioni. Se da una parte tale approccio porta gli studenti ad una conoscenza approfondita del funzionamento di singole parti dall altra ha il limite che non sempre è immediato capire le diverse parti separate si combinano per costituire un sistema reale. Gli studenti imparano ad effettuare calcoli matematici per progettare parti di un sistema o per calcolare le sue prestazioni. 7
I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni I moderni sistemi di comunicazione si trovano spesso ad operare in ambienti ostili caratterizzati da livelli d interferenza elevati dove il canale su cui avviene la trasmissione varia nel tempo. Affinché si possa trasmettere ad elevati bit-rate in tali condizioni è necessario adottare strutture di trasmissione e ricezione molto complesse. Si comprende quasi da subito l analisi delle prestazioni di questi sistemi non può più essere effettuata solo con l analisi matematica La complessità dei moderni sistemi di comunicazione e delle tecniche utilizzate per l elaborazione dei segnali rappresenta la motivazione principale alla base della diffusione della simulazione per l analisi e il progetto di un sistema di comunicazione. 8
I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Mentre il risultato dell analisi è solitamente un numero nel caso della simulazione è quasi sempre una variabile casuale. Affinché il risultato della simulazione possa essere compreso appieno è necessario comprendere in modo completo le caratteristiche statistiche di questa variabile casuale. Un esempio classico è costituito dalla stima della probabilità di bit errato in un sistema di comunicazione. L obiettivo dei laboratori è quello di fornire i concetti fondamentali per modellare e simulare il livello fisico e quello di rete dei sistemi di comunicazione. 9
I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Nome corso: Telecomunicazioni (Laurea Primo Livello) Forma didattica: 60 ore lezione 32 ore esercitazione 10 ore laboratorio Numero studenti: 123 (a.a. 2012/2013); 222 (a.a. 2013/2014) Software: MATLAB Obiettivi del laboratorio: svolgimento di esempi guidati per l analisi e l elaborazione dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza. Prerequisiti: matematica di base, calcolo delle probabilità e conoscenza dei principi basilari della programmazione. 10
I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Nome corso: Sistemi di Comunicazione (Laurea Primo Livello) Forma didattica: 56 ore lezione 36 ore esercitazione 18 ore laboratorio Numero studenti: 82 (a.a. 2012/2013); 69 (a.a. 2013/2014) Software: MATLAB & Simulink, Communication System Toolbox e DSP System Toolbox. Obiettivi del laboratorio: costruzione di modelli per la verifica e l analisi delle prestazioni di semplici sistemi di comunicazione. Prerequisiti: matematica di base, calcolo delle probabilità e processi casuali, teoria dei segnali e conoscenza dei concetti base di MATLAB. 11
I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Nome corso: Digital Communication (in Inglese, Laurea Magistrale) Forma didattica: 52 ore di lezione 36 ore di laboratorio Numero studenti: 37 (a.a. 2012/2013); 38 (a.a. 2013/2014) Software: MATLAB, Simulink, Communication System Toolbox e DSP System Toolbox. Obiettivi del laboratorio: analisi degli algoritmi e valutazione delle prestazione di sistemi di trasmissione numerici mediante l assegnamento di problemi che devono essere risolti in modo autonomo dagli studenti. Prerequisiti: matematica di base, calcolo delle probabilità e processi casuali, concetti base di MATLAB e della teoria dei segnali e dei sistemi di comunicazione. 12
Simulazione di un sistema di comunicazione Ingresso digitale s(t) Canale di r(t) m Trasmettitore k trasmissione Ricevitore Uscita digitale m~ k Schema del sistema di comunicazione Metodi per la valutazione delle prestazioni: Analitico legame diretto tra i parametri di progetto e la prestazione applicabile a sistemi semplici Prototipi Hardware metodo accurato costoso, richiede molto tempo, scarsa flessibilità Simulazione a livello di forme d onda modello del sistema con il grado di dettaglio desiderato costo computazionale 13
Simulazione di un sistema di comunicazione Motivazioni principali alla base dell uso crescente della simulazione per lo studio dei sistemi di comunicazione: Complessità delle architetture dei moderni sistemi di comunicazione e degli ambienti in cui essi operano. Migliorare la comprensione del comportamento del sistema al variare dei parametri e delle condizioni di funzionamento. Nella maggior parte dei casi i problemi non hanno soluzioni analitiche soddisfacenti. 14
Simulazione di un sistema di comunicazione I diversi livelli di simulazione dei sistemi di comunicazione 15
Simulazione di un sistema di comunicazione Aree che influenzano la simulazione dei sistemi di comunicazione 16
L importanza dei modelli Il passo fondamentale per la simulazione di un sistema è rappresentato dalla costruzione dei modelli degli elementi che costituiscono il sistema. Il modello simulativo è costituito da un insieme di algoritmi che implementano la soluzione numerica delle equazioni che definiscono il modello analitico. Il dispositivo fisico può essere un circuito singolo o un sottosistema I modelli analitici sono definiti con equazioni, o sistemi di equazioni, che definiscono la caratteristica ingresso-uscita del dispositivo. 17
L importanza dei modelli Compromesso fondamentale per la simulazione di un sistema: la precisione dei modelli rispetto alla durata della simulazione 18
L importanza dei modelli La verifica fondamentale da fare nella simulazione di un sistema di comunicazione consiste nel controllare e validare i risultati ottenuti tramite confronto con risultati noti e/o di altri autori confronto con fasi sperimentali coerenza con le previsioni della teoria Nel processo di progettazione dell ingegneria la simulazione è il passo che precede e forma le scelte per la costruzione di un prototipo e, successivamente, del sistema finale. Numerose fasi di controllo, modifica e correzione intercorrono prima di un soddisfacente risultato tecnico. 19
Dati utilizzo MATLAB e Simulink al Politecnico di Milano Data di inizio disponibilità della licenza Campus: 15 febbraio 2014. Dati utilizzo al 16 ottobre 2014: Numero utenti registrati al portale Mathworks: 5711 Docenti e staff: 700 Studenti: 5011 Installazioni MATLAB con licenza stand-alone attivata: 6431 Docenti e staff: 990 Studenti: 5441 L accordo stipulato prevede che MATLAB, Simulink e 50 fra i principali toolbox opzionali possano essere utilizzati dal personale dell Ateneo e dagli studenti con la possibilità di installazione di licenze stand-alone su PC o portatili personali. I toolbox coprono tutte le aree di ricerca e di didattica dell'ateneo. 20