Obiettivi Formativi

Il corso di Fondamenti di Telecomunicazioni si compone di due moduli e si pone come obiettivo principale lo studio delle tecniche e dei sistemi per la trasmissione a distanza di informazioni. MODULO A: Il modulo fornisce gli strumenti analitici fondamentali per lo studio dei segnali (che costituiscono l'aspetto fisico della trasmissione dell'informazione in un sistema di comunicazione), al fine di determinare i parametri che caratterizzano dal punto di vista applicativo il segnale stesso, anche in presenza di trasformazioni lineari o non-lineari. MODULO B: Il modulo analizza le principali tecniche di trasmissione analogiche e digitali. Link budget, modulazione e multiplazione, teoria dell'informazione, codifica di sorgente e codifica di canale sono alcuni dei concetti chiave trattati nel Modulo B del corso. Alla fine del corso lo studente avrà acquisito le nozioni di base per la progettazione dei sistemi di telecomunicazioni.

Learning Goals

This course will focus on fundamental principles and main challenges in telecommunications. It is divided into two modules: MODULE A: The module provides basic analytical tools for the study of signals (which constitute the physical part of the information transmission in a communication system), in order to determine the parameters that characterize the same signal from an application point of view, even in presence of linear or non-linear transformations. MODULE B: Analog and digital communication systems are investigated in the second module. Link budget analysis, modulations and multiplexing techniques, basic of information theory, source and channel coding are the main concepts taught in the module. At the end of the course students should be able to understand and apply the basic concepts of telecommunications.

Metodi didattici

Lezioni frontali ed esercitazioni in aula

Teaching Methods

Lectures and classroom exercises

Prerequisiti

Algebra lineare, Trigonometria, Analisi matematica (limiti, derivate e integrali di funzioni di una o più variabili)

Prerequisites

Linear algebra, Trigonometry, Mathematical analysis (limits, partial derivative, multiple integral)

Verifiche dell'apprendimento

L'esame si basa su una prova scritta e orale

Assessment

Written and oral examinations

Programma del Corso

MODULO A: 1. Introduzione: Reti e Servizi di Telecomunicazione: Cenni Storici; Reti e Sistemi di Telecomunicazione; Sistema di comunicazione 2. Introduzione allo studio dei segnali: Classificazione; Cenni alla teoria delle distribuzioni; Proprietà elementari dei segnali; Operazioni di base; Segnali notevoli 3. Il campo vettoriale dei segnali deterministici: Prodotto scalare; Estensione del concetto di angolo e segnali ortogonali; Disuguaglianza di Schwarz; Basi ortonormali; Disuguaglianza di Bessel; Eguaglianza di Parseval; Metodo di Gram-Schmidt 4. Sviluppo in serie di Fourier: Analisi fasoriale; Identità di Eulero; Sviluppo in serie di Fourier; Criterio di Dirichlet; Forma complessa, rettangolare, reale polare; Spettro di ampiezza e di fase di un segnale periodico reale e sue proprietà 5. Trasformata di Fourier: Serie di Fourier per segnali aperiodici; Proprietà; Teoremi; Trasformate di Fourier generalizzate 6. Sistemi monodimensionali a tempo continuo: Caratterizzazione; Analisi dei sistemi lineari stazionari; Filtri; Densità spettrale di energia e potenza; Sistemi non lineari 7. Sistemi a tempo discreto: Campionamento; Segnali notevoli; Rappresentazione nel dominio della frequenza; Trasformata di Fourier di una sequenza; La condizione di Nyquist e il teorema del campionamento 8. Richiami di teoria della probabilità: Esperimenti deterministici e aleatori; Spazio di probabilità e proprietà elementari; Esperimento aleatorio composto; Variabili aleatorie; Sistemi di variabili aleatorie; Funzione caratteristica; Legge debole dei grandi numeri e teorema del limite centrale 9. Segnali aleatori a tempo continuo: Definizione; Processi parametrici; Caratterizzazione statistica; Indici statistici del 1° e del 2° ordine; Processi aleatori stazionari; Filtraggio; Densità spettrale di potenza; Processi aleatori gaussiani; Filtraggio dei processi gaussiani; Processi ergodici MODULO B: 1. Modello e parametri dei sistemi di comunicazione 2. Canali di comunicazione: classificazione ed esempi di canali; propagazione delle onde radio; equazione del collegamento radio; decibel e link-budget; modelli di canale 3. Trasmissione in banda base: Campionamento e Teorema di Shannon-Nyquist; Quantizzazione; Codifica; PCM e Legge dei 6dB; Spettro dei segnali PAM; Codici di linea; Multiplazione TDM 4. Teoria dell'Informazione: Definizione di informazione, Entropia e Teorema fondamentale della codifica di sorgente; Metodi di compressione dati: run-length, codici di Huffman; algoritmo di Lempel-Ziv (cenni), Metodi di compressione vocale (cenni): DPCM, ADPCM, LPC10 5. Ricezione in Banda Base: Diagrammi ad occhio; Metodi di sincronizzazione; ISI (1o criterio e filtri di Nyquist); Equalizzazione; Rumore AWGN; Filtro accoppiato; Criteri di decisione (MAP, MLH, a soglia); Espressione della BER per diversi tipi di segnalazione e filtri di ricezione 6. Modulazioni analogiche: Inviluppo complesso; Modulatore e demodulatore universale; Modulazioni di ampiezza (AM convenzionale, DSB-SC, SSB, VSB); Modulazioni d¿angolo (PM/FM); PLL (cenni). Espressione del rapporto segnale/rumore per le diverse modulazioni Multiplazione FDM e ricevitore super-eterodina 7. Modulazioni digitali: Ricevitore Ottimo, Ortogonalizzazione di Gram-Schmidt e Costellazione; Modulazioni OOK, M-ASK (coerente e non coerente), BPSK, QPSK, M-PSK, DPSK, QAM, M-FSK (coerente e non coerente); Espressione della probabilità di errore ed efficienza spettrale delle diverse modulazioni 8. Codifica di canale: Teorema di Shannon-Hartley; Cenni sui codici di canale 9. Tecniche di trasmissione per canali wireless: Modello del canale wireless. Modulazione multiportante (OFDM); Spread-spectrum e CDMA 10. Esempi di sistemi di comunicazione: Telefonia PCM; Modem V.90; Radio FM; ADSL; WiFi; DVB-T

Course Syllabus

MODULE A: 1. Introduction: Telecommunications Networks and Services: Historical perspective; Telecommunications Networks and Systems; Communication System 2. Introduction to the study of signals: Signals classification; Overview on distributions theory; Basic properties of signals; Basic operations; Remarkable signals 3. Vector field of deterministic signals: Inner product; Angle between two signals and orthogonal signals; Schwarz inequality; Orthonormal basis; Bessel inequality; Parseval equality; Gram-Schmidt process 4. Fourier series: Phasor analysis; Euler's identity; Fourier series; Dirichlet's test; Exponential complex, rectangular and polar forms; Frequency spectrum (amplitude and phase) of a real periodic signal and relative properties 5. Fourier transform: Fourier series of aperiodic signals; Properties; Theorems; Fourier transform of generalized functions 6. Time continuous one-dimensional systems: Characterization; Analysis of stationary linear systems; Filters; Energy and power spectral density; Non linear systems 7. Discrete time systems: Sampling; Remarkable sequence; Frequency domain; Fourier transform of sequences; Nyquist criterion and Nyquist-Shannon sampling theorem 8. Overview of probability theory: Deterministic and stochastic experiments; stochastic experiment, sample space and elementary properties; Composed random experiment; Random variables; Systems of random variables; Characteristic function; Law of large numbers and central limit theorem 9. Time continuous stochastic signals: Definition; Parametric processes; Statistical characterization; Statistical first and second order indexes; Stationary processes; Filtering; Power spectral density; Gaussian stochastic processes; Filtering of Gaussian processes Ergodic processes MODULE B 1. Model and parameters of communication systems; 2. Communication Channels: classification and examples; radio-wave propagation; Radio Link equation; dB and link-budget; channel models. 3. Baseband Transmission: Sampling and Shannon-Nyquist Theorem; Quantization; Coding; PCM and 6-dB law; PAM power spectral density; Line codes; TDM. 4. Information Theory: Definition of information, Entropy, Fundamental theorem for discrete memoryless sources; Compression algorithms: run-length, Huffman, Lempel-Ziv; Speech compression (basic notions): DPCM, ADPCM, LPC10. 5. Baseband Receiver: Eye diagrams; Synchronization methods; ISI (Nyquist ISI criterion and Nyquist filters); Equalization; AWGN model; noise power spectral density; Matched filter; Decision criteria (MAP, MLH and threshold); BER expression for different filters and transmitted signals. 6. Analog modulations: complex envelope; universal modulator and demodulator; spectral efficiency and transmission efficiency; Amplitude modulations (conventional AM, DSB-SC, SSB, VSB); Angle Modulations (PM/FM); PLL (brief notes); Signal-to-Noise Ratios for analog modulations; FDM and superheterodyne receiver. 7. Digital Modulations: Optimal Receiver, Orthogonalization and Constellation space; OOK, M-ASK (coherent and non-coherent), BPSK, QPSK, M-PSK, DPSK, QAM, M-FSK (coherent and non-coherent); BER and spectral efficiency for different modulations. 8. Channel coding: Shannon-Hartley Theorem; Channel codes (brief notes). 9. Wireless Transmission Techniques: wireless channel model; multicarrier modulation (OFDM); spread- spectrum and CDM. 10. Examples of communication systems: PCM; V.90 modem; Stereo FM radio; ADSL; WiFi; DVB-T.