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TdS-aa1617

Materiale didattico

Si fa riferimento al mio testo Trasmissione dei segnali e sistemi di telecomunicazione. Gli studenti di Latina possono accedere ad una pre-release della edizione 1.5 disponibile presso http://infocom.uniroma1.it/alef/libro/stud (leggere il file ReadMe), da dezippare con la password fornita a lezione

Come l'ho fatto

Quest'anno per la prima volta rendo pubblico il codice degli script utilizzati per produrre alcune delle figure che si trovano nel libro. Piuttosto che insegnare "il linguaggio", esploriamo la possibilità linguistica di apprendere per esempi, analizzando il funzionamento di codice esistente. Gli script sono accessibili nella directory script, e (a seconda del tipo) vengono eseguiti da

  • Gnuplot, orientato a realizzare grafici di funzioni bi- e tri-dimensionali, con un impressionante repertorio di possibili terminali di uscita.
  • Octave il più famoso clone di Matlab, un ricco linguaggio ad alto livello che opera direttamente su dati multidimensionali

Un pò di documentazione nella forma di tutorial per Gnuplot e del manuale di Octave è presente presso questa directory, accessibile anche dall'incredibile Firewall di Latina. Nella difficoltà di utilizzare i computer del laboratorio, gli studenti possono installare le suddette applicazioni sulle proprie macchine, e nel caso di Linux, seguendo la modalità prevista dalla propria distribuzione. Nel caso Windows invece, sempre per sconfiggere il firewall, ho predisposto una copia dell'installer di Octave.

Esercitazioni informatiche

Parallelamente agli argomenti teorici, quest'anno vorrei realizzare una componente del corso che sia anche di interesse pratico, sviluppando una serie di esercitazioni basate sul codice sviluppato nel "come l'ho fatto", le cui tracce possono essere trovate presso la directory script/test. Sempre nella stessa directory, si trovano anche alcuni nuovi script realizzati appositamente per approfondire le tematiche sviluppate a lezione.

Esercizi

Anche se non dò particolare importanza al saper calcolare integrali e trasformate, non per questo non considero importanti i risultati che ci possono fornire, ed infatti quasi tutte le formule presenti nel libro sono corredate dalle rispettive giustificazioni teoriche. Allo scopo di fornire delle risorse didattiche relative al modo di affrontare i calcoli, oltre alle mie precedenti prove di esame, ho individuato in rete alcune risorse relative al calcolo di trasformate, ed altri passaggi analitici:

Orario

Il corso corrisponde a 9 crediti, pari a 90 ore (accademiche, ossia di 45 min) di didattica frontale, che diviso 12 settimane, si articola in 7 ore/settimana. Pertanto, l'orario di lezione è definito come

Martedì10.30 - 13(tre ore accademiche + 15 min di pausa)
Giovedì11 - 12.30(due ore accademiche)
 13.30 - 15(due ore accademiche)

Ricevimento

Può accadere che uno studente inizi ad essere consapevole del proprio grado di preparazione solo al momento di provare a risolvere i compiti assegnati nelle precedenti prove, o addirittura, al momento dell'esame. Peccato, perché nei miei tre mesi di lezione in aula, avrei sinceramente preferito che mi fossero fatte subito le domande relative agli argomenti meno chiari. In tutti i modi, sono disponibile a fissare delle sedute di ricevimento, le cui date concordare con voi. Vorrei infatti evitare di venire a Latina apposta, e magari non trovare nessuno che mi aspetta! Viceversa, qualora uno/a studente volesse fare un saltino a Roma, concordiamo il giorno, ed è presto fatto.

Argomenti svolti per l'a.a. 2016-2017

Man mano che si susseguono le lezioni, mantengo qui traccia degli argomenti affrontati

  • mar 28/2 - presentazione del corso e del docente, dichiarata l'intenzione di svolgere anche attività di laboratorio utilizzando https://www.scilab.org/
  • gio 2/3 - Cap. 1: Una visione di insieme: Trasmissione dell’informazione, Trasmissioni numeriche, Segnali analogici, certi ed aleatori, e loro rappresentazione, Transito dei segnali attraverso sistemi fisici, Segnali numerici, Sistemi di telecomunicazione. Segnali e sistemi, Segnale di potenza, periodico, di energia, impulsivo; Caratteristiche dei sistemi. Cap. 2: Serie di Fourier: Numeri complessi, Formula di Eulero, Fasori, Serie di Fourier. Segnali reali: Simmetria coniugata, coefficienti di Fourier come fasori. Applet dei fasori
  • mar 7/3 - Serie trigonometrica, Serie di Fourier di un’onda rettangolare, Definizione della funzione sinc, Relazione tra i coefficienti della serie ed i parametri dell’onda quadra, Serie di Fourier troncata. Teorema di Parseval, Spettro di potenza per segnali periodici. Condizioni di Dirichlet, Rapidità di convergenza. Applet sulla serie di Fourier. Algebra vettoriale: Spazio normato, Spazio dei segnali periodici, Ri-definizione dei coefficienti di Fourier. Cap. 3 Trasformata di Fourier: Definizione, Trasformata di un rettangolo, Energia mutua e densità di energia, Simmetria coniugata, Dualità, Linearità, Valore nell’origine e area,
  • gio 9/3 - Traslazione nel tempo, Linearità di fase, Traslazione nel tempo o Modulazione, Coniugato, Cambiamento di scala. Impulso matematico, Trasformata di una costante e di segnali periodici, Proprietà di setacciamento, Risposta impulsiva e convoluzione, Applet del convoluzione, La risposta impulsiva come funzione memoria, Convoluzione con l’impulso traslato. Moltiplicazione in frequenza e nel tempo: filtraggio, Misura della risposta in frequenza, Ritardo, Sistemi in cascata. applet filtraggio. Modulazione, Finestratura, stima spettrale.
  • mar 14/3 - Trasformata della derivata, esempio, Trasformata dell'integrale, trasf. del triangolo, Trasformata di un gradino. Trasformata di segnali periodici: Treno di impulsi, Segnale periodico, Trasformata del treno di impulsi, Trasformata di segnale periodico. Riflessioni sugli script Gnuplot relativi alle figure dei primi due capitoli, vedi qui.
  • gio 16/3 - Cap. 4 Campionamento, quantizzazione ed elaborazione numerica: Teorema del campionamento, Aliasing, Applet campionamento. Generalizzazione del filtro di restituzione, Ortogonalità delle funzioni sinc, Uso pratico. Quantizzazione, Quantizzazione lineare, SNR di quantizzazione, Quantizzazione logaritmica e codifica PCM. Effetto di non linearità della quantizzazione (scegliere una sinusoide, quantizzarla, ed osservare la comparsa di armoniche). Riflessioni sugli script Octave relativi alle figure del capitolo 4, qui
  • mar 21/3 - Trasformata di Fourier di sequenze, Trasformata discreta di Fourier, Relazione tra DTFT, DFT e trasformata zeta, Fast Fourier Transform, Filtraggio numerico via DFT, Convoluzione discreta e circolare, Convoluzione tra sequenze di durata finita via DFT, Convoluzione di segnali via DFT. Applet di convoluzione discreta, pagina WP su overlap and add
  • gio 23/3 - Cap. 5 Probabilità, processi, statistica: Teoria delle probabilità, Assiomi, Teoremi di base, Probabilità condizionali, Teorema di Bayes, Indipendenza statistica. 11.2.1 Canale simmetrico binario e decisore Bayesiano. 5.2 Variabili aleatorie, Densità di probabilità e funzione di distribuzione, Istogramma. Laboratorio sperimentale: installazione di Gnuplot e Octave, primi due esercizi
  • mar 28/3 - Valore atteso, momento e momento centrato, v.a. a distribuzione uniforme, v.a. gaussiana e funzione erfc. Applet dei dadi. Funzione caratteristica. Processi stazionari ed ergodici: Media di insieme, media temporale, Media temporale calcolata come media di insieme, Processo stazionario, Processo stazionario ed ergodico. script Octave su istogramma e media temporale come media di insieme. Processo ad aleatorietà parametrica. Gaussiana multidimensionale, Animazione, Indipendenza statistica per v.a. gaussiane incorrelate, Simulatore per gaussiana bidimensionale
  • gio 30/3 - Processo gaussiano. Elementi di statistica: Test di verifica di ipotesi, Funzione di verosimiglianza, Decisione di massima verosimiglianza, Stima di parametro, Stima di massima verosimiglianza. Cap. 6 Densità spettrale e filtraggio: Correlazione e covarianza, Correlazione tra variabili aleatorie, Indipendenza statistica e incorrelazione, Correlazione di processo ergodico, Autocorrelazione e intercorrelazione, Proprietà dell’autocorrelazione. Esercitazione di laboratorio: filtraggio di un segnale (da trovare l'errore)
  • mar 4/4 - Soluzione dell'esercizio sul filtraggio. Cap. 12 Codifica di sorgente multimediale: 12.1.2 Codifica basata su modello, Produzione del segnale vocale, Caratteristiche tempo-frequenza; Stima del periodo di pitch. 6.2 Spettro di densità di potenza: 6.2.1 Teorema di Wiener; Processo armonico, Processo gaussiano bianco limitato in banda, Processo di segnale dati. 6.9.3 Densità spettrale per onda PAM.
  • gio 6/4 - Approfondimento grafico sullo spettro dell'onda PAM. Stima spettrale: Periodogramma. Filtraggio di segnali e processi, Densità spettrale in uscita da un filtro. Laboratorio: Grafico 3d di gaussiana bidimensionale. 6.9.2 Matrice di covarianza e forma quadratica associata (cenni).
  • mar 11/4 - 6.4.1 Caratteristiche statistiche in uscita da un filtro. 5.4 (cenni di) Trasformazione di variabile aleatoria e cambio di variabili, Caso unidimensionale, Caso multidimensionale, 5.5.2 Trasformazione lineare di v.a. gaussiane. 6.5 Filtro adattato, 2.4.2 Disuguaglianza di Schwartz, video, applet. 6.5.1 Integrate and dump, Rumore colorato, Probabilità di errore. Segnalazione antipodale, ortogonale, Multiplazione a divisione di codice, Correlatore.
  • gio 20/4 - Unità di elaborazione dei segnali: Prodotto (Valor medio, Potenza, Varianza, autocorrelazione, densità di potenza, d.d.p.), Somma (Valor medio, Potenza, Varianza, autocorrelazione, densità di potenza, d.d.p.). Filtri digitali: Filtro trasversale, FIR del 1o ordine, IIR del 1o ordine. Filtri analogici, a un polo, Frequenza di taglio. 6.9.5 Grafici di esempio. Cap.7 Distorsione e rumore: Elaborazione o distorsione, canale perfetto, affievolimenti. Misure di potenza in decibel. Distorsione lineare: Guadagno di potenza in dB, Tempo di ritardo di gruppo.
  • gio 27/4 - Distorsione di non linearità: Ingresso sinusoidale e aleatorio, Effetto della non linearità sulla modulazione FM. Disturbi additivi: Valutazione dell’SNR dovuto a diverse fonti di disturbo, Rumore gaussiano, Rumore termico nei bipoli passivi, Potenza disponibile di un generatore. Cap. 8 Trasmissione dati in banda base: Trasmissione su canale numerico, Trasmissione numerica di banda base, Codifica di linea e segnale dati, Segnale binario e onda rettangolare, Effetto della limitazione in banda e ISI, Diagramma ad occhio, Trasmissione multilivello. Video sul diagramma ad occhio. Generazione del segnale dati, Codici di linea a banda infinita, Segnale dati limitato in banda, Requisiti per l’impulso di trasmissione, Condizioni di Nyquist, Filtro a coseno rialzato.
  • mar 2/5 - Errori nelle trasmissioni numeriche di banda base: Rumore bianco limitato in banda, Soglie di decisione, Probabilità di errore per simbolo, Espressione della Pe per simbolo, Diagramma ad occhio in presenza di rumore, Codice di Gray, Probabilità di errore per bit. Gestione degli errori di trasmissione: Controllo di errore, Errori su parole, Correzione di errore e codifica di canale, Codice a blocchi.
  • gio 4/5 - Esercitazione sulla distorsione di fase. 8.7 Ricevitore ottimo. Equalizzazione. 8.4.2.2 Codice a ripetizione; punto 5 dell'esercizio a pag 179. 8.4.2.3 Errori a burst ed interleaving. Detezione di errore, Parità. 8.5.2.2 Selective repeat, 8.5.2.3 Efficienza. 8.6 Acquisizione del sincronismo dati, Trasmissione asincrona, Sincronizzazione di bit e di parola. 8.6.2 Trasmissione sincrona (fino a Sincronizzazione di simbolo inclusa). 11.3 Codici di canale: Codice lineare a blocchi, Codice di Hamming. Simulatore, Esercizio A della prova del 6/4 di Trasmissione numerica.
  • mar 9/5 - Cap 9 Segnali modulati: Contesti applicativi e prime definizioni, Multiplazione a divisione di frequenza - FDM, Collegamenti punto-multipunto, Collegamenti punto-punto, Sistemi FDM telefonici. Accesso multiplo, Canale telefonico, Antenne e lunghezza d’onda, Banda di segnale. Spettro elettromagnetico. Trasmissione a banda laterale unica, Rappresentazione dei segnali modulati, Inviluppo complesso, Modulazione di ampiezza e/o angolare, Componenti analogiche di bassa frequenza, Filtro di Hilbert, Estrazione delle componenti analogiche di bassa frequenza. Esercizio A della 2a parte del 6/4/2017. Segnale analitico, Densità spettrale di segnali passa-banda, Schema delle trasformazioni.
  • gio 11/5 - Transito dei segnali modulati nei sistemi fisici, Filtraggio, Intermodulazione tra componenti analogiche, Equalizzazione di banda base, Segnali a banda stretta, Condizioni per inviluppo complesso reale, Filtro passa banda ideale, Simmetria coniugata attorno ad fo. Demodulazione coerente delle componenti analogiche di bassa frequenza. Rappresentazione dei processi in banda traslata (solo introduzione), Conclusioni, Processo gaussiano bianco limitato in banda. Cap. 10 Modulazione per segnali analogici: Modulazione di ampiezza, Banda laterale doppia, Portante soppressa, intera e parzialmente soppressa; Efficienza di PI-PPS. Applet sull'indice di modulazione. Banda laterale unica, Generazione di segnali BLU. Banda laterale ridotta. Potenza di un segnale AM. Demodulazione di ampiezza, Demodulazione coerente o omodina, Sincronizzazione di portante, Metodo della quadratura, Phase Locked Loop. 16.5.1 Allocazione delle frequenze radio.
  • mar 16/5 - 10.2.3 Errori di fase e di frequenza, Demodulazione I e Q presenza di errore di fase, Demodulazione incoerente in fase e quadratura, Demodulatore di inviluppo per AM-BLD-PI, Demodulazione per segnali a banda laterale unica e ridotta, Demodulatore eterodina, Frequenze immagine, Supereterodina. Ricevitore satellitare DVB - fig. 20.6 a pag 563 del PDF. 10.3 Modulazione angolare: Ricezione di un segnale a modulazione angolare, Ricevitore a PLL. Spettro elettromagnetico, Progetto di un modulatore AM, traiettoria dell'inviluppo complesso, Simulatore di modulazione.
  • gio 18/5 - (al solo scopo di dare un senso pratico agli argomenti di modulazione) 13.1.2 Demodulazione di un processo di rumore, Prestazioni delle trasmissioni AM, (solo risultati) BLD, BLU. (solo spiegazione a voce delle figure) 13.4.1 Rumore dopo demodulazione FM, 13.4.2 Caso di basso rumore, Segnale presente, Discussione del risultato. 13.4.3 Caso di elevato rumore. 10.3.2 Densità spettrale di segnali a modulazione angolare, Segnale modulante sinusoidale, Densità spettrale FM con processo aleatorio modulante, Indice di modulazione per processi. 20.2 FM broadcast. Cap. 11 Teoria dell’informazione e codifica: Codifica di sorgente, Codifica di sorgente discreta, Entropia, Intensità informativa e codifica binaria, Codifica con lunghezza di parola variabile.
  • mar 23/5 - Sperimentazione sullo spettro di segnali modulati angolarmente. Simulatore per la costruzione dell'albero binario di Huffman. Esercizio B del 10/7/2013 sul codice di Huffman. 11.1.1.4 Codifica per blocchi, Sorgente con memoria, Codifica per sorgenti con memoria. Esercizio C del 19/9/2013 sulla codifica di sorgente Markoviana.
  • gio 25/5 - 11.1.1.7 Compressione basata su dizionario, Codifica con perdite di sorgente continua, Curva velocità-distorsione, Entropia di sorgente continua, Sorgente continua con memoria, Codifica di canale, Canale simmetrico binario, Informazione mutua media per sorgenti discrete, Capacità di canale discreto, Capacità di canale continuo

Modalità di esame

Svolgo questo corso presso la sede di Latina a partire dall'A.A 2016/17 (secondo semestre), ma ho già svolto tre sessioni di esame, di cui sono disponibili le tracce della prova scritta. L'esame si suddivide in una prova scritta, ed una orale. La prova scritta si suddivide in due fasi, una "descrittiva" in cui non è permesso consultare testi, ed una "quantitativa" in cui invece è permesso. Per quanto riguarda l'A.A. corrente, il programma effettivo sarà definito con precisione a consuntivo, a partire dagli argomenti effettivamente svolti durante l'anno.

Octave o non Octave

La prova scritta PUO' (non necessariamente) essere sostituita dalla presentazione di uno script in linguaggio Octave che replichi in forma di programma alcuni dei risultati presentati nel corso, come ad esempio dimostrare operativamente la validità di alcune formule, eseguire operazioni di filtraggio e stima, simulare sistemi di trasmissione numerica e/o di modulazione, validare i risultati e gli algoritmi della teoria dell'informazione, risolvere per via numerica gli esercizi già dati come esame, confermandone i risultati ed i grafici ottenuti. Potreste affrontare un argomento che non vi è del tutto chiaro, per il quale la scrittura del codice può dare conferme e/o smentite del proprio punto di vista. Nel momento in cui decidiate di realizzare il programma, comunicatemelo e stabiliamo degli incontri intermedi di pre-valutazione ed orientamento. Quando me lo consegnerete, occorrerà poi attenderne la valutazione se possa essere considerato sostitutivo della prova scritta. Ma in ogni caso, la prova orale avverrà comunque.

Prove di esame svolte

Si consiglia agli studenti che intendono passare l'esame di esercitarsi sulle prove relative agli appelli precedenti, di cui sono forniti esempi di svolgimento, con l'intenzione che possano essere di aiuto nella verifica del proprio grado di preparazione.