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    Gianmarco ROMANO

    Insegnamento di COMMUNICATION SYSTEMS AND SOFTWARE DEFINED RADIO

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA ELETTRONICA

    SSD: ING-INF/03

    CFU: 9,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 72,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    Italiano

    Contenuti

    Modulazione lineare su portante sinusoidale: DSB, AM, SSB, QAM. Modulazione angolare: FM e PM. Trasmissione numerica su canale AWGN. Modulazioni lineari (PAM, PSK, QAM) ed ortogonali (FSK, OFDM). Sincronizzazione di simbolo. Sincronizzazione della portante. Codifica di canale. Codici a blocco lineari. Codici ciclici (CRC). Codici convoluzionali. Progetto e simulazioni Monte-Carlo di sistemi di comunicazione numerica al computer.

    Testi di riferimento

    F. Palmieri, Lezioni di Telecomunicazioni: Modulazione Analogica, Aracne Editrice, 2007. U. Madhow, Fundamentals of Digital Communication. Cambridge University Press, 2008. M. Rice, Digital Communications: A Discrete-Time Approach. Pearson/Prentice Hall, 2009. S. Benedetto and E. Biglieri, Digital transmission theory: With Wireless Applications. Springer, 1999.

    Obiettivi formativi

    Il corso si pone l’obiettivo di spiegare principi, tecniche e problematiche della moderna trasmissione numerica; insegnare le principali metodologie di progettazione di modem; dotare gli studenti degli strumenti necessari per l'analisi di prestazioni, anche attraverso la simulazione Monte-Carlo al computer; fornire le competenze per comprendere le specifiche tecniche dei sistemi di comunicazione numerica; far acquisire familiarità con i parametri fondamentali di un sistema di comunicazione numerica (ad es. banda, potenza, efficienza spettrale, velocità di trasmissione, ecc..).

    Prerequisiti

    Teoria della probabilità, variabili aleatorie e processi aleatori; sistemi lineari tempo-invarianti (LTI); trasformata di Fourier; densità spettrale di potenza e funzione di autocorrelazione; campionamento di un segnale e interpolazione di una sequenza.

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali. Esercitazioni al computer per illustrare varie metodologie di progetto e simulazione Monte-Carlo di sistemi di comunicazione numerica.

    Metodi di valutazione

    Esame orale con discussione del progetto software assegnato alla fine del corso.

    Altre informazioni



    Programma del corso

    Introduzione. Sistemi di trasmissioni numeriche. Modello OSI. Livello fisico e MAC. Canali di telecomunicazione e loro caratteristiche. Modelli matematici di canale. Rappresentazione dei segnali passa-banda. Inviluppo complesso.
    Modulazione lineare su portante sinusoidale: DSB, AM, SSB, QAM. Modulazione lineare in presenza di rumore. Modulazione angolare: FM e PM. Modulatori e demodulatori. La modulazione angolare in presenza di rumore.
    Trasmissione su canale AWGN. Modulazione lineare senza memoria. Segnale della modulazione lineare senza memoria. Architettura del modulatore numerico per segnali QAM senza memoria. Spettro di potenza di segnali QAM. Efficienza spettrale. Impulso base NRZ, RZ, Manchester (MAN), mezzo seno. Modello vettoriale del canale AWGN. Il filtro adattato. Il test M-ario delle ipotesi. Regola di decisione ottima MAP e ML. Il ricevitore ottimo MAP/ML. Prestazioni del ricevitore ottimo per modulazioni senza memoria: M-PAM, M-QAM, M-PSK. Union bound. Interferenza inter-simbolica. Il criterio di Nyquist per ISI nulla. Impulso a coseno rialzato. Sincronizzazione della fase della portante. Il problema della fase in ricezione. Effetto dell'incertezza di fase sul segnale ricevuto. Stima a massima verosimiglianza (ML) di parametri su canale AWGN. Stima ML della fase della portante. Algoritmi a ciclo chiuso per la stima e tracking della fase. Il digital phase-locked-loop (DPLL). Algoritmo della potenza M-sima. Ricezione incoerente. Modulazione differenziale per la ricezione incoerente. Sincronizzazione di timing di simbolo. Stima a massima verosimiglianza (ML) del symbol timing. Strutture a ciclo aperto e a ciclo chiuso. Timing Error Detector per la sincronizzazione di timing: MLTED, ELTED, ZCTED, Gardner TED, Mueller-Muller TED. Modulazione non lineare, ortogonale, senza memoria. Modulazione ortogonale. Union bound per segnali ortogonali e equi-energetici. Modulazione M-FSK ortogonale. Spettro di potenza di segnali modulati con modulazioni non lineari senza memoria. Ricevitore MAP/ML coerente per segnali M-FSK. Ricevitore incoerente per M-FSK. Segnale OFDM. Spettro di potenza del segnale OFDM. Ricevitore ottimo per segnali OFDM su canale AWGN. Architettura del modulatore/demodulatore OFDM con IFFT/FFT.
    Codifica di canale. Codici a blocco lineari. Matrice generatrice. Matrice di controllo di parità. Sindrome. Tabella canonica. Distanza minima. Capacità di rivelazione e correzione di errore. Codici di Hamming. Codici duali. Codici a massima lunghezza. Codici di Reed-Muller. Codici ciclici. Polinomio generatore. Codificatore sistematico. Sindrome polinomiale. Rivelazione di errore.
    Codici convoluzionali. Diagramma a stati. Diagramma a traliccio (trellis). Distanza colonna. Distanza libera. Algoritmo di Viterbi. Simulazioni di sistemi di telecomunicazioni. Simulazione ed implementazione software del livello fisico di sistemi di trasmissione numerica. Architettura del modulatore e demodulatore numerico per segnali QAM, M-FSK e OFDM. Simulazione Monte-Carlo per la stima del BER/SER su canale AWGN con segnali M-QAM, M-FSK e OFDM.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Linear modulation over sinusoidal carrier: DSB, AM, SSB, QAM. Angular modulation: FM and PM. Digital communications over AWGN channels. Linear (PAM, PSK, QAM) and orthogonal (FSK, OFDM) modulations. Symbol timing synchronization. Carrier phase synchronization. Channel coding. Linear block codes. Cyclic codes (CRC). Convolutional Codes. Monte-Carlo simulation of digital communication systems and modem design techniques with high-level software tools.

    Textbook and course materials

    F. Palmieri, Lezioni di Telecomunicazioni: Modulazione Analogica, Aracne Editrice, 2007. U. Madhow, Fundamentals of Digital Communication. Cambridge University Press, 2008. M. Rice, Digital Communications: A Discrete-Time Approach. Pearson/Prentice Hall, 2009.S. Benedetto and E. Biglieri, Digital transmission theory: With Wireless Applications. Springer, 1999.

    Course objectives

    The course aims to explain the principles, techniques and issues of modern digital communications; teach the main modem design methodologies; provide students with the tools necessary for performance analysis, including Monte-Carlo simulations on the computer; provide skills to understand the technical specifications of digital communication systems; familiarize students with the fundamental parameters of a numerical communication system (e.g. band, power, spectral efficiency, transmission rate, etc.).

    Prerequisites

    Probability theory, random variables and random processes; linear time-invariant systems (LTI); Fourier transform; power spectral density and autocorrelation function; sampling of a signal and interpolation of a sequence.

    Teaching methods

    Classroom lectures. Laboratory exercises to illustrate various Monte-Carlo simulation techniques and design methods of digital communications systems with high-level software tools.

    Evaluation methods

    Oral exam with discussion of the software project assigned at the end of the course

    Other information



    Course Syllabus

    Introduction. Digital communication systems. OSI model. Physical and MAC layers. Communication channels and their features. Mathematical models for various channels. Pass-band signals representation. Complex envelopes.
    Linear modulation on sinusoidal carrier: DSB, AM, SSB, QAM. Linear modulation in the presence of noise. Angular modulations: FM and PM. Modulators and demodulators. Angular modulation in the presence of noise.
    Transmission over the AWGN channel. Memoryless linear modulation. Linear modulation signal. Modulator architecture for generation modulated QAM signals. Power spectrum for QAM signals. Base pulses: NRZ, RZ, Manchester (MAN), half sine. Vector model for the AWGN channel. Matched filter. Hypothesis testing. Optimal MAP and ML rule. The optimum MAP/ML receiver. Optimum receiver performances for M-PAM, M-QAM, M-PSK. Union bound. Inter-symbol interference. Nyquist condition for zero ISI. Raised cosine filter. Carrier phase synchronization. Problem formulation. Phase offset effect on the received signal. Parameter estimation basics. Likelihood function of a signal on AWGN. ML estimation of the carrier phase. Closed-loop algorithms for estimation and tracking of the phase. Digital phase locked-loop (DPLL). M-power algorithm. Differential modulation and incoherent demodulation. Symbol timing synchronization. Maximum likelihood estimation. Closed-loop algorithms for timing estimation. Timing error detectors: MLTED, ELTED, ZCTED, Gardner TED, Mueller-Muller TED. Non-linear orthogonal and memoryless modulations. Orthogonal modulations. Union bound for orthogonal and equi-energy signals. Orthogonal M-FSK. Power spectrum density for non-linear memoryless modulated signals. Coherent optimum receiver for M-FSK. Incoherent optimum receiver for M-FSK. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Power Spectrum density for OFDM signals. Optimum receiver for OFDM signals over AWGN channels. OFDM modem architectures with IFFT/FFT. Channel coding. Linear block codes. Generator matrix. Parity check matrix. Syndrome. Decoding table and standard array. Hamming distance. Minimum distance. Error detection and correction capability. Hamming codes. Dual codes. Maximal length codes. Reed-Muller codes. Cyclic codes. Generator polynomial. Systematic encoder. Polynomial syndrome. Error detection. Convolutional codes. State diagram representation. Trellis diagram. Column distance. Free distance. Viterbi algorithm. Communication systems simulation. Simulation and software implementation of the physical layer in digital communication systems. Modulator and demodulator architecture for QAM, M-FSK and OFDM. Monte-Carlo simulation for BER/SER estimation over AWGN channels for M-QAM, M-FSK and OFDM signals.

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