ECTS - University of Pisa
Lo studente che completa con successo il corso sarà in grado di dimostrare una solida conoscenza delle principali questioni relative all'elettronica e ai sistemi di comunicazione.
Lo studente acquisirà la capacità di comprendere il principio di funzionamento dei principali elementi costitutivi dei sistemi elettronici e di valutare le metriche delle prestazioni, di progettare sistemi elettronici considerando diversi trade-off (area, velocità, consumo energetico e flessibilità) sfruttando strumenti di progettazione assistita da computer all'avanguardia e metodologie di progettazione di alto livello per FPGA e tecnologie semi-custom. Lo studente acquisirà la capacità di progettare sistemi elettronici basati su sensori, compresa l'acquisizione, il condizionamento e la fusione dei dati.
Lo studente acquisirà anche una conoscenza generale dei sistemi di comunicazione wireless. In particolare, alla fine del corso lo studente avrà una conoscenza di base delle architetture di trasmettitori e ricevitori e sarà in grado di valutare quali sono gli effetti più importanti del canale di propagazione sulla qualità complessiva della trasmissione. Un'attenzione specifica sarà data ad alcune delle tecnologie impiegate nei sistemi cellulari 4G e 5G.
The student who successfully completes the course will be able to demonstrate a solid knowledge of the main issues related to electronics and communication systems.
The student will acquire the ability to understand the principle of operation of the main building blocks of electronic systems and evaluate performance metrics, to design electronic systems be considering different trade-offs (area, speed, power consumption and flexibility) by exploiting state-of-the-art computer aided design tools and high-level design methodologies for FPGA and semi-custom technologies. He or she will acquire the ability to design sensor based electronic systems including sensor data acquisition, conditioning and data fusion.
The student will also acquire a general knowledge of wireless communication systems. In particular, at the end of the course the student will possess a basic undertanding of transmitter and receiver architectures and will be able to evaluate what are the most important effects of the propagation channel on the overall quality of the transmission. Specific attention will be given to some of the technolgies employed in 4G and 5G cellular systems.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità dimostrata di discutere i principali contenuti del corso utilizzando la terminologia appropriata. Lo studente dovrà dimostrare la capacità di mettere in pratica e di eseguire, con consapevolezza critica, le attività illustrate o svolte sotto la guida del docente durante il corso. A tal fine lo studente potrà richiedere ai docenti di svolgere un progetto pratico di progettazione per la parte di sistemi elettronici.
Metodi:
Esame orale finale
Relazione orale
Relazione scritta
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology. The student must demonstrate the ability to put into practice and to execute, with critical awareness, the activities illustrated or carried out under the guidance of the teacher during the course. To this aim the student could request to the teachers to perform a practical design project for the electronic systems part.
Methods:
Alla fine del corso, lo studente avrà una solida conoscenza delle principali questioni relative all'elettronica e ai sistemi di comunicazione.
In particolare, lo studente sarà in grado di effettuare un'analisi comparativa fra le varie tecniche di realizzazione di circuiti integrati (GPP, DSP, FPGA, ASIC semi-custom and full-custom) per sistemi di telecomunicazioni tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
Lo studente sarà in grado di svolgere le fasi principali per la progettazione di un circuito integrato digitale su tecnologia semi-custom basandosi sul linguaggio di descrizione dell'hardware ad alto livello (VHLD) e programmi di sintesi logica automatica. In particolare sarà in grado di svolgere tutte le fasi progettuali per la realizzazione di progetto digitale su tecnologia FPGA Xilinx (basandosi sul tool di simulazione ModelSim ed il tool di sintesi e programmazione Xilinx VIVADO) e la relativa implementazione e collaudo sulla scheda prototipale Zybo.
Lo studente sarà in grado di valutare con cognizione di causa i principali parametri che determinano le prestazioni di un sistema di comunicazioni wireless. Inoltre avrà i fondamenti per implementare in software i blocchi principali di un tranceiver digitale.
At the end of the course, the student will have a solid knowledge of the main issues related to electronics and communication systems.
In particular, the student will be able to perform a comparative analysis between the various techniques for the realization of integrated circuits (GPP, DSP, FPGA, ASIC semi-custom and full-custom) for telecomunication systems taking into account the main performance metrics (area occupied, speed, power consumption and reliability).
The student will be able to perform the main steps for the design of a digital integrated circuit on semi-custom technology based on the high-level hardware description language (VHLD) and automatic logic synthesis programs. In particular, the student will be able to perform all the design phases for the realization of a digital project on FPGA Xilinx technology (based on the ModelSim simulation tool and the Xilinx VIVADO synthesis and programming tool) and the related implementation and testing on the Zybo prototype board.
The student will be able to assess the main parameters that determine the performance of a wireless communications system. Furthermore, the student will possess the skills to implement the main blocks of a digital tranceiver in software.
Durante le lezioni di laboratorio, lo studente sarà messo alla prova con la progettazione di un sintetizzatore di frequenza digitale diretto: dalle specifiche di progetto, alla sua descrizione e verifica con il linguaggio di descrizione dell'hardware VHDL, fino alla progettazione su piattaforma FPGA Zync e all'implementazione e collaudo sulla scheda prototipale Zybo.
Opzionalmente, lo studente avrà l’occasione di completare il flusso di progetto di semplici sistemi digitali (dalla specifica alla sintesi su piattaforma FPGA) cimentandosi nell’esecuzione di un progetto assegnato dal docente a gruppi di 1-3 persone.
Durante le ore di lezione frontale, la partecipazione degli studenti sarà stimolata per verificare le capacita individuali relativamente ai principali temi delle comunicazioni wireless.
During the lab classes, the student will be challenged with the design of a direct digital frequency synthesizer: from the design specification, to its description and verification with the VHDL hardware description language, to the design on Zync FPGA platform and the implementation and testing on the Zybo prototype board.
Optionally, the student will have the opportunity to complete the design flow of simple digital systems (from specification to synthesis on FPGA platform) by trying his hand at the execution of a project assigned by the teacher in groups of 1-3 people.
During the lessons, the participation of students will be stimulated to test individual skills in relation to the main themes of wireless communications
Lo studente imparerà ad esplorare lo spazio di progetto per la progettazione di sistemi microelettronici digitali per sistemi di telecomunicazioni tenendo conto delle principali metriche prestazionali (area occupata, velocità, consumo di potenza e affidabilità).
Lo studente acquisirà una prima comprensione di quali siano i requisiti fondamentali per la progettazione ed il dimensionamento di un sistemacomunicazioni wireless.
The student will learn to explore the design space for designing digital microelectronic systems for telecom taking into account key performance metrics (area occupied, speed, power consumption, and reliability).
The student will acquire a first understanding of what are the fundamental parameters for the design of a wireless communication system.
Lo studente verrà periodicamente interrogato durante le lezioni allo scopo di capire come si rapporta di fronte a semplici problemi che riguardano l’uso dei sistemi di elaborazione digitale del segnale che vengono di volta in volta introdotti dai docenti.
Per gli studenti che scelgono di svolgere i progetti opzionali, è prevista una fase di discussione dei risultati nella quale il docente valuta l’effettivo grado di confidenza assunto dagli studenti nei confronti delle tecniche progettuali.
The student will be queried during the lectures in order to understand how they behave while facing simple problems regarding the use of digital signal processing modules.
The student have to discuss the results of their projects with the teachers, who will determine the degree of confidence that the students have acquired with the main steps of the integrated circuit design flow.
Lo studente dovrà avere una buona conoscenza dei seguenti argomenti:
1) tecnologie di fabbricazione dei circuiti integrati CMOS
2) conoscenze di porte logiche in CMOS (combinatorie e sequenziali)
3) Architettura di massima di un calcolatore
4) Teoria dei segnali aleatori e deterministici
5) Conoscenza dei ssitemi lineari
6) Nozioni di sitemi di telecomunicazioni
The students should have a good knowledge of:
1) CMOS integrated circuit fabrication technologies
2) Knowledge of CMOS logic gates (combinational and sequential)
3) Basic of computer architecture
4) Theory of random and deterministic signals
5) Knowledge of linear systems
6) Notions of telecommunications systems
Attività di apprendimento:
Frequenza: fortemente consigliata ma non obbligatoria
Metodi di insegnamento:
Erogazione: didattica frontale emergenza COVID-19 permettendo altrimenti a distanza su piattaforma Teams
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Advised
Teaching methods:
Il corso è organizzato in due parti. La prima riguarda i sistemi elettronici:
La seconda parte riguarda i sistemi di comunicazione ed è organizzata in cinque blocchi:
1. Comunicazioni analogiche. Come i servizi di telecomunicazione mappano lo spettro radio. Sistemi analogici. Modulazione AM-DSB. Architetture di modulatori e demodulatori. QAM analogico. Segnali in fase e in quadratura. Demodulatore QAM analogico. Sistemi a banda base e a banda passante. Inviluppo complesso e modello equivalente a banda base per segnali a banda passante. FM analogico: modello di segnale, inviluppo complesso e definizione dell'indice di modulazione. Larghezza di banda per un segnale FM modulato da un tono sinusoidale. Regola della larghezza di banda di Carson. Descrizione e meccanismi di funzionamento di una radio definita dal software. Un caso particolare: RTL-SDR. Elaborazione del segnale e flusso di dati in un ricevitore RTL-SDR. Implementazione SDR di un ricevitore FM mono. Implementazione MATLAB del ricevitore FM mono che utilizza i campioni all'uscita di un RTL-SDR.
2. Comunicazioni digitali. Architettura del trasmettitore PAM. Mappatura dei simboli. Progettazione del filtro di trasmissione. Breve panoramica dei processi stocastici. Densità spettrale di potenza. Calcolo della PSD per un processo a stato discreto in tempo reale. Effetto della media dei simboli sullo spettro del segnale. Scompensi nella scelta del filtro di trasmissione. Definizione di un processo stocastico. Distribuzione e funzione di densità di probabilità. Media e autocorrelazione di un processo stocastico. Stazionarietà e stazionarietà in senso lato. Densità spettrale di potenza. Progettazione del ricevitore PAM. Criterio di Nyquist nel dominio del tempo e della frequenza. Filtri coseno rialzati. Progettazione del filtro di ricezione PAM: Filtro accoppiato. Filtri a coseno rialzato radice. Larghezza di banda di un segnale PAM. Calcolo dell'energia per simbolo PAM. Strategia di decisione: criterio di massima verosimiglianza e rilevamento a distanza minima. Regioni di decisione. Probabilità di errore dei simboli PAM. Uso della funzione Q per calcolare la probabilità di errore. Proprietà della funzione Q. Probabilità di errore di bit. Confronto delle prestazioni di 2-PAM, 4-PAM e 8-PAM in termini di probabilità di errore di bit in funzione di Eb/N0. Modulazioni in quadratura. Simboli QAM complessi. Calcolo del valore quadratico medio dei simboli QAM e dell'energia per simbolo QAM. Approssimazione della probabilità di errore per simbolo per una costellazione QAM in funzione del PAM corrispondente. Derivazione della probabilità di errore di bit. Realizzazione in MATLAB di una simulazione Monte-carlo di un sistema di comunicazione 4-PAM. Spettro di un segnale modulato in QAM. Effetto della scelta del fattore di roll-off RRC sullo spettro del segnale e sulle variabili di decisione quando la risposta all'impulso del filtro RRC è troncata.
3. Il canale di propagazione senza fili. Fenomeni di propagazione. Dissolvenza su larga scala: perdita di percorso. Esponente di perdita di percorso. Shadowing e distribuzione dello shadowing log-normale. Fading su larga scala: calcolo della potenza media ricevuta come combinazione di path-loss e shadowing. Canale modellato come LTI. Modello di canale ideale senza distorsione. Dissolvenza su piccola scala. Inviluppo complesso del canale di propagazione. Cluster di onde ricevute: teorema del limite centrale e sua applicazione per derivare la distribuzione dei guadagni complessi del canale. Distribuzione di Rayleigh. Dissolvenza su piccola scala. Definizione di larghezza di banda di coerenza. Flat fading. Dissolvenza multipla. Canali selettivi di frequenza. Prestazioni dei sistemi di comunicazione su AWGN, canali flat fading e canali multipath. Definizione di piano di errore. Definizione di spread di ritardo del canale e come calcolarlo. Diffusione del ritardo e larghezza di banda di coerenza. Esempio di modello di canale a due raggi. Inviluppo complesso per la risposta all'impulso di un canale che varia nel tempo. Definizione di Doppler shift e Doppler spread. Spettro di potenza Doppler di Jake. Funzione di autocorrelazione del guadagno del canale di un canale variabile nel tempo. Definizione di tempo di coerenza del canale. Distanza di coerenza. Definizione di canali a dissolvenza lenta e veloce sulla base del tempo del simbolo del segnale e della larghezza di banda del segnale.
4. Modulazioni multiportante. Caratteristiche principali della multiportante. Risposta all'impulso del canale come linea di ritardo intercettata. Convoluzione discreta come prodotto di una matrice Toeplitz. Modello di segnale OFDM: estensione ciclica. Convoluzione circolare. Notazione Matix per la convoluzione circolare: Matrici circolanti. Diagonalizzazione di matrici circolanti. Come sfruttare la proprietà di diagonalizzazione delle matrici circolanti per implementare trasmissioni OFDM non affette da ISI al ricevitore. Schema a blocchi del ricetrasmettitore OFDM. Interpretazione dell'OFDM. Periodicità del segnale OFDM. Spettro del segnale OFDM e ortogonalità delle sottoportanti. Esempio di OFDM: WIFi - IEEE 802.11. Variabili di decisione per un ricevitore OFDM. Implementazione MATLAB di un trasmettitore e ricevitore OFDM.
5. Diversità nelle comunicazioni wireless: diversità di tempo, frequenza e spazio. Diversità temporale: interleaving e codifica. Codifica di rilevamento degli errori. Codifica di correzione degli errori. Encoder e decoder per codici a blocchi. Codificatore e per codici convoluzionali. Convoluzione in GF(2). Definizione dei parametri di un codificatore a blocchi. Diagramma di stato e diagramma di Trellis per un codificatore convoluzionale. Strategia di decodifica per codici convoluzionali. Codici convoluzionali: l'algoritmo di Viterbi. Interleaving e deinterleaving. Motivazione per l'uso di un interleaver su un canale fading. Esempio di un interleaver a blocchi. Codici turbo. Schema a blocchi e meccanica del codificatore. Decodificatore turbo. Esempio semplificato di un codificatore e decodificatore turbo. Trade-off tra prestazioni e latenza nei codici turbo. Diversità spaziale: definizione di array e guadagno di diversità. Canale MIMO e matrice di canale. Canale SIMO e combinatore a rapporto massimo. Calcolo dell'SNR al ricevitore. Canale MISO e combinatore di trasmissione a rapporto massimo. Pesi ottimali del combinatore. Calcolo del SNR ricevuto. Effetto dell'impiego di antenne multiple sulla funzione di densità di probabilità dei guadagni del canale. Multiplazione spaziale MIMO. Numerologia del livello fisico LTE. Calcolo di come la velocità di picco dei dati di 1.6 (2) Gb/s è raggiunta in un terminale LTE di classe 19 (20).
The course is organized in two parts. The first one covers electronic systems:
The second part covers communication systems and is organized in five blocks:
1. Analog communications. How telecom services map on the radio spectrum. Analog systems. AM-DSB modulation. Modulator and demodulator's architectures. Analog QAM. In-phase and quadrature signals. Analog QAM demodulator. Baseband and passband systems. Complex envelope and baseband equivalent model for passband signals. Analog FM: Signal model, complex envelope and modulation index definition. Bandwidth for a FM signal modulated by a sinusoidal tone. Carson bandwidth rule. Description and working mechanisms of a software defined radio. A particular case: RTL-SDR. Signal processing and data flow in an RTL-SDR receiver. SDR implementation of a mono FM receiver. MATLAB implementation of the FM mono receiver employing the samples at the output of a RTL-SDR.
2. Digital communications. PAM transmitter architecture. Symbol mapping. Transmit filter design. Brief overview of stochastic processes. Power spectral density. Computation of the PSD for a discrete-time discrete-state process. Effect of the symbol mean on the signal spectrum. Trade-offs when choosing the transmit filter. Definition of a stochastic process. Distribution and probability density function. Mean and autocorrelation of a stochastic process. Stationarity and wide sense stationarity. Power spectral density. Design of the PAM receiver. Nyquist criterion in the time and frequency domain. Raised cosine filters. Design of the PAM receive filter: Matched filter. Root raised cosine filters. Bandwidth of a PAM signal. Computation of the energy per PAM symbol. Decision strategy: maximum likelihood criterion and minimum distance detection. Decision regions. PAM symbol error probability. Use of the Q-function for computing the error probability. Properties of the Q-function. Bit error probability. Comparison of the performance of 2-PAM, 4-PAM and 8-PAM in terms of bit error probability as function of Eb/N0. Quadrature modulations. Complex QAM symbols. Calculation of the root mean square value of the QAM symbols and of the energy per QAM symbol. Approximation of the probability of error per symbol for a QAM constellation as a function of the corresponding PAM. Derivation of the bit error probability. Realization in MATLAB of a Monte-carlo simulation of a 4-PAM communication system. Spectrum of a QAM modulated signal. Effect of the choice of the RRC roll-off factor on the signal spectrum and decision variables when the impulse response of the RRC filter is truncated.
3. The wireless propagation channel. Propagation phenomena. Large scale fading: path loss. Path loss exponent. Shadowing and distribution of the log-normal shadowing. Large scale fading: computation of the average received power as the combination of path-loss and shadowing. Channel modeled as a LTI. Ideal distortionless channel model. Small scale fading. Complex envelope of the propagation channel. Clusters of received waves: central limit theorem and its application to derive the distribution of the complex channel gains. Rayleigh distribution. Small scale fading. Definition of coherence bandwidth. Flat fading. Multipath fading. Frequency selective channels. Performance of communication systems on AWGN, flat fading channels and multipath channels. Definition of error floor. Definition of the channel's delay spread and how to compute it. Delay spread and coherence bandwidth. Two-ray channel model example. Complex envelope for the impulse response of a time varying channel. Definition of Doppler shift and Doppler spread. Jake's Doppler power spectrum. Auto-correlation function of the channel gain of a time-varying channel. Definition of channel coherence time. Coherence distance. Definition of slow and fast fading channels on the base of the signal symbol time and signal bandwidth.
4. Multi-carrier modulations. Main characteristics of multi-carrier. Channel impulse response as a tapped delay line. Discrete convolution as the product with a Toeplitz matrix. OFDM signal model: cyclic extension. Circular convolution. Matix notation for circular convolution: Circulant matrices. Diagonalization of circulant matrices. How to exploit the diagonalization property of circulant matrices to implement OFDM transmissions not affected by ISI at the receiver. Block diagram for the OFDM transceiver. OFDM interpretation. Periodicity of the OFDM signal. Spectrum of the OFDM signal and orthogonality of the subcarriers. OFDM example: WIFi - IEEE 802.11. Decision variables for an OFDM receiver. MATLAB implementation of an OFDM transmitter and receiver.
5. Diversity in wireless communications: time, frequency and space diversity. Time diversity: interleaving and coding. Error detection coding. Error correction coding. Encoder and decoder for block codes. Encoder and for convolutional codes. Convolution in GF(2). Definition of the parameters of a block encoder. State diagram and Trellis diagram for a convolutional encoder. Decoding strategy for convolutional codes. Convolutional codes: the Viterbi algorithm. Interleaving and deinterleaving. Motivation for using an interleaver on a fading channel. Example of a block interleaver. Turbo codes. Encoder block diagram and mechanics. Turbo decoder. Simplified example of a turbo encoder and decoder. Trade-off between performance and latency in turbo codes. Spatial diversity: definition of array and diversity gain. MIMO channel and channel matrix. SIMO channel and maximal ratio combiner. SNR computation at the receiver. MISO channel and maximal ratio trasmit combiner. Optimal combiner weights. Computation of the received SNR. Effect of employng multiple antennas on the probability density function of the channel gains. MIMO spatial multiplexing. LTE physical layer numerology. Computation of how the peak data rate of 1.6 (2) Gb/s is achieved in a class 19 (20) LTE terminal.
La lettura consigliata include:
- P. Pirsch, "Architetture per l'elaborazione del segnale digitale", Wiley
- J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Circuiti integrati digitali 2/E, Prentice-Hall
- K.C. Chang, "Digital Systems Design with VHDL and Synthesis", IEEE Computer Society
Specificamente per la parte di telecomunicazioni
- T.S. Rappaport, "Wireless Communications: Principles and Practice", 2nd Edition. [Cap. 1 e 3]
- R.W. Stewart, K.W. Barlee, D.S.W. Atkinson, L.H. Crockett, "Software Defined Radio Using Matlab & Simulink and The Rtl-Sdr", University of Strathclide [Cap. 1 (SDR)].
- J. Proakis, "Digital Communications", 5th Revised edition, McGraw-Hill, Prentice Hall. [Cap.1 (complex envelope) e 2]
-D. Tse, P. Visnawath, Fundamentals Of Wireless Communication, Cambrdige University Press [Cap. 4 e 5].
Ulteriori materiali saranno forniti dai docenti e disponibili sul canale Teams del corso.
Recommended reading includes:
- P. Pirsch, “Architectures for Digital Signal Processing”, Wiley
- J. M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Digital Integrated Circuits 2/E, Prentice-Hall
- K.C. Chang, “Digital Systems Design with VHDL and Synthesis”, IEEE Computer Society
Specifically for the telecom part
- T.S. Rappaport, "Wireless Communications: Principles and Practice", 2nd Edition. [Chapters 1 and 3]
- R.W. Stewart, K.W. Barlee, D.S.W. Atkinson, L.H. Crockett, "Software Defined Radio Using Matlab & Simulink and The Rtl-Sdr", University of Strathclide [Chapter 1 (SDR)].
- J. Proakis, "Digital Communications", 5th Revised edition, McGraw-Hill, Prentice Hall. [Chapters 1 (complex envelope) and 2]
- D. Tse, P. Visnawath, Fundamentals Of Wireless Communication, Cambrdige University Press [Chapters 4 and 5].
Further materials will be provided by the lecturers and available in the course Teams channel.
Il programma è lo stesso per studenti frequentanti e non frequentanti. Gli studenti non frequentanti possono trovare tutto il materiale del corso nella pagina web indicata dal docente e sul canale Teams del corso.
The program is the same for attending and non-attending students. Non-attending students can find the materials covering all the subjects of the lectures in the webpage indicated by the teacher and on the Teams channel.
Esame orale, in genere 2/3 domande ampie su argomenti selezionati per ciascun modulo (electronics and communication), circa 40/50 minuti in totale.
Oral exam, typically 2/3 broad questions on selected topics for each module (electronics and communication), about 40/50 minutes total.
COMMISSIONE DI ESAME: Marco Moretti, Luca Fanucci, Pietro Nannipieri
EXAM BOARD: Marco Moretti, Luca Fanucci, Massimiliano Donati
