Academic year2020/21
CourseTELECOMMUNICATIONS ENGINEERING
Code1013I
Credits12
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| INFORMATION THEORY | ING-INF/03 | LEZIONI | 60 | | ANTONIO ALBERTO D'AMICO unimap |
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| WIRELESS COMMUNICATIONS | ING-INF/03 | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Il corso tratta delle principali tecniche per la trasmissione dell'informazione nei sistemi di comunicazione numerici. In particolare, il primo modulo si occupa dei concetti fondamentali della Teoria dell'Informazione relativi alla codifica di sorgente, alla capacità di canale e alle techiche di codifica per la protezione dagli errori. Il secondo modulo affronta, invece, gli aspetti principali delle trasmissioni wireless e fornisce le conoscenze di base relative ai sistemi di modulazione numerici. Inoltre, una parte del corso è dedicata alla modelizzazione dei canali di trasmissione, ai loro effetti sulle prestazioni di un sistema di comunicazione e alle tecniche per contrastare tali effetti.
Knowledge
The course deals in general with the different techniques for the transmission of information in digital form. The first module deals in particular with the fundamentals of Information Theory about source coding (lossless and lossy), noisy channel capacity, and error-protection coding, with applications to MIMO wireless communications and wireline xDSL communications. The second module is devoted to Wireless Communications, and gives a working knowledge of the main narrowband and wideband digital signalling and multiple-access techniques (including multicarrier and spread spectrum). This is also complemented by notions about the main impairments deriving from signal transmission over the physical media (mainly the wireless radio channel), together with the main detection and signal processing techniques that are used to counteract such phenomena.
Modalità di verifica delle conoscenze
La verifica delle conoscenze sarà effettuata proponendo agli studenti degli esercizi relativi agli argomenti del corso. Inoltre, all'inizio di ogni lezione il docente farà un breve riepilogo dei concetti fondamentali visti nella lezione precedente coinvolgendo gli studenti con delle domande al riguardo.
Assessment criteria of knowledge
Knowledge assessment will be carried out through homework assignments. In addition, at the beginning of each lesson the teacher will provide a brief summary of the topics covered in the previous lesson, asking questions to the students.
Capacità
Al termine del corso lo studente avrà acquisito le conoscenze di base relative alla codifica e alla trasmissione dell'informazione, la capacità di comprendere i principi fondamentali alla base degli attuali (e futuri) standard utilizzati nei sistemi di comunicazione numerici, e sarà in grado di valutare come possano essere usate le risosrse principali disponibili, quali potenza e banda.
Skills
The student who successfully completes the course will have the ability to understand the main communication standards for the delivery of digital information in the Future Internet. It will master digital signalling and formatting for wireless and wired communications in 4G and 5G cellular networks and in xDSL, and will have a fundamental knowledge about the issues of digital encoding of information and exploitation of communication resources like energy and bandwidth. She/he will also acquire the capability to understand the building blocks of a modem for wired or wireless digital links. In some cases, the student will also be able to perform a simple/baisc system design of a moded.
Modalità di verifica delle capacità
Le capacità acquisite dallo studente saranno verificate mediante esercizi che il docente assegnerà agli studenti. La correzione di tali esercizi avverrà in aula, in modo da fornire agli studenti gli strumenti per giudicare il loro livello di preparazione e sensibilizzarli a seguire il corso in maniera attiva.
Assessment criteria of skills
Skills acquired by the students will be verified through exercises that will be assigned by the teacher. Correction of the proposed exercises will take place in the classroom, in order to allow students to evaluate their level of preparation and giving them the capability of attending the course in an active way.
Comportamenti
Gli studenti potranno acquisire e sviluppare rigore metodologico e scientifico, insieme alla capacità di analizzare criticamente le soluzioni dei problemi mettendo in evidenza i pro e i contro dei procedimenti adottati.
Behaviors
Students will acquire and develop methodological and scientific rigour, and will be able to analyze critically exercise solutions highlighting pros and cons of the adopted procedures.
Modalità di verifica dei comportamenti
La verifica dei comportamenti degli studenti avverrà in aula durante le lezioni frontali, attraverso domande a loro rivolte su temi specifici trattati durante le lezioni precedenti.
Assessment criteria of behaviors
The assessment of the change in attitude of the students will take place in the classroom during lectures, through questions on specific topics discussed in the previous lessons.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Conoscenze di base relative alla teoria dei segnali (deterministici ed aleatori, tempo-continui e tempo-discreti) e alla teoria dei sistemi. Conoscenza delle principali tecniche utilizzate nei sistemi di comunicazione.
Prerequisites
Basic knowledge of signals, systems, and fundamental of communication technologies.
Indicazioni metodologiche
Tipo di insegnamento: lezioni frontali
Metodi di apprendimento:
- presenza alle lezioni
- partecipazione alle discussioni
- studio individuale
Frequenza: raccomandata
Forme di insegnamento:
Teaching methods
Delivery: face to face/Online
Attendance: Not mandatory
Learning activities:
- attending lectures
- individual study
- Bibliography search
Teaching methods:
- Lectures
- Seminar
- laboratory
Programma (contenuti dell'insegnamento)
- Lossless Data Compression: Sorgente di informazione digitale senza memoria e concetto di codifica di sorgente – Entropia di Shannon – Codici a lunghezza variabile e disuguaglianza di Kraft – Codici di Huffman, di Shannon Fano, Arithmetic Coding – Teorema della compressione dati
- Reliable Transmission of Information I: Data corruption: rumore di trasmissione o di registrazione/lettura - Modello probabilistico del data corruption (canale rumoroso) con esempi – Entropia congiunta di due variabili aleatorie. Entropia condizionata. Relazione tra entropia congiunta, condizionata e marginale (chain rule per l'entropia). Informazione mutua. Informazione mutua condizionata. Data-processing inequality.
- Reliable Transmission of Information II: – Introduzione alla codifica di canale. Canali discreti senza memoria. Canali simmetrici. Proprietà dei canali simmetrici. Canale binario simmetrico (BSC) e Canale binario con cancellazione (BEC). Capacità di canale. Capacità del BSC. Capacità del BEC. Capacità di canali discreti senza memoria simmetrici. Introduzione al teorema sulla codifica di canale: definizione di codice a blocco, decodifica a blocco, probabilità di errore, criterio MAP, criterio MV. Teorema di Shannon sulla codifica di canale. Sorgenti di informazione continue. Entropia di variabili aleatorie continue. Entropia relativa (distanza di Kullback-Leibler). Informazione mutua tra due variabili aleatorie continue. Calcolo della capacità di un canale additivo con ingresso binario e uscita gaussiana (Bi-AWGN). Piano delle efficienze. Capacità di un canale additivo gaussiano con ingresso continuo. Capacità di canali gaussiani paralleli. Algoritmo di water-filling. Canali gaussiani paralleli con rumore colorato. Capacità del canale gaussiano tempo-continuo. Limite di Shannon. Efficienza spettrale. Piano di Shannon. Codici a blocco. Codici a blocco lineari binari.
Modulo di WIRELESS COMMUNICATIONS
- Digital Communication Systems: La modulazione PAM: modello analitico del segnale e sua densità€ spettrale di potenza, struttura del modulatore e del demodulatore, condizione di Nyquist perl'eliminazione dell'interferenza intersimbolica (ISI), progetto dei filtri di trasmissione e di ricezione. Impulsi a coseno rialzato. Le modulazioni QAM e PSK: modello analitico del segnale e sua densità€ spettrale di potenza, struttura del modulatore e del demodulatore. Zone di decisione e calcolo della probabilità€ di errore.
- Wireless Channels Modeling: Modelli deterministici e statistici dei canali di propagazione. Propagazione per cammini multipli. Canali stazionari e canali tempo-varianti. Canali piatti e canali selettivi in frequenza. Canali di Rice e di Rayleigh. Probabilità di errore e probabilità di fuori servizio in canali di Rayleigh. Tecniche di trasmissione/ricezione in diversità. Modelli stocastici per canali tempo-varianti. Modello di Jakes-Clarke.
- Wideband Multicarrier Signaling: Trasmissioni multi-portante su canali selettivi in frequenza. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Densità spettrale di potenza e ricevitore ottimo per segnali OFDM. Implementazione digitale di un modem OFDM: prefisso ciclico, equalizzazione ZF.
Syllabus
- Lossless Data Compression: Source models and source coding – Shannon’s Entropy – Fixed-Length and Variable-Length codes. Kraft inequality. – Huffman codes, Shannon-Fano coding, Arithmetic coding – Data compression theorem.
- Reliable Transmission of Information I: Data corruption: noisy channels – Joint Entropy and Conditional Entropy. Relative Entropy and Mutual Information. Relationship Between Entropy and Mutual Information. Chain Rules for Entropy, Relative Entropy, and Mutual Information. Data-processing inequality.
- Reliable Transmission of Information II: – Channel Coding. Discrete memoryless channels. Symmetric Channels. Binary Symmetric Channel (BSC) and Binary Erasure Channel (BEC). Channel Capacity. BSC capacity. BEC capacity. Channel capacity for discrete memoryless symmetric channels. Channel Coding Theorem. Continuous random variables. Differential entropy. Joint and Conditional Differential Entropy. Relative Entropy and Mutual Information. Gaussian Channel: definitions. Parallel Gaussian Channels. Water-filling algorithm. Channels with Colored Gaussian Noise. Mutual information and capacity for continuous-time gaussian channels. Linear block codes.
WIRELESS COMMUNICATIONS
- Digital Communication Systems: PAM modulation: signal model and power spectral density, modulator and demodulator structure, Nyquist condition for intersymbolic interference (ISI) mitigation, design of the transmission and receiver filters. Raised cosine shaping filters. The QAM and PSK modulations: signal model and power spectral density, modulator and demodulator structure. Decision zones and error probability evaluation.
- Wireless Channels Modeling: Physical modeling for wireless channels: Free space, fixed transmit and receive antennas; free space, moving antenna; reflecting wall, fixed antenna; Reflecting wall, moving antenna. Multipath propagation. Time and frequency coherence: doppler spread and coherence time; delay spread and coherence bandwidth. Statistical channel models. Rayleigh and Rician fading. Detection in a Rayleigh fading channel. Diversity: Time Diversity, Frequency Diversity, Spatial Diversity. Selection combining and Maximum Ratio Combining. Jakes-Clarke channel model.
- Wideband Multicarrier Signaling: Communication over frequency-selective channels: multi-carrier modulations. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).
Bibliografia e materiale didattico
TESTI CONSIGLIATI:
Bibliography
BIBLIOGRAPHY:
Modalità d'esame
Esame orale su ciascuno dei due moduli (Information Theory e Wireless Communications).
Assessment methods
Mandatory oral exam: for each module (IT & WC) 30 min. discussion about two main topics suggested by the examiner, and that the student must be capable to master in detail.
Altri riferimenti web
Prof. Luise's Home Page: http://www.iet.unipi.it/m.luise/
Additional web pages
Prof. Luise's Home Page: http://www.iet.unipi.it/m.luise/
Updated: 26/11/2021 13:01
