CourseTELECOMMUNICATIONS ENGINEERING
Code904II
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian
Gli studenti alla conclusione del corso avranno acquisito una solida conoscenza sia dell’architettura di alcuni sistemi satellitari di nuova generazione che degli strumenti necessari per la valutazione delle loro prestazioni.
In particolare, gli studenti avranno appreso:
- la capacità di valutare il trade-off tra efficienza spettrale ed efficienza energetica, la sensibilità di un ricevitore e la probabilità di fuori servizio (outage);
- l’evoluzione storica dei satelliti, delle tecnologie utilizzate e delle rispettive applicazioni;
- le caratteristiche di un collegamento satellitare (frequenze allocate, propagazione, latenza, banda disponibile, livello di segnale ricevuto, parametri orbitali), la struttura di un transponder satellitare e del sistema di telemetria, tracking e controllo (TT&C), le tecniche di assegnamento (FAMA, DAMA) e condivisione delle risorse (TDMA, CDMA, SDMA), con applicazione, come esempio, ai satelliti di nuova generazione (HotBird, Inmarsat 4 e 5, Intelsat 18, Iridium NEXT, Globalstar);
- conoscenza dell’architettura dello standard Digital Video Broadcasting – Satellite Second Generation (DVB-S2), delle configurazioni del sistema e relative applicazioni, dell’efficienza spettrale disponibile, e dell’evoluzione tecnologica dal DVB-S;
- le scelte progettuali effettuate per la struttura di un sistema di ricezione DVB-S2;
- le tecniche per il dimensionamento dei parametri di un collegamento DVB-S2 mediante link budget e per la valutazione delle prestazioni del sistema, con particolare riferimento alla presenza di attenuazione per pioggia;
- conoscenza dell’architettura del sistema di posizionamento NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS);
- l’evoluzione dei satelliti GPS dal Block I al Block III;
- l’organizzazione dei segmenti Spazio, Controllo e Utente;
- gli algoritmi utilizzati per stimare la posizione utente e il Coordinated Universal Time (UTC);
- la struttura del segnale CDMA trasmesso da ogni satellite (frequenze di trasmissione, generazione dei codici di ranging PRN, generazione dei dati di navigazione NAV, densità spettrale di potenza e livello di potenza del segnale ricevuto);
- le sorgenti di errore e le prestazioni di accuratezza.
Students at the end of the course will have acquired a solid understanding of both the architecture of some new generation satellite systems and the tools needed to evaluate their performance.
In particular, students will have learned:
- The ability to assess the trade-off between spectral efficiency and energy efficiency, the sensitivity of a receiver and the probability of outage;
- The historical evolution of the satellites, the technologies used and their applications;
- The characteristics of a satellite link (allocation frequencies, propagation, latency, available band, received signal level, orbital parameters), the structure of a satellite transponder and the telemetry, tracking and control system (TT&C), the assignment techniques (FAMA, DAMA) and resource sharing (TDMA, CDMA, SDMA), with application, as an example, to the next generation satellites (HotBird, Inmarsat 4 and 5, Intelsat 18, Iridium NEXT, Globalstar);
- Knowledge of the architecture of the Digital Video Broadcasting – Satellite Second Generation (DVB-S2) standard, system configurations and related applications, available spectral efficiency, and technological evolution from DVB-S;
- The design choices made for the structure of a DVB-S2 reception system;
- Techniques for choosing the parameters of a DVB-S2 link by means of the link budget and for evaluating the performance of the system, with particular reference to rain attenuation;
- The NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS) positioning system architecture;
- The evolution of GPS satellites from Block I to Block III;
- The organization of the Space, Control, and User segments;
- The algorithms used to estimate user location and Coordinated Universal Time (UTC);
- The structure of the CDMA signal transmitted by each satellite (transmission frequencies, PRN ranging code generation, NAV navigation data generation, power spectral density and received signal strength level);
- Error sources and accuracy performance.
Le conoscenze acquisite saranno verificate durante la sessione di esame orale.
The knowledge acquired will be verified during the oral exam session.
Alla conclusione del corso, gli studenti sapranno:
- valutare i parametri di un collegamento satellitare e scegliere sia le tecniche di assegnamento e condivisione delle risorse che le specifiche del relativo transponder più adatte per una data applicazione;
- comprendere l’architettura degli standard relativi ai sistemi DVB-S e DVB-S2;
- definire numericamente i valori dei parametri di un collegamento satellitare DVB-S2 mediante link budget, valutare il relativo trade-off tra efficienza spettrale ed efficienza energetica, quantificare le prestazioni di errore sul pacchetto dati all’uscita del sistema;
- comprendere l’architettura del sistema di posizionamento satellitare GPS, segmenti Spazio, Controllo e Utente;
- definire la struttura del segnale trasmesso da ogni satellite della costellazione GPS;
- definire gli algoritmi per la stima della posizione e del timing UTC, le principali sorgenti di errore e le prestazioni di accuratezza.
At the end of the course, students will know:
- Evaluate the parameters of a satellite link and choose both the most suitable resource allocation and sharing techniques and the relevant transponder specifications for a given application;
- Understand the architecture of standards related to DVB-S and DVB-S2 systems;
- Numerically define the values of the parameters of a DVB-S2 satellite link by means of link budget, evaluate the relative trade-off between spectral efficiency and energy efficiency, quantify the error performance on the data packet at system output;
- Understand the architecture of the GPS satellite positioning system, Space, Control and User segments;
- Define the structure of the signal transmitted by each satellite of the GPS constellation;
- Define algorithms for location and UTC timing estimation, major sources of error, and accuracy performance.
Durante le esercitazioni verranno svolti piccoli progetti utilizzando il programma Excel o il linguaggio Matlab, con lo scopo di analizzare numericamente i collegamenti satellitari introdotti nello svolgimento del corso.
During the tutorials, small projects will be carried out using the Excel program or the Matlab language, with the aim of numerically analyzing the satellite links introduced in the course.
Gli studenti potranno
- acquisire o incrementare consapevolezza riguardo le scelte progettuali imposte da vincoli sia tecnologici che ambientali;
- essere in grado di collaborare attivamente nelle discussioni tecniche durante lo svolgimento degli esercizi/progetti proposti.
Students will be able to:
- Acquire or increase awareness about the design choices imposed by both technological and environmental constraints;
- To actively collaborate in technical discussions during the course of the proposed exercises/projects.
Durante le esercitazioni verranno verificate e valutate
- l’accuratezza e la precisione delle attività svolte;
- le modalità di elaborazione delle soluzioni adottate.
During the tutorials will be verified and evaluated:
- The accuracy and precision of the activities carried out;
- How to develop the solutions adopted.
- Teoria dei segnali, teoria dei sistemi e analisi spettrale
- Fondamenti di Telecomunicazioni
- Antenne e propagazione
- Signal theory, systems theory and spectral analysis
- Fundamentals of Telecommunications
- Antennas and propagation
- Modalità di svolgimento delle lezioni: lezioni in presenza con supporti come Powerpoint, video.
- Modalità di svolgimento degli esercizi: mediante il personal computer degli studenti.
- Supporto alle lezioni: siti web.
- Utilizzo del sito di e-learning del corso per il download del materiale didattico e per le comunicazioni tra docente e studenti.
- Tipo di interazione tra il docente e gli studenti: riunioni fisiche, Teams, Skype, e-mail, telefono.
- Lingua italiana.
- How the lessons are conducted: face-to-face lessons with media such as Powerpoint, video.
- How the exercises are carried out: using the students' personal computer.
- Lesson support: websites.
- Use of the e-learning site of the course for the download of teaching material and for communication between teacher and students.
- Type of interaction between the teacher and the students: physical meetings, Teams, Skype, email, phone.
- Italian language.
Parte I - Introduzione ai sistemi di comunicazione satellitari
Allocazione dei principali servizi satellitari nelle bande L, S, C, Ku, Ka
Evoluzione delle trasmissioni satellitari: da Intelsat I a Inmarsat 6
Caratteristiche e geometria di un collegamento satellitare
Satelliti GEO, MEO, LEO, HEO
Segmenti Spazio, Controllo, Utente
Schema di un transponder satellitare non rigenerativo
Tecniche di assegnamento delle risorse e di accesso multiplo
Modulazioni BPSK, QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK, e tecniche di codifica di canale
Metriche di prestazioni: Bit Error Rate (BER), Packet Error Rate (PER), QoS
Parte II - Sistemi di broadcasting satellitare DVB-S e DVB-S2
Architettura dello standard DVB-S2
Configurazioni, prestazioni ed applicazioni del sistema DVB-S2
Trade-off tra efficienza spettrale ed efficienza energetica
Schema di un ricevitore DVB‐S2
Parte III - Stima delle prestazioni di un collegamento DVB‐S2
Link budget per un collegamento DVB‐S2 in condizioni “Clear Sky”
Link budget per un collegamento DVB‐S2 in presenza di attenuazione per pioggia
Valutazione della sensibilità di un ricevitore DVB‐S2 e della probabilità di fuori servizio
Parte IV - Sistema di posizionamento satellitare NAVSTAR GPS
Architettura del sistema e scelte progettuali
Segmento Spazio: costellazione, piani orbitali, payload di navigazione, esempio di un satellite IIR, IIF e III
Segmento Controllo: Master Control Station, Monitor Stations, Upload Stations
Segmento Utente: schema a blocchi di un ricevitore e tecnologie utilizzate
Applicazioni del sistema GPS
Parte V - Struttura del segnale trasmesso dai satelliti GPS
Allocazione delle frequenze di trasmissione: L1, L2, L2C, L5
Formato: Direct-Sequence Spread-Spectrum Code Division Multiple Access (DS-SS-CDMA) con modulazione BPSK
Codici di ranging: short code C/A, long code P(Y)
Messaggio di navigazione NAV
Densità spettrale di potenza e livello di potenza del segnale ricevuto per i segnali L1 e L2
Parte VI - Algoritmi per la stima della posizione utente e del timing UTC
Stima della distanza del ricevitore GPS dai satelliti in LOS mediante “one-way ranging”
Differente instabilità dei clock atomici dei satelliti e del clock del ricevitore
Stima della posizione del ricevitore e timing UTC mediante trilaterazione
Sorgenti di errore e prestazioni di accuratezza
Part I - Introduction to Satellite Communication Systems
Allocation of major satellite services in the L, S, C, Ku, Ka bands
Evolution of satellite transmission: from Intelsat I to Inmarsat 6
Characteristics and geometry of a satellite link
GEO, MEO, LEO, HEO satellites
Space, Control, User Segments
Configuration of a non-regentative satellite transponder
Resource Assignment and Multiple Access Techniques
BPSK, QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK modulations, and channel encoding techniques
Performance Metrics: Bit Error Rate (BER), Packet Error Rate (PER), QoS
Part II - DVB-S and DVB-S2 satellite broadcasting systems
DVB-S2 standard architecture
DVB-S2 system configurations, performance and applications
Trade-off between spectral efficiency and energy efficiency
Block diagram of a DVB‐S2 receiver
Part III - Performance estimation of a DVB-S2 link
Link Budget for a DVB‐S2 link in 'Clear Sky' condition
Link Budget for a DVB‐S2 link in the presence of rain attenuation
Assessment of the sensitivity of a DVB‐S2 receiver and the probability of out of service
Part IV - NAVSTAR GPS Satellite Positioning System
System architecture and design choices
Space Segment: constellation, orbital planes, navigation payload, example of an IIR, IIF and III satellite
Control Segment: Master Control Station, Monitor Stations, Upload Stations
User Segment: Block diagram of a receiver and technologies user
GPS System Applications
Part V - Structure of the signal transmitted by GPS satellites
Allocation of transmission frequencies: L1, L2, L2C, L5
Format: Direct-Sequence Spread-Spectrum Code Division Multiple Access (DS-SS-CDMA) with BPSK modulation
Codes of ranging: short code C/A, long code P(Y)
NAV navigation message
Spectral power density and signal strength level received for L1 and L2 signals
Part VI - Algorithms for Estimating User Location and UTC Timing
Estimation of GPS receiver distance from satellites in LOS using 'one-way ranging'
Different instability of satellite atomic clocks and receiver clock
Estimate of receiver position and UTC timing by trilateralization
Error Sources and Accuracy Performance
- Materiale didattico fornito dal docente;
- G. Maral, M. Bousquet and Z. Sun, “Satellite Communications Systems”, Wiley, 2020.
- Teaching material provided by the teacher;
- G. Maral, M. Bousquet e Z. Sun, “Satellite Communications Systems”, Wiley, 2020.
Contattare il docente: vincenzo.lottici@unipi.it
Contact the teacher: vincenzo.lottici@unipi.it
- L’esame comprende una prova orale.
- La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente.
- Durante la prova orale il candidato dovrà rispondere ad alcune domande sull’architettura, scelte progettuali effettuate e analisi delle prestazioni dei sistemi satellitari illustrati durante il corso.
- Durante la prova orale al candidato potrà essere richiesto la soluzione di esercizi relativi agli argomenti svolti.
- La durata media del colloquio è circa 30 minuti.
- Il numero dei professori della commissione è due.
- La prova orale fallirà in uno dei seguenti casi: 1) il candidato non mostra la capacità di esprimersi in modo chiaro utilizzando una terminologia corretta; 2) il candidato non risponde in modo sufficiente alle domande che riguardano i concetti di base dei sistemi satellitari illustrati nel corso; 3) il candidato non mostra la capacità di collegare parti del programma tra loro per rispondere ad una domanda in modo esatto.
- The exam includes an oral test.
- The oral test consists of an interview between the candidate and the teacher.
- During the oral test the candidate will have to answer some questions about the architecture, design choices and analysis of the performance of the satellite systems illustrated during the course.
- During the oral test, the candidate may be asked to solve some exercises related to the topics carried out.
- The average duration of the interview is about 30 minutes.
- The number of professors in the commission is two.
- The oral test will fail in one of the following cases:
1) the candidate does not show the ability to express himself clearly using correct terminology;
2) the candidate does not sufficiently answer the questions concerning the basic concepts of satellite systems illustrated in the course;
3) the candidate does not show the ability to link parts of the program to each other to answer a question exactly.
- E-learning/Moodle: https://elearn.ing.unipi.it/course/index.php?categoryid=540
- Teams: https://teams.microsoft.com/l/channel/19%3aDPofUnzFBFnaiYD685UA5Ytk0ilef421niu5E9D44Ms1%40thread.tacv2/General?groupId=88f9307a-8424-4463-90b8-25c7f7d44fd0&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
- Portale Valutami: https://esami.unipi.it
- E-learning/Moodle: https://elearn.ing.unipi.it/course/index.php? Categoryid=540
- Teams: https://teams.microsoft.com/l/channel/19%3aDPofUnzFBFnaiYD685UA5Ytk0ilef421niu5E9D44Ms1%40thread.tacv2/General?groupId=88f9307a-8424-4463-90b8-25c7f7d44fd0&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
- Web site: https://esami.unipi.it