Università di Pisa - Valutazione della didattica e iscrizione agli esami

Scheda programma d'esame

TELECOMMUNICATION SOFTWARE LAB

MARCO MORETTI

Academic year2022/23
CourseTELECOMMUNICATIONS ENGINEERING
Code905II
Credits6
PeriodSemester 1 & 2
LanguageItalian

Modules

Area

Type

Hours

Teacher(s)

LABORATORIO SOFTWARE PER TELECOMUNICAZIONI

ING-INF/03

LABORATORI

MARCO MORETTI unimap

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Obiettivi di apprendimento

Learning outcomes

Conoscenze

Al termine del corso:

lo studente avrà acquisito conoscenze in merito alla simulazione di sistemi di trasmissione radio analogici con Labview: ad esempio sarà in grado di utilizzare eseguibili per simulare sistemi AM e FM in trasmissione e ricezione, valutando anche gli effetti della presenza di offset di frequenza e fase.
lo studente avrà completato il corso online il corso Matlab fundamentals, che prevede l'acquisizione di conoscenze avanzate di programmazione MATLAB.lo studente sarà in grado di implementare in MATLAB trasmettitore e ricevitore per un sistema PAM e calcolare le prestazioni al variare del SNR e confrontarle con le curve teoriche.
lo studente avrà acquisito conoscenze di base per poter programmare dispositivi radio programmabili (software defined radio, SDR).

Knowledge

At the end of the course:

the student will have acquired knowledge about the simulation of analog radio transmission systems with Labview: for example he will be able to use executables to simulate AM and FM systems in transmission and reception, also evaluating the effects of the presence of frequency and phase offsets.
the student will have completed the online course 'Matlab fundamentals', which involves the acquisition of advanced knowledge of MATLAB programming.
the student will be able to implement in MATLAB the transmitter and the receiver for a PAM system and calculate the performance as the SNR varies and compare them with the theoretical curves.
the student will have acquired the basic knowledge to be able to program programmable radio devices (software defined radio, SDR).

Modalità di verifica delle conoscenze

Al termine del corso, per l'accertamento delle conoscenze, allo studente verra chiesto di sostenere un colloquio in cui risponderà ad alcune domande relative agli argomenti trattati a lezione. Per accedere al colloquio sarà necessario superare un pre-test che valuti le conoscenze di MATLAB.

Assessment criteria of knowledge

At the end of the course, he student will be asked to take an interview in which he will answer some questions relating to the topics covered in class with the goal of assessing her/his knowledge. To access the interview it will be necessary to pass a pre-test that evaluates the knowledge of MATLAB.

Capacità

Al termine del corso, lo studente:

avrà una conoscenza approfondita di MATLAB;
saprà utilizzare MATLAB per la simulazione di sistemi digitali di tipo M-PAM, M-QAM e M-PSK;
sarà in grado di programmare l'iterfaccia MATLAB per controllare dispositivi USRP e RTL-SDR;
saprà utilizzare specifici applicativi LABVIEW per la simulazione di sistemi radio analogici.

Skills

At the end of the course, the student:

will have a thorough understanding of MATLAB;
will be able to use MATLAB for the simulation of digital systems such as M-PAM, M-QAM and M-PSK;
will be able to program the MATLAB interface to control USRP and RTL-SDR devices;
will be able to use specific LABVIEW applications for the simulation of analog radio systems.

Modalità di verifica delle capacità

Al termine del corso, per l'accertamento delle capacità acquisite, allo studente verrà chiesto di

scrivere un breve elaborato in MATLAB. Questo elaborato dovra simulare un sistema numerico e confrontare le prestazioni simulate con le corrispondenti curve teoriche.
eseguire alcuni applicativi Labview, dimensionando corettamente i parametri di riferimento dei sistemi analogici simulati.

Assessment criteria of skills

At the end of the course, the student will be asked to:

write a short elaborate in MATLAB. This elaborate will have to simulate a numerical system and compare the simulated performances with the corresponding theoretical curves;
run some Labview applications, correctly sizing the reference parameters of the simulated analog systems.

Comportamenti

Lo studente acquisirà una prima comprensione di quali siano i requisiti fondamentali per la progettazione ed il dimensionamento di un sistema di trasmissione dati radio.

Behaviors

The student will acquire a first understanding of what are the fundamental parameters for the design of a radio data transmission system.

Modalità di verifica dei comportamenti

Durante le sessioni di laboratorio sarà valutato il grado di comprensione delle attività svolte.

Assessment criteria of behaviors

During the laboratory sessions, the degree of understanding of the activities carried out will be assessed.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per poter frequentare con successo questo corso è necessario avere una conoscenza approfondita di

teoria dei segnali e dei sistemi lineari, tempo-invarianti.
Fondamenti di telecomunicazioni

Sono richiesti anche lineamenti di:

teoria della probabilità;

teoria dei segnali aleatori.

Si raccomanda la frequenza del corso Fondamenti di Telecomunicazioni del primo semestre del terzo anno della laurea in Ingegneria delle telecomunicazioni.

Prerequisites

In order to successfully attend this course you need to have a thorough knowledge of theory of signals and linear, time-invariant systems. As well as probability theory and theory of stochastic processes.

We recommend the attendance of Fundamentals of Telecommunications in the second semester of the second year of the degree in Telecommunications Engineering.

Corequisiti

Nessuno in particolare

Co-requisites

None in particular

Indicazioni metodologiche

Le lezioni si svolgono preferibilmente in aula ed in laboratorio informatico, a distanza se necessario. Le lezioni svolte in aula hanno l'obiettivo di dare un fondamento teorico agli argomenti svolti poi in laboratorio. In laboratorio, gli studenti hanno accesso ad un computer (potendo eventualmente utilizzare il proprio) per poter provare gli eseguibili in Labview o scrivere progammi in MATLAB.

La parte del corso su Labview sarà svolta in codocenza con l'Ing. Michelini.

Dalla metà del corso in poi, gli studenti utilizzeranno le SDR in laboratorio per trasmettere e ricevere segnali analogici.

Eventuale materiale didattico sarà distribuito tramite il portale di elearning di ateneo del corso.

Il docente sarà disponibile per il ricevimento tutte le settimane il Mercoledì dalle 15 alle 17 o , in alternativa, su appuntamento.

Teaching methods

Lessons are preferably held in the classroom and in the computer lab, remotely if necessary. The lessons held in the classroom have the aim of giving a theoretical foundation to the topics then carried out in the laboratory. In the laboratory, students have access to a computer (possibly using their own) to be able to test the executables in Labview or write programs in MATLAB.

The part of the course on Labview will be conducted with the help of Marco Michelini.

From the middle of the course onwards, students will use the SDRs in the laboratory to transmit and receive analog signals.

Any teaching material will be distributed through the university's e-learning portal of the course.

The teacher will be available for the reception every week on Wednesday from 15 to 17 or, alternatively, by appointment.

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Il corso si articola su quattro parti, non necessariamente disgiunte: teoria, Labview, MATLAB e SDR.

Teoria

Segnali analogici. Rivelatore di inviluppo per trasmissioni AM. Dimensionamento costante di tempo. Trasmissioni DSB. Modulatore bilanciato. Ricevitore coerente per segnali DSB. Effetti degli errori di fase e di frequenza al ricevitore. Modulazione in quadratura: architettura trasmettitore ed architettura ricevitore. Effetto degli errori di fase al ricevitore. Definizione di trasformata di Hilbert, segnale analitico e inviluppo complesso di un segnale passabanda. Inviluppo complesso per segnali AM, DSB e QAM. Modulatore a sfasamento e modulatore diretto per segnali SSB. Ricevitore SSB. Effetti degli errori di sincronismo di fase e di frequenza al ricevitore. Modulazione FM: introduzione. Inviluppo complesso segnali FM. Segnale FM per un tono modulante. Sviluppo in serie di Fourier di un tono modulato FM.Trasmettitore NBFM e WBFM. Ricevitore FM con derivatore e rivelatore di inviluppo. Cenni ai filtri di pre-enfasi e de-enfasi.
Segnali numerici. Introduzione ai sistemi PAM. Diagramma a blocchi. Inviluppo complesso per modulazioni reali e complesse. Relazione tra la velocità di segnalazione della sorgente e l'intervallo di segnalazione. Variabile di decisione per un sistma PAM. Interferenza intersimbolica. Condizione di zero ISI nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Filtri con risposta in frequenza a coseno rialzato. Dimostrazione ottimalità del filtro adattato utilizzando la disugaglianza di Cauchy-Schwartz. Filtri adattati che rispettano le condizioni di 0 ISI: filtri con risposta in frequenza a radice di coseno rialzato. Modulazioni M-QAM e M-PSK. Calcolo del valore quadratico medio dei simboli informativi. Modello equivalente in banda base di un sistema in banda passante. Densità spettrale di potenza del segnale PAM. Calcolo dell'energia necessaria per trasmettere un simbolo di informazione. Regola di decisione ottima per sistemi PAM. Decisione basata sul criterio della minima distanza tra variabile di decisione e simbolo stimato. Zone di decisione nello spazio dei segnali. Ricevitore a massima verosimiglianza. Calcolo della probabilità di errore in funzione di EsN0 per la modulazioni BPSK in banda base. Calcolo della probabilità di errore per BPSK trasmessa a radiofrequenza. Calcolo della probabilità di errore sul simbolo e sul bit espresse in termini di Es/N0 ed Eb/N0 per le modulazioni 4-QAM e 16-QAM.

Labview

Illustrazione pratica dei fenomeni di aliasing su segnali audio. Realizzazione di un trasmettitore AM con Labview. Caso di segnale modulante sinusoidale. Analisi di un sistema di trasmissione a modulazione di ampiezza con portante inserita. Uso del ricevitore a rivelazione di inviluppo. Implementazione di trasmettitore e ricevitore DSB. Simulazione di errori di fase e frequenza al ricevitore DSB. Analisi di un sistema di trasmissione AM-SSB. Spettro del segnale e demodulazione coerente. Effetto della variazione di fase e frequenza dell'oscillatore locale del ricevitore rispetto alla portante. Modulazione QAM. Effetti dell'interferenza cocanale a causa di errori di fase al ricevitore. Analisi dello spettro di segnali trasmessi su bande disgiunte ma contigue. Interferenza da canale adiacente: effetti audio.

MATLAB

Introduzione a MATLAB: interfaccia utente ed uso delll'editor. Come fare debugging in Matlab. Vettori, matrici e modalita' di indirizzamento. Tipi di variabili e comandi principali. Esempio di scrip MATLAB: generazione di un seno e calcolo della sua FFT. Programmazione ad oggetti: Classi ed oggetti. Attributi e funzioni di una classe. Operatori logici e relazionali. Esempio di utlizzo di un oggetto della classe dsp.audioplayer e di un oggetto dellla classe comm.pskmodulator. Simulazione Monte-Carlo di un sistema MQAM: filtri di trasmissione e ricezione, strategia di decisione. Calcolo di SER e BER. Diagramma ad occhio e diagramma IQ. Simulazione Monte-Carlo per un sistema MPSK. Calcolo BER e SER. Algoritmo recursivo per la codifica di Gray. Modello semplificato di tramettitore e ricevitore PAM.

SDR

Descrizione architettura e principi di funzionamento della software defined radio: RTL-SDR e USRP. Configurazione dello script MATLAB per pilotare una USRP in trasmissione, determinazione del valore del sampling rate della scheda audio, del segnale in ingresso all'USRP e dell FPGA all'interno dell’USRP. Implementazione del trasmettitore AM per USRP: trasmissione di un tono sinusoidale.Implementazione del trasmettitore AM per USRP: trasmissione di un file audio. Implementazione del ricevitore AM per USRP. Implementazione del ricevitore AM per RTL-SDR. Ricezione AM DSB con RTL-SDR. Trasmissione FM con USRP. Ricezione di segnali FM con USRP e RTL-SDR. Derivatore e dimensionamento filtri in ricezione. Cenni allo standard FM stereo.

Syllabus

The course is divided into four parts, not necessarily separated: theory, Labview, MATLAB and SDR.

Theory

Analog signals. Envelope detector for AM broadcasts. Constant time sizing. DSB transmissions. Balanced modulator. Consistent receiver for DSB signals. Effects of phase and frequency errors on the receiver. Quadrature modulation: transmitter architecture and receiver architecture. Effect of phase errors on the receiver. Definition of Hilbert transform, analytical signal and complex envelope of a bandpass signal. Complex envelope for AM, DSB and QAM signals. Phase shift modulator and direct modulator for SSB signals. SSB receiver. Effects of phase and frequency synchronism errors on the receiver. FM modulation: introduction. Complex envelope FM signals. FM signal for a modulating tone. Fourier series development of an FM modulated tone. NBFM and WBFM transmitter. FM receiver with shunt and envelope detector. Introduction to pre-emphasis and de-emphasis filters.

Numerical signals. Introduction to PAM systems. Block diagram. Complex envelope for real and complex modulations. Relationship between the signaling speed of the source and the signaling interval. Decision variable for a WFP system. Intersymbolic interference. ISI zero condition in the time domain and in the frequency domain. Frequency response filters with raised cosine. Optimality demonstration of the filter adapted using the Cauchy-Schwartz inequality. Adapted filters that comply with the conditions of 0 ISI: filters with a raised cosine root frequency response. M-QAM and M-PSK modulations. Calculation of the root mean square value of information symbols. Equivalent baseband model of a passband system. Spectral power density of the PAM signal. Calculation of the energy needed to transmit an information symbol. Optimal decision rule for PAM systems. Decision based on the criterion of the minimum distance between the decision variable and the estimated symbol. Decision areas in the signal space. Maximum likelihood receiver. Calculation of the probability of error as a function of EsN0 for BPSK baseband modulations. Calculation of the probability of error for BPSK transmitted at radio frequency. Calculation of the probability of error on the symbol and on the bit expressed in terms of Es / N0 and Eb / N0 for the 4-QAM and 16-QAM modulations.

Labview
Practical illustration of aliasing phenomena on audio signals. Realization of an AM transmitter with Labview. Case of sinusoidal modulating signal. Analysis of an amplitude modulation transmission system with inserted carrier. Use of the envelope detection receiver. Implementation of DSB transmitter and receiver. Simulation of phase and frequency errors at the DSB receiver. Analysis of an AM-SSB transmission system. Signal spectrum and coherent demodulation. Effect of phase and frequency variation of the local oscillator of the receiver with respect to the carrier. QAM modulation. Effects of cochannel interference due to phase errors at the receiver. Spectrum analysis of signals transmitted on separate but contiguous bands. Interference from adjacent channel: audio effects.

MATLAB
Introduction to MATLAB: user interface and use of the editor. How to debug in Matlab. Vectors, matrices and addressing methods. Types of variables and main commands. Example of a MATLAB scrip: generation of a sine and calculation of its FFT. Object-oriented programming: Classes and objects. Attributes and functions of a class. Logical and relational operators. Example of use of an object of class dsp.audioplayer and of an object of class comm.pskmodulator. Monte-Carlo simulation of an MQAM system: transmission and reception filters, decision strategy. Calculation of SER and BER. Eye chart and IQ chart. Monte-Carlo simulation for an MPSK system. BER and SER calculation. Recursive algorithm for Gray's coding. Simplified model of PAM transmitter and receiver.

SDR Description of the architecture and operating principles of the software defined radio: RTL-SDR and USRP. Configuration of the MATLAB script to drive a USRP in transmission, determination of the sampling rate value of the sound card, of the input signal to the USRP and of the FPGA within the USRP. Implementation of the AM transmitter for USRP: transmission of a sinusoidal tone. Implementation of the AM transmitter for USRP: transmission of an audio file. Implementation of the AM receiver for USRP. Implementation of the AM receiver for RTL-SDR. AM DSB reception with RTL-SDR. FM transmission with USRP. Receiving FM signals with USRP and RTL-SDR. Receiver sizing and filter sizing. Introduction to the FM stereo standard.

Bibliografia e materiale didattico

Essendo un laboratorio, il materiale didattico consiste principalmente di software che verrà distribuito tramite il portale di elarning dell’Ateneo.

Alcuni testi di riferimento: - T.S. Rappaport, "Wireless Communications: Principles and Practice", 2nd Edition. [Analog modulations]

- 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 [SDR].

- J. Proakis, "Digital Communications", 5th Revised edition, McGraw-Hill, Prentice Hall. [Digital communications]

Bibliography

Being a laboratory, the teaching material mainly consists of software that will be distributed through the University's elarning portal.