Ingegneria elettronica e delle comunicazioni

Il presente volume raccoglie gli appunti dalle lezioni svolte dal prof. Cusani e dalle esercitazioni svolte dall'ing. Inzerilli nell'ambito del corso di Teoria dell'Informazione e Codici I presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Roma "Sapienza". Tale corso è rivolto agli studenti di Ingegneria delle Telecomunicazioni (terzo anno della laurea di primo livello), Ingegneria Elettronica (laurea specialistica), Ingegneria Informatica (laurea specialistica) e presuppone le conoscenze di base tipiche per i primi due anni di una laurea di primo livello nel settore dell'Ingegneria dell'Informazione. In particolare, si richiede che il lettore possieda i fondamenti delle telecomunicazioni ed abbia familiarità con gli strumenti essenziali dell'analisi matematica, del calcolo combinatorio e del calcolo delle probabilità, e della rappresentazione binaria dell'informazione.

La presente dispensa raccoglie le esercitazioni svolte per il corso di Teoria dell'Informazione e Codici I negli anni accademici 2005-2006 e 2006-2007, assieme ad alcuni testi di esami. Per ogni esercizio è presentato il testo e la soluzione punto per punto. I principali argomenti coperti dagli esercizi comprendono: la codifica di sorgente; la codifica di canale; i canali discreti. La dispensa include anche una appendice di approfondimento sul Secondo Teorema di Shannon e la funzione esponente di errore, introdotta da Gallager.

Gli argomenti trattati coprono tutti gli aspetti più importanti legati alla realizzazione delle reti a Banda Ultra Larga, da quelli più generali (l'evoluzione delle reti di trasporto, la teoria delle fibre ottiche, i cavi e i connettori) a quelli più specifici come le infrastrutture di posa, i sistemi di attestazione, le muffole, gli splitter, le modalità di misura, di controllo e certificazione della rete primaria, secondaria e verticale.

Le condizioni ambientali quali temperatura, umidità, temperatura assoluta, temperatura relativa, punto di rugiada, indice di calore, agiscono fisiologicamente con effetti diversi che il corpo umano percepisce con modalità differenti. I valori di tali parametri, misurati a livello locale permettono di risolvere al meglio le problematiche derivanti dalle condizioni di disagio conseguenti a condizioni sfavorevoli quali temperatura e umidità elevate che agiscono poi direttamente su altre condizioni ambientali quali il punto di rugiada e l'indice di calore. In pratica, le misurazioni devono essere effettuate con appositi dispositivi quali termometro e igrometro, oppure utilizzando sensori dedicati che forniscono i dati ottenuti dalle misurazioni effettuate. Tali dati devono poi essere elaborati mediante dispositivi microcontrollori o microprocessori e poi opportunamente trasformati e resi umanamente adatti alla visualizzazione. In questo caso, tutto ciò viene ottenuto con appositi sensori che forniscono i dati al microcontrollore Arduino NANO, programmato secondo le necessità di elaborazione. Con i dispositivi realizzabili con i progetti qui proposti possono essere elaborati i dati provenienti dai sensori di pressione, temperatura e umidità rispettivamente BMP280, DS18B20 e DHT22. Oltre ai dispositivi appena elencati, in questi quattro progetti vengono utilizzati display a colori di tipo TFT e TFTLCD rispettivamente da 1,8 pollici e 2,4 pollici per visualizzare i dati ottenuti dai sensori e poi elaborati dal dispositivo Arduino NANO. I dati elaborati dal microcontrollore Arduino NANO (o semplicemente NANO nel caso di clone) sono visualizzati graficamente in forma di scala variabile e in forma di testo su display a colori di tipo TFT. Questi tipi di display offrono graficamente una risoluzione maggiore di quella dei display monocromatici di tipo OLED, anche grazie alle dimensioni maggiori da un minimo di 1,8 pollici (4,57 cm), a un massimo di 2,4 pollici (6 cm). I programmi (sketch) vengono sviluppati in ambiente di sviluppo (IDE) di Arduino e utilizzano librerie facilmente disponibili, alcune già presenti nel core di Arduino. In questo modo vengono realizzati dispositivi di misurazione che possono essere impiegati come Stazioni locali di biometeorologia e fornire dati in tempo reale da utilizzare in tutte le attività e interazioni tra i fenomeni atmosferici locali e l'organismo umano. Nessuno dei dispositivi realizzabili con i progetti presentati utilizza la rete Internet ed essendo alimentabili autonomamente possono essere collocati ovunque sia possibile accedere ai display.

Il testo tratta argomenti alla base dell'ingegneria delle telecomunicazioni, i cui aspetti sistemistici vengono approfonditi in un diverso volume. Affronteremo quindi l'analisi spettrale di Fourier e le proprietà associate, assieme al suo impiego nell'analisi dei sistemi lineari quando attraversati da segnali certi od aleatori. Dopo aver affrontato gli aspetti legati al processo di campionamento e quantizzazione dei segnali analogici vengono introdotte le metodologie di elaborazione digitale e filtraggio numerico, mentre lo studio della correlazione tra valori di segnale presi ad istanti diversi, e delle sue applicazioni alla analisi spettrale ed al filtraggio di segnali aleatori, è preceduto da un capitolo su probabilità e statistica. Sono quindi definiti ed analizzati i peggioramenti della qualità di un segnale causati da distorsione lineare (e non) e da disturbi additivi, a cui segue un capitolo riguardante la basi della teoria dell'informazione e della codifica di sorgente, per concludere con il capitolo che illustra le tecniche ed i formati in uso per la codifica numerica di segnali multimediali.

Vengono studiate le tecniche di modulazione analogica e numerica alla base dei sistemi di telecomunicazione, assieme alle tecniche di codifica dell'informazione e della trasmissione dei segnali su cavo, fibra ottica e onda radio, approfondendo quindi l'analisi del caso delle comunicazioni mobili e quello delle trasmissioni multi-antenna o MIMO, a cui è dedicato un intero nuovo capitolo. Sono affrontati gli aspetti della rappresentazione dei segnali passa-banda mediante inviluppo complesso, l'effetto dei fenomeni di distorsione lineare (e non) sulle prestazioni in presenza di rumore, la modulazione OFDM ed a spettro espanso. Si approfondisce quindi la teoria dell'informazione definendo la capacità di canale ed analizzando le tecniche di codifica a blocco, convoluzionale ed iterativa. Imposteremo quindi un modello circuitale in grado di caratterizzare la rumorosità di apparati e ripetitori, ed affronteremo una rassegna delle tecniche di equalizzazione adottate a contrasto degli effetti filtranti. Infine, è inclusa la trattazione della teoria del traffico e delle reti a commutazione di pacchetto (inclusa Internet) e di circuito.

L'elenco di circa 11.000 transistor BJT con circa 70.000 sostituzioni consigliate.