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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 054305 - DISPOSITIVI PER LA TRASMISSIONE DELL'INFORMAZIONE
Docente Morichetti Francesco
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (358) INGEGNERIA INFORMATICA*AZZZZ054305 - DISPOSITIVI PER LA TRASMISSIONE DELL'INFORMAZIONE
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (474) TELECOMMUNICATION ENGINEERING - INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI*AZZZZ054305 - DISPOSITIVI PER LA TRASMISSIONE DELL'INFORMAZIONE

Obiettivi dell'insegnamento

Questo insegnamento costituisce il naturale complemento del corso di “Onde elettromagnetiche e mezzi trasmissivi” (cod. 099318) e/o “Elettromagnetismo e Campi” (cod. 093506) e tratta dei dispositivi impiegati per la generazione, trasmissione e ricezione dell’informazione nei contesti di maggiore interesse per le tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni. 

 

Sono introdotti i principi fisici e gli aspetti elettromagnetici alla base del funzionamento delle sorgenti, dei modulatori, dei filtri, degli amplificatori e dei ricevitori operanti a radiofrequenza e alle frequenze ottiche e sono illustrate le principali tecnologie fotoniche e a microonde oggi utilizzate per la realizzazione di tali dispositivi. 

 

Dei dispositivi presentati sono illustrati i parametri caratteristici, lo schema funzionale e i requisiti per l’utilizzo in un sistema di trasmissione dell’informazione, con particolare attenzione alle problematiche relative ai consumi energetici, allo scaling della quantità di informazione e ai limiti teorici, tecnologici e fisici.  

 

L’obiettivo è quello di fornire una visione d’insieme dello scenario tecnologico per le interconnessioni, dalle brevissime alle lunghe distanze, dai sistemi distribuiti a basso bit-rate a quelli punto-punto ad alta capacità. Sono illustrati esempi di applicazioni in ambiti diversi, come la radionavigazione e radiolocalizzazione (GPS), automotive e droni, Internet of Things (IoT), dispositivi per datacenters e fiber to the home (FTTH), smart antennas per sistemi 5G, interconnessioni nei computers di nuova generazione, tecnologie per l’exascale computing.

 

L’insegnamento non utilizza didattica innovativa.


Risultati di apprendimento attesi

Descrittori di Dublino

Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e comprensione

·      comprendere i meccanismi della propagazione guidata delle onde elettromagnetiche e il loro utilizzo nella realizzazione di dispositivi

·      conoscere i principi della modulazione e della conversione di frequenza, i meccanismi di amplificazione dei segnali e i principi di funzionamento delle sorgenti di radiazione e dei ricevitori

·      conoscere i dispositivi impiegati per la generazione, trasmissione e ricezione dell’informazione e le relative figure di merito, prestazioni e limiti

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

·      progettare semplici dispositivi per il filtraggio di segnali a radiofrequenza e ottici

·      analizzare e progettare dispositivi per la (de)modulazione e l’amplificazione dei segnali 

·      analizzare le prestazioni di sorgenti ottiche incoerenti (LED) e coerenti (laser) per la trasmissione dell’informazione

·      analizzare le prestazioni di semplici circuiti per la rivelazione di segnali ottici

Abilità comunicative

·      comunicare i risultati della propria attività in modo chiaro e convincente

Capacità di apprendimento

·      applicare le conoscenze acquisite allo studio di sistemi di trasmissione reali che impiegano i dispositivi presentati


Argomenti trattati

Dispositivi per l’informazione: introduzione e concetti generali. Il problema dell’interconnessione e lo scaling della quantità di informazione. Limiti teorici, tecnologici e fisici. Energia per bit.

Richiami di sistemi di comunicazione. Introduzione ai dispositivi per l’interconnessione. Schema funzionale dei front-end RF e ottico. Specifiche, requisiti e parametri caratteristici dei dispositivi.

 

Propagazione guidata e onde elettromagnetiche. Propagazione guidata. Il concetto di modo. Guide monomodali. Costante di propagazione: attenuazione, velocità di fase e velocità di gruppo. Dispersione. Polarizzazione. Guide d’onda metalliche: guide planari, microstrisce e coplanari. Caratteristiche e utilizzo. Cenni alle guide d’onda dielettriche.

 

Filtri. Parametri caratteristici dei filtri: selettività in frequenza, banda passante, reiezione, dispersione. Filtri a risonatori: principi fisici e aspetti circuitali. Risonatori passivi a microonde. Risonatori ottici passivi (Fabry-Pérot e microring).  Applicazioni: filtri, (de)multiplexer, equalizzatori. Cenni ai filtri a risonatori accoppiati.

 

Convertitori di frequenza e modulatori. Principi della conversione di frequenza e della modulazione. Modulatori di fase e di intensità.

Mixer a radio frequenza. Parametri caratteristici: guadagno di conversione, figura di rumore, distorsione da intermodulazione. Ricezione omodina e (super)eterodina. Esempi di impiego nei ricevitori wireless per reti 5G.

Modulatori ottici. Parametri caratteristici: rapporto di estinzione, profondità di modulazione, banda e tensione di modulazione, energia per bit. Modulatori ad anello in tecnologia a semiconduttore. Applicazioni ai tranceivers per datacenters.  

 

Amplificatori. Parametri caratteristici degli amplificatori. Banda di guadagno e figura di rumore. Amplificatori ottici: emissione spontanea e emissione stimolata, pompaggio, rumore ASE. Bande energetiche nei semiconduttori. Amplificatori integrati a semiconduttore (SOA): struttura, materiali, prestazioni e applicazioni. Cenni su amplificatori in fibra ottica (EDFA). Cenni su amplificatori RF. 

 

Trasmettitori e ricevitori. Sorgenti di onde irradiate. Sorgenti puntiformi e sorgenti reali. Diagramma di radiazione. Array di antenne. Applicazioni: beam steering e smart antennas per sistemi 5G e beam forming networks.

Sorgenti ottiche. Light emitting diodes (LED): principi di funzionamento e caratteristiche, banda di emissione, efficienza quantica. Applicazioni nei sistemi Li-Fi.

Sorgenti laser a semiconduttore: principi di funzionamento e caratteristiche, guadagno di cavità, modi di cavità, condizione di soglia, larghezza di riga e coerenza temporale.   

Principi della fotorivelazione. Fotodiodi. Figure di merito: banda, responsivity, efficienza quantica, corrente di buio. Fotodiodi integrati in guida d’onda a semiconduttore.

 

Durante il corso saranno presentati esempi applicativi in ambito di radionavigazione e radiolocalizzazione (GPS), automotive e droni, Internet of Things (IoT), dispositivi per datacenters e fiber to the home, interconnessioni nei computers di nuova generazione, tecnologie per l’exascale computing.

 


Prerequisiti

Sono necessarie conoscenze di base di circuiti elettrici ed elettromagnetismo (con particolare riguardo alla teoria delle onde elettromagnetiche). Tali argomenti sono previsti nei programmi degli insegnamenti di “Elettrotecnica” (cod. 082748) e di “Elettromagnetismo e campi” (cod. 093506) oppure “Onde elettromagnetiche e mezzi trasmissivi” (cod. 099318).


Modalità di valutazione

L’esame consiste in due prove così strutturate:

 

  • prova scritta sugli argomenti trattati nella prima parte del corso (propagazione guidata, dispositivi passivi, mixer) con esercizi numerici e possibilità di consultare liberamente libri e appunti durante la prova.
    Su questa parte del corso è prevista anche una prova in itinere.

 

  • prova orale sugli argomenti trattati nella seconda parte del corso (modulatori, amplificatori, trasmettitori e ricevitori) con un approfondimento tematico che potrà essere svolto in piccoli gruppi (massimo 3 studenti).

 

Modalità di verifica

Descrizione

 

Risultato di apprendimento perseguito

Prova scritta

·         risoluzione di problemi numerici sulla propagazione delle onde elettromagnetiche guidate e sui dispositivi in guida d’onda

·         esercizi di tipo progettuale sul dimensionamento di filtri a radio frequenza e/o ottici e sui dispositivi per la conversione di frequenza

1, 2

 

1,2,5

 

Prova orale

·         discussione volta a evidenziare la capacità dello studente di collegare e applicare a casi concreti gli argomenti trattati nel corso

·         valutazione di un progetto o di un approfondimento tematico, svolto in gruppo o individualmente

 

1,2,4,5

 

 

Il superamento della prova scritta non è prerequisito per la prova orale.

Gli studenti che non hanno sostenuto o superato la prova scritta (o la prova in itinere) possono comunque sostenere la prova orale e recuperare la prova scritta in un appello successivo, purché della medesima sessione.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaF. Morichetti, Appunti delle lezioni ed esercizi, Anno edizione: 2019
Note:

Reperibili durante il corso su indicazione del docente


Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
32:30
48:45
Esercitazione
17:30
26:15
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 50:00 75:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
26/01/2020