Programma e registro delle lezioni del corso di

Metodi di Trattamento del Segnale

A. A. 2016-2017


N.B. Il corso è di 6 crediti, ed è in parte di laboratorio, per un totale di 50 ore (5.5 crediti di lezione + 0.5 credito di laboratorio = 5.5 * 8 ore + 0.5 * 12 ore = 50 ore)

Il programma già svolto è in colore nero, quello non ancora svolto è solo preliminare.

n.
Data
Argomenti svolti
Durata della lezione
Totale ore di lezione
1
3/10/2016
Introduzione al corso.
Rappresentazione generica di segnali periodici. Moderni sistemi di acquisizione dati con campionamento dei segnali. Relazione tra segnali campionati e spazi vettoriali. Prodotto scalare. Ortogonalità delle funzioni trigonometriche nello spazio delle funzioni periodiche su un intervallo dato. Richiami sulle serie di Fourier. Utilizzo delle relazioni di ortogonalità per il calcolo dei coefficienti di Fourier.
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2
5/10/2016
Calcolo della serie di Fourier di un'onda quadra. Serie di Fourier troncate. Effetti numerici del troncamento della serie. Fenomeno di Gibbs. Forma complessa delle serie di Fourier. Ortogonalità degli esponenziali complessi che compaiono nella formula della forma complessa delle serie di Fourier. Simmetria dei coefficienti di Fourier nel caso di funzioni a valori reali. Serie di Fourier ed equazioni differenziali lineari a coefficienti costanti. Serie di Fourier e teoria dei numeri (formula per il calcolo di pi greco). 2
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6/10/2016
Trasformata di Fourier. Trasformata di Fourier di un singolo impulso rettangolare. Segnali analogici e segnali digitali; trasformata di Fourier di un treno di segnali digitali. Proprietà della trasformata di Fourier. Proprietà di simmetria della trasformata di Fourier. 1
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10/10/2016
Teorema di convoluzione. Trasformata di Fourier di alcuni segnali comuni. Rappresentazione integrale della funzione delta di Dirac. Teorema di Parseval. Spettro di potenza (densità spettrale).
Funzione di autocorrelazione. Teorema di Wiener-Kintchine.  
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12/10/2016
Significato statistico della densità spettrale: densità spettrale come misura della fluttuazione quadratica media per unità di frequenza. Esempi di densità spettrale. Proprietà della funzione di autocorrelazione. Esempio di applicazione del teorema di Wiener-Kintchine.
Introduzione dei decibel. Utilizzo dei decibel per la fonometria. Utilizzo dei dB nelle misure con radar meteorologico.
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6
13/10/2016
Introduzione ai filtri. Filtri passivi e filtri attivi. Analisi del comportamento del filtro RC nel dominio della frequenza. 
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17/10/2016
Filtri analogici. Risposta impulsiva e funzione di trasferimento. Considerazioni generali su risposta impulsiva e funzione di trasferimento.
Linee di trasmissione.
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8
19/10/2016
Linee di trasmissione - 2 (link alla dispensa su linee di trasmissione)
Introduzione all'elettronica analogica. Descrizione generale del funzionamento dei tubi a vuoto (diodi, triodi).  Evoluzione dei tubi a vuoto e dei transistor. Descrizione basilare del funzionamento dei transistor bipolari.
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20/10/2016
Alcuni circuiti analogici che utilizzano transistors: configurazione a base comune, emitter follower, configurazione a emettitore comune. Progetto dettagliato di un semplice circuito amplificatore con un transistor nella configurazione a emettitore comune (prima parte).
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24/10/2016
(laboratorio di fisica)
Sessione di laboratorio: costruzione di un circuito amplificatore con un transistor nella configurazione a emettitore comune .  2
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26/10/2016
Progetto dettagliato di un semplice circuito amplificatore con un transistor nella configurazione a emettitore comune (seconda parte).(link alla dispensa su introduzione all'elettronica analogica).
Breve introduzione alla microelettronica (link alla presentazione su elettronica e microelettronica) (breve documentario dedicato a Gordon Moore nell'ambito della serie Scientists You Must Know della Chemical Heritage Foundation, si veda anche questo poster con la storia dei microprocessori Intel).
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27/10/2016
Introduzione alla trasmissione e ricezione di segnali radio. Modulazione di ampiezza (AM). Spettro di un segnale modulato in ampiezza. Demodulazione di segnali modulati in ampiezza. Schema minimo di una radio AM. Descrizione qualitativa del funzionamento del metodo di demodulazione eterodina.
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7/11/2016
(laboratorio di fisica)
Sessione di laboratorio: costruzione di una radio AM con un transistor di tipo FET (schema).

Dimostrazione del funzionamento di un sistema ricetrasmittente FM su canale ottico.
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9/11/2016
Esempio di ricerca moderna che utilizza i concetti di modulazione studiati nel corso (radio realizzata con un nanotubo, link all'articolo). Propagazione atmosferica. Allocazione delle frequenze (mappa di allocazione delle frequenze dal sito della NTIA, allocazione delle frequenze USA con enfasi sulle applicazioni).
Altri metodi di modulazione, modulazione di fase e di frequenza, modulazione in frequenza (FM). Cenni alla demodulazione dei segnali FM con uno slope detector. Spettro dei segnali modulati in frequenza.
Altri metodi di modulazione: metodi FSK, PSK. La modulazione PSK e le sue varianti (BPSK, QPSK). (link alla presentazione)
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15
10/11/2016
Introduzione alle tecniche di trasmissione digitale dei segnali radio e tv. Introduzione alla tecnica FDM (Frequency Division Multiplexing).
Trasformata di Fourier discreta (DFT). Proprietà di ortogonalità degli esponenziali complessi con indici interi che compaiono nella definizione della DFT.  Teorema di convoluzione per le DFT. 
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14/11/2016 DFT come modello fisico dei dati. Esempio: DFT di un segnale sinusoidale. Teorema del campionamento (teorema di Nyquist). Formula di ricostruzione di Shannon. Complessità di calcolo della DFT.
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16/11/2016
Il lemma di Danielson-Lanczos. Algoritmo di Cooley e Tukey per la  trasformata di Fourier veloce (FFT). Calcolo della densità spettrale per mezzo della DFT (Link alla presentazione).
Segnali video e audio: importanza della fisiologia umana nella caratterizzazione dei segnali. Illusioni e percezione (il glissando di Shepard-Risset, la scala di Penrose, l'illusione di Deutsch), e loro importanza negli algoritmi di compressione di immagini e segnali audio.  (Link alla presentazione). La trasformata coseno discreta (DCT). Utilizzo della DCT per la compressione delle immagini JPEG.
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18 17/11/2016
Spectral leakage. Utilizzo delle finestre per la riduzione dello spectral leakage. Caratteristiche generali delle finestre. (Link alla presentazione).  1
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21/11/2016
Caratteristiche generali delle finestre (ctd.).
La tecnica OFDM (link alla presentazione).
Introduzione ai processi di rumore. Caratteristiche generali del rumore: Gaussianità, ergodicità, stazionarietà. Esempio di processo non ergodico. Rumore bianco e rumori colorati (rumori con spettro tipo 1/f^alpha). 
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23/11/2016
Funzione di autocorrelazione del rumore bianco.
Dimostrazione di Pierce della formula di Nyquist per il rumore Johnson. Teorema di Campbell. Teorema di Shockley-Ramo (formula semplificata per la dimostrazione del teorema di Nyquist a partire dal teorema di Campbell). Utilizzo del teorema di Campbell per la derivazione delle formule per il rumore Johnson e lo shot noise (link alla presentazione). La dimostrazione di Nyquist della formula del rumore Johnson (analisi dell'articolo di Nyquist su Phys. Rev.).
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24/11/2016
Formula di reciprocità di Green e dimostrazione generale (Shockley) del teorema di Shockley-Ramo.
Regressioni lineari. Modellizzazione AR, MA e ARMA delle serie temporali.
Trasformata Z. Funzione di trasferimento ottenuta per mezzo della trasformata Z. Relazione tra trasformata Z e DFT.
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28/11/2016
Regressioni lineari e analisi spettrale. Calcolo dei coefficienti della regressione. Filtri digitali. Teoria di base dei filtri digitali. Alcuni esempi di filtri FIR. Alcuni esempi di filtri IIR.
Filtri e causalità. Impossibilità di realizzazione di un filtro analogico acausale. Ancora sui filtri digitali: dimostrazione che i filtri causali producono sempre uno sfasamento dipendente dalla frequenza. (link alla presentazione su regressioni e filtri).
2
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30/11/2016
Amplificatori. Retroazione (feedback) negativa.
Introduzione elementare al funzionamento degli amplificatori operazionali con feedback negativo. Semplici applicazioni degli amplificatori operazionali: circuiti amplificatori e sommatori. Amplificatore in transimpedenza e suo utilizzo come preamplificatore di corrente per i fotodiodi. Circuiti integratori e differenziatori.
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1/12/2016
Differenze, logaritmi, esponenziali di segnali ottenuti per mezzo di amplificatori operazionali. Moltiplicatore analogico.
DAC ottenuto da un circuito sommatore realizzato con un amplificatore operazionale. (link alla presentazione su OP-AMPS). DAC ottenuto per mezzo della configurazione circuitale R2R.
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5/12/2016
Gyrator. Induttanza simulata per mezzo di un gyrator (link alla presentazione su retroazione e OP-AMPs).
Descrizione dell'esperimento di costruzione del fotometro e misura della costante di Planck (link alla presentazione).
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7/12/2016
(laboratorio di fisica)
Sessione di laboratorio: costruzione di un fotometro che utilizza un OP-AMP come amplificatore in transconduttanza (link alla nota). Utilizzo del fotometro per una stima della costante di Planck dallo spettro di corpo nero (link alla descrizione dell'esperimento).  2
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27
12/12/2016
(laboratorio di fisica)
Sessione di laboratorio: continuazione della sessione di laboratorio del 7/12.
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14/12/2016
Gli oscillatori VCO, con un'analisi del funzionamento del trigger di Schmitt e applicazione alle trasmissioni radio FM (link alla presentazione).
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15/12/2016
Gli ADC. Range dinamico. Alcune architetture di ADC: flash ADC; ADC pipelined.
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21/12/2016
Il circuito sample-and-hold; ADC SAR; ADC Sigma-Delta e il noise shaping.
(link alla presentazione sugli ADC, link ad una nota sulle architetture degli ADC).
Introduzione alla Software Defined Radio. Demodulazione eterodina e il problema della fase, segnali in fase e in quadratura. Schema di base di una SDR. Alcune applicazioni delle SDR. Lo standard ADS-B per la localizzazione aerea (nota della Pentek sulle SDR, nota di R. Lyons sulla demodulazione SSB).
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22/12/2016
Struttura delle SDR basate sul circuito RTL2832. Software per ricevitori SDR realizzati con il circuito RTL2832 (link alla presentazione sulle SDR).
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Edoardo Milotti - dicembre 2016