Curs 2010-11

Transmissió de Dades i Codificació(21606)

Titulació/estudi: Grau en Enginyeria Telemàtica, Grau en Enginyeria de Sistemes Audiovisuals
Curs: segon
Trimestre: segon i tercer
Nombre de crèdits ECTS: 8 crèdits
Hores de dedicació de l'estudiant: 200 hores
Llengua o llengües de la docència: català i castellà
Professor: Òscar Cámara, Gemma Piella, Blanca Mayayo, Eduard Gomà, Piots Holonowick

1. Presentació de l'assignatura

Transmissió de Dades i Codificació (TDC) és una assignatura obligatòria del segon curs dels següents graus impartits per l'Escola Superior Politècnica de la Universitat Pompeu Fabra: Grau en Enginyeria Telemàtica, Grau en Enginyeria de Sistemes Audiovisuals

Transmissió de Dades i Codificació (TDC) té com objectiu principal la introducció dels conceptes fonamentals per a l'anàlisi i el disseny d'un sistema de comunicacions digital, incloent els conceptes de la teoria de la informació que s'apliquen a la compressió i codificació de les dades, així com a la seva codificació i a la correcció d'errors introduïts pels canals de comunicació. Els sistemes de comunicacions digitals estan convertint-se actualment en indispensables per suportar la creixent demanda, de quantitat i de qualitat, a la comunicació de dades. La principal raó és la flexibilitat i diferents opcions de processament de les dades que la transmissió digital ofereix envers la transmissió analògica. Així, els coneixements tractats en aquesta assignatura són bàsics per tot futur enginyer en relació amb les telecomunicacions.

La Figura 1 representa l'esquema de blocs d'un sistema de comunicacions digitals típic i general. Tenint en compte els coneixements impartits en altres assignatures, amb una estreta relació amb Sistemes de Comunicació, Principis de Comunicació i Protocols de Xarxes i Serveis, el contingut teòric de TDC es focalitzarà principalment a les etapes de codificació, tant de font com de canal, i de les fases de modulació i desmodulació digital en banda base i amb portadora. Un cop les diferents codificacions i modulacions possibles i les eines per avaluar-les, com per exemple el càlcul de probabilitats d'error, siguin tractades, la darrera part del curs es dedica al disseny i avaluació de sistemes digitals qualsevol, per tal de posar en pràctica els coneixements adquirits. Finalment, s'introduiran els conceptes bàsics d'unes modulacions avançades, que són les utilitzades en àmbits tan rellevants com són les comunicacions mòbils.

Els elements teòrics representen la base de les classes magistrals, però un component igualment rellevant en aquesta assignatura és la resolució d'exercicis, que suposa una gran part del treball individual de l'alumne fora de l'aula, i que s'avaluaran conjuntament a les classes de seminari. A més a més, diversos lliurables i activitats de grup durant el curs exigiran a l'alumne el desenvolupament de treball en equip, cerca d'informació i capacitat de comunicació oral i escrita

2. Prerequisits per al seguiment de l'itinerari formatiu

L'assignatura de TDC forma part d'un clúster d'assignatures relacionades amb "Teoria del senyal i de les comunicacions", algunes d'elles impartides al grau de Telemàtica com són Sistemes de Comunicació (SDC), Protocols de Xarxes i Serveis (PXS), Principis de Telecomunicació (PT). L'objectiu d'aquest clúster és doncs el de cobrir tots els components principals d'un sistema de comunicacions digitals (SCD), com el mostrat a la Figura 1. En aquesta figura es pot veure la relació entre els d'un SCD i les assignatures del clúster.

tdc

Figura 1: Esquema de blocs d'un sistema de comunicacions digitals típic i relació amb les assignatures relacionades: Transmissió de Dades i Codificació (TDC), Sistemes de Comunicació (SDC), Protocols de Xarxes i Serveis (PXS).

En el cas de TDC, es repassaran breument alguns conceptes ja presentats a assignatures com Principis de Telecomunicació i Sistemes de Comunicació (per exemple sobre senyals i sistemes, emissors i receptors, soroll, mostreig, quantificació). Aquests conceptes representen els fonaments sobre els quals es pot avançar cap a un coneixement més profund de les comunicacions digitals.

Finalment, cal destacar la importància per l'assignatura de TDC de dues eines matemàtiques, Fourier i Probabilitat, que s'introdueixen al primer curs del grau i es desenvolupen a les assignatures de Senyals i Sistemes i de Probabilitat i Processos Estocàstics. TDC no és un curs de matemàtica bàsic per enginyers ja que requereix un coneixement elevat de les propietats de Fourier més emprades, de la separació i la relació entre els dominis temporals i freqüencials i dels principals axiomes de probabilitat. Essent una assignatura on es veuen moltes equacions, no es demanarà la memorització de totes elles, i es proporcionaran les necessàries als diferents exàmens, excepte aquelles que apareixen contínuament durant tot el curs.

3. Competències que s'han d'assolir

Competències generals

Competències específiques

Instrumentals

1. Comunicació oral i escrita en la pròpia llengua
2. Capacitat d'anàlisi i síntesi
3. Coneixement d'una segona llengua, en aquest cas l'anglès
4. Resolució de problemes
5. Habilitats de gestió de la informació
6. Creativitat

Interpersonals

7. Planificació i organització del treball en equip
8.Capacitat crítica i autocrítica
9. Habilitat de treballar en un context internacional

Sistèmiques

10. Capacitat d'aplicar els coneixements a la pràctica
11. Capacitat de l'estimació i programació del treball
12. Aprenentatge continu
13. Disseny i gestió de projectes

1. Capacitat d'aplicar els coneixements de matemàtiques, ciència i enginyeria

2. Dissenyar i executar experiments, així com analitzar i interpretar els resultats

3. Capacitat de dissenyar un sistema, component o procès del àmbit de les Tecnologies de la Informació i les Comunicacions per a què compleixi les especificacions demanades.

4. Capacitat per a identificar, formular i resoldre problemes d'enginyeria.

6. Capacitat d'emprar les tècniques i eines de l'enginyeria moderna necessàries per a la pràctica a les enginyeries

7. Dissenyar, construir, explotar i gestionar les xarxes i els sistemes de comunicacions

4. Objectius d'aprenentatge

En aquesta assignatura es vol introduir els conceptes fonamentals per l'anàlisi i el disseny d'un sistema típic de comunicacions digitals com per exemple un enllaç satèl·lit, wireless o de telefonia mòbil. Més concretament, es pretenen aconseguir els objectius següents:

Descriure els components, funcionament general i finalitat d'un sistema de comunicacions digitals
Identificar les avantatges d'un sistema de comunicacions digital envers d'un analògic
Transformar la informació d'entrada a un format digital
Descriure l'estructura d'un receptor i enumerar i explicar les fonts d'error per la detecció d'un senyal
Descriure matemàticament les fonts d'informació discretes i dissenyar esquemes de codificació per aquestes
Identificar els diferents esquemes de codificació de font i determinar les seves propietats
Escollir entre diferents alternatives de codificació de la font seguint uns criteris específics
Dissenyar filtres adaptats per una detecció òptima
Representar senyals a l'espai del senyal
Dissenyar filtres d'equalització
Descriure els diferents esquemes de modulació amb portadora utilitzats en comunicacions digitals
Classificar els mètodes de detecció de la informació transmesa (coherent/no coherent)
Calcular les probabilitats d'error associades a diferents esquemes de detecció i avaluar el seu interès en diferents situacions
Diferenciar els conceptes de la quantitat d'informació d'una font, equivocació i informació mútua
Calcular les probabilitats d'error de recepció per a esquemes lineals, convolucionals i cíclics de codificació de canal
Analitzar (pel disseny i la selecció) els esquemes lineals, convolucionals i cíclics de codificació de canal seguint diferents especificacions d'un sistema de transmissió
Analitzar les dades de sortida d'un canal per a quantificar la informació que aporten respecte a l'entrada
Diferenciar entre els conceptes de la capacitat de canal i la taxa de transmissió, tot identificant els seus factors limitants
Reproduir amb rigurositat matemàtica la demostració d'alguns teoremes fonamentals de la teoria de la informació i de la codificació
Analitzar els objectius i restriccions pel disseny d'un sistema de comunicacions digitals
Determinar quins esquemes de modulació-codificació són els més adequats en diferents sistemes limitats en potència o en ample de banda
Analitzar els avantatges i inconvenients de les principals modulacions d'espectre estès
Relacionar les modulacions d'espectre estès amb les tècniques d'accés múltiple

5. Continguts

El disseny de l'assignatura de TDC està constituït per cinc blocs de contingut obligatori. Aquests cinc blocs responen a una lògica disciplinar i curricular.

5.1. Blocs de contingut

Bloc de contingut 1.
Introducció a les comunicacions digitals

Tema 1. Introducció a les comunicacions digitals

Tema 2. Formatat

Bloc de contingut 2.
Codificació de font

Tema 3. Introducció a la codificació de font

Tema 4. Codis i entropia

1r control parcial

Bloc de contingut 3.
Transmissió digital en banda base i en passa banda. Eines per avaluar i modulacions

Tema 5. Transmissió digital en banda base

Tema 6. Transmissió digital en passa banda

2n control parcial

Bloc de contingut 4.
Codificació de canal i codis lineals

Tema 7. Codificació de canal

Tema 8. Codis lineals

Bloc de contingut 5.
Disseny d'un sistema de comunicacions digital òptim. Modulacions avançades

Tema 9. Compromís entre modulació i codificació

Tema 10. Modulacions avançades

5.2. Organització i concreció dels continguts

Bloc de contingut 1. Introducció a les comunicacions digitals

Conceptes

Procediments

Actituds

1. Esquema d'un sistema de comunicacions digitals

2. Sistema analògic vs. digital

3. Conceptes bàsics de comunicacions analògiques i digitals: mostreig, quantificació, transmissió en banda base

1. Disseny de diagrames de blocs

2.Preparació d'una exposició

3. Extracció d'informació rellevant i resum d'un text

4. Resolució de problemes sobre mostreig, quantificació, transmissió en banda base

1. Raonament i ús de coneixements previs

2.Treball col·laboratiu per parelles

3. Especificitat i concreció

4.Capacitat crítica respecte al treball propi i dels altres

5.Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

Bloc de contingut 2. Codificació de font

Conceptes

Procediments

Actituds

1. Probabilitat discreta i condicional

2. Codis i esquemes de codificació

3. Font d'informació

4. Unicitat i instantaneïtat

5. Entropia

6. Extensions de font

7. Entropia condicional

8. Informació mútua

1. Càlcul de probabilitats

2. Ús de les propietats bàsiques de probabilitat

3. Descripció dels codis i dels esquemes de codificació

4. Descripció de les fonts d'informació

5. Classificació dels codis en unívocs i instantanis

6. Utilització de la desigualtat de Kraft

7. Càlcul de l'entropia i de la informació mútua

8. Càlcul de les extensions de font

1. Raonament i ús de coneixements previs

2.Treball col·laboratiu per parelles

3. Especificitat i concreció

4.Capacitat crítica respecte al treball propi i dels altres

5.Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

Bloc de contingut 3. Transmissió en banda base i passa banda. Eines per avaluar i modulacions

Conceptes

Procediments

Actituds

1. Estructura del receptor i filtres òptims

2. Espai del senyal

3. Detecció en canals amb soroll

4. Probabilitats d'error de símbol

5. Interferència inter-simbòlica (ISI)

6.Tècniques per reduir la ISI: filtres conformadors i equalització

7.Modulació/demodulació amb portadora i detecció

8.Diferents formes d'ona per la modulació i detecció coherent

9.Detecció no coherent

10.Envoltant complex

11.Probabilitats d'error de BPSK i BFSK

12.Probablitats d'error per modulacions no binàries

1. Simulació amb software de conceptes de transmissió en banda base i passa banda

2. Extracció d'informació rellevant i resum d'un text tècnic en anglès

3. Resolució de problemes de conceptes de transmissió en banda base i passa banda

4.Explicació a la pissarra de problemes resolts

5. Representació de senyals en l'espai del senyal amb o sense el mètode de Gram-Schmidt

6. Càlcul de probabilitats d'error

7. Disseny de filtres conformadors i d'equalització

8. Anàlisi de corbes de probabilitats d'error

1. Raonament i ús de coneixements previs

2.Treball col·laboratiu per parelles

3. Extreure i resumir els conceptes més importants d'un tema

4.Raonar i analitzar els problemes abans d'aplicar els mètodes més mecànics

5.Aplicar la teoria a la pràctica

6.Anàlisi de texts tècnics en anglès

7.Autoavaluació i autocrítica de treballs propis

8.Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

Bloc de contingut 4. Codificació de canal i codis lineals

Conceptes

Procediments

Actituds

1. Canal d'informació

2. Distància de les paraules de codi

3. Regles de decodificació

4. Redundància

5. Capacitat de canal

6. Codis lineals

7. Síndrom

8. Codis convolucionals

9. Codis cíclics

1. Càlculs de probabilitat de canal condicionats a entrada o sortida

2. Aplicació de les regles de decisió

3. Càlcul de les taxes de transmissió i de la capacitat del canal

4. Disseny de les matrius generadores i de paritat

5. Generació de codis mitjançant aquestes matrius

6. Decodificació per càlcul de síndrom

7. Identificació de codis convolucionals

8. Construcció de codis cíclics i decodificació

1. Raonament i ús de coneixements previs

2.Treball col·laboratiu per parelles

3. Extreure i resumir els conceptes més importants d'un tema

4.Raonar i analitzar els problemes abans d'aplicar els mètodes més mecànics

5.Aplicar la teoria a la pràctica

6.Anàlisi de texts tècnics en anglès

7.Autoavaluació i autocrítica de treballs propis

8.Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

Bloc de contingut 5. Disseny d'un sistema de comunicacions digitals òptim

Conceptes

Procediments

Actituds

1. Objectius i restriccions d'un sistema de comunicacions digitals

2. Plànols de probabilitat d'error i d'eficiència de l'ample de banda

3. Sistemes limitats en potència o en ample de banda

4.Sistemes amb o sense codificació

5. Modulació per seqüència directa

6. Modulació per salts de freqüència

7. Relació amb tècniques d'accés múltiple

1. Disseny d'un sistema de comunicacions digitals amb i sense codificació, escollint l'opció òptima en situacions diferents

2. Anàlisi de plànols de probabilitat d'error i d'eficiència de l'ample de banda

3.Resolució de problemes de disseny d'un sistema de comunicacions digitals

4. Preparació d'una exposició sobre un tema de disseny d'un sistema de comunicacions digitals

5. Cerca i resum d'informació sobre un tema de disseny d'un sistema de comunicacions digitals

6. Resolució de problemes sobre modulacions digitals avançades

1. Raonament i ús de coneixements previs

2.Treball col·laboratiu per parelles

3. Extreure i resumir els conceptes més importants d'un tema

3.Aplicar la teoria a la pràctica

4.Reconeixement i interès sobre el treball de científics clau a les comunicacions digitals

5. Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

6. Avaluació

6.1. Criteris generals d'avaluació

L'avaluació de TDC està dissenyada entorn a un aprenentatge continu de part de l'alumne mitjançant el treball i l'avaluació continuada, així com el feedback constant del professorat sobre el treball de cada alumne.

La ponderació dels diferents tipus d'activitats és el següent:

Lliurables à 20%
Pràctiques à 20% (10% Matlab + 10% "Projecte Naval")
Primer control parcial à 20% (Blocs 1 i 2)
Segon control parcials à 20% (Bloc 3)
Examen final à 20% (Blocs 4 i 5 + exercicis globals)

Al llarg del curs hi ha un conjunt d'lliurables, que són activitats individuals o grupals que els alumnes han de lliurar a una hora i data concreta mitjançant la penjada de documents electrònics a la pàgina Moodle de l'assignatura. A més a més, alguns d'aquests lliurables seran presentacions orals d'alguns temes escollits. La nota mitjana d'aquests lliurables representa un 20% de la nota final i es requereix un mínim de 5.0 per poder aprovar l'assignatura.

Es realitzaran dos controls parcials (setmanes 6 i 13 aproximadament) on s'avaluaran els coneixements adquirits durant el curs. Un dels objectius més importants d'aquests controls és el de tenir un feedback sobre la situació de cada estudiant. Conseqüentment, a les sessions de seminari posteriors a cada control, es facilitarà a cada estudiant una còpia del seu control, que autoavaluarà i compararà amb els companys, tenint així una idea més clara de com es troba de cara a assolir els objectius d'aprenentatge de l'assignatura. Cada control, que representa un 20% de la nota final, està constituït per preguntes de contingut teòric (30%) i d'exercicis a resoldre (70%). El disseny de l'assignatura de TDC és modular, essent així un requisit imprescindible l'aprovar (> 5.0) cadascun dels diferents blocs de continguts per a poder passar l'assignatura. Així, cada control parcial tindrà uns mòduls específics que un cop aprovats, no s'avaluaran a l'examen final. En el cas de suspendre algun mòdul, l'alumne tindrà l'oportunitat de recuperar aquest mòdul a l'examen final.

L'examen final tindrà un pes d'un 20% i estarà format per dues parts: una part comuna a tots els alumnes amb exercicis a resoldre referents als darrers blocs de continguts no avaluats amb els dos controls parcials, així com problemes on s'hagin d'emprar els coneixements adquirits al llarg de tota l'assignatura; i una segona part amb problemes específics a certs blocs de continguts per als alumnes que hagin de recuperar alguns d'aquests blocs.

Les pràctiques de l'assignatura de TDC constaran en 8 sessions de 2 hores cadascuna i es diferencien en dos grups: pràctiques en Matlab (10%); i el "Projecte Naval" (10%). Al primer tipus de pràctiques (4 sessions), l'alumne prendrà contacte amb Matlab i l'utilitzarà per resoldre exercicis típics i exemples pràctics emprant els conceptes vists a teoria. Per a aquestes pràctiques, els alumnes hauran de lliurar un estudi previ abans de cada pràctica, així com els exercicis resolts al finalitzar la pràctica. Les altres sessions de pràctiques (4 restants) es dedicaran a la introducció, resolució de dubtes i presentació del projecte de cada grup d'alumnes (2-4 alumnes per grup). El guanyador del "Projecte Naval" tindrà 2 punts addicionals sobre el 20% de la nota de les pràctiques; el segon, 1 punt sobre el 20%; i el tercer, 0.5 punts sobre aquest 20% tanmateix. Més informació sobre el "Projecte Naval" es distribuirà junt amb les bases del projecte.

Els estudiants que desitgin renunciar a l'avaluació contínua poden optar per anar al setembre directament, on els coneixements de l'estudiant seran avaluats només d'acord amb l'examen final. Lògicament, els estudiants seguint l'avaluació contínua, disposaran d'un examen final al setembre similar al de juny, on puguin recuperar només aquelles parts que tenen suspeses i guardant la nota de les pràctiques i dels lliurables.

7. Metodologia

L'objectiu principal del disseny de l'assignatura de TDC és el d'implicar l'estudiant de forma contínua en el desenvolupament de l'assignatura mitjançant l'avaluació contínua i l'estudi personal com complement imprescindible a les classes magistrals. La dificultat d'aquesta assignatura fa que aquest treball continu al llarg de tots dos trimestres sigui fonamental per assolir els coneixements mínims que es requereixen.

La metodologia EEES comporta una configuració del cicle d'aprenentatge que divideix les activitats en presencials i no presencials, representant les primeres un 35% de la càrrega total de treball de l'assignatura i, conseqüentment, un 65% de treball de l'estudiant fora de l'aula. Hi ha tres tipus de classes presencials: les magistrals, els seminaris i les pràctiques. Les primeres es realitzen amb el conjunt d'alumnes de l'assignatura i representen un 50% del total (36 hores, 18 sessions de 2 hores setmanals), deixant un 28% (20 hores, 20 sessions d'una hora setmanals) de les classes presencials pels seminaris, on hi ha un nombre reduït d'estudiants (menys de 15) i un 22% per les pràctiques (16 hores, 8 sessions de dues hores, majoritàriament bisetmanals).

GRAU	Treball de l'estudiant 65%
	Docència 35%	Magistralitat 70% (grup gran)
		Seminaris 30% (grup petit)
		Pràctiques (grup gran)

Els seminaris (1h) es dediquen principalment a la correcció en grup i/o presentació dels diferents controls parcials i lliurables de l'assignatura, entre els quals hi ha resolució de problemes, resums de capítols de llibres, presentacions en grup o visualització de documentals sobre científics entre d'altres.

Les pràctiques (2h) es divideixen en dos tipus: les basades en Matlab i les relacionades amb el "Projecte Naval". Les 4 sessions de pràctiques basades en Matlab seran focalitzades a l'ús del Matlab com a eina per resoldre exercicis senzills sobre els conceptes vists a teoria. Les restants quatre sessions de pràctiques giraran al voltant del "Projecte Naval", activitat que els alumnes hauran de fer en grups de 2 a 4 persones. Més informació sobre el "Projecte Naval" es distribuirà junt amb les bases del projecte.

8. Bibliografia i recursos didàctics

8.1. Fonts d'informació per a l'aprenentatge. Bibliografia bàsica (suport paper i electrònic)

B. Sklar, "Digital Communications" (2nd Edition), Prentice Hall, 2001. Aquesta és la "Bíblia" de l'assignatura.

R. B. Wells, "Applied Coding and Information Theory for Engineers", Prentice Hall, 1999

8.2. Fonts d'informació per a l'aprenentatge. Bibliografia complementària (suport paper i electrònic)

S. Haykin, "Communication systems" (4th Edition), John Wisley & Sons, 2001

A.B. Carlson, "Communication systems" (4th Edition), McGraw-Hill, 2002

J.G. Proakis, "Digital communications", (4th Edition), McGraw-Hill, 2000

A.A. Rodriguez y F.P. Gonzalez, "Comunicaciones Digitales", Prentice Hall, 2007

G. A. Jones and J.M Jones, "Information and Coding Theory", Springer, 2005

J. G. Casas ,"Introducción a la Teoría de Códigos, Teoría de la Información y Criptografía", Univ. Nacional Autónoma de México

8.3. Recursos didàctics. Material docent de l'assignatura

Transparències de cada sessió magistral penjada al Moodle.

Exercicis, documents addicionals, referències web, diferent material disponible al Moodle de l'assignatura

8.4. Recursos didàctics. Materials i eines de suport

Basics of Information Theory
http://www.cs.cmu.edu/~dst/Tutorials/Info-Theory/

The Error Correcting Codes (ECC) Page:
http://www.eccpage.com/

Wikipedia: Category:Information theory
http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Information_theory

Problemas adicionales
http://www.cl.cam.ac.uk/teaching/2002/InfoTheory/Chapter2Exercises.pdf
http://www.econ.upf.es/~lugosi/inf/infohw.pdf
http://www.mth.msu.edu/~jhall/classes/codenotes/Linear.pdf