Curso 2010-11
Transmisión de Datos y Codificación (21729)
Titulación/estudio: Grado en Ingeniería Telemática y Grado en Ingeniería de Sistemas Audiovisuales
Curso: Segundo
Trimestre: Segundo y tercero
Número de créditos ECTS: 8 créditos
Horas de dedicación del estudiante: 200 horas
Lenuga o lenguas de la docencia: Catalán y castellano
Profesor: Òscar Cámara (coordinador), Gemma Piella, Blanca Mayayo, Eduard Gomà, Piots Holonowick
1. Presentación de la asignatura
Transmisión de Datos y Codificación (TDC) es una asignatura obligatoria del segundo curso de los siguientes grados impartidos por la Escuela Superior Politécnica de la Universitat Pompeu Fabra: grado en Ingeniería Telemática y grado en Ingeniería de Sistemas Audiovisuales.
Esta asignatura se ha diseñado siguiendo una metodología adaptada al nuevo Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), conocido también como Plan Bolonia, y que pretende centrar el aprendizaje en el estudiante. El objetivo principal de este diseño es implicar al estudiante de forma continua en el desarrollo de la asignatura mediante la evaluación continua y el estudio individual como complemento imprescindible de las clases magistrales. La dificultad de esta asignatura hace que este trabajo continuo durante los dos trimestres sea fundamental para asumir los conocimientos mínimos que se requieren.
Transmisión de Datos y Codificación (TDC) tiene como objetivo principal la introducción de los conceptos fundamentales para el análisis y el diseño de un sistema de comunicaciones digital, incluyendo los conceptos de la teoría de la información que se aplican a la compresión y codificación de los datos, así como a su codificación y a la corrección de errores introducidos por los canales de comunicación. Actualmente, los sistemas de comunicaciones digitales se están convirtiendo en indispensables para asumir la creciente demanda, de cantidad y cualidad, a la comunicación de datos. La principal razón es la flexibilidad y las diferentes opciones de procesamiento de datos que la transmisión digital ofrece, a diferencia de la transmisión analógica. Así, los conocimientos tratados en esta asignatura son básicos para todo futuro ingeniero en relación con las telecomunicaciones.
La Figura 1 representa el esquema de bloques de un sistema de comunicaciones digitales típico y general. Teniendo en cuenta los conocimientos impartidos en otras asignaturas, con una estrecha relación con Sistemas de Comunicación, Principios de Comunicación y Protocoles de Redes y Servicios, el contenido teórico de TDC se centrará principalmente en las etapas de codificación, tanto de fuente como de canal, y de las fases de modulación y desmodulación digital en banda base y con portadora. Cuando se hayan tratado las diferentes codificaciones, las modulaciones posibles y las herramientas para evaluarlas, como por ejemplo el cálculo de probabilidades de error, la última parte del curso se dedica al diseño y evaluación de todos los sistemas digitales, con el fin de poner en práctica los conocimientos adquiridos. Finalmente, se introducirán los conceptos básicos de unas modulaciones avanzadas, que son las que se utilizan en ámbitos tan relevantes como son las comunicaciones móviles.
Los elementos teóricos representan la base de las clases magistrales, pero un componente igualmente relevante en esta asignatura es la resolución de ejercicios, que supone una gran parte del trabajo individual del alumno fuera del aula y que se evaluará conjuntamente en las clases de seminario. Además, se exigirá a los estudiantes el desarrollo de trabajo en equipo, búsqueda de información y capacidad de comunicación oral y escrita a partir de diferentes ejercicios para entregar y prácticas en grupo durante la asignatura.
2. Prerrequisitos para el seguimiento del itinerario formativo
La asignatura de TDC forma parte de un conjunto de asignaturas relacionadas con "Teoría de la señal y de las comunicaciones", algunas de ellas impartidas en el grado de Telemática como, por ejemplo, Sistemas de Comunicación (SDC), Protocoles de Redes y Servicios (PXS) y Principios de Telecomunicación (PT). Así pues, el objetivo de este conjunto es cubrir todos los componentes principales de un sistema de comunicaciones digitales (SCD), como el que se muestra en la Figura 1. En esta figura se puede observar la relación entre los de un SCD y las asignaturas del conjunto.
Figura 1: Esquema de bloques de un sistema de comunicaciones digitales típico y relación con las asignaturas relacionadas: Transmisión de Datos y Codificación (TDC), Sistemas de Comunicación (SDC) y Protocoles de Redes y Servicios (PXS).
En el caso de TDC, es repasaran brevemente algunos conceptos ya presentados en asignaturas como Principios de Telecomunicación y Sistemas de Comunicación (por ejemplo sobre señales y sistemas, emisores y receptores, ruido, muestreo y cuantificación). Estos conceptos representan los fundamentos sobre los cuales se puede avanzar hacia un conocimiento más profundo de las comunicaciones digitales.
Finalmente, cabe destacar la importancia por la asignatura de TDC de dos herramientas matemáticas, Fourier y probabilidad, que se introducen en el primer curso del grado y se desarrollan en las asignaturas de Señales y Sistemas y de Probabilidad y Procesos Estocásticos. TDC no es un curso de matemáticas básico para ingenieros, ya que se requiere un conocimiento elevado de las propiedades de Fourier más utilizadas, de la separación y la relación entre los dominios temporales y frecuenciales y de los principales axiomas de probabilidad. Siendo una asignatura donde se tratan muchas ecuaciones, no se pedirá la memorización de todas ellas, y se proporcionaran las necesarias en los distintos exámenes, excepto aquellas que aparecen continuamente durante toda la asignatura.
3. Competencias a alcanzar en la asignatura
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Competencias generales |
Competencias específicas |
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Interpersonales Sistémicas |
2. Diseñar y ejecutar experimentos, así como analizar e interpretar los resultados 3. Capacidad de diseñar un sistema, componente o proceso del ámbito de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones para que se cumplan las especificaciones pedidas. 4. Capacidad para identificar, formular y resolver problemas de ingeniería. 5. Capacidad de utilizar las técnicas y herramientas de la ingeniería moderna necesarias para la práctica en las ingenierías. 6. Diseñar, construir, explotar y gestionar las redes y los sistemas de comunicaciones
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4. Objetivos de aprendizaje
En esta asignatura se quiere introducir los conceptos fundamentales para el análisis y el diseño de un sistema típico de comunicaciones digitales, como por ejemplo un enlace satélite, wireless o de telefonía móvil. Más concretamente, se pretenden conseguir los siguientes objetivos:
- Describir los componentes, funcionamiento general y finalidad de un sistema de comunicaciones digitales
- Identificar las ventajas de un sistema de comunicaciones digital en comparación con uno analógico
- Transformar la información de entrada en un formato digital
- Describir la estructura de un receptor, enumerar y explicar las fuentes de error para la detección de una señal
- Describir matemáticamente las fuentes de información discretas y diseñar esquemas de codificación para éstas
- Identificar los diferentes esquemas de codificación de fuente y determinar sus propiedades
- Escoger entre diferentes alternativas de codificación de la fuente siguiendo unos criterios específicos
- Diseñar filtros adaptados para una detección óptima
- Representar señales en el espacio de la señal
- Diseñar filtros de ecualización
- Describir los diferentes esquemas de modulación con portadora utilizados en comunicaciones digitales
- Clasificar los métodos de detección de la información transmitida (coherente / no coherente)
- Calcular les probabilidades de error asociadas a diferentes esquemas de detección y evaluar su interés en diferentes situaciones
- Diferenciar los conceptos de la cantidad de información de una fuente, equivocación e información mutua
- Calcular las probabilidades de error de recepción para esquemas lineales, convolucionales y cíclicos de codificación de canal
- Analizar (por el diseño y la selección) los esquemas lineales, convolucionales y cíclicos de codificación de canal siguiendo diferentes especificaciones de un sistema de transmisión
- Analizar los datos de salida de un canal para cuantificar la información que aportan respeto a la entrada
- Diferenciar entre los conceptos de la capacidad de canal y la tasa de transmisión, identificando sus factores limitantes
- Reproducir con rigurosidad matemática la demostración de algunos teoremas fundamentales de la teoría de la información y de la codificación
- Analizar los objetivos y restricciones para el diseño de un sistema de comunicaciones digitales
- Determinar qué esquemas de modulación-codificación son los más adecuados en diferentes sistemas limitados en potencia o en ancho de banda
- Analizar las ventajas y los inconvenientes de las principales modulaciones de espectro ensanchado
- Relacionar las modulaciones de espectro ensanchado con las técnicas de acceso múltiple
5. Evaluación
La evaluación de TDC está diseñada en torno a un aprendizaje continuo de parte del alumnado mediante el trabajo y la evaluación continuada, así como el feedback constante del profesorado sobre el trabajo de cada alumno.
La ponderación de los distintos tipos de actividades es la siguiente:
- Ejercicios para entregar à 20%
- Prácticas à 20% (10% Matlab + 10% "Proyecto Naval")
- Primer control parcial à 20% (Bloques 1 y 2)
- Segundo control parcial à 20% (Bloque 3)
- Examen final à 20% (Bloques 4 y 5 + ejercicios globales)
Durante el curso hay un conjunto de ejercicios para entregar, que son actividades individuales o grupales que los alumnos tienen que entregar en una hora y una fecha concreta colgando documentos electrónicos en la página Moodle de la asignatura. Además, algunos de estos ejercicios para entregar serán presentaciones orales de algunos temas escogidos. La nota media de estos ejercicios representa un 20% de la nota final y se requiere un mínimo de 5.0 para poder aprobar la asignatura.
Se realizaran dos controles parciales (semanas 6 y 13 aproximadamente), en los que se evaluará los conocimientos adquiridos durante el curso. Uno de les objetivos más importantes de estos controles es tener un feedback sobre la situación de cada estudiante. Consecuentemente, en las sesiones de seminario posteriores a cada control, se facilitará a cada estudiante una copia de su control, que autoevaluará y comparará con sus compañeros, teniendo así una idea más clara de si está lejos o cerca de alcanzar los objetivos de aprendizaje de la asignatura. Cada control, que representa un 20% de la nota final, esta constituido por preguntas de contenido teórico (30%) y de ejercicios para resolver (70%). El diseño de la asignatura de TDC es modular, siendo así un requisito imprescindible aprobar (> 5.0) cada uno de los diferentes bloques de contenidos para poder aprobar la asignatura. Así, cada control parcial tendrá unos módulos específicos, que, una vez aprobados, no se evaluaran en el examen final. En el caso de suspender algún módulo, el alumno o alumna tendrá la oportunidad de recuperar este módulo en el examen final.
El examen final contará un 20% y estará formado por dos partes: una parte comuna para todo el alumnado con ejercicios para resolver referentes a los últimos bloques de contenidos no evaluados en los dos controles parciales, así como problemas donde se tienen que utilizar los conocimientos adquiridos a lo largo de toda la asignatura; y una segunda parte con problemas específicos de ciertos bloques de contenidos para los alumnos que tengan que recuperar algunos de estos bloques.
Las prácticas de la asignatura de TDC constaran de 8 sesiones de 2 horas cada una y se diferencian en dos grupos: prácticas en Matlab (10%); y el "Proyecto Naval" (10%). En el primer tipo de prácticas (4 sesiones), el alumnado tomará contacto con Matlab y lo utilizará para resolver ejercicios típicos y ejemplos prácticos usando los conceptos tratados en la clase teórica. Para estas prácticas, el alumnado tendrá que entregar un estudio previo antes de cada práctica, así como los ejercicios resueltos al finalizar la práctica. Las otras sesiones de prácticas (las 4 restantes) se dedicaran a la introducción, resolución de dudas y presentación del proyecto de cada grupo de alumnos (de 2 a 4 alumnos por grupo). El ganador del "Proyecto Naval" tendrá 2 puntos adicionales sobre el 20% de la nota de las prácticas; el segundo, 1 punto sobre el 20%; y el tercer, 0,5 puntos sobre este 20%. Se distribuirá más información sobre el "Proyecto Naval" junto con las bases del proyecto.
Los estudiantes que deseen renunciar a la evaluación continua pueden optar por presentarse en setiembre directamente y los conocimientos del estudiante serán evaluados sólo de acuerdo con el examen final. Lógicamente, los estudiantes que sigan la evaluación continua, dispondrán de un examen final en setiembre similar al de junio y podrán recuperar sólo aquellas partes que tengan suspendidas y se les guardará la nota de las prácticas y de los ejercicios para entregar.
6. Contenidos
El diseño de la asignatura de TDC está constituido por cinco bloques de contenido obligatorio. Estos cinco bloques responden a una lógica disciplinar y curricular.
6.1. Bloques de contenido
Bloque de contenido 1.
Introducción a las comunicaciones digitales
- Tema 1. Introducción a las comunicaciones digitales
- Tema 2. Formateado
Bloque de contenido 2.
Codificación de fuente
- Tema 3. Introducción a la codificación de fuente
- Tema 4. Códigos y entropía
1er control parcial
Bloque de contenido 3.
Transmisión digital en banda base y paso banda. Herramientas para evaluar y modulaciones
- Tema 5. Transmisión digital en banda base
- Tema 6. Transmisión digital paso banda
2º control parcial
Bloque de contenido 4.
Codificación de canal y códigos lineales
- Tema 7. Codificación de canal
- Tema 8. Códigos lineales
Bloque de contenido 5.
Diseño de un sistema de comunicaciones digital óptimo. Modulaciones avanzadas
- Tema 9. Compromiso entre modulación y codificación
- Tema 10. Modulaciones avanzadas
6.2. Organización y concreción de los contenidos
Bloque de contenido 1. Introducción a las comunicaciones digitales
Conceptos Procedimientos Actitudes 1. Esquema de un sistema de comunicaciones digitales 2. Sistema analógico vs. digital 3. Conceptos básicos de comunicaciones analógicas y digitales: muestreo, cuantificación, transmisión en banda base 1. Diseño de diagramas de bloques 2.Preparación de una exposición 3. Extracción de información relevante y resumen de un texto 4. Resolución de problemas sobre muestreo, cuantificación, transmisión en banda base 1. Razonamiento y uso de conocimientos previos 2.Trabajo por parejas 3. Especificidad y concreción 4.Capacidad crítica respecto al trabajo propio y de los otros 5.Participación activa en las clases magistrales y en los seminarios
Bloque de contenido 2.
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Conceptos |
Procedimientos |
Actitudes |
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1. Probabilidad discreta y condicional 2. Códigos y esquemas de codificación 3. Fuente de información 4. Unicidad e instantaneidad 5. Entropía 6. Extensiones de fuente 7. Entropía condicional 8. Información mutua |
1. Cálculo de probabilidades 2. Uso de las propiedades básicas de probabilidad 3. Descripción de los códigos y de los esquemas de codificación 4. Descripción de las fuentes de información 5. Clasificación de los códigos en unívocos e instantáneos 6. Utilización de la desigualdad de Kraft 7. Cálculo de la entropía y de la información mutua 8. Cálculo de las extensiones de fuente |
1. Razonamiento y uso de conocimientos previos 2.Trabajo por parejas 3. Especificidad y concreción 4.Capacidad crítica respecto al trabajo propio y de los otros 5.Participación activa en las clases magistrales y en los seminarios
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Bloque de contenido 3. Transmisión en banda base y paso banda. Herramientas para evaluar y modulaciones
Conceptos Procedimientos Actitudes 1. Estructura del receptor y filtros óptimos 2. Espacio de la señal 3. Detección en canales con ruido 4. Probabilidades de error de símbolo 5. Interferencia intersimbólica (ISI) 6.Técnicas para reducir la ISI: filtros conformadores y ecualización 7.Modulación/desmodulación con portadora y detección 8.Diferentes formas de onda para la modulación y detección coherente 9.Detección no coherente 10.Envolvente compleja 11.Probabilidades de error de BPSK y BFSK 12.Probabilidades de error por modulaciones no binarias 1. Simulación con software de conceptos de transmisión en banda base y paso banda 2. Extracción de información relevante y resumen de un texto técnico en inglés 3. Resolución de problemas de conceptos de transmisión en banda base y paso banda 4.Explicación a la pizarra de problemas resueltos 5. Representación de señales en el espacio de la señal con o sin el método de Gram-Schmidt 6. Cálculo de probabilidades de error 7. Diseño de filtros conformadores y de ecualización 8. Análisis de curvas de probabilidades de error 1. Razonamiento y uso de conocimientos previos 2.Trabajo por parejas 3. Extraer y resumir los conceptos más importantes de un tema 4.Razonar y analizar los problemas antes de aplicar los métodos más mecánicos 5.Aplicar la teoría a la práctica 6.Análisis de textos técnicos en inglés 7.Autoevaluación y autocrítica de trabajos propios 8.Participación activa en las clases magistrales y en los seminarios
Bloque de contenido 4.
Conceptos Procedimientos Actitudes 1. Canal de información 2. Distancia de las palabras del código 3. Reglas de decodificación 4. Redundancia 5. Capacidad de canal 6. Códigos lineales 7. Síndrome 8. Códigos convolucionales 9. Códigos cíclicos 1. Cálculos de probabilidad de canal condicionados a la entrada o a la salida 2. Aplicación de las reglas de decisión 3. Cálculo de las tasas de transmisión y de la capacidad de canal 4. Diseño de las matrices generadoras y de la paridad 5. Generación de códigos mediante estas matrices 6. Decodificación por cálculo de síndrome 7. Identificación de códigos convolucionales 8. Construcción de códigos cíclicos y decodificación 1. Razonamiento y uso de conocimientos previos 2.Trabajo por parejas 3. Extraer y resumir los conceptos más importantes de un tema 4.Razonar y analizar los problemas antes de aplicar los métodos más mecánicos 5.Aplicar la teoría a la práctica 6.Análisis de textos técnicos en inglés 7.Autoevaluación y autocrítica de trabajos propios 8.Participación activa en las clases magistrales y en los seminarios
Bloque de contenido 5.
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Conceptos |
Procedimientos |
Actitudes |
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1. Objetivos y restricciones de un sistema de comunicaciones digitales 2. Planos de probabilidad de error y de eficiencia del ancho de banda 3. Sistemas limitados en potencia o en ancho de banda 4.Sistemas con o sin codificación 5. Modulación por secuencia directa 6. Modulación por saltos de frecuencia 7. Relación con técnicas de acceso múltiple |
1. Diseño de un sistema de comunicaciones digitales con y sin codificación, escogiendo la opción óptima en diferentes situaciones 2. Análisis de planos de probabilidad de error y de eficiencia del ancho de banda 3.Resolución de problemas de diseño de un sistema de comunicaciones digitales 4. Preparación de una exposición sobre un tema de diseño de un sistema de comunicaciones digitales 5. Búsqueda y resumen de información sobre un tema de diseño de un sistema de comunicaciones digitales 6. Resolución de problemas sobre modulaciones digitales avanzadas |
1. Razonamiento y uso de conocimientos previos 2.Trabajo por parejas 3. Extraer y resumir los conceptos más importantes de un tema 4.Aplicar la teoría a la práctica 5. Reconocimiento y interés sobre el trabajo de científicos clave a las comunicaciones digitales 6. Participación activa en las clases magistrales y en los seminarios |
7. Metodología
7.1. Enfoque metodológico de la asignatura
El objetivo principal del diseño de la asignatura de TDC es implicar al estudiante de forma continua en el desarrollo de la asignatura mediante la evaluación continua y el estudio personal como complemento imprescindible de las clases magistrales. La dificultad de esta asignatura hace que este trabajo continuo a lo largo de estos dos trimestres sea fundamental para adquirir los conocimientos mínimos que se requieren.
La metodología EEES conlleva una configuración del ciclo de aprendizaje que divide las actividades en presenciales y no presenciales, representando las primeras un 35% de la carga total del trabajo de la asignatura y, consecuentemente, un 65% del trabajo del estudiante fuera del aula. Hay tres tipos de clases presenciales: las magistrales, los seminarios y las prácticas. Las primeras se realizan con el conjunto de alumnos de la asignatura y representan un 50% del total (36 horas, 18 sesiones de 2 horas semanales), dejando un 28% (20 horas, 20 sesiones de una hora semanales) de las clases presenciales para los seminarios, donde hay un número reducido de estudiantes (menos de 15) y un 22% para las prácticas (16 horas, 8 sesiones de dos horas, mayoritariamente bisemanales).
La metodología EEES conlleva una configuración del ciclo de aprendizaje que divide las actividades en presenciales y no presenciales, representando las primeras un 35% de la carga total del trabajo de la asignatura y, consecuentemente, un 65% del trabajo del estudiante fuera del aula. Hay tres tipos de clases presenciales: las magistrales, los seminarios y las prácticas. Las primeras se realizan con el conjunto de alumnos de la asignatura y representan un 50% del total (36 horas, 18 sesiones de 2 horas semanales), dejando un 28% (20 horas, 20 sesiones de una hora semanales) de las clases presenciales para los seminarios, donde hay un número reducido de estudiantes (menos de 15) y un 22% para las prácticas (16 horas, 8 sesiones de dos horas, mayoritariamente bisemanales).
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GRADO |
Trabajo del estudiante 65% |
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Docencia 35% |
Clases magistrales |
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Seminarios |
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Prácticas |
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Las clases magistrales (2 horas con un descanso de 10 minutos) se dedican básicamente a la presentación del contexto y de los conocimientos teóricos de la asignatura, así como también a hacer algunas demostraciones y ejemplos de resolución de problemas típicos. Se pedirá una participación activa del estudiante en las clases magistrales mediante actividades por parejas o individuales para resolver o completar las explicaciones teóricas del profesor. Estás se fundamentan en transparencias en formato electrónico que los estudiantes tendrán disponibles en la página Moodle de la asignatura desde el inicio del curso.
Los seminarios (1h) se dedican principalmente a la corrección en grupo y/o presentación de los diferentes controles parciales y ejercicios para entregar de la asignatura, entre los que hay resolución de problemas, resúmenes de capítulos de libros, presentaciones en grupo o visualización de documentales sobre científicos entre otras cosas.
Las prácticas (2h) se dividen en dos tipos: las que se basan en Matlab y las relacionadas con el "Proyecto Naval". Las 4 sesiones de prácticas basadas en Metlab serán focalizadas al uso del Matlab como herramienta para resolver ejercicios sencillos sobre conceptos observados en las clases teóricas. Las cuatro sesiones restantes de prácticas girarán entorno al "Proyecto Naval", actividad que los alumnos tendrán que realizar en grupos de 2 a 4 personas. Se distribuirá más información sobre el "Proyecto Naval" junto con las bases del proyecto.
8. Bibliografía y recursos didácticos
8.1. Fuentes de información para el aprendizaje. Bibliografía básica (soporte papel y electrónico)
- 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. Fuentes de información para el aprendizaje. Bibliografía complementaria (soporte papel y electrónico)
- 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 didácticos. Material docente de la asignatura
- Transparencias de cada sesión magistral colgadas en el Moodle.
- Ejercicios, documentos adicionales, referencias web y diferente material disponible en el Moodle de la asignatura
8.4. Recursos didácticos. Materiales y herramientas de soporte
- 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