Curs 2015-16

Transmissió de Dades i Codificació

Titulació: Codi: Tipus:
Grau en Enginyeria Informàtica 21459 Optativa
Grau en Enginyeria Telemàtica 21729 Obligatòria 2n curs
Grau en Enginyeria en Sistemes Audiovisuals 21606 Obligatòria 2n curs

 

Crèdits ECTS: 8 Dedicació: 200 hores Trimestre: 2n i 3r

 

Departament: Dept. de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions
Coordinador: Gemma Piella
Professorat:

Albert Guillen, Josep Font, Gemma Piella, Patricia García, Arezou Rezazadeh, Anna Carreras, Noemí Carranza,  Federico Sukno, Dmytro Derkach

Idioma:

català (teoria), castellà (teoria, seminaris i laboratoris), anglès (material, bibliografia, laboratoris i alguns seminaris)

Horari:
Campus: Campus de la Comunicació - Poblenou

 

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 (ESUP) de la Universitat Pompeu Fabra (UPF): Grau en Enginyeria Telemàtica, Grau en Enginyeria de Sistemes Audiovisuals.

Aquesta assignatura ha estat dissenyada seguint una metodologia adaptada al nou Espai Europeu d'Educació Superior (EEES), altrament conegut com "Pla Bologna", i que pretén centrar l'aprenentatge en l'estudiant. L'objectiu principal d'aquest disseny és el d'implicar l'estudiant de forma contínua en el desenvolupament de l'assignatura mitjançant l'avaluació contínua i l'estudi individual com complement imprescindible a les classes magistrals. La dificultat d'aquesta assignatura fa que aquest treball continu al llarg dels dos trimestres sigui fonamental per assolir els coneixements mínims que es requereixen.

Transmissió de Dades i Codificació 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 codificació i a la correció 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.

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. A més a més s’introduiran els conceptes bàsics d’unes modulacions avançades, que són les utilitzades en àmbits actuals tan rellevants i presents 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.

 

Prerequisits

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) i Principis de Telecomunicació (PT), i d’altres comunes al grau de Telemàtica i al grau de Sistemes Audiovisuals, com per exemple Protocols de Xarxes i Serveis (PXS). L’objectiu d’aquest clúster és doncs el de cobrir tots els components principals d’un sistema de comunicacions digitals (SCD).

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 (incloent convolucions) 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, però requereix un coneixement de les propietats de Fourier més emprades, de la separació i la relació entre els dominis temporals i freqüencial 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. És molt recomanable haver aprovat les assignatures de Càlcul i Mètodes Numèrics i d'Àlgebra Lineal i Matemàtica Discreta per tal de no tenir dificultats a l'hora de seguir aquesta assignatura.

 

Competències

Competències transversalsCompetències 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

Interpersonals

6. Planificació i organització del treball en equip

7. Capacitat crítica i autocrítica

Sistèmiques

8. Capacitat d’aplicar els coneixements a la pràctica

9. Capacitat de l’estimació i programació del treball

10. Aprenentatge continu

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 de l‘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.

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

6. Dissenyar i analitzar les xarxes i els sistemes de comunicacions

 

Avaluació

 Existeixen dos itineraris possibles: en l'A, l'itinerari recomenat, l'avaluació serà continua; i en el B, la nota dependrà únicament dels exàmens dels blocs. Més avall, es detallen les condicions per cadascun dels itineraris.

Per acollir-se a l'itinerari B, l'alumne deurà enviar un email al coordinador de l'assignatura ([email protected]) ABANS del primer seminari del curs. En cas contrari, s'assumirà per defecte que l'estudiant segueix l'itinerari recomenat: l'A. Desprès del primer seminari, NO és possible canviar d'itinerari.

 Molt important: hi haurà una política estricta de tolerància zero envers les còpies o plagiarisme. La conseqüència immediata a la minima sospita serà informar a l'equip directiu de l'ESUP per l'obertura de un expedient acadèmic i les conseqüents accions disciplinàries.

 

Itinerari A

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

Els elements d’avaluació de l'itinerari A es recullen a la següent taula, que indica el pes de cada element d’avaluació en la nota de la assignatura, les condicions (mínims) requerides per aprovar, i quins elements són recuperables (al juliol).

ITINERARI AElementsPesRecuperable
Proves escrites

Proves escrites (1era prova: bloc 1; 2na prova: bloc 2; 3ra prova: blocs 3,4; 4rta prova: bloc 5 )
(Requisit: nota >=5 a quatre dels blocs i >=4 al bloc restant)

60% 

 Si

Productes escrits

Activitats curtes a classe
(Requisit: nota >=5 de mitjana de les tres millors notes de les quatre possibles a cada trimestre)

15%

No

Proves d'execució

Pràctiques (30% petits tests + 70% informes)
(Requisit: nota >=5 als petits tests i a la nota global de pràctiques)

25% 

No

Es realitzaran quatre proves escrites (a mitjans de cada trimestre i durant el període d’exàmens al final de cada trimestre) on s’avaluaran els coneixements adquirits durant el trimestre. Cada prova escrita avaluarà un o dos blocs. El disseny de l’assignatura és modular, essent així en aquest itinerari un requisit imprescindible aprovar (>=5.0) almenys quatre dels cinc blocs i tenir el bloc restant amb una nota >=4.0 per a poder passar l’assignatura. En el cas de suspendre algun bloc, l’alumne tindrà l’oportunitat de recuperar aquest mòdul a l’examen de juliol.

         Abans de cada seminari es publicarà al Moodle una col·lecció de problemes per tal que es treballin individualment abans de la sessió com una preparació prèvia al seminari. Aquests problemes corresponen a conceptes o coneixements tractats a classe de teoria i posats a la pràctica en els laboratoris. Durant el seminari es demanarà als estudiants la resolució individual d’algun problema similar als lliurats prèviament. L’avaluació d’aquesta activitat no és recuperable i val un 15% de la nota total. La mitjana de les tres millors notes obtingudes (de les quatre possibles per trimestre) a les activitats curtes a classe ha de ser superior o igual a 5.0 a cada trimestre per poder aprovar l’assignatura.

       Les pràctiques constaran de 8 sessions de 2 hores cadascuna. En aquestes sessions, l'alumne utilitzarà Matlab per resoldre problemes típics i exemples pràctics emprant els conceptes vists a teoria.

Per les pràctiques del primer trimestre, corresponents als temes de modulació, cada grup d'estudiants (1-2 persones) hauran d'escollir una imatge que s'utilizarà com les dades a transmetre i a rebre en el disseny d'un sistema de comunicacions digitals. Al llarg de les pràctiques es veuran totes les etapes del SCD, des de preparar la imatge (formatat, quantificació) per ser transmesa per un canal fins estudiar la influència d'aquest canal (per exemple, soroll) a l'hora de rebre (detectar) la imatge amb una qualitat suficient o les diferents possibilitats per a modular la informació. De manera similar als seminaris, els alumnes hauran de resoldre un petit test a l’inici de cada pràctica amb preguntes relacionades amb un estudi previ lliurat dies abans de la pràctica. La mitjana d’aquests petits tests sobre les pràctiques valdrà un 30% de la nota de pràctiques i haurà de ser ser superior o igual a 5.0 per poder aprovar les pràctiques. El restant 70% de la nota de pràctiques de Matlab sorgirà dels informes entregats amb la resolució dels exercicis proposats a les pràctiques. Aquests informes es lliuraran a través de Moodle, individualment, com a màxim 48 hores després de la finalització de la sessió de pràctiques. A més a més, al finalitzar la sessió de pràctiques es demanarà que cada grup lliuri el que s'ha fet durant la sessió, que servirà per validar el que es presentarà 48 hores després.

Per les pràctiques del segon trimestre, corresponents als temes de codificació, es proposarà un projecte de batalla naval (adaptació del joc “hundir la flota”). L'objectiu d'aquest projecte serà la programació d'un bloc codificador i el seu corresponent descodificador, per a un canal binari de transmissió amb soroll.  L’avaluació dependrà del nivell assolit en les diferents partides (distribuides al llarg del trimestre) i la presentació final del projecte.  Més informació sobre el “Projecte Naval” es distribuirà junt amb les bases del projecte.

La nota final de pràctiques haurà de ser ser superior o igual a 5.0 en cada trimestre per tal d'aprovar l'assignatura.

Itinerari B

L'únic element avaluador seran els exàmens dels blocs, i no s'avaluaran ni els seminaris ni les pràctiques. Els exàmens seran els mateixos que a l'itinerari A. El requisit indispensable per aprovar serà que TOTS els blocs estiguin aprovats (>=5) i que la nota mitja sigui >=7. A l'igual que a l'itinerari A, els blocs podran recuperar-se al juliol.

 

 ITINERARI B

ELEMENTS

PES

RECUPERABLE

Proves escrites

Proves escrites (1era prova: bloc 1; 2na prova: bloc 2; 3ra prova: blocs 4, 5; 4rta prova: blocs 6 )
(Requisit: nota >=5 a TOTS els blocs i nota mitja>=7)

 100%  SI

 

Continguts

El disseny de l’assignatura de TDC està constituït per cinc blocs de contingut obligatori. Aquests blocs responen a una lògica disciplinar i curricular, seguint l’esquema típic d’un sistema de comunicacions digitals.

Blocs de contingut

- Bloc de contingut 1. Introducció a les comunicacions digitals. Transmissió i demodulació digital en banda base

• Tema 1. Introducció a les comunicacions digitals
• Tema 2. Formatat i transmissió digital en banda base

• Tema 3. Estructura del receptor
• Tema 4. Detecció en canals amb soroll

1era prova escrita

- Bloc de contingut 2. Transmissió i demodulació digital en passa banda

• Tema 5. Transmissió i demodulació digital en passa banda

• Tema 6. Modulacions avançades d’espectre estès

2na prova escrita (final 2on trimestre)

- Bloc de contingut 3. Codificació de font

• Tema 7. Codificació de font
• Tema 8. Entropia i informació mútua

- Bloc de contingut 4. Codificació de canal: caracterització del canal

• Tema 10. Canal d’informació
• Tema 11. Capacitat de canal

3ra prova escrita

- Bloc de contingut 5. Codificació de canal: diferents tipus de codis

• Tema 12. Codis lineals
• Tema 13. Codis cíclics
• Tema 14. Codis convolucionals

4rta prova escrita (final 3er trimestre)

 

Organització i concreció dels continguts

Bloc de contingut 1. Introducció a les comunicacions digitals. Transmissió i demodulació digital en banda base

ConceptesProcedimentsActituds

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

4. Detecció en canals amb 
soroll

5. Probabilitats d’error de 
símbol

6. Estructura del receptor i
filtres òptims

7. Espai del senyal

8. Interferència inter- 
simbòlica (ISI)

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

1. Disseny de diagrames de blocs

2. Extracció d’informació rellevant i
resum d’un text

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

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

5. Simulació amb software de
conceptes de transmissió en banda
base

6. Extracció d’informació rellevant i
resum d’un text tècnic en anglès

7. Resolució de problemes de
conceptes de transmissió en banda
base

8. Càlcul de probabilitats d’error

9. Disseny de filtres conformadors i
d’equalització

10. Anàlisi de corbes de
probabilitats d’error

1. Raonament i ús de coneixements previs

2. Treball col.laboratiu per parelles

3. Especificat i concreció

4. Capacitat crítica respecte al treball propi i dels altres

5. Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

6. Extreure i resumir els conceptes més importants d’un tema

7.Raonar i analitzar els problemes abans d’aplicar els mètodes més mecànics

8.Aplicar la teoria a la pràctica

9.Anàlisi de texts tècnics en anglès


Bloc de contingut 2.
Transmissió i demodulació digital en passa banda

ConceptesProcedimentsActituds

1.Modulació/demodulació
amb portadora i detecció

2.Diferents formes d’ona
per la modulació i detecció
coherent

3.Detecció no coherent

4.Probabilitats d’error de BPSK i BFSK

5.Probablitats d’error per
modulacions no binàries

6.  Objectius i restriccions d’un sistema de comunicacions digitals

7.  Plànols de probabilitat d’error i d’eficiència de l’ample de banda

8.  Sistemes limitats en potència o en ample de banda

 

1. Resolució de problemes de
conceptes de transmissió passa
banda

2. Càlcul de probabilitats d’error

3. Disseny d’un sistema de comunicacions digitals, escollint l’opció òptima en situacions diferents

4. Anàlisi de plànols de probabilitat d’error i d’eficiència de l’ample de banda

5. Resolució de problemes de disseny d’un sistema de comunicacions digitals

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.Participació activa a les classes magistrals i
als seminaris

 

Bloc de contingut 3. Codificació de Font

ConceptesProcedimentsActituds

1. Probabilitat discreta i
condicional

2. Font d’informació

3. Codis i esquemes de 
codificació. Codis òptims.

4. Unicitat i instantaneitat

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 de les fonts
d’informació, dels codis i dels
esquemes de codificació

4. Classificació dels codis en
unívocs i instantanis

5. Càlcul de la longitud mitjana i
de l’eficiència d’un codi

6. Utilització de la desigualtat de
Kraft

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

8. Ús de les extensions de font

1. Raonament i ús de
coneixements previs

2.Treball col·laboratiu
per parelles

3. Extreure i resumir
els conceptes con 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.Participació activa a
les classes magistrals i
als seminaris

Bloc de contingut 4. Codificació de canal: caracterització canal

ConceptesProcedimentsActituds

1. Canal d’informació

2. Distància de les paraules
de codi

3. Regles de decodificació

4. Redundància

5. Capacitat de canal

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. Càlcul de probabilitat d’error

 

1. Raonament i ús de
coneixements previs

2. Extreure i resumir
els conceptes més
importants d’un tema

3.Raonar i analitzar els
problemes abans
d’aplicar els mètodes
més mecànics

4.Aplicar la teoria a la
pràctica

5.Participació activa a
les classes magistrals i
als seminaris

Bloc de contingut 5. Codificació de canal:diferents tipus de codis

ConceptesProcedimentsActituds

1. Codis lineals

2. Matrius generadora, matriu de paritat i sindrom

3. Codis ciclícs, polinomi generador

4. Codis convolucionals i algoritme de Viterbi

1. Disseny de les matrius generadores i de paritat, i generació de codis mitjançant aquestes matrius

2. Decodificació per càlcul de generador síndrom i per matriu estàndard

3. Construcció de codis ciclics i decodificació

4. Construcció de codis convolucionals i decodificació per Viterbi

 

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. Participació activa a les classes magistrals i als seminaris

 

Metodologia

Enfocament metodològic de l’assignatura

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 56% del total (42 hores, 21 sessions de 2 hores setmanals), setmanals deixant un 28%  (16 hores, 8 sessions de dues hores bisetmanals) de les classes presencials pels seminaris, on hi ha ha un nombre reduït d’estudiants i un 22% per les pràctiques (16 hores, 8 sessions de dues hores, majoritàriament bisetmanals).

GRAU

Treball de l’estudiant
65%

Docència
35%

Magistralitat
56%
(gran grup)

Seminaris
22%
(grup petit)

Pràctiques
22%(grup mijà)

Les classes magistrals (2h amb un descans de 10 minuts) es dediquen bàsicament a la presentació del context i dels coneixements teòrics de l’assignatura, així com a fer algunes demostracions i exemples de resolució de problemes típics. Es demanarà una participació activa de l’estudiant a les classes magistrals mitjançant activitats per parelles o individuals per resoldre, per complementar les explicacions teòriques del professor. Aquestes es fonamenten en transparències en format electrònic que els estudiants tindran disponibles a la pàgina Moodle de l’assignatura des de principi de curs.

Els seminaris (2h) 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) estan focalitzades a l’ús del Matlab com a eina per resoldre problemes típics i posar en pràctica els conceptes donats a teoria.

 

Recursos

Bibliografia bàsica (suport paper i electrònic)

• B. Sklar, “Digital Communications” (2nd Edition), Prentice Hall, 2001.

• R. B. Wells, “Applied Coding and Information Theory for Engineers”, Prentice Hall, 1999

Bibliografia complementària (suport paper i electrònic)

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

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

• J.G. Proakis, “Digital communications”, (4th Edition), McGraw-Hill, McGraw 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

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

Recursos didàctics. Materials i eines de suport

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

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

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

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