Ingegneria elettronica

Comprendere i fenomeni fisici connessi alle antenne, al fine di fornire una visione unitaria di metodologie per affrontare lo studio di varie classi di sistemi di antenna, per fini di ricerca e di progetto, nei settori applicativi delle telecomunicazioni e dell’aerospazio.

Introduzione alle antenne e meccanismi di radiazione ricezione. Studio delle antenne a filo. Antenne ad apertura ed arrays. Esempi di progettazione e misura di antenne.

Laurea di primo livello.

Il corso è organizzato nel seguente modo: lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso; esercitazioni in aula con l'uso di software idonei alla soluzione di problemi elettromagnetici; esercitazioni di misura in laboratorio.

Fondamenti della radiazione elettromagnetica, teorema di Poyinting e parametri fondamentali di una antenna Funzione di Green, Radiazione da una distribuzione arbitraria di corrente, Condizioni di radiazione di Sommerfeld, Dipolo di Hertz, Campo lontano e campo vicino, Dipolo a mezz'onda, Loop di corrente, Diagramma di Radiazione (D.D.R.), Direttività e Guadagno, EIRP, Resistenza di Radiazione, Calcolo della Direttività, Area Efficace, Misura del Guadagno, Impedenza d'antenna. Teorema di reciprocità, formula di Friis. Antenne ad apertura Radiazione da una apertura piana. Metodo della trasformata di Fourier. Radiazione da apertura rettangolare e circolare. Principio di equivalenza. Antenne a tromba. Radiazione da guida d'onda rettangolare e circolare. Ottica geometrica. Antenne a paraboloide: efficienza, direttività, crosspolarizzazione. Polarizzazione circolare destra e sinistra. Metodo delle correnti indotte. Feed con bassa cross-polarizzazione. Riflettori parabolici offset. Sistemi a doppio riflettore. Radiazione da slot. Arrays di slots. Antenna in circuito stampato. Antenna a Patch. Dipoli, antenne a schiera e antenne a filo. Introduzione agli array. Principio del pattern multiplication. Arrays uniformi monodimensionali. Arrays broad-side, arrays end fire. Arrays bidimensionali. Grating Lobes, Array conformi, Array planari, Sfasatori e TTD, Frequency squint, Banda di un array, Reti di alimentazione, Sintesi del fascio, Funzione di trasferimento di un array, Calcolo dell'impedenza di un dipolo, Accoppiamenti mutui, Diagramma di radiazione attivo. Balun. Sistemi CAD per la progettazione di antenne. Misure di antenne riceventi e trasmittenti.

L'esame prevede una prova orale ed eventualmente l'esposizione di un elaborato tecnico. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici sviluppati nel programma. La prova orale consentirà inoltre la capacità di comunicazione dell'allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell'esposizione. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

R: E: Collin, Antennas and Radiowave Propagation (Mcgraw Hill Series in Electrical and Computer Engineering)

Scopo del corso è quello di acquisire competenze e capacità operative relativamente alla progettazione, realizzazione e utilizzo di basi di dati.

In sintesi, il programma del corso di Basi di Dati tratta i seguenti argomenti: Basi di Dati Relazionali: Modello e Linguaggi Modello relazionale. Vincoli di integrità. Algebra Relazionale: Unione, Intersezione, Differenze, Selezione, Proiezione e Join. Calcolo Relazionale: Calcolo su domini, Calcolo su tuple con dichiarazione di range. Il linguaggio SQL: definizione dei dati, interrogazioni, manipolazione dei dati. Progettazione di Basi di Dati. Metodologie e Modelli di progetto. Il modello Entità-Relazione. Progettazione Concettuale. Progettazione Logica: ristrutturazione di schemi E-R, traduzione verso il modello relazionale. Normalizzazione. Strutture Fisiche e Gestione delle Interrogazioni. Gestione dei buffer. DBMS e file system. Gestione delle tuple nei file. Strutture primarie per l'organizzazione di file. Strutture ad albero. Gestore delle interrogazioni, esecuzione ed ottimizzazione. Progettazione fisica di una base dati. Gestione delle transazioni. Commit e rollback. Proprietà delle transazioni. Controllo di affidabilità. Architettura del controllore delle affidabilità. Esecuzione delle transazioni e scrittura del log. Gestione dei guasti. Controllo di concorrenza.

Si assume che chi frequenta il corso conosca i principi della programazione, delle strutture di dati, dell'architettura dei calcoltaori elettronici, dei sistemi operativi. Per poter fare l'esame di Basi di Dati è obbligatorio avere sostenuto con esito positivo l'esame di fondamenti di informatica.

La didattica prevede tre tipi di lezioni: Lezioni teoriche frontali in aula su tutti gli argomenti del corso. Agli studenti verrà fornita in anticipo copia delle diapositive utilizzate dal docente a lezione tramite area riservata del corso; Studi di caso, in aula alla lavagna durante i quali si considerano problemi progettuali analoghi a quelli oggetto delle prove di esame. Gli studi di caso riguardano l'interrogazione delle basi di dati, la loro progettazione, le scelte per l'ottimizzazione delle prestazioni a livello di DBMS e di strutture dati. Lezioni in Laboratorio di Informatica, durante le quali gli studenti apprendono a popolare una base di dati e ad interrogarla usando SQL.

Programma: Il corso si articola su 36 lezioni di due ore ciascuna. Il programma è elencato nel seguito, indicando per ogni lezione l'agromento in essa trattato. Lez.1. Presentazione del corso Lez.2. Modello relazionale Lez.3. Modello relazionale Lez.4. Applicazioni della teoria Lez.5. Algebra Relazionale Lez.6. Applicazioni della teoria su Algebra Relazione Lez.7. Calcolo relazionale Lez.8. Applicazioni della teoria su Calcolo Rel. Lez.9. SQL-Interrogazioni semplic Lez.10. SQL-Interrogazioni complesse Lez.11. SQL-fine Lez.12. Applicazioni della teoria su SQL Lez.13. Metodologie e modelli di progetto Lez.14. ER e progettazione concettuale Lez.15. ProgettazioneConcettuale Lez.16. Pattern Lez.17. ProgettazioneLogica-Ristrutturazione Lez.18. Studio di caso sulla Progettazione Concettuale Lez.19. ProgettazioneLogica-traduzione Lez.20. Studio di caso su Progettazione Logica Lez.21. Normalizzazione Lez.22. Applicazioni della teoria su normalizzazione (Copertura, Sintesi, esercizi) Lez.23. Progettazione fisica Lez.24. Progettazione fisica Lez.25. Progettazione fisica Lez.26. Progettazione fisica Lez.27. Progettazione fisica Lez.28. Applicazioni della teoria su progettazione fisica Lez.29. Affidabilità e concorrenza Lez.30. Esercitazione su progettazione fisica Lez.31.- Affidabilità e concorrenza Lez.32. ANCORA SQL: Caratteristiche evolute ed applicazioni Lez.33. Affidabilità e concorrenza Lez.34. ANCORA SQL: Caratteristiche evolute ed applicazioni Lez.35. Esempi d'uso di SQL Lez.36. Applicazioni della teoria su affidabilità e concorrenza Lezioni 37-38-39-40-41: Ricapitolazione e preparazione all'esame.

L'esame consiste nelle due prove di seguito elencate. Esame scritto di natura teorica e applicativa Durata: 2 ore Punteggio: 21/30 Obiettivo: accertare le conoscenze sui concetti teorici impartiti nell'insegnamento e valutare abilitàdi interrgazione e gestione di una base di dati Discussione di una prova pratica di progetto Durata: 30 minuti Punteggio: 9/30 Obiettivo: accertare le abilità pratiche acquisite in un lavoro di gruppo in relazione alla progettazione di unan semplice base di dati I risultati delle prove sono presentate allo studente durante un breve colloquio, in cui lo studente può confutare i giudizi del docente. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

"BASI DI DATI : MODELLI E LINGUAGGI DI INTERROGAZIONE." P. ATZENI, S. CERI, P. FRATERNALI, S, PARABOSCHI, R. TORLONE, MCGRAW HILL QUARTA EDIZIONE

Il corso presenta le tecniche di base e avanzate per l'Elaborazione Digitale dei Segnali mono e bidimensionali (immagini) e fornisce assieme agli elementi di teoria, la conoscenza di alcuni strumenti software (Matlab) per la applicazione delle tecniche stesse. Il corso assume siano già acquisiti i concetti di Segnale e Sistema tempo discreti, Trasformata di Fourier e di Filtro FIR, concetti questi introdotti nel corso di Teoria dei Segnali, ritenuto assolutamente propedeutico. Al termine del corso gli studenti saranno in grado di: Comprendere e progettare sistemi di quantizzazione ottima e non lineare con gli strumenti software di progettazione (es. Matlab) per segnali mono e bidimensionali (HDR imaging) Comprendere, simulare e Progettare (Matlab) schemi di stima spettrale basati sull'impiego di DFT/FFT sia per segnali stazionari che per segnali non stazionari. Comprendere, simulare e Progettare (Matlab) schemi di conversione della frequenza di campionamento con tecnica diretta e polifase. Applicazioni ai segnali mono e bidimensionali (image rescaling) Comprendere, simulare e Progettare (Matlab) algoritmi di Elaborazioni delle Immagini

Il corso si articola in alcune unità didattiche: Modulo didattico: Quantizzazione del segnale ottimale e non lineare (12 ore) Modulo didattico: trasformata discreta di Fourier e stima spettrale (12 ore) Modulo Didattico: Trasformata Z e Funzione di Trasferimento (12 ore) Modulo Didattico: Interpolazione, Decimazione e Rate Conversion (12 ore) Modulo didattico: elaborazione digitale delle immagini (24 ore)

Teoria dei segnali Teoria dei sistemi Elettronica dei sistemi digitali Fondamenti di telecomunicazioni Teoria della probabilità e della misurazione Architetture dei calcolatori e sistemi operativi Signal Theory System Theory Digital Systems Electronic Telecommunication Basics Measurement and Probability Theory Computer Architecture and Operating Systems

Le lezioni si svolgono con didattica frontale di tipo teorico con Slides e integrazione alla lavagna degli argomenti e con lo svolgimento di esercizi di natura progettuale. Sono fortemente incoraggiate le domande e gli interventi da parte degli studenti in modaltà interattiva durante tutta la lezione. Per ogni Unità didattica sono poi svolte esercitazioni in Matlab sui temi di riferimento dell'Unità Didattica stessa. Lectures are based on a presentation of PowerPoint Slides integrated with blackboard examples and design exercises. Interactivity with students is highly encouraged throughout the whole lecture. For each module Matlab Exercises are carried out for theory refinement and applications.

Modulo didattico: Quantizzazione del segnale ottimale e non lineare (12 ore) Tipi di segnale: monodimensionale – bidimensionale, acquisizione del segnale. Formati numerici a virgola fissa ea virgola mobile. Quantizzazione lineare, gamma dinamica e rapporto segnale/rumore di quantizzazione (SQNR) in funzione del segnale di ingresso pdf Quantizzazione ottimale – Implementazione con companding – Quantizzazione non lineare completamente digitale con LUT – Applicazioni – Esercizi Matlab Applicazioni all'elaborazione delle immagini (HDR) Modulo Didattico: Trasformata Discreta di Fourier e Stima Spettrale (12 Ore) DTFT (Discrete Time Fourier Transform) – Spettro di frequenza di segnali discreti. Campionamento in frequenza di DTFT – DFT e IDFT. Trasformata di Fourier veloce FFT. Circular Convolution, implementazione di Circular Convolution con Linear Convolution e Circular Prefix Analisi spettrale di segnali deterministici - DFT/FFT per l'analisi spettrale di segnali stazionari - Effetto del campionamento del segnale - Finestratura, estensione periodica ed estrapolazione - Effetto del campionamento dello spettro - Effetti della finestratura: dispersione e perdita di risoluzione - Progettazione di una stima spettrale Software con prestazioni assegnate DFT/FFT per l'analisi spettrale di segnali non stazionari. Spettrogramma. Esercizio MatLab. Trasformazioni discrete per l'elaborazione delle immagini Modulo Didattico: Trasformate z e Funzioni di Trasferimento (12 ore) Proprietà principali. Regione di convergenza (RoC), causalità e stabilità. Spettro di frequenza – relazione con DTFT. Trasformata Z inversa Descrizioni equivalenti di sistemi a tempo discreto, funzione di trasferimento – risposta sinusoidale, risposta a tempo stazionario, risposta transitoria. Progettazione di filtri IIR con posizionamento Pole-Zero: filtri del primo ordine, filtri parametrici, filtri Notch e Comb. Esercizio MatLab Modulo Didattico: Interpolazione, Decimazione e Rate Conversion (12 Ore) Interpolazione e sovracampionamento. Progettazione di filtri di interpolazione – Interpolatori polifase. Equalizzazione DAC, interpolazione multistadio. Decimazione, progettazione del filtro di decimazione. Convertitori di frequenza di campionamento L/M. Implementazione multistadio. Esercizio Matlab Applicazione all'elaborazione delle immagini Modulo didattico: Digital Image Processing (24 ore) Panoramica delle operazioni di elaborazione delle immagini: operazioni globali (punto), operazioni orientate al vicinato, operazioni che combinano più immagini, operazioni in un dominio di trasformazione. Matlab Image processing Toolbox Operazioni geometriche, trasformazioni a livello di grigio, elaborazione di istogrammi, elaborazione di vicinato, filtraggio nel dominio di frequenza. Applicazioni: image Restoration, elaborazione di immagini a colori

Il test finale dell'esame è costituito se due test separati: 1) Una progetto di signal processing al PC (Matlab) 2) Un esame orale

Testi di riferimento TESTI_RIF Sì S. ORFANIDIS, “INTRODUCTION TO SIGNAL PROCESSING”, PRENTICE HALL OGE MARQUES, “PRACTICAL IMAGE AND VIDEO PROCESSING USING MATLAB”, IEEE PRESS S. ORFANIDIS, “INTRODUCTION TO SIGNAL PROCESSING”, PRENTICE HALL OGE MARQUES, “PRACTICAL IMAGE AND VIDEO PROCESSING USING MATLAB”, IEEE PRESS

L'obiettivo principale consiste nel fornire agli studenti le conoscenze relative all'analisi e al progetto di sistemi di trasmissione digitale. Le principali conoscenze acquisite saranno: - analisi e confronto delle modulazioni digitali in banda passante e dei loro requisiti in termini di probabilità di errore, rapporto segnale-rumore, occupazione di banda, bit rate, efficienza spettrale, complessità circuitale e/o computazionale; - analisi e confronto dei modelli di canale per sistemi di trasmissione digitale; - analisi e confronto di sistemi digitali basati su trasmissioni a portanti multiple ortogonali e su trasmissioni con antenne multiple. Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: - il progetto di ricevitori ottimi e subottimi per la ricezione di trasmissioni digitali; - la stima delle prestazioni delle modulazioni digitali per canali con rumore additivo Gaussiano bianco; - il progetto dei parametri del sistema di trasmissione digitale (probabilità di errore, rapporto segnale-rumore, bit rate, occupazione di banda, modulazione, codifica) per un determinato canale wireless e la scelta del modello di canale più appropriato per una determinata tecnica di ricetrasmissione; - la scelta dei parametri di un sistema digitale basato su trasmissioni multiportante e su trasmissioni con antenne multiple.

Strato fisico delle trasmissioni radio digitali: modulazioni digitali, modelli di canale per telecomunicazioni, sistemi multiportante, trasmissioni con antenne multiple.

Non ci sono prerequisiti obbligatori. Si consiglia la conoscenza dei concetti di base della teoria dei segnali e del calcolo della probabilità.

Lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso, con proiezione di lucidi (resi disponibili agli studenti).

1) Modulazioni digitali – Richiami su rappresentazioni in banda base di segnali in banda passante, spazio dei segnali, tipologie di modulazioni digitali, ricevitore a massima verosimiglianza per canale AWGN, probabilità di errore (di simbolo e di bit), occupazione spettrale ed efficienza spettrale, confronto tra modulazioni per sistemi limitati in banda e sistemi limitati in potenza. Cenni su sincronizzazione, modulazioni differenziali, ricevitori non coerenti. Modulazioni digitali per l'Internet of Things. Cenni alla codifica di canale - Tipologie di codifica di canale. 2) Modelli di canale per trasmissioni digitali - Tipologie di canali per trasmissioni digitali, link budget, attenuazione su spazio libero, fading su larga scala, fading su piccola scala, multipath, delay spread, canali selettivi in frequenza, effetto Doppler. Contromisure per il fading: equalizzazione, tecniche di diversità. Modelli di canale per l'Internet of Things. 3) Trasmissioni multiportante - Capacità di canale per canali con multipath. OFDM: spaziatura tra le sottoportanti, durata del simbolo OFDM, prefisso ciclico, realizzazione tramite FFT, equalizzazione di canali con multipath, svantaggi delle tecniche multiportante. Trasmissioni multiportante per l'Internet of Things. 4) Trasmissioni con antenne multiple - Sistemi di ricetrasmissione con antenne multiple: sistemi MISO, SIMO e MIMO, capacità di canale per canali MIMO, compromesso tra multiplexing e diversità in sistemi MIMO, codifica spazio temporale e schema di Alamouti, sistemi multiantenna per canali selettivi in frequenza (MIMO-OFDM), sistemi multiantenna per l'Internet of Things.

La valutazione consiste in una prova di esame orale, volta ad accertare la conoscenza e la comprensione degli argomenti del programma dell'insegnamento. La prova orale ha una durata di 45 minuti circa. È oggetto di valutazione anche la capacità di esposizione del contenuto. La prova è valutata in trentesimi. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA, si prega di visitare la pagina web http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

• J. G. Proakis, M. Salehi, Digital Communications, 5th edition, McGraw-Hill, 2008. - B. Sklar, F. Harris, Digital Communications: Fundamentals and Applications, 3rd edition, Pearson, 2021. - J. R. Barry, E. A. Lee, D. G. Messerschmitt, Digital Communication, 3rd edition, Springer, 2004. - J. B. Anderson, Digital Transmission Engineering, 3rd edition, Wiley-IEEE Press, 2005. - B. Rimoldi, Principles of Digital Communication: A Top-Down Approach, Cambridge University Press, 2016. - R. W. Heath Jr., Introduction to Wireless Digital Communications, Pearson, 2017.

L'obiettivo principale consiste nel fornire agli studenti le conoscenze relative all'analisi e al progetto di sistemi di trasmissione digitale. Le principali conoscenze acquisite saranno: - analisi e confronto delle modulazioni digitali in banda passante e dei loro requisiti in termini di probabilità di errore, rapporto segnale-rumore, occupazione di banda, bit rate, efficienza spettrale, complessità circuitale e/o computazionale; - analisi e confronto dei modelli di canale per sistemi di trasmissione digitale; - analisi e confronto di sistemi digitali basati su trasmissioni a portanti multiple ortogonali e su trasmissioni con antenne multiple. Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno: - il progetto di ricevitori ottimi e subottimi per la ricezione di trasmissioni digitali; - la stima delle prestazioni delle modulazioni digitali per canali con rumore additivo Gaussiano bianco; - il progetto dei parametri del sistema di trasmissione digitale (probabilità di errore, rapporto segnale-rumore, bit rate, occupazione di banda, modulazione, codifica) per un determinato canale wireless e la scelta del modello di canale più appropriato per una determinata tecnica di ricetrasmissione; - la scelta dei parametri di un sistema digitale basato su trasmissioni multiportante e su trasmissioni con antenne multiple.

Strato fisico delle trasmissioni radio digitali: modulazioni digitali, modelli di canale per telecomunicazioni, sistemi multiportante, trasmissioni con antenne multiple.

Non ci sono prerequisiti obbligatori. Si consiglia la conoscenza dei concetti di base della teoria dei segnali e del calcolo della probabilità.

Lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso, con proiezione di lucidi (resi disponibili agli studenti).

1) Modulazioni digitali – Richiami su rappresentazioni in banda base di segnali in banda passante, spazio dei segnali, tipologie di modulazioni digitali, ricevitore a massima verosimiglianza per canale AWGN, probabilità di errore (di simbolo e di bit), occupazione spettrale ed efficienza spettrale, confronto tra modulazioni per sistemi limitati in banda e sistemi limitati in potenza. Cenni su sincronizzazione, modulazioni differenziali, ricevitori non coerenti. Modulazioni digitali per l'Internet of Things. Cenni alla codifica di canale - Tipologie di codifica di canale. 2) Modelli di canale per trasmissioni digitali - Tipologie di canali per trasmissioni digitali, link budget, attenuazione su spazio libero, fading su larga scala, fading su piccola scala, multipath, delay spread, canali selettivi in frequenza, effetto Doppler. Contromisure per il fading: equalizzazione, tecniche di diversità. Modelli di canale per l'Internet of Things. 3) Trasmissioni multiportante - Capacità di canale per canali con multipath. OFDM: spaziatura tra le sottoportanti, durata del simbolo OFDM, prefisso ciclico, realizzazione tramite FFT, equalizzazione di canali con multipath, svantaggi delle tecniche multiportante. Trasmissioni multiportante per l'Internet of Things. 4) Trasmissioni con antenne multiple - Sistemi di ricetrasmissione con antenne multiple: sistemi MISO, SIMO e MIMO, capacità di canale per canali MIMO, compromesso tra multiplexing e diversità in sistemi MIMO, codifica spazio temporale e schema di Alamouti, sistemi multiantenna per canali selettivi in frequenza (MIMO-OFDM), sistemi multiantenna per l'Internet of Things.

La valutazione consiste in una prova di esame orale, volta ad accertare la conoscenza e la comprensione degli argomenti del programma dell'insegnamento. La prova orale ha una durata di 45 minuti circa. È oggetto di valutazione anche la capacità di esposizione del contenuto. La prova è valutata in trentesimi. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA, si prega di visitare la pagina web http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

• J. G. Proakis, M. Salehi, Digital Communications, 5th edition, McGraw-Hill, 2008. - B. Sklar, F. Harris, Digital Communications: Fundamentals and Applications, 3rd edition, Pearson, 2021. - J. R. Barry, E. A. Lee, D. G. Messerschmitt, Digital Communication, 3rd edition, Springer, 2004. - J. B. Anderson, Digital Transmission Engineering, 3rd edition, Wiley-IEEE Press, 2005. - B. Rimoldi, Principles of Digital Communication: A Top-Down Approach, Cambridge University Press, 2016. - R. W. Heath Jr., Introduction to Wireless Digital Communications, Pearson, 2017.

Obiettivi formativi Comprensione delle nozioni relative alla acquisizione, alla trasmissione e all’utilizzo di dati di misura mediante sistemi distribuiti, a topologia stazionaria o dinamica, realizzata con tecnologie cablate o wireless. Comprensione dell'architettura di una rete di sensori wireless (Wireless Sensor Network, WSN), dell'architettura dei nodi di una WSN, e dei problemi canonici risolti utilizzando le WSN. Competenze in uscita Capacità di progettare e realizzare un sistema di misura distribuito per il monitoraggio ambientale o di processo Abilità nella scelta della corretta tecnica di acquisizione dati e del tipo di interfacciamento di sensori con sistemi integrati Capacità di progettare e dimensionare reti di sensori wireless Capacità di progettare e realizzare nodi di misura utilizzabili in reti di sensori wireless

L'insegnamento affronta vari aspetti della acquisizione ed elaborazione dati remota e in contesti distribuiti, con l'obiettivo di fornire competenze che supportino una eventuale attività progettuale. A tal fine, vengono inizialmente descritti i requisiti di un sistema di misura distribuito, identificandone i blocchi funzionali e i metodi per propagare l’informazione acquisita in vari contesti applicativi. Il corso si sviluppa partendo dalle tematiche relative al controllo della acquisizione ed elaborazione dati a livello di singolo dispositivo/nodo, per poi considerare sistemi più complessi. I contesti applicativi considerati riguardano sia i sistemi cablati/wireless tradizionali, inclusi quelli per applicazioni industriali e sistemi avionici, sia le reti di sensori wireless.

Nessuno

Lezione Frontale, attività di laboratorio

Parte I – Introduzione corso e sistemi di acquisizione dati - Introduzione al corso e ai sistemi di misura distribuiti; - Sistemi di acquisizione dati, blocchi costitutivi: - - Sensori - - CPU - - Software - - Hardware di acquisizione (DAQ) - Blocchi costituivi DAQ: - - Sottosistema analogico e condizionamento del segnale - - Sottosistema digitale input/output - - Clock - Caratterizzazione del clock, varianza di Allan (derivazione ed esempi) - Caratterizzazione ADC - - Risoluzione e bit effettivi - - Guadagno e offset - - Non-linearità integrale e differenziale - - Teoria statistica della quantizzazione - - Quantizzazione e dither - - Test servo-loop - - Test a istogramma lineare e sinusoidale Parte II – Bus e reti per l’automazione industriale - Richiami su linee di trasmissione e impedenza caratteristica - Doppino intrecciato, caratteristiche e vantaggi - Tipologie di terminazione con adattamento di impedenza - Richiami modello ISO/OSI - Introduzione generale bus per PC e arbitraggio - ISA e PCI - Limiti dei bus a linee parallele (clock skew) - PCI Express - - Storia e sviluppo - - Architettura - - - Livello fisico: corsie ed efficienza dei collegamenti - - - Encoding 8b/10b e successivi sviluppi 128b/130b e 242b/256b - - - PCIe e Chipset, impatto di PCIe sull’evoluzione delle motherboard - - - Cenni su livelli colleg. dati e trasporto - Concetto di bus di campo - Standard RS-232, RS-422 e RS-485 - Linee a loop di corrente 4-20 mA - Protocollo HART - Architettura bus di campo Profibus - Architettura bus di campo Foundation - Architettura CAN bus - Bus per microcontrollore: I2C e SPI - Ethernet - - Architettura e protocollo - - Approcci CSMA, passato e presente - - Determinismo - - Time sensitive networking - Wireless in contesto industriale - Protocollo Wi-Fi - Introduzione tecniche di modulazione BPSK, QPSK, QAM, FHSS, DSSS, OFDM - Bluetooth e BLE - Protocolli LoRa e ZeeBee Parte III - Tecniche di trasmissione digitale - Controllo degli errori: aritmetica modulo 2 e Cyclic Redundancy Check - Scrambling dei dati - Introduzione al Phase-locked loop e recupero del clock - Recupero del clock in PCI Express - Analisi spettrale delle codifiche digitali Parte IV - Implementazione di sistemi distribuiti - Wireless Sensor Networks - - Introduzione - - Problemi canonici: controllo di area, controllo di oggetti - - Architettura - - - Livello fisico - - - - Architettura nodo WSN - - - - Consumi ed energy harvesting - - - - Richiami su metodi di modulazione e trasmissione - - - Livello collegamento dati - - - - Continuo, a eventi, a richiesta - - - - Gestione delle collisioni - - - Livello di rete - - - - Routing - - - - - Flooding - - - - - Gossiping - - - - - Data Centric - - - - - - Sensor Protocol for Information via Negotiation (SPIN) - - - - - - Directed Diffusion - - - - - Clustering - Introduzione sistemi di localizzazione e loro caratteristiche - - Sistemi outdoor: GPS - - Sistemi indoor: localizzazione magnetica, ultra-wide band (UWB) - Filtri di Kalman - - Lineare - - Extended - - Unscented - - Applicazioni sensor fusion

L'esame si articola in una prova orale e una attività di laboratorio da illustrare in una relazione scritta (“tesina”). Il completamento della “tesina” può avvenire in un momento diverso rispetto alla prova orale e viene valutato con un punteggio di 10/30. I rimanenti 20 punti su 30 vengono assegnati valutando la prova orale. La prova orale è basata sugli argomenti teorici e sugli esercizi trattati a lezione. Il massimo punteggio della prova orale è 20. Il punteggio finale da verbalizzare è calcolato sommando le valutazioni della prova orale (20 punti su 30) e della “tesina” (10 punti su 30). Gli argomenti da trattare nelle “tesine” vengono presentati e discussi durante le lezioni frontali dal docente Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

William Stallings, Data and Computer Communications, tenth edition, Pearson, 2014 Maurizio Di Paolo Emilio, Data Acquisition Systems, Springer, 2013 Sunit Kumar Sen, Fieldbus and Networking in Process Automation, second edition, CRC Press, 2021 Paolo Carbone, Sayfe Kiaei, Fang Xu (editors), Design, Modeling and Testing of Data Converters, Springer, 2014 Sebastian Thrun, Wolfram Burgard, Dieter Fox, Probabilistic Robotics, MIT Press, 2005 Feng Zhao, Leonidas J. Guibas, Wireless Sensor Networks: an Information Processing Approach, Elsevier, ISBN: 978-1-55860-914-3, 2004. Winston Seah, Yen Kheng Tan, “Sustainable Wireless Sensor Networks,” www.intech.org Hoang Duc Chinh and Yen Kheng Tan, “Smart Wireless Sensor Networks,” www.intech.org; Dr. Geoff V Merret and Dr. Yen Kheng Tan, “Wireless Sensor Networks: Application-Centric Design,” www.intech.org; Feng Zhao, Leonidas J. Guibas, Wireless Sensor Networks: an Information Processing Approach, Elsevier, ISBN: 978-1-55860-914-3, 2004. Winston Seah, Yen Kheng Tan, “Sustainable Wireless Sensor Networks,” www.intech.org Hoang Duc Chinh and Yen Kheng Tan, “Smart Wireless Sensor Networks,” www.intech.org; Dr. Geoff V Merret and Dr. Yen Kheng Tan, “Wireless Sensor Networks: Application-Centric Design,” www.intech.org;

• Conoscenza di base di: problematiche connesse alla progettazione di sistemi elettronici embedded; tecniche dedicate alla riduzione del consumo di potenza; problemi legati alla temporizzazione e al sincronismo nei circuiti digitali; architettura di alcuni blocchi funzionali dei sistemi. - Abilità: nella scelta di tecnologie e blocchi funzionali di un sistema embedded; nell’utilizzo di alcuni strumenti software dedicati alla progettazione e verifica di circuiti/sistemi digitali su FPGA. - L'insegnamento, inoltre, contribuisce al conseguimento dei seguenti risultati di apprendimento: elaborare e/o applicare idee originali in contesti diversi; risolvere problemi in ambienti nuovi e/o interdisciplinari; motivare le scelte progettuali compiute evidenziando possibili criticità; integrare le conoscenze e gestire la complessità.

Sistemi Embedded: aspetti generali. Architettura: elaborazione e comunicazione. Tecnologie e dispositivi per realizzare i circuiti di elaborazione. Temporizzazione e Sincronismo nei sistemi digitali. Progettazione e coprogettazione. Esercitazioni guidate di laboratorio su FPGA.

Per frequentare il laboratorio bisogna aver concluso il corso sulla sicurezza nei luoghi di lavoro. Al fine di comprendere i contenuti presentati e conseguire gli obiettivi di apprendimento è sufficiente possedere una conoscenza di base di Elettronica/Elettronica digitale, algebra booleana, architetture dei calcolatori e sistemi operativi.

L’insegnamento è organizzato come segue: - lezioni frontali in aula; - lezioni frontali a carattere seminariale - esercitazioni guidate presso il Laboratorio Multidisciplinare sulla programmazione di un FPGA. Gli studenti seguiranno 10 esercitazioni di laboratorio. Strumenti di supporto alla didattica: lavagna e PC + proiettore, PC, schede di sviluppo per FPGA.

Introduzione (1.2 CFU) Presentazione dell’insegnamento: contenuti, obiettivi formativi, materiale didattico e modalità di verifica del profitto. Sistemi Embedded (SE): caratteristiche principali (SE-> M2M -> IoT -> CPS), mercato, evoluzione, ambiti applicativi. Metriche di progetto. Evoluzione dei sistemi (1CFU) System on Board (SoB), System on Chip (SoC) e System in Package (SiP). Sistemi digitali e sistemi misti (analogico-digitale): esempi di architettura e tecniche di implementazione. Package: materiali, livelli di interconnessioni, package tradizionali e nuovi tipi di package, considerazioni termiche, evoluzione. Circuiti dedicati alla generazione dei segnali di alimentazione e di riferimento nei SoB e nei chip. Consumo di potenza: tecniche di progettazione dedicate alla riduzione a livello di circuito e di sistema nei SoC. Architettura dei SE (2.5 CFU): SoB (componenti, supporto e approccio alla progettazione), SoC (approccio alla progettazione. Connessioni: parassiti, robustezza e prestazioni. Cenni sui modelli elettrici. Prospettive future: Network on Chip (NoC) e sistemi distribuiti (definizione). Piattaforme di prototipazione. Tecnologie e dispositivi dei circuiti di elaborazione: tecnologie hardware (ASIC e circuiti programmabili) e processori (cenni su General Purpose Processor (GPP), Application Specific Instruction set Processors (ASIP) e Single-Purpose Processors (SPP)). Temporizzazione e sincronismo (1.3 CFU): introduzione. Skew e jitter. Principio di funzionamento e architettura del DLL e del PLL. Flusso di progettazione (3 CFU) Concetto di co-progettazione, sviluppo dell'hardware e sviluppo del software. Verifica dei sistemi embedded. Progettazione assistita dal calcolatore: introduzione all'architettura e alla progettazione su FPGA con esercitazioni guidate di laboratorio. Introduzione al linguaggio VHDL.

La verifica dell’apprendimento prevede: i) una prova orale (0-16 punti; max 30 min) ii) la stesura e la discussione di una relazione di laboratorio / progetto su FPGA (0 - 15 punti, 9 è il punteggio minimo per superare la prova; durata della prova: 15 min). La prova orale prevede: i) domande teoriche relative agli argomenti presentati in aula volte ad accertare la conoscenza e comprensione da parte dello studente, nonché la capacità di esporne il contenuto; ii) domande più applicative, relative all’utilizzo delle conoscenze acquisite per la soluzione di casi pratici. La prova orale è finalizzata alla verifica della acquisizione da parte dello studente delle metodologie e degli strumenti per la progettazione di circuiti/sistemi su FPGA e della capacità di giustificare scelte progettuali. La prova orale consentirà, inoltre, al docente di valutare la capacità di comunicazione e la proprietà di linguaggio e organizzazione autonoma dell’esposizione dell’allievo. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina https://www.unipg.it/disabilita-e-dsa.

TESTI DI RIFERIMENTO: - Brandolese, Fornaciari, "Sistemi Embedded", Prentice Hall, 2007. - J.Catsoulis, “Embedded Hardware”, O’Reilly. - J. Rabaey, A. Chandrakasan and B. Nikolic, "Digital Integrated Circuits: A Design Perspective", 2/e, Prentice Hall 2003. -Rabaey, Jan, “Low Power Design Essentials Low Power Design Essentials”, Springer. - Pong P. Chu, “FPGA Prototyping by VHDL Examples: Xilinx MicroBlaze MCS SoC, 2nd Edition”, Wiley, 2017. - Dispense a cura del docente disponibili su UNISTUDIUM - PIATTAFORMA DI ELEARNING DELL'UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA (https://www.unistudium.unipg.it/ ).

L'obiettivo generale dell'insegnamento è di fornire conoscenze di base nel settore del networking e sufficienti competenze per un curriculum accademico di primo livello per affrontare un colloquio di lavoro sugli aspetti generali delle reti telematiche, con una buona sensibilità sugli aspetti innovativi. Altresì, le competenze e conoscenze acquisite consentono di proseguire gli studi con efficacia affrontando tematiche sia a livello trasmissivo sia per la progettazione di reti IP e cellulari di ultima generazione.

Corso di base sulle tecnologie IP

Per affrontare con efficacia le tematiche trattate nell'insegnamento occorre avere competenze di base nell'informatica.

Lezioni frontali e prove al PC

Introduzione ai sistemi di TLC Architetture dei sistemi di TLC - Modi di trasferimento - Tecniche di multiplazione, commutazione e architettura protocollare - Architetture protocollari. Modelli ISO-OSI, TCP/IP. - Protocolli per il controllo dell'errore. Stop-and-wait, Go-back-N, Selective Repeat. - High-Level Data Link Control (HDLC). - Servizi di rete. Algoritmi di routing Link State (Dijkstra) e Distance Vector (Bellman-Ford). - Controllo di flusso e di congestione a strato di rete. - Lo strato di rete nell'architettura TCP/IP - ARP/RARP - Lo strato di rete nell'architettura TCP/IP - Il protocollo IP - Lo strato di rete nell'architettura TCP/IP - ICMP - Servizi di trasporto - I protocolli UDP e TCP - IP V6 - MPLS and Segment Routing

La prova d'esame consiste in una prova scritta in una prova orale. La durata della prova scritta è di due ore. La durata della prova orale è di circa trenta minuti. Gli obiettivi della valutazione consistono nella valutazione dell'apprendimento delle competenze metodologiche e della capacità di applicare le tecniche e i protocolli studiati a situazioni applicative. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa Durante la pandemia Covid gli esami si svolgono on-line.

Dispense a cura del docente. Achille Pattavina, Reti di telecomunicazioni, McGraw-Hill. J.F. Kurose, K.W. Ross "Reti di calcolatori e internet. Un approccio top-down", Pearson

L’insegnamento concorre a formare lo studente sulla modellistica ed il progetto di azionamenti elettrici. Introduce agli aspetti metodologici, di modellazione, di progettazione e di collegamento fra le varie conoscenze. L'obiettivo principale dell’insegnamento consiste nel fornire agli studenti le basi per la scelta del tipo di motore e di controllo più adatto, in funzione dell’applicazione. I principali risultati dell’apprendimento saranno: • Comprensione dei principi fisici alla base del funzionamento motori elettrici; • Richiami di controlli automatici; • Richiamo di elettronica di potenza; • Nozioni sulla qualità dell’energia elettrica, in particolare per quanto riguarda l’utilizzo di inverter per azionamenti; • Modellistica e controllo di motori elettrici di varia natura: motori in c.c. a spazzole, e in corrente alternata ad induzione e brushless, motori stepper.

L’insegnamento fornisce le competenze di base necessarie per progettare dei sistemi di azionamento elettrico. I principali contenuti riguardano: richiami di elettrotecnica, basi di controlli automatici ed elettronica di potenza. Motori elettrici in c.c., a induzione, brushless (BLDC e PMSM) e stepper, ed il loro controllo.

Al fine di comprendere e saper applicare la maggior parte delle tecniche descritte nell'insegnamento sono necessarie solide conoscenze preliminari di elettromagnetismo et elettrotecnica. Sarebbe utile avere conoscenze in controlli automatici ed elettronica.

Il corso è organizzato in: • lezioni frontali in aula durante le quali vengono affrontati gli argomenti trattati nel corso; • esercitazioni teoriche e pratiche, da svolgere possibilmente in laboratorio utilizzando i software Matlab/Simulink e LTspice. La totalità del materiale didattico utilizzato durante il corso – e.g. diapositive delle lezioni, esercizi svolti e proposti, tabelle, video ed altri contenuti – sarà disponibile attraverso la piattaforma Unistudium.

Introduzione. • Azionamenti elettrici: uno sguardo d'insieme. Evoluzione della tecnologia e abbandono dei motori in c.c. a spazzole. Richiami di elettrotecnica: reti trifase, nozione di potenza attiva, reattiva, apparente, distorcente. Perché carichi RL producono delle sovratensioni. Motori in c.c. a spazzole • Struttura e principio di funzionamento. Modello dinamico e circuito equivalente. Defluxing. Richiami di controlli automatici • Nozioni di base di controlli automatici: trasformate di Laplace, risposta in frequenza e funzione di trasferimento, diagrammi di Bode. • Sistemi del primo e secondo ordine, e loro identificazione a partire dalla risposta al gradino. • Controllori PID, progetto di controllori nel dominio del tempo e della frequenza, sintesi diretta. Anti-wind up. • Stabilità di sistemi lineari: margine di fase e di guadagno. Elettronica di potenza • Cenni sui semiconduttori, e sui dispositivi a semiconduttore per l’elettronica di potenza: diodi, BJT, MOSFET, IGBT e tiristori, moduli composti di più dispositivi di potenza. • Convertitori DC-DC con topologie Buck, Boost e Buck-Boost e loro funzione di trasferimento (cenni). Controllori, regolatori integrati e moduli di potenza integrati. • Mezzo ponte, ponte intero, ponte trifase. Chopper. Frenatura rigenerativa, common DC-bus e protezione del bus DC. • Inverter: applicazioni e tipologia, nozione di THD e qualità dell’energia elettrica. • Modulazione di tipo onda quadra, PWM e SVPWM. Controllo di motori elettrici • Perché si utilizzano loop imbricati (controllo di coppia/corrente, velocità e posizione) • Progetto di controllo di motori in c.c. • Misura di posizione e di velocità tramite encoder. Motore a induzione • Struttura e principio di funzionamento. Modello a regime e circuito equivalente per fase. • Avviamento di motori a induzione: allaccio diretto, soft-starter o inverter. • Controllo scalare (V/f), perché il controllo V/f non permette di controllare i transitori. • Modello dinamico: trasformazione di Clarke-Park, equazioni del motore nel riferimento di Park. Calcolo della coppia. Cenni sulle differenti tipologie di controllo vettoriale FOC e DTC Motori brushless • Struttura e principio di funzionamento. Motori BLDC e PMSM. • Modello dinamico di motori brushless, equazioni del motore nel riferimento di Park. • Controllo FOC, 6 steps. Cenni sul controllo sensorless. • Circuiti integrati per il controllo di motori brushless. Motori stepper • Struttura e principio di funzionamento, tipologie di motori stepper (unipolari, bipolari e ibridi) • Controllo di motori stepper, microstepping. • Circuiti integrati per il controllo di motori stepper. Model-based design • Approcci model-in-the-loop (MIL), software-in-the-loop (SIL) e hardware-in-the-loop (HIL). • Nozioni di base sull’utilizzo di Simulink e SImscape • generazione automatica di codice per piattaforme di tipo embedded • Esercitazioni pratiche con Arduino.

L'esame si compone di due parti: • una prova scritta (3h) • una prova orale, unicamente per gli studenti che superino la prova scritta • sarà cura degli studenti di seguire ed ottenere l’attestato nominativo di riuscita di 3 tutorial Onramp (Simulink, Design of automatic control, Simscape power electronics)

Testi raccomandati 1. Slobodan N. Vukosavic, Electrical Machines, Springer DOI 10.1007/978-1-4614-0400-2 2. Ned Mohan, Electric Drives – an integrative approach, MNPERE, ISBN 0-9715292-1-3 Materiale didattico comprendente diapositive delle lezioni, testi e soluzione degli esercizi proposti, tabelle, video ed altro sarà disponibile attraverso la piattaforma Unistudium.

Comprensione degli strumenti fondamentali per la modellazione nello spazio di stato di sistemi dinamici e per la loro analisi. Comprensione delle proprietà di stabilità, anche in contesti non lineari, e di strumenti per le analisi associate. Comprensione dei metodi per la progettazione di schemi di controllo e di regolatori PID. Capacità di programmazione in matlab/octave e/o python per problemi di media complessità. Capacità di progettare, realizzare e sperimentare sistemi per il controllo del moto.

Modellazione di processi nello spazio di stato, simulazione. Proprietà strutturali. Stabilità a la Lyapunov: sistemi lineari, punti di equilibrio per sistemi non lineari (citerio ridotto e criterio diretto). Allocazione degli autovalori, osservatori asintotici dello stato e teorema di separazione separazione. Cenni al filtro di Kalman. Regolatori PID e loro taratura. Cenni a ROS (Robot Operating System) e suo uso per il controllo di un robot mobile. Distribuiti lungo il corso, simulazione al calcolatore, codice matlab/octave e python, realizzazione sperimentale di semplici schemi di controllo per robot, e problemi di motion control in generale.

La piena comprensione delle lezioni e del materiale didattico dell'insegnamento di Ingegneria dei Sistemi di Controllo richiede, come prerequisito necessario, il possesso dei contenuti di Fondamenti di Automatica. Inoltre, è importante la conoscenza del calcolo matriciale, di concetti di base sugli spazi vettoriali e sulle equazioni differenziali, sulla manipolazione dei numeri complessi, nonché una adeguata conoscenza di almeno un linguaggio di programmazione.

Lezioni frontali. Attività sperimentali in aula

Modellazione di processi nello spazio di stato, simulazione. Proprietà strutturali. Stabilità a la Lyapunov: sistemi lineari, punti di equilibrio per sistemi non lineari (citerio ridotto e criterio diretto). Allocazione degli autovalori, osservatori asintotici dello stato e teorema di separazione separazione. Cenni al filtro di Kalman. Regolatori PID e loro taratura. Esperimenti di controllo di un robot mobile. Distribuiti lungo il corso, simulazione al calcolatore, codice matlab/octave e python, realizzazione sperimentale di semplici schemi di controllo per robot, e problemi di motion control in generale.

Prova scritta e prova orale, entrambe obbligatorie. La prova scritta è finalizzata alla verifica della capacità di analisi e di soluzione dei problemi di sintesi con gli strumenti discussi nel corso. Rispetto a tali strumenti, si verifica la capacità di ottenere il rispetto di assegnate specifiche di comportamento. La prova scritta è finalizzata anche alla verifica della capacità di analisi di modelli nello spazio di stato e delle loro proprietà strutturali. La prova orale è basata su tre domande, sull’intero programma, e l’accesso è consentito agli studenti che abbiano conseguito una votazione sufficente nella prova scritta. E’ volta ad accertare la comprensione, da parte dello studente, degli strumenti teorici fondamentali forniti dall'insegnamento, la loro rielaborazione ed assimilazione, nonché le relazioni tra tali strumenti e le tematiche generali dell'ingegneria informatica ed elettronica. La prova orale, di norma, prevede anche l'accertamento del possesso di buone capacità sia di organizzazione in pseudocodice, o in un linguaggio noto allo studente, di modelli simulazione e di progettazione di schemi di controllo.

Fondamenti di controlli automatici, di Paolo Bolzern, Riccardo Scattolini, Nicola Schiavoni, Mc Graw Hill Education, 2015/2024 e dispense a cura del docente.

Conoscenza dei problemi di regressione e classificazione e delle tecniche principali per affrontarli. Capacità di pre-elaborare e analizzare dati al fine di sviluppare correttamente algoritmi di apprendimento su di essi. Capacità di analizzare e risolvere le criticità della pipeline di apprendimento, quando i risultati non siano soddisfacenti. Capacità di utilizzare alcune delle principali librerie per l'addestramento di algoritmi di apprendimento.

Introduzione al Machine Learning. Regressione Lineare. Modelli Discriminativi e Generativi per la classificazione. Support Vector Machines. Reti neurali. Unsupervised learning. Esempi di Applicazione. Esercitazioni guidate in laboratorio su Python su analisi di dati con tecniche di Machine Learning.

Al fine di comprendere i contenuti presentati e conseguire gli obiettivi di apprendimento è utile possedere una buona conoscenza di Algebra lineare, Analisi, Teoria della probabilità, Fondamenti di programmazione

L’insegnamento è organizzato come segue:- lezioni frontali in aula;- lezioni frontali a carattere seminariale- esercitazioni guidate presso il Laboratorio di Informatica sull’utilizzo di tecniche di Machine Learning per l’analisi di dati in Python. In ogni esercitazione gli studenti vengono distribuiti su 30 postazioni di lavoro. Strumenti di supporto alla didattica: lavagna e PC+proiettore, PC.

Introduzione al Machine Learning Ottimizzazione Convessa Regressione Lineare Classificazione (Logistic Regression, KNN, LDA, QDA) Generative models (Probabilità, Naive Bayes Classifiers) Sviluppo di applicazioni di Machine Learning Model selection Support Vector Machines Neural Networks Unsupervised Learning (K-means, K-medoids, EM, Factor Analysis, PCA, ICA) Applicazioni

Le conoscenze relative all’insegnamento vengono accertate attraverso una Prova orale e una Prova pratica (tesina). La prova orale prevede la discussione del progetto (tesina) presentato e due domande su argomenti scelti dal docente, e dura circa 45 minuti. La prova è volta ad accertare la compresione, da parte dello studente, degli strumenti teorici fondamentali forniti dall'insegnamento, nonchè le relazioni tra tali strumenti e le tematiche generali dell'ingegneria informatica. Il progetto presentato viene utilizzato per verificare le capacità di utilizzo di tecniche di Machine Learning per l’analisi di dati su problemi reali. Le prenotazioni alle prove di esame avvengono tramite il portale SOL: https://www.segreterie.unipg.it/ Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

1. "The Elements of Statistical Learning", T. Hastie, R. Tibishirani, J. Friedman, Springer (free) 2. "Pattern Recognition and Machine Learning", C. M. Bishop, Springer 3. "An Introduction to Statistical Learning, with application in R", G. James, D. Witten, T. Hastie, R. Tibshirani, Springer (free) 4. "Python Machine Learning", S. Raschka, PACKT Publishing 5. N. Cristianini, J. Shawe-Taylor, An Introduction to Support Vector Machines, Cambridge Univ. Press, 2000 6. R.O. Duda, P.E. Hart,D.G. Stork, Pattern Classification, 2nd ed., Wiley, 2012 Dispense a cura del docente disponibili su UNISTUDIUM - PIATTAFORMA DI E-LEARNING DELL'UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA (https://www.unistudium.unipg.it/unistudium/ )

L'insegnamento rappresenta il primo corso di reti di telecomunicazioni nel percorso di studi, ed esamina gli aspetti delle reti orientate al machine-to-machine (M2M) dal punto di vista del funzionamento a livello protocollare, sistemistico e dal punto di vista delle prestazioni della rete. L'obiettivo principale dell'insegnamento consiste nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio delle reti wireless, della loro interconnessione con i sistemi cablati, con particolare attenzione alla rete Internet e alla fornitura di connettività a sistemi cloud e piattaforme per big data, e della loro progettazione e/o configurazione. I principali vincoli di progetto che lo studente sarà tenuto a considerare saranno le funzioni offerte e la capacità del sistema. Le principali conoscenze acquisite alla fine del corso saranno: - elementi di base dei protocolli di accesso utilizzati sulla tratta radio, con particolare attenzione alle soluzioni tecnologiche più diffuse (LTE, WiFi); - conoscenza delle architetture di rete dei sistemi wireless più diffusi (LTE, WiFi), con particolare attenzione ai servizi offerti (ad esempio livelli di qualità di servizio e sicurezza), ai meccanismi di interconnessione con Internet e sistemi cloud; - conoscenza dell'ecosistema Internet of Things (IoT) e machine-to-machine (M2M), e delle principali soluzioni protocollari e architetturali utilizzate (MQTT, http, piattaforme per il M2M) Le principali abilità, ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite nell'ambito del corso, saranno: - valutare la soluzione tecnologica più adatta allo scenario di servizio (rete wireless in area locale, rete wireless in area metropolitana, rete cellulare); - analizzare le prestazioni di una rete wireless dal punto di vista della capacità di servizio; - realizzare, tramite software open-source, anche in ambiente virtualizzato, reti wireless in differenti configurazioni, con particolare attenzione alle reti WiFi e alle architetture IoT, in grado di offrire servizi di accesso a dispositivi quali telefoni, tablet o computer; - integrazione delle reti di accesso in piattaforme per la gestione dei dati in ambiente machine to machine; - padroneggiare gli strumenti per la misura della qualità di una rete wireless, con particolare attenzione alla misura della capacità e della copertura.

Unità didattica: Reti wireless e M2M (3 ore) Unità didattica: LTE (15 ore) Unità didattica: 5G (6 ore) Unità didattica: Reti Wireless LAN (21 ore) Unità didattica: Protocolli e piattaforme per M2M (27 ore)

Al fine di comprendere i contenuti dell’insegnamento e saper applicare la maggior parte delle tecniche descritte, è necessario aver acquisito le nozioni generali riguardanti reti di telecomunicazioni. In particolare, per acquisire le nozioni fondamentali sull’organizzazione della pila protocollare e le funzioni tipiche di ciascuno strato protocollare è richiesto che lo studente abbia sostenuto con successo l’esame di Fondamenti di Telecomunicazioni. Inoltre, nell’ambito dell’insegnamento, è richiesta la conoscenza delle principali nozioni di sicurezza informatica e sicurezza nelle reti. Questi argomenti sono un prerequisito fondamentale del corso e sono trattati nel corso di Fondamenti di Internet.

Il corso è organizzato nel modo seguente: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti del corso. Agli studenti verrà fornita in anticipo copia delle diapositive utilizzate dal docente a lezione tramite area riservata del corso (portale UNISTUDIUM); - esercitazioni di laboratorio presso il Laboratorio di Ingegneria del Software (edificio del Biennio, piano terra). Il laboratorio consiste in 16 postazioni operative, alle quali gli studenti possono accedere in gruppi da 2 o 3 elementi. Il numero massimo di studenti che possono accedere ad una lezione è 48. In caso il numero di studenti ecceda questo valore o nel caso in cui le lezioni siano particolarmente complesse con assistenza continua da parte del docente, la lezione sarà ripetuta. Ciascuna esercitazione ha una durata di 3 ore, per un totale stimato di 6 esercitazioni. Ogni esercitazione consiste nella realizzazione guidata di una rete WiFi con specifiche caratteristiche di servizio, nell'analisi e misura delle reti WiFi pre-esistenti, e/o nella realizzazione guidata di un sistema IoT. Durante le esercitazioni gli studenti utilizzano strumenti software open-source in forma virtualizzata (macchina virtuale Linux). Gli studenti avranno accesso libero al laboratorio al termine della lezione per ulteriori esercitazioni individuali.

Unità didattica: Reti wireless e M2M (3 ore): Concetti di base sul canale wireless, modelli per la descrizione di handover e paging, sistemi per la gestione dei dati in reti M2M Unità didattica: LTE (15 ore): Sistema LTE (architettura, protocolli, sicurezza). Unità didattica: 5G (6 ore): , concetti di base delle reti 5G, con particolare enfasi sull'architettura di rete. Unità didattica: Reti Wireless LAN (21 ore): Evoluzione dello standard IEEE 802.11 (a,b,g,n), modalità di funzionamento (ad hoc, infrastrutturata, sistema di distribuzione wireless), protocollo di strato fisico e di accesso al mezzo (MAC), mobilità, prestazioni e qualità di servizio, sicurezza, esperimenti di laboratorio con software open source. Unità didattica: Protocolli e piattaforme per M2M (27 ore): Concetti generali e architetture di sistema e di rete per IoT/M2M, protocollo MQTT e differenze con HTTP e CoAP (tipologia e struttura dei messaggi, modi di comunicazione), esperienze di laboratorio con piattaforme software open source (Node-RED).

L'esame prevede una prova orale da sostenere alla fine del corso. La prova finale è costituita da una prova orale della durata di circa 30-45 minuti, finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e la capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti sui contenuti teorici e metodologici del corso, nonché all’esposizione di un elaborato teorico/pratico assegnato dal docente durante lo svolgimento del corso. Tale modalità di valutazione permette di accertare sia la conoscenza sia la capacità di conoscenza e comprensione dei temi del corso, sia la capacità di applicare le competenze acquisite, sia la capacità di esposizione, sia la capacità di apprendere ed elaborare soluzioni in autonomia di giudizio. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa.

C. Smith, D. Collins, Wireless Networks, McGraw-Hill, 2014. A. Pattavina, Reti di Telecomunicazione, 2a ed., McGraw-Hill, 2003. J. Kurose, K. Ross, Reti di Calcolatori e Internet, 6a ed., Pearson, 2013. M. Gast, 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition, O'Reilly, 2005. Testi di consultazione: V. Garg, Wireless Communications and Networking, Morgan Kaufmann, San Francisco (CA), US, 2007. C. Kappler, Umts Networks and Beyond, John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2009. Dispense e articoli scientifici forniti dal docente tramite piattaforma Unistudium.

L'insegnamento si prefigge di fornire le conoscenze e le competenze necessarie per la definizione e l'uso di tecniche di stima applicate a dati di misura affetti da incertezza. Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di: - selezionare il miglior stimatore per la risoluzione di un problema di stima - realizzare un sistema di misura che impieghi tale stimatore per la risoluzione di problemi di stima tipici dell'ingegneria elettronica

Procedure, metodi e sistemi per la elaborazione di dati affetti da incertezza ai fini della stima di parametri di interesse dell'utilizzatore.

Nessuno

Lezioni frontali, sessioni pratiche in aula, esercizi da svolgere in modo autonomo, sviluppo di attività progettuale

Introduzione al corso e obiettivi formativi. Esempi di applicazione di tecniche di stima per l'elaborazione di dati di misura nei cari contesti applicativi dell'elettronica per l'Internet of Things. Il metodo Monte Carlo. Stimatori a minima varianza. Limite di Cramer-Rao, Modelli lineari, Stimatori BLUE, Stimatori a massima verosimiglianza, Stima ai minimi quadrati, metodo dei momenti, stimatori Bayesiani, filtro di Kalman. Al fine di trasferire conoscenze e competenze, gli studenti affronteranno, in gruppo, la progettazione di un sistema di misura. Alle lezioni tecniche saranno affiancate lezioni sulla gestione dei progetti e sull'ingegneria dei sistemi al fine di fornire conoscenze utili per la realizzazione del progetto.

Il voto finale si compone dalla pesatura dei due seguenti contributi: - Esame finale (50%) - Progetto (voto al gruppo, 50%) La prova finale sarà una prova orale. Il voto al risultato del progetto è assegnato al gruppo di lavoro, a seguito della discussione degli esiti con l'intero gruppo. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

Materiale didattico messo a disposizione dal docente. S. Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory - Prentice Hall, 1993 Louis Scharf, Statistical Signal Processing, Pearson, 1991.

In questo insegnamento vengono presentati i concetti fondamentali dell'elettronica di potenza quali: dispositivi di potenza, rettificatori e rettificatori controllati, moltiplicatori di tensione, regolatori lineari, regolatori switching, inverter e amplificatori di potenza. Tutti gli argomenti sono trattati partendo dalla fisica e dalla teoria dei circuiti, con i seguenti obiettivi: conoscere i modelli teorici di base di dispositivi e circuiti di potenza, apprendere le tecniche di analisi circuitale e i metodi di progettazione. CONOSCENZE 1) Conoscere le specifiche principali e i modelli di base di dispositivi di potenza (diodi e transistor) e apparati di dissipazione del calore 2) Conoscere le principali architetture dei circuiti di potenza. 3) Conoscere le tecniche di controllo e regolazione dei sistemi di potenza; sviluppare una visione d’insieme della materia. ABILITA’ a) Saper identificare le specifiche e i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento dei circuiti elettronici di potenza. b) Saper analizzare e progettare i principali building-block circuitali impiegati nei sistemi di conversione dell'energia elettrica. c) Consolidare le abilità relative all'impiego dei software di simulazione circuitale, e saperli applicare a progetti realistici (CAD).

L’insegnamento tratta i principi di funzionamento e le basi progettuali dei circuiti elettronici di potenza. Viene illustrata l’applicazione di tali circuiti in sistemi complessi. Dopo un’introduzione dedicata ai dispositivi di potenza (SCR, FET GaN, IGBT) sono descritti i circuiti di conversione dell’energia elettrica tra le sue due forme, nello specifico corrente alternata (AC) e corrente continua (DC): tale percorso costituisce il “fil rouge” dell’insegnamento. In particolare sono presentati i seguenti circuiti di conversione: da AC a DC (rettificatori), da DC a DC (regolatori lineari e regolatori switching) e da AC ad AC (inverter e amplificatori di potenza). I metodi d’insegnamento si basano su: modelli teorici, equazioni di base, tecniche di progettazione ed esempi al CAD.

Per comprendere e saper applicare le tecniche descritte nell'insegnamento è necessario aver sostenuto gli esami di elettronica della laurea triennale. Alcuni argomenti del programma richiedono la conoscenza delle serie e delle trasformate di Fourier e di Laplace, nonché abilità di analisi matematica. Tali prerequisiti sono indispensabili per lo studente che voglia seguire l'insegnamento con profitto. Gli studenti autovalutano i prerequisiti mediante un test su unistudium. I docenti consigliano attività di ripasso personalizzate sulla base degli esiti del test.

L'insegnamento si basa sui metodi didattici seguenti: 1) lezioni frontali (principi fisici, modelli teoria e metodi di progetto); 2) esercitazioni CAD (gli studenti otterranno una licenza annuale gratuita del software Keysight ADS da installare sui loro dispositivi; i docenti effettueranno sessioni CAD live, affrontando gli aspetti principali legati alla simulazione e alla progettazione di circuiti di potenza)

1) DISPOSITIVI DI POTENZA. Diodi e transistor come interruttori; elementi parassiti: capacità off, resistenza on, induttanza package. Diodi controllati (SCR e TRIAC), regioni di funzionamento, modelli elementari, metodi di attuazione. FET GaN, specificità, regioni di funzionamento, modelli elementari. IGBT, specificità, regioni di funzionamento, modelli elementari. Maximum ratings, thermal budget, dissipatori. Retta (curva) di carico statica e dinamica. Relazione tra tensione di breakdown e frequenza di cut-off. 2) CONVERSIONE AC-DC. Rettificatori monofase e trifase. Rettificatori a singola e doppia semionda con carico resistivo, RL e RC. Rettificatori controllati con SCR e TRIAC. Moltiplicatori di tensione. 3) CONVERSIONE DC-DC. Regolatori lineari: regolatori serie, esempi. Regolatori switching: buck, boost, buck-boost, Cuk; modelli e criteri di progetto; esempi. Regolatori isolati: Flyback converter, Forward Converter, Push-Pull, correttore di power factor. Driver MOS di potenza per regolatori switching: low-side e high-side. Architetture di controllo, current sense, stabilità e relazione con il duty cycle. 4) CONVERSIONE DC-AC. Inverter e amplificatori di potenza. Architetture base degli inverter: oscillatori e trasformatori, H-bridges e PWM. Architetture di base degli amplificatori di potenza: full-wave, controllo armoniche e ampiezza, inverter pulse-width modulated. Amplificatori con transistor impiegati come interruttori: classi D, E, F. Criteri di progetto: limiti del dispositivo, curva di carico dinamica, terminazione armonica, impedenza di carico ottima. 5) ESERCITAZIONI CAD. Impiego del simulatore ADS per modellare i circuiti di potenza.

L'esame prevede una prova orale o l'esposizione di un elaborato tecnico e una prova orale ridotta. La prova orale è una discussione di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e di comprensione raggiunto dallo studente relativamente ai contenuti teorici, metodologici e applicativi del programma. Saranno anche valutatela le capacità di comunicazione e la proprietà di linguaggio dell'allievo. Nello specifico l’orale consiste in 3 domande e nei conseguenti approfondimenti. L'esposizione dell'elaborato tecnico si basa sulla discussione di un caso di studio proposto dal docente e tipicamente relativo alla progettazione di circuiti elettronici di potenza mediante CAD. L'elaborato tecnico può essere svolto singolarmente o in gruppi e sconta parte della prova orale (2 domande su 3). La discussione può avvalersi di una presentazione mediante slides (circa 10) e prevede la richiesta di approfondimenti teorici e chiarimenti di dettaglio da parte dei membri della commissione. Durante tale prova verranno valutate le conoscenze tecniche e la comprensione della materia da parte dell'allievo, nonché la capacità di applicare le competenze acquisite, di sviluppare soluzioni originali, la proprietà di linguaggio e di sintesi.

Daniel W. Hart, Power Electronics, McGraw Hill, 1st Edition, 2013. N. Mohan, T. M. Undelabd, W. P. Robbins, Power Electronics, Converters, Applications and Design, 3rd edition, Wiley, 2002. John G. Kassakian, et al, Principles of Power Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, 2023.

L'insegnamento di prefigge di impartire agli studenti le nozioni teoriche e pratiche su metodologie, modelli e tecniche per l'analisi, la progettazione e lo sviluppo di software complessi, inclusi software che contengono componenti di intelligenza artificiale.

• Le qualità del software come prodotto industriale e i principi dell'ingegneria del software. - Metodologie e tecniche ingegneristiche tradizionali per l'analisi, la progettazione e lo sviluppo del software. - Metodologie e tecniche per sistemi software basati su intelligenza artificiale.

Sono consigliate conoscenze di base relativamente alla programmazione ad oggetti tramite il linguaggio Java e alle basi di dati relazionali. Sono inoltre consigliate conoscenze di base legare ai principi e alle tecniche di machine learning.

Il corso si articola in due principali tipologie di lezioni. Lezioni frontali: lezioni frontali svolte in aula. Ogni lezione consiste nell'illustrazione da parte del docente di nuovi concetti teorici, attraverso la proiezione di appositi lucidi. Esercitazioni guidate in laboratorio: si svolgono nel laboratorio di ingegneria del software, e prevedono la progettazione e l'implementazione di programmi sotto la guida del docente.

PARTE I - Introduzione all'ingegneria del software - Qualità e principi del software - Modelli di produzione del software - Ingegneria dei requisiti - Progettazione architetturale - Programmazione a oggetti e design patterns - Test del software PARTE II - Introduzione a sistemi software basati su AI - Ingegneria dei requisiti per sistemi basati su AI - Progettazione, deployment e automazione di componenti software basati su AI - Responsible Engineering

I metodi di valutazione di questo insegnamento cercano di quantificare le conoscenze teoriche acquisite dallo studente, nonché la sue capacità di applicare tali conoscenze per la risoluzione di problemi applicativi. I tipi di prove previste per la valutazione sono descritti qui di seguito. - Prova scritta di natura teorica Durata: 90 minuti Punteggio: 15/30 Obiettivo: accertare le conoscenze sui concetti teorici impartiti nell'insegnamento. - Prova al calcolatore Durata: 90 minuti Punteggio: 15/30 Obiettivo: accertare le abilità pratiche acquisite in relazione alle tematiche del corso

Gli argomenti trattati a lezione sono illustrati in dispense a cura del docente. In aggiunta, verranno consigliati alcuni testi di riferimento per approfondimenti sui vari argomenti del corso.

Sviluppare conoscenze e competenze nel campo delle procedure di verifica di delle emissioni e le suscettibilità condotte e radiate in campo aeronautico e spaziale.

Introduzione e richiami ai fenomeni di compatibilità elettromagnetica. Analisi delle principali normative e procedure di qualifica per l'avionica e lo spazio. Emissioni e suscettibilità condotte e radiate. Scariche elettrostatiche.

Analisi matematica. Teoria dell'elettromagnetismo. Elettrotecnica.

Lezioni frontali ed esercitazioni in laboratorio.

Unità didattica: Introduzione e richiami ai fenomeni di compatibilità elettromagnetica. Linee di trasmissione. Reti e sonde di accoppiamento e misura. I filtri. Propagazione delle onde elettromagnetiche. Antenne e sistemi di schermatura. Unità didattica: Emissioni condotte. Analisi delle seguenti normative IEC: 61000-3-2; 61000-3-3; 55022; MIL-STD-461F: CE101; CE102; RTCA DO-160G: Section 21; set-up di prova, collegamenti a massa, reti di disaccoppiamento e di accoppiamento. Sonde di corrente e di tensione, cavi di interconnessione, misure nel dominio del tempo tramite Oscilloscopi e nel dominio della frequenza tramite Analizzatori di Spettro. Procedure di test e livelli limite. Parallelo tra le norme IEC, MIL-STD-461F e RTCA DO160G. Soluzioni per la riduzione delle emissioni condotte: filtri e ferriti. Esercitazioni in laboratorio. Unità didattica: Suscettività condotte. Analisi delle seguenti normative IEC: 61000-4-4; 61000-4-5; 61000-4-6; 61000-4-11; MIL-STD-461F: CS101; CS106; CS114; CS115; CS116; RTCA DO-160G: Section16-17-18-19-20-22; set-up di calibrazione, set-up di prova, collegamenti a massa, reti di disaccoppiamento e di accoppiamento. Sonde di iniezione induttive e capacitive, cavi di interconnessione, generatori di segnali, generatori d’impulsi ed amplificatori, modulazioni e passi in frequenza. Procedure di test e prestazioni attese. Parallelo tra le norme IEC, MIL-STD-461F e RTCA DO160G. Soluzioni per la riduzione delle suscettività condotte: filtri, varistori, diodi a valanga e scaricatori a gas. Esercitazioni in laboratorio. Unità didattica: Scariche elettrostatiche. Origine ed effetti delle scariche elettrostatiche. Modelli circuitali rappresentativi del fenomeno. Analisi delle seguenti normative IEC: 61000-4-2; STANAG 4239; RTCA DO-160G: Section 25. Simulazione in laboratorio delle scariche elettrostatiche: generatori, reti di scarica, ampiezze e forme d'onda. Parallelo tra le norme IEC, STANAG e RTCA DO160G. Soluzioni per la riduzione della suscettività delle apparecchiature alle scariche elettrostatiche. Esercitazioni in laboratorio.

Colloquio orale.

Clayton R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, Wiley, February 2006. Dispense del docente.

Il corso introduce gli studenti alla comprensione dell'interazione tra il campo elettromagnetico e i tessuti biologici, quale meccanismo di base per diverse applicazioni della bioingegneria. Fornisce inoltre le conoscenze sul funzionamento di strumentazione biomedica per diagnostica basata sui campi em

• Impatto dei campi elettromagnetici sull'uomo: emissione ed esposizione - Interazione delle onde elettromagnetiche con i tessuti biologici - Strumentazione biomedica basata sui campi em per applicazioni cliniche e diagnostiche

Al fine di comprendere i contenuti presentati è sufficiente possedere una preparazione di base di campi elettromagnetici.

Il corso è organizzato nel seguente modo: - lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso - lezioni in aula con l'uso di software idonei al calcolo di parametri bio-elettromagnetici.

-Introduzione. - Impatto dei campi em sull'uomo: emissione ed esposizione. Sorgenti di campi em (naturali e artificiali). Elettrosmog. Effetti biologici dei campi elettromagnetici. Normative per radiazioni non ionizzanti: principi fisici e basi scientifiche per la generazione delle linee guida per la limitazione della esposizione ai campi em. Radiazioni ionizzanti: definizione, protezione, quantità fisiche. - Interazione delle onde em con i tessuti biologici. Dosimetria: definizione e grandezze base. SAR (Specific Absorption Rate). SAR e Temperatura. Dosimetria analitica, numerica, sperimentale. Caratterizzazione elettromagnetica del materiale biologico; propagazione delle onde em nei tessuti biologici. Comportamento e interazione dei campi em in base alla frequenza. Uso di software e modelli per le simulazioni bioelettromagnetiche. - Strumentazione biomedica basata sui campi em per applicazioni diagnostiche. Principi base, descrizione del sistema e relativo imaging: Raggi X; Radiografia; Tomografia a raggi X. Imaging a microonde e Tomografia a microonde. PET e SPECT. Risonanza magnetica (NMR e MRI). Termoterapia a radiofrequenza e microonde.

L'esame consiste in una prova orale finalizzata ad accertare il livello di conoscenza dei contenuti teorici e metodologici, e la capacità di affrontare problemi applicativi analizzati nel corso. La prova valuterà anche la capacità espositiva e la proprietà di linguaggio. In alternativa, lo studente può scegliere di sviluppare un progetto utilizzando uno dei software introdotti a lezione.

Dispense a cura del docente

l’insegnamento si propone di fornire concetti e competenze avanzate nell’ambito delle misurazioni elettriche in ambito industriale, utili per: • identificare le grandezze critiche e la relativa catena di misura per monitorare efficacemente un processo industriale; • selezionare la strumentazione più adeguata, e il suo interfacciamento in un moderno sistema integrato per il monitoraggio e il controllo di processo; • selezionare e progettare le strategie per la gestione della strumentazione; • valutare l’affidabilità di un sistema di acquisizione dati complesso e distribuito; • selezionare e progettare le strategie per la acquisizione e gestione dei dati di misura;

I contenuti del modulo riguardano le attività di monitoraggio e gestione, riferite sia alle grandezze elettriche di rilievo nell’ambiente industriale sia alla gestione dei sistemi di misurazione e dei relativi processi. Il corso si articola quindi in tre unità didattiche. La prima affronta la misurazione di grandezze elettriche in ambito industriale, identificando le grandezze misurate, le metodologie di misura, e la strumentazione utilizzata. La seconda unità illustra l’architettura di un sistema di monitoraggio industriale, sia rispetto alla catena di misura, sia rispetto alle metodologie di interconnessione degli elementi costituenti. La terza unità didattica affronta le metodologie di gestione della strumentazione e dei dati, con particolare riferimento all’affidabilità, alla manutenzione, e ai relativi documenti di riferimento.

È consigliato aver acquisito i contenuti del corso di Misure Elettroniche con Laboratorio, corso di Laurea in Ingegneria Informatica ed Elettronica

Lezioni frontali, esercitazioni pratiche

Introduzione al corso, presentazione delle unità didattiche e delle modalità di esame Unità Didattica 1. Misurazione di grandezze elettriche in ambito industriale. Misure su sistemi di potenza. Misure su sistemi trifase. Trasformatori di misura. Architettura di un sensore a uscita digitale per grandezze non elettriche. Unità Didattica 2. Strumentazione per misurazioni industriali, parametri prestazionali. Caratteristiche di un sistema di misura distribuito per applicazioni industriali. Principali standard di interconnessione: bus di campo, realizzazioni cablate e senza fili. Unità Didattica 3. Affidabilità e manutenzione di catene di misura e di sistemi di misura complessi. Definizioni e metriche tipiche. Aspetti statistici, probabilistici, e di sistema. FMEA, FMECA, HAZOP. Misure per il controllo statistico di processo. Standard di riferimento. Cenni sulla manutenzione dei sistemi e dei processi e sulla normativa applicabile.

Esame scritto, colloquio orale

• Dispense e slide a cura del docente. • Fausto Galetto, Affidabilità, volume primo - teoria e metodi di calcolo, Ed. CLEUP • Fausto Galetto, affidabilità, volume secondo - prove di affidabilità, Ed. CLEUP • Antonio Zanini, elementi di Affidabilità, Ed. Progetto Leonardo • M. Norgia, R. Ottoboni, A. Pesatori, C. Svelto, Misure - Dai fondamenti alla strumentazione, Società Editrice Esculapio. • M. Savino. Fondamenti di Scienza delle Misure. Ed. La Nuova Italia Scientifica. • G. Zingales. Misure Elettriche: Metodi e Strumenti. Ed. UTET.

La compatibilità elettromagnetica in ambiente industriale I principali strumenti della compatibilità elettromagnetica le tecniche di mitigazione dei disturbi le tecniche di misura delle emissioni le metodologie di test

Basi della compatibilità elettromagnetica industriale e ambientale

Competenze dei corsi di: Teoria dei circuiti, Campi elettromagnetici.

lezioni frontali e esercitazioni di laboratorio

1. Introduzione al corso:Richiami di elettromagnetismo 2. Le linee di trasmissione, Equazioni dei telegrafisti, Parametri per unità di lunghezza, Linee bifilari, coassiali, microstriscia 3. Linee di trasmissione, integrità dei segnali modelli spice, tecniche di adattamento 4. Integrità dei segnali, discontinuità delle linee, modello spice 5. Inviluppi spettrali, diafonia: Linee multiconduttore 6. Diafonia: soluzione approssimata, accoppiamento induttivo e capacitivo, accoppiamento di modo comune. 7. Diafonia modelli spice di linee accoppiate 8. Diafonia: Conduttori schermati, schermi singoli e multipli, funzione di trasferimento 9. Diafonia:Coppie intrecciate, accoppiamento magnetico ed elettrico, effetti dell'avvolgimento, alimentazione bilanciata. Dispositivi non ideali: il resistore, il condensatore, l'induttanza 10. Radiazione, dipolo, campi del dipolo, radiazione del dipolo a lambda mezzi Antenne, richiami teorici, caratterizzazione Antenne, guadagno, diagramma di radiazione, antenne a larga banda. 11. Normativa elettromagnetica 12. Strumenti della compatibilità elettromagnetica: Analizzatore di spettro , misuratore palmare 13. Emissioni Radiate, emissioni da sistemi di correnti, modelli di emissione per correnti di modo comune e di modo differenziale. 14. Suscettività, Onda piana che investe coppia bifilare, onda piana su cavo coassiale. Simulazione FDTD 15. Emissioni condotte, lisn, misure, suscettività condotta 16. Schermature: Efficienza di schermatura, fattori di schermatura 17. Schermature: Effetto dei materiali, schermature in campo lontano, e campo vicino. Schermature di campi magnetici 18. schermature in campo. vicino esempi e calcoli 19. Simulazioni di strutture schermanti, le fessure e le aperture. 20. Calcolo di impedenza e costante di propagazione su linee di trasmissione. Introduzione alla caratterizzazione dei materiali. 21. Interazione tra campi elettromagnetici e tessuti biologici

L’esame prevede una prova orale e l’esposizione di un elaborato tecnico prodotto in modo autonomo o in gruppo. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzato ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale consentirà inoltre di verificare la capacità di comunicazione dell’allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell’esposizione sugli stessi argomenti o contenuto teorico.

Clayton R. Paul “Introduction to Electromagnetic compatibility” Wiley H.W. OTT “Electromagnetic compatibilità engineering” Wiley Morgan “ Handbook for EMC testing and measurement” IET

Il corso introduce ai metodi e alle tecniche adottate in ambito industriale per l'utilizzo dei campi elettromagnetici e delle microonde. L'obiettivo è preparare lo studente ad affrontare le problematiche e a individuare le migliori tecnologie e l'ambito di applicazione degli apparati a microonde in ambito industriale.

tecnologie e metodi di utilizzo delle microonde radiofrequenze in ambito industriale

Competenze dei corsi di: Teoria dei circuiti, Campi elettromagnetici, Ingegneria delle microonde e radiofrequenze

lezioni frontali e esercitazioni di laboratorio

1. Introduzione alle microonde - Proprietà delle microonde: frequenza, lunghezza d'onda, propagazione, assorbimento - Generazione delle microonde: oscillatori a microonde, magnetron, klystron - Caratteristiche delle microonde: potenza, frequenza, polarizzazione, direzione di propagazione, modulazione 2. Proprietà e interazioni delle microonde con i materiali - Proprietà dielettriche dei materiali: Fenomeni di polarizzazione, L’acqua, Le formule di miscela - Principi di assorbimento delle microonde da parte dei materiali - Effetti termici e non termici delle microonde sui materiali - Effetti delle microonde sulla struttura dei materiali 5. Applicazioni industriali delle microonde per l'analisi dei materiali - Sensori a Microonde Introduzione: come funzionano, il sistema di misura, la scelta del sensore, considerazioni EMI - Misure multi-parametro - Sensori risonanti: Teoria, strutture, la misura dei parametri di risonanza, applicazioni - Sensori in trasmissione: Teoria, sensori in spazio libero, sensori a onde guidate, misura delle risposte, struttura del sistema, applicazioni - Sensori in riflessione: open end transmission line, sensori in spazio libero - Applicazioni di analisi in diversi settori industriali: packaging, alimentare, farmaceutico, ecc. 3. Applicazioni industriali delle microonde per il riscaldamento - Riscaldamento di materiali dielettrici - Riscaldamento di materiali conduttivi - Applicazioni di riscaldamento in diversi settori industriali: alimentare, chimico, farmaceutico, tessile, ecc. 6. Tecnologie delle microonde di potenza per le applicazioni industriali - Microonde pulsate - Microonde a frequenza variabile - Tecnologie delle microonde ad alta potenza: sorgenti di potenza Magnetron, klystron, twt, stato solido, Principi di progetto, Caratteristiche operative, applicatori. 7. Sicurezza e regolamentazione - Normative di sicurezza per l'uso delle microonde in ambito industriale - Rischi e precauzioni per la manipolazione delle microonde - Normative di regolamentazione per l'uso delle microonde in ambito industriale

L’esame prevede una prova orale e l’esposizione di un elaborato tecnico prodotto in modo autonomo o in gruppo. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzato ad accertare il livello di conoscenza e capacità di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici e metodologici indicati nel programma. La prova orale consentirà inoltre di verificare la capacità di comunicazione dell’allievo con proprietà di linguaggio ed organizzazione autonoma dell’esposizione sugli stessi argomenti o contenuto teorico.

j. Roussy j.a.Pearce, "Foundation and Industrial Applications of Microvaves and radio Frequency Fields", Wiley. J. Benford, J.A. Swegle, Edl Schamilogu, "High Power Microwaves" , CrC press

lo scopo del corso è di fornire gli strumenti teorici e pratici per la progettazione di circuiti e sistemi a microonde. L'obbiettivo è quello di permettere allo studenti di fare un progetto di massima partendo dalla teoria per poi affinare il progetto grazie all'uso di software CAD.

In questo corso vengono insegnati i metodi base per la progettazione di alcuni tra i più comuni componenti e sistemi microonde, quali adattatori, filtri, radar ecc..

Conoscenza dei circuiti a costanti concentrate. Conoscenza dei fondamenti di campi elettromagnetici.

Lezioni frontali teoriche. Esercizi per la progettazione di massima dei componenti. Utilizzo di software CAD elettromangnetici.

Introduzione al corso. Richiami sulle linee di trasmissione a microonde e RF: guide coassiali, rettangolari e circolari. Circuiti stampati. ADATTATORI DI IMPEDENZA: • Introduzione agli adattatori di impedenza. Adattatore a lambda quarti. Variazione del coefficiente di riflessione con la frequenza negli adattatori a lambda quarti. Simulazione CAD di un adattatore a lambda quarti. • Calcolo della banda del trasformatore a quarto d'onda. Esercizi sui trasformatori a quarto d'onda. Teoria delle piccole riflessioni. • Trasformatori multisezione. Trasformatore binomiale. Esercitazione Matlab: scrittura di un programma per il calcolo del trasformatore a lambda quarti in guida rettangolare. • Approssimazione logaritmica del trasformatore binomiale. Esercizio di progetto di un trasformatore binomiale. • Polinomi di Chebyshev. Trasformatore di Chebyshev. Approssimazione logaritmica per il trasformatore di Chebyshev. Esercizi per il progetto di trasformatori di Chebyshev. Uso delle tabelle per il progetto di trasformatori di impedenza. Scrittura di un programma per il calcolo dei parametri di un trasformatore di impedenza per guide rettangolari. FILTRI A MICROONDE: • Definizioni generali: Power Loss ratio, Insertion Loss, Return Loss. Prototipo di filtri passa-basso. Risposte di Butterworth, Chebyshev e Cauer e loro confronto. • Prototipi di filtri passa-basso a scala. Denormalizzazione dei filtri in frequenza e in impedenza di riferimento. Esempio di calcolo della risposta passa-basso di Chebyshev per un filtro prototipo a scala di ordine 2. • Trasformazioni passa-basso-passa-alto, passa-basso-passa-banda, passa-basso-arresta-banda. Trasformazione periodica di Richards. • Richiami sulla matrice ABCD. • Introduzione all'invertitore di impedenza. • Caratterizzazione degli invertitori di impedenza tramite matrice ABCD, matrice Z, matrice Y e matrice di scattering. Invertitori di ammettenza e loro relazione con quelli di impedenza. Realizzazione degli inverter tramite elementi concentrati, linee di trasmissione lambda/4 e reti miste. • Trasformazioni da risonatori serie a parallelo (e viceversa) tramite l'uso di invertitori di impedenza/ammettenza. Circuito equivalente per filtri a cavità risonanti: trasformazione del filtro passa-banda a risonatori serie e parallelo al filtro con invertitori di impedenza e soli risonatori serie risonanti tutti alla stessa frequenza. • Equivalenza fra risonatori a linee di trasmissione e risonatori a costanti concentrate serie o parallele. Definizione di Slope parameter. Calcolo degli slope parameter per circuiti a costanti concentrate serie e parallelo. Slope parameter per linea a lambda mezzi chiusa su cortocircuito e circuito aperto. Circuito equivalente di filtri composti da invertitori e linee a lambda mezzi. • Esercizi sul progetto di filtri in guida d'onda e filtri in microstriscia. WIRELESS POWER TRANSFER: • Nozioni base sul wireless power transfer. Circuiti equivalenti per sistemi di trasferimento potenza senza fili costituiti da induttori risonanti accoppiati. Relazione con il circuito equivalente di filtri. Circuiti equivalenti di filtri ottenuti con induttori accoppiati. PROGETTI TRAMITE CAD • Nozioni base sulla matrice di accoppiamento. • Esercizio: Sintesi di un filtro a 5 poli e calcolo dei parametri del circuito equivalente a linee di trasmissione a lambda mezzi e invertitori di impedenza. Scrittura di uno script Matlab che implementa le formule. Dimensionamento delle iridi che implementano gli invertitori di impedenza tramite simulazione full-wave. • Esercizio per il calcolo dei parametri di un filtro con invertitori e linee di trasmissione dispersive. Simulazione con ADS del circuito equivalente calcolato. • Progetto di un filtro a microstriscia utilizzando HFSS. • Costruzione di un filtro a microonde in guida rettangolare progettato dallo studente e realizzato tramite stampante 3D. RADAR: • Breve storia del RADAR. Accenni sul Magnetron. Derivazione dell'equazione del radar. Classificazione dei sistemi radar. Esempi di immagini radar. • Probabilità di rilevazione e di falso allarme. Integrazione sul numero degli impulsi per ridurre la probabilità di errore. Inclusione delle perdite del sistema nell'equazione del radar. Approfondimenti sulla radar cross-section e sul suo significato fisico. Radar cross-section di una sfera. Panoramica sui possibili target e ordine di grandezza della relativa radar cross-section. Variabilità della radar cross-section con la frequenza. Accenni alla tecnologia stealth. • Radar ad impulsi e suo principio di funzionamento. Schema a blocchi del radar ad impulsi. Calcolo del range e del range massimo. Radar ad onda continua (doppler); principio di funzionamento e schema a blocchi. Principio di funzionamento del radar ad onda continua modulata in frequenza: caso di target fermo e target in movimento. Schema a blocchi del radar ad onda continua modulata. • Radar per l'inseguimento. Sequential lobing. Conical scan. Monopulse tracking e suo schema a blocchi. Utilizzo della giunzione ibrida nel monopulse. • Monopulse a 4 antenne per inseguimento in elevazione e azimut. Esempio di monopulse in banda Ka. Principio di funzionamento dell'MTI (Moving Target Indication). Improvement factor, MTI a cancellatore singolo. • Blind speed. MTI a cancellatore doppio. MTI con filtri sagomati in frequenza. Range-gated doppler filters. Fase cieca. MTI confronto fra tecnologie analogiche e digitali. • Synthetic Aperture Radar (SAR) principio di funzionamento e geometria di osservazione. Risoluzione cross-track. Radar a compressione d'impulso (segnale chirp) per l'incremento della risoluzione cross-track (azimutale). Prova con un sonar fatto in casa ottenuto programmando in Matlab per mostrare il principio di funzionamento della compressione del segnale (segnale chirp). • SAR risoluzione azimutale: lunghezza di apertura sintetica. Tempo di apertura sintetica. Banda azimutale. Calcolo della risoluzione azimutale del SAR. • Discriminazione dei punti a terra: linee isodoppler e linea isodistanza. Spotlight SAR. Interpretazione delle immagini SAR. Foreshortening, layover e shadowing. Immagine SAR di un ponte e interpretazione dell'immagine dovuta alle riflessioni multiple. Interferometria SAR: stima delle altezze e stima dei cambiamenti della superficie. • Esempio di sistema radar con visualizzazione del sito e delle strutture. Panoramica sulle caratteristiche tecniche in relazione all'utilizzo del radar. Esempio di radar SAR montati su aerei e su veicoli spaziali.

Esame orale. Tesina con progetto di un componente a microonde e sua realizzazione tramite stampa 3D.

R. Sorrentino, G. Bianchi, Ingegneria delle microonde e radiofrequenze, McGrawHill. K.Chang, RF and Microwave Wireless Systems, J.Wiley & Sons, 2000. R.Collin, “Foundations for Microwave Engineering”, McGraw-Hill, 1992. D.M Pozar, “Microwave and RF Design of Wireless Systems”, J.Wiley & Sons, 2001.

Acquisizione da parte dello studente delle metodologie e degli strumenti per la progettazione di circuiti/sistemi elettronici integrati su scala nanometrica, con attenzione rivolta al consumo di potenza. Capacità di giustificare scelte progettuali per la realizzazione di circuiti e sistemi elettronici integrati CMOS VLSI a diversi livelli di astrazione. Utilizzo di strumenti CAD VLSI avanzati (layout editor, sintesi automatica, placement&routing, DRC).

I. (1 CFU) Dispositivi e Tecnologie Nanoelettronici (Recap). II. (1 CFU) Laboratorio TCAD III. (2 CFU) Progetto di circuiti logici statici e dinamici in tecnologia CMOS. IV. (3 CFU) Progettazione VLSI di un circuito/sistema integrato in tecnologia CMOS. V. (2 CFU) Laboratorio CAD VLSI.

Al fine di comprendere e saper applicare i contenuti e le metodologie dell'insegnamento è consigliabile la conosenza dei concetti di base dell'elettronica analogica e digitale (in particolare, il funzionamento del transistore MOSFET) e i concetti di base dell'algebra booleana.

Lezioni frontali, esercitazioni in aula, esercitazioni al calcolatore (TCAD & VLSI CAD Lab), esperimenti in aula e in laboratorio.

(1 CFU) Dispositivi e Tecnologie Nanoelettronici. Strumenti di progettazione: simulazione di processo e dispositivo TCAD allo stato dell’arte. Ottimizzazione di nuovi materiali / dispositivi. Dispositivi nano-elettronici innovativi di per la progettazione di reti di sensori: ISFET, BioFET, Tunnel FET devices. II. (1 CFU) TCAD Lab. Sentaurus Workbench (SWB) - Simulazione avanzata di processo/dispositivo. III. (2 CFU) Progetto di circuiti logici statici e dinamici in tecnologia CMOS. Famiglie logiche CMOS statiche: FCMOS, pseudo-nMOS, DCVSL, pass-T e T-gate logic. Circuiti combinatori: dynamic logic Pre-charge/Evaluation (P/E), Domino. Sequential circuits: clocked CMOS logic (C2MOS), NORA, TSPCL. IV. (3 CFU) Progettazione VLSI di un circuito/sistema integrato in tecnologia CMOS. Sintesi ad alto livello. Introduzione ai linguaggi di decrizione hardware: il VHDL. Unità aritmetiche: sommatori a differente gestione del riporto: Ripple Carry Adder (RCA), Carry Propagate Adder (CPA), Carry Skip Adder, Manchester Carry Chain, Carry Look-Ahead, Brent-Kung. Moltiplicatori seriali e paralleli: Carry Save Multiplier. Divisori. Memorie. Organizzazione e sintesi delle unità di controllo. Soluzioni e tecniche di progettazione CMOS VLSI low-power: time-based design per interface di sensori (digital approach, area efficiency driven scaling, ultra-low voltage capability, energy efficiency). V. (2 CFU) Laboratorio CAD VLSI. Introduzione al CAD VLSI. I principali strumenti CAD per l’analisi e la sintesi di circuiti integrati: layout editor, DRC tools, Placement and Routing. ELECTRIC VLSI Design System, SIS. Esercitazioni al CAD VLSI: front-to-back design case studies.

Redazione di due progetti (Mid-Term e Final) e prova orale, obbligatoria. In particolare, i temi dei progetti consisteranno in : 1. Mid-Term: simulazione di processo e dispositivo di un Tunnel FET (TFET). 2. Final: relazione sul progetto realizzato al calcolatore mediante CAD VLSI di un circuito/sistema elettronico integrato tipicamente di tipo numerico (ad esempio circuiti sommatori, moltiplicatori). La prova orale è finalizzata alla verifica della acquisizione da parte dello studente delle metodologie e degli strumenti per la progettazione di circuiti/sistemi integrati CMOS su scala nanometrica, della capacità di giustificare scelte progettuali, della conoscenza dello stato dell’arte della tecnologia di fabbricazione dei circuiti elettronici integrati. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

J. Rabaey, A. Chandrakasan and B. Nikolic, "Digital Integrated Circuits: A Design Perspective", 2/e, Prentice Hall 2003. Harry Veendrick, “Nanometer CMOS ICs: from Basics to ASICs”, ed. Springer.

Acquisizione da parte dello studente delle metodologie e degli strumenti per la progettazione di circuiti/sistemi elettronici integrati su scala nanometrica, con attenzione rivolta al consumo di potenza. Capacità di giustificare scelte progettuali per la realizzazione di circuiti e sistemi elettronici integrati CMOS VLSI a diversi livelli di astrazione. Utilizzo di strumenti CAD VLSI avanzati (layout editor, sintesi automatica, placement&routing, DRC).

I. (1 CFU) Dispositivi e Tecnologie Nanoelettronici (Recap). II. (1 CFU) Laboratorio TCAD III. (2 CFU) Progetto di circuiti logici statici e dinamici in tecnologia CMOS. IV. (3 CFU) Progettazione VLSI di un circuito/sistema integrato in tecnologia CMOS. V. (2 CFU) Laboratorio CAD VLSI.

Al fine di comprendere e saper applicare i contenuti e le metodologie dell'insegnamento è consigliabile la conosenza dei concetti di base dell'elettronica analogica e digitale (in particolare, il funzionamento del transistore MOSFET) e i concetti di base dell'algebra booleana.

Lezioni frontali, esercitazioni in aula, esercitazioni al calcolatore (TCAD & VLSI CAD Lab), esperimenti in aula e in laboratorio.

(1 CFU) Dispositivi e Tecnologie Nanoelettronici. Strumenti di progettazione: simulazione di processo e dispositivo TCAD allo stato dell’arte. Ottimizzazione di nuovi materiali / dispositivi. Dispositivi nano-elettronici innovativi di per la progettazione di reti di sensori: ISFET, BioFET, Tunnel FET devices. II. (1 CFU) TCAD Lab. Sentaurus Workbench (SWB) - Simulazione avanzata di processo/dispositivo. III. (2 CFU) Progetto di circuiti logici statici e dinamici in tecnologia CMOS. Famiglie logiche CMOS statiche: FCMOS, pseudo-nMOS, DCVSL, pass-T e T-gate logic. Circuiti combinatori: dynamic logic Pre-charge/Evaluation (P/E), Domino. Sequential circuits: clocked CMOS logic (C2MOS), NORA, TSPCL. IV. (3 CFU) Progettazione VLSI di un circuito/sistema integrato in tecnologia CMOS. Sintesi ad alto livello. Introduzione ai linguaggi di decrizione hardware: il VHDL. Unità aritmetiche: sommatori a differente gestione del riporto: Ripple Carry Adder (RCA), Carry Propagate Adder (CPA), Carry Skip Adder, Manchester Carry Chain, Carry Look-Ahead, Brent-Kung. Moltiplicatori seriali e paralleli: Carry Save Multiplier. Divisori. Memorie. Organizzazione e sintesi delle unità di controllo. Soluzioni e tecniche di progettazione CMOS VLSI low-power: time-based design per interface di sensori (digital approach, area efficiency driven scaling, ultra-low voltage capability, energy efficiency). V. (2 CFU) Laboratorio CAD VLSI. Introduzione al CAD VLSI. I principali strumenti CAD per l’analisi e la sintesi di circuiti integrati: layout editor, DRC tools, Placement and Routing. ELECTRIC VLSI Design System, SIS. Esercitazioni al CAD VLSI: front-to-back design case studies.

Redazione di due progetti (Mid-Term e Final) e prova orale, obbligatoria. In particolare, i temi dei progetti consisteranno in : 1. Mid-Term: simulazione di processo e dispositivo di un Tunnel FET (TFET). 2. Final: relazione sul progetto realizzato al calcolatore mediante CAD VLSI di un circuito/sistema elettronico integrato tipicamente di tipo numerico (ad esempio circuiti sommatori, moltiplicatori). La prova orale è finalizzata alla verifica della acquisizione da parte dello studente delle metodologie e degli strumenti per la progettazione di circuiti/sistemi integrati CMOS su scala nanometrica, della capacità di giustificare scelte progettuali, della conoscenza dello stato dell’arte della tecnologia di fabbricazione dei circuiti elettronici integrati. Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa

J. Rabaey, A. Chandrakasan and B. Nikolic, "Digital Integrated Circuits: A Design Perspective", 2/e, Prentice Hall 2003. Harry Veendrick, “Nanometer CMOS ICs: from Basics to ASICs”, ed. Springer.

In questo insegnamento vengono presentati concetti fondamentali nell'ambito dell'ingegneria elettronica quali: amplificatori RF (incluso il rumore e le nonlinearità), mixer e oscillatori. Tutti gli argomenti vengono trattati partendo dalla teoria dei circuiti elettrici e fornendo competenze sia in termini di analisi sia in termini di progettazione. Le principali conoscenze acquisite saranno: 1) Conoscere il funzionamento di amplificatori, oscillatori, mixer e delle principali metodologie di analisi. 2) Conoscere elementi della teoria del rumore delle reti a due porte dal punto di vista elettrico. 3) Conoscere le principali tecnologie del silicio (CMOS e BiCMOS) e come queste sono impiegate nei front-end radio. Le principali abilità saranno: a) Saper identificare le specifiche e i vincoli di progetto che determinano il dimensionamento dei circuiti elettronici a microonde. b) Saper analizzare e progettare i principali building-block attivi a microonde. c) Saper utilizzare un CAD di simulazione RF (EDA software).

L'insegnamento tratta della progettazione di circuiti integrati RF in tecnologie CMOS e BiCMOS avanzate. Verranno descritti: i transistori a microonde, il funzionamento sotto soglia del MOSFET, gli amplificatori a basso rumore e di potenza, gli oscillatori e i mixer. Saranno proposti: modelli teorici, equazioni di base, metodi di progetto ed esempi al CAD.

Per comprendere e saper applicare le tecniche descritte nell'insegnamento è necessario aver sostenuto con successo gli esami di teoria dei circuiti e di elettronica della laurea triennale. Inoltre, alcuni argomenti del programma richiedono la conoscenza delle serie di Fourier e le capacità di base dell'analisi matematica. Tali prerequisiti sono indispensabili per lo studente che voglia seguire l'insegnamento con profitto.

L'insegnamento è organizzato nel modo seguente: 1) lezioni frontali (teoria e metodi di progetto); 2) lezioni frontali a carattere seminariale (software CAD, Keysight ADS, Cadence Virtuoso, open tools and open PDKs); 3) esercitazioni di laboratorio. In particolare le esercitazioni di laboratorio saranno relative alla simulazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di circuiti attivi ad alta frequenza (amplificatori di segnale, oscillatori, convertitori di frequenza, etc.). Gli studenti, inoltre, verranno introdotti all'utilizzo di strumentazione RF (generatori di segnale, analizzatore di spettro, analizzatore di rete vettoriale, probe station).

Transistor e componenti passivi per microonde integrati su silicio. Modello a piccolo segnale; capacità interne; effetti di package. Matrice ammettenza (calcolo). Frequenza di transizione (fT) e sua dipendenza dalla polarizzazione. Ammettenza d'ingresso e d'uscita. Adattamento coniugato simultaneo. Stabilità, caso dell'amplificatore a carico risonante. Circonferenze di stabilità e criterio di stabilità. Potenze e guadagni di potenza (definizioni), circonferenze a guadagno costante. Massima frequenza d'oscillazione (fmax) e sua dipendenza dalla polarizzazione. Criterio dell'invarianza di fT e fmax rispetto alla tecnologia per una fissata densità di corrente (current-density invariance - Voinigescu). Componenti passivi per RF. Induttori integrati e modelli circuitali; fattore di merito; elementi parassiti. Trasformatori integrati e modelli circuitali; fattore di accoppiamento. Resistori e condensatori integrati: dimensionamento. Cifra di rumore di un transistore RF. Modelli di rumore dei BJT e dei MOSFET. Cifra di rumore. Formula per il calcolo della cifra di rumore di un sistema. Cifra di rumore minima e impedenza di sorgente ottima. Circonferenze a cifra di rumore costante. Amplificatori di segnale. Spostamenti sulla carta di Smith. Reti di adattamento a L e a pi-greco (costanti concentrate). Richiami sulle reti di adattamento a costanti distribuite. Amplificatori a basso rumore (LNA). Tecnica del noise matching e degenerazione induttiva di emettitore. Progettazione di LNA in configurazione cascode. Amplificatori a larga banda (gain-block). Tecnica del feedback resistivo. Progettazione di gain-block con HBT in configurazione darlington. Amplificatori di potenza (PA). Sistemi non lineari. Introduzione alla serie di potenze e alla serie di Volterra. Richiami su: punto di compressione a 1dB, intermodulazione del terzo ordine, IIP3, stima di IM3 nota IIP3 e Pin, dinamica libera da spurie (SFDR). Amplificatori in classe A, in classe AB e in classe B; terminazioni armoniche; dynamic load-line. Scelta del punto di riposo e dimensionamento del transistore. Metodo di Cripps ed effetto delle capacità interne. Load-pull e stima dell'impedenza d'uscita ottima. Oscillatori. Criteri di innesco delle oscillazioni; saturazione e stabilizzazione dell'ampiezza. Oscillatori a tre punti, configurazioni base; analisi topologica. Analisi dell'oscillatore di Colpitts. Oscillatori controllati in tensione (VCO); varactor; legge di tuning. Oscillatori differenziali. Il rumore negli oscillatori. Il rumore 1/f. Il rumore di fase e la formula di Leeson. Mixer e detector. Mixer doppiamente bilanciati a cella di Gilbert. Mixer a diodi semplicemente e doppiamente bilanciati. Progettazione dei mixer a cella di Gilbert in tecnologia bipolare e CMOS. Cifra di rumore di un mixer. Building-blocks low-power per tag RFID. Funzionamento del MOSFET sotto-soglia e circuiti elementari. Architettura e circuiti di un tag RFID integrato: rettificatore, detector, modulatore di back-scattering, duplicatore di frequenza.

L'esame prevede una prova orale e/o l'esposizione di un elaborato tecnico prodotto in modo autonomo o in gruppo. La prova orale consiste in una discussione della durata di circa 30 minuti finalizzata ad accertare il livello di conoscenza e di comprensione raggiunto dallo studente sui contenuti teorici, metodologici e applicativi indicati nel programma. La prova consiste in n.3 e domande e nei relativi approfondimenti e consentirà inoltre di verificare la capacità di comunicazione e la proprietà di linguaggio dell'allievo. L'esposizione dell'elaborato tecnico consiste nella discussione di un caso di studio proposto dal docente e tipicamente basato sulla progettazione di circuiti elettronici RF mediante CAD (Keysight ADS and open toold and open PDKs). L'elaborato tecnico sconta pare della prova orale (due domande su tre). La discussione può avvalersi di slides (circa 10) e prevedere la richiesta di approfondimenti teorici e di chiarimenti di dettaglio da parte dei membri della commissione. Durante tale prova verranno valutate le conoscenze tecniche e la comprensione della materia da parte dell'allievo, la capacità di applicare le competenze acquisite e di sviluppare soluzioni originali, la proprietà di linguaggio e di sintesi.

[1] S. Voinigescu, "High-Frequency Integrated Circuits," Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-87302-4 [2] T.H. Lee, "The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits," Cambridge University Press, ISBN 0-521-63922-0

Il corso rappresenta un insegnamento applicativo del settore campi elettromagnetici e tratta lo studio del telerilevamento ambientale con sensori em. L'obiettivo principale dell'insegnamento consiste nel fornire gli strumenti per comprendere i meccanismi di interazione fra le onde elettromagnetiche e l'ambiente circostante per il monitoraggio dell'ambiente terrestre. Le principali conoscenze acquisite saranno: • conoscenza delle basi del telerilevamento em • conoscenza dei sensori per telerilevamento nel visibile, infrarosso, microonde (attivi e passivi) • conoscenza delle basi per la elaborazione di dati e immagini telerilevate Le principali abilità saranno: • scelta dei sensori più adatti per ogni specifica applicazione • programmazione di base per la elaborazione di dati e immagini telerilevate

Telerilevamento e sistemi di telerilevamento: sensori e teoria di base (interazione onde em con la materia). Applicazioni (monitoring della atmosfera e della superficie terrestre nel visibile, infrarosso e microonde). Cenni di machine learning per l’elaborazione dei dati.

Al fine di comprendere i contenuti presentati è sufficiente possedere una preparazione di base di Campi elettromagnetici. La conoscenza dei fenomeni di base della interazione tra onde em con i mezzi (riflessione, rifrazione, trasmissione) è un requisito fondamentale per seguire il corso con profitto. E’ importante la conoscenza base di Matlab.

Lezioni frontali in aula; le lezioni comprendono anche lo svolgimento di applicazioni al calcolatore per l’elaborazione di dati di telerilevamento.

Telerilevamento e sistemi di telerilevamento: descrizione e applicazioni. Requisiti spettrali, radiometrici, spaziali e temporali di un sistema di telerilevamento. Sensori per il telerilevamento: attivi (radar) e passivi (radiometri). Formazione delle immagini con sensori a terra e su piattaforme aeree e spaziali. Lo spettro elettromagnetico. Interazione della radiazione em con la materia: assorbimento ed emissione. La legge di Planck: radiazione da corpo nero, corpi reali, emissività. Interazione della radiazione em con la materia: riflessione, rifrazione e scattering; applicazioni (colore del cielo e del mare). La radiazione solare e sue applicazioni. Spettro emissivo e riflettivo. Sensori operativi nel visibile e nell’infrarosso riflettivo: teoria e applicazioni. Sensori operativi nell’infrarosso termico: teoria e applicazioni. Sensori operativi nelle microonde: teoria e applicazioni. Elaborazione di dati satellitari. Google Earth Engine. Applicazioni di telerilevamento e diagnostica elettromagnetica: -Global Positioning System (GPS). -Radar Meteorologico -Imaging a microonde -Isole di calore urbane e albedo -Monitoring di incendi -Monitoring di ceneri vulcaniche Elaborazione di dati di telerilevamento e machine learning: -regressioni -reti neurali

L'esame consiste in una prova orale della durata di circa 45 minuti (in genere tre domande) finalizzata ad accertare il livello di conoscenza dei contenuti teorici/metodologici e la capacità di risolvere problemi pratici e applicativi affrontati nel corso. La prova valuterà anche la capacità espositiva e la proprietà di linguaggio.

Dispense a cura del docente TESTI INTEGRATIVI: Tecniche e Strumenti per il Telerilevamento Ambientale, voll. I e II, Monografie Scientifiche del C.N.R., Roma, 2000-2001. F. Ulaby, R. Moore, A. Fung, Microwave Remote Sensing, voll. 1-3, Artech House, 1981-1986.

Conoscenze metodologiche: Conoscenza di base dei principi teorici di funzionamento dei più comuni tipi di sensori e attuatori. Capacità professionali: comprensione del foglio di dati (data sheet) e applicazioni pratiche di alcuni comuni tipi di sensori e attuatori presenti in commercio.

Il corso introduce i concetti fondamentali di sensori e attuatori, partendo dalla classificazione basata sul principio fisico (resistenza elettrica, campo elettrico, campo magnetico, radiazione, fenomeni termici e meccanici), fino alle tecnologie più recenti in ambito MEMS e IoT. Viene analizzato il funzionamento interno di sensori come LM35 e l’uso di modelli circuitali (LEM) per interpretare il comportamento. Tra gli argomenti trattati: Sensori resistivi (RTD, NTC, estensimetri) Sensori termici (termocoppie, termopile, celle di Golay) Sensori magnetici (effetto Hall, GMR, TMR) Sensori capacitivi (displacement, accelerometri, attuatori) Sensori ottici e a radiazione (fotodiodi, LED, IR) Sensori piezoelettrici e meccanici Attuatori: motori DC, brushless, stepper, cilindri pneumatici/idraulici Tecnologie MEMS e microfabbricazione Applicazioni IoT e lettura datasheet Standardizzazione e sfide progettuali

L’insegnamento non ha propedeuticità dichiarate. Utilizza diversi concetti della fisica e della chimica ma li introduce dalle basi: trasmissione del calore nei solidi e nei fluidi, irraggiamento elettromagnetico, elasticità dei materiali, piezoresistività, proprietà magnetiche dei materiali, struttura della materia. Si utilizzano inoltre concetti ed equazioni ben note della fisica dei semiconduttori.

L’insegnamento è organizzato come segue: - lezioni frontali in aula su tutti gli argomenti dell’insegnamento

INTRODUZIONE AL CORSO: Definizione di Sensore e Attuatore, Ruolo dei Sensori e degli Attuatori, Applicazioni ingegneristiche comuni, Sistema sensoriale umano/robotica, Tipologie di recettori sensoriali, Attuatori nel corpo umano, Trasduzione, Principi di condizionamento del segnale, Elaborazione dell’informazione, Sensori intelligenti e connessione in rete/IoT, Classificazione di sensori e attuatori adottata come linea guida per questo corso: dispositivi basati su resistenza elettrica, campo elettrico, campo magnetico, radiazione elettromagnetica, fenomeni termici, fenomeni meccanici. Approccio alternativo: classificazione in base alla grandezza da trasdurre. SENSORI E ATTUATORI NELL’IoT: esempi di risultati recenti della ricerca. INTRODUZIONE AI CONTENUTI: Classificazione e Parametri, Modello a Elementi Concentrati (LEM), DATASHEET (come leggere una scheda tecnica – esempi), Sfide nella standardizzazione. Micro e Nanotecnologie (MEMS): Sistemi Micro-Elettro-Meccanici, Storia, Accelerometri come esempio rappresentativo, Tecnologie di fabbricazione: microlavorazione superficiale, microlavorazione di volume, materiali, deposizione chimica da vapore (CVD), fotolitografia, microfabbricazione di volume. Sensore Termico IC – LM35: Struttura interna, Generazione di segnale PTAT, Amplificazione e condizionamento del segnale. Dispositivi basati sulla VARIAZIONE DELLA RESISTENZA ELETTRICA: RTD (Rilevatore di Temperatura a Resistenza), Termistori. Metodologie di misura. Estensimetro: principio di funzionamento, architettura, parametri chiave. Piezoresistori: principio di funzionamento e parametri, esempio di sensore piezoresistivo su membrana, circuiti di condizionamento basati su multivibratore astabile. Dispositivi basati su FENOMENI TERMICI: Termocoppie, Effetto Seebeck, Concetti e definizioni sul trasferimento di calore, Dissipazione termica, Generatore Termoelettrico (TEG), Termopile, Effetto Peltier, Refrigeratore Termoelettrico (applicazioni MMRTG). Applicazioni dei sensori termici: Anemometro a filo caldo, Manometri per vuoto (manometri a termocoppia, Pirani – esempio MEMS dalla letteratura). Dispositivi basati sulla VARIAZIONE DEL CAMPO MAGNETICO: Interruttore Reed, Effetti galvanometrici, Sensori ad effetto Hall, Effetto Magnetoresistivo, Effetto di Magnetoresistenza Gigante (GMR), Valvola spintronica, Magnetoresistenza a tunnel (TMR), confronto GMR vs TMR. Motori: Motore DC, H-Bridge & Chopper, Brushless, Stepper Motor, Motore a riluttanza variabile, Motori ibridi. Dispositivi basati sulla VARIAZIONE DEL CAMPO ELETTRICO: Sensori e attuatori capacitivi, Caso studio: disco freno, Sensori capacitivi di spostamento, Esempi da Micro-Epsilon, Accelerometri capacitivi, Considerazioni sulle misure, Vantaggi e svantaggi, Struttura interdigitata a pettine (MEMS), Sensori di velocità angolare, Sensori di impronte digitali (esempio dalla letteratura), Altoparlante elettrostatico, Subwoofer (esempio di classificazione trasversale). Dispositivi basati sulla RADIAZIONE: Definizione e classificazione, Radiazione come onda e come particella, Radiometria e Fotometria, LED/Elettroluminescenza, Processi di innesco, Transizioni radiative e ricombinazione, Effetto fotovoltaico, Emissione spontanea, TLCR5100 di Vishay (esempio), Fotoresistore, Fotodiodo, Pulsossimetro (esempio), Radiazione termica e sensori IR, Radiazione di corpo nero, Legge di Wien, Legge di Stefan-Boltzmann, Formula di Planck, Principi di funzionamento dei sensori, Rivelatore termopneumatico (cella di Golay), termopila (PIR), Rivelatore piroelettrico, Bolometri – Esempi: Perkin-Elmer TPS 1T 013X, Texas Instruments TMP006/B, Melexis MLX90614. Dispositivi basati su FENOMENI MECCANICI: Effetto piezoelettrico, Estensimetri, Confronto delle prestazioni degli estensimetri, Materiali piezoelettrici e modelli (LEM, Meccanico, Matematico – Risposta in frequenza), Accelerometri – modalità operative, pro e contro, Accelerometri Brüel & Kjær Vibro (esempio), Condizionamento del segnale – Amplificatore di carica, Confronto tra accelerometri (capacitivi, piezoelettrici, piezoresistivi). Attuatori fluidici: Principi fisici, Legge di Pascal, Circuito idraulico, Cilindro a semplice e doppio effetto, Circuito pneumatico.

La valutazione della prova d'esame è basata su una prova orale individuale di circa 30 minuti. La prova orale è basata sugli argomenti teorici trattati a lezione. Sono considerati fondamentali gli aspetti metodologici dell'insegnamento.

Appunti e diapositive del corso (in inglese) ¿ Libri ¿ Sensor and Actuators, Francisco Andre Correa Alegria, World Scientific Pub Co Inc (27 luglio 2021) ¿ Gerard C.M. Mejer (a cura di), “Smart Sensor Systems”, Wiley, 2008 ¿ Charalampos Doukas, Building the Internet of Things with the Arduino, v.1.1, ISBN 1470023431 ¿ Harry N. Norton, Handbook of Transducers, Prentice Hall, 1989 ¿ J. Wilson (a cura di), Sensor Technology Handbook, Elsevier (2005) ¿ G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3ª edizione, Wiley, 2000

L’insegnamento rappresenta il punto di arrivo dell’insegnamento sulla progettazione di circuiti e sistemi elettronici analogici abilitanti la realizzazione di “smart objects” intesi come strato fisico di base dell’”Ecosistema” IoT. Lo strato cioè in grado di acquisire informazione dall’ambiente e trasferirla agli strati immediatamente superiori. L’obiettivo principale consiste quindi nel fornire agli studenti le basi per affrontare lo studio dei sistemi elettronici compatibili con i vincoli imposti dagli “smart objects” e dalle funzionalità richieste in termini di costi, funzionalità di base (sensing, trasmissione,), autonomia energetica, compatibilità ambientale, compatibilità con I processi produttivi, ciclo di vita. Le principali conoscenze acquisite saranno relative a: - cambio di paradigma nella progettazione di circuiti e sistemi elettronici - uso di materiali “non convenzionali” - principi di funzionamento di sistemi di comunicazione “a richiesta” (RFID) - sensori passivi - sistemi di raccolta energetica - ricerca di un nuovo compromesso ottimo tra costi e prestazioni - adeguamento nell’utilizzo del CAD per la progettazione di sistemi e circuiti elettronici per l’IoT - elettronica indossabile

L’“Ecosistema” Internet of Things (IoT) e le sue implicazioni sulla progettazione, sviluppo e realizzazione dei sistemi elettronici abilitanti la creazione di oggetti intelligenti, "smart objects". Richiami sull'utilizzo del CAD (Keysight ADS) per la progettazione di sistemi e circuiti elettronici . I materiali non convenzionali per la realizzazione di circuiti elettronici (carta come paradigma). Implicazioni progettuali dell'utilizzo di materiali non convenzionali. Sistemi e sensori RFID, RFID di tipo “chipless”, RFID armonici Sensori RADAR. Sistemi di raccolta di energia "Energy scavenging" da sorgenti a radiofrequenza e convertitori RF-DC. Sistemi elettronici basati su approcci distribuiti su ampie superfici - "Large Area Electronics Systems" (LAE-Systems), "Smart Surfaces" (SS). Sistemi di Energy scavenging eterogeneo (RF. Termico, solare, cinetico...). Systems-in Objects (SiO) or Embedded in Objects (ESiO). Elettronica indossabile “Wearable electronics”.

• Leggi fondamentali dell'elettrotecnica e della teoria dei circuiti (legge di ohm, leggi di Kirchhoff, teoremi di Thevenin) - indispensabile - Modellistica dei dispositivi elettronici (modelli lineari, modelli non lineari, per piccoli e per grandi segnali...) - indispensabile - Elementi di progettazione di circuiti ad alta frequenza (consapevolezza di concetti quali adattamento, trasformazione d'impedenza, propagazione guidata...) - importante - Consapevolezza di concetti quali: guadagni, cifra di rumore, saturazione, stabilità... - importante

In una fase introduttiva si inserirà l’insegnamento nel contesto evolutivo dell’elettronica, partendo dalla storia dell’elettronica, passando dall’analisi dello stato attuale delle tecnologie, fino a ipotizzare gli scenari futuri e le principali sfide a essi connesse. Entrando nel vivo dell’insegnamento, il metodo seguito avrà carattere prevalentemente "top-down". Si partirà da una descrizione dell'”ecosistema” IoT come ambiente in cui i sistemi elettronici opereranno. Si passerà a definire le condizioni al contorno principali che l'ambiente di riferimento imporrà alla risoluzione dei problemi progettuali e tecnologici, per poi descrivere alcuni sistemi caratterizzanti e come sia stato affrontato il loro sviluppo. Contestualmente verranno evidenziate le tecniche e gli strumenti di progetto, con ampio utilizzo di esempi sia presi dalla letteratura specifica più recente, sia attingendo alle attività di ricerca sperimentale e di laboratorio portata avanti in sede nell’ultimo decennio.

Presentazione dell’insegnamento Introduzione – IoT e “Smart Objects” - L’Internet delle cose (IoT) - gli oggetti intelligenti Sistemi RFID - Cenni storici - Dimostrazioni di funzionamento - Architettura di un sistema RFID - Classificazione dei sistemi RFID Sistemi RFID di tipo “chip-less” - “Time Domain Response” (TDR) - SAW - SAW tag - “Frequency Domain Response” (FDR) Sistemi RFID armonici - Gli albori - “one bit” tracking sensor - Esempio di funzionamento del “crack sensor” a un bit - Architettura armonica con ponte di Wheastone - descrizione di sottosistemi - analisi e limiti prestazionali - sistema multi-bit a modulazione di polarizzazione Radar e sensori radar - Chipless RFID a riflessione diretta vs radar - Effetto Doppler - Architettura di un sensore radar doppler - Diagramma a blocchi - Blocchi funzionali: - Analisi e progetto dei blocchi costitutivi: - Oscillatore - Branch-line - Mixer - Antenna Wireless Power Transfer: - Cenni storici - Principi di funzionamento - Caratterizzazioni - Wireless Power Transfer NF-IPT: - IPT – “un brutto trasformatore” - Coefficiente d’accoppiamento - Sistemi risonanti Tecniche di realizzazione "semi additive" Energy Harvestig: - Analogie e sinergie tra WPT e EH - Varie sorgenti di energia - Raccolta di energia a radiofrequenza - La rectenna Elettronica indossabile: - Antenne per tessuti - Esempio di contatto “non-ohmico” “Smart surfaces”: - “Smart floor” - “Smart path” - “quasi optics” - Superfici per l’Energy Harvesting - Raccolta di energia da fasci gaussiani Applicazioni industriali dell’elettronica per l’IoT: alcuni esempi dall’esperienza di trasferimento tecnologico dell’Università di Perugia”.

La valutazione viene effettuata mediante un colloquio con lo studente. Tale colloquio inizia da una discussione sui risultati di un progetto specifico assegnato allo studente intorno alla fine del primo mese di lezione. Prosegue poi su tematiche inerenti più in generale al programma dell'insegnamento.

L. Roselli, “Green RFID Systems”, Cambridge University Press 2014.