L’adozione di MATLAB e Simulink nei

Corsi di Ingegneria al Politecnico di Milano

Maurizio Magarini

MATLAB EXPO

Milano, 4 novembre 2014

Maurizio Magarini

Sommario

• Introduzione.

• Il ruolo dei laboratori informatici nella didattica, formazione e ricerca.

• I laboratori informatici nei corsi di laurea in Ingegneria delle

Telecomunicazioni.

• Simulazione di un sistema di comunicazione.

• L’importanza dei modelli.

• Esempio Simulink.

• Dati utilizzo MATLAB e Simulink al Politecnico di Milano.

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Maurizio Magarini

Introduzione

• Affinché gli studenti siano in grado di lavorare su sistemi molto

complessi è necessario che essi comprendano a fondo i principi basilari

di una determinata disciplina.

• In alcuni insegnamenti dei corsi di Laurea e di Laurea Magistrale in

Ingegneria al Politecnico di Milano tale obiettivo viene perseguito

presentando contemporaneamente la teoria e la sua implementazione

attraverso laboratori informatici e sperimentali.

• Nel seguito si discuteranno gli aspetti principali che riguardano i

laboratori informatici svolti al Politecnico di Milano con particolare

riferimento al corso di studi in Ingegneria delle Telecomunicazioni.

• Si illustreranno:

le motivazioni principali che hanno spinto all’adozione di MATLAB e

Simulink in alcuni corsi di Ingegneria delle Telecomunicazioni;

un esempio Simulink in cui si mostrano gli effetti degli errori introdotti

dal canale trasmissione nella trasmissione di un segnale video.

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Maurizio Magarini

Il ruolo dei laboratori informatici …

• … nella didattica

Uno tra i principali problemi che sorgono negli insegnamenti dei

corsi di laurea in Ingegneria è rappresentato dalla vastità e

profondità dei concetti matematici richiesti agli studenti.

Il livello di astrazione che si nasconde dietro concetti nuovi che

vengono affrontati per la prima volta è tale da rendere difficile

l’apprendimento con la didattica tradizionali.

• Nasce l’esigenza di ricorrere a strumenti di tipo software che

permettano l’illustrazione dei principi matematici sia mediante

simulazione numerica che attraverso la costruzione di soluzioni che

complementino le lezioni di tipo teorico.

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Maurizio Magarini

Il ruolo dei laboratori informatici …

• … nella formazione

La crescita esponenziale nell’offerta di servizi e di apparati

tecnologicamente avanzati in diversi ambiti industriali sta portando

ad un’aumento di richieste di ingegneri da inserire nel mondo del

lavoro che siano in grado, sin da subito, di contribuire all’analisi, al

progetto e allo gestione di sistemi di comunicazione complessi.

• Sorge dunque la necessità non solo di fornire agli studenti le

competenze necessarie per usare gli strumenti richiesti nel processo di

progettazione e di analisi, ma anche, attraverso l’assegnazione di

progetti, la possibilità sviluppare una certa autonomia nell’affrontare,

risolvere e gestire i problemi.

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Maurizio Magarini

Il ruolo dei laboratori informatici …

• … nella ricerca

L’impiego di software dedicati per l’analisi, l’elaborazione e la

risoluzione di problemi in discipline scientifiche diverse è un

problema con cui ci si scontra ogni giorno.

Tutto ciò rappresenta un ostacolo pratico per lo sviluppo di strumenti

di elaborazione congiunti in attività di ricerca di tipo interdisciplinare.

• In questo caso più che la necessità di utilizzare un software specifico

per analizzare un dato aspetto di un problema nasce l’esigenza di avere

a disposizione uno strumento caratterizzato da un gran numero di

pacchetti dedicati che possa favorire le attività di insegnamento e di

ricerca congiunte tra gruppi appartenenti a Dipartimenti diversi.

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Maurizio Magarini

I laboratori informatici nei corsi di laurea in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

• Durante le lezioni di teoria agli studenti viene presentato un insieme di

nozioni che, nella maggior dei casi, si focalizza su parti separate di un

sistema di telecomunicazioni.

• Se da una parte tale approccio porta gli studenti ad una conoscenza

approfondita del funzionamento di singole parti dall’altra ha il limite che

non sempre è immediato capire le diverse parti separate si combinano

per costituire un sistema reale.

• Gli studenti imparano ad effettuare calcoli matematici per progettare

parti di un sistema o per calcolare le sue prestazioni.

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Maurizio Magarini

I laboratori informatici nei corsi di laurea in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

• I moderni sistemi di comunicazione si trovano spesso ad operare in

ambienti ostili caratterizzati da livelli d’interferenza elevati dove il canale

su cui avviene la trasmissione varia nel tempo.

• Affinché si possa trasmettere ad elevati bit-rate in tali condizioni è

necessario adottare strutture di trasmissione e ricezione molto

complesse.

• Si comprende quasi da subito l’analisi delle prestazioni di questi sistemi

non può più essere effettuata solo con l’analisi matematica

• La complessità dei moderni sistemi di comunicazione e delle tecniche

utilizzate per l’elaborazione dei segnali rappresenta la motivazione

principale alla base della diffusione della simulazione per l’analisi e il

progetto di un sistema di comunicazione.

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Maurizio Magarini

I laboratori informatici nei corsi di laurea in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

• Mentre il risultato dell’analisi è solitamente un numero nel caso della

simulazione è quasi sempre una variabile casuale.

• Affinché il risultato della simulazione possa essere compreso appieno è

necessario comprendere in modo completo le caratteristiche statistiche

di questa variabile casuale.

• Un esempio classico è costituito dalla stima della probabilità di bit errato

in un sistema di comunicazione.

• L’obiettivo dei laboratori è quello di fornire i concetti fondamentali per

modellare e simulare il livello fisico e quello di rete dei sistemi di

comunicazione.

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Maurizio Magarini

I laboratori informatici nei corsi di laurea in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

• Nome corso: Telecomunicazioni (Laurea Primo Livello)

• Forma didattica:

60 ore lezione

32 ore esercitazione

10 ore laboratorio

• Numero studenti: 123 (a.a. 2012/2013); 222 (a.a. 2013/2014)

• Software: MATLAB

• Obiettivi del laboratorio: svolgimento di esempi guidati per l’analisi e

l’elaborazione dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza.

• Prerequisiti: matematica di base, calcolo delle probabilità e conoscenza

dei principi basilari della programmazione.

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I laboratori informatici nei corsi di laurea in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

• Nome corso: Sistemi di Comunicazione (Laurea Primo Livello)

• Forma didattica:

56 ore lezione

36 ore esercitazione

18 ore laboratorio

• Numero studenti: 82 (a.a. 2012/2013); 69 (a.a. 2013/2014)

• Software: MATLAB & Simulink, Communication System Toolbox e DSP

System Toolbox.

• Obiettivi del laboratorio: costruzione di modelli per la verifica e l’analisi

delle prestazioni di semplici sistemi di comunicazione.

• Prerequisiti: matematica di base, calcolo delle probabilità e processi

casuali, teoria dei segnali e conoscenza dei concetti base di MATLAB.

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Maurizio Magarini

I laboratori informatici nei corsi di laurea in

Ingegneria delle Telecomunicazioni

• Nome corso: Digital Communication (in Inglese, Laurea Magistrale)

• Forma didattica:

52 ore di lezione

36 ore di laboratorio

• Numero studenti: 37 (a.a. 2012/2013); 38 (a.a. 2013/2014)

• Software: MATLAB, Simulink, Communication System Toolbox e DSP

System Toolbox.

• Obiettivi del laboratorio: analisi degli algoritmi e valutazione delle

prestazione di sistemi di trasmissione numerici mediante

l’assegnamento di problemi che devono essere risolti in modo

autonomo dagli studenti.

• Prerequisiti: matematica di base, calcolo delle probabilità e processi

casuali, concetti base di MATLAB e della teoria dei segnali e dei sistemi

di comunicazione.

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Simulazione di un sistema di comunicazione

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Trasmettitore

Ingresso

digitale

mk

s(t) r(t)Uscita

digitale

mk~

Canale di

trasmissioneRicevitore

Schema del sistema di comunicazione

Metodi per la valutazione delle prestazioni:

Analitico

legame diretto tra i parametri di progetto e la prestazione

applicabile a sistemi semplici

Prototipi Hardware

metodo accurato

costoso, richiede molto tempo, scarsa flessibilità

Simulazione a livello di forme d’onda

modello del sistema con il grado di dettaglio desiderato

costo computazionale

Maurizio Magarini

Simulazione di un sistema di comunicazione

Motivazioni principali alla base dell’uso crescente della simulazione per lo

studio dei sistemi di comunicazione:

• Complessità delle architetture dei moderni sistemi di comunicazione e

degli ambienti in cui essi operano.

• Migliorare la comprensione del comportamento del sistema al variare

dei parametri e delle condizioni di funzionamento.

• Nella maggior parte dei casi i problemi non hanno soluzioni analitiche

soddisfacenti.

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Maurizio Magarini

Simulazione di un sistema di comunicazione

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I diversi livelli di simulazione dei sistemi di comunicazione

Maurizio Magarini

Simulazione di un sistema di comunicazione

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Aree che influenzano la simulazione dei sistemi di comunicazione

Maurizio Magarini

L’importanza dei modelli

Il passo fondamentale per la simulazione di un sistema è rappresentato

dalla costruzione dei modelli degli elementi che costituiscono il sistema.

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Il dispositivo fisico può essere un

circuito singolo o un sottosistema

I modelli analitici sono definiti con equazioni, o

sistemi di equazioni, che definiscono la

caratteristica ingresso-uscita del dispositivo.

Il modello simulativo è costituito

da un insieme di algoritmi che

implementano la soluzione

numerica delle equazioni che

definiscono il modello analitico.

Maurizio Magarini

L’importanza dei modelli

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Compromesso fondamentale per la simulazione di un sistema:

la precisione dei modelli rispetto alla durata della simulazione

Maurizio Magarini

L’importanza dei modelli

• La verifica fondamentale da fare nella simulazione di un sistema di

comunicazione consiste nel controllare e validare i risultati ottenuti

tramite

confronto con risultati noti e/o di altri autori

confronto con fasi sperimentali

coerenza con le previsioni della teoria

• Nel processo di progettazione dell’ingegneria la simulazione è il passo

che precede e forma le scelte per la costruzione di un prototipo e,

successivamente, del sistema finale.

• Numerose fasi di controllo, modifica e correzione intercorrono prima di

un soddisfacente risultato tecnico.

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Maurizio Magarini

Dati utilizzo MATLAB e Simulink al

Politecnico di Milano

• Data di inizio disponibilità della licenza Campus: 15 febbraio 2014.

• Dati utilizzo al 16 ottobre 2014:

Numero utenti registrati al portale Mathworks: 5711

• Docenti e staff: 700

• Studenti: 5011

Installazioni MATLAB con licenza stand-alone attivata: 6431

• Docenti e staff: 990

• Studenti: 5441

• L’accordo stipulato prevede che MATLAB, Simulink e 50 fra i principali

toolbox opzionali possano essere utilizzati dal personale dell’Ateneo e

dagli studenti con la possibilità di installazione di licenze stand-alone su

PC o portatili personali.

• I toolbox coprono tutte le aree di ricerca e di didattica dell'Ateneo.

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